顧海濤,劉興國(guó),何雅萍,龍麗娜

(1中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092; 2國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,上海200092)

微孔曝氣式增氧機(jī)的性能及應(yīng)用效果

顧海濤1,2,劉興國(guó)1,何雅萍1,2,龍麗娜1

(1中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092; 2國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,上海200092)

為研究微孔曝氣增氧機(jī)的增氧性能和池塘應(yīng)用效果,按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行了增氧性能的試驗(yàn)和不同水深對(duì)增氧性能影響的試驗(yàn),并在池塘中進(jìn)行應(yīng)用效果的試驗(yàn)。結(jié)果顯示:微孔曝氣式增氧機(jī)具有比葉輪式增氧機(jī)等增氧機(jī)更強(qiáng)的增氧能力,但不同配置的機(jī)型,增氧能力隨配套功率和曝氣管長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng),動(dòng)力效率則呈明顯下降趨勢(shì);增加曝氣管布置深度可以提高增氧性能,安裝深度從2 m增加到4m,增氧能力增加285%,動(dòng)力效率增加207%,與其它養(yǎng)殖池塘機(jī)械增氧設(shè)備相比,池塘水體越深,微孔曝氣式增氣機(jī)的增氧優(yōu)勢(shì)越明顯。目前,池塘采用微孔曝氣式增氧機(jī)的配置方式不具優(yōu)勢(shì),需要改進(jìn)提升。

微孔曝氣增氧機(jī);增氧能力;動(dòng)力效率;應(yīng)用效果

微孔曝氣增氧機(jī)是廢水好氧生物處理工藝中的關(guān)鍵設(shè)備,其主要作用是將空氣中的氧溶解到廢水與活性污泥混合液中,為好氧微生物降解污染物過(guò)程提供充足的氧氣[1-2]。該工藝目前在城市污水和工業(yè)廢水處理中廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”養(yǎng)殖要求的不斷提高,精細(xì)化、集約化養(yǎng)殖成為水產(chǎn)養(yǎng)殖關(guān)注的重點(diǎn)[3]。水體中的溶氧含量影響水產(chǎn)養(yǎng)殖,特別是在高密度養(yǎng)殖情況下,溶氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的關(guān)鍵因素之一[4-5]。

目前,國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖池塘多為老舊池塘,水體靜止或流動(dòng)性差,存在著水域面積小、易污染、水環(huán)境容量小、水體自?xún)裟芰Σ畹葐?wèn)題;另外,養(yǎng)殖對(duì)象的排泄物也極易造成水中懸浮物增多、濁度增大、有機(jī)物和細(xì)菌的含量增高[6]。因此,養(yǎng)殖生產(chǎn)需要使用增氧設(shè)備以改善水質(zhì)。微孔曝氣增氧機(jī)是其中的一種新設(shè)備[7-8]。除了具有一定的增氧功能外,微孔曝氣增氧機(jī)還具有改善水質(zhì)、降低水溫及噪聲低的特點(diǎn),其改善水環(huán)境的作用受到用戶(hù)歡迎。雖然微孔曝氣增氧在環(huán)保水處理領(lǐng)域有很多研究,并建立了成熟的使用模式,但對(duì)池塘養(yǎng)殖增氧效果的研究報(bào)道較少。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖水體與城市污水和工業(yè)廢水有較大的差異,目前對(duì)其使用效果的爭(zhēng)議較多,褒貶不一[9]。

本研究以國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)微孔曝氣式增氧機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及池塘應(yīng)用試驗(yàn)的結(jié)果,對(duì)微孔曝氣式增氧機(jī)的性能和應(yīng)用效果進(jìn)行了分析研究,探討其在池塘養(yǎng)殖中的實(shí)際應(yīng)用效果,為水產(chǎn)養(yǎng)殖用戶(hù)正確使用微孔曝氣式增氧機(jī)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

(1)增氧性能。試驗(yàn)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定的方法進(jìn)行。試驗(yàn)水池為標(biāo)準(zhǔn)增氧機(jī)試驗(yàn)水池,直徑10 m,水體體積125 m3,水深1.8 m,試驗(yàn)用水為清水(自來(lái)水)。主要檢測(cè)儀器為YSI58型溶氧儀和計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)設(shè)3臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)1:配套功率3.0 kW,風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓30 kPa,額定風(fēng)量2.42 m3/min,曝氣管總長(zhǎng)度500 m。樣機(jī)2:配套功率5.5 kW,風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓30 kPa,額定風(fēng)量5.95 m3/min,曝氣管總長(zhǎng)度900 m。樣機(jī)3:配套功率為7.5 kW,風(fēng)機(jī)額定風(fēng)壓為30 kPa,額定風(fēng)量為7.7 m3/min,曝氣管總長(zhǎng)度為1 200 m。3臺(tái)樣機(jī)均采用內(nèi)徑8 mm、外徑15 mm的曝氣管。

