氣提式增氧曝氣裝置在海水養(yǎng)殖池中的性能測(cè)定

潘 強(qiáng),張俊新,劉明泰,劉 遠(yuǎn),張 蕾,連 云,劉京華

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧大連116023)

氣提式增氧曝氣裝置在海水養(yǎng)殖池中的性能測(cè)定

潘 強(qiáng)1,張俊新1,劉明泰2,劉 遠(yuǎn)1,張 蕾1,連 云1,劉京華1

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023;2.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧大連116023)

為了考察氣提式曝氣增氧裝置在海水養(yǎng)殖水池內(nèi)的性能表現(xiàn)和溶氧擴(kuò)散分布規(guī)律,自行設(shè)計(jì)了一種氣提式曝氣除沫裝置,并安裝于海水養(yǎng)殖生產(chǎn)車間水池內(nèi)運(yùn)行,通過(guò)定時(shí)定點(diǎn)取樣測(cè)定池水中的溶解氧濃度,分析該裝置運(yùn)行時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)溶解氧的分布狀態(tài),進(jìn)而確定該裝置增氧的性能指標(biāo)。結(jié)果表明:安裝自行設(shè)計(jì)的氣提式曝氣除沫裝置后,通過(guò)實(shí)際測(cè)試,氧轉(zhuǎn)移系數(shù)(KLa(20))為0.77 h-1,氧轉(zhuǎn)移效率(EA)為5.20％,曝氣動(dòng)力效率(Ep,以O(shè)2計(jì))最高可達(dá)4.33 kg/(kW·h);經(jīng)測(cè)定,在養(yǎng)殖水池內(nèi)各個(gè)取樣點(diǎn)溶解氧分布均勻,溶解氧濃度同步增加。研究表明,本研究中設(shè)計(jì)的曝氣裝置及其布置形式因省去動(dòng)力循環(huán)能耗,曝氣動(dòng)力效率顯著提高。

曝氣裝置;海水養(yǎng)殖池;溶解氧分布;氧總轉(zhuǎn)移系數(shù);動(dòng)力效率

目前,用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的曝氣系統(tǒng)通常分為增氧泵曝氣充氧和純氧氣水混合兩種方式。增氧泵曝氣充氧系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建造及運(yùn)行操作方便等優(yōu)點(diǎn),但在池底或水面設(shè)置曝氣頭、穿孔管曝氣時(shí),空氣氣泡從池底上升到水面,對(duì)池內(nèi)水體產(chǎn)生擾動(dòng)和噪音,不利于養(yǎng)殖生物生長(zhǎng)。同時(shí),氣泡和水體形成的紊流狀態(tài)把池內(nèi)殘餌、糞便等懸浮物攪碎,形成細(xì)小顆粒,易導(dǎo)致水質(zhì)快速惡化。使用純氧氣水混合系統(tǒng)在池外把純氧和水混合后再送入池內(nèi),可以避免上述不利情況。但是,純氧增氧系統(tǒng)需要純氧發(fā)生器和混合器等設(shè)備,增加了投資和生產(chǎn)成本。為了解決生產(chǎn)中存在的這些不利情況,本研究中利用氣升泵的原理開發(fā)了一套曝氣增氧裝置,以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)曝氣增氧,同時(shí)去除浮沫[1]。

