王 勇，明加意，董 亮，劉厚林，劉嘉偉，汪文生

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運(yùn)行參數(shù)對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能影響試驗(yàn)

王 勇1，明加意1，董 亮1※，劉厚林1，劉嘉偉1，汪文生2

（1. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江 212013； 2. 南京貝特環(huán)保通用設(shè)備制造有限公司，南京 211500）

轉(zhuǎn)速、浸沒深度和液位高度對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的影響較大，為了研究各影響參數(shù)協(xié)同作用下倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的變化情況，該文通過試驗(yàn)研究了不同轉(zhuǎn)速、浸沒深度和液位高度對(duì)曝氣性能的影響。研究表明：在相同轉(zhuǎn)速時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加曝氣池溶解氧濃度隨之增大，但增幅逐漸降低；隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉輪對(duì)水的做功能力增強(qiáng)，提高了水面的湍動(dòng)強(qiáng)度及水面下的復(fù)氧強(qiáng)度，進(jìn)而縮短了曝氣池達(dá)到氧飽和的時(shí)間，轉(zhuǎn)速為300 r/min達(dá)到氧飽和的時(shí)間比150 r/min縮短了約57%。轉(zhuǎn)速、浸沒深度和液位高度的改變均會(huì)極大地影響倒傘曝氣機(jī)的性能：轉(zhuǎn)速的增加能夠提升倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力，但對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率的提升有一個(gè)上限值，該上限值與浸沒深度有關(guān)；倒傘曝氣機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，浸沒深度和液位高度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力的影響較小。液位高度的增加會(huì)加大倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率，但是相同液位高度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率增幅明顯小于標(biāo)準(zhǔn)充氧能力增幅，當(dāng)液位高度為250 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速從150增加到300 r/min，標(biāo)準(zhǔn)充氧能力值提高2.91倍而標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率提高1.22倍。該研究可為倒傘曝氣機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供參考。

壓力；水；葉輪；倒傘曝氣機(jī)；變轉(zhuǎn)速；標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)充氧能力；標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率

0 引 言

倒傘曝氣機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充氧能力強(qiáng)、動(dòng)力效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此成為污水處理廠常用的豎軸表面曝氣設(shè)備[1-3]。其運(yùn)行參數(shù)的改變通常會(huì)引起曝氣池內(nèi)氧傳質(zhì)速率和倒傘曝氣機(jī)消耗功率的變化，從而影響倒傘曝氣機(jī)的曝氣性能[4-7]。

周文忠等[8]通過調(diào)節(jié)葉輪的浸沒深度和轉(zhuǎn)速，測(cè)試計(jì)算了不同工況下倒傘曝氣機(jī)的充氧量和動(dòng)力效率，對(duì)比得出倒傘曝氣機(jī)的動(dòng)力效率與轉(zhuǎn)速、浸沒深度都呈拋物線關(guān)系。潘哲等[9]對(duì)幾種不同型式倒傘曝氣機(jī)的充氧性能進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比研究，分析了葉片數(shù)、安裝角及形狀對(duì)曝氣性能的影響，結(jié)果表明導(dǎo)流輻板是增強(qiáng)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的關(guān)鍵因素。邢普等[10-11]提出了一種按照對(duì)數(shù)螺旋線制作的弧形葉片，并根據(jù)真實(shí)流場(chǎng)的情況對(duì)葉片進(jìn)行了優(yōu)化。王淦等[12]對(duì)C型葉片形式倒傘曝氣機(jī)的充氧性能進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明C型倒傘曝氣機(jī)存在著最高效運(yùn)行點(diǎn)。曹瑞鈺等[13]對(duì)倒傘型曝氣機(jī)大功率下充氧性能與旋轉(zhuǎn)線速度和浸沒深度的關(guān)系進(jìn)行了研究。研究表明當(dāng)旋轉(zhuǎn)線速度為4.4 m/s時(shí)充氧效率最高。鄧志雄[14]對(duì)倒傘型曝氣機(jī)的葉片參數(shù)進(jìn)行了研究，得出了葉片幾何參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)與氧化溝流動(dòng)特性之間的關(guān)系。施慧明等[15]對(duì)3種不同的深水型曝氣機(jī)葉輪進(jìn)行了模擬計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)形式的曝氣機(jī)的攪拌能力更強(qiáng)。

