池塘底部微孔曝气增氧试验及分析

程香菊，曾映雪，谢宇宁

（华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641）

池塘底部微孔曝气增氧试验及分析

程香菊，曾映雪，谢宇宁

（华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641）

随着水产养殖产业的持续升温、养殖密度的提高和高产高效养殖技术的推广，增氧装备越来越成为水产养殖必不可少的设备。鼓风曝气系统中的微孔曝气式增氧机因其曝气效率相对较高，适应性较强而广泛应用于水产养殖中。为了更好地了解和推广使用微孔曝气增氧系统，本文通过室内模型试验及数据分析，研究了曝气流量与曝气管长度对总氧体积传质系数的影响，构建了总氧体积传质系数预测模型。因此，本文的研究能为微孔曝气增氧系统在实际中的应用提供有价值的参考。

微孔曝气系统；池塘；总的氧体积传质系数；数据分析

1 研究背景

随着人类对鱼类等水生动物的需求量的日益增加，国内外水产养殖已逐步向高密度、集约化方向发展，这直接导致了水中自然的含氧量不足以满足鱼类等水生动物正常呼吸的需要。同时溶解氧（DO）也是水产养殖池塘生产性能高低的关键因子［1］。水产养殖水体中必须不断补充氧气以维持氧的动态平衡、有效保证鱼类等水生动物正常生长、以及防止水体二次污染事件发生。微孔曝气式增氧机属于鼓风曝气系统，其工作原理是通过空气压缩机将空气送入输气管道，再通过输气管道将空气送入微孔曝气管，然后曝气管在压力的作用下张开孔口，所形成的微气泡分散到水体中，而微气泡中的氧在高氧分压作用下溶入水中，同时使得水流发生左右旋转和上下流动，水流的上下流动使得水体处于上下混合状态，而水流的旋转流动使得微气泡柱周围富含氧的水体向外扩散，实现溶解氧的均匀分布。微孔曝气式增氧机具有安装简便、不易堵塞、防止缺氧死鱼效果、节能明显的显著优点，而且微孔曝气式增氧机适应性较强、增氧效果好，且增氧效率相对较高［2］，如其能耗仅为叶轮式增氧机的25%［3］，是水车式增氧机用电量的42.4%［4］。为了更加广泛而有效的推广使用微孔曝气式增氧系统，本文通过一系列的室内模型试验，探究曝气流量与曝气管长度对总氧体积传质系数的影响，并构建其预测模型，为进一步提高其增氧效率提供理论依据。

2 试验装置及测量

试验采用微孔曝气管作为曝气增氧机，一般把它盘结为圆盘状，故简称曝气盘。该管是一种由新型化纤增强改良塑料制成的软性管状曝气器，其管外径为15 mm，内径为10 mm，且表面布满气孔，每米长的曝气管大约700～1200个小孔。功能犹如单向开关，当曝气时孔口鼓胀张开，不曝气时孔口收缩关闭，因此在很大程度上不仅可以避免杂质等堵塞孔口，而且不需要安装空气过滤设备，就可以实现随时曝气增氧与随时停止增氧。此管产生的气泡直径较小，在淡水中出孔气泡直径大约为0.5～2.0mm，在水中呈现烟雾飘散状态，且上升速度比大气泡要缓慢。该管最大的特点是所产生的初始微气气泡大小随管长、通气流量、输入气压与曝气器淹没水深的变化而变化［5］。

图1 室内模型试验

图2 试验装置

室内模型试验照片如图1所示，被卷曲成环状的微孔曝气管用砖头绑扎固定在水池底面中心。两台溶氧仪分别放置在气泡区与非气泡区，见试验装置图2的①、②所示。

试验装置主要包括：（1）正方形玻璃水池：1.2 m×1.2 m×1.1 m（长×宽×高）；（2）各种不同长度的微孔曝气管；（3）2台YSIProODO光学DO测量仪；（4）空气压缩机：气量0～0.9m3/h，额定工作压力0.6 MPa；（5）空气流量计：量程为0～200 L/m in；（6）化学试剂：无水亚硫酸钠（Na2SO3）、氯化钴（CoCl2）；（7）试验水体：自来水；（8）电脑一台。

采用ASCE标准对水体DO含量进行测量。曝气池中的水不进不出，在曝气开始前，先投放一定量的无水亚硫酸钠和氯化钴（催化剂）进行氧亏，当氧亏反应使得曝气水体的初始DO浓度接近为0时，立即打开已经调节好充气流量的空压机阀门，进行曝气增氧，且定时记录水中DO浓度随曝气时间的变化情况，直到水体DO含量趋于稳定，停止曝气。

