纯氧曝气

利用纯氧进行曝气的方式

纯氧曝气是指利用氧气（纯氧或富氧）代替空气进行生物曝气的一种曝气方式。

原理

氧气是一种难溶于水的气体。试验证明 : 当总压为101.3~1013KPa时 , 其溶解度符合亨利定律。常温常压下 , 空气中氧在水中的溶解度约为10mg/L, 空气曝气操作可使水中溶解氧的饱和度最高达80%~90%, 即水中溶解氧浓度最高为8~9mg/L。这对于一些氧量要求较高的水处理工艺过程是不够的。

常温常压下，空气中氧的含量仅为 21%左右，而纯氧中的含氧量为 90%~100%，纯氧的氧分压比空气高 4.4~4.7 倍，用纯氧进行曝气能够提高氧向混合液中的传递能力，为微生物好氧降解有机物提供更有力的保障和支持。

氧气溶解过程中的扩散速度 dc/dt 可以由传质速率方程式表达：

Kmol/(m2·s)

式中，是饱和溶解氧浓度，C 为氧气在水中的实际浓度 Kmol/m3，为传质总系数，它是温度、水质及气液混合强度的函数。

由方程式可以看出，当温度，水质及气液混合强度不变时，氧气在水中传质速率随着溶解度的增大而升高。显然，与空气曝气相比，纯氧曝气的氧气传质速率可有很大程度的提高。

由传质速率导出曝气装置供氧负荷 Q 的方程：

Kmol/s

式中，a 为单位曝气器容积的气液接触面积 (m2 /m3)，它与曝气强度有关，V 为曝气器容积(m3)。

由此可知，纯氧代替空气，可获得较大的传质速率，因而可减小曝气设备体积，或提高设备的供氧负荷。

分类

纯氧曝气法的池型、溶氧装置等与空气法有许多不同。

按曝气池的不同可分为：

优势

与空气曝气系统相比, 纯氧曝气系统有以下显著优点:

(1) 溶解氧浓度可达到 6～10 mg/L, 故生物量负荷高, 保证了能够快速地适应变化的有机负荷, 同时污泥中的丝状菌得到了抑制, 形成密实的絮体颗粒, 具有很好的沉降性和浓缩性, SVI 仅为空气活性污泥的 1 /2～1 /3;

(2) 在高纯氧条件下, 生物处于高度的内源代谢即自身氧化阶段, 因而产泥量大为减少, 纯氧曝气可以减少高达 25%的剩余污泥;

(3) 氧的转移速率和利用率高, 纯氧曝气氧利用率达到了 90%, 处理效率高, 能耗低;

(4) 处理相同污水停留时间仅为空气曝气的 1 /3～1 /4, 因此池容也相应减小。纯氧曝气实际安装所占空间远较常规的系统的要小;

(5) 纯氧曝气系统的噪声远低于鼓风曝气系统, 基本上不存在挥发性有机化合物( VOC) 的气体逸散, 减轻了污泥与废气的二次污染，降低了污水处理厂对周围环境的不利影响。

工艺选择

UNOX工艺

采用加盖密闭式曝气池和叶轮式氧气表曝机曝气，池内分为若干段，每段设一台表曝机。该系统采用密闭式曝气池，使氧气能够得到充分利用，但曝气池加盖使得工程造价提高，同时此技术采用表面曝气，曝气能耗高。

纯氧活性污泥法和空气法一样，均为利用污水中好气微生物净污水。纯氧法是将氧气直接溶于水中供微生物需要。为了充分利用氧气，曝气是在一个多隔(一般为3-4隔)密闭池子里进行的，氧气是根据池中耗氧量多少，通过压力调节阀送入池中。当池中需氧量增大时，气相压力降低，压力调节阀将自动加大开启度，增加气相中供氧量，使曝气池中气相压力稳定在一定范圄内。氧气通过表曝机的作用溶于水中。由于曝气池的生化作用，水中会释放出大量的二氧化碳和其他气体，在曝气池末端随气相中氧含量的多少进行排气，排气的方式是连续的，并可采用手动或自动调节排气阔的开启度。

该系统的设备主要有氧发生器、充氧(溶氧)装置, 机泵及控制系统的仪器仪表等。主要控制仪表包括供氧压力调节系统、可燃气体报警系统、溶解氧测量仪表、尾气中氧含量探测仪表、流量计量仪表、PH指示剂等。

