水体曝气复氧工程充氧量计算与设备选型
作者：浙江中澜环保设备有限公司
国内外的实践证明[1]，曝气复氧技术是一种快速、高效、简便易行的污染水体治理技，它既可以有效去除水体中的致黑致臭物质，改善水质，又可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复。
1 充氧量的计算
要进行污染水体曝气复氧工程的设备选型，首先必须确定河道水体的需氧量，进而根据设备的充氧效率确定供氧量。
1.1水体需氧量计算
污染水体的需氧量主要取决于：①水体的类型，按水流状态分为静止水体(如湖泊、水库)和流动水体(如河流)；②水体目前的水质，即设计水质；③所要达到的预定目标，即改善后水体的水质。其中水体类型的不同决定了需氧量计算方法的不同。
1.1.1 组合式推流反应器模型
对于河流等流动水体需氧量的计算，浙江中澜环保设备有限公司建立了一种简便的组合式推流反应器模型[2]。该模型是将河流近似地看作多个推流式反应器(河段)的串联组合，在充分利用河道现有水质、水力资料的基础上，对相关边界条件作了合理简化和假设后，综合考虑了还原物质耗氧、有机物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧等耗氧作用和大气复氧、藻类光合作用复氧等复氧作用而建立起来的。该模型是一种近似的计算方法，要提高其计算精度，只需将河道分成尽可能多个反应器(河段)即可。
1.1.2 箱式模型
对小型静止水体(如公园、居住小区的景观湖泊或池塘)，由于其面积较小、水深较浅，且外界输入污染负荷一般较小，因此可以采用基于一级反应的箱式模型。为方便起见，只考虑有机物生化降解与大气复氧作用，则：
O=[1.4L0(1-eK1t)-(Cs-C)(1-eK2t)+Cm]・V(1) 式中O———水体的需氧量，g
V———水体的体积，m3 t———充氧时间，d
C———水体的溶解氧浓度，mg/L
L0———水体初始的BOD5浓度，mg/L K1———BOD5生化反应速率常数，d-1
Cs———水体的饱和溶解氧，mg/L K2———水体的复氧速率常数，d-1
Cm———维护水体好氧微生物生命活动的溶解氧浓度，一般可取2mg/L
充氧时间t根据下式确定： L=L0(1-e-K1t)(2) 式中 L———水体改善后的BOD5浓度，mg/L
如果水体污染严重，长期处于黑臭状态，则在计算需氧量时还需考虑无机还原物质(如Fe2+)和底泥耗氧作用的影响。
1.1.3 耗氧特性曲线法
在缺乏水质模型和污染源资料不全的情况下，可利用实验室试验确定设计水体的耗氧特性曲线，根据设计目标和各阶段耗氧量可以对总需氧量和各曝气点的充氧量进行估算。这种方法适用于没有外界输入污染负荷条件下的湖泊、水库等静止水体。如将河道分段并对各河段水体分别进行试验，以相应的耗氧曲线(或相应的耗氧动力学模型)来计算需氧量，那么也可用于河流等流动水体。这种方法比较简单，计算结果令人满意，但工作量大，而且试验结果只能反映当前水体的耗氧状况。
1.2充氧量的计算
水体的需氧量并不等于设备的充氧量。充氧设备标称的充氧动力效率均是通过清水试验获得的。在标准条件下(水温为20℃，气压为1.013×105 Pa)，单位时间内转移到脱氧清水中的溶解氧量为：
R0=KLa(20)Cs(20)V (3)
式中KLa(20)———水温为20℃时的氧总转移系数， h-1
Cs(20)———水温为20℃时的饱和溶解氧浓度，mg/L V———水体的容积，m3。
