纯氧曝气施工工艺详解

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1 纯氧曝气的概述

纯氧曝气是利用纯氧(富氧)代替空气进行曝气的活性污泥发生物处理过程。

纯氧曝气技术的基本原理是采用深冷空气分离制氧、变压吸附制氧等技术制取高纯度氧气，利用含氧体积分数90％以上的纯氧取代空气曝气。

纯氧曝气工艺与空气曝气活性污泥法机理上基本是相同的，都是通过好氧微生物对污水中的有机物进行生化反应使污水得以净化，污水中的有机物的分解都是靠活性污泥(好氧微生物)均匀分散与污水充分接触完成的。

所不同的是前者是向污水中充纯氧，后者是向污水中充空气。氧气曝气法的一大特点就是处理效率明显高于空气法。将同一污水处理到同一水平，氧气法所需曝气时间一般仅为空气法的1/3 左右。这是因为纯氧的浓度是空气中氧浓度(21%) 的4.7 倍，因此氧气法系统中氧的分压，亦即溶氧的推动力，也比空气法高4.7倍，在水中溶解氧的饱和值也增加了4.7 倍，充氧速率也增加了4.7 倍，显著提高了氧的转移速率，从而使好氧微生物的浓度和活性都提高，明显改善了传统活性污泥法的不足。

纯氧曝气按照曝气器的形式可以分为以下三大类：

1、纯氧微孔曝气系统；

2、纯氧射流曝气系统；

3、纯氧涡旋曝气系统。

可以根据曝气池池形的不同灵活地选择三种曝气系统。但纯氧曝气需配备制氧设备，或者需要外部的液氧供氧。

2 纯氧曝气的特点

与空气曝气相比较，它有以下特点。

(1)氧转移率高。在水温20 ℃时, 纯氧的浓度是空气氧浓度( 21% ) 的4.7 倍, 曝气时纯氧氧气分压比空气的氧分压高417倍, 在水中, 溶解氧的饱和浓度也同样比空气高417倍,因而纯氧向清水转移的溶解速率也比空气高417倍, 在污水中高于417倍。纯氧曝气所需停留时间仅为空气曝气的1 /3左右。敞开式微气泡纯氧曝气和水下叶轮试验结果表明纯氧曝气氧利用率为80%～90% , 而一般的空气鼓风曝气氧利用率仅为12%。纯氧曝气耐冲击负荷能力强, 出水水质稳定。

(2)剩余污泥量少。在纯氧条件下, 生物处于高度的内源代谢即自身氧化状态, 污泥产量大为减少, 比空气曝气活性污泥法可减少约25%的剩余污泥。

(3)改善了污泥的沉降性能。纯氧曝气充氧能力提高, 减少了向曝气池输入的功率和对活性生物絮体的剪切力。高溶解氧浓度能抑制引起污泥膨胀的丝状菌生长。纯氧曝气法的污泥指数为30～50。

(4)有利于生物硝化。纯氧曝气的高溶解氧浓度可实现污水中的NH3-N完全硝化。

(5)污水处理效率高。纯氧曝气的高污泥浓度和高污泥负荷使其容积负荷达到空气曝气的3～5倍, 曝气池的体积可以大大缩小, 能耗降低25%左右。

(6)无异味散发。挥发性有机物分解快，反应完全。

两种工艺不同之处在于，纯氧曝气工艺使用纯氧而空气曝气工艺使用的是空气，即气源的氧气浓度不同。纯氧曝气工艺高的氧溶解速率和氧浓度加快了微生物的代谢，从而提高了微生物的数量，即污泥的浓度，加快了反应速率，大大提高了污水处理效率。

纯氧曝气活性污泥法的主要优点如下。
（1）氧利用率可达80%～90%，而鼓风曝气系统仅为10%左右。
（2）曝气池内混合液的MLSS值可高达4000～7000mg/L，能够提高曝气池的容积负荷。
（3）曝气池内混合液的SVI值较低，一般都低于100，污泥膨胀现象发生的较少。

