水溫對增氧機增氧性能參數的影響研究

顧海濤，潘 磊，鐘 偉，劉興國，梁永林，韓夢遐

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 浙江富地機械集團，浙江 臺州 318050)

溶氧作為水產動物賴以生存的重要因子，與池塘養殖效果好壞緊密相關[1-2]。增氧機是重要的池塘增氧設施，一方面能直接提高養殖水體的溶氧，確保養殖的魚、蝦等生物不會缺氧，保證其正常生存環境[3]；另一方面通過攪動水體形成水流，加快物質循環，改善池塘水質，維持水體穩定健康[4]。評價增氧機增氧性能的參數主要是增氧能力[5-8]，該指標反映單位小時內氧氣在水中溶解的總千克數；增氧機增氧能力的高低，是衡量一臺增氧機性能的主要指標，也是養殖用戶確定池塘配置增氧機數量的主要依據。影響增氧機增氧能力的因素有很多，除本身型式和結構外，還包括水體溫度[9]、大氣壓、風力[10]、水面面積、水質及水體深度等因素[11-17]。黃啟鋒[18-19]研究了水體溫度和大氣壓對增氧機增氧能力的影響，發現同一臺增氧機在水體溫度為14.5℃和29.70℃時的增氧能力相差23.1%。

本研究通過同一臺增氧機在不同水溫下的增氧性能試驗，研究水溫對增氧機增氧性能的影響，為水產養殖用戶在不同水體溫度條件下配置增氧機提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置設計

溶氧測定儀(美國YSI公司生產，ProSolo型溶氧儀)，量程0～50 mg/L、5～70℃、50～110 kPa，精度±0.1 mg/L、±0.2℃、±0.2 kPa。

步入式恒溫試驗箱(上海增達環境試驗設備有限公司生產，型號GDW4-75)，溫度范圍(-40～+80)℃，精度≤±2℃。

增氧機(試驗用水車式增氧機，浙江富地機械集團生產)，額定功率0.75 kW，由1個浮體、2個葉輪和1個電機組成。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

1.2 試驗方法

增氧性能試驗需要將試驗水體中的氧氣消除，然后啟動增氧機進行增氧，通過觀察水池中溶氧的上升速率來評定其增氧能力。試驗采用無水亞硫酸鈉作為耗氧劑，氯化鈷作為催化劑，通過試水體積來計算無水亞硫酸鈉和氯化鈷的數量，之后將其均勻撒入水中，斷續啟動增氧機攪拌均勻，觀察溶氧測定儀的溶氧讀數降至0 mg/L時，開啟增氧機持續運轉，試驗正式開始。當溶氧上升時開始記錄數據，記錄時間間隔為1 min，當溶氧值到達該試驗水體的飽和溶氧的75%時，試驗結束。

試驗所用水池容器為立方體，水體體積可通過長寬高計算出為6 m3，標準要求無水亞硫酸鈉用量一般為100 g/m3，因此無水亞硫酸鈉投入量為6×100=600 g；氯化鈷用量一般為2 g/m3，因此氯化鈷投入量為6×2=12 g。

1.3 增氧能力計算

增氧能力的測定主要依據SC/T 6009—1999《增氧機增氧能力試驗方法》[20]，該標準的一些計算公式出自《水和廢水標準檢驗法》[21]。

氧質量轉移系數KLa(T)計算，按式(1)[20]：

(1)

式中：KLa(T)—任意水溫下的氧質量轉移系數，h-1;t1、t2—讀數時間，min；C1、C2—t1、t2時的溶氧值，mg/L；Cs—試驗用水飽和溶氧值，mg/L；T—試驗用水溫度，℃。

20℃水溫時的氧質量轉移系數KLa(20)計算，按式(2)[20]；

(2)

式中：KLa(20)—20℃時的氧質量轉移系數，h-1；θ—溫度校正系數，從1.016至1.047，可接受值為1.024[21]。

增氧能力Qs的計算，按式(3)[20]；

Qs=KLa(20)×V×Cs×10-3

(3)