与清水不同，污染水体中含有大量的杂质，这些杂质不仅直接影响氧的总转移系数KLa，还会影响水体的饱和溶解氧Cs，因此，充氧设备在污染水体中的氧转移速率与清水有很大不同，在设备选型计算充氧量时需进行适当的校正。
一般引入系数α校正水中杂质对KLa的影响，引入系数β校正杂质对Cs的影响。在污染水体条件下单位时间内转移到水体的溶解氧量为：
R=αKLa(20)(β・ρ・Cs(T)-C)1.024(T-20) V (4)
式中R———单位时间转移到实际水体中的溶解氧量，在此处即为需氧量
ρ———压力修正系数 T———设计水温，℃
C———水体中实际溶解氧浓度，mg/L
α、β值可通过污水、清水的充氧试验予以确定。
对于城市生活污水而言，α、β值分别在0.80～0.85和0.90～0.97之间[3]。通常河流水体的污染程度低于城市生活污水，因此其α、β值可参照上限取值。
将式(4)代入式(3)并整理后得：
R0=RCs(20)/[α(β・ρ・Cs(T)-C)1.024(T-20 )] (5)
在实际应用中，R值可取1.1节计算出的需氧量的1.2～1.5倍。
1.3设备容量的确定
① 机械曝气
机械曝气设备的主要技术参数是动力效率[以kgO2/(kW・h)计]。根据1.2节计算得到的氧转移速率R0与设备的动力效率即可确定设备总功率与数量。需要注意的是，充氧动力效率与水深有关。设备标称的充氧动力效率是在固定水深(一般为4.5m)测得的，而污染水体中
设安装的深度往往小于此水深，因此在计算时使用的充氧设备动力效率应当根据实际水深做适当调整。
② 鼓风曝气
当污染水体采用鼓风曝气(氧源为空气)的方式进行充氧时，设备容量(主要指风机的功率和数量)的计算可参考污水处理工程设计手册的相关内容。如采用的氧源是液态纯氧，设备容量(如纯氧的使用量)也可用类似的方法进行计算确定，此时曝气器一般采用氧利用率较高的微孔扩散装置。
2充氧设备的选型
2.1充氧设备类型
水体充氧设备可分为太阳能曝气设备和非太阳能曝气设备。
2.1.1太阳能微孔曝气机
微孔太阳能曝气机，是一种适用于水污染治理的增氧瀑气与水体循环设备，使用太阳能作为动力源，具有运行管理费用低，增氧效果好，大流量，抗堵塞，寿命长、运行噪音低等特征。SM-ZL微孔式太阳能瀑气机，适用于河道、湖泊、水库、人工湖等供电条件不足的水体。SM系列微孔式太阳能曝气机是首次依照喷泉式曝气理论进行设计的曝气设备，由太阳能电池组件、控制系统、主机、等部分组成。具有以下特点:
.成本低、见效快安装方便，无需日常人工操作
.出水口可根据需要设计，适合于深水湖泊或水库
.采用不锈钢和工程塑料等耐腐材料，使用寿命长
.设备漂浮在水面，无需安装基础，不受水位影响
.生态环保，无需投加任何化学药剂，无二次污染
太阳能微孔曝气机参数
微孔系列太阳能瀑气机适合于水库及水源地、污水塘和氮化塘、蓄洪塘、蓄污水池、公园人工湖、高尔夫球场人工湖、城市和园林人工湖、沥污池、工业污水池钓鱼休闲湖、电厂冷却塘、江河入海口、农村污水等。上下交换混合复氧:解层过程是一个混合复氧过程，将表层富含溶解氧水转移到底层，提高底层水体溶解氧含量，预防水体因缺氧而腐化变质，并防止硫化物、胺类等化学物质散发，促进底层水体生化净水效果。同时，水底富氧防止磷的厌氧释放，悬浮泥可有效吸附溶解性磷化物。
.激发环境自净能力:底部水体在温度提升和溶解氧增加情况下，对底部沉积的动物排泄物、有机淤泥和**藻类等有害物质进行分解，改善底质激活底泥生态功能水体自净负荷得到提高。
.强力循环制造活水:活水是湖泊第二次生命，喷泉设备形成强大的主水流和感应流，能有效打破温跃层形成的自然滞水带，使整个水体形成循环活水流。
