微孔擴(kuò)散器形狀對(duì)曝氣增氧性能影響的試驗(yàn)

程香菊，謝宇寧，朱丹彤，李 然，謝 駿（. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 5064；. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 60065；. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，廣州 5080）

微孔擴(kuò)散器形狀對(duì)曝氣增氧性能影響的試驗(yàn)

程香菊1,2，謝宇寧1，朱丹彤1，李 然2，謝 駿3
（1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641；2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；3. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，廣州 510380）

為了探究不同形狀（直線型、C型、S型和圓盤(pán)型）的微孔曝氣擴(kuò)散器對(duì)增氧性能的影響，在3個(gè)水深和5個(gè)曝氣流量下進(jìn)行了一系列的室內(nèi)曝氣增氧試驗(yàn)。結(jié)果表明：相同水深和流量下，直線型的氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力、動(dòng)力效率和氧利用率均最大，例如在0.7 m水深時(shí)4個(gè)技術(shù)指標(biāo)的范圍值分別為0.853～1.762 h-1、8.701～17.432 g/h、4.146～6.869 kg/(kW·h)、3.257%～4.912%；而S型是最低的，其范圍值分別為0.798～1.504 h-1、6.850～12.627 g/h、2.630～4.444 kg/(kW·h)、3.823%～2.339%；其次是C型和圓盤(pán)型微孔曝氣擴(kuò)散器，其他水深試驗(yàn)條件下也得到了類(lèi)似的規(guī)律。由此說(shuō)明直線型的增氧效果最好。為了僅探究擴(kuò)散器形狀對(duì)增氧性能的影響，在試驗(yàn)水池表面鋪設(shè)薄膜阻隔了空氣-自由水表面氧傳質(zhì)后，4種擴(kuò)散器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)均下降，最大的下降率分別為12.29%、8.73%、12.26%和6.74%，空氣-自由水表面氧傳質(zhì)對(duì)不同形狀的擴(kuò)散器的影響程度不同。但下降后的氧體積傳質(zhì)系數(shù)值最高的仍是直線型，其次是C型和圓盤(pán)型，S型仍然最低；直線型、C型、圓盤(pán)型、S型在0.7 m水深下分別為1.693、1.470、1.438和1.227 h-1，在其他工況下也得到了類(lèi)似的規(guī)律。因此，增氧性能最好的是直線型微孔曝氣擴(kuò)散器。此研究結(jié)果可為微孔曝氣技術(shù)的綠色環(huán)保應(yīng)用以及實(shí)際工程中對(duì)微孔擴(kuò)散器形狀的選取提供一定的參考價(jià)值。

氧；污水處理；動(dòng)力效率；微孔曝氣擴(kuò)散器形狀；氧體積傳質(zhì)系數(shù)；充氧能力

0 引 言

微孔曝氣增氧機(jī)一般是通過(guò)管道將加壓后的空氣輸送到固定在水體底部的微孔擴(kuò)散器中，產(chǎn)生微小氣泡，氣泡內(nèi)的空氣通過(guò)液膜進(jìn)入到水體，達(dá)到高效增氧的目的[1]。因?yàn)槠渚哂型饬看?、充氧能力?qiáng)、節(jié)能環(huán)保、安裝簡(jiǎn)便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2-3]，所以在湖泊、水庫(kù)、河流、河口、養(yǎng)殖池塘以及污水處理廠等需要增氧的水體中，微孔曝氣增氧機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4]。經(jīng)過(guò)多次的技術(shù)變革[5]，目前微孔擴(kuò)散器多為納米微孔曝氣軟管。

影響微孔曝氣軟管增氧性能的因素較多[6-8]，外界因素主要有水溫、大氣壓、水質(zhì)條件、水體的流動(dòng)性、淹沒(méi)水深等，例如，Rosso等[9-11]在研究中發(fā)現(xiàn)表面活性劑對(duì)氧傳質(zhì)的影響非常顯著；羅濤等[12]發(fā)現(xiàn)不同的總無(wú)機(jī)溶解性固體濃度對(duì)微孔曝氣氧傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生不同的影響；Dasilvaderonzier等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)微孔曝氣器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨著水平流速的增加而增大；自身因素則有曝氣擴(kuò)散器密度、布局、通氣量、曝氣孔徑和曝氣管長(zhǎng)度等，如Paulson[15]通過(guò)研究圓盤(pán)式和鐘罩式曝氣器密度的影響，發(fā)現(xiàn)氧利用率隨著密度的增大而增大；Huibregtse等[16]通過(guò)比較幾種曝氣擴(kuò)散器的布置方式對(duì)充氧能力的影響，發(fā)現(xiàn)采用均勻布置方式優(yōu)于單螺旋或雙螺旋布置方式；國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都指出氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨著通氣量的增大而近似成線性增大[17-20]；而對(duì)于曝氣孔徑，莊健等[21-22]在研究中都發(fā)現(xiàn)隨著孔徑的增大，氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力和氧利用率均在下降；程香菊等[23]則在試驗(yàn)中得出了曝氣管長(zhǎng)度對(duì)氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響曲線為先高后低再高的結(jié)論。

