水温对增氧机增氧性能参数的影响研究

顾海涛，潘 磊，钟 伟，刘兴国，梁永林，韩梦遐

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 浙江富地机械集团，浙江 台州 318050)

溶氧作为水产动物赖以生存的重要因子，与池塘养殖效果好坏紧密相关[1-2]。增氧机是重要的池塘增氧设施，一方面能直接提高养殖水体的溶氧，确保养殖的鱼、虾等生物不会缺氧，保证其正常生存环境[3]；另一方面通过搅动水体形成水流，加快物质循环，改善池塘水质，维持水体稳定健康[4]。评价增氧机增氧性能的参数主要是增氧能力[5-8]，该指标反映单位小时内氧气在水中溶解的总千克数；增氧机增氧能力的高低，是衡量一台增氧机性能的主要指标，也是养殖用户确定池塘配置增氧机数量的主要依据。影响增氧机增氧能力的因素有很多，除本身型式和结构外，还包括水体温度[9]、大气压、风力[10]、水面面积、水质及水体深度等因素[11-17]。黄启锋[18-19]研究了水体温度和大气压对增氧机增氧能力的影响，发现同一台增氧机在水体温度为14.5℃和29.70℃时的增氧能力相差23.1%。

本研究通过同一台增氧机在不同水温下的增氧性能试验，研究水温对增氧机增氧性能的影响，为水产养殖用户在不同水体温度条件下配置增氧机提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置设计

溶氧测定仪(美国YSI公司生产，ProSolo型溶氧仪)，量程0～50 mg/L、5～70℃、50～110 kPa，精度±0.1 mg/L、±0.2℃、±0.2 kPa。

步入式恒温试验箱(上海增达环境试验设备有限公司生产，型号GDW4-75)，温度范围(-40～+80)℃，精度≤±2℃。

增氧机(试验用水车式增氧机，浙江富地机械集团生产)，额定功率0.75 kW，由1个浮体、2个叶轮和1个电机组成。

图1 试验装置Fig.1 Experimental apparatus

1.2 试验方法

增氧性能试验需要将试验水体中的氧气消除，然后启动增氧机进行增氧，通过观察水池中溶氧的上升速率来评定其增氧能力。试验采用无水亚硫酸钠作为耗氧剂，氯化钴作为催化剂，通过试水体积来计算无水亚硫酸钠和氯化钴的数量，之后将其均匀撒入水中，断续启动增氧机搅拌均匀，观察溶氧测定仪的溶氧读数降至0 mg/L时，开启增氧机持续运转，试验正式开始。当溶氧上升时开始记录数据，记录时间间隔为1 min，当溶氧值到达该试验水体的饱和溶氧的75%时，试验结束。

试验所用水池容器为立方体，水体体积可通过长宽高计算出为6 m3，标准要求无水亚硫酸钠用量一般为100 g/m3，因此无水亚硫酸钠投入量为6×100=600 g；氯化钴用量一般为2 g/m3，因此氯化钴投入量为6×2=12 g。

1.3 增氧能力计算

增氧能力的测定主要依据SC/T 6009—1999《增氧机增氧能力试验方法》[20]，该标准的一些计算公式出自《水和废水标准检验法》[21]。

氧质量转移系数KLa(T)计算，按式(1)[20]：

(1)

式中：KLa(T)—任意水温下的氧质量转移系数，h-1;t1、t2—读数时间，min；C1、C2—t1、t2时的溶氧值，mg/L；Cs—试验用水饱和溶氧值，mg/L；T—试验用水温度，℃。

20℃水温时的氧质量转移系数KLa(20)计算，按式(2)[20]；

(2)

式中：KLa(20)—20℃时的氧质量转移系数，h-1；θ—温度校正系数，从1.016至1.047，可接受值为1.024[21]。

增氧能力Qs的计算，按式(3)[20]；

Qs=KLa(20)×V×Cs×10-3

(3)