.快速抑制消除水华:通过喷泉方式，消除水体中溶解氧、温度和盐度的分层，稳定水质。表层高浓度含藻水转移到底部，在低温、无光条件下受到抑制，表层藻类迅速减少部分被底层浮游生物摄食而消除，可快速消除水华并防止再次发生。
.污染物资源化利用:表层水体中高浓度的藻类，转移到水体底层后部分成为鱼类、贝类的饵料。
.提高观感改善生态:设备短期内可以降低生化需氧量(BOD)，减少水中固体悬浮物(TSS)，提高水体能见度，去除异味和降解水体底部淤泥。同时。可防止鱼类季节性死亡并抑制有害水生杂草生长。
2.1.2太阳能式推流曝气机
太阳能潜水式推流爆气机是专门针对人工及自然水体净化的需要而设计，主要应用于亲水别墅、生态住宅、高尔夫球场、城市河道、生态休闲乐园等景观水域以及生活污水和工业废水的处理。。射流喷气角度向上下自由调节本产品结构紧凑、高性能、低损耗、重量轻、安装简单、操作方便，主要由专用电动机、叶轮、浮筒、浮筒底座、吸气室、吸气管、专用保护开关等组成。射流喷气角度可跟据需要来调整，可向上下自由调节60度(适合各种池底)，同时吸气管可上下调节。电源安装务必请专业电工。
高效增氧.降低有机物、氨氮。
潜水式推流爆气机一次性投资只有固定污水处理设施的1/5，而且不受空间条件的限制，它能在较短的时间内提高水的溶解氧，有效地降低水体的有机物和氨氮等污染指数。潜水式推流曝气机的水循环功能，能有效地防止封闭性、非流动性的水质腐烂发臭，为建立良性的生态系统提供了保障:首先其满足了水体供氧需求;另外其在工作过程中优越的推动力能起到推波助澜的美观效果。增氧能力是传统曝气机的3-4倍与传统的机械式曝气机不同的是叶轮通过潜水电动机直接驱动，限度地减少能耗损失(一般传统机械曝气机配有变速器等附属设备，能量损耗大、机械故障率高)，增氧效率是传统曝气机的3-4倍。
环保节能，适用腐蚀和结冰水体
一体化完成曝气、充氧(不需要配置鼓风机、管道、阀门及水泵等设备)，节省投资。充氧效率高、无噪声、动力消耗小、故障率低、具有节能低耗环保等优点。本机全部采用优质不锈钢制造完全耐各种腐蚀性水体。冬季结冰地区尤为适用，开机后能自然融冰。
太阳能推流曝气机参数
太阳能推流瀑气机产品可根据工艺要求和现场实际情况选择以下安装方式：
固定式安装需构筑专用的安装平台。将主机(无浮筒)安装在平台上。这种安装方式适用于固定水位场合。
浮筒式安装无需构筑平台，直接将主机安装在浮筒上。浮筒的固定有以下四种方式：
a、缆绳固定这种方式为简便，只要将三根或四根缆绳(钢丝绳或尼龙绳)一端固定在浮筒上，另一端固定在曝气池壁上即可。为适应SBR等工艺水位升降变化的需要，可选配不锈钢弹簧钢缆绳。可满足3米水位升降变化幅度;机器运转时会稍微转动一个角度而小范围变动水流方向，使污泥混合更均匀；
b、抛锚固定将不锈钢缆绳一端固定在浮筒上，另一端固定在锚上，将锚抛到离瀑气机中心约5米处的池底即可。这种固定方式一般适用于水体较大的场合(如氮化塘、湖泊等)。〔注:用该安装方式时，水位变化不能太大，否则容易引起揽绳缠绕;不能用于混泥土池底。
2.1.3 喷泉式太阳能曝气机
喷泉式太阳能瀑气机，是一种适用于水污染治理的增氧曝气与水体循环设备，使用太阳能作为动力源，具有运行管理费用低，增氧效果好，大流量，抗堵塞，寿命长、运行噪音低等特征。喷泉式太阳能曝气机，适用于河道、湖泊、水库、人工湖等供电条件不足的水体
喷泉式太阳能曝气机是首次依照喷泉式瀑气理论进行设计的瀑气设备，由太阳能电池组件、控制系统、主机、等部分组成。具有以下特点:
