紊动促进过饱和总溶解气体释放研究

姚元波，杨慧霞，王云云，刘彩红，梁珈珈

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 概述

在自然环镜中，高坝泄流[1- 3]、植物光合作用产氧过剩[4]和水体温度剧增[5- 6]等方式均可能使水中总溶解气体(Total Dissolved Gas，简称“TDG”)过饱和，这可能直接导致鱼类和水中生物患有“气泡病”(Gas Bubble Disease，简称“GBD”)甚至死亡[7- 11]。过饱和TDG的释放属于气泡界面传质和水气自由界面传质的过程，其释放速率主要受到紊动强度、温度、气泡尺寸及其浓度等方式的影响[12- 15]。这些问题引起众多的学者关注，提出了一些减缓措施。冯镜洁等[16- 18]将阻水介质(沙子)放入过饱和水体中，实验结果表明阻水介质促进过饱和TDG释放具有明显的效果，以及获得了过饱和TDG释放系数与含沙量的关系。黄雅楠等[19]将吸附性物质(活性炭)加入过饱和水体中，其对过饱和TDG的释放促进显著，且表面积大的物质效果更加明显。为了降低过饱和TDG的生成，这些学者以实际坝体为例，以在溢洪道设置导流板、优化泄水的方式和调节梯级水库等方式[20- 23]，以及用虹吸管装置和填料柱来降低养殖池中的过饱和TDG浓度[24- 25]。

曝气方式对溶解氧(DO)和过饱和TDG的释放具有明显效果。黄膺翰等[26]和欧洋铭等[27]用针孔曝气方式分别对溶解氧(DO)和过饱和TDG进行实验，获得2种气体的释放系数(释放速率)与曝气条件的关系。程香菊等[28]采用微孔曝气的方式进行曝气增氧，发现了氧传质与微孔条件的关系，以及对三峡工程流域进行过饱和气体分析，总结出过饱和原因和因素[29- 31]。李尔等[32- 33]对微孔曝气最优气泡群的理论进行总结，获得了氧传质速率与气泡尺寸和曝气性能的规律性变化。Politano M.等对实际坝体流域(Wanapum Dam)进行各向异性两相流模型分析，获得了该模型可预测出水的含量、气体体积分数、气泡尺寸和TDG浓度[34]，模拟值与实际测量值相吻合。同时，气液传质受到2个(坝体结构设施和河流域)主要因素的影响，对实际的坝体流域进行数值模拟[35- 36]，总结出了可在溢洪道处设置导流板来降低过饱和TDG浓度[37- 38]。

紊动因素会加速水中过饱和TDG和复氧的释放。李然等[12- 13]在紊动诱发实验中，提出了紊动水体复氧模型和得到了紊动水体表面传质系数与水流速和紊动动能的关系式。蒋亮等[39- 40]总结出过饱和浓度概念、影响因素，通过少量的搅拌实验获得了释放时间与转动次数的关系图。冯镜洁等[41- 42]发现在搅拌实验的条件下，具有一定紊动强度含沙量的过饱和TDG的释放速率比清水的要快，得出含沙量和紊动强度对过饱和TDG的释放具有促进作用。

综上所述，缓解过饱和TDG的方法有降低其浓度的生成和加快其释放速率，但缺乏单独紊动因素与过饱和TDG释放系数的关系。本文在紊动条件下，探索过饱和TDG释放系数(释放速率)与紊动因素的关系表达式。

2 实验设备及步骤

实验设备：如图1所示，过饱和TDG生成装置参考了李然等[43]进行改装设计。

图1 实验草图及装置

实验装置：搅拌器组合300～1200r/min；测量仪器TGP0～600%；水箱尺寸D=400mm,H=1500mm；空压机最大排量90L/min；水温20.1℃～20.3℃。

实验步骤:实验过程中，水泵抽水，空气压缩机输入气体，一起进入高压釜，形成过饱和水，将其放入圆柱形水箱中。当水深达到预定深度时，调动搅拌器的转速，TGP开始连续测量水中的过饱和TDG浓度，当浓度达到100%左右时停止记录。紊动实验条件见表1，共有12组实验。

表1 紊动实验条件

3 实验结果分析及线性拟合

3.1 实验结果分析

过饱和水体有0.4m(A)、0.5m(B)和0.6m(D)的水深和在转速为300、600、900、1200r/min条件下的实验工况，a、b和c是搅拌4min内TDG浓度变化，如图2所示。过饱和TDG初始浓度约为140%，该浓度G0>100%，属于过饱和状态，经过一定的转速，最终达到平衡状态[44]。其中，在相同的水深中，随着转速和温度的增大，过饱和TDG释放所需要的时间逐渐减少；以及在相同的转速下，随着水深的增大，其释放所需要的时间反而增大。但释放时间在4min内时，a、b和c的过饱和TDG浓度出现了先增加后减少的现象，以及随着水深和转速的增大，过饱和TDG浓度的峰值不断地在增大，再逐渐地减少。原因分析认为:①强烈的紊动会使圆形水箱中的过饱和TDG混合均匀，导致其在短时间内有所增高，达到一定的峰值[45]；②过饱和TDG的释放属于水-气泡界面传质过程，随着水深的增大会由水中气泡引起水体产生的单位湍流强度减弱，以及圆形水箱中的气泡群密度不断地增多，致使系统内的气液传质面积增量减弱，从而减弱了过饱和TDG在水-气泡界面上的传质作用[46- 48]；③随着转速的增大不仅能增强水体的湍流强度，而且致使搅拌叶片切割气泡的速率加快，从而加强了过饱和TDG在水-气泡界面的传质作用，有利于过饱和TDG释放[49- 50]；④温度的增长利于溶解性气体的挥发，促进气态膜的传质过程和提高膜的脱气性能[15,51]。

