程香菊，曾映雪，謝宇寧

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

池塘底部微孔曝氣增氧試驗(yàn)及分析

程香菊，曾映雪，謝宇寧

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的持續(xù)升溫、養(yǎng)殖密度的提高和高產(chǎn)高效養(yǎng)殖技術(shù)的推廣，增氧裝備越來(lái)越成為水產(chǎn)養(yǎng)殖必不可少的設(shè)備。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中的微孔曝氣式增氧機(jī)因其曝氣效率相對(duì)較高，適應(yīng)性較強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中。為了更好地了解和推廣使用微孔曝氣增氧系統(tǒng)，本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，研究了曝氣流量與曝氣管長(zhǎng)度對(duì)總氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，構(gòu)建了總氧體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)模型。因此，本文的研究能為微孔曝氣增氧系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

微孔曝氣系統(tǒng)；池塘；總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)；數(shù)據(jù)分析

1 研究背景

隨著人類(lèi)對(duì)魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物的需求量的日益增加，國(guó)內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖已逐步向高密度、集約化方向發(fā)展，這直接導(dǎo)致了水中自然的含氧量不足以滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物正常呼吸的需要。同時(shí)溶解氧（DO）也是水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘生產(chǎn)性能高低的關(guān)鍵因子［1］。水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中必須不斷補(bǔ)充氧氣以維持氧的動(dòng)態(tài)平衡、有效保證魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物正常生長(zhǎng)、以及防止水體二次污染事件發(fā)生。微孔曝氣式增氧機(jī)屬于鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，其工作原理是通過(guò)空氣壓縮機(jī)將空氣送入輸氣管道，再通過(guò)輸氣管道將空氣送入微孔曝氣管，然后曝氣管在壓力的作用下張開(kāi)孔口，所形成的微氣泡分散到水體中，而微氣泡中的氧在高氧分壓作用下溶入水中，同時(shí)使得水流發(fā)生左右旋轉(zhuǎn)和上下流動(dòng)，水流的上下流動(dòng)使得水體處于上下混合狀態(tài)，而水流的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)使得微氣泡柱周?chē)缓醯乃w向外擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)溶解氧的均勻分布。微孔曝氣式增氧機(jī)具有安裝簡(jiǎn)便、不易堵塞、防止缺氧死魚(yú)效果、節(jié)能明顯的顯著優(yōu)點(diǎn)，而且微孔曝氣式增氧機(jī)適應(yīng)性較強(qiáng)、增氧效果好，且增氧效率相對(duì)較高［2］，如其能耗僅為葉輪式增氧機(jī)的25%［3］，是水車(chē)式增氧機(jī)用電量的42.4%［4］。為了更加廣泛而有效的推廣使用微孔曝氣式增氧系統(tǒng)，本文通過(guò)一系列的室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究曝氣流量與曝氣管長(zhǎng)度對(duì)總氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，并構(gòu)建其預(yù)測(cè)模型，為進(jìn)一步提高其增氧效率提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置及測(cè)量

試驗(yàn)采用微孔曝氣管作為曝氣增氧機(jī)，一般把它盤(pán)結(jié)為圓盤(pán)狀，故簡(jiǎn)稱(chēng)曝氣盤(pán)。該管是一種由新型化纖增強(qiáng)改良塑料制成的軟性管狀曝氣器，其管外徑為15 mm，內(nèi)徑為10 mm，且表面布滿(mǎn)氣孔，每米長(zhǎng)的曝氣管大約700～1200個(gè)小孔。功能猶如單向開(kāi)關(guān)，當(dāng)曝氣時(shí)孔口鼓脹張開(kāi)，不曝氣時(shí)孔口收縮關(guān)閉，因此在很大程度上不僅可以避免雜質(zhì)等堵塞孔口，而且不需要安裝空氣過(guò)濾設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)曝氣增氧與隨時(shí)停止增氧。此管產(chǎn)生的氣泡直徑較小，在淡水中出孔氣泡直徑大約為0.5～2.0mm，在水中呈現(xiàn)煙霧飄散狀態(tài)，且上升速度比大氣泡要緩慢。該管最大的特點(diǎn)是所產(chǎn)生的初始微氣氣泡大小隨管長(zhǎng)、通氣流量、輸入氣壓與曝氣器淹沒(méi)水深的變化而變化［5］。