.成本低、见效快，安装方便，无需日常人工操作
.出水口可根据需要设计，适合于深水湖泊或水库
.采用不锈钢和工程塑料等耐腐材料，使用寿命长
.设备漂浮在水面，无需安装基础不受水位影响
.生态环保，无需投加任何化学药剂，无二次污染，
适合于水库及水源地、污水塘和氧化塘、蓄洪塘、蓄污水池、公园人工湖、高尔夫球场人工湖、城市和园林人工湖、沥污池、工业污水池钓鱼休闲湖、电厂冷却塘、江河入海口、农村污水等。
喷泉式太阳能曝气机参数
上下交换混合复氧:解层过程是一个混合复氧过程将表层富含溶解氧水转移到底层，提高底层水体溶解氧含量，预防水体因缺氧而腐化变质，并防止硫化物、胺类等化学物质散发，促进底层水体生化净水效果。同时，水底富氧防止磷的厌氧释放，悬浮泥可有效吸附溶解性磷化物。
激发环境自净能力:底部水体在温度提升和溶解氧增加情况下，对底部沉积的动物排泄物、有机淤泥和**藻类等有害物质进行分解，改善底质，激活底泥生态功能水体自净负荷得到提高。
强力循环制造活水:活水是湖泊第二次生命，喷泉设备形成强大的主水流和感应流、能有效打破温跃层形成的自然滞水带，使整个水体形成循环活水流。
快速抑制消除水华:通过喷泉方式，消除水体中溶解氧、温度和盐度的分层，稳定水质。表层高浓度含藻水转移到底部，在低温、无光条件下受到抑制，表层藻类迅速减少，部分被底层浮游生物摄食而消除，可快速消除水华并防止再次发生。
污染物资源化利用:表层水体中高浓度的藻类，转移到水体底层后部分成为鱼类、贝类的饵料。
提高观感改善生态:设备短期内可以降低生化需氧量(BOD),减少水中固体悬浮物(TSS)，提高水体能见度去除异味和降解水体底部淤泥。同时，可防止鱼类季节性死亡，并抑制有害水生杂草生长。
2.1.4潜水式推流曝气机
潜水式推流曝气机是专门针对人工及自然水体净化的需要而设计，主要应用于亲水别墅、生态住宅、高尔夫球场、城市河道、生态休闲乐园等景观水域以及生活污水和工业废水的处理。
[射流喷气角度向上下自由调节]
本产品结构紧凑、高性能、低损耗、重量轻、安装简单、操作方便，主要由专用电动机、叶轮、浮筒、浮筒底座、吸气室、吸气管、专用保护开关等组成。射流喷气角度可跟据需要来调整，可向上下自由调节60度(适合各种池底)同时吸气管可上下调节。电源安装务必请专业电工。
[高效增氧，降低有机物、氨氮]
潜水式推流曝气机一次性投资只有固定污水处理设施的1/5，而且不受空间条件的限制，它能在较短的时间内提高水的溶解氧，有效地降低水体的有机物和氨氮等污染指数。潜水式推流瀑气机的水循环功能能有效地防止封闭性、非流动性的水质腐烂发臭，为建立良性的生态系统提供了保障:首先其满足了水体供氧需求;另外其在工作过程中优越的推动力能起到推波助澜的美观效果。
[增氧能力是传统曝气机的3-4倍]
与传统的机械式爆气机不同的是叶轮通过潜水电动机直接驱动，限度地减少能耗损失(一般传统机械曝气机配有变速器等附属设备，能量损耗大、机械故障率高)，增氧效率是传统爆气机的3-4倍。
[环保节能，适用腐蚀和结冰水体]
一体化完成曝气、充氧(不需要配置鼓风机、管道、阀门及水泵等设备)，节省投资
充氧效率高、无噪声、动力消耗小、故障率低、具有低能耗环保等优点。本机全部用
优质不锈钢制造完全耐各种腐蚀性水体。冬季结冰地区尤为适用，开机后能自然融冰。
潜水式推流曝气机参数
注意事项
a电源线应选用可移动像套防水电缆其中一芯与电机外壳可靠接地。
b安装深度应对照技术参数表严格控制不可任意调节工作深度。
c开机后几秒内观察电机运转方向正确，如反转及时调整。