以上的研究中，大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、甚至是盲目地采用圓型曝氣盤(pán)作為擴(kuò)散器。實(shí)際上，擴(kuò)散器可能被制作成多種形狀，例如直線型、半圓型、S彎道型等，擴(kuò)散器的形狀是否對(duì)增氧性能產(chǎn)生影響，究竟哪種形狀的擴(kuò)散器的增氧效率最佳，目前的研究還幾乎處于空白狀態(tài)?；诖?，為了探究擴(kuò)散器形狀對(duì)水體增氧效果的影響，本文以微孔擴(kuò)散器形狀（如直線型、C型、S型和圓盤(pán)型）為影響因子，以氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力動(dòng)力效率和氧利用率為主要對(duì)比指標(biāo)，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)比分析不同擴(kuò)散器形狀的增氧效果，得出增氧效率較優(yōu)的擴(kuò)散器形狀，以期為微孔曝氣技術(shù)的綠色環(huán)保應(yīng)用以及實(shí)際工程中對(duì)微孔擴(kuò)散器形狀的選取提供一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由有機(jī)玻璃水池、微孔曝氣擴(kuò)散器、溶氧儀、空氣流量計(jì)、空氣壓縮機(jī)和電腦組成。有機(jī)玻璃水池的尺寸為2 m×0.8 m×0.8 m（長(zhǎng)×寬×高），溶氧儀探頭放置在非氣泡區(qū)，并且固定在距離水面0.3 m的地方。作者在前期研究中，當(dāng)設(shè)定其他條件一致，僅改變曝氣管長(zhǎng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)曝氣管長(zhǎng)度為1.1 m時(shí)具有最優(yōu)的增氧性能[23]。因此，本試驗(yàn)仍然采用1.1 m長(zhǎng)、內(nèi)外徑分別為10、15 mm的納米微孔曝氣管作為曝氣增氧設(shè)備，并將其改造成直線型、C型、S型和圓盤(pán)型4種不同形狀的曝氣擴(kuò)散器，如圖2所示，固定放置于水池中央。同時(shí)，本試驗(yàn)還在水池頂部加蓋塑料薄膜，用于阻隔空氣與自由水表面之間的接觸，避免來(lái)自于空氣與自由水表面的傳質(zhì)，從而單從擴(kuò)散器形狀對(duì)增氧性能的影響進(jìn)行探究，試驗(yàn)照片如圖3所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法參考美國(guó)ASCE清水增氧測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[24]和CJ/T475-2015《微孔曝氣器清水氧傳質(zhì)性能測(cè)定》[25]。試驗(yàn)水體為自來(lái)水，測(cè)試時(shí)先往水里加入一定量的無(wú)水亞硫酸鈉(Na2SO3)和氯化鈷(CoCl2)溶液，進(jìn)行氧虧，并充分?jǐn)嚢?，待水體溶解氧DO（dissolved oxygen）值降至接近0，且處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，空壓機(jī)開(kāi)始工作曝氣，每隔10 s記錄水中溶解氧濃度和溫度隨時(shí)間的變化，以便計(jì)算出氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力、動(dòng)力效率和氧利用率。試驗(yàn)分別對(duì)不同的曝氣流量（即0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m3/h）、水深（即0.4、0.55、0.7 m）以及微孔管擴(kuò)散器形狀（即直線型、C型、S型、圓盤(pán)型）條件下的增氧效果進(jìn)行測(cè)試。在開(kāi)展試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)每一種工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測(cè)定，對(duì)由此計(jì)算出的氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力、動(dòng)力效率和氧利用率分別取其平均值。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental setup

圖2 4種不同形狀的微孔曝氣擴(kuò)散器Fig.2 Four different types of microporous aeration diffusers

圖3 鋪設(shè)有薄膜蓋的水池試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Test photo of water tank with film cover

1.3 測(cè)量方法

測(cè)量參數(shù)主要為曝氣流量、水體溶解氧濃度、水溫和測(cè)點(diǎn)處的壓強(qiáng)。采用型號(hào)HMF5706-N-200、流量范圍為0～200 L/min的氣體質(zhì)量流量計(jì)對(duì)曝氣流量進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)闅怏w質(zhì)量流量計(jì)易受空壓機(jī)氣缸尺寸和溫度的影響，使讀數(shù)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，當(dāng)最大讀數(shù)與最小讀數(shù)誤差不足5%時(shí)[24]，記錄最大和最小讀數(shù)，平均后作為每個(gè)試驗(yàn)工況的曝氣流量。采用YSI ProODO光學(xué)溶氧儀，并與電腦連接，通過(guò)專業(yè)軟件讀取溶解氧濃度、水溫和測(cè)點(diǎn)處壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)。

1.4 計(jì)算方法

目前常用于清水試驗(yàn)中評(píng)價(jià)曝氣器增氧性能的主要技術(shù)指標(biāo)有氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力、動(dòng)力效率和氧利用率[25-26]。

1.4.1 氧體積傳質(zhì)系數(shù)

試驗(yàn)的基本原理是依據(jù)Whitman提出的雙膜理論[27]，并且結(jié)合ASCE標(biāo)準(zhǔn)[24]提出的溶解氧DO質(zhì)量輸移模型，采用總氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLaT來(lái)衡量水體的增氧效率，其氧傳質(zhì)的基本方程為：