Fan等[16]將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與倒傘曝氣機(jī)在氧化溝中流場(chǎng)的模擬情況進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性，為倒傘曝氣機(jī)實(shí)際運(yùn)用提供了理論基礎(chǔ)。Backhurst等[17]研究了曝氣機(jī)在一系列變量情況下的充氧能力，并總結(jié)了數(shù)據(jù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)性。Ognean[18]定義了一個(gè)理想化的豎軸表面曝氣機(jī)，并以此為基礎(chǔ)建立了試驗(yàn)值與理論值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。Moulick等[19]研究基于尺寸分析的幾何和動(dòng)態(tài)變量對(duì)曝氣過程的影響，建立了各種線性尺度的最佳幾何相似度?？梢灶A(yù)測(cè)具有優(yōu)化幾何尺寸的槳葉曝氣機(jī)的曝氣性能。Deshmukh等[20]研究了3種不同葉輪形式下的氣體形式分布，并對(duì)不同類型的葉輪進(jìn)行軸向速度測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn)速度分布取決于葉輪區(qū)域內(nèi)固有的滯留氣體。Cancino等[21-22]對(duì)不同葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的曝氣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，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。Gandhi等[23]同步采集了倒傘曝氣機(jī)在不同運(yùn)行工況下的壓力脈動(dòng)特性及曝氣性能指標(biāo)，建立了混沌特征變量與曝氣性能指標(biāo)之間的關(guān)系函數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了倒傘曝氣機(jī)的氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)La和氣含率。Rao等[24]研究發(fā)現(xiàn)在保持?jǐn)嚢璨蹆?nèi)液體體積一定的情況下，對(duì)倒傘曝氣機(jī)適當(dāng)加大功率輸入能夠得到更高的動(dòng)力效率。Kumar等[25]以曝氣池內(nèi)湍動(dòng)最大的葉輪附近液體域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究發(fā)現(xiàn)氧傳質(zhì)率僅跟能量耗散率有關(guān)，并得到在幾何相似的曝氣系統(tǒng)中氧傳質(zhì)速率和能量耗散速率的放大函數(shù)。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變參數(shù)運(yùn)行下的倒傘曝氣機(jī)曝氣性能開展了諸多研究，取得了一些階段性的成果，但是對(duì)寬葉片直輻射型倒傘曝氣機(jī)的研究還鮮見報(bào)道，因此，本文制作了葉片數(shù)為6枚的寬葉片直輻射型倒傘曝氣機(jī)葉輪，系統(tǒng)地研究轉(zhuǎn)速、浸沒深度和液位高度變化對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能影響，分析了各不同運(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，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)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

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、電機(jī)、溶解氧測(cè)量?jī)x等組成。圓形曝氣池直徑d為600 mm，內(nèi)無擋板。將變頻電機(jī)、扭矩儀和倒傘曝氣機(jī)葉輪整體固定在一個(gè)升降裝置上，通過伺服電機(jī)上下調(diào)節(jié)葉輪高度位置。試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示。

注：H表示液位高度，mm；de表示浸沒深度，mm；dc表示曝氣池直徑，mm。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中選用便攜式溶解氧測(cè)量?jī)x來測(cè)定水的溫度和水中溶解氧濃度，生產(chǎn)廠家為上海雷磁，設(shè)備型號(hào)為JPB-607A型，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，生產(chǎn)廠家為北京天宇恒創(chuàng)，設(shè)備型號(hào)為CYT-302，扭矩儀額定轉(zhuǎn)矩為20 N·m，精度為0.25級(jí)。采用間歇非穩(wěn)態(tài)法[26]測(cè)定倒傘曝氣機(jī)的曝氣性能，間歇非穩(wěn)態(tài)法是指測(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)間變化的方法。試驗(yàn)過程中需要添加藥劑來消耗掉水中的溶解氧，曝氣試驗(yàn)需要用到的藥劑如表1所示。

