摘要：纯氧曝气活性污泥工艺处理工业废水在国外已有长足进展。近年来随着我国国民经济迅猛发展，污水处理的要求也越来越高，为解决目前污水处理跟不上国民经济发展的问题，用纯氧曝气活性污泥工艺取代现有的空气曝气活性污泥工艺不失为一个良策。论述了纯氧曝气活性污泥工艺的优越性，比较了各种制氧方法和曝气方法，指出采用PU一8吸附剂变压吸附制氧和敞开式微气泡纯氧曝气活性污泥工艺有较好的发展前景，应尽快加以推广应用。
关键词：微气泡纯氧曝气；变压吸附制氧；废水处理
工业废水主要来自化工、石油化工、冶金、医药、造纸、印染、制革等行业，废水中含有多种难降解的有机物，采用吹脱、萃取等手段处理后的废水进入生化处理池时BOD 、COD仍比较高，我国的城市污水处理厂及工业污水处理装置主要采用的生化处理工艺包括：普通活性污泥、氧化沟、SBR、MO、AVO、A／B、BAF等，并且它们几乎都是采用空气曝气，其中大约8O％以上的污水处理厂采用普通活性污泥法。
因而我国的污水处理厂普遍存在由于工艺技术落后而造成的建设工程投资高、占地面积大、建成投入运行后能耗高、剩余污泥产量大等问题，要想解决这些问题。就需要掌握先进的、高效节能的污水处理技术。早在2O世纪30年代，西方国家就已经开始在实验室研究污水处理的纯氧曝气技术，随着制氧工业技术的发展。纯氧曝气技术才得以在工业上应用。纯氧曝气技术自20世纪60年代实现工业化以来，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、剩余污泥量少、旧厂改造简捷等优势获得了快速的发展。据不完全统计，到20世纪90年代全世界已有2 000多个改造和新建的纯氧曝气活性污泥污水处理厂投人使用。我国纯氧曝气活性污泥工艺的应用只限于石油化工行业。天津、金山、扬子、齐鲁、大庆等石化公司20世纪80年代由德国Liade引进了美国联碳公司开发的NUOX纯氧曝气活性污泥工艺。石化企业排放的污水不但量大，而且化学成分复杂、污染物浓度高，进水BOD 高达560～5 370mg/L，COD高达830-7500 mg/L。上述企业的使用结果表明，采用纯氧曝气活性污泥工艺处理石化污水，BOD5去除率高达98％～99％ ，COD去除率高达90％～96％．取得了良好的效果。
由国内外的纯氧曝气活性污泥工艺治理高浓度有机废水的成功经验可以看出．纯氧曝气活性污泥工艺是一种高效节能的污水处理技术，要使我国的污水处理工业再上一个台阶，用我国自行开发的纯氧曝气活性污泥法取代现有的空气曝气活性污泥法是一个重要的途径。
1 纯氧曝气活性污泥法的优越性
纯氧曝气活性污泥法是利用含氧体积分数90％以上的纯氧取代空气曝气。纯氧曝气活性污泥污水处理工艺的原理与空气曝气活性污泥污水处理工艺的原理是基本相同的．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，好氧菌的代谢需要氧气。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。纯氧曝气活性污泥污水处理工艺主要有以下优点：
(1)氧转移率高。在水温20℃时，纯氧的氧体积分数是空气氧体积分数(21％)的4．7倍，曝气时纯氧氧气分压比空气的氧分压高4．7倍，在水中溶解氧的饱和值也同样高4．7倍，因而纯氧向清水转移的溶解速率也是空气的4．7倍．在污水中高于4．7倍。纯氧曝气所需停留时间仅为空气曝气时的1／3左右。试验结果表明用敞开式微气泡纯氧曝气和水下叶轮纯氧曝气的氧利用率为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，污水处理出水水质稳定。
(2)剩余污泥量少。在高纯氧条件下，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．减少了输入功耗，同时减少了对活性生物絮体的剪切力。高的溶解氧能抑制引起污泥膨胀的丝状菌生长。纯氧曝气法污泥体积指数为30～50mL/g。
(4)有利于生物硝化。纯氧曝气高的溶解氧可实现污水中的NH 一N完全硝化。
(5)污水处理效率高。纯氧曝气高的污泥浓度和高的污泥负荷使其容积负荷为空气曝气的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。
(7)抗有机物冲击性能高。工厂在开停车及事故下排放的废水有机物会增高，在这种情况下极易造成处理后的污水超标排放，而采用纯氧曝气技术则可以大大提高污水处理装置的抗有机物冲击性能。天津石化公司乙烯厂的纯氧曝气系统，在超常高浓度有机物冲击下排放的污水经纯氧曝气处理后，COD仍可达标排放。这是由于纯氧曝气系统可维持较高的混合液污泥浓度．MLSS达6000～7000mg/L，较高的污泥浓度可以提供更多的微生物量，纯氧曝气可以使这些更多的微生物在降解高浓度有机物时得到更多的溶解氧。以保持较高的生物氧化速率。
纯氧曝气活性污泥法与空气曝气活性污泥法工艺技术参数比较见表1。
2 纯氧曝气的氧气来源
