供气系统是污水好氧生物处理技术的核心部分，既要满足微生物生长代谢的需要，又要保证三相混合均匀的搅拌动力需求。目前，常见的供气方式有射流曝气、表面曝气(机械)、鼓风曝气(大，中，微气泡)，其中，微孔鼓风曝气是国内外主流的供气方式[1]，由鼓风机、气体扩散装置和一系列连通的管道组成，广泛应用于 MBR、A/A/O、氧化沟等工艺中。一般地，供气过程消耗污水处理厂 50%～90% 的电力(取决于其规模和所采用的技术方案)，其消耗的电力成本占处理厂总成本的 15%～49%[2-3]。可见，供气能耗成本构成了污水处理成本的最大部分，故供气系统与曝气设计、管线布设、运行管理与参数合理性都对投资和运行费用产生巨大的影响[4]。因此，有必要对供气系统与效率有关的曝气方式、传输设计与参数管理进行深入研究，以寻求优化促进节能的新途径。
1 曝气装置概述
目前，在污水处理厂的生物反应器/单元中采用了各种类型的曝气装置，以确保活性污泥中的微生物能够最佳地获取氧气。常见的曝气装置有射流曝气、表面曝气(机械)、鼓风曝气(大，中，微气泡)，其中表面曝气和鼓风曝气应用较为广泛。
1.1 射流曝气射流曝气是一种简单的曝气充氧手段，也可用于混合搅拌。该系统主要由射流曝气器、循环水泵、鼓风机三个部分组成。运行原理是循环水泵输送的流体经过主管道、通过内喷嘴连接到混合室，气体被高速流体剪切成极细小的气泡，形成富氧的气液混合体，并经外喷嘴喷出，同时驱动混合。此时，气液混合体具有水平和垂直方向的动能，在池内产生强烈混合并裹携周围的液体流动，在水平方向动力和垂直方向浮力的双重作用下，形成整体的混合及循环，而且射流曝气器产生的紊流使得气/液接触面不断更新，有利于氧气的混合与传质。此外，充氧效率随着水深的增加而增加，现阶段射流曝气器的充氧效率可在水深8 m处达到35%，气水比仅为4：1。射流曝气几乎不发生堵塞，在较长使用寿命内几乎无需维护，能够实现稳定、高效地供氧，所有转动部件都设在池外，故维修保养简便，无需清空池体。
1.2 表面曝气在污水的好氧处理过程中，供气来源于气液表面的曝气方式被称为表面曝气，采用这种气液接触的搅拌反应器则被称为表面曝气器，如图 1 所示。为保证曝气效率，叶轮通常安装于曝气池液面附近，利用叶轮的转动实现提水和输水，使曝气池内形成环流，达到更新气、液接触面和不断吸氧的目的。
1.3 鼓风曝气由于鼓风机供气量范围更大，运行高效且稳定，故在大中型污水处理工程中，鼓风曝气是好氧生物处理中最为常见的曝气方式，其工作原理是压缩的空气在鼓风机作用下通过管道传输到扩散器，将空气引入至反应器内部，通常位于生物反应器底部。由于污水处理过程中影响供气系统稳定性和高效性的因素众多，如风机选型、环境因素变化、管道设计、曝气头选型及安装、运行及管理等，因此，本文重点讨论这些参数和因素。
2 鼓风机设备选型
在污水处理中，常见的鼓风机包括罗茨鼓风机、多级离心式风机、单级高速离心式鼓风机以及悬浮离心式鼓风机等。罗茨鼓风机供风量与转数有关，与出口压力无关，具有强制输送气体的特点，适合于液位窄幅调整的工况。该风机容易造成气体泄漏，泄漏量与压力呈正相关，故不适合于高压供风;另外，受进、排气脉动和回流冲击的影响，噪音较大;罗茨风机的效率一般低于多级、单级离心式风机，当流量大于 120 m3 / min时，占地面积较大[14-19]。多级离心式风机满负荷效率高于罗茨风机，但低于单级离心风机。当风机的电机功率小于 400 kW 时可选用变频调速或直连驱动，有助于提高工作效率;一般流量在100～400 m3 /min时具有最好的性价比[19]。属于低转速风机，具有可靠性高、使用寿命长以及噪音低的特点，比较适用于中、小型的污水处理厂中。