(2)水深對(duì)增氧性能的影響。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心受理的委托試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)樣品為長(zhǎng)度1m的橡膠膜微孔曝氣管,方法是將溶氧儀探頭的布放按標(biāo)準(zhǔn)要求布置在方形水池對(duì)角線交點(diǎn)的垂線上,深度分別為池內(nèi)水面下 0.5 m、1/2水深處和池底以上0.5 m處。試驗(yàn)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]要求在曝氣前先調(diào)節(jié)水池水深,在水體中加入一定量的亞硫酸鈉(Na2SO3)溶液和催化劑氯化鈷(CoCl2)并充分?jǐn)嚢?使水體初始DO質(zhì)量濃度接近0。之后進(jìn)行增氧,記錄溶氧質(zhì)量濃度隨增氧時(shí)間的變化數(shù)據(jù),并根據(jù)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù),按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算出各自的增氧能力(qc)。試驗(yàn)設(shè)定2 m、3 m和4 m共3組不同水深。

1.2 池塘應(yīng)用效果

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)取自農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題《增氧機(jī)性能比較研究》的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)地點(diǎn)為池塘生態(tài)工程中試基地1號(hào)魚(yú)塘,魚(yú)塘長(zhǎng)100m,寬50m,深1.8～2.0m,養(yǎng)殖品種為團(tuán)頭魴,養(yǎng)殖密度約為 1 500尾/ 667 m2。試驗(yàn)時(shí)池塘水體的透明度約為 16～ 18 mm。樣機(jī)為上海風(fēng)根壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的,配套功率2.2 kW的微孔曝氣式增氧機(jī),曝氣管單根有效長(zhǎng)度45m,共8根,總長(zhǎng)度340 m。測(cè)點(diǎn)布置距曝氣管1 m處,2個(gè)探頭布置在距池塘底部0.3 m和1.5 m處。試驗(yàn)時(shí)天氣為陰天,氣溫19.5～18.0℃,水溫20.1℃,氣壓102.7 kPa。試驗(yàn)時(shí)每3 min記錄1次水中的溶氧值,中午12: 10開(kāi)始,15:05結(jié)束。

1.3 數(shù)據(jù)處理

曝氣和增氧過(guò)程均為傳質(zhì)過(guò)程。在氧由氣相向液相轉(zhuǎn)移過(guò)程中,阻力主要來(lái)自液膜。液膜內(nèi)氧傳遞微分方程[7]:

經(jīng)積分整理后為:

式中:Cs—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水中飽和溶氧值,mg/L; C—時(shí)間為t時(shí)水中實(shí)際溶氧值,mg/L;t—增氧時(shí)間,min;KLa—曝氣器在測(cè)試條件下的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù),1/min。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20℃水溫,1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下,氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa(20)=KLa·1.02420-T,式中,KLa(20)為20℃水溫條件下的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)(1/min);T為水溫(℃)。

式中:qc—增氧能力,kg/h;KLa(20)—曝氣器在20℃下的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù),1/min;V—試驗(yàn)水體體積,m3;Cs(20)—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20℃)下的水中飽和溶氧值,mg/L。

式中:Es—?jiǎng)恿π?kg/(kW·h);N—實(shí)測(cè)輸入功率,kW。

2 結(jié)果與分析

2.1 增氧性能

采用配套功率分別為3.0、5.5和7.5 kW的微孔曝氣式增氧機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)增氧能力分別為11.75、13.38和14.23 kg/h時(shí),對(duì)應(yīng)的動(dòng)力效率分別為3.6、2.1和1.7 kg/(kW· h)。結(jié)果表明,隨著曝氣管長(zhǎng)度配置和配套功率的增加,增氧能力分別增加113.9%和121.1%,動(dòng)力效率下降了41.7%和52.8%。

