純氧曝氣

氧氣是一種難溶於水的氣體。試驗證明 : 當總壓為101.3~1013KPa時 , 其 溶解度符合亨利定律。常温常壓下 , 空氣中氧在水中的溶解度約為10mg/L, 空氣曝氣操作可使水中溶解氧的飽和度最高達80%~90%, 即水中溶解氧濃 度最高為8~9mg/L。這對於一些氧量要求較高的水處理工藝過程是不夠的 。 ^[1] 

常温常壓下，空氣中氧的含量僅為 21%左右， 而純氧中的含氧量為 90%~100%， 純氧的氧分壓比空氣高 4.4~4.7 倍，用純氧進行曝氣能夠提高氧向混合液中的傳遞能力， 為微生物好氧降解有機物提供更有力的保障和支持。

氧氣溶解過程中的擴散速度 dc/dt 可以由傳質速率方程式表達：

Kmol/(m²·s)

式中，

是飽和溶解氧濃度，C 為氧氣在水中的實際濃度 Kmol/m3，

為傳質總係數

， 它是温度、水質及氣液混合強度的函數。

由方程式可以看出，當温度，水質及氣液混合強度不變時， 氧氣在水中傳質速率隨着溶解度的增大而升高。 顯然，與空氣曝氣相比，純氧曝氣的氧氣傳質速率可有很大程度的提高。

由傳質速率導出曝氣裝置供氧負荷 Q 的方程：

Kmol/s

式中，a 為單位曝氣器容積的氣液接觸面積 (m² /m³)，它與曝氣強度有關，V 為曝氣器容積(m³)。

由此可知，純氧代替空氣，可獲得較大的傳質速率，因而可減小曝氣設備體積，或提高設備的供氧負荷。 ^[2] 

純氧曝氣法的池型、溶氧裝置等與空氣法有許多不同。

按曝氣池的不同可分為：

與空氣曝氣系統相比, 純氧曝氣系統有以下顯著優點:

(1) 溶解氧濃度可達到 6～10 mg/L, 故生物量負荷高, 保證了能夠快速地適應變化的有機負荷, 同時污泥中的絲狀菌得到了抑制, 形成密實的絮體顆粒, 具有很好的沉降性和濃縮性, SVI 僅為空氣活性污泥的 1 /2～1 /3;

(2) 在高純氧條件下, 生物處於高度的內源代謝即自身氧化階段, 因而產泥量大為減少, 純氧曝氣可以減少高達 25%的剩餘污泥;

(3) 氧的轉移速率和利用率高, 純氧曝氣氧利用率達到了 90%, 處理效率高, 能耗低;

(4) 處理相同污水停留時間僅為空氣曝氣的 1 /3～1 /4, 因此池容也相應減小。純氧曝氣實際安裝所佔空間遠 較常規的系統的要小;

(5) 純氧曝氣系統的噪聲遠 低於鼓風曝氣系統, 基本上不存在揮發性有機化合物( VOC) 的氣體逸散, 減輕了污泥與廢氣的二次污染，降低了污水處理廠對周圍環境的不利影響。 ^[4] 

採用加蓋密閉式曝氣池和葉輪式氧氣表曝機曝氣，池內分為若干段，每段設一台表曝機。該系統採用密閉式曝氣池，使氧氣能夠得到充分利用，但曝氣池加蓋使得工程造價提高，同時此技術採用表面曝氣，曝氣能耗高。 ^[5] 

純氧活性污泥法和空氣法一樣，均為利用污水中好氣微生物淨污水。純氧法是將氧氣直接溶於水中供微生物需要。為了充分利用氧氣，曝氣是在一個多隔(一般為3-4隔)密閉池子裏進行的，氧氣是根據池中耗氧量多少，通過壓力調節閥送入池中。當池中需氧量增大時，氣相壓力降低，壓力調節閥將自動加大開啓度，增加氣相中供氧量，使曝氣池中氣相壓力穩定在一定範圄內。氧氣通過表曝機的作用溶於水中。由於曝氣池的生化作用，水中會釋放出大量的二氧化碳和其他氣體，在曝氣池末端隨氣相中氧含量的多少進行排氣，排氣的方式是連續的，並可採用手動或自動調節排氣闊的開啓度。

該系統的設備主要有氧發生器、充氧(溶氧)裝置, 機泵及控制系統的儀器儀表等。主要控制儀表包括供氧壓力調節系統、可燃氣體報警系統、溶解氧測量儀表、尾氣中氧含量探測儀表、流量計量儀表、PH指示劑等。 ^[6] 

與空氣活性污泥法相比，該工藝具有以下特點：

(1)空氣活性污泥法的溶解氧(DO)通常只能在1~2毫克/升範圍內運行,而UNOX系統的活性污泥法的溶解氧可在4~10毫克/升的範圍內操作運行(一般DO=6毫克/升)。