3、纯氧曝气活性污泥法

纯氧曝气活性污泥法，又名富氧曝气活性污泥法，空气中氧的含量仅为21%，而纯氧中的含量为90%～95%，氧分压比空气高4.4～4.7倍，用纯氧进行曝气，以提高氧向混合液中的传递能力。

         纯氧曝气活性污泥法示意图

纯氧曝气活性污泥法的主要优点如下。

（1）氧利用率可达80%～90%，而鼓风曝气系统仅为10%左右。

（2）曝气池内混合液的MLSS值可高达4000～7000mg/L，能够提高曝气池的容积负荷。

（3）曝气池内混合液的SVI值较低，一般都低于100，污泥膨胀现象发生的较

4 纯氧曝气的方式：

（1）美国联碳公司开发的 NUOX 纯氧曝气活性污泥工艺，用加盖密闭式曝气池和叶轮式氧气表曝机曝气，池体分3~4 段，每段设1台表曝机。我国中石化公司的5家石化公司引进的就是这个技术。此技术使用表面曝气，曝气能耗较高，且曝气池加盖造价较高。

（2）美国 Filter/Kruger 公司开发的改进型活性污泥处理工艺（简称OASES工艺）也用加盖密闭式曝气池，曝气池中间分为若干个格，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，污水和氧气都由第一格进，出水及排气由最后一格排出。氧利用率可达90%。

（3）德国MESSER公司开发的Biox-N工艺，称为敞开式微气泡纯氧曝气活性污泥工艺，该工艺使用敞开式曝气池，纯氧曝气的微气泡是由一种具有优良弹性和耐久性的特种橡胶材料制成的软管做成的输氧气垫产生的，软管壁上均匀分布微细小孔，氧气经过小孔可以产生

5纯氧曝气的曝气机的特点

纯氧曝气所用的曝气器与空气曝气器是可以通用的，只是因气量不同需做适当调整。国内已能生产多种空气曝气器，效果良好的空气曝气器，从原理上讲对于纯氧曝气也应效果显著。几种空气曝气器的性能比较见下表。

                      几种曝气器性能比较表

由表可以看出，曝气性能最好的曝气器是小气泡型的微孔曝气器，我国吸收了芬兰、德国等国的技术自主开发了几种微孔曝气器，空气微孔曝气器充氧效率达 15%~25%，比大中气泡型曝气器节能50%，目前微气泡曝气器有膜片式、盘式、管式等。其中膜片式阻力小，但长期使用膜上孔易撑破。盘式和管式有刚性和柔性之分，刚性孔容易堵塞，柔性盘表用多孔膜存在孔易撑破等问题。北京北大先锋科技有限公司经反复实验用橡胶软管制得微气泡曝气软管，经久耐用、布气效率高。每米售价仅为进口橡胶软管价格的1/3。已在国内纯氧曝气活性污泥法处理污水中试用，效果很好。

3 纯氧曝气的氧气来源

综上所述，纯氧曝气活性污泥工艺处理污水的各工艺参数远远好于空气曝气活性污泥工艺，西方国家很多污水处理厂已采用纯氧曝气活性污泥工艺，并有成熟经验，但这项技术在我国未得到广泛应用，其主要原因是缺乏廉价氧气。

目前工业化制氧技术主要有两种，一种是深冷空气分离制氧，氧气纯度高，但制氧成本高，投资大，只适用于大规模用氧场合；另一种是变压吸附制氧(简称PSA、VPSA 制氧) ，氧气纯度只有90% ～95% ，但投资少，能耗低，适用于中小规模不需要高纯度氧的场合。中石化公司天津、金山、扬子、齐鲁、大庆等公司20世纪80年代引进美国联碳公司开发的NUOX纯氧曝气活性污泥工艺处理石化废水，曝气用纯氧由深冷空气分离制得，虽然制氧成本比较高(电耗为0155 ～016 kW ·h /m3 ) ，但因氧气是空分装置制氮的副产品，用以处理污水是经济的。对于绝大多数的污水处理厂，如用深冷法制氧则费用昂贵，宜选用PSA、VPSA制氧。国内变压吸附制氧已有多年经验。新近研制出的新型制氧高效吸附剂PU28的吸氮能力和氮氧分离系数均较传统分子筛高出许多，利用此吸附剂开发的变压吸附技术已达国际先进水平，制氧电耗仅0133 kW·h /m3，制氧规模可达到10 000 m3 /h，吸附剂1次装填可使用10 a以上，已在国内冶金、化工等行业建成了几十套装置，运行状态良好，其同等规模装置价格比进口设备低约50%。变压吸附制氧技术的突破，为我国推广纯氧曝气活性污泥工艺进行污水处理创造了有利条件。