表1 試驗(yàn)藥劑

1.3 試驗(yàn)方案

圓形曝氣池直徑d保持不變，在低（=200 mm）、中（=250 mm）和高（=300 mm）3個(gè)不同液位高度時(shí)，通過伺服電機(jī)調(diào)節(jié)葉輪高度，使葉輪高出液面（d=5 mm）、與液面持平（d=0 mm）和浸入液面（d=-5 mm）3個(gè)浸沒深度下，分別測(cè)量了150、180、210、240、270和300 r/min 6個(gè)轉(zhuǎn)速下的曝氣機(jī)的曝氣性能，進(jìn)而研究轉(zhuǎn)速、浸沒深度和液位高度協(xié)同運(yùn)作對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的影響。其中“液位高度”主要考慮曝氣池內(nèi)水的容量，“浸沒深度”主要考慮葉輪與曝氣池液面的相對(duì)位置。具體參數(shù)含義如圖1所示。

2 曝氣性能的評(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)La(20)、標(biāo)準(zhǔn)充氧能力SOTR和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率SAE。曝氣充氧屬氧傳質(zhì)過程，根據(jù)雙膜理論[27]，空氣中的氧由氣相向液相轉(zhuǎn)移的過程中，阻力主要集中在液膜上。假定這個(gè)過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，則水中溶解氧的變化可用式（1）表示。

式中d/d為氧轉(zhuǎn)移速率，mg/(L·min)；La為氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；s為試驗(yàn)條件下的氧飽和濃度，mg/L；為時(shí)刻的溶解氧濃度，mg/L。

將式（1）積分，整理可得：

式中1、2表示2個(gè)不同時(shí)刻，C1為1時(shí)刻的溶解氧濃度，mg/L；C2為2時(shí)刻的溶解氧濃度，mg/L。根據(jù)《倒傘型表面曝氣機(jī)》[28]規(guī)定：舍去溶解氧小于20%s的初始數(shù)據(jù)以排除脫氧劑的影響，同時(shí)舍去溶解氧濃度大于80%s的值，以減小結(jié)果誤差。所以C1、C2應(yīng)在s的20%～80%之間。

因?yàn)闇囟群蛪毫Φ纫蛩囟紩?huì)對(duì)氧的傳遞速率產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)溫度和壓力進(jìn)行校正，把非標(biāo)準(zhǔn)條件下的La轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)條件下（20 ℃，760 mm汞柱）下的K(20)，因試驗(yàn)時(shí)的大氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相差不大，本試驗(yàn)僅進(jìn)行了溫度校正，校正公式為：

La(20)=1.02420-T·La(T)（3）

式中為試驗(yàn)時(shí)的水溫，℃；La(T)為試驗(yàn)水溫為時(shí)的總轉(zhuǎn)移系數(shù)，min-1；1.024為測(cè)試修正系數(shù)。

倒傘曝氣機(jī)的性能指標(biāo)主要由標(biāo)準(zhǔn)充氧能力SOTR和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率SAE來衡量，SOTR的計(jì)算公式為：

SOTR=s(標(biāo))·La(20)·（4）

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；為試驗(yàn)時(shí)曝氣池內(nèi)水的體積，；s(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：

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)；為試驗(yàn)時(shí)消耗的功率，W。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率是評(píng)判倒傘曝氣機(jī)曝氣能力強(qiáng)弱的指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)是最基本的參數(shù)，它不僅能直觀地反映曝氣池內(nèi)氧傳質(zhì)速率，還能計(jì)算推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率。曝氣池內(nèi)液體體積保持恒定的情況下，標(biāo)準(zhǔn)充氧能力與標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)成正比，所以本文將標(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。

以圓形曝氣池液位高度為200 mm、葉輪與液面持平的倒傘曝氣機(jī)曝氣數(shù)據(jù)為例，選取溶解氧濃度為飽和濃度值的20%～80%作為有效數(shù)據(jù)[28]，得到不同轉(zhuǎn)速下充氧性能變化曲線，如圖2a所示。

a. 溶解氧濃度

a. Dissolved oxygen concentration

注：s為試驗(yàn)條件下的氧飽和濃度, mg·L-1；t為時(shí)刻的溶解氧濃度, mg·L-1.

