劉厚林，尚歡歡，唐曉晨，張興，董亮*，郭瑾楠，汪文生

(1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，江蘇 泰州 225500； 3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司管道科技研究中心，河北 廊坊 065000； 4. 貝特環(huán)保通用設(shè)備制造有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，污染排放量不斷增加，水資源短缺，水污染問題日益嚴(yán)重，工業(yè)廢水處理問題受到世界各國(guó)的重視．氧化溝污水生化處理方法已成為城市污水和工業(yè)廢水處理的主要工藝形式．為使氧化溝內(nèi)部氧氣與污水充分接觸，保證水質(zhì)得到凈化，要求曝氣機(jī)具有良好的充氧曝氣性能．

倒傘型表面曝氣機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充氧能力強(qiáng)、動(dòng)力效率高，在氧化溝技術(shù)中運(yùn)用最為廣泛．而運(yùn)行參數(shù)對(duì)曝氣池內(nèi)氧傳質(zhì)速率和倒傘曝氣機(jī)消耗功率等曝氣性能有極大影響，直接決定著整個(gè)污水處理系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性．

劉嘉偉[1]開展了倒傘曝氣機(jī)溶解氧濃度試驗(yàn)研究，探究不同工況(不同轉(zhuǎn)速及浸沒深度)對(duì)于倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的影響．試驗(yàn)結(jié)果表明：浸沒深度一定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而增大；轉(zhuǎn)速不變時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)隨浸沒深度下降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)．王勇等[2]利用溶解氧試驗(yàn)研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的影響，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速、浸沒深度和液位高度對(duì)其曝氣性能的影響較大．明加意等[3]采用數(shù)值模擬方法探究了直葉片和傾斜葉片對(duì)倒傘曝氣機(jī)性能的影響．結(jié)果表明，2類倒傘曝氣機(jī)消耗的功率相近，葉片形狀的不同影響著倒傘曝氣機(jī)的充氧能力和推流能力．胡輝[4]根據(jù)佛勞德相似準(zhǔn)搭建了縮小比例的試驗(yàn)臺(tái)，開展了曝氣性能試驗(yàn)，研究了不同浸沒深度、葉片轉(zhuǎn)速和葉片轉(zhuǎn)角對(duì)曝氣機(jī)充氧性能的影響.

BACKHURST等[5]研究了豎軸曝氣機(jī)直徑.葉片大小與尺寸及浸沒深度，得到曝氣機(jī)的曝氣能力與曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片直徑之間的關(guān)系；THAKRE等[6]開展了試驗(yàn)研究，改變轉(zhuǎn)速、淹沒深度和葉片頂端角，研究4種彎曲葉片的曝氣機(jī)，得到每臺(tái)曝氣機(jī)的氧傳質(zhì)系數(shù)、曝氣效率，并建立了曝氣性能指標(biāo)與各設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系，找到了氧傳質(zhì)效率最高的工況．JIANG等[7]對(duì)某污水處理廠運(yùn)行10 a的微孔擴(kuò)散器的污垢特性和曝氣性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濕壓力增加3.2倍，標(biāo)準(zhǔn)氧傳遞效率下降到73%，總能量提高15.0%，鹽酸清洗無法恢復(fù)曝氣效率.DONG等[8]在量綱一分析的基礎(chǔ)上，建立其通用性能預(yù)測(cè)模型.利用縮尺曝氣器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(縮尺模型)，用量綱一關(guān)系式表達(dá)了結(jié)構(gòu)對(duì)曝氣性能的影響，建立了其他幾何相似和動(dòng)力學(xué)相似的曝氣器性能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型.GRADOV[9]采用高速攝影技術(shù)、粒子圖像測(cè)速技術(shù)和流體體積模型來捕捉自由表面動(dòng)力學(xué)和速度分布，表明倒傘曝氣器在淺層曝氣中起著重要作用.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同參數(shù)對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能影響方面做了大量研究，但是對(duì)不同轉(zhuǎn)速及浸沒深度下葉片數(shù)變化對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能影響的研究較少．因此，文中對(duì)葉片數(shù)分別為6枚和8枚的倒傘曝氣機(jī)葉輪在不同運(yùn)行參數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期為倒傘曝氣機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考．