6 纯氧曝气的方式

(1)美国联碳公司开发的NUOX纯氧曝气活性污泥工艺

该工艺用加盖密闭式曝气池和叶轮式氧气表曝机曝气, 池体分3～4段, 每段设1台表曝机。我国中石化的5家公司引进的就是这种技术。此技术使用表面曝气, 曝气能耗较高, 且曝气池加盖造价较高。

(2)美国Filter /Kruger公司开发的改进型活性污泥处理工艺

该工艺(简称OASES工艺) 也用加盖密闭式曝气池, 曝气池中间分为若干格, 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达池内第1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, 污水和氧气都由第1格进, 出水及排气由最后1格排出,氧利用率可达90%。

(3)德国MESSER公司开发的Biox2N工艺

该工艺亦称敞开式微气泡纯氧曝气活性污泥工艺, 使用敞开式曝气池。纯氧曝气的微气泡是由一种具有优良弹性和耐久性的特种橡胶材料制成的软管做成的输氧气垫产生的, 软管壁上均匀分布微细小孔, 氧气经过小孔可以产生直径小于2 mm的微气泡, 扩大了气(氧气) 、液(可溶性有机物) 、固(活性污泥微生物) 的接触面积,传质效率高, 提高了氧的利用率, 缩短了反应时间。输氧气垫由不锈钢架支撑, 安装在曝气池底。试验结果表明, 在1 m水深中用此法通氧, 氧的利用率为16%; 在5 m水深中用此法通氧, 氧的利用率为80%。橡胶软管上的小孔能自行关闭, 相当于单向阀, 不会使池内处理污水倒流进软管, 开停车方便。曝气供氧采用较高压力(012～014MPa) , 目的是使整个池内输氧气垫供气软管的氧气分布均匀, 输氧气垫的安装水平度因此也要求不高, 并且可使污水处理池内形成混配均匀的气、液、固3相, 保证反应的快速进行; 另外, 橡胶软管上的小孔还能随氧气压力的变化改变开度, 氧气流量、压力控制范围宽, 操作弹性大,因而能大大提高污水处理的抗冲击性。

7、纯氧曝气与普通活性污泥法的比较

一、纯氧曝气和空气曝气运行控制参数的差异

1、溶解氧浓度。在好氧活性污泥法的运行中，溶解氧(Dis—solved Oxygen，简称DO)浓度是一个重要的控制参数。曝气池中DO浓度的高低直接影响着有机物的去除效率和活性污泥的生长，曝气过程有效的运行控制是一个非常重要的方面。系统的溶解氧供应不充分，微生物的代谢将受到影响，污染物的去除效率下降；系统溶解氧过高，微生物进行消耗性内源呼吸，活性污泥的量将减少，活性污泥的絮状结构也将受到破坏，同时也是对能源的一种浪费。所以一般控制曝气池出水端DO浓度在2mg/L 。对于难生物降解有机污染物的去除，控制较高的DO浓度，可以提高微生物活性，提高污染物去除效果，如石化废水处理一般控制曝气池内溶解氧浓度在6mg／L 。如此高的DO浓度，采用普通的空气曝气方式很难达到，同时在经济上也是不合适的，此时采用纯氧曝气可以解决此问题。对于膜生物反应器(Membrane Bioreac—tor，简称MBR)处理抗生素废水，当进水负荷达到6．0 kgCOD／m ．d，空气曝气很难满足DO需求，而采用纯氧曝气可以使进水负荷达到10．0kg COD／m3．d。

