灌溉杀菌用旋涡螺旋式臭氧混合泵装置

张爱习，赵丽茶，张彦奇，毕云铎，常向阳，滕慧颖

（1.国家半干旱农业工程技术研究中心，石家庄050051；2.河北供水有限责任公司石家庄管理处，石家庄050000；3.河北省农业机械鉴定总站，石家庄050031；4.石家庄熙海科技开发有限公司，石家庄050051）

国外，美国地下水公司最早开展了利用臭氧水灌溉消除土壤污染的研究。国内，中山大学李艳芬就臭氧灌溉进行了初步研究[1]，安丘植物保护站孙洪全开展了臭氧水灌溉防治根线虫的研究。国内虽有一些臭氧灌溉的单项研究，但未见有关臭氧混合泵及臭氧混合泵装置研究的报道。有关臭氧混合设备和技术的研究，主要围绕提高臭氧混合效率展开，先后经历了曝气头、曝气塔、水射器和臭氧混合泵四代产品，混合效率从2%、5%～20%、5%～40%，提高到60%～80%(臭氧混合泵)[2-10]，本研究将臭氧混合效率从60%～80% 提高到了85.10%。一代产品曝气头混合效率太低(2%左右)，臭氧水浓度太低(0.1 mg/L 以下)；二代产品曝气塔混合效率较低(5%～20%)，体积过大，造价过高；三代产品水射器利用文丘里原理，处理量5～100 m3/h，混合效率30%～40%；四代产品臭氧混合泵，利用开式旋涡泵的气液混合输送特性[11]，混合效率达到60%～80%。

本研究在开式旋涡泵基础上，再在旋涡泵出口流道内先设置一个带有部分圆球状凹坑（蜂窝）的正旋螺旋叶片，再设置一个反向旋螺旋叶片，组成臭氧混合泵装置，将臭氧混合效率从60%-80%提高到85.10%。

1 材料与方法

1.1 臭氧混合泵装置的结构

臭氧混合泵装置由带进气管的开式旋涡泵[12,13]和蜂窝式正螺旋静态混合器和蜂窝式反螺旋静态混合器[14]组合而成(见图1)。臭氧混合泵水力部分由进水口、进气管、压水室、开式旋涡叶轮和出水口组成。

蜂窝式正反螺旋静态混合器，由正向螺旋叶片和反向螺旋叶片[15,16]组成，并内置于开式旋涡泵的压水室出水流道内部。螺旋叶片的正反表面均制有部分圆球状凹坑。蜂窝式正反螺旋静态混合器的叶片，由正向旋转叶片和反向旋转叶片及轴芯组成(见图2)。螺旋叶片的表面均制有部分球状凹坑，凹坑均匀分布于叶片的正反表面(见图3)。

图2 蜂窝式正反螺旋静态混合器叶片

图3 叶片表面的蜂窝结构图

蜂窝结构是按照一定规律均匀分布于正反螺旋叶片的正反表面的凹坑，蜂窝形状为圆球的少半部分（见图3）。

1.2 技术原理

旋涡螺旋式臭氧混合泵装置利用旋涡泵的开式叶轮所具有的气液混输特性，在开式旋涡泵吸入口到叶轮之间的吸入通道中设置吸入气体的进气管，用于在吸入水的同时吸入臭氧气体，开式叶轮强制气体与液体反复混合。在叶轮与泵出口之间的压水室出口通道上，依次设置带有蜂窝式正反螺旋叶片的静态混合器叶片。正反螺旋静态混合器叶片实现气液两相的分割、翻转、剪切和再混合，强化气液混合。静态混合器的正反叶片的正反两面都广泛均布有形状为部分球状凹坑的蜂窝。当气液混合物通过时，在蜂窝处产生广泛的涡流使气体和液体进一步充分接触，进一步混合。

1.2.1 旋涡泵的基本工作原理

（1）闭式旋涡泵的工作原理：旋涡泵通过叶轮叶片把能量传递给流道内的液体，这种通过三维流动的动量交换传递能量过程，在整个泵的流道内重复多次，因此旋涡泵具有其他叶片泵所不可能达到的高扬程[11]。图4 是液体在闭式旋涡泵内的运动示意图。

图4 液体在闭式旋涡泵内运动示意图

（2）开式旋涡泵的工作原理。开式旋涡泵去掉了闭式旋涡泵叶轮两侧叶片之间的分隔板[12]（见图5），工作原理与闭式旋涡泵工作原理类似，所不同的是可以气液混合输送[13]。

