长期运行期间微孔曝气系统氧传质效率的影响因素及污染控制

李云辉

(上海竹园第二污水处理厂，上海 200137)

活性污泥法作为城镇污水处理厂生物处理的重要单元，能够有效去除氮、磷等污染物。曝气作为活性污泥法中的关键步骤，在为污水中的微生物降解有机物和生长提供足够溶解氧的同时，还起到保证池中泥水均匀混合的作用[1]。曝气同时也是污水处理厂能耗占比最大的单元[2]，约占整个污水处理厂运行能耗的50%～80%[3]。传统的曝气方式主要分为机械曝气和鼓风曝气[4]，机械曝气主要通过桨叶或叶轮搅动水面，使空气中的氧气不断进入水中，对水体进行充氧[5]。鼓风曝气主要是通过鼓风机将空气输送到曝气器中，以气泡的形式将氧气输送到水体中[6]。

微孔曝气因其较高的氧传质效率成为目前应用最广泛的曝气技术。鼓风机将压缩空气不断推过多孔材质的微孔曝气器，形成直径<5 mm的微小气泡[7]。产生的气泡直径越小，比表面积越大，且上升速度越慢，在水中的停留时间越长，增加了气液传质时间，具有更高的氧传质效率。但是，在长期运行过程中，污染物易在微孔曝气器表面和气孔内积累，堵塞气孔，使氧传质效率下降[8]。因此，在维持污水处理厂稳定运行的情况下节省曝气能耗，成为当前亟需解决的问题。本文综述了长期运行中微孔曝气系统氧传质效率的影响因素，以期为微孔曝气系统在污水处理厂的优化运行提供指导。

1 曝气系统氧传质过程

在充氧过程中，气泡扰动使混合液均匀混合，促进气、液、固三相充分接触，最终使空气中的氧传输到液相。Whitman[9]提出的双膜理论是描述气液界面传质过程最经典的理论，即相接触的气、液相两侧存在稳定的气膜和液膜，气体以分子扩散方式通过此双膜层，最后在气液界面达到平衡。气体传质的阻力主要来源于液膜。基于双膜理论的氧传质过程如式(1)。

(1)

其中：KLa——氧总转移系数，h-1；

Ct——t时刻水中溶解氧浓度，mg/L。

曝气器的氧传质性能通常采用氧传质效率(oxygen mass-transfer efficiency，OTE)评价。标准状态下的理论氧传质效率(SOTE)可在清水中测得。在污水中，实际运行的OTE通常低于SOTE，这个降低率用氧传质影响系数α量化，即αSOTE与SOTE之比，也可采用污水中的氧总转移系数与清水中的比值计算，如式(2)。

(2)

在实际运行过程中，微孔曝气器的气孔易因生物膜附着生长或者无机盐沉积而堵塞，导致氧传质效率下降，阻力损失增加。如果不进行清洗，污染程度会随着运行时间的延长加剧。污染程度常用污染系数F量化[10]，即运行一段时间后的OTE与初始OTE的比值，如式(3)。

(3)

微孔曝气充氧过程中，直接影响OTE的因素包括气泡大小、气泡数量、气泡停留时间、氧传质驱动力等。在污水处理实际运行中，影响OTE的因素主要包括工艺条件、水质条件和环境因素等。表1列举了对微孔曝气系统OTE的影响因素。

表1 OTE的影响因素Tab.1 Influencing Factors of OTE

比较发现，几何参数(曝气器浸没水深、曝气密度、曝气器布局)、工艺条件(曝气量、SRT)和水质条件(MLSS、流体黏度、TDS、表面活性剂)影响OTE的根本原因是混合液中气液接触界面积和气液接触时间。接触面积越大，气泡停留时间越长，越有利于氧由气相传质至液相。

2 长期运行过程中微孔曝气系统的污染与控制

长期运行过程中，污染物会在微孔曝气器的气孔表面和内部逐渐积累[41]，阻塞气流的逸出，并增强气泡的并聚现象，从而不利于氧气的传输。微孔曝气器表面及气孔内累积的污染物主要包括生物污染、有机污染和无机结垢[7]。污染物分布示意图参考Jiang等[7]的研究结果重新绘制，如图1所示，这些污染物可通过清洗手段去除。微孔曝气器材质老化造成的效率损失不能通过清洗手段恢复，只会随着运行时间的增加而增加，最终影响曝气器的使用寿命[42-43]。

