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微孔扩散器形状对曝气增氧性能影响的试验

2017-09-15程香菊谢宇宁朱丹彤华南理工大学土木与交通学院广州5064四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都60065中国水产科学研究院珠江水产研究所广州5080

农业工程学报 2017年16期
关键词:增氧传质圆盘

程香菊,谢宇宁,朱丹彤,李 然,谢 骏(. 华南理工大学土木与交通学院,广州 5064;. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 60065;. 中国水产科学研究院珠江水产研究所,广州 5080)

微孔扩散器形状对曝气增氧性能影响的试验

程香菊1,2,谢宇宁1,朱丹彤1,李 然2,谢 骏3
(1. 华南理工大学土木与交通学院,广州 510641;2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065;3. 中国水产科学研究院珠江水产研究所,广州 510380)

为了探究不同形状(直线型、C型、S型和圆盘型)的微孔曝气扩散器对增氧性能的影响,在3个水深和5个曝气流量下进行了一系列的室内曝气增氧试验。结果表明:相同水深和流量下,直线型的氧体积传质系数、充氧能力、动力效率和氧利用率均最大,例如在0.7 m水深时4个技术指标的范围值分别为0.853~1.762 h-1、8.701~17.432 g/h、4.146~6.869 kg/(kW·h)、3.257%~4.912%;而S型是最低的,其范围值分别为0.798~1.504 h-1、6.850~12.627 g/h、2.630~4.444 kg/(kW·h)、3.823%~2.339%;其次是C型和圆盘型微孔曝气扩散器,其他水深试验条件下也得到了类似的规律。由此说明直线型的增氧效果最好。为了仅探究扩散器形状对增氧性能的影响,在试验水池表面铺设薄膜阻隔了空气-自由水表面氧传质后,4种扩散器的氧体积传质系数均下降,最大的下降率分别为12.29%、8.73%、12.26%和6.74%,空气-自由水表面氧传质对不同形状的扩散器的影响程度不同。但下降后的氧体积传质系数值最高的仍是直线型,其次是C型和圆盘型,S型仍然最低;直线型、C型、圆盘型、S型在0.7 m水深下分别为1.693、1.470、1.438和1.227 h-1,在其他工况下也得到了类似的规律。因此,增氧性能最好的是直线型微孔曝气扩散器。此研究结果可为微孔曝气技术的绿色环保应用以及实际工程中对微孔扩散器形状的选取提供一定的参考价值。

氧;污水处理;动力效率;微孔曝气扩散器形状;氧体积传质系数;充氧能力

0 引 言

微孔曝气增氧机一般是通过管道将加压后的空气输送到固定在水体底部的微孔扩散器中,产生微小气泡,气泡内的空气通过液膜进入到水体,达到高效增氧的目的[1]。因为其具有通气量大、充氧能力强、节能环保、安装简便、适应性强等特点[2-3],所以在湖泊、水库、河流、河口、养殖池塘以及污水处理厂等需要增氧的水体中,微孔曝气增氧机的应用越来越广泛[4]。经过多次的技术变革[5],目前微孔扩散器多为纳米微孔曝气软管。

影响微孔曝气软管增氧性能的因素较多[6-8],外界因素主要有水温、大气压、水质条件、水体的流动性、淹没水深等,例如,Rosso等[9-11]在研究中发现表面活性剂对氧传质的影响非常显著;罗涛等[12]发现不同的总无机溶解性固体浓度对微孔曝气氧传质过程产生不同的影响;Dasilvaderonzier等[13-14]研究发现微孔曝气器的氧体积传质系数随着水平流速的增加而增大;自身因素则有曝气扩散器密度、布局、通气量、曝气孔径和曝气管长度等,如Paulson[15]通过研究圆盘式和钟罩式曝气器密度的影响,发现氧利用率随着密度的增大而增大;Huibregtse等[16]通过比较几种曝气扩散器的布置方式对充氧能力的影响,发现采用均匀布置方式优于单螺旋或双螺旋布置方式;国内外很多学者都指出氧体积传质系数随着通气量的增大而近似成线性增大[17-20];而对于曝气孔径,庄健等[21-22]在研究中都发现随着孔径的增大,氧体积传质系数、充氧能力和氧利用率均在下降;程香菊等[23]则在试验中得出了曝气管长度对氧体积传质系数的影响曲线为先高后低再高的结论。