方程兩邊積分得：

式中C0為開(kāi)始曝氣增氧前的初始DO濃度，一般為0；C為曝氣水體中某測(cè)量時(shí)間點(diǎn)的DO濃度，mg/L；KLaT為水溫T對(duì)應(yīng)的水體總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)，h-1；為曝氣水體中水溫T時(shí)DO的平衡濃度，mg/L；t為水體曝氣增氧時(shí)間，h。

在式（2）中，C隨著t發(fā)生變化，在一個(gè)工況中，可以實(shí)測(cè)得到一系列的C和對(duì)應(yīng)的t數(shù)據(jù)。因此，應(yīng)用高斯-牛頓法的非線性回歸分析法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合，最終擬合得到、KLaT的值。

當(dāng)測(cè)試時(shí)水體的溫度不是標(biāo)準(zhǔn)的20 ℃，則需采用式（3）對(duì)KLaT進(jìn)行修正[24]：

式中KLa20為20 ℃時(shí)的氧體積傳質(zhì)系數(shù)；θ為待定常數(shù)，一般取值為1.024；T為測(cè)量時(shí)的水溫，℃。

1.4.2 充氧能力

標(biāo)準(zhǔn)的充氧能力（標(biāo)準(zhǔn)氧傳質(zhì)速率）SOTR（standard oxygen transfer rate），是評(píng)價(jià)增氧機(jī)性能的重要指標(biāo)，指在20 ℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，曝氣器在單位時(shí)間內(nèi)向水體傳遞的氧量，可由式（4）計(jì)算得到[24]：

因?yàn)樗w平衡DO濃度易受水溫、氣壓、水質(zhì)等因素的影響，所以對(duì)于平衡溶解氧濃度的取值，采用美國(guó)ASCE標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，對(duì)溫度和氣壓進(jìn)行修正，如下式所示[24,28]：

式中Ω為壓力修正系數(shù)；Pb為試驗(yàn)時(shí)氣體的絕對(duì)壓力，kPa；Ps為標(biāo)準(zhǔn)氣壓，101.325 kPa；τ為溫度校正系數(shù)；C為在20 ℃、1.0 atm標(biāo)準(zhǔn)總壓力和100%相對(duì)濕度下的溶解氧飽和濃度值，kg/m3；為在試驗(yàn)水溫T、1.0 atm標(biāo)準(zhǔn)總壓力和100%相對(duì)濕度下的溶解氧飽和濃度值，mg/L。

1.4.3 動(dòng)力效率

動(dòng)力效率（標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率）SAE（standard aeration efficiency）是指曝氣器在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，測(cè)試條件下，消耗單位有用功所傳遞到水中的氧氣質(zhì)量，可由下式得到[24-25,29]：

式中SAE為標(biāo)準(zhǔn)曝氣效率，kg/(kW·h)；NT為曝氣充氧過(guò)程所耗的理論功率，kW；P為進(jìn)氣管的氣體壓力，Pa；qb為實(shí)際流量，m3/h；qb0為測(cè)試時(shí)流量計(jì)的流量，m3/h；Pb0為101.325 kPa；Pb為測(cè)試時(shí)氣體的絕對(duì)壓力，kPa；Tb為測(cè)試時(shí)的絕對(duì)溫度，K；Tb0為刻度標(biāo)定時(shí)的絕對(duì)溫度，293.15 K。

1.4.4 氧利用率

氧利用率（標(biāo)準(zhǔn)氧傳質(zhì)效率）SOTE（standard oxygen transfer efficiency）是指曝氣使水體溶解氧達(dá)到平衡過(guò)程中，進(jìn)入水體的氧氣量與總的供氧量之間比值的百分?jǐn)?shù)，其計(jì)算公式如下所示[24-25,30]：

式中0.21為氧在空氣中所占體積的百分比；1.43為氧的容重，kg/m3；q為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，20 ℃時(shí)曝氣裝置的通氣流量，m3/h；Ts取293.15 K；Ps取101.325 kPa。

2 結(jié)果與分析

圖4給出了水體氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLa20、充氧能力SOTR、動(dòng)力效率SAE和氧利用率SOTE在不同水深下4種擴(kuò)散器形狀的變化情況。

由圖4第1列可知，不管淹沒(méi)水深為0.7、0.55，還是0.4 m，直線型微孔曝氣擴(kuò)散器的KLa20基本上是最高的，最低的是S型微孔曝氣擴(kuò)散器，處于中間的分別是C型和圓盤(pán)型微孔曝氣擴(kuò)散器，如1.8 m3/h流量時(shí)，直線型的分別為1.762、1.942和2.425 h-1；S型的分別為1.504、1.530和1.716 h-1；C型和圓盤(pán)型分別為1.601、1.795、2.002和1.564、1.631、2.066 h-1。當(dāng)曝氣流量為0.6 m3/h時(shí)，4種擴(kuò)散器形狀的KLa20都比較接近；在1.8 m3/h時(shí)則差距比較明顯，在0.4 m水深時(shí)，0.6 m3/h流量下，4種擴(kuò)散器形狀的KLa20分別為1.070、1.065、0.850和0.993 h-1；1.8 m3/h流量下分別為2.425、2.002、1.716和2.066 h-1。且在0.7 m水深下，直線型的KLa20變化曲線與C型的貼近，S型的與圓盤(pán)型的貼近；在0.55 m水深下，直線型的仍然與C型的貼近；但在0.4 m水深時(shí)，則是C型的與圓盤(pán)型的貼近，所以不同的水深對(duì)不同的微孔擴(kuò)散器的影響程度存在著一定差別。