图1 微孔曝气器表面及气孔内污染物分布示意图Fig.1 Schematic Diagram of Pollutants on the Surface and Inside the Pores of Fine-Bubble Aerator

2.1 微孔曝气系统的生物污染

生物污染是指在曝气器表面和气孔内由原生动物、细菌絮凝物、溶解性微生物产物(SMP)和EPS形成的生物膜。目前，对生物膜附着在OTE下降中作用的研究尚不多见。Garrido等[44]深入研究了生物膜生长与通气性能下降之间的相关性，尽管气泡释放具有剪切力，但微生物仍然会在曝气器表面附着并生长，因为曝气器表面可以提供大量的氧气和底物。Rossetti等[45]发现，丝状微生物具有更好的氧亲和力，这些细丝附着在气泡表面上，减小了液膜的更新速度且增加了液膜的厚度，细丝外表面还聚集着含有蛋白质和多糖的EPS[46]，它们能够像表面活性剂的“两亲分子”一样发挥作用，降低氧气在气液界面的实际溶解度[47-48]。活性污泥中的丝状微生物具有较高的疏水性[49-50]，疏水性细胞表面使丝状微生物能够更好地吸引疏水性底物，如脂质、长链脂肪酸和其他非极性底物[45]。疏水性颗粒会倾向于在气液界面处积聚，从而对氧气的转移产生负面影响[51-52]。Liu等[53]发现，活性污泥中较低的溶解氧浓度可以提高OTE，但同时也会促进丝状微生物的生长，增加混合液的黏度，阻碍氧传质。丝状微生物的过度生长可以使OTE降低50%。由此看出，在曝气系统中控制丝状菌的生长尤为重要。Jiang等[7]对比了运行10年的微孔曝气器表面的污染物与好氧池活性污泥中的微生物种群分布，发现除了丝状菌，EPS分泌菌也会优先聚集在曝气器表面。

在曝气池进水口，较高的有机负荷使生物膜在曝气器表面生成的速度较快。随着反应的进行，在好氧池末端会形成较少的生物膜，物理方法无法准确描述生物膜的特征和微生物分布情况。Huang等[54]发现，与悬浮固体浓度相比，总细菌细胞和DNA浓度可提供更多活性污泥中微生物丰度的详细信息。微生物测量可以比悬浮固体更好地代表系统性能，因为并不是悬浮固体中的所有质量都对应于微生物细胞。 但是，从生物膜获得的总DNA包括原核和真核细胞的细胞间和细胞外DNA，因此仍然存在一些局限性，需要进一步分析。这不仅可以更加细致地研究曝气器表面生物膜的性质，还能为更有效地清洗曝气器提供理论指导。

Noble等[55]研究了不同材质曝气器上生物膜的群落组成、功能和多样性，发现三元乙丙橡胶(EPDM)和有机硅曝气器的生物膜中，细菌的多样性随着运行时间的增加而增加，而聚氨酯(PU)曝气器的生物膜中，细菌多样性则随着运行时间的增加而降低。由于进水中许多物种的随机分配，早期生物膜具有较高的多样性；中期许多竞争性物种进行主导，因此生物膜具有较低的多样性；后期由于许多物种嵌入到细胞外基质中，增加了养分利用率，细菌多样性又恢复到较高水平。EPDM和有机硅曝气器表面细菌多样性的增加，反映了中期到后期生物膜发展的转变；PU生物膜细菌多样性的下降反映了从早期到中期生物膜发展的过度，同时说明PU曝气器上生物膜的发展要慢于其他基质。由此可知，底物特性(如表面粗糙度、亲水性/疏水性和化学官能团等)是确定生物膜组成的关键因素[56-57]，在不同的水生环境中，不同的底物对细菌群落组成具有短期或长期的影响[58]。更好的了解不同材质曝气器表面微生物的组成，并建立微生物种群动态变化与OTE之间的联系，有助于污水处理厂工作人员设定操作条件，在一定程度上减少曝气器的污染。

