王瑟瀾1， 孫從軍2， 張明旭2
(1.上海市蘇州河綜合整治建設****，上海200002；2.上海市環境科學研究院，上海200233)
摘要： 從需氧量的計算、充氧量的確定和充氧裝置的選擇等方面闡述了汙染水體曝氣復氧工程中需要注意的環節，並提出了充氧裝置選型的一般步驟和方法。
關鍵詞： 汙染水體； 曝氣復氧； 充氧裝置
中圖分類號：tu991.11 文獻標識碼：c 文章編號：1000-4602(2004)03-0063-04
國內外的實踐證明[1]，曝氣復氧技術是一種快速、高效、簡便易行的汙染水體治理技術，它既可以有效去除水體中的致黑致臭物質，改善水質，又可以提高水體中的溶解氧含量，強化水體的自淨功能，促進水體生態系統的恢復。
要進行汙染水體曝氣復氧工程的裝置選型，首先必須確定河道水體的需氧量，進而根據裝置的充氧效率確定供氧量。
汙染水體的需氧量主要取決於：①水體的型別，按水流狀態分為靜止水體(如湖泊、水庫)和流動水體(如河流)；②水體目前的水質，即設計水質；③所要達到的預定目標，即改善後水體的水質。其中水體型別的不同決定了需氧量計算方法的不同。
對於河流等流動水體需氧量的計算，上海市環境科學研究院曾在蘇州河曝氣復氧工程方案研究中建立了一種簡便的組合式推流反應器模型[2]。該模型是將河流近似地看作多個推流式反應器(河段)的串聯組合，在充分利用河道現有水質、水力資料的基礎上，對相關邊界條件作了合理簡化和假設後，綜合考慮了還原物質耗氧、有機物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧等耗氧作用和大氣復氧、藻類光合作用復氧等復氧作用而建立起來的。該模型是一種近似的計算方法，要提高其計算精度，只需將河道分成盡可能多個反應器(河段)即可。
對小型靜止水體(如公園、居住小區的景觀湖泊或池塘)，由於其面積較小、水深較淺，且外界輸入汙染負荷一般較小，因此可以採用基於一級反應的箱式模型。為方便起見，只考慮有機物生化降解與大氣復氧作用，則：
o=[1.4l0(1-ek1t)-(cs-c)(1-ek2t)+cm]v(1)
式中o———水體的需氧量，g
v———水體的體積，m3
t———充氧時間，d
c———水體的溶解氧濃度，mg/l
l0———水體初始的bod5濃度，mg/l
k1———bod5生化反應速率常數，d-1
cs———水體的飽和溶解氧，mg/l
k2———水體的復氧速率常數，d-1
cm———維護水體好氧微生物生命活動的最低溶解氧濃度，一般可取2mg/l
充氧時間t根據下式確定： l=l0(1-e-k1t)(2)
式中 l———水體改善後的bod5濃度，mg/l
如果水體汙染嚴重，長期處於黑臭狀態，則在計算需氧量時還需考慮無機還原物質(如fe2+)和底泥耗氧作用的影響。
在缺乏水質模型和汙染源資料不全的情況下，可利用實驗室試驗確定設計水體的耗氧特性曲線，根據設計目標和各階段耗氧量可以對總需氧量和各曝氣點的充氧量進行估算。這種方法適用於沒有外界輸入汙染負荷條件下的湖泊、水庫等靜止水體。如將河道分段並對各河段水體分別進行試驗，以相應的耗氧曲線(或相應的耗氧動力學模型)來計算需氧量，那麼也可用於河流等流動水體。
這種方法比較簡單，計算結果令人滿意，但工作量大，而且試驗結果只能反映當前水體的耗氧狀況。
水體的需氧量並不等於裝置的充氧量。充氧裝置標稱的充氧動力效率均是通過清水試驗獲得的。在標準條件下(水溫為20℃，氣壓為1.
