综述：高海拔条件下的环境压力与气液氧气传递：对一项未加校正的设计假设的批判性综述

《Journal of Water Process Engineering》：Ambient pressure and gas-liquid oxygen transfer at high altitude: A critical review of an uncorrected design assumption

　　

• 标准设计对氧的溶解饱和度进行了压力修正，但不修正系数 KLa
• 在各主要设计规范中，仅 KLa 单独进行了温度修正，而未进行压力修正
• 较低的压力会促使气泡在形成、膨胀过程中变大，且破碎作用减弱
• 相互竞争的作用机制使得 KLa 的净变化方向不确定，不仅仅变化幅度不确定
• 在海拔 3000 米处，鼓风机功率上升 92%；未经修正的 EA 又会使其进一步产生 ±20% 的偏差

引言

中国拥有广阔的边疆地区。青藏高原、云贵高原及其毗邻地区分布着众多城镇和许多敏感水体[1]。随着中国西部城市化进程加快以及环境法规日益严格，在高海拔地区建设和升级污水处理厂的迫切性日益凸显[2]、[3]、[4]。然而，独特的地理与气候条件制约着这些污水处理厂，使其常常表现出处理效率低、能耗高以及在冬季难以满足排放限值等问题[2]、[3]、[5]、[6]。这已成为改善区域水环境的关键瓶颈。

与低地相比，高海拔环境对生物处理施加了多重叠加应力，其中最核心的是低压、低温和低氧的联合作用。一方面，随着海拔升高，大气压大幅下降，在海拔 3000 米处降至海平面值的约 70%，在 4500 米处则降至 60% 以下。根据亨利定律，氧气分压的降低直接降低了水中的饱和溶解氧浓度，从而削弱了氧从气相向液相传质的驱动力。另一方面，高海拔地区全年寒冷，低温减缓了微生物活性，使得溶解氧的需求量和吸收量也相应降低[5]、[6]、[7]。由于这两种效应共同作用，供氧不足与氧利用受限在高海拔地区变得更加严重。

曝气是生物处理中最耗能的环节，通常占全厂总能耗的 50% 至 70%[8]、[9]。因此，高海拔地区氧传质效率的下降不仅仅损害出水水质，还直接提高了单位处理水量的能耗。在低压低温条件下实现高效经济的氧传质，既是保障稳定达标排放的艰巨工程问题，也是节能减排的真实需求。

尽管高海拔地区供氧困难似乎是一个工程运行问题，但其核心仍是一个认识尚不充分的问题：环境气压如何影响气液之间的氧传质？

长期以来，气液传质研究主要聚焦于常压和高压。在常压下，双膜理论和渗透理论等经典框架已确立，大量关联式和实验数据描述了气泡尺寸、气含率、停留时间等因素如何影响体积传质系数[10]、[11]、[12]、[13]。在高压领域，加压曝气、纯氧曝气和深井曝气的技术发展推动了关于压力如何增强气体溶解的详细研究[14]、[15]、[16]、[17]。然而，对于低于标准大气压的亚常压范围，关于传质行为的系统性研究仍然匮乏。

当前设计规范对待压力效应的方式值得特别注意。重要的是，这些规范并非忽视压力。例如，在国家标准 GB 50014 的氧传质计算中，通过气压因子 ρ（当地大气压与标准大气压之比）考虑了海拔引起的气压下降，同时当地气压与扩散器深度的静压通过 (P + 9.8H) 项进入深度平均饱和浓度。因此，驱动力侧对压力的修正在一定程度上较为完备[18]。国际 ASCE/EWRI 标准遵循同样的逻辑，对饱和浓度应用气压因子 Ω 和深度修正[19]。

然而，所有这些修正均作用于饱和浓度，即驱动力侧。反映曝气设备供氧能力的氧传质效率 EA，取自制造商在常压下清水池测试的数据，随后被视为与环境气压无关。这种处理方式隐藏了一个未经检验的假设。实际上，EA 取决于氧从气泡向液体传质的程度，而这由体积传质系数 KLa、饱和溶解氧 Cs 和气泡停留时间共同决定。关键在于，在当前计算中，KLa 已经针对水质（通过 α）和温度（通过 1.024(T?20) 因子）进行了修正。水质和温度对 KLa 的影响因此已得到考虑，而其压力依赖性在整个体系中未在任何位置得到处理。在驱动力侧，压力效应通过 ρ 和深度项进入 Cs；而在供给侧，压力却是唯一被遗漏的、作用于 KLa 的因素。在第四章对比的设计规范和测试标准中，KLa 是唯一一个带有某些环境变量修正、却未包含压力修正的核心项。

