摘要： 為了研究不同葉片偏角協(xié)同影響下倒傘曝氣機(jī)的充氧性能，制作了葉片數(shù)量、形狀等相同，但具有不同徑向偏角和軸向偏角（迎水角）的曝氣機(jī)葉輪，并對這4種不同型號的倒傘曝氣機(jī)葉輪充氧性能進(jìn)行了對比試驗(yàn).結(jié)果表明：測試工況下，曝氣機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC、動(dòng)力效率ES與葉輪轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系.不同葉輪徑向偏角和迎水角的倒傘曝氣機(jī)葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量和動(dòng)力效率不同，在75 r/min電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，無徑向偏角和迎水角的1#葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量和動(dòng)力效率最大，分別為3.81 kgO2/h和1.51 kgO2/（kW·h）.電動(dòng)機(jī)幾乎滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，帶有一定徑向偏角的2#葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量和動(dòng)力效率最佳，分別為5.27 kgO2/h和1.82 kgO2/（kW·h）.實(shí)際污水廠一般配置1臺恒速和數(shù)臺變頻調(diào)速曝氣機(jī)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)建議恒速曝氣機(jī)選用具有一定徑向偏角的2#類型葉輪，變頻調(diào)速曝氣機(jī)選用不設(shè)置徑向偏角和迎水角的1#直葉片葉輪.

關(guān)鍵詞： 倒傘曝氣機(jī)；徑向偏角；迎水角；轉(zhuǎn)速；電動(dòng)機(jī)負(fù)荷；標(biāo)準(zhǔn)充氧量；動(dòng)力效率

中圖分類號： X703.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674-8530（2025）04-0364-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.24.0092

陳立愛，勾全增，侯紅勛，等.倒傘曝氣機(jī)不同葉片偏角對充氧性能的影響［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2025，43（4）：364-370，394.

CHEN Liai， GOU Quanzeng， HOU Hongxun， et al. Effect of different blade deflection angles on oxygenation performance of inverted umbrella aerator［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2025，43（4）：364-370，394.（in Chinese）

Effect of different blade deflection angles on oxygenation

performance of inverted umbrella aerator

CHEN Liai1*， GOU Quanzeng2， HOU Hongxun2， CHEN Song1， WANG Dagui1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui 230601， China; 2. CECEP Guozhen Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Hefei， Anhui 230088， China）

Abstract： In order to study the oxygenation performance of inverted umbrella aerators under the synergistic influence of different blade deflection angles， aerator impellers with the same number and shape of blades but different radial deflection angles and axial deflection angles were manufactured， and the oxygenation performance of four different types of inverted umbrella aerator impellers were compared." The results show that under the test conditions， there exists a positive correlation between the motor power， standard oxygenation capacity SOC， and dynamic efficiency ES of the inverted umbrella aerators. For impellers with the same blade shape but different radial deflection angle and axial deflection angle， SOC and ES of the inverted umbrella aerator show significant differences. When the motor load is low at 75 r/min， the impeller （type 1#） with no radial deflection angle and no angle of attack possesses the maximum SOC and ES， which are approximately 3.81 kgO2/h and 1.51 kgO2/（kW·h）， respectively. When the motor is running at almost full load， the impeller with certain radial deflection angles （type 2#） possesses the best SOC and power efficiency ES， which are approximately 5.27 kgO2/h and 1.82 kgO2/（kW·h）， respectively. In practical applications within wastewater treatment plants， one constant-speed inverted umbrella aerator and several variable-frequency inverted umbrella aerators are generally configured. To achieve the goal of energy conservation and reduced operational costs， it is recommended to use an impeller of type 2# with a certain radial deflection angle for the constant-speed inverted umbrella aerator， and an impeller of type 1# without radial deflection angle and angle of attack for the variable-frequency inverted umbrella aerator.

Key words： inverted umbrella aerator;radial deflection angle;angle of attack;rotational speed;motor load;standard oxygenation capacity;dynamic efficiency

隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，水污染已成為制約中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素［1-3］.污水處理在保障人類健康、維護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方面至關(guān)重要［4-5］.倒傘形表面曝氣機(jī)是部分氧化溝工藝污水處理廠［6］的核心處理設(shè)備［7］，其工作原理是通過曝氣機(jī)葉片的不停旋轉(zhuǎn)，以不同的途徑向污水中注入空氣，使空氣中的氧溶入水中［8］，以提升污水中的氧含量.氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和動(dòng)力效率是衡量曝氣設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)，其值越大，代表曝氣機(jī)攪拌所帶來的氧傳質(zhì)性能越佳，且消耗的功率相對較低［9］.已有的研究主要通過改變?nèi)~片形狀、數(shù)量、運(yùn)行工況等來改善氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和充氧動(dòng)力效率.