图5 液体在开式旋涡泵内运动示意图

1.2.2 开式旋涡泵气液混合输送原理

开式旋涡泵具有良好的气液混输特性，可以大量吸入气体。在开式旋涡泵内部依靠旋涡作用，实现气液的反复接触，强制混合。旋涡泵的高压力使得可溶性气体在水中的溶解率得到提高。旋涡泵的高速旋转和反复的纵向旋涡作用，使得剪切率和剪切力提高，气液接触频率提高，气液混合速度提高，气液混合效率大幅度提高。

1.2.3 蜂窝式正反螺旋静态混合器混合原理

在蜂窝式螺旋静态混合器中，通过正反静态混合器产生强制切割、旋转、翻转和重新混合，气液反复碰撞接触，使得臭氧和水的接触时间增加、接触面积增加。这样使得混合泵装置的气液混输特性与一般混合泵和其他混合设备相比得到了大幅度的提高。

叶片上的蜂窝结构破坏层流底层（见图6），加剧静态混合器螺旋叶片表面局部旋涡的形成，使气液混合机会进一步增加，混合效率进一步提高。

图6 静态混合器螺旋表面的微漩涡

1.2.4 旋涡螺旋式臭氧混合泵装置的工作原理

前面分别叙述了闭式旋涡泵工作原理、开式旋涡泵的工作原理和蜂窝式正反螺旋旋静态混合器的工作原理，旋涡螺旋式臭氧混合泵装置的工作原理可以用框图的形式表达，框图分两个层面，分别从结构和原理层面表达了旋涡螺旋式臭氧混合泵装置的结构和工作原理特点（见图7）。

图7 旋涡螺旋式臭氧混合泵装置结构和工作原理框图

1.3 臭氧混合泵装置的性能

经实验，装有蜂窝式正反螺旋静态混合器的臭氧混合泵装置与普通臭氧混合泵相比，臭氧混合效率提高了5.10～25.10个百分点，臭氧水浓度提高了5～10 mg/L，额定点臭氧水浓度提高了2.91～7.91 mg/L。蜂窝式静态混合器规格参数见表1。

表1 正反螺旋静态混合器和蜂窝式正反螺旋静态混合器规格参数表

开式旋涡泵装配上表面设有部分球状圆坑的蜂窝式正反螺旋静态混合器，组成旋涡螺旋式臭氧混合泵装置，其性能参数比较见表2。

表2 装有蜂窝式正反螺旋静态混合器的臭氧混合泵装置与普通臭氧混合泵性能参数比较表

1.4 臭氧混合泵装置的应用

本装置主要用于农业、林业、牧业、工业、民用、医药、卫生、食品、化工和环境保护等领域的各种浓度臭氧水制取，特别是用于高浓度臭氧水的制取，为臭氧水灌溉杀菌提供高性能设备。本装置也可用于CO2等气体与水的高效混合，满足相关领域的需求。

2 结果与分析

2.1 混合装置性能提高

通过在开式旋涡泵出口内置带有部分圆球状蜂窝的正反螺旋静态混合器，提高了臭氧混合效率和臭氧水浓度。无正反螺旋静态混合器的臭氧混合泵、有正反螺旋静态混合器无蜂窝的臭氧混合泵装置和有蜂窝式正反螺旋静态混合器的臭氧混合泵装置在额定点的臭氧混合效率显著提高，臭氧水浓度液显著提高（见表3）。

表3 臭氧混合泵与有蜂窝和无蜂窝的臭氧混合泵装置的性能比较

2.2 在农业中使用效果

在农业领域使用臭氧混合泵装置制取不同浓度的臭氧水，进行灌溉杀菌，可以有效防治土传病害和空传病害，有效防治虫害，给土壤消毒，消除土壤污染，增加土壤含氧率，促进作物生长，实现了增产、提质、增收、增效，减少了农药用量，消除了土壤中的化肥农药残留等污染，有利于环境保护。

旋涡螺旋式臭氧混合泵装置还可用于CO2与水的混合，在农业和林业上可以将工业排放的CO2收集起来，与水混合后通过喷雾作为农业和林业作物光合作用的原料，促进作物生长，增加产量。

3 结论

本文针对臭氧水灌溉杀菌中存在的臭氧水制取成本过高的问题，论述了灌溉杀菌用旋涡螺旋式臭氧混合泵装置的原理、结构、性能和及应用。此装置采用开式旋涡泵加蜂窝式正反螺旋静态混合器的混合原理，臭氧混合效率显著提高，臭氧水浓度显著提高，臭氧水制取成本大幅度下降，解决了臭氧水利用中的设备庞大、臭氧利用率低、臭氧水制取成本过高等问题，为臭氧水在农业等领域推广应用提供技术和设备保证。