纯氧曝气活性污泥工艺处理污水各工艺参数远远好于现有的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大类：一种工艺是深冷空气分离制氧，所得的氧气纯度高，但是制氧成本高、投资大，只适用于大规模用氧场合；另一工艺是变压吸附制氧(简称PSA、VPSA制氧)。氧气纯度只有90％～95％ ，但投资小、能耗低．适用于中小规模不需要高纯度氧的场合。我国中石化5家公司引进纯氧曝气活性污泥工艺处理石化废水。曝气用氧采用深冷空气分离制得。虽然深冷空气分离制氧成本比较高， 电耗大约为O.55～0.60kW.h/m3，但石化公司的纯氧来自其制氮空分装置，是副产品，石化公司以其处理污水是经济的。对于绝大多数的污水处理厂，如用深冷法制氧特别昂贵。用PSA、VPSA制氧却便宜得多。国内变压吸附制氧已有多年经验。但因所用吸附剂性能差，制氧成本仍很高。近年来北京北大先锋科技有限公司研制出新型制氧高效吸附剂PU一8．其吸氮能力和氮氧分离系数比传统分子筛高得多，利用此吸附剂又开发出变压吸附工程技术。使制氧电耗低达0.33 kW.h/m3，达国际先进水平。装置价格比进口设备低约50％ ．制氧规模可达10000m3/h， 吸附剂一次装填可使用10a以上。已在国内冶金、化工等行业建成几十套装置，运行状态良好。北京北大先锋科技有限公司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。
3 纯氧曝气方式的选择
纯氧曝气常用以下几种方式：
(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Fiher／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＜2mm 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)相接触面积，气、液、固传质效率高，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，氧的利用率达16％，在5m水深中用此法通氧，氧的利用率达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且开停车方便。曝气供氧压力0.2～0.4 MPa，采用较高的供氧压力可以保证整个池内输氧气垫的供气软管氧气分布均匀，输氧气垫的安装水平度因此也要求不高，利用较高的氧压，可使污水处理池内气、液、固三相混配均匀，保证了反应的快速进行，另外橡胶软管上的小孔能随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。从而大大提高了污水处理的抗冲击性。
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表2。
由表2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．冈0性孑L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。
4 用纯氧曝气活性污泥工艺建设和改造污水处理厂的工艺方案
我国大部分污水处理厂的好氧处理工艺几乎都是采用空气曝气活性污泥法，无论是用纯氧曝气活性污泥工艺新建还是改造现有的污水处理厂，主要是变动或改造污水处理厂各种工艺的好氧段。同时设计时要设置相应的缺氧段、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。纯氧曝气段的概念设计参见图1。
由于纯氧曝气的曝气段排水氧含量高．曝气段排水在二沉池内氧含量逐渐减少，再回流到污水处理池的缺氧段脱氮效果要好些。图l仅为示意图，实际工程需根据具体情况设置。
经一级处理后的污水由初沉池陆续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人纯氧曝气段，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。
5 纯氧曝气活性污泥工艺技术经济指标初估
由于纯氧曝气活性污泥工艺因供氧方式与纯氧曝气方式不同，它们的技术经济指标也不会相同。现只能按一种较佳的方式来初步估价。各厂的高浓度有机废水成分和COD含量相差很大。技术经济指标不好比较，而生活污水则大体相同，易于比较。采用北京北大先锋科技有限公司VPSA制氧及其敞开式微气泡纯氧曝气活性污泥工艺模拟设计15万t/d城市污水处理厂，初步保守估算，与同规模的采用氧化沟空气曝气活性污泥工艺的污水处理厂比较，建设投资可节省30％左右．处理每m 污水可节电25％．按此估算，15万t/d城市污水处理厂全年能节电大约2.8x106kW·h，若按电价0.6元／(kW·h)计，每年运行成本可节省170万元。
如果用纯氧曝气活性污泥工艺改造现有的污水处理厂，即使污水处理能力扩大一倍，曝气池也不用增容．仅此一项就可以节约不少投资和占地。纯氧曝气活性污泥工艺与空气曝气活性污泥工艺比是一项节能工艺。曝气部分在污水处理厂的能耗约占50％～60％。曝气部分采用纯氧曝气工艺节能效果是相当可观的。而且污水处理厂排水达标率也会大大提高。
6 结论
综上所述，纯氧曝气活性污泥法具有氧转移率高、剩余污泥量少、污水处理效率高、抗有机物冲击性能高等特点。制氧技术的发展，制氧成本的降低，为这项技术的推广应用提供了可能。北京北大先锋科技有限公司开发的变压吸附制氧技术，及微气泡曝气技术为我国推广纯氧曝气活性污泥工艺进行污水处理创造了条件。
来源：《工业水处理》