BHUYAR等［10］設(shè)計(jì)了一種彎曲葉片的表面曝氣機(jī)，通過改變曝氣機(jī)的速度、浸泡深度和葉尖角等參數(shù)，找出不同結(jié)構(gòu)的曝氣機(jī)氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和動(dòng)力效率的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果證明葉尖角47°時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大程度的氧轉(zhuǎn)移.LI等［11］基于CFD仿真和試驗(yàn)，研究了6種不同形狀的葉片在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模曝氣攪拌反應(yīng)器中對氣液混合質(zhì)量和氧傳質(zhì)的影響，并對比了不同葉片的功率消耗，結(jié)果顯示折葉和Rushton葉片的氧傳質(zhì)效果優(yōu)于其他葉片，但相應(yīng)的功率輸入也更高.TIAN等［12］通過在曝氣機(jī)葉輪上安裝葉尖小翼使部分流過頂部縫隙的流動(dòng)受到抑制，以提高葉輪的性能.ADEL等［13］通過試驗(yàn)比較了3，6，9和12個(gè)葉片的彎曲葉片葉輪的標(biāo)準(zhǔn)充氧動(dòng)力效率，結(jié)果表明優(yōu)化配置后9個(gè)葉片的曝氣機(jī)充氧動(dòng)力效率最高.另外，劉厚林等［14］、DEVI等［15］也從改變?nèi)~片數(shù)量和形狀的角度對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和動(dòng)力效率進(jìn)行了研究.

曝氣機(jī)葉輪的浸沒深度、運(yùn)行速度等參數(shù)也會(huì)帶來氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和充氧動(dòng)力效率的改變，從而影響倒傘曝氣機(jī)的曝氣性能［16-19］.除此之外，葉片的不同安裝角度同樣影響氧的傳質(zhì)和充氧動(dòng)力效率.明加意等［20］基于CFD仿真探究了直葉片和傾斜葉片對倒傘曝氣機(jī)性能的影響，并獲得了不同葉片形狀倒傘曝氣機(jī)驅(qū)動(dòng)下氧化溝的氣相體積分?jǐn)?shù).潘哲等［21］對某公司生產(chǎn)的幾種倒傘表面曝氣機(jī)的充氧能力進(jìn)行了深入的比較研究，分析了葉片安裝角度對充氧能力的影響，認(rèn)為葉片角度的改變不利于提高葉輪的充氧性能.PRAKASH等［22］研究了標(biāo)準(zhǔn)斜葉片渦輪的葉片角度（30°，45°和60°）對氣含率的影響以及功耗，結(jié)果表明葉片角度從30°增加到60°使混合液氣含率和功耗增加.目前研究表明，不同葉片角度對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和充氧動(dòng)力效率產(chǎn)生一定影響，但缺乏關(guān)于倒傘曝氣機(jī)的葉片不同偏角協(xié)同影響下氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和充氧動(dòng)力效率的研究.文中以上述研究為基礎(chǔ)，制作葉片形狀相同、徑向偏角和軸向偏角不同的4種不同型號曝氣機(jī)葉輪，并采用非穩(wěn)態(tài)間歇曝氣法測試相同運(yùn)行參數(shù)下，具有不同偏角葉輪的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率等參數(shù)，評價(jià)不同型號曝氣機(jī)對曝氣池中氧傳遞能力的影響，為倒傘曝氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)對象

文中以某科技公司生產(chǎn)的倒傘曝氣機(jī)葉輪為原型，基于相似原理制作了葉輪直徑為800 mm的倒傘曝氣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn).倒傘曝氣機(jī)由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、葉片等組成，其基本結(jié)構(gòu)見圖1，電動(dòng)機(jī)額定功率為3 kW，額定電流為6.7 A，減速機(jī)傳動(dòng)比為91∶1.

圖2為倒傘曝氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)圖，圖中α為徑向偏角，即葉片在徑向的偏移角度；β為迎水角，即葉片在軸向的偏移角度.曝氣機(jī)葉輪由葉片、壓水板、中心板等組成，葉片直徑D=800 mm，葉片高度H=240 mm，葉片夾角θ=102.8°，葉片下邊緣間距d=450 mm.試驗(yàn)中保持電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、葉輪直徑、葉片形狀等設(shè)備和參數(shù)不變，僅改變?nèi)~輪偏角制作了4種型號的葉輪實(shí)物，即1#，2#，3#，4#，其α分別為0°，10°，0°，10°，β分別為0°，0°，8°，8°，如圖3所示.