圖1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

圖2 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)模型試驗(yàn)照片如圖1所示，被卷曲成環(huán)狀的微孔曝氣管用磚頭綁扎固定在水池底面中心。兩臺(tái)溶氧儀分別放置在氣泡區(qū)與非氣泡區(qū)，見(jiàn)試驗(yàn)裝置圖2的①、②所示。

試驗(yàn)裝置主要包括：（1）正方形玻璃水池：1.2 m×1.2 m×1.1 m（長(zhǎng)×寬×高）；（2）各種不同長(zhǎng)度的微孔曝氣管；（3）2臺(tái)YSIProODO光學(xué)DO測(cè)量?jī)x；（4）空氣壓縮機(jī)：氣量0～0.9m3/h，額定工作壓力0.6 MPa；（5）空氣流量計(jì)：量程為0～200 L/m in；（6）化學(xué)試劑：無(wú)水亞硫酸鈉（Na2SO3）、氯化鈷（CoCl2）；（7）試驗(yàn)水體：自來(lái)水；（8）電腦一臺(tái)。

采用ASCE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水體DO含量進(jìn)行測(cè)量。曝氣池中的水不進(jìn)不出，在曝氣開(kāi)始前，先投放一定量的無(wú)水亞硫酸鈉和氯化鈷（催化劑）進(jìn)行氧虧，當(dāng)氧虧反應(yīng)使得曝氣水體的初始DO濃度接近為0時(shí)，立即打開(kāi)已經(jīng)調(diào)節(jié)好充氣流量的空壓機(jī)閥門(mén)，進(jìn)行曝氣增氧，且定時(shí)記錄水中DO濃度隨曝氣時(shí)間的變化情況，直到水體DO含量趨于穩(wěn)定，停止曝氣。

試驗(yàn)步驟具體如下：（1）清洗完曝氣池后，把微孔曝氣盤(pán)置于池中的中間位置處，然后把兩臺(tái)溶氧儀分別安置在氣泡區(qū)（有氣泡存在的區(qū)域，見(jiàn)圖2）和非氣泡區(qū)（沒(méi)有氣泡存在的區(qū)域），接著將自來(lái)水注入池中直至預(yù)定水深位置；（2）將溶氧儀與電腦連接，并通過(guò)溶氧儀自帶軟件每隔2m in讀取DO濃度、水溫、測(cè)量點(diǎn)處壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)。在氧虧反應(yīng)前，由溶氧儀測(cè)量曝氣水池中水體得到的DO濃度為C1，利用方程式［5］：mNa2SO3=7.875C1V(g)；mCoCl2=2V( ) g，計(jì)算得到投放無(wú)水亞硫酸鈉與氯化鈷的化學(xué)劑量。用電子天平稱(chēng)出相應(yīng)的量后，采用溫水將無(wú)水亞硫酸鈉與氯化鈷溶解，并由池頂均勻注入該溶液。在注入的過(guò)程中，適當(dāng)攪拌曝氣池水體，讓其均勻散布于水體中；（3）待池內(nèi)的溶解氧降至接近為0mg/L，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)開(kāi)始曝氣增氧，并采用電子流量計(jì)測(cè)量曝氣流量大小。溶氧儀記錄水中DO濃度隨時(shí)間的變化情況，直到DO含量趨于穩(wěn)定、停止曝氣。

3 氧體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算方法

根據(jù)ASCE標(biāo)準(zhǔn)可知，最大與最小的局部氧體積傳質(zhì)系數(shù)的差值范圍在10%以?xún)?nèi)的工況，可以由該氧傳質(zhì)模型計(jì)算得到總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)。其氧傳質(zhì)基本方程式為［6］：

