不同曝气孔布置方式对总溶解气体消散的实验研究

梁珈珈，杨慧霞，王云云，刘彩虹，姚元波

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 概述

近年来，伴随着一系列水利工程的不断开发，给生态环境带来了巨大的挑战，其中，总溶解气体过饱和(Total Dissolved Gas，简称TDG)就是其中不可忽视的重要问题。总溶解气体过饱和是高坝在泄水时，大量的气体随着被泄水流被卷吸在水垫塘中，在高压的情况下溶解于水中，使水中的溶解气体，主要包括溶解氧(DO)、溶解氮(DN)过饱和。我国早在20世纪80年代就已监测到TDG过饱和现象会对鱼类的生存造成很大的威胁，促使鱼类罹患“气泡病”，直至死亡[1- 5]。为了减少水利工程对周边河流鱼类的影响，建设环境友好型工程，如何加快过饱和TDG的释放是缓解这一问题的重要思路。

目前，国内外针对大坝泄水引起的过饱和TDG问题的缓解措施主要分为工程措施和非工程措施。非工程措施中，汪清等[6]提到可以在下游河道内人工养殖藻类可对水体中的氧气加速消耗；Youquan Yuan[7]通过模拟植被对过饱和TDG的壁面吸附效应，提出植被也能促进过饱和TDG的释放模型。

工程措施中，Hargreaves[8]曾报道过利用填料柱来降低养殖池中TDG浓度的方法，刘燚等[9]发现在风的作用下，会引起水气交界面下的水流速梯度增大，使水体产生强烈紊动，加大水气界面的传质速率，从而加快过饱和TDG的释放。冯镜洁等[10]通过实验提出可利用阻水介质加快过饱和TDG的释放，但阻水介质的存在加大了水流在河道内的滞留时间，实际工程应用上有待研究。牛晋兰等[11]利用活性炭在静水和搅拌诱导紊流水中进行试验，得出活性炭能明显提高TDG的消散速率。唐磊等[12]通过对瀑布沟水电站的检测，得出水温对过饱和TDG的溶解性起着重要的作用，因此在解决过饱和TDG释放问题的时候，也可以把温度的影响考虑进去。以上这些措施有些受限于充填材料经济消耗较高，或是受水体及河道两岸的自然环境条件影响较大等因素，在实际工程实施上较为困难。而最早在2001年的报告中，Murphy[13]通过以空气和氧气为介质，发现向水体中曝气能够加快溶解氮的释放，并首次将广泛应用于污水处理中的曝气技术应用于降低过饱和TDG的危害中。黄鹰翰等[14]将曝气技术应用于过饱和溶解氧的恢复中，Yangming Ou[15]深入探究了曝气对过饱和TDG的释放促进作用。在现有的能够加快TDG耗散的措施当中，结合实际情况考虑之后，曝气技术因为其装置简单、经济性强以及对操作人员要求低等优点，作为当前最有可能应用于缓解高坝过饱和TDG问题的技术。但是，在现有的针对过饱和TDG的曝气技术中，大多数采用均匀曝气或集中曝气的方式，鲜少有考虑曝气盘的不同布置方式对过饱和TDG传质影响的研究。因此，本文主要从室内机理实验着手，探讨曝气盘的不同布置方式对总溶解气体的释放规律。

2 实验设计

2.1 实验装置

本实验主体装置分为总溶解气体生成装置和释放装置。生成装置主要由1.3m高，直径为0.6m的碳素高压密封罐体和最大流量为6m3/h、吸程为8m的水泵以及排气量为90L/min的空气压缩机通过钢管连接而成，具体如图1所示。释放装置主要由长、宽、高分别为550mm×400mm×2000mm的透明亚克力水箱和曝气盘组成，曝气盘安装在距离水箱底部100的位置。曝气盘采用与水箱同种材料的亚克力板以及同等长宽的针孔曝气盘，其盘面的针孔孔径分别为0.6、0.9mm。

图1 静置曝气水柱实验装置简图

2.2 实验仪器

本实验的总溶解气体浓度和温度采用丹麦Oxyguard Handy Polaris便携式溶氧测定仪进行自动测量和记录，该仪器采用原电池法测量水体溶解氧含量，每10s仪器记录1次数据，测量结果较为精确。