Note:sis the oxygen saturation concentration under test conditions, mg·L-1;tis the dissolved oxygen concentration at time, mg·L-1.

b. ln(s-t)

圖2不同轉(zhuǎn)速下充氧性能變化曲線

Fig.2 Variation curve of oxygenation performance at different rotating speeds

由圖2a可知，在同一轉(zhuǎn)速下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加曝氣池溶解氧濃度隨之增大，但增幅逐漸降低。這是由于曝氣池中溶解氧濃度隨著曝氣過程的持續(xù)逐漸增強(qiáng)，根據(jù)菲克定律[29]，水中溶解氧濃度增大會(huì)減小單位面積氧與傳質(zhì)方向上所含氧的濃度梯度，從而降低氧傳質(zhì)速率。隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉輪對(duì)水的做功能力增強(qiáng)，提高了水面的湍動(dòng)強(qiáng)度及水面下的復(fù)氧強(qiáng)度，進(jìn)而縮短了曝氣池到達(dá)氧飽和的時(shí)間，與150 r/min相比，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)達(dá)到氧飽和的時(shí)間縮短了約57%。

測(cè)試溫度為29 ℃時(shí)，按式（2）對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用最小二乘法回歸分析[30]擬合得到標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，如圖2b所示。

3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)曝氣性能的影響

倒傘曝氣機(jī)在液位高度=200 mm以及葉輪與液面持平d=0 mm情況下，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)力效率隨轉(zhuǎn)速的變化如表2所示。由表2可知，擬合曲線的擬合質(zhì)量決定系數(shù)2均能達(dá)到0.99，說明所采用的回歸分析法擬合精度較高。標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，這說明轉(zhuǎn)速的增加能夠提高曝氣池內(nèi)的氧傳質(zhì)速率。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的標(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

Table 2 Standard oxygen mass transfer coefficient, standard oxygen transfer rate and standard aeration efficiency at differentrotating speeds

注：液位高度為200 mm。

Note: Liquid levelis 200 mm.

由表2可知，在液位高度一定的情況下，標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力隨轉(zhuǎn)速的增大近似線性增大。這主要是因?yàn)檠鯕馐请y溶氣體，在水中的溶解度較小，氧傳質(zhì)阻力幾乎全部集中在液膜，而轉(zhuǎn)速增大時(shí)液面在飛速旋轉(zhuǎn)葉輪的作用下強(qiáng)烈湍動(dòng)破碎，葉輪附近液體的湍動(dòng)強(qiáng)度增加，這樣就會(huì)減小液膜厚度從而有利于氧的傳遞。同時(shí)，倒傘曝氣機(jī)葉輪就像一個(gè)豎直放置的離心泵葉輪，借用泵葉輪的相關(guān)設(shè)計(jì)理論，轉(zhuǎn)速增加，泵葉輪的泵送能力增強(qiáng)，流經(jīng)葉輪的液體量增大，對(duì)于倒傘曝氣機(jī)來說，轉(zhuǎn)速的增加會(huì)增強(qiáng)葉輪的軸向提升能力，使得更多的液體流向輻板上側(cè)，從而增大水躍濺起的液體總量，擴(kuò)大液體與空氣的接觸面積；此外，轉(zhuǎn)速加大會(huì)增大液體水躍形成水幕的高度和輻射半徑，進(jìn)而延長(zhǎng)液體與空氣的接觸時(shí)間。因此轉(zhuǎn)速增加會(huì)增強(qiáng)氧傳質(zhì)能力。

理論上，攪拌器中的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，從上文的分析可知標(biāo)準(zhǔn)充氧能力與轉(zhuǎn)速成正比，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率是標(biāo)準(zhǔn)充氧能力與功率的比值，應(yīng)該與轉(zhuǎn)速倒數(shù)的平方成正比，其值理應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。但是從表2可知，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，僅僅是增幅隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，這說明本文研究的倒傘曝氣機(jī)的功率并不是與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過高速攝影拍攝，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)由于倒傘曝氣機(jī)運(yùn)行在近水表面時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)將卷吸進(jìn)大量空氣，空氣起始于輻板下側(cè)葉片背面，緊貼輻板呈三角形分布，這樣會(huì)減小葉輪的功率消耗，使得功率不在與轉(zhuǎn)速成立方正比關(guān)系。

