比较了国内外微孔曝气研究和应用实例，叙述了曝气量、安装水深、安装面积、孔径、水质和气孔堵塞状况对微孔曝气充氧性能的影响，对不同影响因素的作用效果做了总结，并指出目前研究存在的问题。以期对污水处理厂曝气系统的优化提供借鉴，对拟采用微孔曝气法进行生态修复的研究提供参考。
1.引言
好氧生物处理是污水处理厂的中心环节，曝气设备是好氧生物处理的核心组件。曝气不仅可以提供好氧微生物所需的溶解氧，还可以搅动水体，增加微生物与悬浮物的接触面积，提高污染物的去除率。曝气是污水处理的主要耗能环节，一座普通的污水处理厂中45%~75%的能耗是曝气过程产生的。能耗大、维护费用高是目前曝气系统的主要问题。
微孔曝气是一种高效的曝气技术。早在1915年，英国发明了第一个多孔盘曝气装置，并于20世纪30~40年代逐渐流行。随着20世纪70年代能源危机之后，微孔曝气技术由于其通气量大、充氧能力强，节约能耗的特点，再次受到关注。
美国的Ridgewood污水处理厂将粗孔曝气器改装成微孔曝气器之后，氧利用率提高了50%，并降低了28%左右的能耗。与大中气泡的曝气系统相比，微孔曝气系统能节约50%左右的能耗。
尽管如此，微孔曝气的氧的利用率也<20%～30%，而且能耗很高。因此，如何在不增加能量消耗的前提下提高微孔曝气器的充氧性能，优化微孔曝气器充氧性能具有重要意义。
2.微孔曝气技术的应用
目前微孔曝气多用于生活污水的处理和黑臭河道的治理，国内外已有大量研究案例。表1例举了国内外微孔曝气技术的研究和应用实例。研究发现，微孔曝气技术单独作用对污染物的去除效果有限，这是因为曝气对污染物的去除主要依靠污水中的微生物作用。对于微生物含量匮乏的水体，曝气效果往往不明显。通过向水体中投加微生物菌剂或利用生物膜法可以有效地提高污染物的去除率。
从N、P的去除机理可知，曝气对N、P的去除实质是物质之间不同形态的转化，以及水体和底泥之间的物质交换过程，污染物并没有从水体－底泥系统中去除。水生植物能够很好地利用水体－底泥中的N、P营养元素，从根本上去除污染物。因此，微孔曝气技术与微生物、水生植物等技术联合作用能大幅度提高污染物的去除率，是未来研究的重点。目前研究较多的联合技术是人工湿地技术和生物膜技术。
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表1微孔曝气技术实施案例
3.影响充氧性能的因素
充氧过程的实质是氧的传质过程。基于1923年Whitman提出的双膜理论,KLa是氧总传质系数，表示在单位时间内向单位体积水中传递氧的数量。此外，常用的评价充氧性能的指标有充氧能力、氧利用率和理论动力效率等。
3.1曝气量
根据Erika的研究，曝气量是影响KLa的最主要因素，其次分别为孔径和曝气器的安装水深。目前就曝气量对充氧性能的影响，国内外已有较多研究。
Khoshfetrat比较了不同曝气量下膜生物反应器中溶解氧的浓度，结果表明，当曝气量由4L/min增加到8L/min时，溶解氧由4.9mg/L增加到了5.8mg/L。Jia-MingChern的研究发现，KLa值是随曝气量的增加而增大的，且存在某种线性关系。EPA公布的微孔曝气设计手册显示，充氧能力随曝气量的增大而增加，氧利用率却随曝气量的增大而减小。
RezaIranpour对洛杉矶某污水处理厂的研究显示，氧利用率随曝气量的增加快速降低，曝气量的增加不利于氧利用率的提高，这种现象在气孔堵塞的情况下更加明显。张斌用橡胶膜微孔曝气器进行清水充氧试验也发现了同样的情况：随着曝气量增大，充氧能力有所提高，氧利用率和理论动力效率均有不同幅度的下降。
根据双膜理论，在一定水深下，曝气量增大，单位时间内转移到水中的溶解氧量增加，充氧能力就强。但曝气量增加会导致气泡在水中的停留时间减少，因此在相同水深下，氧的利用率会减小。
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3.2安装水深
曝气器的安装水深是影响充氧性能的一个重要因素。Kossay对不同水深下的充氧效果进行了比较，结果表明，在水深为0.5m时，充氧能力为1.2~2.2g(O2)/h˙m3，当水深增加到4.6m时，充氧能力提高到了10.4g(O2)/h˙m3。Martin在水深为3.5m~12.0m的范围内研究水深对微孔曝气的氧传质效率影响，结果表明，随着水深的增加，氧转移效率增加，同时能耗也在增加。
张斌分别在水深为5m，6m，10m处进行清水充氧性能研究，结果表明，充氧能力、理论动力效率和氧利用率均随水深的增加而增大。这是因为曝气器的安装水深越深，气液接触时间越长，氧传质系数越大，充氧性能越好，氧的利用率也越高。
俞庭康的研究结果却不太相同，在4~8m水深条件下，橡胶膜曝气器的充氧能力和氧利用率随水深增加而增大，但KLa和理论动力效率是先减小后增大，并在6m处达到最小值。
3.3曝气器的表面积
Kossay将曝气密度（曝气器的表面积与池底表面积的比值）作为研究对象，分别在曝气密度为25%、50%、75%、100%时研究其与充氧能力的关系，结果表明，充氧能力与曝气密度呈某种线性关系，且随曝气密度的增加而增大，但增大效果并不明显。