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象包括倒傘曝氣機(jī)和曝氣池．其中倒傘曝氣機(jī)的模型直徑為150 mm，初始葉片數(shù)為6，葉輪的零件圖如圖1所示.不改變?nèi)~片形狀、輪轂大小等關(guān)鍵參數(shù)，制作另一個(gè)葉片數(shù)為8的倒傘曝氣機(jī)葉輪模型．2種不同葉片數(shù)倒傘曝氣機(jī)葉輪零件如圖2所示．

圖1 倒傘曝氣機(jī)葉輪零件圖Fig.1 Drawings of impeller and parts of inverted-umbrella aerator

圖2 倒傘曝氣機(jī)葉輪實(shí)物Fig.2 Pictures of two impellers of inverted-umbrella aerator

1.2 試驗(yàn)裝置

曝氣性能試驗(yàn)裝置由圓形曝氣池、倒傘曝氣機(jī)葉輪、扭矩儀、變頻控制柜、電動(dòng)機(jī)、溶解氧測(cè)量?jī)x等組成．圓形曝氣池直徑600 mm、高600 mm．變頻控制柜、電動(dòng)機(jī)、扭矩儀和倒傘曝氣機(jī)葉輪統(tǒng)一安裝在一個(gè)升降裝置上，上下調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)來控制葉輪高度變化，以此改變浸沒深度．曝氣池的初始液位高度為200 mm，葉輪轉(zhuǎn)速為240 r/min．試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示．

圖3 曝氣性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Aeration performance test stand

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中選用上海雷磁JPB-607A型便攜式溶解氧測(cè)量?jī)x來測(cè)定水的溫度和水中溶解氧濃度，溫度的測(cè)量范圍為0～40 ℃，基本誤差為±0.5 ℃；溶解氧濃度的測(cè)量范圍為0～20 mg/L，基本誤差為±0.3 mg/L．采用北京天宇恒創(chuàng)生產(chǎn)的型號(hào)為CYT-302的扭矩儀來測(cè)量倒傘曝氣機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和扭矩，額定轉(zhuǎn)矩為20 N·m，精度為0.25級(jí)．試驗(yàn)過程中需要添加藥劑，使用無水亞硫酸鈉(Na2SO3)作為脫氧劑消耗掉水中的溶解氧，同時(shí)選擇六水合氯化鈷(CoCl2·6H2O)作為催化劑．

2 試驗(yàn)方案及步驟

2.1 試驗(yàn)方案

在相同的圓形曝氣池中，測(cè)量葉片數(shù)分別為6,8的2個(gè)倒傘曝氣機(jī)模型在低(200 mm)、中(250 mm)和高(300 mm)3個(gè)不同液位下，通過伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)葉輪高度，使葉輪分別高出液面(+5 mm)、與液面持平(0 mm)、浸入液面(-5 mm)，在150,180,210,240,270和300 r/min這6個(gè)轉(zhuǎn)速下的曝氣性能．

2.2 試驗(yàn)步驟

采用間歇非穩(wěn)態(tài)法[10]測(cè)定倒傘曝氣機(jī)的曝氣性能，即測(cè)試曝氣池的水不進(jìn)不出，曝氣過程中水中溶解氧濃度隨曝氣時(shí)間增加而變化．試驗(yàn)的步驟如下：

1) 向曝氣池加水，記錄液位高度H，并計(jì)算水的體積V.

2) 校正試驗(yàn)儀器，測(cè)定池水溫度和水中的溶解氧濃度DO；將測(cè)點(diǎn)探頭置于液位高度1/2處,并調(diào)節(jié)升降裝置，使曝氣機(jī)葉輪至某一浸沒深度.

3) 向曝氣池中投入無水亞硫酸鈉和六水合氯化鈷，投入前需進(jìn)行溶解，緩慢攪拌1～2 min；等待溶解氧濃度降為0.