有關(guān)增氧曝氣設(shè)備的檢測(cè)許多學(xué)者對(duì)不同類型的增氧設(shè)備進(jìn)行了研究,確定了一些性能參數(shù),為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。宋奔奔等[2]利用溶解氧測(cè)試對(duì)比了封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中常見曝氣器中的性能參數(shù)。梁遠(yuǎn)等[3]對(duì)新舊微孔曝氣器曝氣充氧性能的試驗(yàn)表明,經(jīng)長(zhǎng)期使用的曝氣器充氧性能下降較大,氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧利用效率和動(dòng)力效率分別下降了57％、58％和59％,新剛玉微孔曝氣器中氧的利用率在20％以上,曝氣動(dòng)力效率(以O(shè)2計(jì),下同)在4 kg/(kW·h)以上。張闖等[4]比較了微孔霧化軟管曝氣與射流曝氣兩種曝氣設(shè)備的清水充氧性能,結(jié)果表明,微孔霧化軟管的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)為22.15 h-1,氧的利用效率為24.71％,動(dòng)力效率為2.45 kg/(kW·h),分別高于射流曝氣。曹廣斌等[5]根據(jù)氣泡運(yùn)動(dòng)、氣泡溶解和尺寸變化方程而設(shè)計(jì)的雙層逆流反應(yīng)塔為提高氣液兩相流的傳質(zhì)效率在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的應(yīng)用提供了理論參考。張斌等[6]對(duì)幾種類型的微孔曝氣器清水充氧性能進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)同一設(shè)備在相同水深條件下,隨著標(biāo)準(zhǔn)通氣量的增大,充氧能力增大,動(dòng)力效率減小,氧利用率減小。Sánchez等[7]的研究中也有類似的結(jié)論。本研究中,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SC/T6009—1999《增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法》建立了氣提式增氧曝氣裝置在海水養(yǎng)殖池中增氧能力的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法,從而確定該裝置運(yùn)行時(shí)養(yǎng)殖池內(nèi)溶解氧的分布狀態(tài),并計(jì)算氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧轉(zhuǎn)移效率和動(dòng)力效率,以期為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參數(shù)。

1 曝氣溶氧原理

評(píng)價(jià)曝氣裝置的性能參數(shù)包括氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)、氧轉(zhuǎn)移效率、動(dòng)力效率等。其中氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)為水溫20℃時(shí)氧的傳遞速率;氧轉(zhuǎn)移效率指通過(guò)機(jī)械曝氣裝置的轉(zhuǎn)動(dòng),在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量與供氧量的比值,反映了氧的利用率;動(dòng)力效率是指每消耗1 kW·h能量轉(zhuǎn)移到混合液中的氧量,反映了曝氣裝置的能耗水平。

曝氣充氧試驗(yàn)采用Na2SO3(還原劑)和CoCl2(催化劑)消除海水中的氧,溶解氧為0之后進(jìn)行曝氣復(fù)氧,測(cè)定海水中隨時(shí)間變化的氧質(zhì)量濃度,從而求出氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(KLa)。同時(shí)記錄測(cè)定時(shí)的供氣量,進(jìn)一步計(jì)算出氧轉(zhuǎn)移效率(EA)和動(dòng)力效率(Ep)[8-9]。

KLa(T)的計(jì)算公式為

其中:dc/dt為氧轉(zhuǎn)移速度[kg/(m3·h)];KLa為氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)(h-1);Cs為混合液氧飽和濃度(mg/L);C為混合液氧濃度(mg/L)。

對(duì)公式(1)積分得:

以lg[(Cs-C0)/(Cs-Ct)]為縱坐標(biāo),以t為橫坐標(biāo),在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪圖,得出直線斜率,然后求出KLa。

若測(cè)試條件不在20℃時(shí),采用下式對(duì)KLa(T)進(jìn)行修訂:

其中:KLa(20)為水溫20℃時(shí)的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù),反映了氧的傳遞速率(h-1);T為水溫(℃)。

EA的計(jì)算公式為

其中:EA為氧轉(zhuǎn)移效率(％);R0為耗氧速率(kg/h);S為20℃時(shí)的供氧量(kg/h);V為池水體積(m3);Gs為20℃時(shí)的供氣量(m3/h)。

Ep的計(jì)算公式為

其中:Ep為動(dòng)力效率[kg/(kW·h)];R0為耗氧速率(kg/h);N為曝氣充氧時(shí)所耗理論功率(kW);Hb為氣壓壓力表讀數(shù)平均值(MPa);Gs為氣體的實(shí)際流量(m3/h)。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 試驗(yàn)裝置 本試驗(yàn)裝置為自行設(shè)計(jì)組裝的中試規(guī)模無(wú)擾動(dòng)曝氣除沫系統(tǒng),系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無(wú)擾動(dòng)曝氣除沫系統(tǒng)示意圖Fig.1 System schematics in the airlift aeration device

