水溫對(duì)增氧機(jī)增氧性能參數(shù)的影響研究

顧海濤，潘 磊，鐘 偉，劉興國(guó)，梁永林，韓夢(mèng)遐

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 浙江富地機(jī)械集團(tuán)，浙江 臺(tái)州 318050)

溶氧作為水產(chǎn)動(dòng)物賴以生存的重要因子，與池塘養(yǎng)殖效果好壞緊密相關(guān)[1-2]。增氧機(jī)是重要的池塘增氧設(shè)施，一方面能直接提高養(yǎng)殖水體的溶氧，確保養(yǎng)殖的魚(yú)、蝦等生物不會(huì)缺氧，保證其正常生存環(huán)境[3]；另一方面通過(guò)攪動(dòng)水體形成水流，加快物質(zhì)循環(huán)，改善池塘水質(zhì)，維持水體穩(wěn)定健康[4]。評(píng)價(jià)增氧機(jī)增氧性能的參數(shù)主要是增氧能力[5-8]，該指標(biāo)反映單位小時(shí)內(nèi)氧氣在水中溶解的總千克數(shù)；增氧機(jī)增氧能力的高低，是衡量一臺(tái)增氧機(jī)性能的主要指標(biāo)，也是養(yǎng)殖用戶確定池塘配置增氧機(jī)數(shù)量的主要依據(jù)。影響增氧機(jī)增氧能力的因素有很多，除本身型式和結(jié)構(gòu)外，還包括水體溫度[9]、大氣壓、風(fēng)力[10]、水面面積、水質(zhì)及水體深度等因素[11-17]。黃啟鋒[18-19]研究了水體溫度和大氣壓對(duì)增氧機(jī)增氧能力的影響，發(fā)現(xiàn)同一臺(tái)增氧機(jī)在水體溫度為14.5℃和29.70℃時(shí)的增氧能力相差23.1%。

本研究通過(guò)同一臺(tái)增氧機(jī)在不同水溫下的增氧性能試驗(yàn)，研究水溫對(duì)增氧機(jī)增氧性能的影響，為水產(chǎn)養(yǎng)殖用戶在不同水體溫度條件下配置增氧機(jī)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

溶氧測(cè)定儀(美國(guó)YSI公司生產(chǎn)，ProSolo型溶氧儀)，量程0～50 mg/L、5～70℃、50～110 kPa，精度±0.1 mg/L、±0.2℃、±0.2 kPa。

步入式恒溫試驗(yàn)箱(上海增達(dá)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)GDW4-75)，溫度范圍(-40～+80)℃，精度≤±2℃。

增氧機(jī)(試驗(yàn)用水車式增氧機(jī)，浙江富地機(jī)械集團(tuán)生產(chǎn))，額定功率0.75 kW，由1個(gè)浮體、2個(gè)葉輪和1個(gè)電機(jī)組成。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

1.2 試驗(yàn)方法

增氧性能試驗(yàn)需要將試驗(yàn)水體中的氧氣消除，然后啟動(dòng)增氧機(jī)進(jìn)行增氧，通過(guò)觀察水池中溶氧的上升速率來(lái)評(píng)定其增氧能力。試驗(yàn)采用無(wú)水亞硫酸鈉作為耗氧劑，氯化鈷作為催化劑，通過(guò)試水體積來(lái)計(jì)算無(wú)水亞硫酸鈉和氯化鈷的數(shù)量，之后將其均勻撒入水中，斷續(xù)啟動(dòng)增氧機(jī)攪拌均勻，觀察溶氧測(cè)定儀的溶氧讀數(shù)降至0 mg/L時(shí)，開(kāi)啟增氧機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)正式開(kāi)始。當(dāng)溶氧上升時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間間隔為1 min，當(dāng)溶氧值到達(dá)該試驗(yàn)水體的飽和溶氧的75%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)所用水池容器為立方體，水體體積可通過(guò)長(zhǎng)寬高計(jì)算出為6 m3，標(biāo)準(zhǔn)要求無(wú)水亞硫酸鈉用量一般為100 g/m3，因此無(wú)水亞硫酸鈉投入量為6×100=600 g；氯化鈷用量一般為2 g/m3，因此氯化鈷投入量為6×2=12 g。

1.3 增氧能力計(jì)算

增氧能力的測(cè)定主要依據(jù)SC/T 6009—1999《增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法》[20]，該標(biāo)準(zhǔn)的一些計(jì)算公式出自《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》[21]。

氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa(T)計(jì)算，按式(1)[20]：

(1)

式中：KLa(T)—任意水溫下的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1;t1、t2—讀數(shù)時(shí)間，min；C1、C2—t1、t2時(shí)的溶氧值，mg/L；Cs—試驗(yàn)用水飽和溶氧值，mg/L；T—試驗(yàn)用水溫度，℃。

20℃水溫時(shí)的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa(20)計(jì)算，按式(2)[20]；

(2)

式中：KLa(20)—20℃時(shí)的氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，h-1；θ—溫度校正系數(shù)，從1.016至1.047，可接受值為1.024[21]。

增氧能力Qs的計(jì)算，按式(3)[20]；

Qs=KLa(20)×V×Cs×10-3

(3)

式中：Qs—增氧能力，kg/h；V—試驗(yàn)用水體積，m3；Cs—水溫20℃時(shí)的飽和溶氧值，推薦采用9.17 mg/L。

取各個(gè)取樣點(diǎn)的Qs值的平均值作為試驗(yàn)的結(jié)果值。

2 結(jié)果

2.1 水溫與增氧能力的關(guān)系

本試驗(yàn)測(cè)試了4.3℃～28℃之間20個(gè)不同水溫下的增氧能力，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同水溫下的增氧能力Fig.2 Oxygenation capacity at different water temperatures