以上的研究中,大多是根据经验、甚至是盲目地采用圆型曝气盘作为扩散器。实际上,扩散器可能被制作成多种形状,例如直线型、半圆型、S弯道型等,扩散器的形状是否对增氧性能产生影响,究竟哪种形状的扩散器的增氧效率最佳,目前的研究还几乎处于空白状态。基于此,为了探究扩散器形状对水体增氧效果的影响,本文以微孔扩散器形状(如直线型、C型、S型和圆盘型)为影响因子,以氧体积传质系数、充氧能力动力效率和氧利用率为主要对比指标,进行室内模型试验,对比分析不同扩散器形状的增氧效果,得出增氧效率较优的扩散器形状,以期为微孔曝气技术的绿色环保应用以及实际工程中对微孔扩散器形状的选取提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示,主要由有机玻璃水池、微孔曝气扩散器、溶氧仪、空气流量计、空气压缩机和电脑组成。有机玻璃水池的尺寸为2 m×0.8 m×0.8 m(长×宽×高),溶氧仪探头放置在非气泡区,并且固定在距离水面0.3 m的地方。作者在前期研究中,当设定其他条件一致,仅改变曝气管长度时,发现曝气管长度为1.1 m时具有最优的增氧性能[23]。因此,本试验仍然采用1.1 m长、内外径分别为10、15 mm的纳米微孔曝气管作为曝气增氧设备,并将其改造成直线型、C型、S型和圆盘型4种不同形状的曝气扩散器,如图2所示,固定放置于水池中央。同时,本试验还在水池顶部加盖塑料薄膜,用于阻隔空气与自由水表面之间的接触,避免来自于空气与自由水表面的传质,从而单从扩散器形状对增氧性能的影响进行探究,试验照片如图3所示。

1.2 试验方法

试验方法参考美国ASCE清水增氧测试标准[24]和CJ/T475-2015《微孔曝气器清水氧传质性能测定》[25]。试验水体为自来水,测试时先往水里加入一定量的无水亚硫酸钠(Na2SO3)和氯化钴(CoCl2)溶液,进行氧亏,并充分搅拌,待水体溶解氧DO(dissolved oxygen)值降至接近0,且处于稳定状态时,空压机开始工作曝气,每隔10 s记录水中溶解氧浓度和温度随时间的变化,以便计算出氧体积传质系数、充氧能力、动力效率和氧利用率。试验分别对不同的曝气流量(即0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m3/h)、水深(即0.4、0.55、0.7 m)以及微孔管扩散器形状(即直线型、C型、S型、圆盘型)条件下的增氧效果进行测试。在开展试验过程,对每一种工况下的数据进行3次测定,对由此计算出的氧体积传质系数、充氧能力、动力效率和氧利用率分别取其平均值。

图1 试验装置示意图Fig.1 Experimental setup

图2 4种不同形状的微孔曝气扩散器Fig.2 Four different types of microporous aeration diffusers

图3 铺设有薄膜盖的水池试验照片Fig.3 Test photo of water tank with film cover

1.3 测量方法

测量参数主要为曝气流量、水体溶解氧浓度、水温和测点处的压强。采用型号HMF5706-N-200、流量范围为0~200 L/min的气体质量流量计对曝气流量进行测量。因为气体质量流量计易受空压机气缸尺寸和温度的影响,使读数产生一定的波动,当最大读数与最小读数误差不足5%时[24],记录最大和最小读数,平均后作为每个试验工况的曝气流量。采用YSI ProODO光学溶氧仪,并与电脑连接,通过专业软件读取溶解氧浓度、水温和测点处压强的数据。

1.4 计算方法

目前常用于清水试验中评价曝气器增氧性能的主要技术指标有氧体积传质系数、充氧能力、动力效率和氧利用率[25-26]。

1.4.1 氧体积传质系数

试验的基本原理是依据Whitman提出的双膜理论[27],并且结合ASCE标准[24]提出的溶解氧DO质量输移模型,采用总氧体积传质系数KLaT来衡量水体的增氧效率,其氧传质的基本方程为:

方程两边积分得:

式中C0为开始曝气增氧前的初始DO浓度,一般为0;C为曝气水体中某测量时间点的DO浓度,mg/L;KLaT为水温T对应的水体总的氧体积传质系数,h-1;为曝气水体中水温T时DO的平衡浓度,mg/L;t为水体曝气增氧时间,h。

在式(2)中,C随着t发生变化,在一个工况中,可以实测得到一系列的C和对应的t数据。因此,应用高斯-牛顿法的非线性回归分析法对实测数据拟合,最终拟合得到、KLaT的值。

