太陽能水層交換裝置設計與試驗

陳曉龍,車 軒 ,劉興國,田昌鳳,王小冬,李新豐

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室,上海 200092)

隨著中國經濟的快速發展,產生的污水也越來越多,但由于這些污、廢水未能及時進行處理而排放,導致水體多種生態功能退化[1-2]。因此,為了改善水域環境,實現上下水層交換,往往會在水域中安裝各種設備來提高水中的溶氧含量,滿足微生物生長所需要的溶氧,從而增加水域透明度[3-5]。在水處理工藝中,大多數采用曝氣增氧的方法進行水層交換,既可以達到增氧的目的,又可以促進水層交換,推動水體流動[6-8]。其主要通過空壓機或風機對管道中充入一定壓力的空氣,空氣經輸送管道送至水體底層,通過空氣與水體的接觸來增加水體溶氧[9-11]。同時又可推動水體流動,使底層的水向上抬升,再由表層中心緩慢向外推開,形成大范圍的立體水流,使整個水體有機會與空氣接觸,在陽光的照射下,浮游植物在水體中釋放氧氣,使上層水體和底層水體不斷進行交換、混合,提高整個水體溶氧,分解水體中亞硝酸鹽氮、氨氮、有機沉淀物等有害物質,形成良性循環[12-14]。可減少水體內底泥帶來的污染,杜絕藻類過度生長以及減少有機物堆積的條件,從而阻斷內源污染[15-16],達到凈化水質的目的。

目前,水環境治理中常用的水層交換裝置主要有鼓風式、機械式和推流式[17-19]。宋奔奔等[20]設計的管式曝氣裝置,其頂部設置進氣口,通過內部設置的文丘里管將空氣吸入,水體混合后快速排入養殖池內。但當氣水混合不均勻時,容易造成堵塞、水壓不穩的現場。趙慶習[21]通過對曝氣裝置的螺旋桿機構的參數分析優化,設計了一種水下推流曝氣裝置,但僅通過理論計算,并未通過實際驗證,效果無法真正得到評估。周志強等[22]針對現有技術存在的缺陷和不足,設計了一種曝氣效果好、集成性高、結構緊湊、靈活性高、美觀的可移動式旋流太陽能曝氣裝置。該裝置采用全自動化控制,并安裝遠程控制裝置,大大降低了運營成本及管理成本,但制作成本高,野外工作穩定性有待提高。徐璟等[23]通過分析不同型號曝氣頭對曝氣裝置性能的影響,設計研制了高性能的曝氣裝置。但其工作環境受限,安裝成本較高,無法應用于池塘及大水面環境中。

本研究設計了一種太陽能水層交換裝置,可應用于大水面生態修復,也可用于養殖池塘中。其動力來源于太陽能,曝氣時間可根據需要自行設定,制作成本低(修復單位水體的成本僅為10元/m2),曝氣量大,動力效率高,推水作用明顯。該設備的研制可為大水面生態修復及養殖池塘的水質改良提供技術參考。

1 總體方案及主要技術指標

1.1 原理及結構

根據水域環境改善的要求,通過設備推動水體流動,實現試驗水域上下水層交換,從而達到增氧、改善水質的目的。

太陽能水層交換裝置主要由蓄電池、太陽能供電模塊、控制系統、曝氣盤、曝氣管、風機、安裝支架和浮船組成,如圖1所示。太陽能板通過支架安裝在河道岸邊,蓄電池及控制系統放置于控制箱內,控制箱安裝于太陽能板下方,既可以避雨,又可以防止暴曬;風機安裝于風機支架上,和控制箱一同放置于太陽能板下方;兩條浮船通過螺栓固定在機架頂部,為曝氣裝置提供浮力;曝氣盤安裝固定在機架底部,其完全沉沒在水中,根據曝氣深度調節曝氣盤深度。

