1 曝气系统的基本原理与作用

曝气系统是污水生物处理工艺的核心供氧装置，其主要功能是通过向污水中强制注入空气或纯氧，提高水体中的溶解氧（DO）浓度，为好氧微生物的生长和代谢活动提供必要的氧气条件。这些微生物能够有效降解污水中的有机物及其他污染物，从而实现水质的净化。曝气过程不仅提供了生化反应所需的氧气，还起到了混合搅拌的作用，使活性污泥处于悬浮状态，与污水充分接触混合，强化处理效果。

从物理化学角度看，曝气本质上是气液之间物质传递的过程。这一过程可以用双膜理论来解释：在气-水界面上存在着气膜和液膜，气体分子通过这两层膜从一相转移到另一相时会产生阻力。对于氧这种难溶气体，其传递阻力主要来自液膜。当液膜中氧的浓度低于水中氧的饱和浓度时，空气中的氧会不断向内扩散并透过液膜进入水体。曝气系统的设计目标正是通过快速变换气液界面，减少气泡大小，增加气泡数量，提高液体紊流程度，加大曝气器安装深度，延长气泡与液体的接触时间，从而克服传递阻力，提高氧的转移效率。

氧转移速率受多种因素影响，包括污水水质、水温、氧分压、空气扩散装置的淹没深度等。在工程设计中，通常通过控制这些参数来优化曝气系统的性能。曝气系统的运行成本占整个污水生物处理场运行费用的60%-80%，因此高效节能的曝气技术与控制策略对降低污水处理成本具有重要意义。

2 曝气系统的技术分类与设备选型

曝气系统根据其工作原理和方式不同，主要可分为鼓风曝气和机械曝气两大类，还有结合两者特点的潜水射流曝气等复合型技术。每类技术各有其特点和应用场景，在实际工程中需根据处理目标、水质条件和经济因素进行合理选择。

2.1 鼓风曝气系统

鼓风曝气系统是应用最广泛的曝气技术，尤其适用于大中型污水处理厂。该系统由供气单元、扩散单元和调控单元三部分组成。供气单元主要包括空气压缩机（如罗茨鼓风机、离心式鼓风机），负责提供具有一定压力和风量的空气；扩散单元由曝气器及其配套管道组成，负责将空气以气泡形式扩散到液体中；调控单元则包括阀门、仪表和控制系统，用于调节和优化曝气过程。

鼓风曝气系统的核心部件是空气扩散装置（又称曝气器）。根据产生气泡的大小和扩散原理，可分为以下几种主要类型：

• 微孔曝气器：采用陶粒烧结或橡胶膜片结构，能产生直径0.1-0.2mm的微小气泡，氧利用率高达20%-25%。主要包括管式微孔曝气器和盘式微孔曝气器两种形式。其中，膜片式微孔曝气器采用特殊橡胶材料（如EPDM、硅橡胶等），膜上带有微小自闭孔，在空气压力下自动张开，压力消失时自动闭合，防止污水倒灌。微孔曝气器虽然氧转移效率高，但存在易堵塞的技术缺陷，需要配置空气过滤装置并定期进行维护。

• 动态曝气器：采用大孔双向旋混技术，通过旋流混合筒延长气泡停留时间，氧利用率稳定在15%-19%。由于其孔径较大，不易堵塞，维护需求较低，适合水质条件较差的场合。

• 旋混曝气器：通过特殊结构使气体和液体在曝气器内部产生旋流和混合，形成中小气泡，兼具高氧利用率和防堵塞特性。安装时需配置直径300-500mm的旋流筒，安装间距通常为500-800mm。

鼓风曝气系统的优点体现在操作简便、自动化程度高、氧利用率较高等方面。但其缺点包括需要修建鼓风机房和布气管道系统，初期投资较高，且微孔曝气设备易堵塞，需要定期维护。

表：鼓风曝气系统主要扩散装置类型比较

2.2 机械曝气系统

机械曝气系统直接通过机械装置（如叶片、叶轮、转刷等）的旋转搅动水面，产生水跃和负压区，将空气吸入水中，实现氧的传递。根据安装方式不同，可分为表面曝气和水下曝气两大类。