当测试时水体的温度不是标准的20 ℃,则需采用式(3)对KLaT进行修正[24]:

式中KLa20为20 ℃时的氧体积传质系数;θ为待定常数,一般取值为1.024;T为测量时的水温,℃。

1.4.2 充氧能力

标准的充氧能力(标准氧传质速率)SOTR(standard oxygen transfer rate),是评价增氧机性能的重要指标,指在20 ℃和标准大气压下,曝气器在单位时间内向水体传递的氧量,可由式(4)计算得到[24]:

因为水体平衡DO浓度易受水温、气压、水质等因素的影响,所以对于平衡溶解氧浓度的取值,采用美国ASCE标准的计算方法,对温度和气压进行修正,如下式所示[24,28]:

式中Ω为压力修正系数;Pb为试验时气体的绝对压力,kPa;Ps为标准气压,101.325 kPa;τ为温度校正系数;C为在20 ℃、1.0 atm标准总压力和100%相对湿度下的溶解氧饱和浓度值,kg/m3;为在试验水温T、1.0 atm标准总压力和100%相对湿度下的溶解氧饱和浓度值,mg/L。

1.4.3 动力效率

动力效率(标准曝气效率)SAE(standard aeration efficiency)是指曝气器在标准状态,测试条件下,消耗单位有用功所传递到水中的氧气质量,可由下式得到[24-25,29]:

式中SAE为标准曝气效率,kg/(kW·h);NT为曝气充氧过程所耗的理论功率,kW;P为进气管的气体压力,Pa;qb为实际流量,m3/h;qb0为测试时流量计的流量,m3/h;Pb0为101.325 kPa;Pb为测试时气体的绝对压力,kPa;Tb为测试时的绝对温度,K;Tb0为刻度标定时的绝对温度,293.15 K。

1.4.4 氧利用率

氧利用率(标准氧传质效率)SOTE(standard oxygen transfer efficiency)是指曝气使水体溶解氧达到平衡过程中,进入水体的氧气量与总的供氧量之间比值的百分数,其计算公式如下所示[24-25,30]:

式中0.21为氧在空气中所占体积的百分比;1.43为氧的容重,kg/m3;q为一个标准大气压,20 ℃时曝气装置的通气流量,m3/h;Ts取293.15 K;Ps取101.325 kPa。

2 结果与分析

图4给出了水体氧体积传质系数KLa20、充氧能力SOTR、动力效率SAE和氧利用率SOTE在不同水深下4种扩散器形状的变化情况。

由图4第1列可知,不管淹没水深为0.7、0.55,还是0.4 m,直线型微孔曝气扩散器的KLa20基本上是最高的,最低的是S型微孔曝气扩散器,处于中间的分别是C型和圆盘型微孔曝气扩散器,如1.8 m3/h流量时,直线型的分别为1.762、1.942和2.425 h-1;S型的分别为1.504、1.530和1.716 h-1;C型和圆盘型分别为1.601、1.795、2.002和1.564、1.631、2.066 h-1。当曝气流量为0.6 m3/h时,4种扩散器形状的KLa20都比较接近;在1.8 m3/h时则差距比较明显,在0.4 m水深时,0.6 m3/h流量下,4种扩散器形状的KLa20分别为1.070、1.065、0.850和0.993 h-1;1.8 m3/h流量下分别为2.425、2.002、1.716和2.066 h-1。且在0.7 m水深下,直线型的KLa20变化曲线与C型的贴近,S型的与圆盘型的贴近;在0.55 m水深下,直线型的仍然与C型的贴近;但在0.4 m水深时,则是C型的与圆盘型的贴近,所以不同的水深对不同的微孔扩散器的影响程度存在着一定差别。

同时,在图4的氧体积传质系数曲线还可以发现,在同一微孔扩散器形状和曝气流量下,随淹没水深的下降,KLa20在增加,在0.4 m水深时,KLa20均最高,说明了水深也是影响微孔曝气系统增氧性能的重要因素。