3 工作环境的影响
由于曝气系统经常处于非标况条件下工作，故在设计或运行时须考虑工作环境的影响，确保在使用状态下的供氧量满足设计需求。此外，若进气条件(气温、气压、湿度)发生较大变化时，风机的供气条件也必须发生适应性的改变。当空气温度升高，密度减小，虽然鼓风机的供气量不变，但实际所供给的干空气质量流量下降，即供氧量下降[21]。当水温升高时，气液传质系数会减小，因此也需要校正计算。若在高原地区使用，风机有可能因压力不足导致不能正常供气。因此，必须计算标准状态下鼓风机的出口压力，以保证处于设计范围内。
4 空气管道输送过程的影响
4.1 能量损失及改进措施空气管道能量损失分为：因流体与管壁间的摩擦而产生摩擦阻力所带来的沿程能量损失，以及因空气流经局部构件时流速和方向改变而造成湍流和碰撞所产生的局部能量损失。根据空气在管道内沿程阻力计算公式可知，沿程阻力的影响因素有管壁粗糙度、管内空气温度和压力等。其中，为降低管道粗糙度，可以采用管道内涂层技术。管道内涂层既可防止或减轻管道腐蚀，又可以改变管道粗糙度[27]。有资料报道[28]，使用内涂层后，输油气的动力消耗可以降低15%～20%，汽油输送管壁粗糙度为 0.1 mm 时最高可节省电能 28.7%，比粗糙度为0.15 mm时节省电能39.9%。当流体流过断面(变径管、管道进、出口)、流向或流量变化的管件(弯头、三通)时，由于管道形状急剧变化，引起涡流和速度重新分布，从而增加管件局部阻力，这部分往往占管道部分总阻力的10%～80%[29]。根据规模以及设计水平的差异，空气管道能量损失会到达供风总能量的1%～5%[29]。弯头和三通是影响局部阻力的主要因素。布置管道时，应尽量取直线，减少弯头。圆形风管弯头的曲率半径一般大于1～2 倍的管径，矩形风管的弯头断面长宽比愈大，阻力愈小，还可设置导流片来改变流体流向。对于多用户端的大型污水处理厂，采用网状布管模式的阶梯或逻辑分配，可以大幅度降低管道阻力的能量损失。
4.2 曝气器的布置在保证提供足够的溶解氧与搅拌的条件下，选择合适的曝气器布置方式将有利于水处理工程的节能。针对传统活性污泥法首端供氧不足、末段供氧过剩的问题，出现了分布曝气、深层曝气、完全混合和渐减曝气等工艺。相对于完全混合法，渐减曝气法的节能前景较大，渐减曝气法的生化反应速率正比于系统中的BOD浓度，其处理效率比完全混合法要高[30]。裴烨青等[31]在对 MBBR 工艺的研究中发现，均匀曝气所需的气容比高于渐减曝气，表明渐减曝气法具有成本上的优势。谷成国等[32]提出，渐减布置方式可优化曝气系统，比传统平均布置节省能耗15%左右。渐减曝气法由于曝气池中气泡的减少而使反应池中剪切力变小，絮凝的生物颗粒不至于受到破坏，从而使污泥具有较佳的沉降性能。然而，对于完全混合型的生物三相流化床则追求均匀曝气，通过反应器空间浓度差来驱动对溶解氧的高效利用，其搅拌作用需要考虑溶解氧均匀性与污泥颗粒性状的平衡。此外，新的曝气布置方式有纯氧供氧、无泡供氧、含氧电子受体等，其它曝气方式还涉及构筑物体外曝气的水力输送、自然跌水复氧、植物根系光合作用、气体分离供氧、氧离子传输分离膜技术等，新技术研究开发的前景仍然广大，对此，需要在成熟的理论基础下在技术运用层面上追求突破。
5 曝气器性能
