不同曝氣孔布置方式對總?cè)芙鈿怏w消散的實(shí)驗(yàn)研究

梁珈珈，楊慧霞，王云云，劉彩虹，姚元波

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

近年來，伴隨著一系列水利工程的不斷開發(fā)，給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)，其中，總?cè)芙鈿怏w過飽和(Total Dissolved Gas，簡稱TDG)就是其中不可忽視的重要問題。總?cè)芙鈿怏w過飽和是高壩在泄水時(shí)，大量的氣體隨著被泄水流被卷吸在水墊塘中，在高壓的情況下溶解于水中，使水中的溶解氣體，主要包括溶解氧(DO)、溶解氮(DN)過飽和。我國早在20世紀(jì)80年代就已監(jiān)測到TDG過飽和現(xiàn)象會(huì)對魚類的生存造成很大的威脅，促使魚類罹患“氣泡病”，直至死亡[1- 5]。為了減少水利工程對周邊河流魚類的影響，建設(shè)環(huán)境友好型工程，如何加快過飽和TDG的釋放是緩解這一問題的重要思路。

目前，國內(nèi)外針對大壩泄水引起的過飽和TDG問題的緩解措施主要分為工程措施和非工程措施。非工程措施中，汪清等[6]提到可以在下游河道內(nèi)人工養(yǎng)殖藻類可對水體中的氧氣加速消耗；Youquan Yuan[7]通過模擬植被對過飽和TDG的壁面吸附效應(yīng)，提出植被也能促進(jìn)過飽和TDG的釋放模型。

工程措施中，Hargreaves[8]曾報(bào)道過利用填料柱來降低養(yǎng)殖池中TDG濃度的方法，劉燚等[9]發(fā)現(xiàn)在風(fēng)的作用下，會(huì)引起水氣交界面下的水流速梯度增大，使水體產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng)，加大水氣界面的傳質(zhì)速率，從而加快過飽和TDG的釋放。馮鏡潔等[10]通過實(shí)驗(yàn)提出可利用阻水介質(zhì)加快過飽和TDG的釋放，但阻水介質(zhì)的存在加大了水流在河道內(nèi)的滯留時(shí)間，實(shí)際工程應(yīng)用上有待研究。牛晉蘭等[11]利用活性炭在靜水和攪拌誘導(dǎo)紊流水中進(jìn)行試驗(yàn)，得出活性炭能明顯提高TDG的消散速率。唐磊等[12]通過對瀑布溝水電站的檢測，得出水溫對過飽和TDG的溶解性起著重要的作用，因此在解決過飽和TDG釋放問題的時(shí)候，也可以把溫度的影響考慮進(jìn)去。以上這些措施有些受限于充填材料經(jīng)濟(jì)消耗較高，或是受水體及河道兩岸的自然環(huán)境條件影響較大等因素，在實(shí)際工程實(shí)施上較為困難。而最早在2001年的報(bào)告中，Murphy[13]通過以空氣和氧氣為介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)向水體中曝氣能夠加快溶解氮的釋放，并首次將廣泛應(yīng)用于污水處理中的曝氣技術(shù)應(yīng)用于降低過飽和TDG的危害中。黃鷹翰等[14]將曝氣技術(shù)應(yīng)用于過飽和溶解氧的恢復(fù)中，Yangming Ou[15]深入探究了曝氣對過飽和TDG的釋放促進(jìn)作用。在現(xiàn)有的能夠加快TDG耗散的措施當(dāng)中，結(jié)合實(shí)際情況考慮之后，曝氣技術(shù)因?yàn)槠溲b置簡單、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)以及對操作人員要求低等優(yōu)點(diǎn)，作為當(dāng)前最有可能應(yīng)用于緩解高壩過飽和TDG問題的技術(shù)。但是，在現(xiàn)有的針對過飽和TDG的曝氣技術(shù)中，大多數(shù)采用均勻曝氣或集中曝氣的方式，鮮少有考慮曝氣盤的不同布置方式對過飽和TDG傳質(zhì)影響的研究。因此，本文主要從室內(nèi)機(jī)理實(shí)驗(yàn)著手，探討曝氣盤的不同布置方式對總?cè)芙鈿怏w的釋放規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)主體裝置分為總?cè)芙鈿怏w生成裝置和釋放裝置。生成裝置主要由1.3m高，直徑為0.6m的碳素高壓密封罐體和最大流量為6m3/h、吸程為8m的水泵以及排氣量為90L/min的空氣壓縮機(jī)通過鋼管連接而成，具體如圖1所示。釋放裝置主要由長、寬、高分別為550mm×400mm×2000mm的透明亞克力水箱和曝氣盤組成，曝氣盤安裝在距離水箱底部100的位置。曝氣盤采用與水箱同種材料的亞克力板以及同等長寬的針孔曝氣盤，其盤面的針孔孔徑分別為0.6、0.9mm。