同時(shí)，在圖4的氧體積傳質(zhì)系數(shù)曲線還可以發(fā)現(xiàn)，在同一微孔擴(kuò)散器形狀和曝氣流量下，隨淹沒(méi)水深的下降，KLa20在增加，在0.4 m水深時(shí)，KLa20均最高，說(shuō)明了水深也是影響微孔曝氣系統(tǒng)增氧性能的重要因素。

分析圖4充氧能力、動(dòng)力效率和氧利用率曲線可知，在不同水深下，SOTR、SAE和SOTE值最大的仍然是直線型微孔擴(kuò)散器，而且明顯高于其他幾種形狀；其中C型與圓盤(pán)型的SOTR、SAE和SOTE值比較相近，有高有低；S型的SOTR、SAE和SOTE值則明顯地處于最低位置，而且與其他3種形狀的曲線相距較大。在0.7 m水深下，直線型的SOTR、SAE和SOTE值的范圍分別為8.701～17.432 g/h、6.869～4.146 kg/(kW·h)、4.912%～3.257%；C型與圓盤(pán)型的分別為8.093～15.237 g/h、5.211～3.169 kg/(kW·h)、4.481%～2.832%和8.081～15.117 g/h、6.147～3.503 kg/(kW·h)、4.494%～2.858%；而S型的分別為6.850～12.627 g/h、4.444～2.630 kg/(kW·h)、3.823%～2.339%。所以，從4個(gè)技術(shù)指標(biāo)綜合來(lái)看，增氧性能最好的是直線型，其次是C型和圓盤(pán)型。另外，當(dāng)微孔擴(kuò)散器和曝氣流量相同時(shí)，隨著水深的下降，微孔曝氣器的SOTR、SAE和SOTE都有降低的趨勢(shì)。而SOTR隨著曝氣流量的增大而增大，SAE和SOTE趨勢(shì)卻相反。

圖4 氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力、動(dòng)力效率和氧利用率的變化情況Fig.4 Changes in oxygen volumetric mass transfer coefficient, standard oxygen transfer rate, standard aeration efficiency and standard oxygen transfer efficiency

為了更充分地對(duì)比圓盤(pán)型微孔擴(kuò)散器與其他3種形狀的增氧效果，分析了直線型、C型和S型擴(kuò)散器的KLa20相對(duì)于圓盤(pán)型的變化率，如圖5所示，其計(jì)算公式為：

式中(KLa20)r,ni為不同擴(kuò)散器形狀的KLa20對(duì)圓盤(pán)型的變化率，%；i代表擴(kuò)散器形狀，分別為直線型、C型和S型；(KLa20)ni分別為直線型、C型和S型的KLa20，h-1；(KLa20)d為圓盤(pán)型擴(kuò)散器的KLa20，h-1。

圖5給出了不同水深條件下直線型、C型和S型擴(kuò)散器相對(duì)于圓盤(pán)型的KLa20的變化率。從圖5可看到，直線型微孔擴(kuò)散器的變化率均為正值，但并沒(méi)有隨著曝氣流量的增大而增大，0.7、0.55和0.4 m水深時(shí)達(dá)到最大值，分別為16.66%、19.07%和33.91%，說(shuō)明其增氧效果明顯優(yōu)于圓盤(pán)型。另一方面，S型微孔擴(kuò)散器的變化率為負(fù)值，其增氧效率低于圓盤(pán)型，在0.7、0.55和0.4 m水深時(shí)達(dá)到最大負(fù)值分別為-6.04%、-13.03%和-16.95%。對(duì)于C型微孔擴(kuò)散器，其變化率基本為正值，優(yōu)于圓盤(pán)型。

圖5 直線型、C型和S型擴(kuò)散器相對(duì)于圓盤(pán)型的KLa20的變化率Fig.5 Change rates of KLa20of linear-type, C-type, S-type diffusers relative to disc-type

3 討 論

從以上的試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)于水深這個(gè)影響因素，在同一微孔曝氣擴(kuò)散器形狀下，隨著水深的下降，微孔曝氣系統(tǒng)的KLa20在增加，SOTR、SAE和SOTE則都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槠貧鈿馀菰谒锿Ａ舻臅r(shí)間、水表面的湍動(dòng)和傳質(zhì)阻力隨水深的不同表現(xiàn)各異。當(dāng)在淺水如0.4 m時(shí)，氣泡升至水表面產(chǎn)生的湍動(dòng)更為強(qiáng)烈，空氣與水表面單元更新的速率加快，而且液膜的傳質(zhì)阻力也較低，兩者促使更多的空氣被卷吸進(jìn)入水中，所以KLa20更大。從式（4）可以看出，SOTR與氧體積傳質(zhì)系數(shù)、水池的液體體積以及飽和溶解氧濃度有關(guān)。從式（9）和（12）看出，SAE、SOTE與SOTR成正相關(guān)，所以當(dāng)曝氣流量一定時(shí)，隨著曝氣水深的增加，增大了水體體積，增加了氣泡停留時(shí)間，即氣泡與水接觸的時(shí)間增長(zhǎng)，增大了氧分壓和傳質(zhì)推力，促進(jìn)了氧的傳質(zhì)，使SOTR、SAE和SOTE增加。