試驗(yàn)時(shí),由離心風(fēng)機(jī)(1)提供系統(tǒng)曝氣用空氣,空氣通過(guò)精密針芯(2)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣量并用轉(zhuǎn)子流量計(jì)(3)計(jì)量后經(jīng)由空氣管道(4)輸送到水池下部高效溶氧裝置(6)處,池內(nèi)待充氧水體經(jīng)吸水管道(5)進(jìn)入高效溶氧裝置(6)后,瞬間達(dá)到溶氧飽和,最后經(jīng)升水管道(7)進(jìn)入浮沫去除裝置(8)后通過(guò)回流管道(9)流入水池,完成了水體循環(huán)。

設(shè)備型號(hào)參數(shù):風(fēng)機(jī)型號(hào)HG-1100-C2,風(fēng)量為0～135 m3/h,風(fēng)壓為24 kPa,真空度為-20 kPa;精密針芯調(diào)節(jié)閥型號(hào)T40H-16C,溫度≤250℃,壓力為1.6 MPa,通徑為50 mm;空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)LZT(M-15),測(cè)量范圍≤40 m3/h;梅特勒溶氧(多參數(shù)測(cè)試儀)測(cè)定儀型號(hào)SG68。

2.1.2 試驗(yàn)用水 試驗(yàn)用水取自黑石礁海域沙濾海水,水溫為13℃。經(jīng)計(jì)算加過(guò)量(150％)的脫氧劑無(wú)水亞硫酸鈉,同時(shí)投加0.1 mg/L催化劑氯化鈷脫去海水中的溶解氧,使溶解氧降為0后作為試驗(yàn)用水。

2.2 方法

2.2.1 取樣點(diǎn)的設(shè)定 以水池一底角o為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維坐標(biāo),如圖2所示。12個(gè)取樣點(diǎn)坐標(biāo)(m)如下:

1號(hào)點(diǎn):(1.060,0.667,1.300)

2號(hào)點(diǎn):(1.060,1.334,1.300)

3號(hào)點(diǎn):(2.120,0.667,1.300)

4號(hào)點(diǎn):(2.120,1.334,1.300)

5號(hào)點(diǎn):(3.180,0.667,1.300)

6號(hào)點(diǎn):(3.180,1.334,1.300)

7號(hào)點(diǎn):(3.180,0.667,0.200)

8號(hào)點(diǎn):(3.180,1.334,0.200)

9號(hào)點(diǎn):(2.120,0.667,0.200)

10號(hào)點(diǎn):(2.120,1.334,0.200)

11號(hào)點(diǎn):(1.060,0.667,0.200)

12號(hào)點(diǎn):(1.060,1.334,0.200)

圖2 取樣點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of sampling points

2.2.2 取樣時(shí)間 試驗(yàn)開始后,在靜態(tài)清水中投加亞硫酸鈉(還原劑)和氯化鈷(催化劑)脫氧,待水中溶解氧降至0時(shí)刻,將離心風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開始曝氣增氧,每隔15 min取樣1次(一次12個(gè)點(diǎn),12個(gè)樣品),總計(jì)取樣16次。

2.2.3 取樣方法 (1)水面以下0.2 m處取樣:將移液管(50 mL)插入水面以下0.2 m取樣點(diǎn)處取樣,將吸取的水樣轉(zhuǎn)移至溶解氧瓶中,并在操作過(guò)程中盡量減少空氣中氧氣的溶入以造成誤差。之后,迅速加入藥劑固定溶解氧。(2)水面以下1.3 m處的取樣:將微型水族循環(huán)潛水泵固定于水面以下1.3 m處取樣點(diǎn)上,取樣時(shí)開啟水泵,將該處水樣通過(guò)橡膠軟管緩慢導(dǎo)入溶氧瓶底部,充滿瓶體并溢出后,迅速加入藥劑固定溶解氧。