圖1 太陽能水層交換裝置結構示意圖

太陽能水層交換裝置通過太陽能板為整個裝置提供動力來源,通過太陽能控制器為蓄電池充電,蓄電池可存儲多余電能,為整套裝置在太陽能板能量不足時提供電能。控制系統主要包含太陽能控制器、電機控制器和開關定時器。太陽能控制器主要控制整套系統的電能充放及通斷,電機控制器主要控制風機的啟停,開關定時器主要控制風機的運行時間。風機提供壓縮的空氣,通過曝氣軟管送入裝置底部的曝氣盤,曝氣盤上均勻分布大小相同的小型氣孔,在風機的作用下將空氣擴散到水中,同時曝氣后的水體通過擋水板將水體推動向前,從而保持水體流動,進一步凈化水體。

1.2 設計技術要求

根據河湖生態修復技術規范,結合示范區水域的地形、地貌、流速和進出口水質等自然條件,確定設計應滿足的主要技術指標:水處理量8 000 t/d,溶氧量≥5 mg/L,風量80 m3/h,功率0.37 kW,推水流速≥0.3 m/s,最大噪聲70 dB,日使用時間≥8 h。

2 關鍵結構設計

2.1 曝氣量計算

曝氣量按照公式[24](1)計算:

(1)

式中:R為需氧量,g/h;Q′為設計進水量,t/d;C1為進水溶氧,mg/L;C2為設計溶氧,mg/L;α為氧轉移修正系數,漁業水域一般取0.95;β為氧溶解校正系數,漁業水域一般取0.97;ρ為壓力校正系數;取1;T為每天曝氣時間,按照每天工作8 h計算。

根據上式計算需氧量后,再轉化單位計算出曝氣量為3 038 L/h。而氧氣利用率為20%,氧氣在空氣中占比21%,則曝氣量為72 330 L/h≈72 m3/h。曝氣風機需取10%的余量,即風機風量Q為80 m3/h。

2.2 風機功率計算

按照曝氣風量計算電機功率[25]為:

(2)

式中:Q為風量,m3/h;P′為風機的全風壓,Pa;η0為風機的效率系數,一般取0.75～0.85;η1為機械效率系數。

根據以上公式,電機全風壓選10 000 Pa;此為小風機,η0=0.75;根據機械設計手冊[26],風機與電機直連,η1=1。因此曝氣風量電機功率為0.33 kW。

根據現有旋渦風機電機型號,因此選擇旋渦風機為48 V、0.37 kW、80 m3/h,最大負壓10 kPa,最大正壓13 kPa的直流漩渦風機。

2.3 曝氣盤計算

曝氣盤工作時對動力消耗的影響較大,水深、孔徑和阻力損失是其最主要的因素[27]。管道阻力一般為0.5 m,因此水深越小損失占比越大,而增加孔徑有利于降低阻力損失。因此,對水深和孔徑需要有精確的設計來滿足曝氣盤最大的增氧效率。

根據行業標準SC/T 6009—1999《增氧機增氧能力試驗方法》[28]中的試驗方法,測得不同曝氣深度的增氧能力和動力效率曲線如圖2所示。

圖2 不同水深時的增氧能力和動力效率

可以看出曝氣機的增氧能力隨著水深的增加而增加,而當需氧量為4 000 g/h時,曝氣盤所在水深約為1.5 m。同時可以看出電機的動力效率隨著水深的增加而增大,但在1.5 m水深后,動力效率明顯減緩。因此,選擇曝氣深度為1.5 m最為合理。

由于孔徑對曝氣效率有較大影響,現對孔徑進行設計計算。當曝氣盤較深時,空氣在水中的停留時間更長,增氧能力相對較大,同時所需要的動力也要求較強。但孔徑較大時,空氣浮力較大,在水中的停留時間較短,導致氧的轉移效率減小;而孔徑過小,阻力急劇增大,動力效率減小。因此,當曝氣盤所置水深確定后,需要設計出合理孔徑,以達到最大增氧效率。根據氣體在水中氧轉移有關理論[29],得到:

(3)

式中:Ng為將空氣增壓需要的功率,W;M0為水體需氧量,kg/s;m為標準大氣壓下1 mol氣體的體積,L/mol;R為氣體常數,J/(mol·K);T為開爾文溫度,K;P0為標準大氣壓,Pa;P1為增壓后的壓力,Pa。σ為體積修正系數;C為水體中初始溶氧含量,mg/L;φ為單位容積的空氣含氧量,kg/m3;θ為飽和溶氧含量計算系數;KL為氧傳質系數,m/s;δ為比表面積修正系數;k為氣泡直徑與曝氣器的孔徑之比;H為水深,m;hp為管道系統阻力損失,m;hA為曝氣器阻力損失,m。

孔徑與N’g的關系如圖3所示。

圖3 孔徑與N’g的關系

由于d為孔徑的大小,再對d求導可得到使曝氣功率最小的孔徑d0。由于存在最優的孔徑使功率最小,并且功率是隨著孔徑的變化而變化。由于方程過于復雜,可利用數字帶入法匯總大致曲線圖,可以看出最優孔徑在50 μm 左右。

綜上所述,曝氣盤深度為水下1.5 m,孔徑設置為50 μm 作為本曝氣盤的設計參數。

2.4 控制系統設計

如圖4所示,太陽能曝氣裝置采用定時自動控制的方式,系統由太陽能控制器、時鐘控制開關、電機控制器、無線接收模塊組成。

圖4 控制系統線路結構示意圖

太陽能板采用4塊250 W、24 V串并聯組成48 V、1 000 W的充電電源。采用48 V、60 Ah的磷酸鐵鋰電池作為蓄電池,為設備提供儲能電源;曝氣風機采用48 V、370 W直流無刷電機。太陽能板接收太陽照射后,通過太陽能控制器給蓄電池充電,曝氣風機通過電機控制器連接到時鐘控制開關,最終再通過太陽能控制器連接到供電電源上。蓄電池通過空氣開關連接在太陽能控制器為整套設備提供電能。工作時,當太陽強度照射太陽能板,其達到設定電壓時,太陽能可以連續不斷地給蓄電池充電,同時蓄電池為曝氣機提供動力。而太陽能控制器主要控制整套設備的充放電,當長時間未充電或放電過量導致電源電壓低于36 V時,電池低壓保護將會啟動,輸出會切斷,同時,電池的標志和警告顯現,需增加充電電流以及充電時間,充電將再次啟動。當電池電壓超過38 V時,保護功能將會關閉,為負載提供的輸出將會重新工作。而由于天氣原因太陽能未能及時充電導致蓄電池低于38 V時,蓄電池禁止輸出從而保護蓄電池及負載。而定時開關主要控制曝氣機的啟停,可以每天單獨設置時間實現自動控制。

3 試驗過程

3.1 試驗設計

(1)試驗組設置。試驗組位于白洋淀示范區“壕溝”內, “壕溝”作為白洋淀重要的水體運輸通道,對白洋淀內的生態恢復發揮至關重要的作用。目前“壕溝”內水體成為不流動的河道,溶氧含量低,水草無法生長,導致總氮、氨氮、亞硝酸鹽氮等含量較高,長此以往,該“壕溝”成為污染源聚集區。根據設備運行要求及當地環境,選擇2條相鄰同等長度的“壕溝”,其中一條為試驗組,另外一條為對照組,分析太陽能水層交換裝置的運行對水體內污染性理化因子的消除效果。

(2)樣品采集。太陽能水層交換裝置于2022年9月10日完成安裝調試,對水樣的采集共4個頻次,對照組和試驗組同時段進行。第一頻次在設備安裝前采集,后3個頻次,是在設備運行一周后并以每2 d為一個頻次,在此期間設備保持持續工作狀態。用水樣是利用5 L采水器在水體表面以下0.5 m處采取,隨即灌裝在相應容積的廣口塑料瓶中。上述采樣過程,均進行3次重復。