013×105 pa)，單位時間內轉移到脫氧清水中的溶解氧量為：
r0=kla(20)cs(20)v (3)
式中kla(20)———水溫為20℃時的氧總轉移係數， h-1
cs(20)———水溫為20℃時的飽和溶解氧濃度，mg/l
v———水體的容積，m3。
與清水不同，汙染水體中含有大量的雜質，這些雜質不僅直接影響氧的總轉移係數kla，還會影響水體的飽和溶解氧cs，因此，充氧裝置在汙染水體中的氧轉移速率與清水有很大不同，在裝置選型計算充氧量時需進行適當的校正。
一般引入係數α校正水中雜質對kla的影響，引入係數β校正雜質對cs的影響。在汙染水體條件下單位時間內轉移到水體的溶解氧量為：
r=αkla(20)(βρcs(t)-c)1.024(t-20) v (4)
式中r———單位時間轉移到實際水體中的溶解氧量，在此處即為需氧量
ρ———壓力修正係數
t———設計水溫，℃
c———水體中實際溶解氧濃度，mg/l
α、β值可通過汙水、清水的充氧試驗予以確定。
對於城市生活汙水而言，α、β值分別在0.80～0.85和0.90～0.97之間[3]。通常河流水體的汙染程度低於城市生活汙水，因此其α、β值可參照上限取值。
將式(4)代入式(3)並整理後得：
r0=rcs(20)/[α(βρcs(t)-c)1.024(t-20 )] (5)
在實際應用中，r值可取1.1節計算出的需氧量的1.2～1.5倍。
① 機械曝氣
機械曝氣裝置的主要技術引數是動力效率[以kgo2/(kwh)計]。根據1.2節計算得到的氧轉移速率r0與裝置的動力效率即可確定裝置總功率與數量。
需要注意的是，充氧動力效率與水深有關。裝置標稱的充氧動力效率是在固定水深(一般為4.5m)測得的，而汙染水體中設安裝的深度往往小於此水深，因此在計算時使用的充氧裝置動力效率應當根據實際水深做適當調整。
② 鼓風曝氣
當汙染水體採用鼓風曝氣(氧源為空氣)的方式進行充氧時，裝置容量(主要指風機的功率和數量)的計算可參考汙水處理工程設計手冊的相關內容。如採用的氧源是液態純氧，裝置容量(如純氧的使用量)也可用類似的方法進行計算確定，此時曝氣器一般採用氧利用率較高的微孔擴散裝置。
水體充氧裝置可分為純氧曝氣系統和空氣曝氣系統。
由鼓風機和布氣管組成的鼓風曝氣系統被廣泛應用於城市生活汙水與工業廢水的好氧生化處理工藝中(如活性汙泥法的供氧系統等)。近年來氧轉移效率較高的微孔布氣管被廣泛應用，使該供氧方法的充氧效率得到較大提高。根據一些國外公司的產品介紹，微孔管的氧轉移效率可達25%～35%(水深為5m)。
該系統的主要缺點是：安置在河底的布氣管對航運有一定影響，尤其是在低潮位時；布氣管安裝工程量較大，水平定位施工精度要求較高，布氣管損壞後維修較困難；潮汐河流水位變化較大，選擇鼓風機須滿足高水位時的風壓，導致在低水位曝氣時動力效率較低；鼓風機房占地面積較大，考慮到市區內徵地和拆遷的費用，其投資較大；鼓風機執行雜訊較大，可能對沿岸居民生活帶來影響，為了降低雜訊的影響、風機房須設定在地下，從而增加了投資費用。
鼓風機—微孔布氣管曝氣系統宜用於郊區不通航河道。工程例項：上海市徐匯區上澳塘河道曝氣系統。
純氧—微孔布氣裝置曝氣系統由氧源和微孔布氣管組成。系統的氧源可採用液氧(lox)或利用製氧裝置(psa)製氧。以液氧為氧源的曝氣系統占地面積很小，可露天放置，不需建造專門的構築物，只要安放在河岸邊綠化地帶中即可。
該系統無動力裝置，省卻了供電、電控裝置和電力增容費，系統執行可靠、無噪音。