對(duì)于微孔擴(kuò)散器形狀這個(gè)重要的影響因素，從4個(gè)技術(shù)指標(biāo)綜合來(lái)看，增氧性能最好的是直線型微孔曝氣擴(kuò)散器，其次是C型和圓盤(pán)型，最差的是S型。我們知道，在微孔曝氣增氧的過(guò)程中，氧傳質(zhì)有2種方式，一是氧在氣泡-水界面的傳遞；二是空氣中的氧通過(guò)紊動(dòng)的自由水表面?zhèn)髻|(zhì)傳遞到水體[31]。對(duì)于養(yǎng)殖池塘、城市景觀水體、污水處理廠等淺型水體，第二種氧傳質(zhì)方式起著更加重要的作用[32]。而本試驗(yàn)，水深較淺，所以先從第二種氧傳質(zhì)方式進(jìn)行考慮。從現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)現(xiàn)象，直觀地認(rèn)為是直線型微孔擴(kuò)散器所產(chǎn)生的紊動(dòng)程度和水表面的紊動(dòng)面積更大，使其增氧性能比其他幾種形狀的要好。但是由于目前對(duì)擴(kuò)散器形狀對(duì)增氧性能的影響機(jī)制的研究幾乎處于空白，難以準(zhǔn)確地界定是氣泡-水界面氧傳質(zhì)還是空氣-自由水表面氧傳質(zhì)導(dǎo)致這種不同的影響效果。所以，在試驗(yàn)中通過(guò)在池頂鋪設(shè)薄膜蓋，以此來(lái)先考慮擴(kuò)散器形狀對(duì)空氣-自由水表面的氧傳質(zhì)機(jī)制。

圖6給出了氧傳質(zhì)系數(shù)在有無(wú)鋪設(shè)薄膜蓋條件下的對(duì)比。從圖6可以看出，在池頂鋪設(shè)薄膜阻隔了空氣-自由水表面氧傳質(zhì)后，在不同水深和不同的曝氣流量下，4種擴(kuò)散器形狀的氧體積傳質(zhì)系數(shù)均出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，但是下降的程度不同。直線型擴(kuò)散器在0.4 m水深時(shí)平均下降率比0.55和0.7 m的大，達(dá)到12.29%，即阻隔空氣-水表面氧傳質(zhì)對(duì)0.4 m水深的工況的影響程度更大。而C型和圓盤(pán)型擴(kuò)散器在0.7、0.55、0.4 m水深下的平均下降率則較為接近，分別為8.73%、7.29%、7.92%和4.52%、6.44%、6.74%，阻隔空氣-水表面氧傳質(zhì)對(duì)這2種擴(kuò)散器形狀的影響程度相近。在3種水深下，下降程度都相近且比較大的是S型擴(kuò)散器，分別為12.17%、12.24%和12.26%。說(shuō)明薄膜蓋的鋪設(shè)確實(shí)阻隔了空氣-自由水表面氧傳質(zhì)方式，而且這種阻隔對(duì)不同水深下不同形狀的微孔擴(kuò)散器所產(chǎn)生的影響也不同。

圖6 薄膜蓋對(duì)氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.6 Effect of film cover on oxygen volumetric mass transfer coefficient

圖7 給出了薄膜蓋存在時(shí)，不同形狀的微孔曝氣擴(kuò)散器的氧體積系數(shù)的變化情況。從圖7可以看出，阻隔了空氣-水表面氧傳質(zhì)后，直線型微孔擴(kuò)散器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)仍然最高，增氧性能最好，而S型仍然處于最低

位置，增氧性能最差，其中C型和圓盤(pán)型的較為接近，直線型、C型、圓盤(pán)型、S型在0.7 m水深下分別為1.693、1.470、1.438和1.227 h-1。說(shuō)明單純考慮空氣-水界面氧傳質(zhì)，雖然能得出不同形狀擴(kuò)散器所受的影響程度的差別，但仍不能完整得到其氧傳質(zhì)影響機(jī)制，仍需從氣泡-水界面氧傳質(zhì)進(jìn)行深入研究。

要深入地分析氣泡-水界面氧傳質(zhì)，曝氣增氧過(guò)程中氣泡的數(shù)量、氣泡的直徑、氣泡的上升速度和摻氣濃度是最關(guān)鍵的幾個(gè)參數(shù)。但本文受試驗(yàn)條件和時(shí)間限制，還沒(méi)能對(duì)這幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行精確地測(cè)量，還不能從實(shí)質(zhì)的機(jī)理上得到這幾種微孔擴(kuò)散器形狀中，直線型微孔擴(kuò)散器的增氧性能最好的原因，這將是今后研究的重點(diǎn)。

圖7 在鋪薄膜后不同擴(kuò)散器形狀的氧體積系數(shù)的變化情況Fig.7 Variation of oxygen volumetric mass transfer coefficient in different shaped diffusers after film placement

4 結(jié) 論

在不同曝氣流量、水深和微孔曝氣擴(kuò)散器形狀條件下，進(jìn)行了微孔曝氣清水增氧試驗(yàn)，計(jì)算并分析了氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLa20、充氧能力（SOTR）、動(dòng)力效率（SAE）和氧利用率（SOTE）4個(gè)技術(shù)指標(biāo)后，得到了以下結(jié)論：