圖3 液面變形

3.2 浸沒深度對(duì)曝氣性能的影響

倒傘曝氣機(jī)在液位高度=250 mm時(shí)，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)力效率在不同浸沒深度d下隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示。

由圖4a和圖4b可知，在低轉(zhuǎn)速150 r/min時(shí)，葉輪在位于液面下（d=?5 mm）、與液面持平（d=0 mm）和高出液面（d=5 mm）這3種運(yùn)行工況下的標(biāo)準(zhǔn)氧充氧能力相差不大。說明在低轉(zhuǎn)速時(shí)葉輪的浸沒深度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力的影響較小，隨著轉(zhuǎn)速的增大，標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力均隨著浸沒深度的增加逐漸增大。這是因?yàn)榈箓闫貧鈾C(jī)的曝氣性能主要是由液面上方的拋灑傳質(zhì)和液面下方的復(fù)氧傳質(zhì)兩部分決定的：在低轉(zhuǎn)速150 r/min時(shí)，從試驗(yàn)現(xiàn)象上看浸沒入液面下的葉輪并未產(chǎn)生水躍，主要是通過更新液面及加強(qiáng)池內(nèi)液體攪動(dòng)來促進(jìn)氧的傳遞，液下復(fù)氧占主導(dǎo)；位于液面上方的葉輪，其輻板上側(cè)液體及沿輻板外壁上升的液體均能被葉片“甩出”形成水躍，由于僅有部分葉輪與液體接觸，液下復(fù)氧程度低；與液面持平葉輪的曝氣情況介于兩者之間，以上原因使葉輪在3種浸沒深度下的曝氣性能相差不大。在高轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)，3種浸沒深度的葉輪均能形成水躍，浸沒入液面下的葉輪對(duì)表層液體的攪動(dòng)程度明顯增強(qiáng)，同時(shí)由于葉輪浸沒入水下，縮小了葉輪與曝氣池池底的距離，使得池內(nèi)液體流速增大，液體循環(huán)混合的作用能夠破壞水體分層，促進(jìn)表層高含氣率的液體向底層流動(dòng)，氣液渦旋混合界面不斷更新，最終導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)的增幅和標(biāo)準(zhǔn)充氧能力增幅明顯大于與液面持平葉輪和位于液面上方的葉輪。

注：H=250 mm。

由圖4c可知，在180到300 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，葉輪在3種浸沒深度下的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率變化規(guī)律相同，浸沒深度分別為?5、0和5 mm時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率值依次減小，而在低轉(zhuǎn)速150 r/min時(shí)，d=0 mm時(shí)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率最高，為42.885 mg/(min·W)，d=?5 mm時(shí)次之，d=5 mm時(shí)最低。這是由于葉輪浸沒在水下低速運(yùn)行時(shí)，葉輪上附著的空氣較少，葉輪對(duì)液體的做功區(qū)域較大，對(duì)池內(nèi)攪拌推流作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致功率消耗增大，而對(duì)液面上水躍強(qiáng)度的影響不大，使得液面下的倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率小于與液面持平放置的倒傘曝氣機(jī)。位于液面上的葉輪雖然功率消耗小，但由于其標(biāo)準(zhǔn)充氧能力低，最終導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率最低。同時(shí)，還可以看出，在3種浸沒深度下葉輪的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率在150到240 r/min的速度區(qū)間內(nèi)增幅較大，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增大，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率的增幅較小，甚至在270 r/min時(shí)，浸沒入液面下的葉輪出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率下降的情況。說明通過增加轉(zhuǎn)速來提升標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率有一個(gè)上限，且浸沒深度不同這個(gè)上限也不同。隨著浸沒深度的增加，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，未出現(xiàn)文獻(xiàn)[8]中的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率峰值。

