灌溉殺菌用旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置

張愛習，趙麗茶，張彥奇，畢云鐸，常向陽，滕慧穎

（1.國家半干旱農業工程技術研究中心，石家莊050051；2.河北供水有限責任公司石家莊管理處，石家莊050000；3.河北省農業機械鑒定總站，石家莊050031；4.石家莊熙海科技開發有限公司，石家莊050051）

國外，美國地下水公司最早開展了利用臭氧水灌溉消除土壤污染的研究。國內，中山大學李艷芬就臭氧灌溉進行了初步研究[1]，安丘植物保護站孫洪全開展了臭氧水灌溉防治根線蟲的研究。國內雖有一些臭氧灌溉的單項研究，但未見有關臭氧混合泵及臭氧混合泵裝置研究的報道。有關臭氧混合設備和技術的研究，主要圍繞提高臭氧混合效率展開，先后經歷了曝氣頭、曝氣塔、水射器和臭氧混合泵四代產品，混合效率從2%、5%～20%、5%～40%，提高到60%～80%(臭氧混合泵)[2-10]，本研究將臭氧混合效率從60%～80% 提高到了85.10%。一代產品曝氣頭混合效率太低(2%左右)，臭氧水濃度太低(0.1 mg/L 以下)；二代產品曝氣塔混合效率較低(5%～20%)，體積過大，造價過高；三代產品水射器利用文丘里原理，處理量5～100 m3/h，混合效率30%～40%；四代產品臭氧混合泵，利用開式旋渦泵的氣液混合輸送特性[11]，混合效率達到60%～80%。

本研究在開式旋渦泵基礎上，再在旋渦泵出口流道內先設置一個帶有部分圓球狀凹坑（蜂窩）的正旋螺旋葉片，再設置一個反向旋螺旋葉片，組成臭氧混合泵裝置，將臭氧混合效率從60%-80%提高到85.10%。

1 材料與方法

1.1 臭氧混合泵裝置的結構

臭氧混合泵裝置由帶進氣管的開式旋渦泵[12,13]和蜂窩式正螺旋靜態混合器和蜂窩式反螺旋靜態混合器[14]組合而成(見圖1)。臭氧混合泵水力部分由進水口、進氣管、壓水室、開式旋渦葉輪和出水口組成。

蜂窩式正反螺旋靜態混合器，由正向螺旋葉片和反向螺旋葉片[15,16]組成，并內置于開式旋渦泵的壓水室出水流道內部。螺旋葉片的正反表面均制有部分圓球狀凹坑。蜂窩式正反螺旋靜態混合器的葉片，由正向旋轉葉片和反向旋轉葉片及軸芯組成(見圖2)。螺旋葉片的表面均制有部分球狀凹坑，凹坑均勻分布于葉片的正反表面(見圖3)。

圖2 蜂窩式正反螺旋靜態混合器葉片

圖3 葉片表面的蜂窩結構圖

蜂窩結構是按照一定規律均勻分布于正反螺旋葉片的正反表面的凹坑，蜂窩形狀為圓球的少半部分（見圖3）。

1.2 技術原理

旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置利用旋渦泵的開式葉輪所具有的氣液混輸特性，在開式旋渦泵吸入口到葉輪之間的吸入通道中設置吸入氣體的進氣管，用于在吸入水的同時吸入臭氧氣體，開式葉輪強制氣體與液體反復混合。在葉輪與泵出口之間的壓水室出口通道上，依次設置帶有蜂窩式正反螺旋葉片的靜態混合器葉片。正反螺旋靜態混合器葉片實現氣液兩相的分割、翻轉、剪切和再混合，強化氣液混合。靜態混合器的正反葉片的正反兩面都廣泛均布有形狀為部分球狀凹坑的蜂窩。當氣液混合物通過時，在蜂窩處產生廣泛的渦流使氣體和液體進一步充分接觸，進一步混合。

1.2.1 旋渦泵的基本工作原理

（1）閉式旋渦泵的工作原理：旋渦泵通過葉輪葉片把能量傳遞給流道內的液體，這種通過三維流動的動量交換傳遞能量過程，在整個泵的流道內重復多次，因此旋渦泵具有其他葉片泵所不可能達到的高揚程[11]。圖4 是液體在閉式旋渦泵內的運動示意圖。

圖4 液體在閉式旋渦泵內運動示意圖

（2）開式旋渦泵的工作原理。開式旋渦泵去掉了閉式旋渦泵葉輪兩側葉片之間的分隔板[12]（見圖5），工作原理與閉式旋渦泵工作原理類似，所不同的是可以氣液混合輸送[13]。

