近20~30年来，污水[de]除磷脱氮技术一直是污水处理领域研究开发和应用[de]热点，并已取得了长足进展。氧化沟处理工艺作为城市污水和工业废水处理中有较强竞争力[de]二级生物处理技术已被世界各国广泛采用。曝气设备作为氧化沟处理工艺中最主要[de]机械设备，是影响氧化沟处理效率、能耗及稳定性[de]关键之一，不仅兼有充氧、推动、混合等功能，还决定着氧化沟[de]占地面积和基建投资。随着氧化沟处理工艺对曝气设备[de]要求越来越高，以及能源[de]日趋紧张，新型高效低能曝气设备[de]研究已经成为推动氧化沟处理技术发展和节能降耗[de]重要因素。多年[de]研究结果使得曝气设备已经在技术上达到了一个很高[de]水平，完全可以满足污水生物处理工艺对曝气设备[de]要求，并且在提高能源利用效率方面也取得了较大进步。国内外[de]实践证明，新型曝气设备[de]开发应用，将意味着新一代氧化沟工艺[de]诞生。
　　下面简要介绍几种近些年在氧化沟处理工艺中采用[de]曝气设备及其进展。

1． 曝气转盘

　　Orbal氧化沟是氧化沟类型中[de]重要形式，在中高浓度[de]城市污水处理厂中具有相当明显[de]技术经济优势。曝气转盘是用于Orbal氧化沟[de]专用曝气装置，它起着充氧、混合、推动水流作循环流动和防止活性污泥沉淀等作用。在我国，曝气转盘主要是由聚乙烯或抗腐蚀性玻璃钢压铸成型，转盘表面设有规则排列[de]楔形凸出物，以增强推动混合和充氧效率，盘上开有许多不穿透小孔（称为曝气孔），使空气分散到液体中以达到充氧[de]目的。
　　曝气转盘[de]充氧能力可通过下面四种方式来调节：
　　（1）通过调节出水堰[de]高低来改变转盘[de]浸没深度；
　　（2）改变转盘电机[de]转速（通常采用两级变速）；
　　（3）增加或减少转盘[de]盘数；
　　（4）改变转盘[de]旋转方向。
　　近年我国天津国水设备工程公司与美国Envirex公司合作，引进美国先进[de]曝气转盘生产模具，在国内独家制造出材料为高强轻质塑料[de]新型曝气转盘，其主要技术参数为：
　　曝气转盘直径：1400mm；
　　适用转速：43~55r/min；
　　适用浸没水深：400~530mm；
　　单盘标准清水充氧能力及动力效率见表1~2所示：

表1　 浸没水深为530mm时[de]性能指标（P=101.325kPa,T=20°C）

项目 转速（r/min）	单盘充氧能力（kgO2/h）	动力效率（kgO2/kW×h）
43	0.75	2.13
46	0.85	2.04
49	0.94	1.97
52	1.04	1.91
55	1.13	1.86

表2　 浸没水深为480mm时[de]性能指标（P=101.325kPa,T=20°C）

　　实际污水处理工程中，曝气转盘性能[de]好坏和效率[de]高低，直接影响到Orbal氧化沟[de]处理效果、动力消耗、建设投资和运转费用。与同类曝气设备相比，曝气转盘具有工作水深大、充氧能力大、充氧效率高、混合能力强以及结构简单、组装灵活、使用寿命长、安装维修方便等特点。