(3)水質分析及數據處理。本次共分析4種理化指標,分別為溶氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)和氨氮(NH3-N),其中溶氧(DO)通過YSI便攜式儀器現場測定,其余3種在實驗室依據《水和廢水監測分析方法》[28]方法測定。為了探清設備對水體內水質指標的影響,進行兩方面的比較,一是比較各水質指標在實驗組和對照組間后3個頻次的差異性;二是對試驗組的后3個頻次數據相比第一次的差異性分析。上述的差異性檢驗均使用SPSS軟件中獨立樣本T檢驗方法,P<0.05為顯著性差異,P<0.01為極顯著差異。所有數據均以平均值±標準誤表示,除非另有說明。

3.2 結果分析

試驗組和對照組的TN變化如圖5所示,設備安裝前,兩處水體中TN相同,均為2.35±0.12 mg/L,在設備運行1周后,試驗組整體處于下降趨勢,尤其第二頻次(2.14±0.79 mg/L)下降程度較明顯,之后第3(2.13±0.82 mg/L)和第4頻次(2.24±0.88 mg/L)基本保持平穩,但相比第一次均上升。對照組整體處于波動性上升,尤其第2(2.68±0.16 mg/L)和第4頻次(2.89±0.18 mg/L)上升明顯,即使第3頻次(2.58±0.17 mg/L)不屬于連續性上升,但均比第一次高。就最后一次而言,試驗組TN相比對照組下降了29.02%。T檢驗分析,試驗組與對照組之間均呈現極顯著差異(P<0.01),同時試驗組內后3個頻次均與第一次呈現顯著性差異(P<0.05)。

圖5 設備周邊水體總氮含量變化對比

試驗組和對照組的TP變化如圖6所示,設備安裝前兩處水體中TP相同,均為0.23±0.13 mg/L。在設備運行后,試驗組一直處于較高幅度的連續性下降趨勢,對照組雖然同樣處于連續性下降趨勢,但相較于試驗組較平緩。在第3頻次時,試驗組(0.13 mg/L)相比對照組(0.17±0.06 mg/L)下降了23.98%;在第4頻次時,試驗組(0.11±0.04 mg/L)相比對照組(0.16±0.08 mg/L)下降了31.25%。T檢驗分析,試驗組與對照組之間在第3次和第4憑此呈現顯著差異(P<0.05),同時試驗組內第2次和第1次呈顯著性差異(P<0.05),第3次和第4次呈極顯著差異(P<0.01)。

圖6 周邊水體總磷含量變化對比

試驗組和對照組的 NH3-N如圖7所示,設備安裝前兩處水體中NH3-N相同,均為0.77±0.03 mg/L。

圖7 設備周邊水體氨氮含量變化

在設備運行后,試驗組和對照組整體上一直處于連續性下降趨勢。但設備運行一周后,在第2頻次時,試驗組(0.25±0.14 mg/L)下降幅度明顯大于對照組(0.66±0.04 mg/L);第3頻次雖然對照組的下降幅度高于試驗組,但是試驗組低于對照組,在第4頻次時,兩處又較為相似。就第2頻次而言,試驗組相比對照組下降62.12%。T檢驗分析,試驗組與對照組之間僅在第2次呈現極顯著差異(P<0.01),同時試驗組內后3個頻次均與第一次呈顯著性差異(P<0.01)。

在水深0.5 m處設備周圍水體中DO變化如圖8所示。可以看出,8 m范圍內溶氧含量較高,距離越近增氧效果越明顯,后保持一定下降水平,說明太陽能水層交換裝置的增氧效果較為明顯。進一步通過檢測設備周圍水體中不同水層(離水面0.1 m、0.6 m、1.1 m和1.6 m處)及對照組水下1m處的DO含量發現,上下水層溶氧含量基本保持不變。