2.2.4 指標(biāo)的測(cè)定方法 用體積-秒表法多次測(cè)定循環(huán)水流量并取其平均值;用轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量氣量;用煤油溫度計(jì)穩(wěn)定后讀取水溫?cái)?shù)據(jù);依照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》GB 17378.4—2007第四部分海水分析中的碘量法測(cè)定水體溶解氧濃度[10],取樣的同時(shí),用溶解氧測(cè)量?jī)x讀取穩(wěn)定數(shù)值供對(duì)比參考。

3 結(jié)果與討論

3.1 曝氣池內(nèi)各取樣點(diǎn)處溶解氧濃度及分布情況

分析曝氣池內(nèi)各取樣點(diǎn)溶解氧濃度隨時(shí)間的變化情況時(shí),以水池一底角o為坐標(biāo)原點(diǎn),建立三維坐標(biāo)模型,其中各取樣點(diǎn)的x、y值為取樣點(diǎn)的水平截面位置坐標(biāo)(m),z值為各取樣點(diǎn)處溶解氧濃度值(mg/L)。數(shù)據(jù)經(jīng)整理用Origin 7.0軟件作圖,結(jié)果見圖3,分為上下兩層溶解氧濃度分布。

從圖3可見,隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng),水池內(nèi)溶解氧濃度逐步上升,上下層水體溶解氧濃度相近,水平分布上溶解氧均勻。當(dāng)池內(nèi)溶解氧濃度逐漸接近飽和值時(shí),因溶解氧濃度差減小,溶氧擴(kuò)散轉(zhuǎn)移推動(dòng)力降低,池內(nèi)溶解氧濃度增加緩慢。

3.2 增氧曝氣裝置的增氧性能

曝氣充氧試驗(yàn)中溶解氧濃度隨時(shí)間的變化如圖4所示。從圖4可見:當(dāng)曝氣進(jìn)行到15 min時(shí),池內(nèi)溶解氧濃度仍為0 mg/L,說(shuō)明池內(nèi)脫氧劑Na2SO3過(guò)量,符合規(guī)范要求;15 min后池水中過(guò)量的Na2SO3逐漸被氧化,當(dāng)全部被溶解氧消耗后,溶解氧濃度緩慢上升;30min后池內(nèi)溶解氧濃度迅速增加;當(dāng)曝氣進(jìn)行到180 min時(shí),池內(nèi)溶解氧濃度逐漸接近飽和值,溶氧擴(kuò)散轉(zhuǎn)移推動(dòng)力降低,池內(nèi)取樣點(diǎn)溶解氧濃度增加變慢,充氧能力下降。

依據(jù)公式(1)～(3)計(jì)算得到氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa求解曲線如圖5所示。計(jì)算得氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa= 0.65 h-1,KLa(20)=0.77 h-1。

依據(jù)公式(2)～(8)計(jì)算得到海水曝氣充氧試驗(yàn)中曝氣裝置性能參數(shù)值,表1為最佳氣水配比時(shí)的性能參數(shù)數(shù)據(jù)(氣量為5.0 m3/h,對(duì)應(yīng)循環(huán)水量為8.9 m3/h)。從表1可見,曝氣裝置的KLa(20)= 0.77 h-1,EA=0.67％～5.20％,Ep=0.30～2.36 kg/(kW·h)。

本試驗(yàn)結(jié)果表明,開始曝氣時(shí)EA和Ep的值最大,分別為5.20％和2.36 kg/(kW·h),隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,池內(nèi)溶解氧濃度逐漸接近飽和值,溶解氧濃度增加變慢,氧轉(zhuǎn)移效率和動(dòng)力效率逐漸下降。在計(jì)算動(dòng)力效率Ep時(shí)包含了循環(huán)海水的功率,經(jīng)計(jì)算得到Ep=0.015 kW。而風(fēng)機(jī)曝氣充氧有效功率為0.033 kW,循環(huán)海水的功率所占百分比為45％左右,這與Barrut等[11]的研究結(jié)果接近。Barrut等[11]通過(guò)自制試驗(yàn)裝置,研究了裝置中海水循環(huán)輸送流量和曝氣的氣泡大小等,并提出可以節(jié)約總能耗50％的能量,而這部分能量原本是由循環(huán)離心泵提供的。本試驗(yàn)中,如果除去用于循環(huán)海水的功率,則曝氣動(dòng)力效率可以達(dá)到4.33 kg/(kW·h)。