積分得：

式中，C0為開(kāi)始曝氣增氧前的初始DO濃度，一般為0；C為曝氣水體中某時(shí)間t對(duì)應(yīng)測(cè)量得到的DO濃度，mg/L；KL為水體總傳質(zhì)系數(shù)，m/h；a為比表面積，m-1；為曝氣水池中總氧體積傳質(zhì)系數(shù)，1/h；為曝氣水體中飽和DO濃度，mg/L；t為水體曝氣增氧時(shí)間，h。

該式應(yīng)用高斯-牛頓法的非線(xiàn)性回歸分析法進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合，最終擬合得到的值。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 曝氣流量與曝氣管長(zhǎng)度對(duì)總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響圖3給出了總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨曝氣流量、曝氣管長(zhǎng)度的變化情況。當(dāng)曝氣流量、曝氣管長(zhǎng)分別在0.27～0.55m3/h、0.90～1.50m之間變化時(shí)，相對(duì)應(yīng)的總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)在0.63～1.10 h-1范圍內(nèi)變化。從圖3（a）可知，在不同曝氣管長(zhǎng)下，總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨曝氣流量的增大而增大，即與曝氣流量成正比。從圖3（b）也可以看出，在同一管長(zhǎng)工況下的與曝氣流量呈遞增關(guān)系。原因在于曝氣流量的增加，使得曝氣管所產(chǎn)生的氣泡數(shù)量增加，從而加大了氣泡與周?chē)w的接觸面積，更多的氧進(jìn)入水體成為了溶解氧，提高了氣泡-水界面?zhèn)髻|(zhì)；另一方面，曝氣流量越大，輸入的能力越大，水表面在曝氣的作用下強(qiáng)烈湍動(dòng)破碎，湍流水體的漩渦直接在水表面與湍流主體之間移動(dòng)，使得水體表面單元不斷地被湍流區(qū)移來(lái)的水體單元所更新，而舊單元重新返回湍流區(qū)，使氣-液湍流的渦旋混合界面不斷更新，加速了自由水表面氧的傳質(zhì)和溶解氧在水體中的混合。

圖3 總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨曝氣流量、曝氣管長(zhǎng)的變化

從圖3（a）可以看出，總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨曝氣流量變化最大的均是管長(zhǎng)為1.1m。由李爾［5］研究的最優(yōu)氣泡群理論可知，在微孔曝氣過(guò)程中，主要通過(guò)兩種方式將氣泡中的氧傳遞到曝氣水體中，一是在氣泡-水界面?zhèn)髻|(zhì)的作用下傳遞進(jìn)入水體中；二是通過(guò)氣泡攪拌的作用方式傳遞到水體中。同時(shí)，李爾特別強(qiáng)調(diào)了氣泡攪拌的混合作用使得DO快速擴(kuò)散到低DO濃度區(qū)，實(shí)現(xiàn)DO濃度均勻分布于曝氣水池中的目的，從而大大提高了。在經(jīng)典相際傳質(zhì)理論中，主張的是氣泡直徑越小，氧體積傳質(zhì)系數(shù)越大；然而，在李爾的研究中，發(fā)現(xiàn)氧體積傳質(zhì)系數(shù)并非隨著氣泡直徑減小而增大，而是存在一個(gè)最優(yōu)直徑使得其氧體積傳質(zhì)系數(shù)最大。同時(shí)，李爾試驗(yàn)研究指出，最優(yōu)初始?xì)馀萑河勺顑?yōu)曝氣管長(zhǎng)度來(lái)反映，因?yàn)槠貧夤荛L(zhǎng)度主要表征氣泡的數(shù)量與初始直徑兩方面內(nèi)容。因此，L=1.1m為本研究中的最優(yōu)曝氣管長(zhǎng)度。