2.2 水深對(duì)增氧性能的影響

試驗(yàn)水深設(shè)定為2、3和4 m,通氣量2 m3/h。試驗(yàn)結(jié)果顯示,3種水深的增氧能力分別為0.054、0.106和 0.154 kg/h。工作水深增加 1 m,增氧能力增加196%;增加2 m,增氧能力增加了285%。3種水深的動(dòng)力效率分別為2.58、4.26和5.36 kg/(kW·h)。工作水深增加1 m,動(dòng)力效率增加 165%,增加 2 m,動(dòng)力效率增加了207%。

2.3 池塘應(yīng)用效果

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖1),曝氣式增氧機(jī)屬面增氧形式,運(yùn)行時(shí)整個(gè)養(yǎng)殖水域上下層水體溶氧值均有緩慢同步上升,運(yùn)轉(zhuǎn)起始至175 min內(nèi),上層水體溶氧值由6.88 mg/L上升至7.52 mg/L,下層水體溶氧值由6.04 mg/L上升至6.65 mg/L,每小時(shí)溶氧增加值均為0.2 mg/h左右。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)上下層水中溶氧值差值為0.84 mg/L,到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)差值為0.87 mg/L,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中溶氧值曲線幾乎成等間距變化?？梢?jiàn)曝氣式增氧機(jī)對(duì)水體沒(méi)有攪拌作用[12],運(yùn)行時(shí)對(duì)整個(gè)水體增氧均勻,但較緩慢。

圖1 池塘應(yīng)用效果試驗(yàn)Fig.1 Pond application effect test

3 討論

3.1 微孔曝氣式增氧機(jī)具有較強(qiáng)的增氧功能

谷堅(jiān)等[7]研究認(rèn)為,在清水池中微孔曝氣的增氧能力、動(dòng)力效率分別高出葉輪式增氧機(jī)82%和84%。本試驗(yàn)選取的3臺(tái)曝氣式增氧機(jī)中,配套功率3kW的增氧能力達(dá)到11.75 kg/h。與同樣配套功率葉輪式增氧機(jī)的增氧能力10年的統(tǒng)計(jì)最高值為4.99 kg/h[13]比較,前者的增氧能力是后者的2.35倍,明顯高于養(yǎng)殖池塘廣泛使用的葉輪式增氧機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,3臺(tái)曝氣增氧機(jī)的增氧能力隨配套功率和曝氣長(zhǎng)度的增加而增加,但并非成等比例增加,配套功率增加2.5倍,增氧能力僅增加1.2倍。本次試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)顯示,動(dòng)力效率隨著配套功率和曝氣長(zhǎng)度的增加而降低,試驗(yàn)中配套功率7.5 kW曝氣式增氧機(jī)的動(dòng)力效率為1.7 kg/(kW·h),僅為配套功率3 kW的動(dòng)力效率的47.2%,接近葉輪式增氧機(jī)動(dòng)力效率1.5kg/(kW·h)左右的水平[14]。以上試驗(yàn)結(jié)果表明:微孔曝氣式增氧機(jī)比目前養(yǎng)殖池塘普遍使用的葉輪式等其它形式的增氧機(jī)具有更強(qiáng)的增氧能力[15],但不同配置的機(jī)型,其增氧能力隨配套功率和曝氣管長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng),然而其動(dòng)力效率呈明顯下降趨勢(shì)。

3.2 增加曝氣管布置深度可以提高增氧性能

湯利華等[16]研究發(fā)現(xiàn)水深對(duì)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)有影響,從而對(duì)傳氧速率有較大的影響;另一些研究[17-19]認(rèn)為,增氧能力隨曝氣器浸沒(méi)深度的增大而提高。本試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,在通氣量和水深恒定時(shí),工作水深2、3和 4 m時(shí),增氧能力分別為0.054、0.106和0.154 kg/h;增氧能力隨工作水深增加而提高。結(jié)果顯示,曝氣管浸沒(méi)深度對(duì)增氧性能有明顯的影響,并呈線性遞增關(guān)系;增氧能力和動(dòng)力效率隨浸沒(méi)水深增大而快速提高。分析認(rèn)為,由于水深增加,增大了氧分壓,進(jìn)而增大了傳質(zhì)推動(dòng)力[20]。此外,水深增加使得氣泡在水中停留時(shí)間延長(zhǎng),有利于氧的傳質(zhì)[14]。結(jié)果表明:增加曝氣管布置深度可以提高增氧性能,安裝深度從2 m增加到4 m,增氧能力提高285%,動(dòng)力效率增加207%;與其它傳統(tǒng)養(yǎng)殖池塘增氧設(shè)備比較,池塘水體深度越深,曝氣式曝氣機(jī)的增氧能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)越明顯。

