摘要：为了考察气提式曝气增氧装置在海水养殖水池内的性能表现和溶氧扩散分布规律,自行设计了一种气提式曝气除沫装置,并安装于海水养殖生产车间水池内运行,通过定时定点取样测定池水中的溶解氧浓度,分析该装置运行时养殖池内溶解氧的分布状态,进而确定该装置增氧的性能指标。结果表明:安装自行设计的气提式曝气除沫装置后,通过实际测试,氧转移系数(KLa(20))为0.77 h-1,氧转移效率(EA)为5.20％,曝气动力效率(Ep,以O2计)最高可达4.33 kg/(kW·h);经测定,在养殖水池内各个取样点溶解氧分布均匀,溶解氧浓度同步增加。研究表明,本研究中设计的曝气装置及其布置形式因省去动力循环能耗,曝气动力效率显著提高。
关键词：曝气装置;海水养殖池;溶解氧分布;氧总转移系数;动力效率
目前,用于工厂化水产养殖的曝气系统通常分为增氧泵曝气充氧和纯氧气水混合两种方式。增氧泵曝气充氧系统具有结构简单、建造及运行操作方便等优点,但在池底或水面设置曝气头、穿孔管曝气时,空气气泡从池底上升到水面,对池内水体产生扰动和噪音,不利于养殖生物生长。同时,气泡和水体形成的紊流状态把池内残饵、粪便等悬浮物搅碎,形成细小颗粒,易导致水质快速恶化。使用纯氧气水混合系统在池外把纯氧和水混合后再送入池内,可以避免上述不利情况。但是,纯氧增氧系统需要纯氧发生器和混合器等设备,增加了投资和生产成本。为了解决生产中存在的这些不利情况,本研究中利用气升泵的原理开发了一套曝气增氧装置,以实现无扰动曝气增氧,同时去除浮沫[1]。
有关增氧曝气设备的检测许多学者对不同类型的增氧设备进行了研究,确定了一些性能参数,为实际应用奠定了基础。宋奔奔等[2]利用溶解氧测试对比了封闭循环水养殖系统中常见曝气器中的性能参数。梁远等[3]对新旧微孔曝气器曝气充氧性能的试验表明,经长期使用的曝气器充氧性能下降较大,氧总转移系数、氧利用效率和动力效率分别下降了57％、58％和59％,新刚玉微孔曝气器中氧的利用率在20％以上,曝气动力效率(以O2计,下同)在4 kg/(kW·h)以上。张闯等[4]比较了微孔雾化软管曝气与射流曝气两种曝气设备的清水充氧性能,结果表明,微孔雾化软管的氧总转移系数为22.15 h-1,氧的利用效率为24.71％,动力效率为2.45 kg/(kW·h),分别高于射流曝气。曹广斌等[5]根据气泡运动、气泡溶解和尺寸变化方程而设计的双层逆流反应塔为提高气液两相流的传质效率在水产养殖上的应用提供了理论参考。张斌等[6]对几种类型的微孔曝气器清水充氧性能进行对比,发现同一设备在相同水深条件下,随着标准通气量的增大,充氧能力增大,动力效率减小,氧利用率减小。Sánchez等[7]的研究中也有类似的结论。本研究中,依据标准SC/T6009—1999《增氧机增氧能力试验方法》建立了气提式增氧曝气装置在海水养殖池中增氧能力的试验方法及试验数据的计算方法,从而确定该装置运行时养殖池内溶解氧的分布状态,并计算氧总转移系数、氧转移效率和动力效率,以期为实际生产提供技术参数。
评价曝气装置的性能参数包括氧总转移系数、氧转移效率、动力效率等。其中氧总转移系数为水温20℃时氧的传递速率;氧转移效率指通过机械曝气装置的转动,在单位时间内转移到混合液中的氧量与供氧量的比值,反映了氧的利用率;动力效率是指每消耗1 kW·h能量转移到混合液中的氧量,反映了曝气装置的能耗水平。
曝气充氧试验采用Na2SO3(还原剂)和CoCl2(催化剂)消除海水中的氧,溶解氧为0之后进行曝气复氧,测定海水中随时间变化的氧质量浓度,从而求出氧总转移系数(KLa)。同时记录测定时的供气量,进一步计算出氧转移效率(EA)和动力效率(Ep)[8-9]。
KLa(T)的计算公式为
其中:dc/dt为氧转移速度[kg/(m3·h)];KLa为氧总转移系数(h-1);Cs为混合液氧饱和浓度(mg/L);C为混合液氧浓度(mg/L)。
对公式(1)积分得:
以lg[(Cs-C0)/(Cs-Ct)]为纵坐标,以t为横坐标,在半对数坐标纸上绘图,得出直线斜率,然后求出KLa。
若测试条件不在20℃时,采用下式对KLa(T)进行修订:
其中:KLa(20)为水温20℃时的氧总转移系数,反映了氧的传递速率(h-1);T为水温(℃)。