试验步骤具体如下：（1）清洗完曝气池后，把微孔曝气盘置于池中的中间位置处，然后把两台溶氧仪分别安置在气泡区（有气泡存在的区域，见图2）和非气泡区（没有气泡存在的区域），接着将自来水注入池中直至预定水深位置；（2）将溶氧仪与电脑连接，并通过溶氧仪自带软件每隔2m in读取DO浓度、水温、测量点处压强的数据。在氧亏反应前，由溶氧仪测量曝气水池中水体得到的DO浓度为C1，利用方程式［5］：mNa2SO3=7.875C1V(g)；mCoCl2=2V( ) g，计算得到投放无水亚硫酸钠与氯化钴的化学剂量。用电子天平称出相应的量后，采用温水将无水亚硫酸钠与氯化钴溶解，并由池顶均匀注入该溶液。在注入的过程中，适当搅拌曝气池水体，让其均匀散布于水体中；（3）待池内的溶解氧降至接近为0mg/L，打开空气压缩机开始曝气增氧，并采用电子流量计测量曝气流量大小。溶氧仪记录水中DO浓度随时间的变化情况，直到DO含量趋于稳定、停止曝气。

3 氧体积传质系数的计算方法

根据ASCE标准可知，最大与最小的局部氧体积传质系数的差值范围在10%以内的工况，可以由该氧传质模型计算得到总的氧体积传质系数。其氧传质基本方程式为［6］：

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为曝气水体中某时间t对应测量得到的DO浓度，mg/L；KL为水体总传质系数，m/h；a为比表面积，m-1；为曝气水池中总氧体积传质系数，1/h；为曝气水体中饱和DO浓度，mg/L；t为水体曝气增氧时间，h。

该式应用高斯-牛顿法的非线性回归分析法进行实测数据拟合，最终拟合得到的值。

4 试验结果与分析

4.1 曝气流量与曝气管长度对总的氧体积传质系数的影响图3给出了总的氧体积传质系数随曝气流量、曝气管长度的变化情况。当曝气流量、曝气管长分别在0.27～0.55m3/h、0.90～1.50m之间变化时，相对应的总的氧体积传质系数在0.63～1.10 h-1范围内变化。从图3（a）可知，在不同曝气管长下，总的氧体积传质系数随曝气流量的增大而增大，即与曝气流量成正比。从图3（b）也可以看出，在同一管长工况下的与曝气流量呈递增关系。原因在于曝气流量的增加，使得曝气管所产生的气泡数量增加，从而加大了气泡与周围水体的接触面积，更多的氧进入水体成为了溶解氧，提高了气泡-水界面传质；另一方面，曝气流量越大，输入的能力越大，水表面在曝气的作用下强烈湍动破碎，湍流水体的漩涡直接在水表面与湍流主体之间移动，使得水体表面单元不断地被湍流区移来的水体单元所更新，而旧单元重新返回湍流区，使气-液湍流的涡旋混合界面不断更新，加速了自由水表面氧的传质和溶解氧在水体中的混合。

图3 总的氧体积传质系数随曝气流量、曝气管长的变化

从图3（a）可以看出，总的氧体积传质系数随曝气流量变化最大的均是管长为1.1m。由李尔［5］研究的最优气泡群理论可知，在微孔曝气过程中，主要通过两种方式将气泡中的氧传递到曝气水体中，一是在气泡-水界面传质的作用下传递进入水体中；二是通过气泡搅拌的作用方式传递到水体中。同时，李尔特别强调了气泡搅拌的混合作用使得DO快速扩散到低DO浓度区，实现DO浓度均匀分布于曝气水池中的目的，从而大大提高了。在经典相际传质理论中，主张的是气泡直径越小，氧体积传质系数越大；然而，在李尔的研究中，发现氧体积传质系数并非随着气泡直径减小而增大，而是存在一个最优直径使得其氧体积传质系数最大。同时，李尔试验研究指出，最优初始气泡群由最优曝气管长度来反映，因为曝气管长度主要表征气泡的数量与初始直径两方面内容。因此，L=1.1m为本研究中的最优曝气管长度。

从图3（b）可知，在一定的曝气流量条件下，总的氧体积传质系数随着曝气管长度的增大而表现为先高后低再高趋势，其中在管长为1.1 m处出现了拐点，也就是说该点成为了曲线中的最大值，这再一次证明了微孔曝气增氧中存在一个最优曝气管长度。

从以上分析可知，随着管长与流量的变化，曝气流量、曝气管长度分别对总的氧体积传质系数产生了不同程度的影响，主要表现为总的氧体积传质系数与曝气流量成正相关，而曝气管长度使得总的氧体积传质系数发生了较大的变化，呈现为先高后低再高趋势。

