叶片数对倒伞曝气机曝气性能影响试验研究

刘厚林，尚欢欢，唐晓晨，张兴，董亮*，郭瑾楠，汪文生

(1. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013； 2. 江苏振华泵业制造有限公司，江苏 泰州 225500； 3. 中国石油天然气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. 贝特环保通用设备制造有限公司，江苏 南京 210000)

随着工业化进程的加快，污染排放量不断增加，水资源短缺，水污染问题日益严重，工业废水处理问题受到世界各国的重视．氧化沟污水生化处理方法已成为城市污水和工业废水处理的主要工艺形式．为使氧化沟内部氧气与污水充分接触，保证水质得到净化，要求曝气机具有良好的充氧曝气性能．

倒伞型表面曝气机由于其结构简单、充氧能力强、动力效率高，在氧化沟技术中运用最为广泛．而运行参数对曝气池内氧传质速率和倒伞曝气机消耗功率等曝气性能有极大影响，直接决定着整个污水处理系统的效率和稳定性．

刘嘉伟[1]开展了倒伞曝气机溶解氧浓度试验研究，探究不同工况(不同转速及浸没深度)对于倒伞曝气机曝气性能的影响．试验结果表明：浸没深度一定时，标准氧总转移系数随转速增大而增大；转速不变时，标准氧总转移系数随浸没深度下降呈现先增大后减小的趋势．王勇等[2]利用溶解氧试验研究了运行参数对倒伞曝气机曝气性能的影响，结果表明，转速、浸没深度和液位高度对其曝气性能的影响较大．明加意等[3]采用数值模拟方法探究了直叶片和倾斜叶片对倒伞曝气机性能的影响．结果表明，2类倒伞曝气机消耗的功率相近，叶片形状的不同影响着倒伞曝气机的充氧能力和推流能力．胡辉[4]根据佛劳德相似准搭建了缩小比例的试验台，开展了曝气性能试验，研究了不同浸没深度、叶片转速和叶片转角对曝气机充氧性能的影响.

BACKHURST等[5]研究了竖轴曝气机直径.叶片大小与尺寸及浸没深度，得到曝气机的曝气能力与曝气机转速和叶片直径之间的关系；THAKRE等[6]开展了试验研究，改变转速、淹没深度和叶片顶端角，研究4种弯曲叶片的曝气机，得到每台曝气机的氧传质系数、曝气效率，并建立了曝气性能指标与各设计运行参数之间的关系，找到了氧传质效率最高的工况．JIANG等[7]对某污水处理厂运行10 a的微孔扩散器的污垢特性和曝气性能进行了研究，发现动态湿压力增加3.2倍，标准氧传递效率下降到73%，总能量提高15.0%，盐酸清洗无法恢复曝气效率.DONG等[8]在量纲一分析的基础上，建立其通用性能预测模型.利用缩尺曝气器的试验数据(缩尺模型)，用量纲一关系式表达了结构对曝气性能的影响，建立了其他几何相似和动力学相似的曝气器性能预测数学模型.GRADOV[9]采用高速摄影技术、粒子图像测速技术和流体体积模型来捕捉自由表面动力学和速度分布，表明倒伞曝气器在浅层曝气中起着重要作用.

国内外学者在不同参数对倒伞曝气机曝气性能影响方面做了大量研究，但是对不同转速及浸没深度下叶片数变化对倒伞曝气机曝气性能影响的研究较少．因此，文中对叶片数分别为6枚和8枚的倒伞曝气机叶轮在不同运行参数下标准氧总转移系数、标准充氧能力和标准动力效率的变化规律进行研究，以期为倒伞曝气机的经济运行提供参考．

1 试验系统

1.1 试验对象

试验对象包括倒伞曝气机和曝气池．其中倒伞曝气机的模型直径为150 mm，初始叶片数为6，叶轮的零件图如图1所示.不改变叶片形状、轮毂大小等关键参数，制作另一个叶片数为8的倒伞曝气机叶轮模型．2种不同叶片数倒伞曝气机叶轮零件如图2所示．

图1 倒伞曝气机叶轮零件图Fig.1 Drawings of impeller and parts of inverted-umbrella aerator

图2 倒伞曝气机叶轮实物Fig.2 Pictures of two impellers of inverted-umbrella aerator

1.2 试验装置

曝气性能试验装置由圆形曝气池、倒伞曝气机叶轮、扭矩仪、变频控制柜、电动机、溶解氧测量仪等组成．圆形曝气池直径600 mm、高600 mm．变频控制柜、电动机、扭矩仪和倒伞曝气机叶轮统一安装在一个升降装置上，上下调节伺服电动机来控制叶轮高度变化，以此改变浸没深度．曝气池的初始液位高度为200 mm，叶轮转速为240 r/min．试验装置示意图如图3所示．