圖2中的增氧能力值為3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值，20個(gè)不同水體溫度試驗(yàn)結(jié)果，增氧能力最高是水溫6℃時(shí)的0.321 kg/h，最低是水溫28℃時(shí)的0.207 kg/h，水溫從6℃上升到28℃，增氧能力下降35.5%。從圖2可以看出，增氧能力隨著水體溫度的升高呈降低趨勢(shì)。

2.2 水溫和氧質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)上述公式可以計(jì)算出KLa(T)與KLa(20)的值，并繪制出KLa隨溫度變化的曲線(圖3)。從圖3可以看出，KLa(T)在10℃～25℃呈明顯上升趨勢(shì)，在25℃～28℃以上呈下降趨勢(shì)，在4℃～10℃之間雖有波動(dòng)，但整體呈上升趨勢(shì)。KLa(20)在10℃～28℃呈明顯下降趨勢(shì)，在4℃～10℃之間雖有波動(dòng)，但整體呈下降趨勢(shì)。

圖3 不同溫度下的KLa(T)與KLa(20)值Fig.3 KLa(T)and KLa(20)at different water temperatures

3 討論

3.1 水溫對(duì)增氧能力的影響

由圖2可知，當(dāng)水溫不斷降低時(shí)，其增氧能力總體呈升高趨勢(shì)。水體溫度變化，會(huì)使水分子的間隙發(fā)生變化；溫度越高，水分子之間間隙就越小，水溶解氧的能力就越差，水體中的氧甚至還會(huì)被擠出釋放到空氣中，因此導(dǎo)致同一臺(tái)增氧機(jī)，隨著水體溫度升高，增氧能力Qs值下降。其他相關(guān)研究人員也有類似結(jié)論[22-23]，黃啟鋒等[18]通過(guò)大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)檢測(cè)水溫越高，增氧能力的檢測(cè)結(jié)果越低；水溫越低則檢測(cè)結(jié)果越高。

3.2 水溫對(duì)KLa(T)值的影響

從理論角度分析，氧氣本身不易溶于水，水溫升高后，水的黏度降低，擴(kuò)散系數(shù)提高，液膜厚度隨之降低，KLa(T)增大，液相中氧的質(zhì)量濃度梯度有所下降；水溫降低，有利于氧的轉(zhuǎn)移，增氧性能較好。因此KLa(T)的溫度曲線會(huì)隨著水溫變化而變化。

另一方面，從理論上來(lái)說(shuō)，KLa(20)應(yīng)不隨水溫變化而變化，但經(jīng)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)情況并非如此，在不同水溫KLa(20)取值出現(xiàn)明顯波動(dòng)，從而導(dǎo)致最終的增氧能力Qs也隨著水溫發(fā)生變化。

3.3 水溫對(duì)溫度修正系數(shù)θ的影響

(7)

下面用數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明θ與T不呈相關(guān)關(guān)系。

上式中k為KLa(T)與T的比例系數(shù)，取圖3中12～23℃的較為線性的一段，擬合后的比例系數(shù)取k=0.04。則上式為：

(8)

由式(8)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T∈[13.7,23]時(shí)，F(xiàn)′(T)<0；T∈[12,13.7]時(shí)，F(xiàn)′(T)<0，因此F(T)在此區(qū)間內(nèi)不單調(diào)，故溫度系數(shù)θ可能不與水溫T呈相關(guān)關(guān)系。故不同的水溫應(yīng)采用不同的溫度系數(shù)θ修正，且θ不與水溫T呈明顯線性相關(guān)關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)中所有水溫均采用1.024修正顯然不合理。

根據(jù)式(7)計(jì)算了不同水溫下的θ值，如圖4所示。

圖4 θ的取值點(diǎn)分布Fig.4 Point distribution of θ

圖4中的θ值波動(dòng)較大，只能初步推測(cè)水溫在20℃以上時(shí)θ與T呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在20℃以下時(shí)無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。目前由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)太少，只能通過(guò)圖形推測(cè)這一結(jié)論，后續(xù)需要大量的試驗(yàn)研究與論證。另外發(fā)現(xiàn)θ取值范圍在[0.999,1.014]中，這與《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》[21]中取值范圍不同，與《增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法》[20]中采用的1.024更是相差不少，如果用1.024進(jìn)行修正會(huì)出現(xiàn)過(guò)度修正現(xiàn)象。因此可以認(rèn)為溫度校正系數(shù)θ的取值有可能是造成檢測(cè)結(jié)果差別較大的原因之一。

3.4 水溫對(duì)飽和溶氧Cs的影響

4 結(jié)論

不同水溫對(duì)同一臺(tái)增氧機(jī)增氧能力的試驗(yàn)結(jié)果造成較大影響，在低溫下增氧性能好，在高溫下增氧性能差。如果條件允許，建議在水溫為20℃時(shí)進(jìn)行增氧性能試驗(yàn)，結(jié)果最為準(zhǔn)確。若在其他溫度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需進(jìn)行溫度修正，但筆者認(rèn)為修正系數(shù)θ不宜采用標(biāo)準(zhǔn)中的1.024，而是在[0.999,1.014]之間選取。本研究?jī)H考慮水體溫度對(duì)增氧機(jī)增氧能力的影響，其他因素對(duì)增氧能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響需要進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

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