氣體傳遞原理和曝氣池
一、活性汙泥法基本要素
構成活性汙泥法有三個基本要素，一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性汙泥；二是廢水中的有機物，它是處理對象，也是微生物的食料；三是溶解氧，沒有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能發揮氧化分解作用。作為一個有效的處理工藝，還必須使微生物，有機物和氧充分接觸，只有密切的接觸，才能相互作用。因而在充氧的同時，必須使混合液懸浮固體處於懸浮狀態。充氧和混合是通過曝氣設備來實現。
曝氣的好壞決定了活性汙泥法的能耗和處理的效果。要達到好的效果，曝氣設備的選擇還必須和曝氣池的構造相配合。因而本節重點討論氣體傳遞原理，通常的曝氣設備和曝氣池的構造等問題。
二、曝氣設備
曝氣設備主要分為鼓風曝氣和機械曝氣。
I.鼓風曝氣
鼓風曝氣系統是由空氣淨化器，鼓風機，空氣輸配管系統和浸沒於混合液中的擴散器組成。鼓風機供應一定的風量，風量要滿足生化反應所需的氧量和能保持混合液懸浮固體呈懸浮狀態；風壓則要滿足克服管道系統和擴散器的摩阻損耗以及擴散器上部的靜水壓；空氣淨化器的目的是改善整個曝氣系統的運行狀態和防止擴散器阻塞。
擴散器是整個鼓風曝氣系統的關鍵部件，它的作用是將空氣分散成空氣泡，增大空氣和混合液之間的接觸界面，把空氣中的氧溶解於水中。根據分散氣泡的大小，擴散器又可分成幾種類型：
(1)小氣泡擴散器 典型的是由微孔材料(陶瓷、砂礫，塑料)製成的擴散板或擴散管。氣泡直徑可達1.5mm以下。
(2)中氣泡擴散器 常用穿孔管和莎綸管。穿孔管的孔眼直徑為2～3mm，孔口的氣體流速不小於10m/s，以防堵塞。國外用莎綸管。莎綸是一種合成纖維。莎綸管以多孔金屬管為骨架，管外纏繞莎綸繩。金屬管上開了許多小孔，壓縮空氣從小孔逸出後，從繩縫中以氣泡的形式擠入混合液。空氣之所以能從繩縫中擠出，是由於莎綸富有彈性。
(3)大氣泡擴散器 常用豎管，氣泡直徑為15mm左右。
(4)微氣泡擴散器 這是近幾年內新發展的擴散器，氣泡直徑在100um左右。射流曝氣器屬於微氣泡曝氣器，它通過混合液的高速射流，將鼓風機引入的空氣切割粉碎為微氣泡，使混合液和微氣泡充分混合和接觸，促進了氧的傳遞，提高了反應速率。也可設計成負壓自吸式的射流器，這樣可以省掉鼓風機，避免鼓風機引起的噪聲。(圖6-2)是上面幾種擴散器的簡圖。
通常擴散器的氣泡愈大，氧的傳遞速率愈低，然而它的優點是堵塞的可能性小，空氣的淨化要求也低，養護管理比較方便。微小氣泡擴散器由於氧的傳遞速率高，反應時間短，曝氣池的容積可以縮小。因而選擇何種擴散器要因地制宜。
擴散器一般布置在曝氣池的一側和池底，以便形成旋流，增加氣泡和混合液的接觸時間，有利於氧的傳遞，同時使混合液中的懸浮固體呈懸浮狀態。
擴散器的構造形式很多，布置形式多樣，但基本原理是一樣的。讀者可參考產品說明書和設計手冊。
鼓風曝氣用鼓風機供應壓縮空氣，常用羅茨鼓風機和離心式鼓風機。羅茨鼓風機適用於中小型汙水廠，但噪聲大，必須採取消音、隔音措施；離心式鼓風機噪聲小，且效率高，適用於大中型汙水廠，但國內產品規格還不多。
2.機械曝氣
鼓風曝氣是水下曝氣，機械曝氣則是表面曝氣。機械曝氣是用安裝於曝氣池表面的表面曝氣機來實現的。表面曝氣機分豎式和臥式兩類。
(1)豎式曝氣機 這類表曝機的轉動軸與水面垂直，裝有葉輪，當葉輪轉動時，使曝氣池表面產生水躍(圖6-3)，把大量的混合液水滴和膜狀水拋向空氣中，然後挾帶空氣形成水氣混合物回到曝氣池中，由於氣水接觸界面大，從而使空氣中的氧很快溶入水中。隨著曝氣機的不斷轉動，表面水層不斷更新，氧氣不斷地溶人，同時池底含氧量小的混合液向上環流和表面充氧區發生交換，從而提高了整個曝氣池混合液的溶解氧含量。因為池液的流動狀態同池形有密切的關係，故曝氣的效率不僅決定於曝氣機的性能，還同曝氣池的池形有密切關係。