同时低DO浓度一直被认为是引起丝状菌污泥膨胀的主要因素之一。丝状菌由于具有较大的比表面积和较低的氧饱和常数，在低DO浓度下比絮状菌增殖得快，从而导致丝状菌污泥膨胀。纯氧曝气可维持生化池内较高的DO，可有效避免丝状菌污泥膨胀。

2、污泥浓度。废水好氧生物处理的主要原理是利用微生物的代谢活动将废水中的有机物转变为二氧化碳、水和能量，同时微生物得到增殖。所以反应器内的微生物数量决定了反应器的处理能力。一定条件下，反应器内污泥浓度越高，污染物降解量越大，即反应器可承受的进料负荷越高。污泥浓度的高低和处理工艺、进水特征、操作方式有很大关系。纯氧曝气方式使高的污泥浓度使高负荷进料成为可能，高负荷带来了占地面积减少等效益。同时在一定MISS范围内，反应器内混合液污泥浓度越高，出水总氮越低，同步硝化一反硝化更为明显。

3、去除负荷。由于纯氧曝气可保持较高的污泥浓度，且较高的DO浓度使微生物的活性增强，即反应器内微生物的数量增多、活性增强，这就意味着同样的反应器可以处理更多的废水，反应器有着更高的进料负荷和去除负荷。

4、剩余污泥。在相同污泥负荷条件下，随着反应器中DO的升高，污泥产率呈现降低的趋势，控制较高的DO值可以减少剩余污泥量，节省污泥处理费用。在同一个DO水平下，系统的污泥产率随着污泥负荷的升高而升高。曝气反应器内微生物数量相对较多，可利用的底物较少，即初始的能量水平较低，微生物的生长主要反映在细胞体内分子聚合物质的积聚和个体变大上，没有或只有很少的细胞会产生增殖，当污泥浓度较低而进料负荷较高时，有相对较多的底物提供给较少数量的微生物，初始的能量水平就较高，这样就可能提供足够的能量去完成细胞分裂增殖过程中的各种不同的反应：如合成酵素、蛋白质和核酸的反应等，使细胞的数量增加。也就是说在较高污泥负荷下产生单位质量生物质需要消耗的底物质量相对较多，剩余污泥量较多，所以在MBR内控制较高的污泥浓度和较低的污泥负荷可以减少剩余污泥的排出，一般剩余污泥量可减少30％，节省了污泥处置费用。

二、纯氧曝气的独特优势

l、对VOC的去除。挥发性的有机化合物(Volatile OrganicCompand，简称VOC)的种类很多，如芳香烃(苯、甲苯、二甲苯等)、脂肪烃(丁烷、汽油等)、卤代烃(四氯化碳、氯仿、氯乙烯、氟里昂等)、醇(甲醇、丁醇等)、醛(甲醛、乙醛等)、酮(丙酮等)、醚(乙醚等)、酯(乙酸乙酯、乙酸丁酯等)等都属于VOC的范畴。

在处理含有VOC物质的废水时，空气曝气使废水中的VOC大量挥发到空气中，对周围环境造成很大的影响，而采用纯氧曝气处理废水，过程中产生的废气量很小，仅为传统空气法的1％～2％，大多数挥发性物质被污泥所吸附并最终降解为无害的物质，避免了VOC对环境的影响。

2、泡沫问题。几乎所有的污水处理厂都存在着泡沫问题，产生泡沫除和进水水质有关外，生物性泡沫也占很大比重。泡沫严重时会将污泥大量带出，使好氧生物处理系统瘫痪。另外，泡沫带来的环境问题也很重要，会给运行操作带来很大不便。有证据表明，提高反应器内污泥浓度可在一定程度上缓解泡沫问题。同时曝气量的大小也对泡沫的产生有重要影响。纯氧曝气由于其很小的曝气量，一般不存在泡沫问题