图3 曝气性能试验台Fig.3 Aeration performance test stand

1.3 试验仪器

试验中选用上海雷磁JPB-607A型便携式溶解氧测量仪来测定水的温度和水中溶解氧浓度，温度的测量范围为0～40 ℃，基本误差为±0.5 ℃；溶解氧浓度的测量范围为0～20 mg/L，基本误差为±0.3 mg/L．采用北京天宇恒创生产的型号为CYT-302的扭矩仪来测量倒伞曝气机运行时的转速和扭矩，额定转矩为20 N·m，精度为0.25级．试验过程中需要添加药剂，使用无水亚硫酸钠(Na2SO3)作为脱氧剂消耗掉水中的溶解氧，同时选择六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)作为催化剂．

2 试验方案及步骤

2.1 试验方案

在相同的圆形曝气池中，测量叶片数分别为6,8的2个倒伞曝气机模型在低(200 mm)、中(250 mm)和高(300 mm)3个不同液位下，通过伺服电动机调节叶轮高度，使叶轮分别高出液面(+5 mm)、与液面持平(0 mm)、浸入液面(-5 mm)，在150,180,210,240,270和300 r/min这6个转速下的曝气性能．

2.2 试验步骤

采用间歇非稳态法[10]测定倒伞曝气机的曝气性能，即测试曝气池的水不进不出，曝气过程中水中溶解氧浓度随曝气时间增加而变化．试验的步骤如下：

1) 向曝气池加水，记录液位高度H，并计算水的体积V.

2) 校正试验仪器，测定池水温度和水中的溶解氧浓度DO；将测点探头置于液位高度1/2处,并调节升降装置，使曝气机叶轮至某一浸没深度.

3) 向曝气池中投入无水亚硫酸钠和六水合氯化钴，投入前需进行溶解，缓慢搅拌1～2 min；等待溶解氧浓度降为0.

脱氧剂无水亚硫酸钠的投入量计算式为

W1=k1·k2·DO·V，

(1)

式中：k1为每消耗1 g的O2所需的Na2SO3质量，理论上消耗掉1 g的O2需要7.875 g的Na2SO3，取整为8；k2为安全系数，一般取1.2～1.5，文中取1.5.

催化剂六水合氯化钴的投入量计算式为

W2=k3·k4·V，

(2)

式中：k3为要使水中含有1 g的钴离子需要六水合氯化钴的质量，理论上为4.03 g，圆整后取4；k4为经验系数，文中试验取0.5 mg/L.

4) 启动倒伞曝气机，并设置转速.

5) 持续曝气，当溶氧仪读数为0.1 mg/L时，开始计时并记录此时的溶解氧浓度，此后每隔30 s记录1次数据，至浓度值不再增加，认为水已达到氧饱和．

6) 重复试验，重复步骤3)，4)和5)直至曝气结束．

3 曝气机性能评价方法及数据预处理

3.1 曝气性能评价方法

对倒伞曝气机曝气性能的评价指标主要有标准氧总转移系数KLa(20)、标准充氧能力SOTR和标准动力效率SAE[11]．

氧总转移系数KLa的计算公式为

(3)

式中：CS为室温下的氧饱和浓度，mg/L；Ct1为t1时刻的溶解氧浓度；Ct2为t2时刻的溶解氧浓度．

温度会影响对氧的传递速率，因此需要进行温度校正[12]，计算公式为

KLa(20)=KLa(t)×1.02420-T，

(4)

式中：T为试验水温，℃；KLa(t)为t时的总转移系数，min-1；1.024为修正系数．

标准充氧能力SOTR的计算公式为

SOTR=CS(标)×KLa(20)×V，

(5)

式中：SOTR为标准条件下单位时间内转移到水中的氧量，mg/min；CS(标)为标准条件下氧的饱和浓度，mg/L．

标准动力效率SAE的计算公式为

(6)

式中：SAE为标准条件下一定电能耗时氧转移到水中的含量，mg/(min·W)；P为消耗功率，W．

3.2 曝气性能数据预处理

倒伞曝气机曝气能力的评价指标为标准充氧能力和标准动力效率．标准氧总转移系数可直接反映池内氧传质速率，是最基本的参数．曝气池内水量不变时液体、标准充氧能力与标准氧总转移系数成正比，故将标准氧总转移系数和标准充氧能力放在一起分析．将试验数据进行线性回归处理[13]．各方案下的标准氧总转移系数的数据见表1，其曲面图如图4所示．

表1 各方案下的标准氧总转移系数Tab.1 Total standard oxygen transfer coefficients under various conditions

图4 各方案下的标准氧总转移系数曲面图Fig.4 Surface plots of standard total oxygen transfer coefficient under various conditions

4 试验结果与分析

4.1 叶片数对曝气能力的影响

从倒伞曝气机自身结构设计方面考虑，着重研究改变叶片数对其曝气性能的影响.