分析图4充氧能力、动力效率和氧利用率曲线可知,在不同水深下,SOTR、SAE和SOTE值最大的仍然是直线型微孔扩散器,而且明显高于其他几种形状;其中C型与圆盘型的SOTR、SAE和SOTE值比较相近,有高有低;S型的SOTR、SAE和SOTE值则明显地处于最低位置,而且与其他3种形状的曲线相距较大。在0.7 m水深下,直线型的SOTR、SAE和SOTE值的范围分别为8.701~17.432 g/h、6.869~4.146 kg/(kW·h)、4.912%~3.257%;C型与圆盘型的分别为8.093~15.237 g/h、5.211~3.169 kg/(kW·h)、4.481%~2.832%和8.081~15.117 g/h、6.147~3.503 kg/(kW·h)、4.494%~2.858%;而S型的分别为6.850~12.627 g/h、4.444~2.630 kg/(kW·h)、3.823%~2.339%。所以,从4个技术指标综合来看,增氧性能最好的是直线型,其次是C型和圆盘型。另外,当微孔扩散器和曝气流量相同时,随着水深的下降,微孔曝气器的SOTR、SAE和SOTE都有降低的趋势。而SOTR随着曝气流量的增大而增大,SAE和SOTE趋势却相反。

图4 氧体积传质系数、充氧能力、动力效率和氧利用率的变化情况Fig.4 Changes in oxygen volumetric mass transfer coefficient, standard oxygen transfer rate, standard aeration efficiency and standard oxygen transfer efficiency

为了更充分地对比圆盘型微孔扩散器与其他3种形状的增氧效果,分析了直线型、C型和S型扩散器的KLa20相对于圆盘型的变化率,如图5所示,其计算公式为:

式中(KLa20)r,ni为不同扩散器形状的KLa20对圆盘型的变化率,%;i代表扩散器形状,分别为直线型、C型和S型;(KLa20)ni分别为直线型、C型和S型的KLa20,h-1;(KLa20)d为圆盘型扩散器的KLa20,h-1。

图5给出了不同水深条件下直线型、C型和S型扩散器相对于圆盘型的KLa20的变化率。从图5可看到,直线型微孔扩散器的变化率均为正值,但并没有随着曝气流量的增大而增大,0.7、0.55和0.4 m水深时达到最大值,分别为16.66%、19.07%和33.91%,说明其增氧效果明显优于圆盘型。另一方面,S型微孔扩散器的变化率为负值,其增氧效率低于圆盘型,在0.7、0.55和0.4 m水深时达到最大负值分别为-6.04%、-13.03%和-16.95%。对于C型微孔扩散器,其变化率基本为正值,优于圆盘型。

图5 直线型、C型和S型扩散器相对于圆盘型的KLa20的变化率Fig.5 Change rates of KLa20of linear-type, C-type, S-type diffusers relative to disc-type

3 讨 论

从以上的试验结果分析,对于水深这个影响因素,在同一微孔曝气扩散器形状下,随着水深的下降,微孔曝气系统的KLa20在增加,SOTR、SAE和SOTE则都呈现下降的趋势。这主要是因为曝气气泡在水里停留的时间、水表面的湍动和传质阻力随水深的不同表现各异。当在浅水如0.4 m时,气泡升至水表面产生的湍动更为强烈,空气与水表面单元更新的速率加快,而且液膜的传质阻力也较低,两者促使更多的空气被卷吸进入水中,所以KLa20更大。从式(4)可以看出,SOTR与氧体积传质系数、水池的液体体积以及饱和溶解氧浓度有关。从式(9)和(12)看出,SAE、SOTE与SOTR成正相关,所以当曝气流量一定时,随着曝气水深的增加,增大了水体体积,增加了气泡停留时间,即气泡与水接触的时间增长,增大了氧分压和传质推力,促进了氧的传质,使SOTR、SAE和SOTE增加。

对于微孔扩散器形状这个重要的影响因素,从4个技术指标综合来看,增氧性能最好的是直线型微孔曝气扩散器,其次是C型和圆盘型,最差的是S型。我们知道,在微孔曝气增氧的过程中,氧传质有2种方式,一是氧在气泡-水界面的传递;二是空气中的氧通过紊动的自由水表面传质传递到水体[31]。对于养殖池塘、城市景观水体、污水处理厂等浅型水体,第二种氧传质方式起着更加重要的作用[32]。而本试验,水深较浅,所以先从第二种氧传质方式进行考虑。从现场的试验现象,直观地认为是直线型微孔扩散器所产生的紊动程度和水表面的紊动面积更大,使其增氧性能比其他几种形状的要好。但是由于目前对扩散器形状对增氧性能的影响机制的研究几乎处于空白,难以准确地界定是气泡-水界面氧传质还是空气-自由水表面氧传质导致这种不同的影响效果。所以,在试验中通过在池顶铺设薄膜盖,以此来先考虑扩散器形状对空气-自由水表面的氧传质机制。

