曝气系统的设计基础理论

1　曝气系统的设计基础理论

1．1　曝气增氧过程

氧气向水中的转移过程可分为三个步骤：气体形式的氧气转移到气液界面；氧气进入气液界面，氧气从气液界面进入水中。第一步通过气体扩散和对流作用实现，第二步通过气体扩散实现，第三步骤通过对流实现。

根据双膜理论，单位时间曝气器可溶解在水中的氧气量为：式中，KLa＝修正的气体传质系数（h－1）；C_s＝溶解氧饱和浓度（g·m－3）；C＝水中溶解氧浓度（g·m－3）；t＝时间（h）。式（2）中：DL为液膜中氧扩散系数（m²·h^－1），A为气液两相界面作用面积（m²），V为参与作用的液相体积（m³），t表示气液两相界面的平均作用时间（h）^［4］。

_K

式（2）中的1／t_K表示参与传质作用的气液两相接触面的更新速度（h－1），t_K越小，其更新速度就越快，KL就越大。式（1）中的参数KLa，表示曝气过程中氧的总传质性能。当传递过程的总阻力大，则值低，反之则值高。式（2）、（3）表明，气液两相面作用面积，以及该两相面的更新速度都直接对传质速度有影响。形成微细的气泡能增大总传质接触面积A；产生强烈的紊流可促进界面更新，提高KL值。

有关研究表明，影响KL的因子有：紊流强度，黏性，表面张力，分子扩散系数，温度，池型；影响a的因子有：表面张力，曝气原理，气水接触时间，污水组分；影响C_s的因子有：气体溶解度，盐度，有机物，温度，大气压。

1．2　气体气泡的生成

根据产生气泡的大小不同，可将曝气器分为：微气泡型d_B＝1～5mm，中气泡型dB＝5～10mm，大气泡型d＞10mm［4］。

_B

气泡的大小可表述为：

_fgf

式中，d_B＝气泡直径（mm），σ＝液体表面张力（N·m－1），S_f＝液体密度（kg·m－3），S_g＝其他密度（kg·m－3）。

值得注意的是，当产生微气泡和中气泡时，气泡直径大于气体进入水中的孔径。当产生大气泡时，气泡直径小于气体进入水中的孔径。不同大小气泡的上升速度不同：d_B＜0．15 mm时，VB＝478　500d_B2（m·S^－1）；0．15mm＜d_B＜2．1mm时，VB＝758d_B1．25（m·S^－1）；2．1 mm＜dB＜7．2mm时，VB＝0．0164d_B0．5（m·S^－1）。

曝气器生产商常用如下特征曲线来评价氧气的溶解效率：式中，s＝气体密度（kg·m－3）；w＝空气中氧气摩尔分数（kg·kg^－1）

研究表明，当气泡直径φ＞25微米时则气泡上升而逸出水面，当φ≤25微米时，气泡就停留、悬浮于水中，而气泡中所含氧气就直接成为水中溶氧的数值［5］。锥式增氧器就属于这一类曝气器，适用于高密度循环水养殖。

1．3　氧气转移效率

氧气转移效率（OTR）指在一定的温度、大气压、气量和溶解氧浓度的条件下，水体溶解的氧气量。氧气转移效率指在20℃、1个标准大气压、气量和溶解氧浓度的条件下，水体中溶解的氧气量。

对于扩散式曝气器，

对于机械式曝气器，

设计时需考虑的因素有：试验点位置、海拔、温度波动，曝气池体积、深度、形状，溶解氧需求，混合效果，污水温度，污水特征，实际溶解氧浓度，曝气设备等。

标准氧气转移率（SORT）指的是在清水中、水体溶解氧为0、温度为20℃以及大气压为1个标准大气压条件下，单位时间曝气器在一定量的水体所转移的氧气量，如下式，

式中，τ＝温度校正因子，Ω＝压力校正因子，T＝温度，θ＝经验校正因子（≈1．024），τ＝C_st／C_s，20，Ω＝P_b／P_s，C_st＝试验温度下水中溶解氧饱和浓度，1个标准大气压，湿度1　000%，C_s，20＝20℃时水中溶解氧饱和浓度，1个标准大气压力，湿度100%，Pb＝试验点大气压力，Ps＝1个标准大气压。

曝气动力效率指单位总能耗的氧气转移率。标准曝气动力效率指单位总能耗的标准氧气转移率。

1．4　风机系统的设计

风机曝气系统的能耗主要是鼓风机的电耗，而鼓风机的功率（N）由风量（Q）、风压（P）、绝对气温（K）、空气密度（p）和总绝热效率（η）等因素决定，其中Q和P由系统工况决定，是系统能耗的决定性因素；K和p由环境因素决定；η主要由鼓风机设备本身决定。

鼓风机使空气具有一定的压力，用来克服静水压力、管道系统的阻力、曝气器的阻力。

增压空气所需的功率Ng可表示为：式中，m（L·mol^－1）为标准大气压下，1mol气体的体积（20℃时为24．04L，0℃为22．40 L）。；G（m³·S^－1）为增压前的空气量；R（J·mol^－1·K－1）为气体常数；T（K）为开尔文温度。P（Pa）为大气压；P1（Pa）为增压后的压力。

对于一定养殖密度的封闭循环水养殖系统，其需氧量（R）是定值。需氧量与鼓风机风量（Q）的数量关系受到众多因素的影响，主要影响因素有曝气设备的氧转移效率（EA）、水质（α和β）、水温（T）、氧饱和度（C_s）、混合液溶解氧浓度（CL）、水深（H）等。

系统的风压主要取决于曝气设备上部水深（H）和系统阻力，其中H是决定因素，取决于曝气池水深；对于微孔曝气设备，系统阻力对风压的贡献也很重要。

曝气器的氧转移动力效率（EP）是在一定条件下消耗单位电能转移到水中氧的量，是曝气设备唯一的效能指标，可以作为初选曝气设备的参考指标。曝气设备上部水深（H）、曝气器动力效率、混合液溶解氧浓度和空气密度是影响对曝气系统电耗的主要因素，风机变速调节是鼓风曝气系统节能的有效措施［6］。

曝气设备作为污水生物处理工艺中的核心设备已日益受到世界各国水处理界和企业家的高度重视，新型高效节能曝气设备的研发已经成为推动污水处理环保产业发展的重要部分，积极开展先进曝气设备的研究对国家节能环保政策的执行和相关产业的发展都有重要的意义。

水体曝气量的设计涉及两个因素：供氧能力和曝气强度。供氧能力与曝气器类型、填料种类、水深有关。曝气强度则与水深、水力停留时间以及气水比有关。填料的存在对曝气产生的微气泡和大气泡具有不同的作用。微气泡在上升的过程中，不会破碎，甚至会有聚合发生。而大气泡在上升过程中，由于填料碰撞破碎，增强水体紊动，提高传质效果，增加氧转移速率。在气泡破碎的瞬间，氧气的转移速率是最高的［7］。

1．5　曝气器的选择

在水体曝气设备的选择中氧气转移率是最为关键的因素，其他如：稳定性、资金成本、系统附件和运行维护费用等。采用曝气器的孔径和通气量的最佳配合是增加水体溶解氧的重要措施，关系到溶氧率、氧利用率、氧动力效率指标以及养殖能耗等经济成本因素［8］。

汤利华等［9］研究表明，在一定条件下存在时动力消耗最小的曝气器的最优孔径，在给定的条件下，最优孔径约50μm。就曝气器的选择来说，如采用浅水曝气，应选用孔径小的曝气器；如采用深水曝气，应选用孔径较大些的曝气器。目前微孔曝气器的孔径为100～200μm。