根据四川大学在2013—2016年期间对溪洛渡水电站下游TDG过饱和进行周期性的连续观测，得出的溶解氧和过饱和TDG的关系式如下：

y=1.1796x-16.078

(1)

式中，x—溶解氧饱和度，%；y—总溶解气体饱和度，%。

2.3 实验方法

实验采用控制变量法，通过控制曝气针孔布置方式、曝气量、针孔直径等因素进行设计。首先利用自来水在生成装置中制备一定条件下的过饱和TDG水体。然后将探头预先放置于曝气盘上部10cm处，且保持每次记录位置不变；打开阀门，将制备的过饱和TDG水注入水箱至60cm处，测定初始的TDG浓度和水温，记录数据，随后开启空压机进行曝气，通过控制流量计的阀门使曝气量达到预设值，继续使用仪器监测水体的TDG浓度变化，因美国环境保护署将110%的TDG饱和度定为限定标准，所以本次实验在TDG浓度达到110%的情况下停止曝气和监测。

2.4 实验工况

每组实验均采用相同工况下制备的过饱和TDG水体，即：压强为0.2MPa、水深为0.6m，以通气量为2m3/h的情况下掺混6min的水体。通过改变曝气孔的不同布置位置、曝气量、曝气孔径等24组工况研究不同的曝气布置方式对TDG释放过程的影响，具体实验变量参数见表1。

表1 实验设计参数

为了控制其他变量一致，本次曝气盘采用10个针孔的布置，其中，回形和角落集中曝气方式中曝气孔与较近边壁的距离为50mm，水温约为10.6℃，曝气盘的具体布置方式如图2所示。

图2 曝气盘布置方式

3 实验结果

3.1 曝气孔径对TDG释放的影响分析

在实验时观察到不管哪种布置方式，气泡在水箱中无明显摆动，呈现直线上升的态势。根据表2可知，相同的过饱和TDG浓度水体，在相同曝气量、曝气水深、曝气方式的情况下，使其TDG浓度降到110%，0.6mm孔径的曝气盘中只需要15～29min，而0.9mm孔径的需要18～32min，通过对比可以看出，随着曝气孔径的增大，过饱和TDG释放效果越差。这是因为曝气针孔孔径越小，气体进入水箱后由于压力的不平衡而形成的气泡直径也就越小，更小的气泡增大了水体中气泡的比表面积，更有利于过饱和TDG的传质过程。

3.2 曝气量对实验结果的影响

根据图3—4所示的TDG饱和度与时间的关系图可看出，在曝气深度、曝气孔径相同的情况下，随着曝气量的增大，无论曝气针孔是何种布置方式，TDG释放速率都在逐渐增大，这是因为曝气量的增大，会使气泡造成的水体紊动会更加剧烈，气泡的表面破裂更频繁，加快了液面更新。并且从图3—4中看出，在低曝气量的情况下，过饱和TDG的浓度下降到125%左右，释放速率会有明显的变化；在120%之前，TDG饱和度随着时间呈现明显的直线衰减趋势；在120%之后，TDG的释放速率有了明显的变缓，并逐渐趋于平稳的走向。这是由于曝气刚开始的时候气体和水体间的梯度较大，会加快传质速率，当梯度降低之后，传质速率也相应的减小，而低曝气量下，过饱和TDG的释放速率要略低一点。而在较大曝气量的情况下，TDG下降曲线呈现近乎直线型。

3.3 曝气盘的布置方式对实验的影响

如图3—4所示，通过对比分析0.6mm和0.9mm孔径的曝气盘在60cm水深的情况下，不同针孔布置方式对TDG释放速率的影响，可知，在实验的3种曝气量下，均出现十字形曝气比其他3种曝气方式过饱和TDG释放速度要快的情况，其中，最显著的是d=0.9mm，Q=1m3/h的情况，十字形曝气方式会比角落集中曝气快1～1.5min。即在曝气量一定的条件下，曝气针孔的布置方式对TDG释放速率存在一定程度的影响，按释放效果依次为十字形曝气、口字型曝气、中心集中曝气和角落集中曝气。