Martin的研究表明，当曝气密度由15%~20%下降到5%~10%时，氧气的吸收会由20gO2/m3˙m下降到13gO2/m3˙m。S.Gillot的研究表明，KLa随着曝气器数量的增加而增大。Gregory比较了曝气器尺寸分别为254mm和210mm时的氧转移率，结果表明，在水深3m处，254mm曝气器的氧转移率要高3%；当水深增加到6.1m时，这种差别提高到12%。
增大曝气器的表面积可以提高充氧能力和氧利用率，主要原因有两个：一是表面积的增大可以增加气泡数量，实质是增大了气水接触面积；二是表面积的增加减少了气泡之间相互影响，同时减少了小气泡并聚成大气泡的数量。
3.4曝气孔径
曝气器的孔径对充氧性能的作用至关重要。与粗孔曝气器相比，微孔曝气器可以节约50%左右的能耗。这是因为小气泡比大气泡的停留时间更长，同时与水的接触面积更大。Krasnyi指出，混合液的吸收氧量与曝气器的孔径成反比。Alkhalidi进一步提出了KLa与气泡大小的关系模型，并通过实验得到验证。
Kenneth通过实验比较了孔径分别为40μm和140μm两个曝气器的充氧性能，结果显示两个曝气器的充氧性能并没有太大差异。Yannick研究结果则不同，他发现孔径减小10%会使KLa增加15%，相反，孔径增加10%会造成KLa减小11%。庄健与Yannick的研究结果一致，他对孔径从50μm~100μm的6个梯度进行实验，结果表明，随着孔径增大，KLa、充氧能力、氧利用率和理论动力效率均减小。尽管小孔径有利于氧的传质，但孔径越小，阻力损失越大，能耗也越大。除了能耗问题，在实际应用中也要综合考虑污水水质导致曝气孔堵塞的问题。
3.5污水水质
针对不同水质，曝气充氧效果也不尽相同。Khoshfetrat就COD负荷对充氧性能的影响进行了研究，结果表明，COD负荷由1kg/m3˙d增加到2kg/m3˙d时，溶解氧由4.9mg/L降到3.9mg/L，随着COD负荷继续增加到2.5kg/m3˙d，溶解氧继续下降到2.1mg/L。
表面活性剂和总溶解性固体（TDS）是影响曝气氧传质效率的重要因素，是目前研究的热点。Marupatch对比清水和混合液（包括NaCl、葡萄糖、表面活性剂）的KLa发现，混合液中的KLa比清水中的有明显降低。这是因为表面活性剂能够使气泡减小，同时会增加气泡之间的并聚，导致总体氧传质系数降低。
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陈旭露进一步研究了不同类型的表面活性剂（阴离子、阳离子、非离子）对氧传质过程的影响，结果表明，阴离子表面活性剂的KLa值最大，其次是非离子和阳离子表面活性剂。庄健研究了TDS对KLa的影响，并推导出两者关系的经验公式。结果表明，KLa随TDS的浓度增加而增大。
有研究指出，污染物可能会阻碍气－液界面之间氧的传递，使传质效果减弱；也有可能是因为污染物使水体张力的改变，进而影响了传质效果。但具体的作用机理尚不明确，还需要进一步研究。
3.6气孔的堵塞
微孔曝气器的一大缺点是容易发生堵塞，这不仅会造成充氧能力的降低，而且会造成能量的浪费。梁远对新、旧刚玉盘式微孔曝气器的充氧性能作了对比实验，结果表明，经过长期使用的曝气器的KLa、氧利用率和动力效率分别下降了57%、58%和59%，更换新曝气器后，能耗降低了12%。
Shao-Yuan(Ben)Leu对比清洗前和清洗后的同一微孔曝气器的气泡大小（见图1），结果发现，清洗前的气泡直径为4mm，清洗后气泡直径减小为1-2mm，说明曝气器的堵塞会使充氧性能降低。DiegoRosso在这方面也做了大量研究，随着曝气器的使用时间增加，氧利用率呈指数曲线状下降。因此，对于长期使用的微孔曝气器要定期进行清洗和维护，防止发生堵塞导致氧利用率下降和能耗增加。
图1曝气器清洗前后对比
4结论与展望
目前微孔曝气技术研究的重点在两个方面：
一是曝气器的优化以提高充氧性能；
二是与不同修复技术的联合作用对受污染水体的处理效果。
曝气量、曝气器孔径和安装水深是对充氧性能影响最显著的三个因素。增加曝气量可以提高KLa和充氧能力，但会降低氧利用率。一般情况下，减小曝气器孔径可以提高KLa、充氧能力和氧利用率，但如果孔径过小，可能会导致气孔堵塞，阻力损失增加等问题。
水深增加，KLa、充氧能力和氧利用率也会增加，但水深对理论动力效率的作用效果还有待进一步研究。单一曝气器的表面积增加对充氧性能的提高效果不明显，但采用多个曝气器的方式可以有效地提高充氧能力。表面活性剂和总溶解性固体（TDS）是水质条件中对KLa影响最大的因素。TDS会增加KLa，表面活性剂会降低KLa，但其中的机理还需要进一步研究。此外，温度、曝气池容量、曝气器布置方式等因素也对充氧性能有影响。
目前研究人员较多关注KLa、充氧能力和氧利用率这三个指标的研究，理论动力效率作为唯一的效能指标和经济性指标，目前的研究还较少。尤其是曝气量、孔径和安装水深等因素对理论动力效率的影响还需要进一步验证。
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原标题：高效节能的曝气技术：微孔曝气的全球应用进展