1.2 測試裝置

倒傘曝氣機(jī)充氧性能現(xiàn)場試驗(yàn)臺如圖4所示，測試水池為全鋼結(jié)構(gòu)，位于合肥市某污水處理廠，其長、寬、高分別為5.0，4.0，1.2 m，曝氣機(jī)固定于水池中間，以葉輪中間壓板處為曝氣機(jī)浸沒深度0 mm刻度線，每次測試保持水體體積相同，同時(shí)為避免浸沒深度對葉輪充氧性能的影響，測試葉輪安裝時(shí)均保持浸沒深度為0 mm.

1.3 測試儀器

試驗(yàn)選用德國產(chǎn)WTW Oxi 3310便攜式溶解氧測定儀，精度等級0.01，含成套Cell325-10電極.采用華盛昌生產(chǎn)的電流電壓數(shù)據(jù)記錄儀，型號為DT-175CV1，測量電流精度為2～200 A，基本誤差±2%，電壓測量范圍6～600 V，基本誤差為±2%.采用型號為DM2349的非接觸式轉(zhuǎn)速儀，分辨率為0.1 r/min.

2 測試方案及計(jì)算方法

2.1 測試方案

測試方案分2步：① 測試曝氣池及水體體積保持不變，以1#直葉片倒傘曝氣機(jī)為研究對象，在浸沒深度為0 mm的情況下，測試了69，74，83，87，93 r/min的標(biāo)準(zhǔn)充氧量和動(dòng)力效率，明確轉(zhuǎn)速與標(biāo)準(zhǔn)充氧量及動(dòng)力效率的關(guān)系；② 在試驗(yàn)方案一曝氣池、浸沒深度保持不變的前提下，測試4種不同型號倒傘曝氣機(jī)在相同轉(zhuǎn)速和相同負(fù)荷電流情況下的充氧性能.文中不研究浸沒深度對倒傘曝氣機(jī)葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量和動(dòng)力效率的影響，因此在試驗(yàn)過程中保持所有葉輪浸沒深度為0 mm進(jìn)行測試，對比相同液位高度下的倒傘曝氣機(jī)充氧性能.

2.2 測試方法

測試水體為自來水，采用非穩(wěn)態(tài)間歇曝氣法，測試過程中水體不進(jìn)不出，為消除自來水中溶解氧對測試結(jié)果的影響，向曝氣池中投入工業(yè)用亞硫酸鈉和六水合氯化鈷進(jìn)行水體脫氧.測定池中原水的溶解氧質(zhì)量濃度為10.08 mg/L，根據(jù)曝氣池有效容積Veff計(jì)算亞硫酸鈉和六水合氯化鈷的投入量（見表1），用約60 ℃左右的溫水在溶藥罐內(nèi)充分溶解所有藥劑后，均勻?yàn)⒂谌乇砻?，并慢速開啟倒傘攪拌約5～10 min，待液體中溶解氧為0時(shí)，穩(wěn)定3 min后開始測定.溶解氧儀提前0.5 h開啟進(jìn)行預(yù)熱且按要求進(jìn)行標(biāo)定，并放置于葉輪外邊緣和曝氣池內(nèi)壁中間的水深一半處進(jìn)行測試.開始測試后，當(dāng)15 min內(nèi)溶解氧濃度基本保持不變，測定儀讀數(shù)不再上升時(shí)停止曝氣，即完成1組工況的充氧測試.

2.3 曝氣設(shè)備性能參數(shù)計(jì)算方法

采用氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES對曝氣機(jī)的充氧性能進(jìn)行評價(jià)［23］.氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa是指曝氣充氧過程中氧由氣相向液相的轉(zhuǎn)移速率，是評價(jià)曝氣設(shè)備充氧性能的重要參數(shù)，同時(shí)也是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)充氧量、動(dòng)力效率的最基本參數(shù)［16］.KLa值與曝氣設(shè)備本身性能密切相關(guān)，除此之外還與水溫、水質(zhì)、氧分壓、曝氣作用區(qū)的浸沒深度等參數(shù)相關(guān)，由于試驗(yàn)中采用清水做測試，因此水質(zhì)影響不作考慮.標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC是指曝氣設(shè)備在1個(gè)大氣壓、溫度20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單位時(shí)間向溶解氧濃度為0的水中傳遞的氧量，其值與測試水量和氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa有關(guān)；動(dòng)力效率ES是指曝氣設(shè)備在測試工況下消耗單位電能向溶解氧為0的水中傳遞的氧量［13］.