图2 实验工况

3.2 过饱和TDG释放系数线性拟合

为进一步分析紊动对过饱和TDG释放的作用效果，引入一阶动力学方程，过饱和TDG饱和度随时间的变化关系为[52]式(1)，其拟合如图3所示，其结果见表2。

(1)

式中，G—TDG饱和度，%；Geq—TDG的平衡饱和度(通常为100%)；KTDG—释放系数(释放速率)，h-1;t—释放时间，h。

表2所示，过饱和TDG释放系数KTDG随着转速和的增大而增大，但其随着水深的增加反而减少。KTDG的误差值范围3.48×10-5～0.02184，其相关系数均在0.988。因此，过饱和TDG释放系数线性拟合出来的数值具有实际意义。同时，当转速从300r·min-1增至1200r·min-1时，KTDG的平均增量为49.60；当水深从4m增至6m时，KTDG的平均减少量为1.1684；当温度从22.9℃增至28.6℃时，KTDG的平均增量为5.5122。因此表明，转速和温度对过饱和TDG释放具有促进作用，水深对其起到抑制作用，以及对过饱和TDG释放系数的影响大小为KTDG，n>KTDG，T>KTDG，H。

图3 实验工况线性拟合

表2 过饱和TDG释放系数线性拟合

4 过饱和TDG释放系数综合影响分析

4.1 KTDG，n与转速的关系

根据曝气对复氧传质影响的相关研究结果，复氧传质系数与曝气之间的关系不呈线性增加[28]。由此将表2中水深和释放系数的值带入ORIGIN作图(如图4所示)，以及SPSS软件中的多元非线性回归分析，获得两者的关系表达式。

图4 KTDG，n与转速的关系

(2)

式中，KTDG，n—过饱和TDG释放系数，h-1；n—转速，r/min。

4.2 KTDG，n与温度的关系

将表2中的温度和释放系数的值带入ORIGIN作图(如图5所示)，以及SPSS软件中的多元非线性回归分析，获得两者的关系表达式。

图5 KTDG，n与温度关系

KTDG，T=1.281(T/28.6)(11.384)

(3)

式中，KTDG，T—过饱和TDG释放系数，h-1；T—温度，℃。

4.3 KTDG，H与水深的关系

将表2中的水深和释放系数的值带入ORIGIN作图(如图6所示)，以及SPSS软件中的多元非线性回归分析，获得两者的关系表达式。

图6 与水深的关系

(4)

式中，KTDG，H—过饱和TDG释放系数，h-1；H—水深，m。

4.4 KTDG，H与转速、温度和水深的关系

在紊动实验过程中，过饱和TDG释放系数主要受到转速、温度和水深的影响，借鉴前者的释放系数综合影响分析[26- 27]，故其关系表达式为：

(5)

式中，KTDG—过饱和TDG释放系数，h-1；n—转速，r/min；T—温度，℃；H—水深，m；n0、T0、H0—初始值；α，β1，β2，β3—参数值。

将表2中的值带入SPSS软件中的多元非线性回归分析，获得初始值n0=1200r·min-1，T0=28.6℃，H0=0.4m和参数α=1.720，β1=2.053，β2=-1.105，β3=2.712。

则式(5)进一步地表示为：

(6)

4.5 过饱和TDG释放系数实验值和计算值的误差

借鉴前者[53]使用均方根方差(7)和绝对平均误差(8)进行误差分析。

(7)

(8)

则式(2)、(3)、(4)和(5)的实验值和计算值表示如图7所示。从图中可知，其误差范围平均在10%以内。由此表明过饱和TDG释放系数与转速、温度和水深的定量关系是能反映紊动对过饱和TDG释放作用效应，在实际环境应用工程中具有较强的适用性。

图7 误差

5 未饱和TDG转为饱和TDG

将0.4、0.5、0.6m的未饱和水分别在转速为300、600、900、1200r/min下进行实验，如图8所示。

图8 未饱和TDG转饱和TDG

图8显示在不同水深和转速下，当时间在4min内时，未饱和TDG逐渐上升至饱和状态，停止转动后，浓度值逐渐下降，从而看出此过程未受到转速、温度和水深的较大影响。原因为：在紊动条件下，圆形水箱中过饱和水体产生紊动使水体表面出现一定大小的漩涡，引起水面变形，产生许多的气泡群，以及搅拌叶片将直径较大的气泡切碎成小气泡。同时，在旋转过程中，搅拌叶片将空中的气体卷入水体中[29,54]。由此，在紊动的实验中，存在空中的气体被卷吸入到水体中，但所引起的作用效果较弱。

6 结论

通过在不同紊动的条件下开展实验，结果表明紊动能促进过饱和TDG的释放，以及随着转速和温度的增大，过饱和TDG释放所需时间反而减小，但随着水深的增大，其释放所需时间也随着增大，并获得了过饱和TDG释放系数(释放速率)分别与转速、温度和水深的关系表达式，其误差均在10%以内，对实际环境应用工程中具有较强的适用性。同时，在紊动的实验过程中，伴有空气中的气体被卷入水体中，致使未饱和TDG转为饱和TDG。

该研究为探索减缓过饱和TDG不利影响提供科学依据和指导借鉴，验证了紊动是减缓过饱和TDG的方法。但搅拌叶片的面积大小、粗糙程度和转动模式等条件对过饱和TDG影响有待进一步研究。