黑臭水體增氧設(shè)備的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

何 婷 吳 翔 楊聲強(qiáng) 水心強(qiáng)

（安徽黃河水處理科技股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

曝氣增氧技術(shù)是黑臭河道治理的主要措施之一，相應(yīng)的增氧技術(shù)有太陽(yáng)能曝氣、鼓風(fēng)曝氣、推流曝氣、造流曝氣和噴泉曝氣等[1]。其中太陽(yáng)能曝氣是一種將太陽(yáng)能作為動(dòng)力源[2]，應(yīng)用于增氧曝氣與水體循環(huán)設(shè)備進(jìn)行水污染治理的技術(shù)[3]。太陽(yáng)能曝氣治理技術(shù)可加速氧氣的傳質(zhì)過(guò)程，增加水中溶氧量，從而保障水生生物的生命活動(dòng)及微生物氧化分解有機(jī)物所需的氧量，實(shí)現(xiàn)水體的生態(tài)修復(fù)，具有運(yùn)行管理費(fèi)用低、增氧效果好、運(yùn)行噪音低等優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于河道、湖泊、水庫(kù)以及氧化塘等供電條件不足的黑臭水體，是一種投資少、見(jiàn)效快的水污染治理技術(shù)，符合國(guó)家“30·60”雙碳達(dá)峰、減排目標(biāo)，充分達(dá)到了節(jié)能減排的目的，在黑臭水體治理中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

大多數(shù)太陽(yáng)能增氧機(jī)都是采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存用于設(shè)備[5]，也有少量直接使用太陽(yáng)能直流電供能，但是供能電壓低，轉(zhuǎn)輸給復(fù)氧機(jī)的能耗就低，導(dǎo)致增氧量也較低。因此，急需設(shè)計(jì)新型高效的增氧直流太陽(yáng)能曝氣機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的增氧功能。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

該文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括：專(zhuān)用浮體、組合支架、太陽(yáng)能板組件（24V，250W×2）、倒傘型渦旋曝氣葉輪（葉輪直徑0.5m，軸長(zhǎng)230mm）、直流無(wú)刷電機(jī)（功率500W）、防護(hù)箱、傳動(dòng)軸以及太陽(yáng)能專(zhuān)用無(wú)刷電機(jī)控制器。將倒傘型太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)置于水體中，通過(guò)專(zhuān)用浮體使其漂浮于水面上，然后同牽拉繩索和固定樁進(jìn)行固定。太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)專(zhuān)用無(wú)刷電機(jī)控制器轉(zhuǎn)化為直流電能，驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)，利用傳動(dòng)軸帶動(dòng)倒傘型渦旋曝氣葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在氣、水兩相界面形成渦流負(fù)壓，從而形成渦旋，使水體上下循環(huán)流動(dòng)、充分混合，表層液面不斷被更新，而且導(dǎo)流葉片產(chǎn)生的渦流旋渦拉力使空氣不斷被吸入，從而形成了空氣與水體的大面積混合，氧氣迅速溶入水體中，完成水體的增氧作用。該裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)控制系統(tǒng)的核心為無(wú)刷電機(jī)控制器，一般須2組電源，一個(gè)是14V電源，供功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）驅(qū)動(dòng)用，另一個(gè)是5V電源，供單片機(jī)、電機(jī)霍爾和轉(zhuǎn)把霍爾等電路用。14V電源由LM317調(diào)整管得到，5V電源由78L05得到。因?yàn)槊刻烊照諘r(shí)長(zhǎng)只有8h～12h，太陽(yáng)能電池板提供的能量是間斷的，在沒(méi)有蓄電池作為儲(chǔ)備電源的工況下，電機(jī)也即隨之啟動(dòng)和停止，但是現(xiàn)有的無(wú)刷直流控制器停止運(yùn)行后，無(wú)法再次自動(dòng)啟動(dòng)。因此該文設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的無(wú)刷直流控制器，如圖2所示。可調(diào)電阻R4輸入端取自電源總輸入端，串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管D1，再串聯(lián)一個(gè)極性電容C7，電容兩端并聯(lián)一個(gè)2.2K的電阻R5。極性電容C7的負(fù)極取LM317端的+14V。因?yàn)樘?yáng)光伏板的電壓會(huì)隨著光線的增強(qiáng)而增強(qiáng)，所以極性電容正極的電壓在0V～2.5V變化，而光耦817C的導(dǎo)通電壓在0V～1.7V。當(dāng)太陽(yáng)在一天中的光照強(qiáng)度達(dá)到一定時(shí)，光耦817C的輸入端就會(huì)導(dǎo)通，輸出端的集電極就會(huì)把取自78L05的+5V輸送到分壓電阻R3上，分壓電阻R3的取壓端就會(huì)得到0V～4.5V的電壓。這個(gè)電壓會(huì)加在速度控制器的輸入端，繼而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)太陽(yáng)能板發(fā)出的電壓不穩(wěn)定時(shí)，那么欠壓檢測(cè)電路就會(huì)保護(hù)。如果光照強(qiáng)度恢復(fù)，其中的自啟電路可讓電機(jī)在黑夜與白天之間無(wú)須人為干預(yù)而自動(dòng)啟、停。