表面曝气设备是机械曝气的主要形式，主要包括：

• 竖轴式表面曝气机：由马达直接驱动轴流式叶轮运作，叶轮形式包括泵形、K形、倒伞形等。倒伞型叶轮直径通常为1.0-2.5m，浸没深度40-300mm，动力效率可达1.8-2.44kgO₂/kWh。工作时通过叶轮旋转产生的水力提升作用，使废水向四周喷出形成水幕，与空气接触充氧。

• 卧轴式曝气机：主要包括转刷曝气器和转碟曝气器。转刷曝气器直径一般为500-1000mm，转速50-70r/min，单轴长度可达9m；转碟曝气器单盘充氧能力为0.82-1.63kgO₂/h。主要应用于氧化沟工艺，兼具充氧和推流作用。

水下曝气设备将曝气装置安装在水体底层或中层，主要包括：

• 潜水射流曝气机：由潜水电机、叶轮和多孔射流体等部件组成。采用射流技术，使高压水流通过喷嘴形成高速射流，在混合室产生负压吸入空气，气水混合液从射流口喷出，实现充氧。混合室直径与喷嘴直径比通常为3:1，气水体积比约为1:2.5，适用深度为4-8m的曝气池。

机械曝气系统的优点是设施简单、集中，不需要修建鼓风机房和复杂的布气管道，可节约成本投入。同时，其搅拌效果强，适用于需要较强混合作用的场合。但机械曝气系统通常能耗较高，且主要用于较浅的水体，适用范围有一定限制。

2.3 曝气设备选型指南

选择合适的曝气设备需综合考虑处理工艺、水质特性、池体结构和经济因素等多方面条件：

• 活性污泥法中的推流式曝气池多采用微孔管式曝气器，安装密度为2-3个/㎡，服务面积0.5-0.8㎡/个。

• 氧化沟工艺中，卡鲁塞尔型常选用倒伞型表面曝气机，奥贝尔型则匹配转碟曝气器。

• 河道、湖泊治理项目需根据水体特征（水深、流速等）和治理目标选择设备。北方地区冬季易结冰，可采用方便拆卸和移动的推流曝气、喷泉曝气；有景观需求的城市河道可采用喷泉曝气。

• 工业废水处理需考虑水质特性，如含有易堵塞物质的废水宜选用大孔曝气器；腐蚀性强的废水需选择耐腐蚀材料（如硅橡胶膜片）的曝气设备。

选型过程中，氧利用率和动力效率是两个关键性能指标。鼓风曝气设备侧重氧利用率（15%-25%），而机械曝气设备更关注动力效率（最高可达3kgO₂/kWh）。理想的选择是在满足氧需求的前提下，实现生命周期内的总成本最小化。

3 曝气系统的设计要点与参数计算

科学合理的设计是曝气系统高效运行的基础。曝气系统设计需基于处理水量、水质特性、目标溶解氧浓度和曝气效率等因素，通过精确计算确定设备参数和配置方案。

3.1 风量计算基础

风量计算是曝气系统设计的核心环节，直接关系到系统的供氧能力和能耗水平。基本计算公式为：

$$Q_{air} = \frac{Q_{water} \times BOD \times \alpha \times 1.43}{C_{e} \times E_{a}}$$

其中：

• $Q_{air}$为所需空气量（m³/h）
• $Q_{water}$为处理水量（m³/h）
• BOD为生化需氧量（mg/L）
• $\alpha$为氧的利用系数
• 1.43为氧与碳的氧化当量比
• $C_{e}$为曝气池出口溶解氧浓度（mg/L）
• $E_{a}$为曝气效率（kg O₂/m³ air）

对于河道、湖库曝气增氧，风机总供风量可采用以下公式计算：

$$Q = \frac{O_c}{\varepsilon \times 0.28}$$

其中：

• $Q$为风机总供风量（m³/d）
• $O_c$为水体需氧量（kg O₂/d）
• $\varepsilon$为曝气设备氧利用率（%）
• 0.28为标准状态下（0.1MPa，20℃）每立方米空气中含氧量（kgO₂/m³）