与空气活性污泥法相比，该工艺具有以下特点：

(1)空气活性污泥法的溶解氧(DO)通常只能在1~2毫克/升范围内运行,而UNOX系统的活性污泥法的溶解氧可在4~10毫克/升的范围内操作运行(一般DO=6毫克/升)。

(2)纯氧法的实际BOD-SS负荷比空气法低。

(3)SVI（活性污泥指数）为空气活性污泥的1/2~1/3倍。

(4)曝气过程中氧化BOD和微生物呼吸均需要氧，而空气法的氧是受限制的。因此在高BOD浓度进水条件下，则无法维持最MLSS的需氧量，但UNOX系统曝气池内混合液则能保持MLSS在4000~8000毫克/升范围，甚至更高。

BIOX工艺

BIOX工艺的核心是一种应用纯氧的微气泡软管曝气垫，这种曝气垫由多根微气泡曝气软管平行铺设于长方形钢质框架中所构成。软管的材料是一种具有优良弹性和耐久性的特种橡胶，软管外径 26 mm、内径 16mm、壁厚 5mm，软管壁上均匀分布微细的小孔。当进气压力大于要求的开启压力0.05 MPa时，小孔开启而产生微气泡；当进气压力低于005Mpa或停止供气时，小孔自动关闭，从而有效地防止污水进入管内，起到类似 “单向阀 “的功能。软管中氧气的供气压力通常为0.2～0 4MPa。高供气压力的优点：保证软管内沿整个长度存在稳定均匀的气流；在池底铺设软管时对水平度不存在苛刻的要求，使施工安装大为简便；可在一定范围内调节氧气流量，从而获得不同的曝气强度。

BIOX工艺已广泛应用于各种污水处理工程中，其中主要有以下三个方面：

(1)超负荷污水处理厂的“部分氧化工艺 ”，即在超负荷的曝气池中应用 BIOX工艺。为了消除超负荷引起的溶解氧浓度过低等问题，可在曝气池的局部(如推流曝气池的开始段)或可在整个曝气池中增设 BIOX纯氧曝气，并保留原有的空气曝气，这样可灵活经济地维持必要的溶解氧浓度。

(2)应用于序批式反应器 (SBR)，可充分利用 SBR中高污泥浓度和水深的优点。

(3)应用于污水生物脱氮的三级处理厂，即采用 BIOX- N工艺。由于纯氧曝气可显著提高污泥浓度和曝气池容积负荷，不仅可缩小曝气池容积，而且由于污泥负荷的降低，有利于硝化反应的发生。所以在污水处理厂的脱氮改造时，可将原有曝气池的一部分隔开，用作反硝化的缺氧池，剩余部分则为纯氧曝气的硝化池。这样，无需新建任何构筑物就可以实现污水处理的脱氮升级。

OASES工艺

该工艺是对 UNOX 进行了改进，也用密闭式曝气池，曝气池分为若干格，各格之间在池体上部开口，使各格气液串联，氧气用离心压缩机由顶部送入池内第一格液面，经水下叶轮中空轴进入水下叶轮，从水下叶轮的喷嘴溶入处理的污水中。

Vitox工艺

气态氧进入文丘里喷射器，使氧形成微气泡，这些氧微气泡在压力上分布均匀，迅速溶解，含氧高的液体又经多级喷嘴喷射系统溶于污水中。该系统氧气在污水中的溶解率达 95% 以上，采用敞口式曝气池，管理简单，维护方便，有利于现有污水厂的升级改造。

I-SOTM工艺

是一个机械增氧系统，由电动机，变速箱，浮筒，导流筒和双螺旋推进器组成。氧气在浮筒顶部注入，随叶轮转动吸入导流桶，从而使氧气在低电耗的状态下溶解。浮筒像一个罩板，使未溶解的氧气再次随叶轮转动引入导流桶，从而提高氧气的使用效率。I-SOTM 系统能够溶解 90%的氧气，并且具有很高的氧气转移速率（4.3 kg /kwh）。

GWQ射流曝气器

GWQ 射流曝气器主要由水泵、文丘里射流器、增效喷嘴及二次射流导流筒组成。混合液（污水+污泥）通过水泵吸入后与空气/氧气在文丘里射流器经射流混合后，超饱和氧混合液再通过一套增效喷嘴在二次射流导流筒中进行射流，增效喷嘴的二次射流回收了水泵能量、在导流筒中形成了相当于水泵流量 5 倍的引流作用，从而形成水池中水力循环加氧的过程。