式中：Qs—增氧能力，kg/h；V—试验用水体积，m3；Cs—水温20℃时的饱和溶氧值，推荐采用9.17 mg/L。

取各个取样点的Qs值的平均值作为试验的结果值。

2 结果

2.1 水温与增氧能力的关系

本试验测试了4.3℃～28℃之间20个不同水温下的增氧能力，结果如图2所示。

图2 不同水温下的增氧能力Fig.2 Oxygenation capacity at different water temperatures

图2中的增氧能力值为3个测点的平均值，20个不同水体温度试验结果，增氧能力最高是水温6℃时的0.321 kg/h，最低是水温28℃时的0.207 kg/h，水温从6℃上升到28℃，增氧能力下降35.5%。从图2可以看出，增氧能力随着水体温度的升高呈降低趋势。

2.2 水温和氧质量转移系数的关系

根据上述公式可以计算出KLa(T)与KLa(20)的值，并绘制出KLa随温度变化的曲线(图3)。从图3可以看出，KLa(T)在10℃～25℃呈明显上升趋势，在25℃～28℃以上呈下降趋势，在4℃～10℃之间虽有波动，但整体呈上升趋势。KLa(20)在10℃～28℃呈明显下降趋势，在4℃～10℃之间虽有波动，但整体呈下降趋势。

图3 不同温度下的KLa(T)与KLa(20)值Fig.3 KLa(T)and KLa(20)at different water temperatures

3 讨论

3.1 水温对增氧能力的影响

由图2可知，当水温不断降低时，其增氧能力总体呈升高趋势。水体温度变化，会使水分子的间隙发生变化；温度越高，水分子之间间隙就越小，水溶解氧的能力就越差，水体中的氧甚至还会被挤出释放到空气中，因此导致同一台增氧机，随着水体温度升高，增氧能力Qs值下降。其他相关研究人员也有类似结论[22-23]，黄启锋等[18]通过大量的试验研究发现检测水温越高，增氧能力的检测结果越低；水温越低则检测结果越高。

3.2 水温对KLa(T)值的影响

从理论角度分析，氧气本身不易溶于水，水温升高后，水的黏度降低，扩散系数提高，液膜厚度随之降低，KLa(T)增大，液相中氧的质量浓度梯度有所下降；水温降低，有利于氧的转移，增氧性能较好。因此KLa(T)的温度曲线会随着水温变化而变化。

另一方面，从理论上来说，KLa(20)应不随水温变化而变化，但经数据分析后发现情况并非如此，在不同水温KLa(20)取值出现明显波动，从而导致最终的增氧能力Qs也随着水温发生变化。

3.3 水温对温度修正系数θ的影响

(7)

下面用数学推导证明θ与T不呈相关关系。

上式中k为KLa(T)与T的比例系数，取图3中12～23℃的较为线性的一段，拟合后的比例系数取k=0.04。则上式为：

(8)

由式(8)可发现，当T∈[13.7,23]时，F′(T)<0；T∈[12,13.7]时，F′(T)<0，因此F(T)在此区间内不单调，故温度系数θ可能不与水温T呈相关关系。故不同的水温应采用不同的温度系数θ修正，且θ不与水温T呈明显线性相关关系，标准中所有水温均采用1.024修正显然不合理。

根据式(7)计算了不同水温下的θ值，如图4所示。

图4 θ的取值点分布Fig.4 Point distribution of θ

图4中的θ值波动较大，只能初步推测水温在20℃以上时θ与T呈负相关关系，但在20℃以下时无明显相关关系。目前由于试验数据太少，只能通过图形推测这一结论，后续需要大量的试验研究与论证。另外发现θ取值范围在[0.999,1.014]中，这与《水和废水标准检验法》[21]中取值范围不同，与《增氧机增氧能力试验方法》[20]中采用的1.024更是相差不少，如果用1.024进行修正会出现过度修正现象。因此可以认为温度校正系数θ的取值有可能是造成检测结果差别较大的原因之一。

3.4 水温对饱和溶氧Cs的影响

4 结论

不同水温对同一台增氧机增氧能力的试验结果造成较大影响，在低温下增氧性能好，在高温下增氧性能差。如果条件允许，建议在水温为20℃时进行增氧性能试验，结果最为准确。若在其他温度进行试验时，需进行温度修正，但笔者认为修正系数θ不宜采用标准中的1.024，而是在[0.999,1.014]之间选取。本研究仅考虑水体温度对增氧机增氧能力的影响，其他因素对增氧能力实验结果的影响需要进行进一步试验。

□