实际风量需求还需考虑季节变化、水质波动、设备老化等因素，通常在理论计算基础上增加安全系数（一般为1.1-1.3）。同时，应根据曝气池的具体形式（如推流式、完全混合式）和曝气设备的类型进行适当调整。

3.2 系统组成与设计参数

完整的鼓风曝气系统包括空气加压设备、空气净化器、输配管道系统和空气扩散装置四大部分。

• 空气加压设备：主要包括罗茨鼓风机（风量20-200m³/min）和离心式鼓风机（风压49-68.6kPa）。大中型污水处理厂多采用离心机型，其效率高、噪音低、寿命长。选择风机时，风量应满足生化反应所需的氧量和保持混合液悬浮状态的需求，风压则需克服管道系统和扩散器的摩擦损耗以及扩散器上部的静水压。

• 空气输配管系统：包括输气管、曝气池上的干管和支管。干管常架设于相邻两廊道的公用墙上，向两侧廊道引出支管。设计时，支管流速宜控制在10-15m/s，干管流速4-6m/s，压降控制在0.3-0.5kPa/m。材质多选用UPVC或不锈钢，以防腐蚀和保证长期使用寿命。

• 空气扩散装置：需根据池型和水深合理布置。对于推流式曝气池，曝气器通常沿池长方向均匀布置；对于完全混合式曝气池，则可采用均匀布置或沿池周布置。悬挂链移动曝气装置由漂浮在水面的通气管和吊在通气支管下的曝气器组成，曝气器间距1.2-1.5m，允许**±30°**摆动角度，这种动态布置方式有助于提高氧传递效率。

表：曝气系统关键设计参数参考

3.3 特殊考虑因素

曝气系统设计还需考虑以下特殊因素：

• 水温影响：水温升高会降低氧的溶解度，但增大了氧的扩散系数。设计需考虑最不利水温条件，通常以夏季高温作为设计工况。

• 海拔校正：高海拔地区空气密度低，氧分压下降，影响氧的饱和溶解度。需对标准状态下的计算公式进行海拔校正。

• 水质影响：污水中的表面活性剂、盐分等物质会影响氧传递速率。工业废水占比高的污水处理厂，需进行水质校正试验或采用经验系数。

• 系统冗余：大型污水处理厂应考虑设备备用，通常采用N+1或N+2的备用方案，确保在部分设备故障或维护时系统仍能正常运行。

4 曝气系统的实践应用与节能优化

曝气系统在各类污水处理工艺中发挥着关键作用，其应用效果直接关系到污水处理厂的出水水质和运行成本。通过科学的运行管理和技术创新，可以显著提升曝气系统的性能和经济性。

4.1 在不同处理工艺中的应用

曝气系统的选型需与污水处理工艺相匹配，不同工艺对曝气系统有特定要求：

• 活性污泥法：作为最传统的生物处理工艺，其曝气池通常采用推流式设计，多选用微孔管式曝气器，安装密度为2-3个/㎡。在这种工艺中，曝气系统不仅提供微生物所需的氧气，还确保活性污泥与污水充分混合，防止污泥沉淀。

• 氧化沟工艺：作为一种循环曝气渠道，氧化沟通常采用表面曝气设备，如倒伞型表面曝气机或转刷曝气器。这些设备同时具备充氧和推流功能，维持沟内液体流速约0.3m/s，保证活性污泥悬浮和循环流动。卡鲁塞尔型氧化沟多选用倒伞型表面曝气机，奥贝尔型则匹配转碟曝气器。

• SBR工艺：序批式活性污泥法需要曝气系统适应间歇运行的特点，宜采用可变气量的曝气设计，通过精确的时序控制，在反应阶段提供适量氧气，在沉淀和排水阶段减少或停止曝气，实现节能运行。

• 生物接触氧化池：这种工艺通常在池内设置填料，微生物附着在填料表面生长。宜采用微孔曝气，产生细小气泡，增加气液接触面积，提高氧转移效率。曝气系统布局需考虑填料的分布，确保整个池体布气均匀。