從圖3（b）可知，在一定的曝氣流量條件下，總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)隨著曝氣管長(zhǎng)度的增大而表現(xiàn)為先高后低再高趨勢(shì)，其中在管長(zhǎng)為1.1 m處出現(xiàn)了拐點(diǎn)，也就是說(shuō)該點(diǎn)成為了曲線(xiàn)中的最大值，這再一次證明了微孔曝氣增氧中存在一個(gè)最優(yōu)曝氣管長(zhǎng)度。

從以上分析可知，隨著管長(zhǎng)與流量的變化，曝氣流量、曝氣管長(zhǎng)度分別對(duì)總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)產(chǎn)生了不同程度的影響，主要表現(xiàn)為總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)與曝氣流量成正相關(guān)，而曝氣管長(zhǎng)度使得總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)發(fā)生了較大的變化，呈現(xiàn)為先高后低再高趨勢(shì)。

4.2 總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)模型的建立微孔曝氣管最大的特點(diǎn)是其產(chǎn)生的初始?xì)馀葜睆诫S管長(zhǎng)、通氣量、輸入氣壓、曝氣器淹沒(méi)水深的變化而變化，而曝氣管長(zhǎng)度L直接對(duì)應(yīng)影響的是初始?xì)馀葜睆健８鶕?jù)室內(nèi)試驗(yàn)所得到的54組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合A l-Ahmady［8］、Pittoors等［9］、Shierholz等［10］、Gillot等［11］與Bayramoàlu等［12］的研究，分析研究總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測(cè)模型。

由于鮮有研究者考慮曝氣管長(zhǎng)度的作用，因此查找不到相關(guān)的文獻(xiàn)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。為了驗(yàn)證本章預(yù)測(cè)模型的可行性，任選出10組數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)組，其余44組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練組。采用非線(xiàn)性回歸，得到總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測(cè)模型為：

式中：Re表征水流的慣性力與水的粘滯力的比值，反映流體流動(dòng)特性；Fr表征水流慣性力與重力之比；Sc表征粘滯動(dòng)量通量與擴(kuò)散動(dòng)量通量的比值，描述同時(shí)存在動(dòng)量擴(kuò)散和質(zhì)量擴(kuò)散的流體，反映控制主體擴(kuò)散過(guò)程；反映氣泡直徑與曝氣器淹沒(méi)水深對(duì)的影響；反映曝氣管長(zhǎng)度與氣泡直徑的比例關(guān)系；反映曝氣池幾何尺寸對(duì)的影響。

采用均方根誤差與絕對(duì)平均誤差進(jìn)行式（3）的誤差分析，即：

式中：RMSE為均方根誤差；AME為絕對(duì)平均誤差；ai為預(yù)測(cè)值；bi為實(shí)測(cè)值；n1為試驗(yàn)總數(shù)。

當(dāng)RMSE與AME越接近0，表示預(yù)測(cè)模型越正確。有一個(gè)常用的規(guī)則是當(dāng)AME在10%以?xún)?nèi)時(shí)，就可以認(rèn)為該模型是合理可行的，且用一個(gè)目標(biāo)值函數(shù)來(lái)衡量的AME大小的好壞，可表示為：

為觀測(cè)值的最小值。

訓(xùn)練組與預(yù)測(cè)組的總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，無(wú)論是訓(xùn)練組還是預(yù)測(cè)組的的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值均比較吻合，同時(shí)，RMSE=0.046、AME=0.036均較小，且AME的值小于Target=0.109，表明利用式（3）來(lái)對(duì)總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)是合理可行的。

注意到式（3）可由直接測(cè)量得到的參數(shù)組成，例如應(yīng)用流量計(jì)儀器測(cè)量得到每次的充氣流量Qg，且測(cè)量出曝氣池的面積 Acs，就可以根據(jù)式，計(jì)算得到表觀速度U；又由式則可計(jì)算出一般的氣泡平均直徑db等，最終整理后，得到預(yù)測(cè)模型，如式（6）所示，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)可直接測(cè)量的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得出總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測(cè)值的目的。