EA的计算公式为
其中:EA为氧转移效率(％);R0为耗氧速率(kg/h);S为20℃时的供氧量(kg/h);V为池水体积(m3);Gs为20℃时的供气量(m3/h)。
Ep的计算公式为
其中:Ep为动力效率[kg/(kW·h)];R0为耗氧速率(kg/h);N为曝气充氧时所耗理论功率(kW);Hb为气压压力表读数平均值(MPa);Gs为气体的实际流量(m3/h)。
2.1 材料
2.1.1 试验装置 本试验装置为自行设计组装的中试规模无扰动曝气除沫系统,系统组成如图1所示。
图1 无扰动曝气除沫系统示意图
Fig.1 System schematics in the airlift aeration device
试验时,由离心风机(1)提供系统曝气用空气,空气通过精密针芯(2)调节阀调节气量并用转子流量计(3)计量后经由空气管道(4)输送到水池下部高效溶氧装置(6)处,池内待充氧水体经吸水管道(5)进入高效溶氧装置(6)后,瞬间达到溶氧饱和,最后经升水管道(7)进入浮沫去除装置(8)后通过回流管道(9)流入水池,完成了水体循环。
设备型号参数:风机型号HG-1100-C2,风量为0～135 m3/h,风压为24 kPa,真空度为-20 kPa;精密针芯调节阀型号T40H-16C,温度≤250℃,压力为1.6 MPa,通径为50 mm;空气转子流量计型号LZT(M-15),测量范围≤40 m3/h;梅特勒溶氧(多参数测试仪)测定仪型号SG68。
2.1.2 试验用水 试验用水取自黑石礁海域沙滤海水,水温为13℃。经计算加过量(150％)的脱氧剂无水亚硫酸钠,同时投加0.1 mg/L催化剂氯化钴脱去海水中的溶解氧,使溶解氧降为0后作为试验用水。
2.2 方法
2.2.1 取样点的设定 以水池一底角o为坐标原点建立三维坐标,如图2所示。12个取样点坐标(m)如下:
1号点:(1.060,0.667,1.300)
2号点:(1.060,1.334,1.300)
3号点:(2.120,0.667,1.300)
4号点:(2.120,1.334,1.300)
5号点:(3.180,0.667,1.300)
6号点:(3.180,1.334,1.300)
7号点:(3.180,0.667,0.200)
8号点:(3.180,1.334,0.200)
9号点:(2.120,0.667,0.200)
10号点:(2.120,1.334,0.200)
11号点:(1.060,0.667,0.200)
12号点:(1.060,1.334,0.200)
图2 取样点布置图
Fig.2 Layout of sampling points
2.2.2 取样时间 试验开始后,在静态清水中投加亚硫酸钠(还原剂)和氯化钴(催化剂)脱氧,待水中溶解氧降至0时刻,将离心风机启动开始曝气增氧,每隔15 min取样1次(一次12个点,12个样品),总计取样16次。
2.2.3 取样方法 (1)水面以下0.2 m处取样:将移液管(50 mL)插入水面以下0.2 m取样点处取样,将吸取的水样转移至溶解氧瓶中,并在操作过程中尽量减少空气中氧气的溶入以造成误差。之后,迅速加入药剂固定溶解氧。(2)水面以下1.3 m处的取样:将微型水族循环潜水泵固定于水面以下1.3 m处取样点上,取样时开启水泵,将该处水样通过橡胶软管缓慢导入溶氧瓶底部,充满瓶体并溢出后,迅速加入药剂固定溶解氧。
2.2.4 指标的测定方法 用体积-秒表法多次测定循环水流量并取其平均值;用转子流量计计量气量;用煤油温度计稳定后读取水温数据;依照《海洋监测规范》GB 17378.4—2007第四部分海水分析中的碘量法测定水体溶解氧浓度[10],取样的同时,用溶解氧测量仪读取稳定数值供对比参考。
3.1 曝气池内各取样点处溶解氧浓度及分布情况
分析曝气池内各取样点溶解氧浓度随时间的变化情况时,以水池一底角o为坐标原点,建立三维坐标模型,其中各取样点的x、y值为取样点的水平截面位置坐标(m),z值为各取样点处溶解氧浓度值(mg/L)。数据经整理用Origin 7.0软件作图,结果见图3,分为上下两层溶解氧浓度分布。