1）在相同水深和曝氣流量下，直線型微孔曝氣擴(kuò)散器的KLa20、SOTR、SAE和SOTE值都是最高的，0.7 m水深時(shí)4個(gè)技術(shù)指標(biāo)的范圍值分別為0.853～1.762 h-1、8.701～17.432 g/h、4.146～6.869 kg/(kW·h)、3.257%～4.912%；而S型微孔曝氣擴(kuò)散器是最低的，其范圍值分別為0.798～1.504 h-1、6.850～12.627 g/h、2.630～4.444 kg/(kW·h)、2.339%～3.823%；處于中間值的是C型和圓盤(pán)型微孔曝氣擴(kuò)散器；在另外水深下也得到同樣的規(guī)律。說(shuō)明直線型微孔曝氣擴(kuò)散器增氧性能最好，S型最差，可見(jiàn)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的圓盤(pán)型微孔擴(kuò)散器的增氧效果并不是最好的。

2）當(dāng)試驗(yàn)水池鋪設(shè)薄膜阻隔了空氣-自由水表面氧傳質(zhì)后，直線型、C型、S型和圓盤(pán)型擴(kuò)散器的KLa20均下降，下降程度不一，最大的下降率分別為12.29%、8.73%、12.26%和6.74%，空氣-自由水表面氧傳質(zhì)對(duì)不同形狀的擴(kuò)散器的影響程度不同。但下降后的KLa20值最高的仍是直線型，其次是C型和圓盤(pán)型，S型仍然最低。直線型、C型、圓盤(pán)型、S型在0.7 m水深下分別為1.693、1.470、1.438和1.227 h-1。說(shuō)明單純考慮空氣-水界面氧傳質(zhì)，可以得出不同形狀擴(kuò)散器所受的影響不同，但要得到完善的影響機(jī)制，仍需在氣泡-水界面氧傳質(zhì)進(jìn)行深入研究。

根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)于淺水型增氧水體，當(dāng)采用微孔曝氣管作為擴(kuò)散器時(shí)，推薦直線型微孔曝氣擴(kuò)散器作為增氧設(shè)備，這為以后實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)微孔擴(kuò)散器形狀的選取提供了一定的參考價(jià)值。因?yàn)樵囼?yàn)室條件限制，試驗(yàn)水深最大為0.8 m，雖與養(yǎng)殖池塘和污水處理廠等實(shí)際水體的水深仍有一定的差距，但可以在試驗(yàn)裝置模型和實(shí)際水體之間建立比尺關(guān)系，如管長(zhǎng)、流量、水深等比尺，從而解決試驗(yàn)條件局限性問(wèn)題，這也是今后的研究重點(diǎn)。

[1] 谷堅(jiān)，徐皓，丁建樂(lè)，等. 池塘微孔曝氣接葉輪式增氧機(jī)的增氧性能比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(22)：212-217. Gu Jian, Xu Hao, Ding Jianle, et al. Comparison of oxygen-enriched performances of micropore and impeller aerators in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 212-217. (in Chinese with English abstract)

[2] Duchène P, Cotteux E, Capela S. Applying fine bubble aeration to small tanks[J]. Water Science Technology, 2001, 44: 203-210.

[3] 顧夏聲. 廢水生物處理數(shù)學(xué)模式[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1993:28-41.

[4] Nazih K Shammas. Fine pore aeration of water and wastewater[J]. Advanced Physicochemical Treatment Technologies, Springer, 2007: 391-448.

[5] 胡鵬，劉玲花，吳雷祥，等. 微孔曝氣國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及趨勢(shì)分析[J]. 環(huán)境工程，2015(2)：59-61. Hu Peng, Liu Linghua, Wu Leixiang, et al. Current research progress and trend on fine pore aeration[J]. Environmental Engineering, 2015(2): 58-61. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉春，張磊，楊景亮，等. 微氣泡曝氣中氧傳質(zhì)特性研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4(3)：585-589. Liu Chun, Zhang Lei, Yang Jingliang, et al. Characteristics of oxygen transfer in microbubble aeration[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2010, 4(3): 585-589. (in Chinese with English abstract)

[7] 胡鵬，劉玲花，吳雷祥，等. 微孔曝氣充氧性能的影響因素研究[J]. 工業(yè)水處理，2015，35(8)：49-52. Hu Peng, Liu Linghua, Wu Leixiang, et al. Study on the influencing factors of oxygenation performance ofmicroporous aeration[J]. Industrial Water Treatment, 2015, 35(8): 49-52. (in Chinese with English abstract)

[8] 魏延苓，齊魯，劉國(guó)華，等. 微孔曝氣器增氧性能影響的因素[J]. 水處理技術(shù)，2014，40(2)：1-7. Wei Yanling, Qi Lu, Liu Guohua, et al. Effect factors affecting oxygen transfer performance of fine bubble diffusers[J]. Technology of Water Treatment, 2014, 40(2): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[9] Rosso D, Huo D L, Stenstrom M K. Effects of interfacial surfactant contamination on bubble gas transfer[J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61: 5500-5514.

[10] Martin W, P?pel H J. Surface active agents and their influence on oxygen transfer[J]. Water Science and Technology, 1996, 34(3/4): 249-256.