德國messer公司的曝氣系統採用一種特殊的大阻力橡膠微孔布氣管，其微氣泡直徑約為1mm，氧轉移效率為15%(1m水深)，以「曝氣墊」的形式置於河床上。這種曝氣墊強度高，在河道中安裝方便，而且不易堵塞。在水深較深(>5m)的河流中該系統的充氧效率可達70%左右。
工程例項：德國emscher河液氧—微孔布氣裝置曝氣系統。
純氧—混流增氧系統是由氧源、水幫浦、混流器和噴射器組成。氧源可採用液氧或利用製氧裝置(psa)製氧。工作原理為：
河水經水幫浦抽吸加壓後將氧氣或液氧注入設定在增壓管上的文氏管，利用文氏管將氣泡粉碎和溶解，氧氣—水的富氧混合液經過特製的噴射器進入水體。該類系統的溶氧效率較高，在3.5m水深時即可達到70%左右。
純氧—混流增氧系統可用於固定式充氧站，亦可用於移動式水上充氧平台。用於固定式充氧站的純氧—混流增氧系統噴射器可安置在河床邊近岸處，對航運的影響較小。
工程例項：英國thames河2艘曝氣船(10to2/d，30to2/d)，psa製氧；德國saar河曝氣船(500m3o2/d)，氧源為lox；澳大利亞swanriver曝氣船(1to2/d)，氧源為lox；蘇州河曝氣船(3.5to2/d)，psa製氧。
葉輪吸氣推流式曝氣器是河道、湖泊人工充氧中較廣泛使用的充氧裝置之一。該類裝置一般由電動機、傳動軸、進氣通道與葉輪等部件組成，可分為軸向流液下曝氣器與複葉推流式曝氣器。軸向流液下曝氣器的工作原理是通過在水下高速旋轉的葉輪在進氣通道中形成負壓，空氣通過進氣孔進入水中，葉輪形成的水平流將空氣轉化為細微、均勻的氣泡。
複葉推流式曝氣器採用了螺旋槳和葉背、葉前兩個離心輪三者組成的複葉式結構，通過複葉在幫浦體內的高速旋轉，在葉背、葉前中心區產生較強的負壓，從而將空氣通過主導氣管和輔助導氣管吸入，同時在螺旋槳進水的環形面上形成高速螺旋狀運動的水，產生區域性高壓，將氣和水充分混合和乳化。氣—水乳化液通過導流器以360°方向輻射至水體。 葉輪推動吸氣曝氣器的優點是：
①安裝方便，只需將裝上浮筒的裝置安置在水面上用纜繩加以固定或錨固即可，安裝工程量小，並可根據需要隨時加以調整(位置、台數等)，方便靈活；
②由於裝置漂浮在水面，受水位影響較小；
③裝置安裝在河道內，除了電控裝置外，基本不占地；
④維修簡單方便。
其缺點是：
①葉輪易被堵塞纏繞，可以通過在裝置上安裝防護網來克服(複葉推流式曝氣器由於進水口與出水口距離較遠，不易被堵塞纏繞，在水深較淺的河流中使用該類裝置易將底泥攪起)。
②影響航運。
③執行時可能會在水面上形成一些泡沫，影響環境美觀。
工程例項：南韓suyon江河口釜山港灣曝氣系統；北京清河河道曝氣復氧工程。
水下射流曝氣裝置的工作原理是用潛水幫浦將水吸入增壓從幫浦體高速推出後，利用設定在出水導管上的水射器將空氣吸入，氣—水混合液經水力混合切割後進入水體。水下射流曝氣裝置安裝較方便，基本不占地，執行噪音較葉輪吸氣推流曝氣器小。水下射流曝氣器的充氧動力效率一般為1.
0～1.2kgo2/(kwh)。如果水幫浦被堵塞或出現其他故障時，須將裝置吊出水面進行維修，與葉輪推動吸氣曝氣器相比維修較麻煩。
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鼓風曝氣裝置的選擇和計算
鼓風曝氣裝置的設計內容包括 空氣擴散器的選擇和布置，空氣管路布置及其計算，選擇鼓風機並計算所需的台數。其中擴散器按需氧量要求的氧轉移量選擇，鼓風機台數及管路計算是根據供氣量確定的。管路計算包括 布置管道系統，確定每段最大輸氣量，根據流量和經濟流速計算管徑，計算壓力損失。從鼓風機房到曝氣池上的空氣幹管...