圖1 靜置曝氣水柱實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)的總?cè)芙鈿怏w濃度和溫度采用丹麥Oxyguard Handy Polaris便攜式溶氧測定儀進(jìn)行自動(dòng)測量和記錄，該儀器采用原電池法測量水體溶解氧含量，每10s儀器記錄1次數(shù)據(jù)，測量結(jié)果較為精確。

根據(jù)四川大學(xué)在2013—2016年期間對溪洛渡水電站下游TDG過飽和進(jìn)行周期性的連續(xù)觀測，得出的溶解氧和過飽和TDG的關(guān)系式如下：

y=1.1796x-16.078

(1)

式中，x—溶解氧飽和度，%；y—總?cè)芙鈿怏w飽和度，%。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，通過控制曝氣針孔布置方式、曝氣量、針孔直徑等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先利用自來水在生成裝置中制備一定條件下的過飽和TDG水體。然后將探頭預(yù)先放置于曝氣盤上部10cm處，且保持每次記錄位置不變；打開閥門，將制備的過飽和TDG水注入水箱至60cm處，測定初始的TDG濃度和水溫，記錄數(shù)據(jù)，隨后開啟空壓機(jī)進(jìn)行曝氣，通過控制流量計(jì)的閥門使曝氣量達(dá)到預(yù)設(shè)值，繼續(xù)使用儀器監(jiān)測水體的TDG濃度變化，因美國環(huán)境保護(hù)署將110%的TDG飽和度定為限定標(biāo)準(zhǔn)，所以本次實(shí)驗(yàn)在TDG濃度達(dá)到110%的情況下停止曝氣和監(jiān)測。

2.4 實(shí)驗(yàn)工況

每組實(shí)驗(yàn)均采用相同工況下制備的過飽和TDG水體，即：壓強(qiáng)為0.2MPa、水深為0.6m，以通氣量為2m3/h的情況下?lián)交?min的水體。通過改變曝氣孔的不同布置位置、曝氣量、曝氣孔徑等24組工況研究不同的曝氣布置方式對TDG釋放過程的影響，具體實(shí)驗(yàn)變量參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

為了控制其他變量一致，本次曝氣盤采用10個(gè)針孔的布置，其中，回形和角落集中曝氣方式中曝氣孔與較近邊壁的距離為50mm，水溫約為10.6℃，曝氣盤的具體布置方式如圖2所示。

圖2 曝氣盤布置方式

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 曝氣孔徑對TDG釋放的影響分析

在實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到不管哪種布置方式，氣泡在水箱中無明顯擺動(dòng)，呈現(xiàn)直線上升的態(tài)勢。根據(jù)表2可知，相同的過飽和TDG濃度水體，在相同曝氣量、曝氣水深、曝氣方式的情況下，使其TDG濃度降到110%，0.6mm孔徑的曝氣盤中只需要15～29min，而0.9mm孔徑的需要18～32min，通過對比可以看出，隨著曝氣孔徑的增大，過飽和TDG釋放效果越差。這是因?yàn)槠貧忉樋卓讖皆叫?，氣體進(jìn)入水箱后由于壓力的不平衡而形成的氣泡直徑也就越小，更小的氣泡增大了水體中氣泡的比表面積，更有利于過飽和TDG的傳質(zhì)過程。