4.2 总的氧体积传质系数预测模型的建立微孔曝气管最大的特点是其产生的初始气泡直径随管长、通气量、输入气压、曝气器淹没水深的变化而变化，而曝气管长度L直接对应影响的是初始气泡直径。根据室内试验所得到的54组实测数据，并结合A l-Ahmady［8］、Pittoors等［9］、Shierholz等［10］、Gillot等［11］与Bayramoàlu等［12］的研究，分析研究总的氧体积传质系数的预测模型。

由于鲜有研究者考虑曝气管长度的作用，因此查找不到相关的文献实测资料进行验证对比。为了验证本章预测模型的可行性，任选出10组数据作为预测组，其余44组数据作为训练组。采用非线性回归，得到总的氧体积传质系数的预测模型为：

式中：Re表征水流的惯性力与水的粘滞力的比值，反映流体流动特性；Fr表征水流惯性力与重力之比；Sc表征粘滞动量通量与扩散动量通量的比值，描述同时存在动量扩散和质量扩散的流体，反映控制主体扩散过程；反映气泡直径与曝气器淹没水深对的影响；反映曝气管长度与气泡直径的比例关系；反映曝气池几何尺寸对的影响。

采用均方根误差与绝对平均误差进行式（3）的误差分析，即：

式中：RMSE为均方根误差；AME为绝对平均误差；ai为预测值；bi为实测值；n1为试验总数。

当RMSE与AME越接近0，表示预测模型越正确。有一个常用的规则是当AME在10%以内时，就可以认为该模型是合理可行的，且用一个目标值函数来衡量的AME大小的好坏，可表示为：

为观测值的最小值。

训练组与预测组的总的氧体积传质系数的预测值与实测值的对比如图4所示。从图4可以看出，无论是训练组还是预测组的的预测值与实测值均比较吻合，同时，RMSE=0.046、AME=0.036均较小，且AME的值小于Target=0.109，表明利用式（3）来对总的氧体积传质系数进行预测是合理可行的。

注意到式（3）可由直接测量得到的参数组成，例如应用流量计仪器测量得到每次的充气流量Qg，且测量出曝气池的面积 Acs，就可以根据式，计算得到表观速度U；又由式则可计算出一般的气泡平均直径db等，最终整理后，得到预测模型，如式（6）所示，从而实现了通过可直接测量的数据，可以计算得出总的氧体积传质系数的预测值的目的。

图4 式（3）与训练组、预测组的总的氧体积传质系数实测值的对比

从式（6）可以看出，影响总体积传质系数的关键因子主要为：充气流量Qg、淹没水深hd、曝气池面积 Acs、曝气池体积V、曝气管长度L。虽然本文的预测模型是在室内小型试验中得到，具有一定的局限性，但仍可以为微孔曝气增氧系统的氧传质效率预测提供一定的参考。

5 结论

通过进行一系列相关的室内试验并结合相关公式，计算得到了总的氧体积传质系数。讨论分析了曝气流量与曝气管长度对氧体积传质系数的影响，从而得到以下结论：（1）在相同的曝气水深与曝气管长度工况下，总的氧体积传质系数与曝气流量呈正相关。在相同的曝气流量下，不同的曝气管长度对总的氧体积传质系数产生的影响也不相同，一般呈现为先高后低再高的趋势，且存在一最优曝气管长度使得总的氧体积传质系数最大；（2）影响总体积传质系数的关键因子主要为：充气流量Qg、淹没水深hd、曝气池面积 Acs、曝气池体积V、曝气管长度L，由此得到的预测方程，可以为微孔曝气增氧系统的氧传质效率预测提供一定的理论参考；（3）本文所分析的数据为氧的总体积传质系数，其无法辨识出气泡-水界面传质与水表面湍动传质对增氧的贡献。另外，实验中由于采用的是自来水，其化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）值很低，无法分析增氧对COD、BOD的影响。以后将注重对这些不足进行更深入的研究，比如分别研究气泡、自由湍动表面对增氧的贡献以及采用池塘原水，通过对增氧前后水体COD、BOD等的对比测量，分析增氧对水体水质的贡献，以期对微孔曝气系统的增氧机理有更为深入的了解。

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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

（责任编辑：李 琳）

现代农业产业技术体系建设专项（nycytx-49-13）；四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放研究基金（SKHL1421）

程香菊（1974-），女，四川自贡人，博士，教授，主要从事湖泊、水库、河口等水域的环境与生态水动力学的研究。E-mail：chengxiangju@scut.edu.cn