5.1 孔径的影响曝气器孔径影响气泡大小，而气泡大小在鼓风曝气中起到关键作用。许多研究显示[35]，气泡大小决定着反应器的氧利用率。从扩散器释放的气泡越小，气泡从底部到达表面的速度就越慢，即在水中的停留时间越长，则气液传质效果越佳。ASHLEY 等的研究指出[36]，减小曝气孔径可显著提高氧的转移系数和动力效率，但相应地增加了阻力[37]。动力消耗在曝气器孔径在 20～300 μm 范围内呈现先降低后升高的趋势，当孔径约为 50 μm 时达到了最小值[38]，故气泡直径、传质效果和能耗之间存在一个优化的范围。目前，在城市污水处理厂中使用微气泡扩散曝气(d<3 mm气泡)已成为标准方法[10]。影响气泡大小的主要因素有曝气器孔眼尺寸、孔眼密度以及通过孔眼气体的流速。HASANEN 等[39]指出，在以上因素中，孔眼尺寸和孔眼密度的影响更加复杂，孔眼尺寸变化对形成气泡大小的影响要小于孔眼密度。实际应用中还需要考虑因高密度孔眼会导致曝气膜片寿命下降的问题，所以，需综合考虑经济成本和氧传质效率确定最优孔眼密度。与此同时，随着时间延长，污泥淤积不可忽视，目前尚缺乏评估数据，更缺乏评价孔眼尺寸、孔眼密度和气泡大小对氧传质作用影响的数学模型。空气扩散装置主要分为微气泡曝气、中气泡曝气、大气泡曝气和水力剪切等类型，其中，微气泡和中气泡曝气较为常见，其常见的技术参数如表2所示。
5.2 安装深度的影响每一种孔径分布的曝气器都存在最优的安装深度。一般地，在水深较浅时如 3～5 m，曝气器的阻力占总阻力的比例较小，扩大孔径有利于整体上降低能耗;随着水深加大(6～10 m)，气泡在水中的停留时间较长，氧的转移速率增高;但超过临界点后，氧的转移速率反而降低，是由于曝气器阻力增大所致[46-48]。有研究发现[49]，在曝气高度为 2.33 m 时，最优的气泡大小应该为 0.7 mm，而对于工业曝气池(一般高度为 5～8 m)的最优曝气管孔径则为 0.7～1.0 mm。俞庭康等[50]提出橡胶膜曝气器用于曝气池底层曝气时，氧的总转移系数和理论动力效率在水深 4～8 m范围内呈现先快速减小、然后缓慢增大的趋势，在水深为6 m左右时达到最大值。
6 控制系统优化
目前，工业风机设备体系已经相当完善，优化及改进曝气控制系统是节能降耗的重要途径。溶解氧具有滞后性、时变性、非线性等特点，当供风量变化时，好氧反应器溶解氧需要经过一段时间后才能稳定[51]。国内大部分污水处理厂为人工调节供风量，具有滞后性和不准确性，难以维持供风量与曝气池需氧量及流场相匹配，造成巨大的能量浪费，因此，实时反馈工况并精确控制风机的供气控制系统可实现节能降耗[52]。这些系统包括基于 ASM 模型控制、神经网络PID控制[53]、增益调度控制[54]、智能专家算法控制[55]等。这些供气流量控制系统(AVS)的控制目标[56]是按需供气，往往借助于生物反应动力学模型，特别是需氧量控制模型进行调控[57]。 AVS包括生化池需氧量计算模块和风机供风量调节模块[58]，关键点是建立模型和在线控制传感器，关联水量、水质、温度、气压、处理工艺以及反应器效率等，如基于径向基函数神经网络的生化系统建模方法，输入量为进水量、供风量和COD值的集合，可准确预测总需氧量，并通过控制交流电机转速调节曝气量[59]。韩春荣等[60]对某水厂的供气系统进行自动化改造，与手动调节供气相比，在工况相同的情况下，可节省电耗 10% 左右。ZHANG 等[52]采用基于 PLC 的 AVS 精确供气系统对某 MSBR 工艺进行升级改造，实现有效控制溶解氧，处理单位质量废水的电耗降低 7.5%，鼓风机能耗占总电耗的比例下降 15.1%。可见，对供气系统的控制系统实施智能化改造可产生巨大的经济效益。但是，其高效运行依赖于检测器精准且快速的反馈，故 AVS系统的发展及运用必须建立在精密且稳定的仪器仪表的基础上。未来的污水处理技术需要考虑水质条件、功能识别与控制、环境参数之间的需氧量优化模型来指导生产或者过程控制，在风机设计方面需要考虑可控变量与环境参量的匹配。
