微孔曝氣式增氧機的性能及應用效果

顧海濤,劉興國,何雅萍,龍麗娜

(1中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室,上海200092; 2國家漁業機械儀器質量監督檢驗中心,上海200092)

微孔曝氣式增氧機的性能及應用效果

顧海濤1,2,劉興國1,何雅萍1,2,龍麗娜1

(1中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室,上海200092; 2國家漁業機械儀器質量監督檢驗中心,上海200092)

為研究微孔曝氣增氧機的增氧性能和池塘應用效果,按照標準規定的方法進行了增氧性能的試驗和不同水深對增氧性能影響的試驗,并在池塘中進行應用效果的試驗。結果顯示:微孔曝氣式增氧機具有比葉輪式增氧機等增氧機更強的增氧能力,但不同配置的機型,增氧能力隨配套功率和曝氣管長度的增加而增強,動力效率則呈明顯下降趨勢;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%,動力效率增加207%,與其它養殖池塘機械增氧設備相比,池塘水體越深,微孔曝氣式增氣機的增氧優勢越明顯。目前,池塘采用微孔曝氣式增氧機的配置方式不具優勢,需要改進提升。

微孔曝氣增氧機;增氧能力;動力效率;應用效果

微孔曝氣增氧機是廢水好氧生物處理工藝中的關鍵設備,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程提供充足的氧氣[1-2]。該工藝目前在城市污水和工業廢水處理中廣泛應用。近年來,隨著“高產、優質、高效、生態、安全”養殖要求的不斷提高,精細化、集約化養殖成為水產養殖關注的重點[3]。水體中的溶氧含量影響水產養殖,特別是在高密度養殖情況下,溶氧是水產養殖中的關鍵因素之一[4-5]。

目前,國內養殖池塘多為老舊池塘,水體靜止或流動性差,存在著水域面積小、易污染、水環境容量小、水體自凈能力差等問題;另外,養殖對象的排泄物也極易造成水中懸浮物增多、濁度增大、有機物和細菌的含量增高[6]。因此,養殖生產需要使用增氧設備以改善水質。微孔曝氣增氧機是其中的一種新設備[7-8]。除了具有一定的增氧功能外,微孔曝氣增氧機還具有改善水質、降低水溫及噪聲低的特點,其改善水環境的作用受到用戶歡迎。雖然微孔曝氣增氧在環保水處理領域有很多研究,并建立了成熟的使用模式,但對池塘養殖增氧效果的研究報道較少。由于水產養殖水體與城市污水和工業廢水有較大的差異,目前對其使用效果的爭議較多,褒貶不一[9]。

本研究以國家漁業機械儀器質量監督檢驗中心對微孔曝氣式增氧機在實驗室的試驗數據及池塘應用試驗的結果,對微孔曝氣式增氧機的性能和應用效果進行了分析研究,探討其在池塘養殖中的實際應用效果,為水產養殖用戶正確使用微孔曝氣式增氧機提供指導。

1 材料與方法

1.1實驗室測試

(1)增氧性能。試驗按照行業標準[10]規定的方法進行。試驗水池為標準增氧機試驗水池,直徑10 m,水體體積125 m3,水深1.8 m,試驗用水為清水(自來水)。主要檢測儀器為YSI58型溶氧儀和計算機自動數據采集系統。試驗設3臺試驗樣機。樣機1:配套功率3.0 kW,風機額定風壓30 kPa,額定風量2.42 m3/min,曝氣管總長度500 m。樣機2:配套功率5.5 kW,風機額定風壓30 kPa,額定風量5.95 m3/min,曝氣管總長度900 m。樣機3:配套功率為7.5 kW,風機額定風壓為30 kPa,額定風量為7.7 m3/min,曝氣管總長度為1 200 m。3臺樣機均采用內徑8 mm、外徑15 mm的曝氣管。

(2)水深對增氧性能的影響。本試驗數據取自國家漁業機械儀器質量監督檢驗中心受理的委托試驗結果。試驗樣品為長度1m的橡膠膜微孔曝氣管,方法是將溶氧儀探頭的布放按標準要求布置在方形水池對角線交點的垂線上,深度分別為池內水面下 0.5 m、1/2水深處和池底以上0.5 m處。試驗按照相關標準[11]要求在曝氣前先調節水池水深,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)并充分攪拌,使水體初始DO質量濃度接近0。之后進行增氧,記錄溶氧質量濃度隨增氧時間的變化數據,并根據獲得的試驗數據,按標準規定計算出各自的增氧能力(qc)。試驗設定2 m、3 m和4 m共3組不同水深。

1.2 池塘應用效果

本試驗數據取自農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室開放課題《增氧機性能比較研究》的試驗結果。試驗地點為池塘生態工程中試基地1號魚塘,魚塘長100m,寬50m,深1.8～2.0m,養殖品種為團頭魴,養殖密度約為 1 500尾/ 667 m2。試驗時池塘水體的透明度約為 16～ 18 mm。樣機為上海風根壓縮機有限公司生產的,配套功率2.2 kW的微孔曝氣式增氧機,曝氣管單根有效長度45m,共8根,總長度340 m。測點布置距曝氣管1 m處,2個探頭布置在距池塘底部0.3 m和1.5 m處。試驗時天氣為陰天,氣溫19.5～18.0℃,水溫20.1℃,氣壓102.7 kPa。試驗時每3 min記錄1次水中的溶氧值,中午12: 10開始,15:05結束。

1.3 數據處理

曝氣和增氧過程均為傳質過程。在氧由氣相向液相轉移過程中,阻力主要來自液膜。液膜內氧傳遞微分方程[7]:

經積分整理后為:

式中:Cs—標準狀態下水中飽和溶氧值,mg/L; C—時間為t時水中實際溶氧值,mg/L;t—增氧時間,min;KLa—曝氣器在測試條件下的氧總轉移系數,1/min。

標準狀態(20℃水溫,1個標準大氣壓)下,氧轉移系數KLa(20)=KLa·1.02420-T,式中,KLa(20)為20℃水溫條件下的氧轉移系數(1/min);T為水溫(℃)。

式中:qc—增氧能力,kg/h;KLa(20)—曝氣器在20℃下的氧總轉移系數,1/min;V—試驗水體體積,m3;Cs(20)—標準狀態(20℃)下的水中飽和溶氧值,mg/L。

式中:Es—動力效率,kg/(kW·h);N—實測輸入功率,kW。

2 結果與分析

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進行試驗,試驗結果顯示,當增氧能力分別為11.75、13.38和14.23 kg/h時,對應的動力效率分別為3.6、2.1和1.7 kg/(kW· h)。結果表明,隨著曝氣管長度配置和配套功率的增加,增氧能力分別增加113.9%和121.1%,動力效率下降了41.7%和52.8%。

2.2 水深對增氧性能的影響

試驗水深設定為2、3和4 m,通氣量2 m3/h。試驗結果顯示,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,動力效率增加 165%,增加 2 m,動力效率增加了207%。

2.3 池塘應用效果

根據實測數據(圖1),曝氣式增氧機屬面增氧形式,運行時整個養殖水域上下層水體溶氧值均有緩慢同步上升,運轉起始至175 min內,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,每小時溶氧增加值均為0.2 mg/h左右。試驗開始時上下層水中溶氧值差值為0.84 mg/L,到試驗結束時差值為0.87 mg/L,整個試驗過程中溶氧值曲線幾乎成等間距變化?？梢娖貧馐皆鲅鯔C對水體沒有攪拌作用[12],運行時對整個水體增氧均勻,但較緩慢。

圖1 池塘應用效果試驗Fig.1 Pond application effect test

3 討論

3.1 微孔曝氣式增氧機具有較強的增氧功能

谷堅等[7]研究認為,在清水池中微孔曝氣的增氧能力、動力效率分別高出葉輪式增氧機82%和84%。本試驗選取的3臺曝氣式增氧機中,配套功率3kW的增氧能力達到11.75 kg/h。與同樣配套功率葉輪式增氧機的增氧能力10年的統計最高值為4.99 kg/h[13]比較,前者的增氧能力是后者的2.35倍,明顯高于養殖池塘廣泛使用的葉輪式增氧機。試驗結果顯示,3臺曝氣增氧機的增氧能力隨配套功率和曝氣長度的增加而增加,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。本次試驗結果同時顯示,動力效率隨著配套功率和曝氣長度的增加而降低,試驗中配套功率7.5 kW曝氣式增氧機的動力效率為1.7 kg/(kW·h),僅為配套功率3 kW的動力效率的47.2%,接近葉輪式增氧機動力效率1.5kg/(kW·h)左右的水平[14]。以上試驗結果表明:微孔曝氣式增氧機比目前養殖池塘普遍使用的葉輪式等其它形式的增氧機具有更強的增氧能力[15],但不同配置的機型,其增氧能力隨配套功率和曝氣管長度的增加而增強,然而其動力效率呈明顯下降趨勢。

3.2 增加曝氣管布置深度可以提高增氧性能

湯利華等[16]研究發現水深對氧轉移系數有影響,從而對傳氧速率有較大的影響;另一些研究[17-19]認為,增氧能力隨曝氣器浸沒深度的增大而提高。本試驗結果驗證,在通氣量和水深恒定時,工作水深2、3和 4 m時,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。結果顯示,曝氣管浸沒深度對增氧性能有明顯的影響,并呈線性遞增關系;增氧能力和動力效率隨浸沒水深增大而快速提高。分析認為,由于水深增加,增大了氧分壓,進而增大了傳質推動力[20]。此外,水深增加使得氣泡在水中停留時間延長,有利于氧的傳質[14]。結果表明: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%,動力效率增加207%;與其它傳統養殖池塘增氧設備比較,池塘水體深度越深,曝氣式曝氣機的增氧能力強的優勢越明顯。

3.3 在池塘中應用微孔曝氣式增氧機增氧性能并不具優勢

增氧能力的高低關系到對池塘的增氧效果[21]。實驗室增氧性能的試驗結果顯示,微孔曝氣式增氧機的增氧性能高于葉輪式等其他形式的增氧機;然而池塘應用效果試驗顯示,經過175 min運轉,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,每小時對池塘水體的增氧量僅為0.2mg/L左右,微孔曝氣式增氧機對池塘的增氧能力并不明顯。因為水體中溶氧量呈現出從上到下垂直遞減的狀態,曝氣增氧過程不具有攪拌能力[12],不能帶動水體流動使上下層水體進行交換。試驗結果顯示,整個試驗過程中,池塘水體上下層的溶氧值差異幾乎保持不變。呂海新[22]研究認為風機的功率和管道布管的密度大大影響微孔曝氣式增氧機的增氧能力。池塘應用試驗的結果表明,本次試驗采用的配置方式,微孔曝氣式增氧機在水深為2 m左右的池塘中應用,其增氧性能與傳統葉輪式增氧機相比,并不具有優勢。

4 結論

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

綜合本文的分析和上述結論,微孔曝氣式增氧機是一種具有很強增氧能力的增氧設備,特別在水深超過2m時增氧性能優勢明顯。然而作為養殖池塘的增氧設備,在配置和運用上還要進行大量的試驗和研究。

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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

標準化池塘養殖水質改良關鍵設備研發與優化(滬農科攻字(2014)第6-3號)

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