脫氧劑無水亞硫酸鈉的投入量計(jì)算式為

W1=k1·k2·DO·V，

(1)

式中：k1為每消耗1 g的O2所需的Na2SO3質(zhì)量，理論上消耗掉1 g的O2需要7.875 g的Na2SO3，取整為8；k2為安全系數(shù)，一般取1.2～1.5，文中取1.5.

催化劑六水合氯化鈷的投入量計(jì)算式為

W2=k3·k4·V，

(2)

式中：k3為要使水中含有1 g的鈷離子需要六水合氯化鈷的質(zhì)量，理論上為4.03 g，圓整后取4；k4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，文中試驗(yàn)取0.5 mg/L.

4) 啟動(dòng)倒傘曝氣機(jī)，并設(shè)置轉(zhuǎn)速.

5) 持續(xù)曝氣，當(dāng)溶氧儀讀數(shù)為0.1 mg/L時(shí)，開始計(jì)時(shí)并記錄此時(shí)的溶解氧濃度，此后每隔30 s記錄1次數(shù)據(jù)，至濃度值不再增加，認(rèn)為水已達(dá)到氧飽和．

6) 重復(fù)試驗(yàn)，重復(fù)步驟3)，4)和5)直至曝氣結(jié)束．

3 曝氣機(jī)性能評(píng)價(jià)方法及數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 曝氣性能評(píng)價(jià)方法

對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa(20)、標(biāo)準(zhǔn)充氧能力SOTR和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率SAE[11]．

氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa的計(jì)算公式為

(3)

式中：CS為室溫下的氧飽和濃度，mg/L；Ct1為t1時(shí)刻的溶解氧濃度；Ct2為t2時(shí)刻的溶解氧濃度．

溫度會(huì)影響對(duì)氧的傳遞速率，因此需要進(jìn)行溫度校正[12]，計(jì)算公式為

KLa(20)=KLa(t)×1.02420-T，

(4)

式中：T為試驗(yàn)水溫，℃；KLa(t)為t時(shí)的總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；1.024為修正系數(shù)．

標(biāo)準(zhǔn)充氧能力SOTR的計(jì)算公式為

SOTR=CS(標(biāo))×KLa(20)×V，

(5)

式中：SOTR為標(biāo)準(zhǔn)條件下單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到水中的氧量，mg/min；CS(標(biāo))為標(biāo)準(zhǔn)條件下氧的飽和濃度，mg/L．

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率SAE的計(jì)算公式為

(6)

式中：SAE為標(biāo)準(zhǔn)條件下一定電能耗時(shí)氧轉(zhuǎn)移到水中的含量，mg/(min·W)；P為消耗功率，W．

3.2 曝氣性能數(shù)據(jù)預(yù)處理

倒傘曝氣機(jī)曝氣能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率．標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)可直接反映池內(nèi)氧傳質(zhì)速率，是最基本的參數(shù)．曝氣池內(nèi)水量不變時(shí)液體、標(biāo)準(zhǔn)充氧能力與標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)成正比，故將標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力放在一起分析．將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理[13]．各方案下的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)的數(shù)據(jù)見表1，其曲面圖如圖4所示．

表1 各方案下的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)Tab.1 Total standard oxygen transfer coefficients under various conditions

圖4 各方案下的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)曲面圖Fig.4 Surface plots of standard total oxygen transfer coefficient under various conditions

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 葉片數(shù)對(duì)曝氣能力的影響

從倒傘曝氣機(jī)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，著重研究改變?nèi)~片數(shù)對(duì)其曝氣性能的影響.

以浸沒深度為0 mm為例，倒傘曝氣機(jī)不同葉片數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力在不同液位高度和轉(zhuǎn)速下的變化如圖5所示．從圖中可以看出，液位高度不變時(shí)，倒傘曝氣機(jī)的曝氣能力隨著葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速的增加而提高，且在不同液位高度下變化趨勢(shì)相同．液位高度增加時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)隨之減小，標(biāo)準(zhǔn)充氧能力會(huì)提高，但變化皆較小.