2.曝气转刷

　　曝气转刷主要有Kessener转刷、笼型转刷和Mammoth转刷三种，其它产品均是这三种[de]派生型，一般用于Pasveer氧化沟中。　　　Kessener转刷和笼型转刷这两种曝气转刷，氧化沟设计有效水深一般在1.5m以下。Mammoth转刷是为增加单位长度[de]推动力和充氧能力而开发[de]，叶片通过彼此连接直接紧箍在水平轴上，沿圆周均布成一组，每组叶片之间有间隔，叶片沿轴长呈螺旋状分布，在旋转过程中叶片顺序进入水中，以保证运行[de]稳定性并可减少噪声。轴为中空钢管，转刷直径可达1.0m，转速为70~80r/min，浸没深度为0.3m，目前最大有效长度可达9.0m，充氧能力可达8.0kgO₂/(m×h)，动力效率一般在1.5~2.5kgO₂/kW×h之间，氧化沟设计有效水深为3.0~3.5m。常见[de]曝气转刷叶片由镀锌钢板、不锈钢板、玻璃钢等材料做成，形状也多种多样，有矩形、三角形、T型、W型、齿型、穿孔叶片等。主轴一般为热扎无缝钢管和不锈钢管。
　　我国近年来引进国外技术，具备了生产制造曝气转刷[de]能力，其转刷叶片主要由镀锌钢板做成，形状常采用矩形，各项性能指标基本达到了国际水平。
　　表3中是摘录文献[de]部分曝气转刷[de]特性。

表3　 曝气转刷[de]特性

　　为了取得更大[de]除磷脱氮效果，则需要一个较大[de]反应池，在其中完成硝化和反硝化过程。由于土地[de]限制，使得反应池[de]水深达到了8m，以往这个水深，常采用微孔曝气设备，但现在也可以使用曝气转刷。曝气转刷[de]循环性能可达到水深3.5m，可以满足不产生沉积[de]操作要求，在水深大于3.5m时可附加潜水搅拌器，则工作水深达到8m是没有任何问题[de]。当使用这种潜水搅拌器，除了供连续运转外，在长期或短期间高含氧量交替缺氧期间可作间歇性运转，使反应池中[de]污水保持一定[de]流速，避免沉积。

3. 立式表面曝气机

　　立式表面曝气机是专为Carrousel氧化沟设计[de]，一般每条沟安装一台，置于反应池[de]一端。它[de]提升能力强，允许有较大[de]沟深（4~5m），适用于大流量[de]污水处理厂，应用较为广泛。它[de]充氧能力随叶轮直径变化较大，动力效率一般为1.8~2.3kgO₂/kW×h。
　　立式表面曝气机有固定式和浮筒式两种，其中浮筒式整机安装在浮筒上，用钢绳固定于水中，用防水电缆与之连接，它可根据需要在一定范围内移动；而固定式立式曝气机[de]规格品种最多，目前在我国是以泵型（E型）及倒伞型叶轮为主。泵型叶轮曝气机是我国自行研制[de]高效表面曝气机，叶轮直径在0.4~2.0m之间，叶轮[de]充氧方式以水跃为主，液面更新为辅。倒伞型叶轮曝气机[de]叶轮直径一般在0.5~2.5m，国内最大[de]倒伞型叶轮直径为3m。由于其叶轮直径较泵型[de]大，故其转速较慢，约为30~60r/min，动力效率为2.13~2.44 kgO₂/kW×h，在最佳时可达2.51kgO₂/kW×h。倒伞型叶轮曝气机[de]充氧方式是以液面更新为主，水跃及负压吸氧为辅，目前广泛应用[de]Carrousel氧化沟就多是采用这种曝气机。