如随后的机制分析所示，环境气压的降低可能通过调节初始气泡尺寸、上升过程中的气泡膨胀、气含率以及总体气液界面积来改变 KLa。若此效应显著，当前方法可能携带未被量化的重大误差。这一局限性源于该方法仅修正驱动力，而将 EA 及内嵌的 KLa 视为与环境气压无关的常数。在高海拔、远低于标准气压的条件下，该误差可能变得重要。工程实践中通常假设，除非在高海拔地区，气压偏差可以忽略不计；当这一前提失效时，在常压下建立的修正方法和 EA 数值从未得到系统性检验。该假设的有效性以及由此产生的误差量级，仍有待受控实验检验和机制层面的解释。

为解决这一问题，本综述以环境气压对气液氧传质的影响为主线。它梳理并整合了环境工程、多相流动力学和质量传递科学领域的相关工作，最终聚焦于一个应用：高海拔污水处理的曝气强化。

第 1.4 节记录了文献检索过程并定义了全文采用的分级方案。随后，综述涵盖气液氧传质的经典理论以及气泡形成、上升和演化的基本原理，从而建立描述传质过程所需的理论工具（第二章和第三章）。随后注意力转向作为变量的气压：对比成熟的高压研究主体与低压研究的空白，审视当前设计规范对压力效应的处理方式，并从多机制视角分析环境气压影响氧传质的途径。由此分析得出本综述的核心科学论点：环境气压不仅作用于驱动力，还可能改变体积传质系数 KLa 本身（第四章和第五章）。随后，综述回归工程背景，讨论高海拔处理的特点以及不同曝气技术在低压下的适用性（第六章和第七章）。最后，总结主要空白和方法学挑战，并展望未来研究方向（第八章）。

本综述属于概念性和框架构建性质，而非数据生成：其不报告新的测量结果。首先，它识别出曝气设计中一个特定且先前未被审视的假设——即体积传质系数 KLa 与环境气压无关——并通过跨国内和国际标准的比较，证明这并非任何单一规范的疏忽，而是一个共同的预设。其次，它提供了一个以 KLa = kL·a 分解为基础的机制框架，将该假设转化为一组具体、可检验的命题。因此，本综述的价值在于将一个已确立的设计惯例重新定义为开放性的科学问题，并精确定义了需要测量什么才能关闭该问题，而非通过新数据解决该问题。

本综述有三项目标。第一，建立三项超越文献综述的论断：在本综述对比的设计规范和测试标准中，KLa 是唯一带有某些环境变量修正但未包含压力修正的核心项；较低的环境气压通过几条相互竞争的途径作用于 KLa，其净方向由 d32 通道和气体供给控制方式决定，因此不能用线性亨利定律型修正来表征；以及在较高压力下报告的系统相关行为不能外推到高海拔地区的亚常压鼓风曝气制度。第二，澄清既往工作的方法学局限性，并识别出核心缺失部分——即在受控低压下关于曝气传质的机制研究，从而为后续实验提供问题导向的基础。第三，立足于高海拔处理的工程需求，为开发低能耗、高效曝气以及曝气设备选型提供理论参考。我们希望本综述能为理解低压气液传质提供框架，并为推动高海拔地区的污水处理进步提供科学支撑。

本节记录了本综述所依据的检索过程，并定义了全文采用的分级方案。

检索了五个数据库：Web of Science 核心合集、Scopus、ScienceDirect、Engineering Village（Compendex）和中国知网（CNKI）。规范从发布机构（住房和城乡建设部、ASCE/EWRI、CEN）和标准设计文本中获取。检索时间窗口为 1924 年至 2026 年 2 月，早期下限设定于膜理论文献[20]；对于实验和工程工作，时间窗口为 1990–2026 年。三个概念组块以 AND 组合，每个组块内部以 OR 组合。组块 A（传质）：“oxygen transfer”、“mass transfer coefficient”、“kLa”、“oxygen transfer efficiency”、“SOTE”、“aeration”。组块 B（压力）：“pressure”、“elevated pressure”、“sub-atmospheric”、“reduced pressure”、“low pressure”、“vacuum”、“altitude”、“elevation”、“barometric”。组块 C（体系）：“bubble column”、“diffuser”、“sparger”、“activated sludge”、“bubble size”、“gas holdup”、“interfacial area”、“bubble formation”。对压力依赖性研究[14]、[15]、[16] 和主要海拔研究[2] 应用了引文追溯。

若记录报告了以压力为显式变化变量的传质指标，或报告了海拔 1500 米以上的曝气性能，或给出了以气体密度或压力为参数的气泡尺度数据，或为设计规范或测试标准，则该记录被纳入。若压力仅作为附带运行细节出现且未涉及传质指标，或传质过程未经过气液气泡界面，或无法提取定量数据，则该记录被排除。