d池内不可有金属线、绳子、塑料袋等长纤维杂物，以免缠绕叶轮和堵塞进水口等部位。
e设备出厂、可配电器控制系统，工作中当控制系统自动切断电源时需及时查明原因，排除故障后再启动，切不可自由短接后启动使用。
2.1.5提水式喷泉曝气机
提水式曝气机是专门针对江河湖泊等水体净化改善水质的需要而研制开发设计的增氧、造流、循环、净化水质的高效节能的水处理设备。
提水式曝气机产品特点
[GRP复合材料100%耐腐蚀水体]
主体设备采用优质不锈钢和GRP复合材料完全耐各种腐蚀水体，设备使用适应范围广、轻便、耐用、高效、经济于一体，水循环效果明显。
[安装简易，不需机房，防止堵塞]
可选择固定桥和浮式安装无特殊基础要求，ZL-FTA系列产品集喷泉、曝气于一机化不需要机房及任何管道、泵、阀，不存在堵塞现象。
[增氧造景、解决水体封闭腐臭问题]
具有独特的造景功能，喷起水花造型优美的喇叭花形，极大地增加了湖泊的气质和装饰性充分体现了人与自然的和谐。工作过程中优越的推动水循环功能有效地防止封闭性的水质腐臭问题，值得一提的是提水式瀑气机特有的造景功能为你节省了一份喷泉设施的开支，为景观水体添光加彩。
提水式喷泉曝气机参数
提水式曝气机应用环境
提水式瀑气机适合于人工及自然湖泊水体、公园、别墅区、生态住宅、高尔夫球场、城市河流湖泊、引水渠、河涌水系、生态休闲乐园湖泊等景观用水处理。
提水式曝气机安装：
a提水式瀑气机的一个重要特点就是安装方便，而且非常筒明、易懂不需要专业的安装基础。电源安装务必请专业电工
b水体底与电机在水表面上工作区域的水深不得浅于0.50米。
c将瀑气机按照说明资料组装完毕在池底或岸边。在对称位置用膨胀钉设置两个适宜的固定点用拉索固定，拉索的另一端头连接在提水曝气机的浮筒上将机器安放在水体的合适位置将拉索紧固即可。
产品注意事项：
a电源线应选用可移动像套防水电缆，其中一芯与电机外壳可靠接地。
b安装深度应对照技术参数表严格控制。不可任意调节工作深度。
c开机后几秒内观察电机运转方向正确，如反转及时调整。
d池内不可有金属线、绳子、塑料袋等长纤维杂物.以免缠绕叶轮和堵塞进水口等部位。
e曝气机出厂时配有电器控制系统，工作中当控制系统自动切断电源时，需及时查明原因，排除故障后再启动，切不可自由短接后启动使用。
2.1.6微纳米气泡发生装置
纳米气泡是本公司独立研制的一种节能高效的新型水处理设备，通过加压溶解释气产生大量纳米气泡，可大大提高水体增氧效率，从而有力的改善污染水体水质并捉进水体内生态效益的修复。
纳米气泡特点
a可以分解氧化水域中的所有污染物，净化清除水底淤泥中的所有污染物，提高水中溶解活性氧量，实现水域的彻底净化，恢复并提高水域的自净能力，长期保持水域的净化环境。
b低能耗高效率。纳米气泡的特性决定了其氧转移率比普通气泡大大的提高，即在相同的曝气强度下，ZH-MNG系列纳米气泡机比普通曝气机产生更多的溶解氧，具有更高的生化需氧量(BOD)和氨氮的去除率。
c主体设备采用优质不锈钢材料完全耐各种腐蚀水体。
d与其他普通纳米气泡机相比，ZH-MNG
系列纳米气泡机施工安装简便可选择固定桥或浮式安装，设备漂浮于水面，无特殊基础要求，不受水位变化影响，无需机房及任何管道、泵、阀，不存在堵塞现象。
e设备静音效果好，不影响周边居民日常生活。
纳米气泡应用环境
纳米气泡机应用广泛，可应用于水体修复，污水处理，水产养殖，船舶减阻等方面。
微纳米气泡机器参数
纳米气泡产品功能