图3 d=0.6mm时的TDG饱和度与时间的关系图

图4 d=0.9mm时的TDG饱和度与时间的关系图

在实验的4种曝气针孔布置方式中，中心集中和角落集中型对TDG的释放影响效果差距甚小，甚至会在曝气量较低的情况下，释放曲线出现2种布置方式对加快TDG饱和度降低的效果一致的情况，即在横坐标以在分钟的刻度的情况下不明显，但总的来说角落集中比中心集中要慢。这是因为角落曝气距边壁距离较近，会引起附壁效应，使曝气盘中的气泡由于该效应而在箱体边壁附近大量聚集。虽然加快这一部分气体在壁面的释放，但是对于整个水箱内部，则会引起气体的分布不均，较远处的水体受到的扰动较小，故角落集中这种布置方式对过饱和TDG的释放不太理想。

表2 实验结果

实验证实了在曝气量、曝气孔径，曝气深度一致的条件下，适当优化曝气针孔的布置方式可以在一定程度上加快TDG过饱和水体的释放，节约成本，具有一定的经济和社会效益。

3.4 全因素分析

实验测量得出各工况下过饱和TDG随时间变化的过程，根据美国陆军工程兵团的研究成果，过饱和总溶解气体的释放过程符合一阶动力学方程，即用公式表示为：

(2)

式中，G(t)—TDG饱和度，%；Geq—TDG平衡饱和度，取100%；t—时间，h；kT—过饱和TDG释放系数，h-1。

计算得出各工况下的释放系数及其拟合曲线的线性平方和见表3。

表3列出24组试验工况下的释放系数及其线性拟合的确定系数R2均大于0.95，说明线性拟合程度较高。从表3可以看出在试验的这些工况中，孔径为0.6mm，曝气量为3m3/h的口字型曝气中，过饱和TDG的释放系数最大；并且在相同水深和曝气量的情况下，对曝气盘布置的优化不能抵消曝气孔径增大对TDG释放的不利影响；另外，无论曝气盘是何种布置形式，曝气量的增加，加大了水体的紊动，加速了气泡从水体表面溢出大气，都能明显的增大TDG的释放系数，而不被其抵消。所以从各个因素对TDG释放的影响来看，曝气量的影响>曝气孔径>曝气盘的布置方式，即曝气量和曝气孔径是影响过饱和TDG释放的主要因素。

本实验所探索的不同布置方式，其实质是不同曝气针孔的不同分散程度，十字型是将针孔尽可能分散的一种布置形式，所以建议在以后的生产生活实践中，当相同曝气量、曝气深度以及曝气孔径的情况下，尽量将针孔均匀分散布置能更好地加快过饱和TDG的释放，更好地提高气体的利用率。

4 实验结果分析

本次实验通过曝气盘不同的布置方式，探究出在同种工况下曝气效果的更好布置方式，最终得出室内静置水柱的曝气实验在不同曝气量、不同曝气孔径下曝气盘的不同布置形式对释放系数的影响。最终得出口字形>十字型>中心曝气>角落集中，即在曝气的时候，为了加大气体的利用率以及尽快加速TDG的释放，可避免采用相对集中的曝气形式，改用布置相对均匀的布置方法。

5 结语

本文通过曝气实验，对比研究不同曝气孔径布置方式、曝气量、曝气孔径对过饱和TDG释放过程及释放系数的影响。结果表明，曝气孔径的不同布置方式能对过饱和TDG的释放速率造成一定的影响，并且这种影响随着曝气孔径布置的均匀程度变化，呈现均匀程度越高，过饱和TDG释放速率越快。

该研究为更好地加快过饱和TDG释放提供了科学依据，今后在珍稀鱼类保护区采用局部曝气的方法降低过饱和TDG浓度时，能更大程度地利用资源，节约成本，更好地建设环境友好型工程。

本实验的误差来源主要有2方面。一方面是忽略了温度的影响。因为实验处于西南地区冬季，白天实验水体温度在8.8～10.9℃之间变化，变化较小，忽略不考虑；另一方面是本次实验受水箱的规模影响。水箱截面面积具有局限性，有待进一步推广至较大的场地，探究出更多的相关规律。