表曝機葉輪的淹沒深度一般在10～100mm，可以調節。淹沒深度大時提升水量大，但所需功率亦會增大，葉輪轉速一般為20～100r/min，因而電機需通
過齒輪箱變速，同時可以進行二擋和三擋調速，以適應進水水量和水質的變化。我國目前應用的這類表曝機有泵型，倒傘型和平板型，見(圖6-4)。其中泵型表曝機已有系列產品。
(2)臥式曝氣刷 這類曝氣機的轉動軸與水面平行，主要用於氧化溝。在垂直於轉動軸的方向裝有不鏽鋼絲(轉刷)或板條，用電機帶動，轉速在50～70r/min，淹沒深度為(1/3～1/4)轉刷直徑。轉動時，鋼絲或板條把大量液滴拋向空中，並使液面劇烈波動，促進氧的溶解；同時推動混合液在池內回流，促進溶解氧的擴散。見(圖6-5)。
3.曝氣設備性能指標
比較各種曝氣設備性能的主要指標有：一是氧轉移率，單位為mg/L.h;二是充氧能力(或動力效率)即每消耗1kW·h動力能傳遞到水中的氧量(或氧傳遞速率)，單位為kgq/kwh；三是氧利用率，通過鼓風曝氣系統轉移到混合液中的氧量佔總供氧的百分比，單位為%。機械曝氣無法計量總供氧量，因而不能計算氧利用率。
三、曝氣池池型
曝氣池實質上是一個反應器，它的池型和所需的反應器的水力特徵密切相關。主要分為推流式和完全混合式以及二池結合型三大類。曝氣設備的選用及其布置又必須和池型及水力要求相配合。
1.推流曝氣池
(1)平面布置 推流曝氣池的長寬比一般為5～10。為了便於布置，長池可以兩折或多折，汙水從一端進，另一端出。進水方式不限；出水都用溢流堰。
推流曝氣池一般採用鼓風曝氣。
(2)橫斷面布置 推流曝氣池的池寬和有效水深之比一般為1～2。有效水深最小為3m，最大為9m。根據橫斷面上的水流情況，又可分為平移推流和旋轉推流。
平移推流是曝氣池底鋪滿擴散器，池中的水流只有沿池長方向的流動。這種池型的橫斷面寬深比可以大些，見(圖6-6)
旋轉推流是在這種曝氣池中，擴散器裝於橫斷面的一側。由於氣泡形成的密度差，池水產生旋流。池中的水沿池長方向流動外，還有側向旋流，形成了旋轉推流，見(圖6-7)。
2.完全混合曝氣池
完全混合曝氣池的池型可以為圓型也可以為方型或矩型。曝氣設備可採用表面曝氣機，置於池的表層中心，汙水進入池的底部中心。汙水一進池，在表面曝氣機的攪拌下，立即和全池混合，水質均勻，不象推流那樣前後段有明顯的區別。完全混合曝氣池可以和沉澱池分建和合建，因此可以分為分建式和合建式。
(1)分建式 表面曝氣機的充氧和混合性能同池型關係密切，因而表面曝氣機的選用應和池型配合，以達到好的效果。當採用泵型葉輪，線速度在4～5m/s時，曝氣池的直徑與葉輪的直徑之比宜為4.5～7.5，水深與葉輪的直徑比宜為2.5～4.5。當採用倒傘型和平板型葉輪時，葉輪直徑與曝氣池的直徑之比宜為1/3～1/5。分建式雖然不如合建式用地緊湊，且需專設的汙泥回流設備，但運行上便於調節控制。
(2)合建式 合建式表面曝氣池，我國定名為曝氣沉澱池，國外稱為加速曝氣池。這種池型在我國曾一度流行，因為結構緊湊，沉澱池與曝氣池合建於一個圓型池中，沉澱池設於外環，與中間的曝氣池底有回流汙泥縫相通，靠表曝機造成的水位差使回流汙泥循環。為了使回流汙泥縫不堵塞，縫隙較大，但這樣又使回流汙泥流量過大，通常達進水量的100%以上，有的竟達500%。由於曝氣池和沉澱池合建於一個構築物，難於分別控制和調節，運行不靈活，出水水質難於保證，國外已趨淘汰。合建式也可做成矩型。
3.兩種池型的結合
在推流曝氣池中，也可以用多個表曝機充氧和攪拌，對於每一個表曝機所影響的範圍內，則為完全混合，而對全池而言，又近似推流，此時相鄰的表曝機旋轉方向應相反，否則兩機間的水流會互相衝突，見(圖6-8)。也可用橫向擋板在機與機之間隔開，避免互相干擾，見(圖6-9)。這種池型各池可以獨立，就成為完全混合；也可以各池串聯，成為近似推流，運行靈活。
為了曝氣池投產時馴化活性汙泥，各類曝氣池在設計時，都應在池深1/2處留排液管。
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