在測試中根據(jù)記錄曝氣時(shí)間t和t時(shí)刻水中的溶解氧質(zhì)量濃度CL，并基于式（1）計(jì)算測試水體的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa.為消除溫度對氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響，根據(jù)試驗(yàn)條件下的溫度將氧轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa進(jìn)行修正得到氧標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa20［23-24］.

ln（CS－CL）=ln CS－KLa·t，（1）

式中：CS為水中飽和溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L.

KLa20=KLa·1.024（20-T），（2）

式中：T為測試水溫，℃.

進(jìn)而根據(jù)式（3），（4）計(jì)算倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES.

SOC=KLa20·V·CS20，（3）

ES=SOC/P，（4）

式中：P為電動(dòng)機(jī)功率，kW;CS20為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水中飽和溶解氧質(zhì)量濃度，mg/L，取CS20=9.17 mg/L;V為測試水量，m3.

電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率λ計(jì)算：根據(jù)電壓電流記錄儀讀數(shù)得到負(fù)荷電流，繼而根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算.

λ =IaI0×100%，（5）

式中：Ia為負(fù)荷電流，A；I0為額定電流，A.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 葉輪轉(zhuǎn)速對倒傘曝氣機(jī)充氧性能的影響

以1#葉輪為測試對象，保持浸沒深度為0 mm，測試5種轉(zhuǎn)速下的電動(dòng)機(jī)功率、氧標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa20、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES，試驗(yàn)測試結(jié)果及倒傘曝氣機(jī)充氧性能隨葉輪轉(zhuǎn)速n的變化規(guī)律如圖5所示.

利用最小二乘回歸分析法對不同轉(zhuǎn)速時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率、氧標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa20、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES進(jìn)行擬合，其擬合的R2分別為0.994 4，0.994 4，0.948 2，0.908 0.說明隨著曝氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速由65 r/min提升到98 r/min，電動(dòng)機(jī)功率線性增加，至98 r/min時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率約為100%，即1#葉輪已經(jīng)達(dá)到最大的工作能力.在浸沒深度0 mm情況下，氧標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa20和標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC與轉(zhuǎn)速同樣呈正相關(guān)關(guān)系，且回歸分析法擬合精度非常高.原因在于隨著葉輪轉(zhuǎn)速增加，水體流動(dòng)的湍流強(qiáng)度增加，水體的液膜厚度減小，加速了自由液面的氧傳質(zhì)過程.同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增加，曝氣葉輪的軸向提升能力增強(qiáng)，從而使曝氣機(jī)葉輪攪起的水體水躍高度和散布半徑擴(kuò)大，增加了液體和空氣的接觸面積，同樣有利于增強(qiáng)氧傳質(zhì)能力.動(dòng)力效率ES隨著轉(zhuǎn)速提升逐漸增大，但是回歸法擬合直線的精度有所下降（R2=0.900 0），原因在于隨著電動(dòng)機(jī)功率的增加，水中溶解氧含量逐漸飽和，標(biāo)準(zhǔn)充氧量增加趨勢變緩，動(dòng)力效率ES會(huì)先達(dá)到最高值繼而逐漸減小，這說明倒傘曝氣機(jī)的動(dòng)力效率ES會(huì)存在電動(dòng)機(jī)功率和標(biāo)準(zhǔn)充氧量的最佳匹配，曝氣機(jī)在此工況點(diǎn)工作可達(dá)到較好的節(jié)能效果.