圖5 液體在開式旋渦泵內運動示意圖

1.2.2 開式旋渦泵氣液混合輸送原理

開式旋渦泵具有良好的氣液混輸特性，可以大量吸入氣體。在開式旋渦泵內部依靠旋渦作用，實現氣液的反復接觸，強制混合。旋渦泵的高壓力使得可溶性氣體在水中的溶解率得到提高。旋渦泵的高速旋轉和反復的縱向旋渦作用，使得剪切率和剪切力提高，氣液接觸頻率提高，氣液混合速度提高，氣液混合效率大幅度提高。

1.2.3 蜂窩式正反螺旋靜態混合器混合原理

在蜂窩式螺旋靜態混合器中，通過正反靜態混合器產生強制切割、旋轉、翻轉和重新混合，氣液反復碰撞接觸，使得臭氧和水的接觸時間增加、接觸面積增加。這樣使得混合泵裝置的氣液混輸特性與一般混合泵和其他混合設備相比得到了大幅度的提高。

葉片上的蜂窩結構破壞層流底層（見圖6），加劇靜態混合器螺旋葉片表面局部旋渦的形成，使氣液混合機會進一步增加，混合效率進一步提高。

圖6 靜態混合器螺旋表面的微漩渦

1.2.4 旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的工作原理

前面分別敘述了閉式旋渦泵工作原理、開式旋渦泵的工作原理和蜂窩式正反螺旋旋靜態混合器的工作原理，旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的工作原理可以用框圖的形式表達，框圖分兩個層面，分別從結構和原理層面表達了旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的結構和工作原理特點（見圖7）。

圖7 旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置結構和工作原理框圖

1.3 臭氧混合泵裝置的性能

經實驗，裝有蜂窩式正反螺旋靜態混合器的臭氧混合泵裝置與普通臭氧混合泵相比，臭氧混合效率提高了5.10～25.10個百分點，臭氧水濃度提高了5～10 mg/L，額定點臭氧水濃度提高了2.91～7.91 mg/L。蜂窩式靜態混合器規格參數見表1。

表1 正反螺旋靜態混合器和蜂窩式正反螺旋靜態混合器規格參數表

開式旋渦泵裝配上表面設有部分球狀圓坑的蜂窩式正反螺旋靜態混合器，組成旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置，其性能參數比較見表2。

表2 裝有蜂窩式正反螺旋靜態混合器的臭氧混合泵裝置與普通臭氧混合泵性能參數比較表

1.4 臭氧混合泵裝置的應用

本裝置主要用于農業、林業、牧業、工業、民用、醫藥、衛生、食品、化工和環境保護等領域的各種濃度臭氧水制取，特別是用于高濃度臭氧水的制取，為臭氧水灌溉殺菌提供高性能設備。本裝置也可用于CO2等氣體與水的高效混合，滿足相關領域的需求。

2 結果與分析

2.1 混合裝置性能提高

通過在開式旋渦泵出口內置帶有部分圓球狀蜂窩的正反螺旋靜態混合器，提高了臭氧混合效率和臭氧水濃度。無正反螺旋靜態混合器的臭氧混合泵、有正反螺旋靜態混合器無蜂窩的臭氧混合泵裝置和有蜂窩式正反螺旋靜態混合器的臭氧混合泵裝置在額定點的臭氧混合效率顯著提高，臭氧水濃度液顯著提高（見表3）。

表3 臭氧混合泵與有蜂窩和無蜂窩的臭氧混合泵裝置的性能比較

2.2 在農業中使用效果

在農業領域使用臭氧混合泵裝置制取不同濃度的臭氧水，進行灌溉殺菌，可以有效防治土傳病害和空傳病害，有效防治蟲害，給土壤消毒，消除土壤污染，增加土壤含氧率，促進作物生長，實現了增產、提質、增收、增效，減少了農藥用量，消除了土壤中的化肥農藥殘留等污染，有利于環境保護。

旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置還可用于CO2與水的混合，在農業和林業上可以將工業排放的CO2收集起來，與水混合后通過噴霧作為農業和林業作物光合作用的原料，促進作物生長，增加產量。

3 結論

本文針對臭氧水灌溉殺菌中存在的臭氧水制取成本過高的問題，論述了灌溉殺菌用旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的原理、結構、性能和及應用。此裝置采用開式旋渦泵加蜂窩式正反螺旋靜態混合器的混合原理，臭氧混合效率顯著提高，臭氧水濃度顯著提高，臭氧水制取成本大幅度下降，解決了臭氧水利用中的設備龐大、臭氧利用率低、臭氧水制取成本過高等問題，為臭氧水在農業等領域推廣應用提供技術和設備保證。