[11] Liu Chun, Zhang Lei, Yang Jingliang, et al. Effects of surfactants on oxygen transfer in microbubble aeration[J]. Energy and Environment Technology, 2009(2): 531—534.

[12] 羅濤，王洪臣，齊魯，等. 總?cè)芙庑怨腆w及表面活性劑對(duì)微孔曝氣傳質(zhì)過(guò)程影響的中式研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(9)，2066-2070. Luo Tao, Wang Hongchen, Qi Lu, et al. Pilot scal research on the impact of TDS and surfactant on oxygen mass transfer in fine bubble aeration[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2012, 32(9): 2066-2070. (in Chinese with English abstract)

[13] Dasilvaderonzier G, Duchene P, Ramel C. Influence of a horizontal flow on the performance of a fine bubble diffused air system[J]. Water Science and Technology, 1994, 30(4): 89-96. [14] Gillot S, Capela S, Heduit A. Effect of horizontal flow on oxygen transfer in clean water and in clean water with surfactants[J]. Water Research, 2000, 34(2): 678-683.

[15] Paulson W L. Oxygen absorption efficiency study-Norton Co. dome-diffusers[R]. Worcester: Report to Norton Co., 1976.

[16] Huibregtse G L, Rooney T C, Rasmussen D C. Factors affecting fine bubble diffused aeration[J]. Journal-Water Pollution Control Federation, 1983, 55(8): 1057-1064.

[17] Chern Jiaming, Chou Shunren, Shang Chousheng. Effects of impurities on oxygen transfer rates in diffused aeration systems[J]. Water Research, 2001, 35(13): 3041-3048.

[18] Chern Jiaming, Yang Shengping. Oxygen transfer rate in a coarse-bubble diffused aeration system[J]. lndustrial & Engineering Chemistry Research, 2003, 42(25): 6653-6660.

[19] 李小冬，齊魯，劉國(guó)華，等. 通氣量對(duì)微孔曝氣充氧性能影響的中試研究[J]. 中國(guó)給水排水，2014，30(5)：81-84. Li Xiaodong, Qi Lu, Liu Guohua, et al. Impact of airflow rate on oxygen mass transfer in a pilot-scale fine bubble aeration system[J]. China Water & Wastewater, 2014, 30(5): 81-84. (in Chinese with English abstract)

[20] 顧海濤，王逸清. 池塘水深與通氣量對(duì)微孔曝氣增氧性能的影響[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2015，42(5)：29-32. Gu Haitao, Wang Yiqing. Effects of water depth and ventilation on microporous oxygen transfer performance[J]. Fishery Modernization, 2015, 42(5): 29-32. (in Chinese with English abstract)

[21] 莊健，工洪臣，齊魯，等. 孔徑對(duì)微孔曝氣充氧性能的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8(5)：1723-1726. Zhuang Jian, Wang Hongchen, Qi Lu, et al. Effects of pore diameter on oxygenation performance in fine pore aeration[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2014, 8(5): 1723-1726. (in Chinese with English abstract)

[22] Yannick Fayolle, Arnaud Cockx, Sylvie Gillot, et al. Oxygen transfer prediction in aeration tanks using CFD[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(24): 7163-7171.

[23] 程香菊，曾映雪，謝俊，等. 微孔曝氣流量和曝氣管長(zhǎng)度對(duì)水體增氧性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(22)：209-217. Cheng Xiangju, Zeng Yingxue, Xie Jun, et al. Impact of microporous aeration flow and aeration tube length on oxygen transfer performance in water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(22): 209-217. (in Chinese with English abstract)

[24] ASCE. ASCE Standard Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water[M]. Virginia: American Society of Civil Engineers, 2007.

[25] 微孔曝氣器清水氧傳質(zhì)性能測(cè)定：CJ/T475-2015[S]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[26] 嚴(yán)應(yīng)政. 曝氣設(shè)備的氧轉(zhuǎn)移效率[J]. 西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，18(2)：54-58. Yan Yingzheng. The oxygen transfer efficiency for aerator[J]. Journal of Northwestern Institute of Architectural Engineering: Natural Sciences, 2001, 18(2): 54-58. (in Chinese with English abstract)

[27] Whitman W G. The two-film theory of absorption[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1924, 5(5): 429-433.

[28] Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M]. 20th Ed. 1998. APHA, WPCF, AWWA.

[29] 谷堅(jiān)，顧海濤，門(mén)濤，等. 幾種機(jī)械增氧方式在池塘中增氧性能比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(1)，148-152. Gu Jian, Gu Haitao, Men Tao, et al. Performance comparison for different mechanical aeration methods in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 148-152. (in Chinese with English abstract)

[30] 張自杰. 排水工程下冊(cè)[M]. 第四版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[31] 李爾. 微孔曝氣最優(yōu)氣泡群理論及其在復(fù)氧工程中的應(yīng)用[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2007：102-104. Li Er. Theory of Optimal Bubble Group for Fine Bubble Aeration and Its Application to Reaeration Engineering[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2007: 102-104. (in Chinese with English abstract)