圖4 式（3）與訓(xùn)練組、預(yù)測(cè)組的總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)實(shí)測(cè)值的對(duì)比

從式（6）可以看出，影響總體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)鍵因子主要為：充氣流量Qg、淹沒(méi)水深hd、曝氣池面積 Acs、曝氣池體積V、曝氣管長(zhǎng)度L。雖然本文的預(yù)測(cè)模型是在室內(nèi)小型試驗(yàn)中得到，具有一定的局限性，但仍可以為微孔曝氣增氧系統(tǒng)的氧傳質(zhì)效率預(yù)測(cè)提供一定的參考。

5 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行一系列相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)公式，計(jì)算得到了總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)。討論分析了曝氣流量與曝氣管長(zhǎng)度對(duì)氧體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，從而得到以下結(jié)論：（1）在相同的曝氣水深與曝氣管長(zhǎng)度工況下，總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)與曝氣流量呈正相關(guān)。在相同的曝氣流量下，不同的曝氣管長(zhǎng)度對(duì)總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)產(chǎn)生的影響也不相同，一般呈現(xiàn)為先高后低再高的趨勢(shì)，且存在一最優(yōu)曝氣管長(zhǎng)度使得總的氧體積傳質(zhì)系數(shù)最大；（2）影響總體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)鍵因子主要為：充氣流量Qg、淹沒(méi)水深hd、曝氣池面積 Acs、曝氣池體積V、曝氣管長(zhǎng)度L，由此得到的預(yù)測(cè)方程，可以為微孔曝氣增氧系統(tǒng)的氧傳質(zhì)效率預(yù)測(cè)提供一定的理論參考；（3）本文所分析的數(shù)據(jù)為氧的總體積傳質(zhì)系數(shù)，其無(wú)法辨識(shí)出氣泡-水界面?zhèn)髻|(zhì)與水表面湍動(dòng)傳質(zhì)對(duì)增氧的貢獻(xiàn)。另外，實(shí)驗(yàn)中由于采用的是自來(lái)水，其化學(xué)需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）值很低，無(wú)法分析增氧對(duì)COD、BOD的影響。以后將注重對(duì)這些不足進(jìn)行更深入的研究，比如分別研究氣泡、自由湍動(dòng)表面對(duì)增氧的貢獻(xiàn)以及采用池塘原水，通過(guò)對(duì)增氧前后水體COD、BOD等的對(duì)比測(cè)量，分析增氧對(duì)水體水質(zhì)的貢獻(xiàn)，以期對(duì)微孔曝氣系統(tǒng)的增氧機(jī)理有更為深入的了解。

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Experiments and analysis on re-oxygenation of fine bubble aeration systemsat the bottom of pond

CHENG Xiangju，ZENG Yingxue，XIE Yuning
（Schoolof Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

With the aquaculture industry continuing to be favored，the stocking density increasing，and the techniques to get high yield and high efficiency being popularized，the aeration equipments are becoming in?creasingly essential in aquaculture ponds.Fine bubble aeration system（FBAS） has been widely used in aquaculture ponds to increase dissolved oxygen（DO） concentration and promote water circulation because its aeration efficiency is higher and suitability is much stronger compared to other aeration equipments.In order to understand and popularize the FBAS，a series of laboratory tests were conducted.The effects of aeration flow rate and length of aeration pips on total volumetric oxygen mass transfer coefficients were ana?lyzed and then a prediction model for the total volumetric oxygen mass transfer coefficient was developed. The results would provide valuable reference for practical applications of FBAS in aquaculture ponds.

fine bubble aeration system；pond；re-oxygenation efficiency；data analysis

X524

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.004

1672-3031（2015）05-0339-06

（責(zé)任編輯：李 琳）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)（nycytx-49-13）；四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金（SKHL1421）

程香菊（1974-），女，四川自貢人，博士，教授，主要從事湖泊、水庫(kù)、河口等水域的環(huán)境與生態(tài)水動(dòng)力學(xué)的研究。E-mail：chengxiangju@scut.edu.cn