3.3 液位高度對(duì)曝氣性能的影響

倒傘曝氣機(jī)在浸沒深度d=0 mm情況下，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)力效率在不同液位高度下隨轉(zhuǎn)速的變化如圖5所示。

圖5 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)力效率隨液位高度與轉(zhuǎn)速的變化曲線

由圖5a和圖5b可知，液位高度的增加會(huì)降低倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)。造成這一結(jié)果可從兩方面進(jìn)行解釋：一方面，在保持轉(zhuǎn)速和浸沒深度一致的情況下，葉輪做功能力幾乎不隨液位的改變而改變，液位越高，單位體積內(nèi)液體獲得的能量越少，液體流速越慢，增加了池底缺氧液體到達(dá)水面進(jìn)行強(qiáng)烈湍動(dòng)傳質(zhì)的時(shí)間，進(jìn)而大幅延長(zhǎng)曝氣時(shí)間；另一方面，曝氣池體積的增大，加大了需要曝氣充氧的液體的總量，進(jìn)一步導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)值的降低。但是標(biāo)準(zhǔn)充氧能力隨液位的增加而增大，與標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)隨液位的增加而減小的規(guī)律相反，這是由于標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)La(20)隨液位的增加而減小，而液位的上升，使得體積增大，標(biāo)準(zhǔn)氧充氧能力與La(20)和乘積成正比關(guān)系，液位增加過程中La(20)與乘積增加，所以呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)充氧能力隨液位的增加而增大這一規(guī)律。

由圖5c可知，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率在不同液位高度下隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)充氧能力的變化趨勢(shì)相同，均隨著液位高度的增加而增大。但是同一液位下標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率隨轉(zhuǎn)速變化的增幅明顯減小，以液位高度為250 mm為例，300 r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)充氧能力值是150 r/min的2.91倍，而300 r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率值僅是150 r/min時(shí)的1.22倍，這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加，標(biāo)準(zhǔn)充氧能力增大的同時(shí)，功率也在增大，且增大的幅值大于標(biāo)準(zhǔn)充氧能力的增幅。在充氧能力滿足池內(nèi)需氧量的前提下，倒傘曝氣機(jī)低速運(yùn)行能夠減小能量消耗。

4 結(jié) 論

1）在同一轉(zhuǎn)速下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加曝氣池溶解氧濃度隨之增大，但增幅逐漸降低。曝氣池到達(dá)氧飽和的時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而縮短，與150 r/min相比，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)達(dá)到氧飽和的時(shí)間縮短了約57%。

2）在液位高度保持恒定、浸沒深度為0 mm的情況下，倒傘曝氣機(jī)各項(xiàng)曝氣性能均隨著轉(zhuǎn)速的增大而提高，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)力效率隨轉(zhuǎn)速增加而增大，但增幅隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。

3）浸沒深度對(duì)倒傘曝氣機(jī)曝氣性能的影響與轉(zhuǎn)速有關(guān)。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，浸沒深度對(duì)曝氣性能的影響較??；在高轉(zhuǎn)速時(shí)，曝氣性能指標(biāo)隨著浸沒深度的增加而增大。3種浸沒深度下，倒傘曝氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率在高轉(zhuǎn)速時(shí)的變化較小，甚至?xí)霈F(xiàn)下降。

4）相同轉(zhuǎn)速時(shí)，倒傘曝氣機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著液位高度的增加而降低，標(biāo)準(zhǔn)充氧能力和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率的變化趨勢(shì)則相反。隨著轉(zhuǎn)速的增加，相同液位下標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率的增幅明顯減小，當(dāng)液位高度為250 mm、浸沒深度為0 mm時(shí)，300 r/min時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)充氧能力值是 150 r/min的2.91倍，而標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力效率值僅是150 r/min時(shí)的1.22倍。

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Experiment on influence of operating parameters on aeration performance in inverse umbrella aerator

Wang Yong1, Ming Jiayi1, Dong Liang1※, Liu Houlin1, Liu Jiawei1, Wang Wensheng2

(1212013;2.211500,)