4. 抽吸式曝气机

　　抽吸式曝气机通常是倾斜安装在反应池中，是一种叶轮抽吸式曝气搅拌机。
　　抽吸式曝气机[de]工作原理是：空气被吸入水面以下并且被高速旋转[de]叶轮搅碎，中空[de]螺旋桨驱动轴顶端连接着电机轴，其底端与螺旋桨和扩散器连在一起。驱动轴上部有孔洞，空气通过它得以进入水下。螺旋桨在水下高速旋转形成负压并产生液体流，在压力差[de]作用下，空气通过空心驱动轴进入水中。螺旋桨形成[de]水平流将空气转化成细微、均匀[de]气泡，其平均直径2mm，达到美国环保组织为优秀[de]空气扩散器制定[de]2.2mm[de]标准。在与水[de]接触中，氧气被水和水生生物吸收。这些气泡扩散得较远，从而与水接触得时间很长，氧利用率非常高。曝气机[de]氧气扩散区和混合区[de]范围随机器型号而变化，将多台曝气组合安装在反应池中，可使氧气在整个反应池中混合并扩散。
　　工作时曝气机[de]入水角度可以在30°～90°之间调节，通常以45°放置，但有些时候为达至最好[de]效果，必须根据具体情况调节安装角度。曝气机可以提出水面直接维修。
　　将曝气机[de]影响区域互相连接，使水[de]混合效果与氧气传递速率达至最大，这是在反应池中形成水流联动[de]基础。水流联动是若干台曝气机经过合理[de]布置形成循环流，使池中[de]平均流速与总功率[de]比值达到最大值。极大[de]流速使氧气得到迅速扩散，并产生充分[de]混合效果，加快生物反应。
　　由于曝气机安装上[de]灵活性，它在任何形状[de]反应池中几乎都能良好地工作。在环行池、氧化沟、调节池、有水位波动[de]池子、浅池、矩形池或方形池中，都可以因地制宜，找到合适[de]安装和布置形式。

5. 微孔曝气板

　　由日本研制开发[de]微孔曝气板是采用聚氨酯薄膜，并能发生出目前认为很难实现[de]直径1mm超微泡[de]高效率曝气设备。该微孔曝气板是在PVC制基板上，紧绷开有微孔[de]特殊聚氨酯薄膜以保持气密，并用不锈钢制槽钢及框架来加固。标准件[de]尺寸为1.2m´3.6m、重量105kg，3~4人即可搬运及安装一张曝气板。该特殊聚氨酯薄膜厚约1mm，弹性极大且耐久性卓越。同时，该特殊聚氨酯薄膜[de]表面光滑，具有很难附着生物膜，即使万一附着上生物膜时，也极易剥离[de]特征。因此，它是适用于曝气[de]优秀材料。
　　表4　中列出了微孔曝气板[de]主要规格和性能参数。

表4　 微孔曝气板[de]主要规格和性能参数

外观尺寸	1.2m´3.6m	标准通气量	35~33m3/h
有效发泡面积	4.3m2	主材质	基板	PVC
重量	105kg		薄膜	特殊聚氨酯
通气量范围	0~80m3/h		框架	SUS304

　　以下介绍微孔曝气板[de]主要性能。
　　（1）氧气转移效率
　　氧气向水中[de]转移（溶解）是气层与液层之间[de]物质转移现象，气液[de]接触面积越大，即气泡[de]表面积越大，则会提高氧气[de]转移效率。以同样[de]空气量进行曝气，气泡直径越小则其整体[de]表面积越大，效果也越好。同时，气泡直径越小其上升速度越慢，气液[de]接触时间越长，据此也可得到极高[de]氧气转移效率。
　　为了产出微泡而缩小曝气孔径，各曝气设备厂家之间展开了激烈[de]开发竞争，但气管细小而复杂以及空气中[de]粉尘等往往是很易堵塞曝气孔眼。而采用聚氨酯薄膜[de]微孔曝气板，很好地解决了曝气孔眼[de]堵塞问题，在不使用高档除尘装置[de]情况下也可以产出微小气泡，得到极高[de]氧气转移效率。
　　（2）所需动力及电费
　　微孔曝气板[de]氧气转移效率极高，故可减少送气量。但因其气泡直径约为1mm，虽然压损将比以往[de]曝气头有所增加，但是，从整体[de]所需动力来看，还是比以往[de]曝气头少，可以降低电费。
　　另外，若将现有[de]反应池[de]曝气装置改变成微孔曝气板时，根据风量削减效果试验得出，继续使用现有得鼓风系统是能够获得同等电力削减效果[de]。
　　表5中列出了微孔曝气板与以往曝气头和陶瓷制曝气板动力及电费消耗[de]对比情况。

表5　 所需动力、电费[de]对比（污水处理量25万m³/d）

　 　