(2)純氧法的實際BOD-SS負荷比空氣法低。

(3)SVI（活性污泥指數）為空氣活性污泥的1/2~1/3倍。

(4)曝氣過程中氧化BOD和微生物呼吸均需要氧，而空氣法的氧是受限制的。因此在高BOD濃度進水條件下，則無法維持最MLSS的需氧量，但UNOX系統曝氣池內混合液則能保持MLSS在4000~8000毫克/升範圍，甚至更高。 ^[7] 

BIOX工藝的核心是一種應用純氧的微氣泡軟管曝氣墊，這種曝氣墊由多根微氣泡曝氣軟管平行鋪設於長方形鋼質框架中所構成。軟管的材料是一 種具有優良彈性和耐久性的特種橡膠，軟管外徑 26 mm、內徑 16mm、壁厚 5mm，軟管壁上均勻分佈微細的小孔 。當進氣壓力大於要求的開啓壓力0.05 MPa時 ，小孔開啓而產生微氣泡；當進氣壓力低於005Mpa或停止供氣時 ，小孔自動關閉 ，從而有效地防止污水進入管內 ，起到類似 “單向閥 “的功能。軟管中氧氣的供氣壓力通常為0.2～0 4MPa。高供氣壓力的優點 ：保證軟管內沿整個長度存在穩定均勻的氣流 ；在池底鋪設軟管時對水平度不存在苛刻的要求 ，使施工安裝大為簡便 ；可在一定範圍內調節氧氣流量 ，從而獲得不同的曝氣強度。

BIOX工藝已廣泛應用於各種污水處理工程中 ，其中主要有以下三個方面 ：

(1)超負荷污水處理廠的“部分氧化工藝 ”，即在超負荷的曝氣池中應用 BIOX工藝 。為了消除超負荷引起的溶 解氧濃度過低等問題 ，可在曝氣池的局部(如推流曝氣池的開始段)或可在整個曝氣池中增設 BIOX純氧曝氣 ，並 保留原有的空氣曝氣 ，這樣可靈活經濟地維持必要的溶解氧濃度。

(2)應用於序批式反應器 (SBR)，可充分利用 SBR中高污泥濃度和水深的優點 。

(3)應用於污水生物脱氮的三級處理廠 ，即採 用 BIOX- N工藝 。由於純氧曝氣可顯著提高污泥濃度和曝氣池 容積負荷 ，不僅可縮小曝氣池容積 ，而且由於污泥負荷的降低，有利於硝化反應的發生 。所以在污水處理廠的脱氮改造時 ，可將原有曝氣池的一部分隔開，用作反硝化的缺氧池，剩餘部分則為純氧曝氣的硝化池。這樣，無需新建任何構築物就可以實現污水處理的脱氮升級 。 ^[8] 

該工藝是對 UNOX 進行了改進，也用密閉式曝氣池，曝氣池分為若干格，各格之間在池體上部開口，使各格氣液串聯，氧氣用離心壓縮機由頂部送入池內第一格液麪，經水下葉輪中空軸進入水下葉輪，從水下葉輪的噴嘴溶入處理的污水中。 ^[5] 

氣態氧進入文丘裏噴射器，使氧形成微氣泡，這些氧微氣泡在壓力上分佈均勻，迅速溶解，含氧高的液體又經多級噴嘴噴射系統溶於污水中。該系統氧氣在污水中的溶解率達 95% 以上，採用敞口式曝氣池，管理簡單，維護方便，有利於現有污水廠的升級改造。 ^[5] 

是一個機械增氧系統，由電動機，變速箱，浮筒，導流筒和雙螺旋推進器組成。氧氣在浮筒頂部注入， 隨葉輪轉動吸入導流桶， 從而使氧氣在低電耗的狀態下溶解。浮筒像一個罩板，使未溶解的氧氣再次隨葉輪轉動引入導流桶， 從而提高氧氣的使用效率。I-SOTM 系統能夠溶解 90%的氧氣，並且具有 很高的氧氣轉移速率（4.3 kg

/kwh）。 ^[2] 

GWQ 射流曝氣器主要由水泵、文丘裏射流器、增效噴嘴及二次射流導流筒組成。混合液（污水+污泥）通過水泵吸入後與空氣/氧氣在文丘裏射流器經射流混合後，超飽和氧混合液再通過一套增效噴嘴在二次射流導流筒中進行射流， 增效噴嘴的二次射流回收了水泵能量、 在導流筒中形成了相當於水泵流量 5 倍的引流作用， 從而形成水池中水力循環加氧的過程。 ^[2] 