图6给出了氧传质系数在有无铺设薄膜盖条件下的对比。从图6可以看出,在池顶铺设薄膜阻隔了空气-自由水表面氧传质后,在不同水深和不同的曝气流量下,4种扩散器形状的氧体积传质系数均出现了下降的趋势,但是下降的程度不同。直线型扩散器在0.4 m水深时平均下降率比0.55和0.7 m的大,达到12.29%,即阻隔空气-水表面氧传质对0.4 m水深的工况的影响程度更大。而C型和圆盘型扩散器在0.7、0.55、0.4 m水深下的平均下降率则较为接近,分别为8.73%、7.29%、7.92%和4.52%、6.44%、6.74%,阻隔空气-水表面氧传质对这2种扩散器形状的影响程度相近。在3种水深下,下降程度都相近且比较大的是S型扩散器,分别为12.17%、12.24%和12.26%。说明薄膜盖的铺设确实阻隔了空气-自由水表面氧传质方式,而且这种阻隔对不同水深下不同形状的微孔扩散器所产生的影响也不同。

图6 薄膜盖对氧体积传质系数的影响Fig.6 Effect of film cover on oxygen volumetric mass transfer coefficient

图7 给出了薄膜盖存在时,不同形状的微孔曝气扩散器的氧体积系数的变化情况。从图7可以看出,阻隔了空气-水表面氧传质后,直线型微孔扩散器的氧体积传质系数仍然最高,增氧性能最好,而S型仍然处于最低

位置,增氧性能最差,其中C型和圆盘型的较为接近,直线型、C型、圆盘型、S型在0.7 m水深下分别为1.693、1.470、1.438和1.227 h-1。说明单纯考虑空气-水界面氧传质,虽然能得出不同形状扩散器所受的影响程度的差别,但仍不能完整得到其氧传质影响机制,仍需从气泡-水界面氧传质进行深入研究。

要深入地分析气泡-水界面氧传质,曝气增氧过程中气泡的数量、气泡的直径、气泡的上升速度和掺气浓度是最关键的几个参数。但本文受试验条件和时间限制,还没能对这几个重要参数进行精确地测量,还不能从实质的机理上得到这几种微孔扩散器形状中,直线型微孔扩散器的增氧性能最好的原因,这将是今后研究的重点。

图7 在铺薄膜后不同扩散器形状的氧体积系数的变化情况Fig.7 Variation of oxygen volumetric mass transfer coefficient in different shaped diffusers after film placement

4 结 论

在不同曝气流量、水深和微孔曝气扩散器形状条件下,进行了微孔曝气清水增氧试验,计算并分析了氧体积传质系数KLa20、充氧能力(SOTR)、动力效率(SAE)和氧利用率(SOTE)4个技术指标后,得到了以下结论:

1)在相同水深和曝气流量下,直线型微孔曝气扩散器的KLa20、SOTR、SAE和SOTE值都是最高的,0.7 m水深时4个技术指标的范围值分别为0.853~1.762 h-1、8.701~17.432 g/h、4.146~6.869 kg/(kW·h)、3.257%~4.912%;而S型微孔曝气扩散器是最低的,其范围值分别为0.798~1.504 h-1、6.850~12.627 g/h、2.630~4.444 kg/(kW·h)、2.339%~3.823%;处于中间值的是C型和圆盘型微孔曝气扩散器;在另外水深下也得到同样的规律。说明直线型微孔曝气扩散器增氧性能最好,S型最差,可见依据经验选取的圆盘型微孔扩散器的增氧效果并不是最好的。

2)当试验水池铺设薄膜阻隔了空气-自由水表面氧传质后,直线型、C型、S型和圆盘型扩散器的KLa20均下降,下降程度不一,最大的下降率分别为12.29%、8.73%、12.26%和6.74%,空气-自由水表面氧传质对不同形状的扩散器的影响程度不同。但下降后的KLa20值最高的仍是直线型,其次是C型和圆盘型,S型仍然最低。直线型、C型、圆盘型、S型在0.7 m水深下分别为1.693、1.470、1.438和1.227 h-1。说明单纯考虑空气-水界面氧传质,可以得出不同形状扩散器所受的影响不同,但要得到完善的影响机制,仍需在气泡-水界面氧传质进行深入研究。