1.3 復(fù)氧機(jī)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

復(fù)氧機(jī)的增氧屬于傳質(zhì)過(guò)程，其增氧性能主要衡量指標(biāo)為氧的總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa、增氧量qc和動(dòng)力效率Es。

圖1 太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)運(yùn)行水體循環(huán)流態(tài)圖

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa[6]，如公式（1）所示。

式中：KLa復(fù)氧機(jī)在測(cè)試條件下氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；t為曝氣時(shí)間，min；Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時(shí)間t相應(yīng)的水中溶解氧濃度，mg/L。

將公式（1）積分后可得公式（2）。

式中：Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時(shí)間t相應(yīng)的水中溶解氧濃度，mg/L；t為曝氣時(shí)間，min； KLa復(fù)氧機(jī)在測(cè)試條件下氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1。

利用（2）式作曲線，該曲線的斜率即為氧轉(zhuǎn)移系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)如公式（3）所示。

式中：KLas為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)試條件下復(fù)氧機(jī)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa，min-1；KLa為測(cè)試水溫條件下復(fù)氧機(jī)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；T為測(cè)試水溫，℃；θ為溫度修正系數(shù)1.024。

復(fù)氧機(jī)增氧能力qc計(jì)算方法，如公式（4）所示。

式中：qc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)試條件下的復(fù)氧機(jī)增氧能力，kg/h；V為測(cè)試水體中水的體積，m3；Cs（20）為20℃水中飽和溶解氧濃度為9.17，mg/L；其中0.55=60/1000·9.17。

動(dòng)力效率，如公式（5）所示。

式中：Es為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)測(cè)試條件下，曝氣設(shè)備動(dòng)力效率，kg/kW·h；Ps為總輸入功率，kW。

2 工程應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

小黃河位于某鎮(zhèn)老街附近，屬于城中村，東面一側(cè)已開(kāi)發(fā)樓盤(pán)，水域面積為2133m2，屬于小微水體。整治的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況為，池塘內(nèi)雜草叢生，淤泥沉積，建筑垃圾亂倒，水質(zhì)惡臭，污染較嚴(yán)重，周邊住戶通過(guò)管道將污水直排入水體，且雨季還有地表徑流污染。整治前取樣檢測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，屬于重度黑臭。為改善周邊居民生活環(huán)境，消除黑臭，該文首先對(duì)排入水體內(nèi)的生活污水即污染源進(jìn)行控源截污；其次對(duì)小黃河清淤疏浚、新建護(hù)坡；最后通過(guò)生態(tài)工法及太陽(yáng)能曝氣系統(tǒng)強(qiáng)化增氧，加強(qiáng)水體的自凈能力，改善現(xiàn)有水質(zhì)，修復(fù)因污染遭到破壞的生態(tài)鏈。

表1 小黃河治理前、后主要水質(zhì)指標(biāo)

2.2 測(cè)試方法

該文在小黃河池塘內(nèi)設(shè)計(jì)了3臺(tái)倒傘型太陽(yáng)能曝氣機(jī)，呈線性布置，間距40m。單臺(tái)設(shè)備參數(shù)：電壓24V，電機(jī)功率500W，增氧能力0.5kg/h。在設(shè)備安裝、水生態(tài)種植完成后1個(gè)月，在日照時(shí)長(zhǎng)大于8h、光照充足且水溫為20℃～25℃的情況下，進(jìn)行了復(fù)氧機(jī)增氧性能測(cè)試。為測(cè)試單臺(tái)設(shè)備性能，只開(kāi)啟了中間的一臺(tái)復(fù)氧機(jī)，其他2臺(tái)停止運(yùn)行。主要檢測(cè)指標(biāo)包括工作時(shí)間、水溫、溶解氧及常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)。溶解氧測(cè)量點(diǎn)分別布置在水平距離復(fù)氧機(jī)0m、5m、10m和15m處的水下0.1m、1.0m處。