式中：Qs—增氧能力，kg/h；V—試驗用水體積，m3；Cs—水溫20℃時的飽和溶氧值，推薦采用9.17 mg/L。

取各個取樣點的Qs值的平均值作為試驗的結果值。

2 結果

2.1 水溫與增氧能力的關系

本試驗測試了4.3℃～28℃之間20個不同水溫下的增氧能力，結果如圖2所示。

圖2 不同水溫下的增氧能力Fig.2 Oxygenation capacity at different water temperatures

圖2中的增氧能力值為3個測點的平均值，20個不同水體溫度試驗結果，增氧能力最高是水溫6℃時的0.321 kg/h，最低是水溫28℃時的0.207 kg/h，水溫從6℃上升到28℃，增氧能力下降35.5%。從圖2可以看出，增氧能力隨著水體溫度的升高呈降低趨勢。

2.2 水溫和氧質量轉移系數的關系

根據上述公式可以計算出KLa(T)與KLa(20)的值，并繪制出KLa隨溫度變化的曲線(圖3)。從圖3可以看出，KLa(T)在10℃～25℃呈明顯上升趨勢，在25℃～28℃以上呈下降趨勢，在4℃～10℃之間雖有波動，但整體呈上升趨勢。KLa(20)在10℃～28℃呈明顯下降趨勢，在4℃～10℃之間雖有波動，但整體呈下降趨勢。

圖3 不同溫度下的KLa(T)與KLa(20)值Fig.3 KLa(T)and KLa(20)at different water temperatures

3 討論

3.1 水溫對增氧能力的影響

由圖2可知，當水溫不斷降低時，其增氧能力總體呈升高趨勢。水體溫度變化，會使水分子的間隙發生變化；溫度越高，水分子之間間隙就越小，水溶解氧的能力就越差，水體中的氧甚至還會被擠出釋放到空氣中，因此導致同一臺增氧機，隨著水體溫度升高，增氧能力Qs值下降。其他相關研究人員也有類似結論[22-23]，黃啟鋒等[18]通過大量的試驗研究發現檢測水溫越高，增氧能力的檢測結果越低；水溫越低則檢測結果越高。

3.2 水溫對KLa(T)值的影響

從理論角度分析，氧氣本身不易溶于水，水溫升高后，水的黏度降低，擴散系數提高，液膜厚度隨之降低，KLa(T)增大，液相中氧的質量濃度梯度有所下降；水溫降低，有利于氧的轉移，增氧性能較好。因此KLa(T)的溫度曲線會隨著水溫變化而變化。

另一方面，從理論上來說，KLa(20)應不隨水溫變化而變化，但經數據分析后發現情況并非如此，在不同水溫KLa(20)取值出現明顯波動，從而導致最終的增氧能力Qs也隨著水溫發生變化。

3.3 水溫對溫度修正系數θ的影響

(7)

下面用數學推導證明θ與T不呈相關關系。

上式中k為KLa(T)與T的比例系數，取圖3中12～23℃的較為線性的一段，擬合后的比例系數取k=0.04。則上式為：

(8)

由式(8)可發現，當T∈[13.7,23]時，F′(T)<0；T∈[12,13.7]時，F′(T)<0，因此F(T)在此區間內不單調，故溫度系數θ可能不與水溫T呈相關關系。故不同的水溫應采用不同的溫度系數θ修正，且θ不與水溫T呈明顯線性相關關系，標準中所有水溫均采用1.024修正顯然不合理。

根據式(7)計算了不同水溫下的θ值，如圖4所示。

圖4 θ的取值點分布Fig.4 Point distribution of θ

圖4中的θ值波動較大，只能初步推測水溫在20℃以上時θ與T呈負相關關系，但在20℃以下時無明顯相關關系。目前由于試驗數據太少，只能通過圖形推測這一結論，后續需要大量的試驗研究與論證。另外發現θ取值范圍在[0.999,1.014]中，這與《水和廢水標準檢驗法》[21]中取值范圍不同，與《增氧機增氧能力試驗方法》[20]中采用的1.024更是相差不少，如果用1.024進行修正會出現過度修正現象。因此可以認為溫度校正系數θ的取值有可能是造成檢測結果差別較大的原因之一。

3.4 水溫對飽和溶氧Cs的影響

4 結論

不同水溫對同一臺增氧機增氧能力的試驗結果造成較大影響，在低溫下增氧性能好，在高溫下增氧性能差。如果條件允許，建議在水溫為20℃時進行增氧性能試驗，結果最為準確。若在其他溫度進行試驗時，需進行溫度修正，但筆者認為修正系數θ不宜采用標準中的1.024，而是在[0.999,1.014]之間選取。本研究僅考慮水體溫度對增氧機增氧能力的影響，其他因素對增氧能力實驗結果的影響需要進行進一步試驗。

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