3.3 在池塘中應(yīng)用微孔曝氣式增氧機(jī)增氧性能并不具優(yōu)勢(shì)

增氧能力的高低關(guān)系到對(duì)池塘的增氧效果[21]。實(shí)驗(yàn)室增氧性能的試驗(yàn)結(jié)果顯示,微孔曝氣式增氧機(jī)的增氧性能高于葉輪式等其他形式的增氧機(jī);然而池塘應(yīng)用效果試驗(yàn)顯示,經(jīng)過(guò)175 min運(yùn)轉(zhuǎn),池塘上層和下層水體的溶氧值分別上升0.61 mg/L和0.64 mg/L,每小時(shí)對(duì)池塘水體的增氧量?jī)H為0.2mg/L左右,微孔曝氣式增氧機(jī)對(duì)池塘的增氧能力并不明顯。因?yàn)樗w中溶氧量呈現(xiàn)出從上到下垂直遞減的狀態(tài),曝氣增氧過(guò)程不具有攪拌能力[12],不能帶動(dòng)水體流動(dòng)使上下層水體進(jìn)行交換。試驗(yàn)結(jié)果顯示,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,池塘水體上下層的溶氧值差異幾乎保持不變。呂海新[22]研究認(rèn)為風(fēng)機(jī)的功率和管道布管的密度大大影響微孔曝氣式增氧機(jī)的增氧能力。池塘應(yīng)用試驗(yàn)的結(jié)果表明,本次試驗(yàn)采用的配置方式,微孔曝氣式增氧機(jī)在水深為2 m左右的池塘中應(yīng)用,其增氧性能與傳統(tǒng)葉輪式增氧機(jī)相比,并不具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)微孔曝氣式增氧機(jī)具有比其它形式增氧機(jī)更強(qiáng)的增氧能力,增氧能力隨配套功率和曝氣管長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng),但其動(dòng)力效率呈明顯下降趨勢(shì);(2)增加曝氣管布置深度可以大大提高增氧能力和動(dòng)力效率,因此微孔曝氣式增氧機(jī)在深水池塘增氧能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)更明顯;(3)目前池塘采用的微孔曝氣式增氧機(jī)的配置方式,在深約2m池塘中的增氧性能并不具有優(yōu)勢(shì)。

綜合本文的分析和上述結(jié)論,微孔曝氣式增氧機(jī)是一種具有很強(qiáng)增氧能力的增氧設(shè)備,特別在水深超過(guò)2m時(shí)增氧性能優(yōu)勢(shì)明顯。然而作為養(yǎng)殖池塘的增氧設(shè)備,在配置和運(yùn)用上還要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和研究。

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Performance and application effects of microporous aerators

GU Haitao1,2,LIU Xingguo1,HE Yaping1,2,LONG Lina1
(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering,Ministry ofAgriculture,Shanghai 200092,China; 2 National Quality Supervision and Inspection Center of Fishery Machinery and Instrument,Shanghai200092,China)

In order to study the aeration performance and pond application effects of microporous aerators,test of aeration performance,test of effects of differentwater depth on aeration performance and test of application effects in the pond are respectively conducted according to methods specified in the standard.The results show thatmicroporous aerators have greater aeration capacity than impeller aerators and other ones,but among different configurations,the aeration capacity increases with the matching power and pipe length,while the power efficiency decreases significantly.The aeration performance can be improved by increasing pipe installation depth,for example,if the installation depth is increased from 2 m to 4 m,the aeration capacity will increase by 285%and the power efficiency by 207%;compared with othermechanical aeration,the deeper the water in the pond is,themore obvious the aeration advantage of the aerator is.At present,the configuration of microporous aerators has no advantage and needs to be improved.

microporous aerator;aeration capacity;power efficiency;application effect

S969.32

A

1007-9580(2017)03-025-04

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.004

2017-04-05

標(biāo)準(zhǔn)化池塘養(yǎng)殖水質(zhì)改良關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)與優(yōu)化(滬農(nóng)科攻字(2014)第6-3號(hào))

顧海濤(1967—),男,高級(jí)工程師,研究方向:漁業(yè)裝備檢測(cè)與試驗(yàn)方法研究。E-mail:guhaitao@fmiri.ac.cn