富含微纳米氮气气泡的水对动植物都具有促进生物活性的作用。这是由于微纳米气泡在水中存在时间长，内部承载气体释放到水中的过程较慢，因此可实现对承载气体的充分利用，提供充足的活性氧以促进水中生物的新陈代谢活性。向污染的缺氧水域中鼓入微纳米气泡时，随着气包内溶解氧的消耗不断向水中补充活性氧可增强水中好氧微生物、浮游生物以及水生动物的生物活性，加速其对水体及底泥中污染物的生物降解过程，实现水质净化目的。
.通过微纳米气泡以高速射入污水中，造成对污水的机械电离，微气泡破裂时释放出的轻基自由基，再加上活性氧和氧离子的综合作用，把污染物彻底分解氧化成为没有污染和毒副作用的小分子有机物。
.通过切断有机物的化学键对底泥净化消除，使之被分解变成没有污染的无机物。分解有机物的手段包含三个阶段，个阶段是水质还原系统中大量释放活性氮离子，这种活性氮离子以微纳米气泡形式溶入水中，通过微纳米气泡的高速旋转运动产生大量的水电离，生成更大量的轻基离子和氢离子.这些离子与活性氮离子共同作用，断裂水底淤泥中有机质的化学键结合，氧化分解淤泥中的有机质，转变成为没有污染作用的无机物;第二阶段是净化水过程中产生的酸性氮化物(N02, S03, P205等)溶于水成为无机酸，能够氧化分解有机物:第三过程是水中的活性氧能够氧化有机物分解成分，三个过程综合实现底泥的彻底净化。
2.2充氧设备的选择
根据污染水体水质改善的要求(如消除黑臭、改善水质、恢复生态等)、外部条件(包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等)、水体功能(如航运功能、景观功能等)、污染源特征(如长期污染负荷、冲击污染负荷等)的不同，污染水体曝气复氧工程中充搭载充氧设备的移动式水上平台机动灵活，可以对河道、湖泊的局部的突发性污染在较短的时间内进行干预，但单位充氧量的建设成本和运行成本较高。移动式水上充氧平台可以具有动力推进装置，亦可借助其他船只将平台移往需要充氧的水域进行短时期的定点工作。根据国外的成功经验
，对付河道突发性污染宜采用具有动力推进装置的充氧平台—曝气船。充氧能力为1tO2/d的中、大型曝气船一般采用纯氧作为氧源。
曝气船是一种移动式的水上充氧平台，选择曝气船充氧设备时应同时考虑到充氧效率、工程河道情况、曝气船的航运及操作性能等因素。由于曝气船在河道中移动，依靠布气管的充氧技术显然是不合适的。叶轮吸气推流曝气器可用于曝气船(如Pelican多功能曝气船)，兼顾推进与充氧两个功能，
但充氧能力有限。考虑到充氧设备与船舶结合的可能性、充氧效率等因素，纯氧—混流增氧系统是较合适的曝气船充氧装置。目前国外的曝气船以纯氧—混流增氧系统占主导地位。
固定式充氧站的优点是单位充氧量的建设成本和运行成本较低，缺点是对排放时间、地点与排放水质均不确定的污染源的反应能力弱，适合于具有固定污染源的河流。固定式充氧站宜设置在主要污染源下游附近处，其充氧能力以及相互之间间距应以模型计算结果确定。固定式充氧站的充氧设备选择
应结合工程河流的水文、使用功能等特点确定。 需要指出的是，在应用曝气复氧技术治理水体污染时，必须重视工程的环境经济效益评价，即合理设定水质改善的目标，以恰当地选择充氧设备。如景观水体的治理，在没有外界污染源进入的条件下可以分阶段制定水体改善的目标，然后根据每一阶段的水质目标确定所需的充氧设备的能力和数量，而不必一次性备足充氧能力，以免造成资金、物力、人力上的浪费。
3 结语
充氧设备的选型是污染水体曝气复氧工程顺利实施的重要环节。要正确选择充氧设备，首先必须根据水体特征和水质改善的目标计算水体需氧量；然后综合考虑水质对设备充氧效率的影响，正确估算设备的充氧能力；进而根据现场条件和设备特点确定适当的设备形式(或组合)。
