黑臭水体增氧设备的设计与工程应用

何 婷 吴 翔 杨声强 水心强

（安徽黄河水处理科技股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

曝气增氧技术是黑臭河道治理的主要措施之一，相应的增氧技术有太阳能曝气、鼓风曝气、推流曝气、造流曝气和喷泉曝气等[1]。其中太阳能曝气是一种将太阳能作为动力源[2]，应用于增氧曝气与水体循环设备进行水污染治理的技术[3]。太阳能曝气治理技术可加速氧气的传质过程，增加水中溶氧量，从而保障水生生物的生命活动及微生物氧化分解有机物所需的氧量，实现水体的生态修复，具有运行管理费用低、增氧效果好、运行噪音低等优势，非常适合应用于河道、湖泊、水库以及氧化塘等供电条件不足的黑臭水体，是一种投资少、见效快的水污染治理技术，符合国家“30·60”双碳达峰、减排目标，充分达到了节能减排的目的，在黑臭水体治理中具有广阔的应用前景[4]。

大多数太阳能增氧机都是采用逆变器将直流电转换成交流电后通过蓄电池储存用于设备[5]，也有少量直接使用太阳能直流电供能，但是供能电压低，转输给复氧机的能耗就低，导致增氧量也较低。因此，急需设计新型高效的增氧直流太阳能曝气机，以实现对水体的增氧功能。

1 设计方案

1.1 太阳能复氧机结构设计及工作原理

该文设计的太阳能复氧机结构主要包括：专用浮体、组合支架、太阳能板组件（24V，250W×2）、倒伞型涡旋曝气叶轮（叶轮直径0.5m，轴长230mm）、直流无刷电机（功率500W）、防护箱、传动轴以及太阳能专用无刷电机控制器。将倒伞型太阳能复氧机置于水体中，通过专用浮体使其漂浮于水面上，然后同牵拉绳索和固定桩进行固定。太阳能经过专用无刷电机控制器转化为直流电能，驱动直流无刷电机，利用传动轴带动倒伞型涡旋曝气叶轮转动，在气、水两相界面形成涡流负压，从而形成涡旋，使水体上下循环流动、充分混合，表层液面不断被更新，而且导流叶片产生的涡流旋涡拉力使空气不断被吸入，从而形成了空气与水体的大面积混合，氧气迅速溶入水体中，完成水体的增氧作用。该装置结构如图1所示。

1.2 太阳能复氧机控制系统设计

太阳能复氧机控制系统的核心为无刷电机控制器，一般须2组电源，一个是14V电源，供功率场效应管（MOSFET）驱动用，另一个是5V电源，供单片机、电机霍尔和转把霍尔等电路用。14V电源由LM317调整管得到，5V电源由78L05得到。因为每天日照时长只有8h～12h，太阳能电池板提供的能量是间断的，在没有蓄电池作为储备电源的工况下，电机也即随之启动和停止，但是现有的无刷直流控制器停止运行后，无法再次自动启动。因此该文设计了专用的无刷直流控制器，如图2所示。可调电阻R4输入端取自电源总输入端，串联一个稳压二极管D1，再串联一个极性电容C7，电容两端并联一个2.2K的电阻R5。极性电容C7的负极取LM317端的+14V。因为太阳光伏板的电压会随着光线的增强而增强，所以极性电容正极的电压在0V～2.5V变化，而光耦817C的导通电压在0V～1.7V。当太阳在一天中的光照强度达到一定时，光耦817C的输入端就会导通，输出端的集电极就会把取自78L05的+5V输送到分压电阻R3上，分压电阻R3的取压端就会得到0V～4.5V的电压。这个电压会加在速度控制器的输入端，继而驱动电机转动。该电路的优点是当太阳能板发出的电压不稳定时，那么欠压检测电路就会保护。如果光照强度恢复，其中的自启电路可让电机在黑夜与白天之间无须人为干预而自动启、停。

1.3 复氧机主要评价指标

复氧机的增氧属于传质过程，其增氧性能主要衡量指标为氧的总转移系数KLa、增氧量qc和动力效率Es。

图1 太阳能复氧机运行水体循环流态图

氧总转移系数KLa[6]，如公式（1）所示。

式中：KLa复氧机在测试条件下氧总转移系数，min-1；t为曝气时间，min；Cs为水中饱和溶解氧浓度，mg/L；C为与曝气时间t相应的水中溶解氧浓度，mg/L。

将公式（1）积分后可得公式（2）。

式中：Cs为水中饱和溶解氧浓度，mg/L；C为与曝气时间t相应的水中溶解氧浓度，mg/L；t为曝气时间，min； KLa复氧机在测试条件下氧总转移系数，min-1。

利用（2）式作曲线，该曲线的斜率即为氧转移系数。标准状态下，氧转移系数如公式（3）所示。

式中：KLas为标准状态测试条件下复氧机氧总转移系数KLa，min-1；KLa为测试水温条件下复氧机氧总转移系数，min-1；T为测试水温，℃；θ为温度修正系数1.024。