3.2 不同葉輪偏角對充氧性能的影響

3.2.1 相同轉(zhuǎn)速下不同葉輪偏角對充氧性能的影響

不同型號的倒傘曝氣機(jī)在浸沒深度0 mm、葉輪轉(zhuǎn)速為75 r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電流Ia、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES的測試結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知，當(dāng)不同型號的葉輪轉(zhuǎn)速相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷不同.1#葉輪的負(fù)荷電流最大為5.62 A，此時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率為86%，標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES也最大.3#葉輪的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES與1#相比分別下降0.20 kgO2/h，0.06 kgO2/（kW·h），但電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率幾乎相同.2#和4#葉輪的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率為77%和70%，標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES與最大的1#葉輪相比大幅下降，尤其是4#葉輪幾乎下降了50.00%.說明相同的75 r/min轉(zhuǎn)速情況下，徑向偏角α和迎水角β為0°的1#葉輪電動(dòng)機(jī)負(fù)荷最大，但同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES也最大.即若不考慮電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，倒傘曝氣機(jī)葉輪工作在75 r/min時(shí)，不建議設(shè)置徑向偏角和迎水角，更有利于氧的傳質(zhì).這是因?yàn)榈箓闫貧鈾C(jī)工作原理與Rushton槳有相似之處，Rushton槳直葉片攪拌下氧傳質(zhì)效率比彎曲葉片高［15，25］，即在轉(zhuǎn)速相同的情況下，直葉片在葉輪區(qū)產(chǎn)生徑向射流，最大速度出現(xiàn)在葉片端部［26］，從而使葉輪端部附近的流動(dòng)較傾斜葉片劇烈，水平射流在流動(dòng)過程中夾帶周圍流體形成更劇烈的水躍現(xiàn)象，從而使得直葉片攪拌下的氧傳質(zhì)效率更高.而設(shè)置偏角的葉片在主體循環(huán)中具有產(chǎn)生軸流槳的特性［27］，將更多能量用于曝氣池內(nèi)水體的推流作用，減少了液體與空氣的接觸.

3.2.2 相同負(fù)荷下不同葉輪偏角對充氧性能的影響

不同型號的倒傘曝氣機(jī)在液位高度0 mm，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率97%時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES測試結(jié)果如圖7，8所示.

由圖7，8可知，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷相同情況下不同結(jié)構(gòu)的葉輪轉(zhuǎn)速不同，由于標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES與葉輪轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，使得標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES也產(chǎn)生了較大差異.此種工況下，1#和2#葉輪的轉(zhuǎn)速相同，但是具有一定徑向偏角α的2#葉輪具有最大的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES，比1#葉輪的動(dòng)力效率ES高12.00%.3#葉輪轉(zhuǎn)速最低為82 r/min，與2#相比在標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC幾乎相當(dāng)?shù)那闆r下，動(dòng)力效率ES差別較大；與1#相比標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC相差0.56 kgO2/h，動(dòng)力效率ES差別僅有0.06 kgO2/（kW·h），說明迎水角β的設(shè)置對標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC影響較小，卻帶來功耗的增加.4#葉輪的轉(zhuǎn)速最高，但標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES與2#相比差別較大，進(jìn)一步說明曝氣機(jī)設(shè)置了迎水角β不利于曝氣機(jī)葉輪充氧性能的提升，即從充氧性能的角度考慮曝氣機(jī)葉輪不建議設(shè)置迎水角β.原因在于倒傘曝氣機(jī)設(shè)置了導(dǎo)流輻板［21，28］，在葉片面積相同的情況下2#導(dǎo)流輻板面積最大，并且葉輪工作速度較高時(shí)，水體在葉片邊緣處由于葉輪旋轉(zhuǎn)速度、水體相對于葉片的徑向速度、水流沿導(dǎo)流輻板的向上運(yùn)行速度等合成的最終合體速度較其他葉片高，則葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)打出的水花多且分散，使氣液接觸面增加，有利于氧的傳質(zhì).而迎水角的設(shè)置減弱了葉片對流體的上述作用，降低了氧傳質(zhì)速率，最終不利于曝氣機(jī)充氧性能的提升.

3.3 不同葉輪轉(zhuǎn)速下偏角對曝氣機(jī)充氧性能的影響

根據(jù)上述分析，設(shè)置葉輪迎水角β不利于曝氣機(jī)充氧性能的改善，因此本部分只分析1#和2#葉輪.對2種測試方案下倒傘曝氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES進(jìn)行整理，如表2所示.

由表3可見，在曝氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速由75 r/min提升到98 r/min的過程中，1#曝氣機(jī)葉輪的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES提升率小于2#葉輪，1#葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES增長了21.26%和7.95%，2#葉輪的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES增長了114.22%和65.45%.原因在于曝氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速為75 r/min時(shí)，由于徑向偏角α的設(shè)置改變了水流的方向，雖然水體沿葉片曲面邊沿甩向空中，但由于轉(zhuǎn)速較低并沒有形成較大的水躍和葉輪背部負(fù)壓，曝氣機(jī)的無效功率較大，從而使電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)1#曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES均高于2#，分別為3.81 kgO2/h和1.51 kgO2/（kW·h）.隨著轉(zhuǎn)速的提升，當(dāng)2#葉輪工作在98 r/min時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)對水體的離心推流作用使其產(chǎn)生了大量的水花噴射，增加了水躍半徑，擴(kuò)大了水體與空氣的接觸面積.另外，葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的葉輪背部負(fù)壓促進(jìn)了倒傘下方水體的提升，加快了液面的更替，從而使混合液充分曝氣，最終使曝氣機(jī)的充氧性能較1#曝氣機(jī)大幅提升，標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES分別達(dá)到5.27 kgO2/h和1.82 kgO2/（kW·h）.