3.2 曝氣量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)圖3—4所示的TDG飽和度與時(shí)間的關(guān)系圖可看出，在曝氣深度、曝氣孔徑相同的情況下，隨著曝氣量的增大，無論曝氣針孔是何種布置方式，TDG釋放速率都在逐漸增大，這是因?yàn)槠貧饬康脑龃螅瑫?huì)使氣泡造成的水體紊動(dòng)會(huì)更加劇烈，氣泡的表面破裂更頻繁，加快了液面更新。并且從圖3—4中看出，在低曝氣量的情況下，過飽和TDG的濃度下降到125%左右，釋放速率會(huì)有明顯的變化；在120%之前，TDG飽和度隨著時(shí)間呈現(xiàn)明顯的直線衰減趨勢；在120%之后，TDG的釋放速率有了明顯的變緩，并逐漸趨于平穩(wěn)的走向。這是由于曝氣剛開始的時(shí)候氣體和水體間的梯度較大，會(huì)加快傳質(zhì)速率，當(dāng)梯度降低之后，傳質(zhì)速率也相應(yīng)的減小，而低曝氣量下，過飽和TDG的釋放速率要略低一點(diǎn)。而在較大曝氣量的情況下，TDG下降曲線呈現(xiàn)近乎直線型。

3.3 曝氣盤的布置方式對實(shí)驗(yàn)的影響

如圖3—4所示，通過對比分析0.6mm和0.9mm孔徑的曝氣盤在60cm水深的情況下，不同針孔布置方式對TDG釋放速率的影響，可知，在實(shí)驗(yàn)的3種曝氣量下，均出現(xiàn)十字形曝氣比其他3種曝氣方式過飽和TDG釋放速度要快的情況，其中，最顯著的是d=0.9mm，Q=1m3/h的情況，十字形曝氣方式會(huì)比角落集中曝氣快1～1.5min。即在曝氣量一定的條件下，曝氣針孔的布置方式對TDG釋放速率存在一定程度的影響，按釋放效果依次為十字形曝氣、口字型曝氣、中心集中曝氣和角落集中曝氣。

圖3 d=0.6mm時(shí)的TDG飽和度與時(shí)間的關(guān)系圖

圖4 d=0.9mm時(shí)的TDG飽和度與時(shí)間的關(guān)系圖

在實(shí)驗(yàn)的4種曝氣針孔布置方式中，中心集中和角落集中型對TDG的釋放影響效果差距甚小，甚至?xí)谄貧饬枯^低的情況下，釋放曲線出現(xiàn)2種布置方式對加快TDG飽和度降低的效果一致的情況，即在橫坐標(biāo)以在分鐘的刻度的情況下不明顯，但總的來說角落集中比中心集中要慢。這是因?yàn)榻锹淦貧饩噙叡诰嚯x較近，會(huì)引起附壁效應(yīng)，使曝氣盤中的氣泡由于該效應(yīng)而在箱體邊壁附近大量聚集。雖然加快這一部分氣體在壁面的釋放，但是對于整個(gè)水箱內(nèi)部，則會(huì)引起氣體的分布不均，較遠(yuǎn)處的水體受到的擾動(dòng)較小，故角落集中這種布置方式對過飽和TDG的釋放不太理想。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在曝氣量、曝氣孔徑，曝氣深度一致的條件下，適當(dāng)優(yōu)化曝氣針孔的布置方式可以在一定程度上加快TDG過飽和水體的釋放，節(jié)約成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3.4 全因素分析