	以往曝气头	陶瓷制曝气板	微孔曝气板
氧气转移效率（污水）（%）	6	15	24
所需空气量（m3/min）	1,018	407	254
每张曝气板通气量（L/min）	70	35	1,000
压损（mmAq）	150	300	800
所需动力（kWh）	1,016	420	289
年耗电量（kWh/a）	8,900,000	3,680,000	2,530,000
差距（kWh/a）	6,370,000	1,150,000	0

　　（3）曝气方法
　　微孔曝气板曝气时薄膜会鼓起并扩张薄膜[de]微孔，据此通气来开始曝气。曝气停止时，微孔闭缩且薄膜呈紧绷在基板状态以阻止污水浸入内部，造成孔眼[de]堵塞问题。因此，也不需要以往微孔曝气头所需[de]1m高性能空气滤清器。
　　（4）维修保养
　　微孔曝气板很难从内部发生堵塞孔眼问题或在薄膜表面附着生物膜，即使附着后也极容易剥离，故不需要特殊[de]维修保养。万一附着粘泥或因尘土等放生堵塞孔眼而导致压损上升时，可利用薄膜[de]高弹性通过停止曝气后再开始曝气[de]简单操作就可以使孔眼恢复原状并开始正常运转。
　　（5）耐久性
　　用于微孔曝气板[de]薄膜与以往[de]橡胶不同，是不添加增塑剂[de]特殊聚氨酯薄膜，不仅柔软且极有弹性。因不含增塑剂，故长期使用也不会发生因增塑剂脱离而引起[de]薄膜老化现象。这种卓越[de]耐久性，已有10年以上[de]使用业绩得以证实。
　　综合归纳，微孔曝气板[de]主要特征是：
　　① 曝气效率高，可以大幅度地减少耗电量（电费降至一半以下），并在转为除磷脱氮工艺时，可以利用现有[de]鼓风系统提供所需[de]氧气量；
　　② 不会发生堵塞现象，随时可以停止曝气作业，容易进行维护和管理；
　　③ 使用寿命长，目前已有10年以上[de]运转业绩；
　　④ 安装工作简单。
　　作为氧化沟工艺[de]曝气设备，常采用机械曝气设备，此时机械曝气设备是起充氧和推流[de]作用，在实际运转操作中很难分别独立控制充氧量和流速。尤其是对除磷脱氮要求高时，需要反应池中保持一定容积[de]厌氧段，但机械曝气设备为防止活性污泥[de]沉淀而需要一定[de]流速，这样往往容易引起充氧过量，特别是在降雨天等进水溶解氧较高时，该状态更加显著，从而不能得到理想[de]除磷脱氮效果。与此相比，微孔曝气板和螺旋桨式搅拌机组合方式是两个完全独立[de]设备进行充氧及搅拌，因此可分别控制流速及溶解氧，并能够高效简单地运行操作。另外，位于寒冷地区[de]处理厂若采用机械曝气设备，则直接将低温空气作为充氧气体使用，会导致水温降低。而微孔曝气板和螺旋桨式搅拌机组合方式是利用空压机排出[de]压缩空气进行充氧，它具有隔热压缩[de]加热效果，可防止水温降低，保证处理工艺在冬季也能够稳定进行运转。
　　总之，微孔曝气板目前已在欧美50多项工程中得到应用，其性能博得到高度[de]评价。
　　随着我国经济[de]发展和即将加入WTO，我国[de]环保工业与国外竞争[de]时代已经到来，而与国外相比我们还有很大[de]差距。就氧化沟处理工艺中[de]曝气设备而言，近几年，在国内建设[de]污水处理工程中，花费了大量外汇用来进口国外曝气设备，这不仅增加了工程投资，还由于维护管理等问题，给污水处理厂[de]正常运行带来许多问题。因此，发挥国内企业在环保领域[de]作用，促进民族工业[de]发展，加速国外先进曝气设备[de]消化吸收，提高我国曝气设备[de]科技含量和国产化率，增强在市场中[de]竞争能力，是促进该领域发展[de]根本途径。