實(shí)際污水廠氧化溝中進(jìn)行倒傘曝氣機(jī)選型及布置時(shí)，需要根據(jù)氧化溝的需氧量、曝氣機(jī)動(dòng)力效率值、功率密度進(jìn)行，一般配置1臺恒速和數(shù)臺變頻調(diào)速曝氣機(jī)，并要求恒速和變頻調(diào)速2種驅(qū)動(dòng)模式的設(shè)備可單獨(dú)或組合使用，以實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速適應(yīng)水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)的節(jié)能降耗［28］，此時(shí)氧化溝內(nèi)變頻調(diào)速曝氣機(jī)可以在程序控制下自動(dòng)停止或切換到較低的轉(zhuǎn)速.因此要求變頻調(diào)速曝氣機(jī)輸出功率可在25％～100％調(diào)節(jié)［28］，以滿足氧化溝內(nèi)所需的充氧量和渠道流速.

從節(jié)能的角度考慮希望曝氣機(jī)速度減小即電動(dòng)機(jī)負(fù)荷下降時(shí)，曝氣機(jī)葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量和動(dòng)力效率變化較小.通過前述分析發(fā)現(xiàn)不設(shè)置徑向偏角和迎水角的1#類型直葉片葉輪滿足此要求，因此變頻調(diào)速曝氣機(jī)建議選擇1#類型直葉片葉輪.恒速工作的倒傘曝氣機(jī)一般均為滿負(fù)荷工作，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建議選用帶有一定徑向偏角的2#類型葉輪，原因在于電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)，2#類型葉輪與其他相比具有最大的標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES.在今后進(jìn)行倒傘曝氣機(jī)的設(shè)計(jì)和選型時(shí)，建議參考此結(jié)論以達(dá)到最佳的節(jié)能降耗效果.

4 結(jié) 論

通過改變倒傘曝氣機(jī)葉片徑向偏角α和迎水角β，探討了4種不同型號的葉片對倒傘曝氣機(jī)充氧性能的影響，結(jié)論如下：

1） 電動(dòng)機(jī)功率3 kW，水體體積22 m3，倒傘曝氣機(jī)葉輪直徑800 mm的測試工況下，曝氣機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率、標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC、動(dòng)力效率ES與葉輪轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系.

2） 不同型號的倒傘曝氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES因測試工況不同而不同.在浸沒深度為0 mm的情況下，在75 r/min電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，1#直葉片葉輪的曝氣性能最佳，標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC為3.81 kgO2/h，動(dòng)力效率ES為1.51 kgO2/（kW·h）；在電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大的情況下，具有一定徑向偏角的2#曝氣機(jī)葉輪標(biāo)準(zhǔn)充氧量SOC和動(dòng)力效率ES最佳，分別為5.27 kgO2/h和1.82 kgO2/（kW·h）.

3） 考慮到污水處理廠水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)的節(jié)能降耗，實(shí)際曝氣機(jī)選型、配置時(shí)一般設(shè)置1臺恒速和數(shù)臺變頻調(diào)速曝氣機(jī)，對于恒速曝氣機(jī)，建議選用具有一定徑向偏角的2#葉輪，對于變頻調(diào)速曝氣機(jī)，建議選用不設(shè)置徑向偏角和迎水角的1#直葉片葉輪.

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（責(zé)任編輯 朱漪云）

收稿日期： 2024-05-21； 修回日期： 2024-07-31； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2025-04-01

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20250331.1902.004

基金項(xiàng)目： 水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2015ZX07218001）；安徽省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（2022AH040044）

第一作者簡介： 陳立愛（1982—），女，河北衡水人，副教授（通信作者，liaichen842@163.com），主要從事水污染過程控制與關(guān)鍵設(shè)備故障診斷研究.

第二作者簡介： 勾全增（1979—），男，吉林四平人，高級工程師（gqz2520@163.com），主要從事水污染過程控制研究.