根据本文试验结果,针对于浅水型增氧水体,当采用微孔曝气管作为扩散器时,推荐直线型微孔曝气扩散器作为增氧设备,这为以后实际工程应用中对微孔扩散器形状的选取提供了一定的参考价值。因为试验室条件限制,试验水深最大为0.8 m,虽与养殖池塘和污水处理厂等实际水体的水深仍有一定的差距,但可以在试验装置模型和实际水体之间建立比尺关系,如管长、流量、水深等比尺,从而解决试验条件局限性问题,这也是今后的研究重点。

[1] 谷坚,徐皓,丁建乐,等. 池塘微孔曝气接叶轮式增氧机的增氧性能比较[J]. 农业工程学报,2013,29(22):212-217. Gu Jian, Xu Hao, Ding Jianle, et al. Comparison of oxygen-enriched performances of micropore and impeller aerators in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22): 212-217. (in Chinese with English abstract)

[2] Duchène P, Cotteux E, Capela S. Applying fine bubble aeration to small tanks[J]. Water Science Technology, 2001, 44: 203-210.

[3] 顾夏声. 废水生物处理数学模式[M]. 北京:清华大学出版社,1993:28-41.

[4] Nazih K Shammas. Fine pore aeration of water and wastewater[J]. Advanced Physicochemical Treatment Technologies, Springer, 2007: 391-448.

[5] 胡鹏,刘玲花,吴雷祥,等. 微孔曝气国内外研究进展及趋势分析[J]. 环境工程,2015(2):59-61. Hu Peng, Liu Linghua, Wu Leixiang, et al. Current research progress and trend on fine pore aeration[J]. Environmental Engineering, 2015(2): 58-61. (in Chinese with English abstract)

[6] 刘春,张磊,杨景亮,等. 微气泡曝气中氧传质特性研究[J]. 环境工程学报,2010,4(3):585-589. Liu Chun, Zhang Lei, Yang Jingliang, et al. Characteristics of oxygen transfer in microbubble aeration[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2010, 4(3): 585-589. (in Chinese with English abstract)

[7] 胡鹏,刘玲花,吴雷祥,等. 微孔曝气充氧性能的影响因素研究[J]. 工业水处理,2015,35(8):49-52. Hu Peng, Liu Linghua, Wu Leixiang, et al. Study on the influencing factors of oxygenation performance ofmicroporous aeration[J]. Industrial Water Treatment, 2015, 35(8): 49-52. (in Chinese with English abstract)

[8] 魏延苓,齐鲁,刘国华,等. 微孔曝气器增氧性能影响的因素[J]. 水处理技术,2014,40(2):1-7. Wei Yanling, Qi Lu, Liu Guohua, et al. Effect factors affecting oxygen transfer performance of fine bubble diffusers[J]. Technology of Water Treatment, 2014, 40(2): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[9] Rosso D, Huo D L, Stenstrom M K. Effects of interfacial surfactant contamination on bubble gas transfer[J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61: 5500-5514.

[10] Martin W, Pӧpel H J. Surface active agents and their influence on oxygen transfer[J]. Water Science and Technology, 1996, 34(3/4): 249-256.

[11] Liu Chun, Zhang Lei, Yang Jingliang, et al. Effects of surfactants on oxygen transfer in microbubble aeration[J]. Energy and Environment Technology, 2009(2): 531—534.

[12] 罗涛,王洪臣,齐鲁,等. 总溶解性固体及表面活性剂对微孔曝气传质过程影响的中式研究[J]. 环境科学学报,2012,32(9),2066-2070. Luo Tao, Wang Hongchen, Qi Lu, et al. Pilot scal research on the impact of TDS and surfactant on oxygen mass transfer in fine bubble aeration[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2012, 32(9): 2066-2070. (in Chinese with English abstract)

[13] Dasilvaderonzier G, Duchene P, Ramel C. Influence of a horizontal flow on the performance of a fine bubble diffused air system[J]. Water Science and Technology, 1994, 30(4): 89-96. [14] Gillot S, Capela S, Heduit A. Effect of horizontal flow on oxygen transfer in clean water and in clean water with surfactants[J]. Water Research, 2000, 34(2): 678-683.

[15] Paulson W L. Oxygen absorption efficiency study-Norton Co. dome-diffusers[R]. Worcester: Report to Norton Co., 1976.

[16] Huibregtse G L, Rooney T C, Rasmussen D C. Factors affecting fine bubble diffused aeration[J]. Journal-Water Pollution Control Federation, 1983, 55(8): 1057-1064.

[17] Chern Jiaming, Chou Shunren, Shang Chousheng. Effects of impurities on oxygen transfer rates in diffused aeration systems[J]. Water Research, 2001, 35(13): 3041-3048.