从图3可见,随着曝气时间的延长,水池内溶解氧浓度逐步上升,上下层水体溶解氧浓度相近,水平分布上溶解氧均匀。当池内溶解氧浓度逐渐接近饱和值时,因溶解氧浓度差减小,溶氧扩散转移推动力降低,池内溶解氧浓度增加缓慢。
3.2 增氧曝气装置的增氧性能
曝气充氧试验中溶解氧浓度随时间的变化如图4所示。从图4可见:当曝气进行到15 min时,池内溶解氧浓度仍为0 mg/L,说明池内脱氧剂Na2SO3过量,符合规范要求;15 min后池水中过量的Na2SO3逐渐被氧化,当全部被溶解氧消耗后,溶解氧浓度缓慢上升;30min后池内溶解氧浓度迅速增加;当曝气进行到180 min时,池内溶解氧浓度逐渐接近饱和值,溶氧扩散转移推动力降低,池内取样点溶解氧浓度增加变慢,充氧能力下降。
依据公式(1)～(3)计算得到氧总转移系数KLa求解曲线如图5所示。计算得氧转移系数KLa= 0.65 h-1,KLa(20)=0.77 h-1。
依据公式(2)～(8)计算得到海水曝气充氧试验中曝气装置性能参数值,表1为最佳气水配比时的性能参数数据(气量为5.0 m3/h,对应循环水量为8.9 m3/h)。从表1可见,曝气装置的KLa(20)= 0.77 h-1,EA=0.67％～5.20％,Ep=0.30～2.36 kg/(kW·h)。
本试验结果表明,开始曝气时EA和Ep的值最大,分别为5.20％和2.36 kg/(kW·h),随着试验的进行,池内溶解氧浓度逐渐接近饱和值,溶解氧浓度增加变慢,氧转移效率和动力效率逐渐下降。在计算动力效率Ep时包含了循环海水的功率,经计算得到Ep=0.015 kW。而风机曝气充氧有效功率为0.033 kW,循环海水的功率所占百分比为45％左右,这与Barrut等[11]的研究结果接近。Barrut等[11]通过自制试验装置,研究了装置中海水循环输送流量和曝气的气泡大小等,并提出可以节约总能耗50％的能量,而这部分能量原本是由循环离心泵提供的。本试验中,如果除去用于循环海水的功率,则曝气动力效率可以达到4.33 kg/(kW·h)。
图3 池内各取样点溶解氧浓度的变化情况
Fig.3 Changes in concentration of dissolved oxygen at various sam p ling points in the tank
表1 曝气装置性能参数表
Tab.1 Performance parameters of the aeration device
取样时间t/min取样点溶解氧平均浓度Ct/ (mg·L-1)海水溶解氧饱和值Cs/ (mg·L-1)氧总转移系数KLa(20) 20℃时空气量Gs/ (m3·h-1) 20℃时供氧量S/ (m3·h-1)标准条件下转移到曝气池混合液的总氧量R0/(kg·h-1)氧转移效率EA/％功率N/ kW动力效率Ep/ (kg·kW-1·h-1) 15 0.00 8.47 0.77 5.0 1.50 0.078 5.20 0.033 2.36 30 0.30 8.47 0.77 5.0 1.50 0.075 5.00 0.033 2.27 45 1.73 8.47 0.77 5.0 1.50 0.062 4.13 0.033 1.88 60 2.73 8.47 0.77 5.0 1.50 0.053 3.53 0.033 1.61 75 3.47 8.47 0.77 5.0 1.50 0.046 3.07 0.033 1.39 90 4.33 8.47 0.77 5.0 1.50 0.038 2.53 0.033 1.15 105 4.93 8.47 0.77 5.0 1.50 0.033 2.20 0.033 1.00 120 5.60 8.47 0.77 5.0 1.50 0.027 1.80 0.033 0.82 135 5.87 8.47 0.77 5.0 1.50 0.024 1.60 0.033 0.80 150 6.27 8.47 0.77 5.0 1.50 0.020 1.33 0.033 0.61 165 6.47 8.47 0.77 5.0 1.50 0.018 1.20 0.033 0.55 180 7.00 8.47 0.77 5.0 1.50 0.014 0.93 0.033 0.42 195 7.13 8.47 0.77 5.0 1.50 0.012 0.80 0.033 0.36 210 7.27 8.47 0.77 5.0 1.50 0.011 0.73 0.033 0.33 225 7.40 8.47 0.77 5.0 1.50 0.010 0.67 0.033 0.30