圖5 不同葉片數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力隨轉(zhuǎn)速變化柱狀圖Fig.5 Standard total oxygen transfer coefficient and standard oxygenation capacity versus rotational speed under different numbers of blades

分析其原理：氧氣難溶于水，水中溶解氧濃度低，氧傳質(zhì)阻力幾乎全部集中在液膜，而轉(zhuǎn)速增大時(shí)，葉輪附近液體的湍動(dòng)強(qiáng)度增加，液膜厚度減小，有利于氧傳遞．同時(shí)，葉輪的軸向提升能力增強(qiáng)，更多的液體流向輻板上側(cè)，水與空氣的接觸面積增加；此外，水躍高度和輻射半徑也隨之增加，水與空氣的接觸時(shí)間延長(zhǎng)．因此氧傳質(zhì)能力會(huì)隨轉(zhuǎn)速增大而提高，而液面上的水躍和近水面區(qū)域的湍動(dòng)傳質(zhì)對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的貢獻(xiàn)最大．

忽略液體的黏性摩擦力，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液體由于推力作用沿著葉片工作面射出．當(dāng)葉片從6枚增加到8枚時(shí)，葉輪的拋灑強(qiáng)度增加，高近水表面的含氣率隨之提高，水與空氣的接觸面積增大，從而氧傳質(zhì)效率得到極大提高．同時(shí)，近水面附近液體的波動(dòng)隨葉片數(shù)增加而加大，液體與氣泡間的相互作用更加劇烈，氧傳質(zhì)的能力也增大．因此，倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力隨著葉片數(shù)的增加而大幅增大．

隨著液位高度的增加，淺層高氧濃度水體受濃度梯度影響與底層水體發(fā)生傳質(zhì)作用，導(dǎo)致淺層水體氧濃度降低，淺層水體與空氣濃度差增大，液膜阻力隨之減小，導(dǎo)致曝氣效率增加，標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)增大．隨著液位高度的增加，淺層水體與底層水體的傳質(zhì)作用減弱，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)隨液位高度的增加而減?。鶕?jù)式(4),(5)可知，標(biāo)準(zhǔn)充氧能力與標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)及水體體積相關(guān)，隨著液位高度的增加，水體體積增大，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)充氧能力隨液位高度增加而增加．

4.2 葉片數(shù)對(duì)曝氣效率的影響

為了解葉片數(shù)對(duì)曝氣效率的影響，研究不同葉片數(shù)倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率SAE在不同液位高度下隨轉(zhuǎn)速的變化,如圖6所示．

圖6 不同葉片數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率隨轉(zhuǎn)速變化柱狀圖Fig.6 Standard dynamic efficiency versus rotational speed under different numbers of blades

從圖6中可以看出，液位相同時(shí)，葉片數(shù)對(duì)曝氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率的影響較小，不同液位變化趨勢(shì)相同．且在轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，6葉片倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率大于8葉片倒傘曝氣機(jī)，主要是由于倒傘曝氣機(jī)消耗的功率會(huì)隨著葉片數(shù)的增加而增大，而在倒傘曝氣機(jī)以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，葉輪主要起攪拌作用，對(duì)水躍的貢獻(xiàn)較小．

5 結(jié) 論

為研究葉片數(shù)對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能影響，文中開展倒傘曝氣機(jī)曝氣性能試驗(yàn)，改變曝氣池液位高度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪浸沒深度和葉輪葉片數(shù)，測(cè)量了6葉片和8葉片倒傘曝氣機(jī)驅(qū)動(dòng)下，圓形曝氣池內(nèi)溶解氧濃度，并對(duì)試驗(yàn)溶解氧濃度值用最小二乘回歸分析法處理，分析不同參數(shù)下的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率，結(jié)果如下：

1) 在同一轉(zhuǎn)速下，6葉片倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力低于8葉片倒傘曝氣機(jī)．在浸沒深度為0 mm、液位高度不變時(shí)，倒傘曝氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速增大，各項(xiàng)曝氣性能均提高，其中標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力與轉(zhuǎn)速成正比，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率與轉(zhuǎn)速?zèng)]有明確的關(guān)系．

2) 葉片數(shù)的增多會(huì)增加功率消耗，故各轉(zhuǎn)速及浸沒深度下8葉片和6葉片的倒傘曝氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率相差不大．