复氧机增氧能力qc计算方法，如公式（4）所示。

式中：qc为标准状态测试条件下的复氧机增氧能力，kg/h；V为测试水体中水的体积，m3；Cs（20）为20℃水中饱和溶解氧浓度为9.17，mg/L；其中0.55=60/1000·9.17。

动力效率，如公式（5）所示。

式中：Es为标准状态测试条件下，曝气设备动力效率，kg/kW·h；Ps为总输入功率，kW。

2 工程应用

2.1 项目概况

小黄河位于某镇老街附近，属于城中村，东面一侧已开发楼盘，水域面积为2133m2，属于小微水体。整治的现场调研情况为，池塘内杂草丛生，淤泥沉积，建筑垃圾乱倒，水质恶臭，污染较严重，周边住户通过管道将污水直排入水体，且雨季还有地表径流污染。整治前取样检测的水质指标如表1所示，属于重度黑臭。为改善周边居民生活环境，消除黑臭，该文首先对排入水体内的生活污水即污染源进行控源截污；其次对小黄河清淤疏浚、新建护坡；最后通过生态工法及太阳能曝气系统强化增氧，加强水体的自净能力，改善现有水质，修复因污染遭到破坏的生态链。

表1 小黄河治理前、后主要水质指标

2.2 测试方法

该文在小黄河池塘内设计了3台倒伞型太阳能曝气机，呈线性布置，间距40m。单台设备参数：电压24V，电机功率500W，增氧能力0.5kg/h。在设备安装、水生态种植完成后1个月，在日照时长大于8h、光照充足且水温为20℃～25℃的情况下，进行了复氧机增氧性能测试。为测试单台设备性能，只开启了中间的一台复氧机，其他2台停止运行。主要检测指标包括工作时间、水温、溶解氧及常规水质指标。溶解氧测量点分别布置在水平距离复氧机0m、5m、10m和15m处的水下0.1m、1.0m处。

图2 太阳能复氧机电路原理图

2.3 应用效果分析

2.3.1 太阳能复氧机增氧性能分析

太阳能复氧机运行后水体中溶解氧的变化见表2。表2的数据显示，水体中溶解氧含量较低，基本处于缺氧状态，太阳能复氧机启动运行2小时后，随着运行时间的增加，水体中溶解氧含量上升较快，在运行6小时后达到峰值，后续开始下降。这是因为受到日照强度的影响，太阳能发电效率降低，所以增氧量下降。下游水体中溶解氧增氧幅度比上游高28.1%，这可能是由于在天然水体中试验，水体有较缓慢的流速，因此上游溶解氧增加幅度低于下游。而当下游影响半径达到15m以上时，溶解氧变化幅度较小，基本可以判断在复氧机运行半径15m范围内，水体中溶解氧的情况均有效改善，相当于复氧机服务面积达到700m2，该工程小黄河设计3套太阳能复用机，满足水体增氧功能。

表2 太阳能复氧机运行后周围水体中溶解氧的变化值

2.3.2 增氧量和动力效率分析

复氧机运行影响半径内增氧量和动力效率分析如图3所示。根据图3可知，复氧机运行影响半径内增氧量和动力效率存在一定的相关性。在太阳能复氧机运行过程中，增氧量在0.6kg/h～0.92kg/h，比较稳定。水下0.1m比水下1m处增氧量要高19.4%。这是由于水面为气、液两相界面，复氧机叶轮在搅拌过程中带动水面波动，增加了气、液循环流动，使大气中传质到水中的氧气量有所增加，因此提高了水面增氧量。在复氧机运行影响半径范围内，位于复氧机中心的水体增氧量和动力效率均为最高，随着复氧机叶轮涡旋推力带动水体上、下循环流动，复氧机周围的高溶氧水体逐渐扩散至周围和水下。在影响半径15m处，水下0.1m和水下1m处的增氧量趋于接近，说明此时复氧机对周围水体增氧的影响能力已达到极限。在影响半径范围内，增氧量最高峰达到0.92kg/h，动力效率达到1.85kg/kW·h，水下0.1m处平均动力效率为1.56kg/kW·h，优于传统叶轮式增氧机的动力效率[7]。

2.3.3 水质改善

项目经过3个月的试运行后，小黄河水生态系统稳定，检测的主要水质指标如表1所示。截污清淤后，仅有居民洗菜、洗衣服产生的少量污染物排入小黄河。通过太阳能复氧机的强化增氧和水体搅动，小黄河水生植物生长良好，DO含量维持在3mg/L以上。该文设计的太阳能复氧机有效修复了水体生态链，改善了水质，使自然净化达到平衡。

图3 复氧机运行影响半径内增氧量和动力效率分析

3 结论

该项目设计的倒伞型将太阳能复氧机，利用太阳能作为清洁动力，在不装蓄电池，且电压（24V）和功率（0.5kW）有限的工况下，根据日照光强自动启、停运行，在小黄河黑臭水体整治项目中得到了成功应用。通过水质检测，复氧机运行有效复氧影响半径约15m，服务面积达到700m2，在小微水体生态修复过程中较好地提高了溶解氧含量，改善了水质，解决了水体中动力设备的供电难题，是值得推广的黑臭水体增氧设备。