[32] 程香菊，謝駿，余德光，等. 曝氣增氧微氣泡-水界面和水體表面和水體表面的氧傳質(zhì)的計(jì)算分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(13)：190-199. Cheng Xiangju, Xie Jun, Yu Deguang, et al. Calculated analysis of oxygen transfer from air bubble-water interface and turbulent water surface in microporous aeration systems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(13): 190-199. (in Chinese with English abstract)

Experiment on effects of microporous diffuser types on aeration oxygenation performance

Cheng Xiangju1,2, Xie Yuning1, Zhu Dantong1, Li Ran2, Xie Jun3
(1. School of Civil Engineer and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, China; 3. Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Guangzhou 510380, China)

In lakes, reservoirs, rivers, estuaries, aquaculture ponds and sewage treatment plants where the dissolved oxygen concentration needs to be increased, aerator is the most important oxygen equipment to maintain the dynamic balance of dissolved oxygen. Among different kinds of aeration facilities, the microporous aeration aerator has been more widely used, because of its large ventilation capacity, strong oxygenation capacity, energy saving and environmental protection, easy installation and strong adaptability. There are many factors that affect the aeration performance of microporous aeration aerator, mainly including external factors and self factors. The microporous aeration aerator uses a microporous aeration tube as its diffuser, but the current study of the effect of the type of the diffuser on the aeration performance of the microporous aeration aerator is almost blank. And conventionally, the microporous diffuser always uses disc-type, but this way is empirically and even blindly adopted. Therefore, in order to explore the effect of the microporous diffuser with different shapes on the oxygenation performance, a series of oxygenation experiments were carried out under different types of air diffuser rolled up by a same length (1.1 m) of aeration tube in laboratory. The type of the microporous diffuser was the main influence factor. The types were linear-type, C-type, S-type and disc-type. The experimental apparatus mainly included glass tank, microporous aeration system, dissolved oxygen meter and computer. The size of the glass tank was 2 m × 0.8 m × 0.8 m (length × width × height). The test was based on the standard test method for oxygen from American Society of Civil Engineers (ASCE) in different water depth and air flow. The air flow rate was set as 0.6, 0.9, 1.2, 1.5, and 1.8 m3/h and the water depth was set as 0.4, 0.55, and 0.7 m. The results show that, under the same water depth and air flow rate, the oxygen volumetric mass transfer coefficient, standard oxygen transfer rate, standard aeration efficiency and standard oxygen transfer efficiency of the linear-type microporous aeration diffuser are the highest. In the 0.7 m water depth, the ranges of the 4 technical indices are 0.853-1.762 h-1, 8.701-17.432 g/h, 4.146-6.869 kg/(kW·h), and 3.257%-4.912%, respectively, while the S-type is the lowest, and the range values are 0.798-1.504 h-1, 6.850-12.627 g/h, 2.630-4.444 kg/(kW·h), and 2.339%-3.823%, respectively. Between the linear-type and S-type microporous aeration diffuser are the C-type and disc-type. The same law is also obtained at another depth of water. It meant that the oxygenation performance of linear-type was the best, while the lowest one was the S-type microporous aeration diffuser. It could be known that it is not the best for the oxygenation effect of the disc-type microporous diffuser, which we have chosen empirically. After the film was covered on the top of tank to cut off the air-free water surface oxygen mass transfer, the values of oxygen volumetric mass transfer coefficients of these 4 types of diffusers were decreased and the degree of descent was different, and the largest decline rates were 12.29%, 8.73%, 12.26% and 6.74%, respectively. So, the influence degree of air-free water surface oxygen transfer on different diffuser types is different. But the best oxygenation effect occurred still under linear-type microporous aeration diffuser, followed by the C-type and disc-type, and the S-type is still the lowest one. And the values of oxygen volumetric mass transfer coefficients in 0.7 m water depth of linear-type microporous aeration diffuser, C-type and disc-type and S-type are 1.693, 1.470, 1.438 and 1.227 h-1, respectively. Therefore, oxygen performance of linear-type microporous aeration diffuser is the best. Based on these conclusions, for the shallow water to oxygenate, the linear-type microporous aeration diffuser is the first to use as aeration equipment, which provides a certain reference value for us in the practical selection of microporous diffuser shape.

oxygen; sewage treatment; standard aeration efficiency; microporous aeration diffuser type; oxygen volumetric mass transfer coefficient; standard oxygen transfer rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.030

S9

A

1002-6819(2017)-16-0226-08

程香菊，謝宇寧，朱丹彤，李 然，謝 駿. 微孔擴(kuò)散器形狀對(duì)曝氣增氧性能影響的試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：226-233.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.030 http://www.tcsae.org

Cheng Xiangju, XieYuning, Zhu Dantong, Li Ran, Xie Jun. Experiment on effects of microporous diffuser types on aeration oxygenation performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 226-233. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.030 http://www.tcsae.org

2017-03-30

2017-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金“中小型受污染水庫(kù)滯水層增氧機(jī)理及效應(yīng)研究”（51579106）；水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放合作基金“微孔曝氣系統(tǒng)對(duì)水體增氧的機(jī)理及應(yīng)用”（SKHL1421）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金（CARS-46-16）

程香菊，女，四川自貢人，博士，教授，主要從事湖泊、水庫(kù)、河流、河口、水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘等的水力與水環(huán)境相關(guān)研究。廣州 華南理工大學(xué)，510641。Email：chengxiangju@scut.edu.cn