图4 溶解氧浓度变化曲线
Fig.4 Change curve of dissolved oxygen concentration
图5 曝气充氧K La的趋势线
Fig.5 AerationKLatrend line
经试验检测表明,本增氧曝气装置氧转移系数虽然较低,但动力效率比较高,可以满足海水养殖实际生产的要求,具有节能降耗、安全、减缓水质恶化等方面的特点,达到了试验预期目的,具有实际应用价值。
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Performancemeasurement of an airlift aeration device in an aquaculture tank
Abstract：A set of airlift aeration device for foam removing was self-designed,installed and operated in amariculture tank in a production workshop in order to observe its performance and diffusion distribution of dissolved oxygen.During the operation,the concentration,and distribution of dissolved oxygen were determined in the tank at given points and time,and then the performance indices of the aeratorwere evaluated.The results showed thatoxygen transfer coefficient(KLa(20))was0.77 h-1,and oxygen transfer efficiency(EA)5.20％,with themaximal aeration power efficiency(Ep)of 4.33 kg/(kW·h).The determination ofKLa(20),oxygen transfer efficiencyEAandEpof the aeration device revealed that the dissolved oxygen distribution of each sampling pointwas uniform,as the dissolved oxygen concentration increased synchronously.The aeration power efficiency was improved obviously because its arrangement form showed less energy consumption during power cycle.
Key words：aeration device;mariculture tank;dissolved oxygen distribution;oxygen transfer coefficient;power efficiency
中图分类号：S969.32
文献标志码：A
DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2016.06.015
文章编号：2095-1388(2016)06-0673-05
收稿日期：2016-04-05
基金项目：国家海洋公益项目(201305001);2015年大连海洋大学大学生创新创业计划项目