圖8 設備周邊水體DO含量變化

通過定點流速儀測試河道中離設備中心距離的水流速度,如圖9所示。

圖9 河道內水流流速對比圖

結果發現,試驗組河道離設備距離較遠時水流速度可穩定在0.45 m/s左右,而對照組河道的平均水流速度僅為0.22 m/s。水層交換裝置推動了河道中的水體流動。

4 討論

4.1 設備對營養鹽和水質改善效果明顯

通過2022年9月連續測定試驗河道水體中水質狀況,分析了太陽能水層交換裝置對河道水動力、溶氧含量、氮磷含量的影響。結果顯示:該裝置每天平均工作時長達8 h,設備周圍水體總氮、總磷和氨氮分別與同時期對照組相比降低29.02%、31.25%、62.12%,安裝設備的水體中溶氧明顯提高,河道中水流流速增加2倍以上,上下水層交換效果明顯。

太陽能水層交換裝置可一定程度降低水體中TN、NH3-N含量,尤其在設備剛運行初期對消除TN、NH3-N效果明顯。同時,太陽能水層交換裝置可以一定程度降低TP含量,尤其是在設備長時間運行后可以消減TP。而水層交換裝置的增氧效果明顯,距離越近增氧效果越顯著,后保持一定下降水平。進一步通過檢測設備周圍水體中不同水層及對照組水下DO含量發現,上下水層溶氧含量基本保持不變,說明該設備能交換上下水層,達到溶氧平衡。太陽能水層交換裝置可以推動河道中的水體流動,與外界水體進行交換,有利于促進有機污染物的有氧降解、凈化水質,提高水體透明度,改善各水域的生態聯系。

設備運行方式顯著提升:本裝置能夠從底層增氧,提高整個水域的溶氧含量,加快表層和底層水流交換,推動水體流動,改變漁業水域營養鹽循環方式,有效促進水域初級生產力和自凈能力的提高,從而改善了漁業水域水質和生態環境。

4.2 設備應用前景廣闊

水層交換是養殖水體中不可或缺的重要工藝環節,通過曝氣向水體中充入氧氣滿足好氧微生物代謝所需,同時保證水體中污水的攪動為微生物有氧反應提供必要的條件。為了提高水中的溶氧速率,需要保證實現氣體源源不斷地充入水下,實現水與氣體的接觸,并且保持充入水下氣體量的穩定與持續性,保證水與氣體的充分接觸與混合。同時保持水的流動性,使氣體擴散到盡可能遠的水域,以使水中的生物固體處于懸浮狀態,利用有氧分解作用的發生。

目前,比較常用的水層交換方式主要有推水機式、水車式以及葉輪式等[30-31],其中推水機式能較好地實現水體流動[32],但上下水層交換不充分。而水車式、葉輪式雖然增氧效果好[33-34],但也無法達到水層充分交換的目的。而推浪式雖然能增加水域表面的溶氧度,但無法從水域底層開始增氧,無法促使表層和底層水流交換,要想增加表層下的水體的溶氧度,促使表層和底層水流交換,必須加大功率,增加能耗。

太陽能水層交換裝置與普通的水層交換裝置對比[35-38],可降低45%～75%的能耗,曝氣孔不易堵塞,混合效率高,增氧服務面積大可達100 m2。曝氣效果好、集成性高、結構緊湊、靈活性高,同時安裝維護方便,制作成本較低。可適用于池塘養殖、水庫凈化以及河道水體治理等領域。

5 結論

該設備以太陽能為動力,定時循環啟動,具有結構簡單、曝氣時間長、動力效率高等特點,可用于河道的生態修復及養殖池塘的上下水層交換。該設備曝氣孔的設計提高了氧氣的利用率,合理地保證了河道內微生物增長的需氧量,高效去除了水體中總磷、總氮和氨氮等污染物。太陽能板采用4塊250 W、24 V串并聯組成的水層交換裝置每天可以修復約200 t的水體。太陽能水層交換裝置在河道等系統水體凈化中具有廣闊的應用和推廣價值。