實(shí)驗(yàn)測量得出各工況下過飽和TDG隨時(shí)間變化的過程，根據(jù)美國陸軍工程兵團(tuán)的研究成果，過飽和總?cè)芙鈿怏w的釋放過程符合一階動(dòng)力學(xué)方程，即用公式表示為：

(2)

式中，G(t)—TDG飽和度，%；Geq—TDG平衡飽和度，取100%；t—時(shí)間，h；kT—過飽和TDG釋放系數(shù)，h-1。

計(jì)算得出各工況下的釋放系數(shù)及其擬合曲線的線性平方和見表3。

表3列出24組試驗(yàn)工況下的釋放系數(shù)及其線性擬合的確定系數(shù)R2均大于0.95，說明線性擬合程度較高。從表3可以看出在試驗(yàn)的這些工況中，孔徑為0.6mm，曝氣量為3m3/h的口字型曝氣中，過飽和TDG的釋放系數(shù)最大；并且在相同水深和曝氣量的情況下，對曝氣盤布置的優(yōu)化不能抵消曝氣孔徑增大對TDG釋放的不利影響；另外，無論曝氣盤是何種布置形式，曝氣量的增加，加大了水體的紊動(dòng)，加速了氣泡從水體表面溢出大氣，都能明顯的增大TDG的釋放系數(shù)，而不被其抵消。所以從各個(gè)因素對TDG釋放的影響來看，曝氣量的影響>曝氣孔徑>曝氣盤的布置方式，即曝氣量和曝氣孔徑是影響過飽和TDG釋放的主要因素。

本實(shí)驗(yàn)所探索的不同布置方式，其實(shí)質(zhì)是不同曝氣針孔的不同分散程度，十字型是將針孔盡可能分散的一種布置形式，所以建議在以后的生產(chǎn)生活實(shí)踐中，當(dāng)相同曝氣量、曝氣深度以及曝氣孔徑的情況下，盡量將針孔均勻分散布置能更好地加快過飽和TDG的釋放，更好地提高氣體的利用率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)通過曝氣盤不同的布置方式，探究出在同種工況下曝氣效果的更好布置方式，最終得出室內(nèi)靜置水柱的曝氣實(shí)驗(yàn)在不同曝氣量、不同曝氣孔徑下曝氣盤的不同布置形式對釋放系數(shù)的影響。最終得出口字形>十字型>中心曝氣>角落集中，即在曝氣的時(shí)候，為了加大氣體的利用率以及盡快加速TDG的釋放，可避免采用相對集中的曝氣形式，改用布置相對均勻的布置方法。

5 結(jié)語

本文通過曝氣實(shí)驗(yàn)，對比研究不同曝氣孔徑布置方式、曝氣量、曝氣孔徑對過飽和TDG釋放過程及釋放系數(shù)的影響。結(jié)果表明，曝氣孔徑的不同布置方式能對過飽和TDG的釋放速率造成一定的影響，并且這種影響隨著曝氣孔徑布置的均勻程度變化，呈現(xiàn)均勻程度越高，過飽和TDG釋放速率越快。

該研究為更好地加快過飽和TDG釋放提供了科學(xué)依據(jù)，今后在珍稀魚類保護(hù)區(qū)采用局部曝氣的方法降低過飽和TDG濃度時(shí)，能更大程度地利用資源，節(jié)約成本，更好地建設(shè)環(huán)境友好型工程。

本實(shí)驗(yàn)的誤差來源主要有2方面。一方面是忽略了溫度的影響。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)處于西南地區(qū)冬季，白天實(shí)驗(yàn)水體溫度在8.8～10.9℃之間變化，變化較小，忽略不考慮；另一方面是本次實(shí)驗(yàn)受水箱的規(guī)模影響。水箱截面面積具有局限性，有待進(jìn)一步推廣至較大的場地，探究出更多的相關(guān)規(guī)律。