氧氣的來源主要有以下方式：

（1）就地製氧：目前氧氣的製備主要有深冷分離製氧和變壓吸附製氧（PSA 、VPSA）工藝。採用變壓吸附製氧工藝經濟，污水廠能夠主動掌握氧源，尤其適合大型污水廠。

（2）管道輸送外購氧氣：適用於距離製氧廠近的污水廠，但增加了相應的基建成本。

（3）車運外購氧氣：僅限於小型污水廠使用。

（4）利用附近空氣站的放空氧氣：利用制氮空分站的放空氧氣，對氧氣進行回收利用。 ^[5] 

在 20 世紀 70 年代，美國已先後建成多處純氧曝氣廢水處理設施，用來處理釀造廠廢水、果醬罐頭工廠廢水、造紙工業廢水和有機化工廢水。日本將純氧曝氣技術用於石油化工工廠的廢水處理。據不完全統計，到 20 世紀 90 年代全世界已有 2000 多個改造和新建的純氧曝氣活性污泥污水處理廠投入使用。 ^[5] 

對於國外氧氣曝氣的發展，可以概括以下幾點 ：

(1)氧曝這項技術從美國開始，逐漸擴散到其他發達國家。

(2)已經發展到一定規模 ：美國有污水廠二萬多座 ，按廠數説 ，100多座所佔比重很小 ，但這些廠每天處理 的污水量已達2200多萬m³。

(3)應用領域有工業廢水處理，也有城市污水處理 。在美國，氧曝用於城市污水比工業廢水多 ，而且這一趨 勢日益明顯。

(4)供氧方式：以深冷分離法就地製氧為主 ， 特別是大型污水廠。分子篩就地製氧多用於中小型污水廠。現 場貯存液氧，只是為備用。

(5)氧曝處理工藝的發展：按其出現先後，有加蓋多段式反應池 ：按池中曝氧機械，又分水下葉輪式和表曝機 式 ；其後出現的有不加蓋的反應池，池中設微氣泡曝氧裝置，有固定式 (FAD)的和旋轉式(RAD)的；以後又有所謂

裝置 ， 為預製的成套曝氣裝置 ，可放在已有空氣法曝氣池中，使其改為氧曝池。這些不同作法的氧利用率都能達到 90% 以上 。

在以上作法中，目前最普遍的是表曝式。 其次是水下葉輪式 ，多用於大型污水廠，水深可達9m以上 。 ^[9] 

我國於20世紀80年代引進純氧曝氣活性污泥處理技術，用於石油化工行業廢水處理， UNOX 純氧曝氣活性污泥工藝用於石化污水處理，

去除率高達 98% ～99% ，COD去除率高達 90% ～96% ，取得了良好的效果。某化肥廠採用純氧曝氣污泥處理工藝來處理含甲醇、甲醛等物質的化工廢水，經過兩年的實際運轉，對甲醇的去除率為100%, 對甲醛的去除率超過 97%，對

去除率超過 92% 。山東省某污水處理廠採用分點進水倒置 A /A /O 工藝，並在 A /A /O 工藝 的好氧部分採用純氧曝氣技術，污水廠運行穩定處理效果良好，污染物均達標排放。江蘇某造紙公司採用階段廢水處理廠的處理規模為1.74萬m³/d，採用純氧曝氣 UNOX 系統為核心的處理工藝，從實際運行情況來看，廢水處理廠運行穩定，

、

和 SS 的去除率分別達到 91.4% 、89% 和 97% ，出水達到製漿造紙工業水污染物排放標準。

純氧曝氣法可用於河湖污染治理。純氧曝氣可以快速提高水體的溶解氧水平，從而恢復和增強水體中的好氧微生物的活力，加快降解污染物的速率，水體可在短時間得到淨化、水質可在短時間得到改善。上海環境科學研究院在蘇州河支流新涇港下游黑臭河道進行了微氣泡純氧曝氣工藝中試試驗，結果表明：水體黑色變淺、臭味減弱，COD 濃度降低19.5%~55.6%。 ^[5] 

以下是BIOX-N的一個工程改造實例 ： 一座 80000人口當量污水處理廠 ，基本處理設施由初沉池 、四個 曝氣池 、兩個二沉池和一個污泥池組成 。存在的問題主要是氨氮處理不能達到新標準 5mg/L的要 求 。採用 BIOX-N工藝進行的改造步驟如下：曝氣池 1改為脱氮池 ，採用兩台液下攪拌器推進水流 ；曝氣池 2和曝氣池 3採 用BIOX純氧曝氣工藝 ；曝氣池 4保留原有的表曝系統；其餘設施不動。重新運行後 ，在曝氣池有效水深 4.70m 的條件下，氧氣的利用率達 80%以上 ，曝氣池的污混濃度由原來的 2～3g/L提高至 5～6g/L。 ^[8]