7 综合因素分析
污水处理厂的耗能与各个工艺单元的能量效率密切相关，在强调清洁生产、选用节能工艺(如厌氧)、优化设计的基础上，准确评估好氧单元工艺的用能及其效率，反馈于生产过程，在节能方面占据最重要的地位。好氧工艺的曝气目标可能包括碳源物质转化、硝化反应、其它还原性物质的氧化以及流体均匀的搅拌作用等，涉及的影响因素是综合的：供风装置的性能最重要，涉及设备选型及其安装;还包括各种物化指标如温度、pH、组成、C/N 比结构等的废水溶液性质;由微生物种群与功能特征构成的污泥性状如污泥龄、负荷与活性的结合;由混合、传质、分离等流体力学特征决定的反应器性能;还涉及包括大气环境、风机工作环境等方面的考虑。因此，仅仅用COD或BOD的去除率、硝化率、污泥负荷氧利用率进行单项评估已经偏离了系统性与科学性，曝气与搅拌的匹配也需要认真考虑，供氧过量或混合不充分都是不希望出现的情况，所以，寻求废水生物处理工艺中供气系统在过程节能与优化控制方面的基础研究，特别是复杂因子多模型参数的求解，对技术创新与应用实践的结合显得极为重要。
8 结语与展望
供气系统作为污水生物处理的核心部分，其高效、稳定、低耗运行依赖于供风装置的合理选型、管网设计、曝气器的选型及安装和精准的控制系统。此外，还可通过曝气原理或形式的突破、反应器设计、微生物群落控制等途径实现供气系统的节能降耗。目前，仍然存在大量的问题有待深入探索，如动力搅拌与供氧的关系、曝气过程与相际传质的关系、好氧速率动力学与污泥量/污泥龄的关系等。此外，反应器构造与分布式供氧的协调性、管道结垢/膜孔堵塞/局部爆裂、停机启动与维修更换等技术措施需要改进，还需要加强污水处理工程与智能化控制相关学科的互通促进，包括信息收集及数据分析、仪表设备控制、相关配套设备及软件开发、大数据处理等领域的融合，充分体现出智能制造业与水处理行业的结合在节能方面的应用前景。为此，建议：
1)通过了解污水内含能的形式及其处理目标途径对能耗的需求[61]，在分析污水处理过程中的不同形式能量消耗(氨化、短程硝化、厌氧氨氧化、完全硝化、彻底矿化)及其原因的基础上进行定量供氧，结合氧的转移效率选择供风装置及其气体输送的管网优化设计模式。
2)在满足工艺需求的前提条件下，合理选择供风装置的类型。在小流量供气范围内，罗茨鼓风机的成本最低，性价比较好;在中等流量供气范围内，多级离心风机和空气悬浮离心鼓风机比较适合;在大流量供气范围内，单级离心风机成本最低，能耗也最低，成为最佳选择。在投资允许的情况下，采用曝气流量控制系统可最大程度地实现供风量与需氧量之间的匹配及优化，从而节能降耗。
3)气温、气压、含湿量、粉尘等环境因素影响供风装置的动力效率，可考虑在风机集气口设置预处理系统，实现稳定进气，还可通过管道内涂层、优化弯头设计、采用节能曝气等方式来降低空气管道内的能量损失。为了减少空气输送和风量分配过程的能量损失，需要考虑加装调节阀、调整曝气管道管径、选用枝状或环状管网、优化安装深度等方法。
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《污水好氧生物处理工艺中供气系统的优化与节能分析》来源：《水处理技术》，作者：韦朝海1 ，叶国杰1 ，李泽敏1 ，韦景悦1，2 ，李富生1，2 ，江承付3