The inverse umbrella aerator is widely used in the waste water treatment process because of its simple structure, large action area, high energy use efficiency and so on. Depending on the rotating speed, immersion depth and liquid level of the inverted aeration aerator have a great influence on the aeration performance. In order to study the influence of parameters on the synergistic effect of inverted aeration machine aeration performance changes, in this study, an aeration performance rig was established for investigating the influence of the rotating speed, immersion depth, and liquid level to the aeration performance of the inverse umbrella aerator. To study the effect of rotating speed, the experiment was carried out under the condition with the constant liquid level and the same level between the impeller and the liquid surface. The standard oxygen mass transfer coefficient, the standard oxygen transfer rate and the standard aeration efficiency were analyzed at the rotating speeds of 150, 180, 210, 240, 270 and 300 r/min. To study the effect of immersion depth, we kept the other two variables unchanged, and analyzed the standard oxygen transfer rate and the standard aeration efficiency at the immersion depth of 5, 0, and -5 mm. To study the effect of liquid level, we kept the other two variables unchanged, and analyzed the standard oxygen transfer rate and the standard aeration efficiency at the liquid level of 200, 250 and 300 mm. An intermittent unsteady state method was used to measure the change of dissolved oxygen concentration with time. At the beginning of each test run, the sodium sulfite was added as a deoxidizer to the tap water and the cobalt chloride was added as a catalyzer to the tap water. The inverse umbrella aerator was rotating in a lower speed until the dissolved oxygen reached into zero level and the inverse umbrella aerator was kept in a constant speed until the dissolved oxygen reached the oxygen saturation. The concentration of dissolved oxygen in the test section was measured by using a dissolved oxygen meter. The speed and the power were obtained by a torque meter. The least square regression analysis was used to deal with the aeration data in order to get the oxygen mass transfer coefficient. The oxygen mass transfer coefficient combined with the empirical coefficient can be transferred into the standard oxygen mass transfer coefficient. Through comparing the experimental data, the results showed that the standard oxygen mass transfer coefficient and the standard oxygen transfer rate were proportional to the speed. But the standard aeration efficiency had no clear relation with the speed. The dissolved oxygen concentration increased with the increase of operation time at the same speed while the increasing amplitude had the opposite trend. With the increase of the speed, the capacity of the impeller to the water was enhanced and the turbulence intensity on the surface and the re-oxygenation intensity in the bottom were increased, which resulted in the short time to reach the oxygen saturation, comparing with 150 r/min. The time needed to reach the oxygen saturation of 300 r/min was reduced by about 57%. The change in rotating speed, immersion depth and level height greatly affected the performance of the inverted aeration aerator. The increase in speed can increase the standard oxygen total transfer coefficient and standard oxygenation capacity of the inverted umbrella aerator. But the standard power efficiency of the upgrade had a ceiling, and the upper limit depended on the immersion depth. The immersion depth and liquid level had little effect on the total oxygen transfer coefficient and standard oxygenation capacity when inverted umbrella aeration machine at a low speed. Increasing the height of the liquid level increased the standard oxygenation capacity and standard power efficiency of the inverted umbrella aerator. Therefore, the study provides a certain reference for the economical operation of the inverse umbrella aerator.

pressure; water; impellers; inverse umbrella aerator; variable speed; standard oxygen mass transfer coefficient; standard oxygen transfer rate; standard aeration efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.009

X703.3

A

1002-6819(2017)-20-0067-07

2017-05-30

2017-08-13

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金－前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2016072-01）；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目（GDZB-017）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目PAPD（蘇政辦發(fā)2011 6號(hào)）；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015M581734）

王 勇，男，吉林白山人，博士，副研究員，主要從事泵現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法研究。Email：wylq@ujs.edu.cn

※通信作者：董 亮，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)槠貧鈾C(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。Email：dongliang@ujs.edu.cn

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Wang Yong, Ming Jiayi, Dong Liang, Liu Houlin, Liu Jiawei, Wang Wensheng. Experiment on influence of operating parameters on aeration performance in inverse umbrella aerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 67－73. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.009 http://www.tcsae.org