先对标题和摘要进行筛选，再进行全文筛选。所有显式改变压力并报告氧传质指标的研究，其压力均高于大气压；那些报告压力对 KLa 或其组分 εG、d32 和 kL 影响的研究收集于表 3 上块，其余则仅报告了总体溶解速率或传质速率。比较不同海拔处理性能的研究未报告曝气器级别的传质测量；将海拔作为显式对比变量的研究列于表 3 下块，其余则为单一地点的微生物群落或工艺性能研究（第 4.5 节）。在两组中，均无研究在控制亚常压条件下保持温度和水质恒定来测量 KLa、εG 或 d32。

本综述中的每一个机制关系均进行了分级。E（已确立）意味着在可比条件下由受控实验直接证实，或源于无疑可适用的物理定律。I（间接）意味着在其他制度下由受控实验证实，通常在较高压力下，并通过类比迁移至此。P（提出的）意味着本综述中提出但尚未检验的推断。表 4 为每个机制载有分级。若所有条目具有相同状态，则在表头或表注中给出一次分级，而非逐条标注：在表 3 的区块标题中，以及表 5 和表 6 下方的注释中。I 级风险最大：拟合依赖关系跨越 0.1–1.5 MPa，而高海拔范围低于其标定值。本综述中关于 KLa、a、εG 或 d32 亚常压行为的任何陈述均未达到 E 级。

片段

双膜理论与体积传质系数

在曝气过程中，氧从气相经气液界面进入液体主体。

这是一个扩散过程，由菲克定律描述：

dM/dt = -D_L * A * dC/dy

其中，M 是穿过界面的物质总量，A 是界面面积，D_L 是扩散系数，dC/dy 是浓度梯度。该方程表明，扩散的驱动力是界面两侧的浓度差，而扩散系数 D_L 主要取决于：

气泡的形成、上升与演变

在曝气过程中，氧气通过气泡表面从气相进入水中，因此气泡行为至关重要。气泡的大小、上升速度以及其在上升过程中的演变方式共同决定了它能向水中输送多少氧气。本章将跟随一个气泡经历其整个生命周期：从扩散器处的形成，经过上升，直到在水面处逸出。

本文的论述描述了常压下的通用物理原理，因为大多数情况下都是如此：

概述：压力影响氧气传递的两条途径

环境压力通过不止一条途径影响氧气传递。从体积传递方程出发，氧气从气相迁移到液相的速率为：

dC/dt = K_La * (C_s - C_L)

其中，K_La 是体积氧气传递系数，C_s 是界面处的饱和溶解氧，C_L 是主体液体中的溶解氧。压力可以通过两条不同的途径起作用。第一条通过亨利定律发挥作用：通过改变 C_s 来影响驱动力。第二条途径是：

概述：从 K_La 的分解出发

第4章表明，当前的设计做法完全在驱动力（C_s）一侧处理压力影响，并将 K_La 视为与压力无关。本章将对这一默认假设进行考察，研究环境压力可能改变 K_La 的物理途径。

起点是 K_La 的二因素分解：

K_La = k_L * a，其中 a = 6ε_G / (d_32)

这里 k_L 是液膜系数（m/s），a 是单位液体体积的气-液界面积（m2/m3），ε_G 是含气率，d_32 是 Sauter 平均直径。

高海拔站点的多重应力

前面几章在受控的物理化学环境下考察了压力对氧气传递的影响。然而，在实际的高海拔水处理中，低压力并非孤立存在，它伴随着一组对生物过程共同起作用的生态环境应力。

随着海拔升高，环境同时表现出以下几个特征：低压力、低温、强紫外线辐射以及巨大的昼夜温差。其中有两项是重要的：

主流曝气技术综述

曝气技术通常按其供氧方式进行分类。两大类别为扩散曝气（鼓风机曝气）和机械表面曝气。纯氧曝气和深井曝气等专用工艺则应用于特定场合。曝气器的性能通常用三个指标来衡量。第一个是氧气传递效率 E_A，即在扩散系统中到达水体的供氧比例；第二个是曝气能力，

当前研究的主要空白

回顾本综述，对环境压力影响气-液氧气传递的理解存在系统性不平衡。驱动力一侧有明确基础：亨利定律作为理论基础，高压实践作为工程佐证，以及设计规范中内置的校正因子。传递能力一侧则完全不同。具体而言，体积传递系数 K_La 的压力依赖性在数据、模型和规范三个层面都存在信息缺失。

表格1

CRediT 作者贡献声明

卢永泽：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、经费获取、概念构思。
朱光灿：监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能存在潜在利益冲突的经济利益/个人关系：卢永泽报告获得来自那曲地区科技协同创新专项项目的资金支持。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52670221）、西藏自治区重点研发项目（XZ202501ZY0067）以及西藏自治区科技计划项目：基地与人才项目（XZ202501JD0010）的支持。

卢永泽 | 朱光灿