纯氧来源

氧气的来源主要有以下方式：

（1）就地制氧：目前氧气的制备主要有深冷分离制氧和变压吸附制氧（PSA 、VPSA）工艺。采用变压吸附制氧工艺经济，污水厂能够主动掌握氧源，尤其适合大型污水厂。

（2）管道输送外购氧气：适用于距离制氧厂近的污水厂，但增加了相应的基建成本。

（3）车运外购氧气：仅限于小型污水厂使用。

（4）利用附近空气站的放空氧气：利用制氮空分站的放空氧气，对氧气进行回收利用。

应用情况

国外应用情况

在 20 世纪 70 年代，美国已先后建成多处纯氧曝气废水处理设施，用来处理酿造厂废水、果酱罐头工厂废水、造纸工业废水和有机化工废水。日本将纯氧曝气技术用于石油化工工厂的废水处理。据不完全统计，到 20 世纪 90 年代全世界已有 2000 多个改造和新建的纯氧曝气活性污泥污水处理厂投入使用。

对于国外氧气曝气的发展，可以概括以下几点：

(1)氧曝这项技术从美国开始，逐渐扩散到其他发达国家。

(2)已经发展到一定规模：美国有污水厂二万多座，按厂数说，100多座所占比重很小，但这些厂每天处理的污水量已达2200多万m3。

(3)应用领域有工业废水处理，也有城市污水处理。在美国，氧曝用于城市污水比工业废水多，而且这一趋势日益明显。

(4)供氧方式：以深冷分离法就地制氧为主，特别是大型污水厂。分子筛就地制氧多用于中小型污水厂。现场贮存液氧，只是为备用。

(5)氧曝处理工艺的发展：按其出现先后，有加盖多段式反应池：按池中曝氧机械，又分水下叶轮式和表曝机式；其后出现的有不加盖的反应池，池中设微气泡曝氧装置，有固定式 (FAD)的和旋转式(RAD)的；以后又有所谓装置，为预制的成套曝气装置，可放在已有空气法曝气池中，使其改为氧曝池。这些不同作法的氧利用率都能达到 90% 以上。

在以上作法中，目前最普遍的是表曝式。其次是水下叶轮式，多用于大型污水厂，水深可达9m以上。

国内应用情况

我国于20世纪80年代引进纯氧曝气活性污泥处理技术，用于石油化工行业废水处理， UNOX 纯氧曝气活性污泥工艺用于石化污水处理，去除率高达 98% ～99% ，COD去除率高达 90% ～96% ，取得了良好的效果。某化肥厂采用纯氧曝气污泥处理工艺来处理含甲醇、甲醛等物质的化工废水，经过两年的实际运转，对甲醇的去除率为100%, 对甲醛的去除率超过 97%，对去除率超过 92% 。山东省某污水处理厂采用分点进水倒置 A /A /O 工艺，并在 A /A /O 工艺的好氧部分采用纯氧曝气技术，污水厂运行稳定处理效果良好，污染物均达标排放。江苏某造纸公司采用阶段废水处理厂的处理规模为1.74万m3/d，采用纯氧曝气 UNOX 系统为核心的处理工艺，从实际运行情况来看，废水处理厂运行稳定，、和 SS 的去除率分别达到 91.4% 、89% 和 97% ，出水达到制浆造纸工业水污染物排放标准。

纯氧曝气法可用于河湖污染治理。纯氧曝气可以快速提高水体的溶解氧水平，从而恢复和增强水体中的好氧微生物的活力，加快降解污染物的速率，水体可在短时间得到净化、水质可在短时间得到改善。上海环境科学研究院在苏州河支流新泾港下游黑臭河道进行了微气泡纯氧曝气工艺中试试验，结果表明：水体黑色变浅、臭味减弱，COD 浓度降低19.5%~55.6%。

应用实例

以下是BIOX-N的一个工程改造实例：一座 80000人口当量污水处理厂，基本处理设施由初沉池、四个曝气池、两个二沉池和一个污泥池组成。存在的问题主要是氨氮处理不能达到新标准 5mg/L的要求。采用 BIOX-N工艺进行的改造步骤如下：曝气池 1改为脱氮池，采用两台液下搅拌器推进水流；曝气池 2和曝气池 3采用BIOX纯氧曝气工艺；曝气池 4保留原有的表曝系统；其余设施不动。重新运行后，在曝气池有效水深 4.70m 的条件下，氧气的利用率达 80%以上，曝气池的污混浓度由原来的 2～3g/L提高至 5～6g/L。

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