2.2 微孔曝气系统的有机污染

有机污染物是指曝气器表面附着的由微生物分泌代谢产生的蛋白质、多糖、腐植酸和其他有机物质。Garrido等[59]通过EDX成分分析，发现在运行15个月后，微孔曝气器的污染成分中有机物占85%～90%，无机物占5%～10%，尽管有机物和无机物对曝气器气孔面积的减小产生相似的影响。对于不同类型的曝气器，虽然材质成分不同，但有机污染物均趋于高度水合(即与无机物质相比，体积百分比更高)。随着有机污染物在微孔曝气器表面的沉积，曝气器表面出现凹陷，孔径变大，产生的气泡直径变大，OTE降低。EPDM是微孔曝气器最常见的材料[60]，但EPDM并不是配方中的唯一材料，还有其他的添加剂，这些材料的成分和降解性能会影响曝气器性能。Garrido等[60]的研究发现，随着生物膜密度的增加，曝气器表面的养分越来越有限，细菌会利用曝气器材料中的软化剂作为基质。大部分软化剂由有机材料组成，酶诱导后被某些细菌用作碳源，分解产物可以用作表面上或表面附近其他细菌的底物来源，附着在曝气器表面。

2.3 曝气器的无机结垢

微孔曝气器上的无机结垢是由污水和活性污泥中的无机离子在曝气器表面或孔内通过电性中和及架桥作用而形成的晶体沉淀。Garrido等[59]通过EDX成分分析发现，曝气器表面的无机污染物主要元素包括Fe(7.9%)、Si(3.8%)、Mg(0.9%)和Ca(1.4%)。Shirazi等[61]猜测，曝气器表面最常见的无机化合物是二氧化硅、碳酸钙、碳酸镁、磷酸铁。尽管无机污垢的含量低于有机污染物，但无机污垢会促进污染层的增厚和硬化[43]，加速曝气器材质的老化，从而降低曝气器的使用寿命。

Wang等[62]通过研究不同进水硬度下3种材质(EPDM、有机硅和PU)微孔曝气器中的无机结垢，发现在存在Ca2+、Mg2+的水中，结垢的主要成分为碳酸钙，且结垢主要发生在曝气器的外表面、孔口和内表面上。与有机硅和PU相比，EPDM材质曝气器的OTE下降得最慢，PU材质的曝气器受结垢影响最大。由于3种材质的表面粗糙度不一致，粗糙的表面比光滑的表面更易结垢，因为其表面布有不均匀的空隙，为晶体的黏附和晶体层的形成提供了有利条件[63]。同时，气泡的混合会增加溶液中离子碰撞的机会，在一定程度上加速了微孔曝气器表面的结垢[64]。

2.4 微孔曝气器污染对污水处理厂能耗的影响

对于长期运行的污水处理厂，微孔曝气器污染是OTE下降的主要原因，为了能够保证提供足够的氧量来维持生物处理的效果，就需要加大鼓风机曝气量。Jiang等[7]发现，运行10年的微孔曝气器，其污染系数F降至0.73±0.05。Garrido等[60]研究了连续运行24个月的曝气器，其F为0.75±0.05。Rosso等[43]总结了94个现场测量结果，发现在运行24个月后，曝气系统总体OTE下降了50%左右。Krampe[65]发现，在运行12个月后，EPDM材质曝气器的OTE降低了16%～28%。Gori等[66]发现，运行2年之后的曝气系统，其SOTE从18%降至15%，即F=0.53。

与此同时，虽然静水压力(由于水深而在曝气器表面产生的压力)在整个曝气系统的使用寿命内保持恒定，但微孔曝气器元件的水头损失会因污染随运行时间增加。曝气器水头损失的升高会引起鼓风机出口风压的增加，甚至使其工作压力增大至接近最大允许压力，这可能导致鼓风机喘振，从而影响鼓风机的安全运行[50]。