[18] Chern Jiaming, Yang Shengping. Oxygen transfer rate in a coarse-bubble diffused aeration system[J]. lndustrial & Engineering Chemistry Research, 2003, 42(25): 6653-6660.

[19] 李小冬,齐鲁,刘国华,等. 通气量对微孔曝气充氧性能影响的中试研究[J]. 中国给水排水,2014,30(5):81-84. Li Xiaodong, Qi Lu, Liu Guohua, et al. Impact of airflow rate on oxygen mass transfer in a pilot-scale fine bubble aeration system[J]. China Water & Wastewater, 2014, 30(5): 81-84. (in Chinese with English abstract)

[20] 顾海涛,王逸清. 池塘水深与通气量对微孔曝气增氧性能的影响[J]. 渔业现代化,2015,42(5):29-32. Gu Haitao, Wang Yiqing. Effects of water depth and ventilation on microporous oxygen transfer performance[J]. Fishery Modernization, 2015, 42(5): 29-32. (in Chinese with English abstract)

[21] 庄健,工洪臣,齐鲁,等. 孔径对微孔曝气充氧性能的影响[J]. 环境工程学报,2014,8(5):1723-1726. Zhuang Jian, Wang Hongchen, Qi Lu, et al. Effects of pore diameter on oxygenation performance in fine pore aeration[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2014, 8(5): 1723-1726. (in Chinese with English abstract)

[22] Yannick Fayolle, Arnaud Cockx, Sylvie Gillot, et al. Oxygen transfer prediction in aeration tanks using CFD[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(24): 7163-7171.

[23] 程香菊,曾映雪,谢俊,等. 微孔曝气流量和曝气管长度对水体增氧性能的影响[J]. 农业工程学报,2014,30(22):209-217. Cheng Xiangju, Zeng Yingxue, Xie Jun, et al. Impact of microporous aeration flow and aeration tube length on oxygen transfer performance in water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(22): 209-217. (in Chinese with English abstract)

[24] ASCE. ASCE Standard Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water[M]. Virginia: American Society of Civil Engineers, 2007.

[25] 微孔曝气器清水氧传质性能测定:CJ/T475-2015[S]. 中国标准出版社,2015.

[26] 严应政. 曝气设备的氧转移效率[J]. 西北建筑工程学院学报:自然科学版,2001,18(2):54-58. Yan Yingzheng. The oxygen transfer efficiency for aerator[J]. Journal of Northwestern Institute of Architectural Engineering: Natural Sciences, 2001, 18(2): 54-58. (in Chinese with English abstract)

[27] Whitman W G. The two-film theory of absorption[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1924, 5(5): 429-433.

[28] Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M]. 20th Ed. 1998. APHA, WPCF, AWWA.

[29] 谷坚,顾海涛,门涛,等. 几种机械增氧方式在池塘中增氧性能比较[J]. 农业工程学报,2011,27(1),148-152. Gu Jian, Gu Haitao, Men Tao, et al. Performance comparison for different mechanical aeration methods in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 148-152. (in Chinese with English abstract)

[30] 张自杰. 排水工程下册[M]. 第四版. 北京:中国建筑工业出版社,2000.

[31] 李尔. 微孔曝气最优气泡群理论及其在复氧工程中的应用[D]. 武汉:华中科技大学,2007:102-104. Li Er. Theory of Optimal Bubble Group for Fine Bubble Aeration and Its Application to Reaeration Engineering[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2007: 102-104. (in Chinese with English abstract)

[32] 程香菊,谢骏,余德光,等. 曝气增氧微气泡-水界面和水体表面和水体表面的氧传质的计算分析[J]. 农业工程学报,2013,29(13):190-199. Cheng Xiangju, Xie Jun, Yu Deguang, et al. Calculated analysis of oxygen transfer from air bubble-water interface and turbulent water surface in microporous aeration systems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(13): 190-199. (in Chinese with English abstract)

Experiment on effects of microporous diffuser types on aeration oxygenation performance

Cheng Xiangju1,2, Xie Yuning1, Zhu Dantong1, Li Ran2, Xie Jun3
(1. School of Civil Engineer and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, China; 3. Pearl River Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Guangzhou 510380, China)

