面向池塘圈养模式的气液混合泵的参数优化及增氧试验

摘要 为探究气液混合泵能否满足在高密度养殖条件下养殖对象对水体溶氧的需求，基于气液（氧气-水）混合泵搭建溶氧试验平台，在不同水温、不同出水压力和不同气水体积比的条件下，测试气液混合泵溶氧性能，并在池塘圈养桶（直径4 m，高2 m，养殖水体体积20 m3）内进行增氧试验。溶氧性能测试结果显示：当出水压力为0.25 MPa、气水体积比为0.01～0.05 时，在不同水温（5.6、13.5、30.3）条件下出水溶解氧与水温成反比，溶解氧在47.93～20.60 mg/L 变化；氧气吸收效率与气水体积比呈反比，氧气吸收效率在91%～33.7% 变化；动力效率与气水体积比成正比，动力效率在22.32～55.12 kg/（kW·h）变化。基于圈养桶的增氧试验结果显示，在有鱼耗氧的条件下（黄颡鱼，单个桶内养殖密度为13.19～16.49 kg/m3），使用功率3 kW 的气液混合泵为4 个圈养桶增氧时，每个桶内水体溶解氧在光照时间内可达11 mg/L，夜间稳定保持在8 mg/L 以上。试验结果表明气液混合泵可应用于高密度的水产养殖，并能有效应对夏季高温供氧难题。

关键词 水产养殖； 溶氧； 气液混合； 纯氧增氧； 池塘圈养

中图分类号 S969.32 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）02-0040-07

中国是世界上最大的水产品消费国，水产品的供给越来越依靠于水产养殖［1］。而我国池塘养殖约占淡水养殖的74%，是淡水养殖的主要形式［2］。近年来，随着我国水产养殖规模化、产业化水平的不断提高，高密度养殖模式已成为水产养殖业的主要发展方向。池塘圈养模式由于能够及时清除圈养桶内养殖废弃物，具有较高的清污效率［3］，养殖容量可达50～100 kg/m3 ［4］，但高密度养殖也导致耗氧加剧，因而圈养桶内水体的溶解氧浓度也成为了养殖户关心的重要问题。

在传统的池塘养殖中主要采用叶轮式［5］、水车式［6］、射流式［7］、微孔曝气式［8］等增氧机来增加养殖水体中的溶解氧含量。但在池塘圈养模式中每个圈养桶内的养殖密度较大，当夏季水温较高时，利用空气增氧效率低、效果差，溶解到水里的氧气很快通过空气-水界面散失，采用空气曝气的增氧方式已不能很好地满足养殖要求，需要探索新的增氧方式。气液混合泵目前主要在污水处理中作为生产气泡的主要设备，工作时以空气为介质，经腔体内叶轮的切割、分散和泵体内的高压力作用，使空气和水充分混合产生纳米气泡水，然后混合泵将产生的纳米气泡水排放到污水池中利用微小气泡为载体吸附杂质，同时又对污水进行增氧。本研究尝试以氧气为介质，利用气液混合泵为水产养殖水体增氧，探索可行性和工艺参数；探究气液混合泵在不同气水体积比、不同工作压力和不同水温条件下对养殖水体的溶氧效果、氧气吸收效率和系统动力效率的影响；分析、优化气液混合泵在增氧时的工作效率，并在池塘圈养桶内进行增氧试验，以期为找到一种更好的适用于池塘圈养模式的增氧方式提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 气液混合泵增氧的传质模型

相间传质涉及的领域非常广泛，在工程和理论上应用较多的是Whitman［9］提出的双膜理论。根据双膜理论和亨利定律可以推导出氧转移公式［10］，在向水中增氧时想要增加液相中溶解氧浓度，可以适当强化液相主体的紊流，提高氧转移公式中氧传质系数的实际值［11］。