鼓风机的曝气量和出口风压的增加均会导致鼓风机输出功率的增加，从而造成运行能耗的增加[67]。Jiang等[7]发现，运行10年的污水处理厂的总运行能耗增加了15%。Garrido等[44]基于曝气性能监测和动态能量模型计算，发现在常规(SRT=8 d)和高负荷(SRT=2 d)的运行条件下，微孔曝气器在15个月内的能耗需求分别增加了32%和42%。因此，当污水处理厂新建或改造时，选择微孔曝气器类型不仅要考虑所选曝气器的初始能耗需求，还需考虑随着运行时间，微孔曝气器受到污染后造成的能耗增加。

2.5 微孔曝气器污染物的去除与控制

对于所有在污水中运行的微孔曝气器，污染是无法避免的，污染程度主要取决于污水处理厂的工艺参数，如污泥龄、污水水质特性、曝气器类型和运行时间。污水水质特性、曝气池中的流体动力学及氧气分布均匀性的差异均会对曝气器污染的周期产生影响。因此，在对污水处理厂的曝气器选择之前，在待处理的污水中进行长期曝气器污染趋势测试，能够更准确地进行曝气系统的设计和选型[68]。

选择合适的曝气器，并对其进行定期维护，在一定程度上可以减缓曝气器的污染及老化。研究发现[69]，EPDM材质的曝气器具有较好的耐久性、抗老化和亲水性，但当污水中含有较高浓度的烃类、芳香族等有害物质时，会加速EPDM材质的老化。高密度聚乙烯曝气器表面孔隙率较高，同时具有良好的化学性能和抗冲击能力，不易损坏。由于其气孔更光滑，孔道短，不利于微生物的富集，一定程度上能够减缓曝气管的生物和有机污染，因此广泛适用于市政污水、化工、制药、石油等污水处理。Rosso等[70]通过核酸提取、微生物的种群结构分布分析，结合氧利用率的测量，了解关键的微生物菌种以及对曝气器材质的亲和力，从而选择合适的曝气器材质，缓解生物污染。Garrido等[10]发现，与EPDM膜相比，有机硅膜不含增塑剂或添加剂，且本质上是无机的，受生物污染的影响较小。

微孔曝气器的清洗频率和方法决定了其长期性能和优势[70]。Jiang等[7]通过研究微孔曝气器污染物的性质，发现HCl和NaClO的组合清洗可以提高清洗效率，因为HCl可以消除无机结垢，NaClO可以消除有机污染物。但不同的清洗顺序，也会对污染物的去除效率产生影响。Jiang等发现，NaClO+HCl的顺序清洗比HCl+NaClO的顺序清洗显示出更好的清洗效率。因此，了解微孔曝气器的污染趋势及污染物成分，并制定相应的清洗策略，不仅有利于曝气系统的效率恢复，还能够为污水处理厂节省大量运行成本。

3 结语与展望

本文总结了长期运行中污水处理厂微孔曝气系统OTE的影响因素，对微孔曝气系统的优化运行具有一定的参考意义。长期运行过程中，微孔曝气器的污染是导致OTE下降和能耗增加的最主要原因。微孔曝气器的污染主要包括生物污染、有机污染和无机结垢。附着在曝气器表面的丝状菌，会黏附在气泡表面，阻碍气液传质，降低曝气器的OTE。有机污染物在微孔曝气器表面沉积导致凹陷，孔径变大，产生的气泡直径变大，OTE降低。无机污垢会促进污染层的增厚和硬化，加速曝气器材质的老化，从而降低曝气器的使用寿命。随着曝气器污染的加剧，微孔曝气系统的OTE逐渐下降，加大鼓风机曝气量和出口风压会造成能耗大幅增加，并对鼓风机的安全运行造成压力。

在我国大力推行节能减排的环境下，对污水处理厂能耗的优化也受到越来越多的重视。曝气作为污水处理厂能耗占比最高的环节，优化曝气系统的运行，对微孔曝气器进行定期的清洗及维护，不仅能够将曝气系统的OTE维持在较高水平，还能够延长使用寿命，在一定程度上减少能耗的浪费。