圖2 太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)電路原理圖

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)增氧性能分析

太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)運(yùn)行后水體中溶解氧的變化見(jiàn)表2。表2的數(shù)據(jù)顯示，水體中溶解氧含量較低，基本處于缺氧狀態(tài)，太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行2小時(shí)后，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，水體中溶解氧含量上升較快，在運(yùn)行6小時(shí)后達(dá)到峰值，后續(xù)開(kāi)始下降。這是因?yàn)槭艿饺照諒?qiáng)度的影響，太陽(yáng)能發(fā)電效率降低，所以增氧量下降。下游水體中溶解氧增氧幅度比上游高28.1%，這可能是由于在天然水體中試驗(yàn)，水體有較緩慢的流速，因此上游溶解氧增加幅度低于下游。而當(dāng)下游影響半徑達(dá)到15m以上時(shí)，溶解氧變化幅度較小，基本可以判斷在復(fù)氧機(jī)運(yùn)行半徑15m范圍內(nèi)，水體中溶解氧的情況均有效改善，相當(dāng)于復(fù)氧機(jī)服務(wù)面積達(dá)到700m2，該工程小黃河設(shè)計(jì)3套太陽(yáng)能復(fù)用機(jī)，滿足水體增氧功能。

表2 太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)運(yùn)行后周?chē)w中溶解氧的變化值

2.3.2 增氧量和動(dòng)力效率分析

復(fù)氧機(jī)運(yùn)行影響半徑內(nèi)增氧量和動(dòng)力效率分析如圖3所示。根據(jù)圖3可知，復(fù)氧機(jī)運(yùn)行影響半徑內(nèi)增氧量和動(dòng)力效率存在一定的相關(guān)性。在太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，增氧量在0.6kg/h～0.92kg/h，比較穩(wěn)定。水下0.1m比水下1m處增氧量要高19.4%。這是由于水面為氣、液兩相界面，復(fù)氧機(jī)葉輪在攪拌過(guò)程中帶動(dòng)水面波動(dòng)，增加了氣、液循環(huán)流動(dòng)，使大氣中傳質(zhì)到水中的氧氣量有所增加，因此提高了水面增氧量。在復(fù)氧機(jī)運(yùn)行影響半徑范圍內(nèi)，位于復(fù)氧機(jī)中心的水體增氧量和動(dòng)力效率均為最高，隨著復(fù)氧機(jī)葉輪渦旋推力帶動(dòng)水體上、下循環(huán)流動(dòng)，復(fù)氧機(jī)周?chē)母呷苎跛w逐漸擴(kuò)散至周?chē)退隆Ｔ谟绊懓霃?5m處，水下0.1m和水下1m處的增氧量趨于接近，說(shuō)明此時(shí)復(fù)氧機(jī)對(duì)周?chē)w增氧的影響能力已達(dá)到極限。在影響半徑范圍內(nèi)，增氧量最高峰達(dá)到0.92kg/h，動(dòng)力效率達(dá)到1.85kg/kW·h，水下0.1m處平均動(dòng)力效率為1.56kg/kW·h，優(yōu)于傳統(tǒng)葉輪式增氧機(jī)的動(dòng)力效率[7]。

2.3.3 水質(zhì)改善

項(xiàng)目經(jīng)過(guò)3個(gè)月的試運(yùn)行后，小黃河水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，檢測(cè)的主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。截污清淤后，僅有居民洗菜、洗衣服產(chǎn)生的少量污染物排入小黃河。通過(guò)太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)的強(qiáng)化增氧和水體攪動(dòng)，小黃河水生植物生長(zhǎng)良好，DO含量維持在3mg/L以上。該文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)有效修復(fù)了水體生態(tài)鏈，改善了水質(zhì)，使自然凈化達(dá)到平衡。

圖3 復(fù)氧機(jī)運(yùn)行影響半徑內(nèi)增氧量和動(dòng)力效率分析

3 結(jié)論

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的倒傘型將太陽(yáng)能復(fù)氧機(jī)，利用太陽(yáng)能作為清潔動(dòng)力，在不裝蓄電池，且電壓（24V）和功率（0.5kW）有限的工況下，根據(jù)日照光強(qiáng)自動(dòng)啟、停運(yùn)行，在小黃河黑臭水體整治項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)，復(fù)氧機(jī)運(yùn)行有效復(fù)氧影響半徑約15m，服務(wù)面積達(dá)到700m2，在小微水體生態(tài)修復(fù)過(guò)程中較好地提高了溶解氧含量，改善了水質(zhì)，解決了水體中動(dòng)力設(shè)備的供電難題，是值得推廣的黑臭水體增氧設(shè)備。