纯氧曝气和空气曝气的对比表明，纯氧曝气可减少废水VOC对环境的影响，可避免泡沫对操作造成的不利影响，可使反应池内DO达到较高水平，具有更高的进料负荷、抗冲击能力强，并可减少剩余污泥产量。并使高负荷进料成为可能，可大幅减少反应池的占地面积，纯氧曝气的水质明显高于空气曝气的出水水质。

因此，纯氧曝气的经济性表现在以下各方面: ( 1) 可以在很高的曝气池污泥浓度下保持高的溶解氧浓度; ( 2) 可以在很高的有机负荷下运行并具有很高的基质去除率; ( 3) 显著提高污泥的沉降速率和改善污泥的脱水性能; ( 4) 在相同的负荷下产生较少的剩余污泥; ( 5) 整个处理系统的运行稳定性、抗冲击能力均有改善; ( 6) 为采用较高的污泥浓度创造了条件, 同时, 污泥中的菌种也容易混凝和沉淀。

美国Sacramento、Bellingham、Duluth 等地一些采用纯氧曝气技术的城市污水处理厂经过多年运行, 状况良好。而且在美国纯氧曝气用于城市污水比工业废水的多, 这一趋势日益明显, 可能是由于城市文明和卫生要求日益提高的缘故。

采用纯氧( 或富氧) 代替空气曝气, 能够根据工艺要求灵活地调节溶解氧的浓度, 使曝气工艺过程具有良好的性能。氧在水中的推动力和氧的转移速率明显提高, 对活性污泥颗粒的穿透力强。由于纯氧曝气池的MLSS 远高于鼓风曝气池, 在同等的污水处理量情况下, 纯氧曝气池的水力停留时间和容积远低于鼓风曝气池。纯氧曝气系统的噪声远低于鼓风曝气系统, 也基本上不存在挥发性有机化合物( VOC) 的气体逸散, 降低了污水处理厂对周围环境的不利影响。

目前, 随着各种制氧技术的进步, 高可靠性和高效益纯氧曝气新技术、新设备的不断投入应用,在城市周边土地资源趋紧、环保要求趋严( 例如对脱氮除磷、噪声、VOC 等的要求) 、污水处理量趋增加的情况下, 在污水处理厂老厂改造和新厂建设中采用纯氧曝气法具有良好的前景。

8 用纯氧曝气活性污泥工艺新建和改造污水处理厂的工艺方案

我国大部分污水处理厂采用空气曝气活性污泥法, 无论是新建还是用纯氧曝气活性污泥工艺改造现有的污水处理厂，主要是变动或改造好氧段，并设置相应的缺氧段、厌氧段以脱氮除磷。一级处理应随污水量扩容扩建, 后处理及污泥处理可根据污泥量及污泥性能适当变动。

纯氧曝气的曝气段最好分段逐减曝气, 使排水氧含量减少后再回流到污水处理池的缺氧段,这样脱氮效果要好些。纯氧曝气段的概念设计如图1

经一级处理后的污水由初沉池进入生化处理池的缺氧、厌氧段, 与回流污泥和二沉池回水汇合, 污水在缺氧、厌氧段脱氮除磷后进入纯氧曝气段, 由制氧机组向池内通氧曝气, 排水在二沉池除去污泥后送消毒处理, 部分回流到生化处理池的缺氧、厌氧段。污泥由集泥井部分排放, 部分回流到生化处理池的缺氧、厌氧段。

纯氧曝气活性污泥水处理工艺是利用体积分数大于90%的纯氧取代空气曝气。纯氧曝气活性污泥工艺以其建厂投资低、能耗低、占地面积小、污水处理效率高、耐冲击负荷能力强、剩余污泥量少、旧厂改造简捷等优势得到了推广应用。自20世纪60年代实现工业化以来, 70 年代该技术获得了快速的发展。据不完全统计, 到90年代全球已有2 000多家改造和新建的纯氧曝气活性污泥污水处理厂投入使用。