• 河道、湖库治理：对于水体修复项目，曝气设备的选择需因地制宜。喷泉曝气机适用于有景观要求的城市河道；潜水射流曝气机适用于较深水域；叶轮式增氧机则适用于湖泊、水库等大面积水体的局部增氧。北方地区冬季易结冰，应选用可拆卸的移动式设备；而南方地区则可考虑固定式曝气系统。

4.2 节能优化策略与技术革新

曝气系统能耗占污水处理总能耗的60%-70%，是节能降耗的关键环节。当前曝气系统的优化主要从设备创新、控制策略和系统设计三方面着手。

设备层面的优化主要包括：

• 气泡粒径控制：采用激光打孔橡胶膜片（孔径0.1-0.2mm）减少气泡聚并，使比表面积增加20%-25%，从而提高氧传递效率。如悬挂链式曝气系统采用柔性橡胶膜管，提升气泡分散效率。

• 材料革新：动态曝气器采用316L不锈钢旋混组件，耐腐蚀性和使用寿命延长至8-10年；膜片材料根据应用场景选择，EPDM橡胶适用于城市污水，硅橡胶适用于造纸、石化等工业废水。

• 结构设计优化：转刷曝气器加装导流板后，水体轴向流速提升15%-20%，推流距离延长至40-50m，减少了额外推流设备的需求。

控制策略的升级是智能曝气的核心：

• 基于溶解氧（DO）的反馈控制：根据在线溶解氧仪检测值，自动调节鼓风机频率或阀门开度，使DO浓度稳定在设定范围（通常1.5-2.0mg/L）。这种控制方式可使综合能耗降低12%-18%。

• 氨氮前馈-反馈控制：结合进水氨氮浓度预测需氧量，再通过DO反馈进行微调，更精准地匹配实际需求，尤其适用于水质波动大的情况。

• 主流控制算法：包括PID控制、模糊逻辑控制和模型预测控制（MPC）。高级控制算法能够处理系统非线性和大时滞特性，提高控制精度和稳定性。

系统设计与运行优化：

• 管网布局优化：避免急弯和突然变径，减少局部阻力损失；合理匹配管道尺寸与流速，使支管流速控制在10-15m/s，干管流速4-6m/s，降低沿程损失。

• 曝气器均衡布置：确保整个生物池内气泡分布均匀，避免局部缺氧或过度曝气。新型悬挂链式曝气系统允许曝气器在一定范围内摆动，自适应池底状况，提高布气均匀性。

• 定期维护与监测：包括曝气器清洗更换、管道泄漏检测、风机性能测试等。升降式微孔曝气器配备电动提升装置，可在不停水条件下完成检修维护，大大降低维护成本和时间。

4.3 面临的挑战与发展趋势

尽管曝气技术不断进步，但仍面临一些挑战：微孔曝气器堵塞问题尚未彻底解决；智能控制算法在实际应用中受水质波动和测量仪表可靠性的影响；老旧污水处理厂的曝气系统升级改造面临空间和资金限制。

未来曝气系统发展呈现以下趋势：

• 精准曝气技术：结合大数据和人工智能，实现更精细化的曝气控制，按需分配氧气，减少能源浪费。

• 材料科学应用：新型纳米材料、智能材料的应用有望进一步提高曝气效率和寿命。如自清洁膜片、pH响应型材料等。

• 能源回收利用：探索曝气系统余热回收、压力能利用等新技术，提高整体能源效率。

• 模块化与标准化：预制模块化曝气系统可缩短建设周期，降低施工成本，尤其适用于扩建项目和中小型污水处理设施。

曝气系统作为污水处理的关键环节，其技术进步和创新将持续推动整个行业向更高效、更节能、更智能的方向发展。通过科学设计、精细管理和技术创新，曝气系统将在水资源保护和环境可持续发展中发挥更加重要的作用。

污水处理行业的从业人员应密切关注曝气技术的最新发展，结合具体项目条件，选择最合适的曝气方案，并在实践中不断优化运行参数，实现环境效益与经济效益的双赢。