以浸没深度为0 mm为例，倒伞曝气机不同叶片数的标准氧总转移系数和标准充氧能力在不同液位高度和转速下的变化如图5所示．从图中可以看出，液位高度不变时，倒伞曝气机的曝气能力随着叶片数和转速的增加而提高，且在不同液位高度下变化趋势相同．液位高度增加时，标准氧总转移系数随之减小，标准充氧能力会提高，但变化皆较小.

图5 不同叶片数下标准氧总转移系数和标准充氧能力随转速变化柱状图Fig.5 Standard total oxygen transfer coefficient and standard oxygenation capacity versus rotational speed under different numbers of blades

分析其原理：氧气难溶于水，水中溶解氧浓度低，氧传质阻力几乎全部集中在液膜，而转速增大时，叶轮附近液体的湍动强度增加，液膜厚度减小，有利于氧传递．同时，叶轮的轴向提升能力增强，更多的液体流向辐板上侧，水与空气的接触面积增加；此外，水跃高度和辐射半径也随之增加，水与空气的接触时间延长．因此氧传质能力会随转速增大而提高，而液面上的水跃和近水面区域的湍动传质对倒伞曝气机曝气性能的贡献最大．

忽略液体的黏性摩擦力，叶轮转动时，液体由于推力作用沿着叶片工作面射出．当叶片从6枚增加到8枚时，叶轮的抛洒强度增加，高近水表面的含气率随之提高，水与空气的接触面积增大，从而氧传质效率得到极大提高．同时，近水面附近液体的波动随叶片数增加而加大，液体与气泡间的相互作用更加剧烈，氧传质的能力也增大．因此，倒伞曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力随着叶片数的增加而大幅增大．

随着液位高度的增加，浅层高氧浓度水体受浓度梯度影响与底层水体发生传质作用，导致浅层水体氧浓度降低，浅层水体与空气浓度差增大，液膜阻力随之减小，导致曝气效率增加，标准氧总转移系数增大．随着液位高度的增加，浅层水体与底层水体的传质作用减弱，导致标准氧总转移系数随液位高度的增加而减小．根据式(4),(5)可知，标准充氧能力与标准氧总转移系数及水体体积相关，随着液位高度的增加，水体体积增大，导致标准充氧能力随液位高度增加而增加．

4.2 叶片数对曝气效率的影响

为了解叶片数对曝气效率的影响，研究不同叶片数倒伞曝气机的标准动力效率SAE在不同液位高度下随转速的变化,如图6所示．

图6 不同叶片数下标准动力效率随转速变化柱状图Fig.6 Standard dynamic efficiency versus rotational speed under different numbers of blades

从图6中可以看出，液位相同时，叶片数对曝气机标准动力效率的影响较小，不同液位变化趋势相同．且在转速为150 r/min时，6叶片倒伞曝气机的标准动力效率大于8叶片倒伞曝气机，主要是由于倒伞曝气机消耗的功率会随着叶片数的增加而增大，而在倒伞曝气机以低转速运行时，叶轮主要起搅拌作用，对水跃的贡献较小．

5 结 论

为研究叶片数对倒伞曝气机曝气性能影响，文中开展倒伞曝气机曝气性能试验，改变曝气池液位高度、叶轮转速、叶轮浸没深度和叶轮叶片数，测量了6叶片和8叶片倒伞曝气机驱动下，圆形曝气池内溶解氧浓度，并对试验溶解氧浓度值用最小二乘回归分析法处理，分析不同参数下的标准氧总转移系数、标准充氧能力和标准动力效率，结果如下：

1) 在同一转速下，6叶片倒伞曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力低于8叶片倒伞曝气机．在浸没深度为0 mm、液位高度不变时，倒伞曝气机叶轮转速增大，各项曝气性能均提高，其中标准氧总转移系数和标准充氧能力与转速成正比，标准动力效率与转速没有明确的关系．

2) 叶片数的增多会增加功率消耗，故各转速及浸没深度下8叶片和6叶片的倒伞曝气机标准动力效率相差不大．