圖3 池內(nèi)各取樣點(diǎn)溶解氧濃度的變化情況Fig.3 Changes in concentration of dissolved oxygen at various sam p ling points in the tank

表1 曝氣裝置性能參數(shù)表Tab.1 Performance parameters of the aeration device

圖4 溶解氧濃度變化曲線Fig.4 Change curve of dissolved oxygen concentration

圖5 曝氣充氧K La的趨勢(shì)線Fig.5 AerationKLatrend line

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)表明,本增氧曝氣裝置氧轉(zhuǎn)移系數(shù)雖然較低,但動(dòng)力效率比較高,可以滿足海水養(yǎng)殖實(shí)際生產(chǎn)的要求,具有節(jié)能降耗、安全、減緩水質(zhì)惡化等方面的特點(diǎn),達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期目的,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]張俊新,劉長(zhǎng)發(fā),上官子昌,等.工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖無(wú)擾動(dòng)曝氣除沫系統(tǒng):中國(guó),CN201320727060.4[P].2014-05-28.

[2]宋奔奔,吳凡,倪琦,等.封閉循環(huán)水養(yǎng)殖中曝氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及曝氣器的選擇[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2011,38(3):6-10,17.

[3]梁遠(yuǎn),王佳偉,李潔,等.微孔曝氣器充氧性能變化對(duì)污水處理廠能耗的影響[J].給水排水,2011,37(1):42-45.

[4]張闖,陶濤,李爾,等.兩種曝氣設(shè)備的清水曝氣充氧實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(1):25-27.

[5]曹廣斌,程啟云,韓世成,等.應(yīng)用于冷水魚養(yǎng)殖的臭氧——氨氮反應(yīng)塔設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2014,29(4): 403-408.

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[8]張自杰,林榮忱,金儒霖.排水工程[M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000:143-150.

[9]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJ/T 475-2015微孔曝氣器清水氧傳質(zhì)性能測(cè)定[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[10]國(guó)家海洋局.GB-17378.4-2007海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第4部分:海水分析[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[11]Barrut B,Blancheton JP,Champagne JY,et al.Water delivery capacity of a vacuum airlift-application to water recycling in aquaculture systems[J].Aquacultural Engineering,2012,48:31-39.

Performancemeasurement of an airlift aeration device in an aquaculture tank

PAN Qiang1,ZHANG Jun-xin1,LIU Ming-tai2,LIU Yuan1,ZHANG Lei1,LIAN Yun1,LIU Jing-hua1
(1.Key Laboratory of Nearshore Marine Environmental Research of Liaoning Higher Education,College of Marine Science and Environment,Dalian O-cean University,Dalian 116023,China;2.College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

A set of airlift aeration device for foam removing was self-designed,installed and operated in amariculture tank in a production workshop in order to observe its performance and diffusion distribution of dissolved oxygen.During the operation,the concentration,and distribution of dissolved oxygen were determined in the tank at given points and time,and then the performance indices of the aeratorwere evaluated.The results showed thatoxygen transfer coefficient(KLa(20))was0.77 h-1,and oxygen transfer efficiency(EA)5.20％,with themaximal aeration power efficiency(Ep)of 4.33 kg/(kW·h).The determination ofKLa(20),oxygen transfer efficiencyEAandEpof the aeration device revealed that the dissolved oxygen distribution of each sampling pointwas uniform,as the dissolved oxygen concentration increased synchronously.The aeration power efficiency was improved obviously because its arrangement form showed less energy consumption during power cycle.

aeration device;mariculture tank;dissolved oxygen distribution;oxygen transfer coefficient;power efficiency

S969.32

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.06.015

2095-1388(2016)06-0673-05

2016-04-05

國(guó)家海洋公益項(xiàng)目(201305001);2015年大連海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目

潘強(qiáng)(1992—),男,本科生。E-mail:675592143@qq.com

張俊新(1975—),男,副教授。E-mail:Junxin_zhang@dlou.edu.cn