In lakes, reservoirs, rivers, estuaries, aquaculture ponds and sewage treatment plants where the dissolved oxygen concentration needs to be increased, aerator is the most important oxygen equipment to maintain the dynamic balance of dissolved oxygen. Among different kinds of aeration facilities, the microporous aeration aerator has been more widely used, because of its large ventilation capacity, strong oxygenation capacity, energy saving and environmental protection, easy installation and strong adaptability. There are many factors that affect the aeration performance of microporous aeration aerator, mainly including external factors and self factors. The microporous aeration aerator uses a microporous aeration tube as its diffuser, but the current study of the effect of the type of the diffuser on the aeration performance of the microporous aeration aerator is almost blank. And conventionally, the microporous diffuser always uses disc-type, but this way is empirically and even blindly adopted. Therefore, in order to explore the effect of the microporous diffuser with different shapes on the oxygenation performance, a series of oxygenation experiments were carried out under different types of air diffuser rolled up by a same length (1.1 m) of aeration tube in laboratory. The type of the microporous diffuser was the main influence factor. The types were linear-type, C-type, S-type and disc-type. The experimental apparatus mainly included glass tank, microporous aeration system, dissolved oxygen meter and computer. The size of the glass tank was 2 m × 0.8 m × 0.8 m (length × width × height). The test was based on the standard test method for oxygen from American Society of Civil Engineers (ASCE) in different water depth and air flow. The air flow rate was set as 0.6, 0.9, 1.2, 1.5, and 1.8 m3/h and the water depth was set as 0.4, 0.55, and 0.7 m. The results show that, under the same water depth and air flow rate, the oxygen volumetric mass transfer coefficient, standard oxygen transfer rate, standard aeration efficiency and standard oxygen transfer efficiency of the linear-type microporous aeration diffuser are the highest. In the 0.7 m water depth, the ranges of the 4 technical indices are 0.853-1.762 h-1, 8.701-17.432 g/h, 4.146-6.869 kg/(kW·h), and 3.257%-4.912%, respectively, while the S-type is the lowest, and the range values are 0.798-1.504 h-1, 6.850-12.627 g/h, 2.630-4.444 kg/(kW·h), and 2.339%-3.823%, respectively. Between the linear-type and S-type microporous aeration diffuser are the C-type and disc-type. The same law is also obtained at another depth of water. It meant that the oxygenation performance of linear-type was the best, while the lowest one was the S-type microporous aeration diffuser. It could be known that it is not the best for the oxygenation effect of the disc-type microporous diffuser, which we have chosen empirically. After the film was covered on the top of tank to cut off the air-free water surface oxygen mass transfer, the values of oxygen volumetric mass transfer coefficients of these 4 types of diffusers were decreased and the degree of descent was different, and the largest decline rates were 12.29%, 8.73%, 12.26% and 6.74%, respectively. So, the influence degree of air-free water surface oxygen transfer on different diffuser types is different. But the best oxygenation effect occurred still under linear-type microporous aeration diffuser, followed by the C-type and disc-type, and the S-type is still the lowest one. And the values of oxygen volumetric mass transfer coefficients in 0.7 m water depth of linear-type microporous aeration diffuser, C-type and disc-type and S-type are 1.693, 1.470, 1.438 and 1.227 h-1, respectively. Therefore, oxygen performance of linear-type microporous aeration diffuser is the best. Based on these conclusions, for the shallow water to oxygenate, the linear-type microporous aeration diffuser is the first to use as aeration equipment, which provides a certain reference value for us in the practical selection of microporous diffuser shape.

oxygen; sewage treatment; standard aeration efficiency; microporous aeration diffuser type; oxygen volumetric mass transfer coefficient; standard oxygen transfer rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.030

S9

A

1002-6819(2017)-16-0226-08

程香菊,谢宇宁,朱丹彤,李 然,谢 骏. 微孔扩散器形状对曝气增氧性能影响的试验[J]. 农业工程学报,2017,33(16):226-233.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.030 http://www.tcsae.org

Cheng Xiangju, XieYuning, Zhu Dantong, Li Ran, Xie Jun. Experiment on effects of microporous diffuser types on aeration oxygenation performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 226-233. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.030 http://www.tcsae.org

2017-03-30

2017-08-10

国家自然科学基金“中小型受污染水库滞水层增氧机理及效应研究”(51579106);水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放合作基金“微孔曝气系统对水体增氧的机理及应用”(SKHL1421);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-46-16)

程香菊,女,四川自贡人,博士,教授,主要从事湖泊、水库、河流、河口、水产养殖池塘等的水力与水环境相关研究。广州 华南理工大学,510641。Email:chengxiangju@scut.edu.cn

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