揚水曝氣器提水能力模型研究

揚水曝氣器提水能力模型研究

1同溫層曝氣器湖泊水庫的流動性很低，容易形成從上到下的分層現(xiàn)象。下層水體由于底泥的耗氧使溶解氧減少,處于厭氧狀態(tài),使水生生態(tài)環(huán)境惡化;厭氧條件會引起底泥有機質(zhì)、氮、磷、鐵、錳的溶解釋放,造成水體內(nèi)源污染,水體色度、嗅味加大,pH值下降,藻類繁殖,水質(zhì)惡化。另外,湖泊水庫水體流動性小的特點也有利于藻類的生長,使得藻類能夠停留在水體表層,接受陽光,進行光合作用。國內(nèi)目前尚沒有在水源地原位利用壓縮空氣增加深水水庫溶解氧、抑制底泥污染物釋放、破壞水體分層、控制藻類生長的研究和應(yīng)用。國外從上世紀(jì)60年代就開始這方面的研究和應(yīng)用,主要有3種技術(shù):同溫層曝氣、空氣管混合以及揚水筒混合。同溫層曝氣是只向下層水體充氧,而不破壞水體分層的充氧技術(shù),John研究了同溫層氣泡動力學(xué),建立了同溫層曝氣器充氧能力模型和擴散模型,已形成了較為成熟的設(shè)計應(yīng)用技術(shù)。美國的Prince湖和WesternBranch湖,柏林Tagel湖均采用同溫層曝氣器增加下層水體溶解氧,取得了良好的效果。同溫層曝氣對水體的循環(huán)范圍小,不利于溶解氧向四周擴散。它只能解決底泥污染物釋放問題,不能直接控制藻類生長?？諝夤芑旌鲜窃谒姿椒笤O(shè)開孔的氣管,壓縮空氣從孔眼釋放到水中,氣泡上升時將上下層水體混合,使表層藻類遷移到下層,因得不到光照而死亡。目前對氣泡混合的研究也比較充分。荷蘭NieuweMeer湖用空氣管混合上下水層,抑制了藍(lán)藻的繁殖;英國Hanningfield水庫用空氣管混合使浮游微生物下降了66%?？諝夤芑旌系膹姸容^小,影響范圍小。揚水筒為一垂直安裝于水中的直筒,它利用壓縮空氣間歇性地向直筒中釋放大氣彈,推動下層水體向上流動,使上下層水體循環(huán)混合,達(dá)到破壞水體分層、控制藻類生長的目的。韓國的Daechung湖采用揚水筒混合水體,控制湖泊浮游植物的生長。揚水筒混合的脈動性強,破壞水體分層時影響范圍大,有時影響范圍達(dá)幾公里。但揚水筒本身不具備直接充氧功能。由于揚水筒內(nèi)是非均相泡狀流動,且為非恒定流動,其流動過程較復(fù)雜,因而這方面的理論研究較少。揚水曝氣器是在揚水筒基礎(chǔ)上開發(fā)的水源水質(zhì)改善設(shè)備,對揚水筒結(jié)構(gòu)進行了改進,增加了直接充氧功能;對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,提高了效率。揚水曝氣器具有混合上下水層、給下層水體充氧、抑制底泥污染物釋放、迫使藻類向下層無光區(qū)遷移,使其生長受到抑制甚至死亡的作用。揚水曝氣器如圖1所示,由曝氣室、回流室、氣室、上升筒、空氣釋放器、水密倉、供氣管道和錨固裝置組成。揚水曝氣器以壓縮空氣為動力,壓縮空氣連續(xù)地通入空氣釋放器,以小氣泡的形式向曝氣室釋放,從而向水體充氧。充氧水流從回流室返回到下層水體,充氧后的尾氣收集在氣室中。當(dāng)氣體充滿氣室后,瞬間向上升筒釋放,并形成大的氣彈。氣彈迅速上浮,形成了上升的活塞流,推動上升筒中的水體加速上升,直至氣彈沖出上升筒出口。隨后,上升筒中的水流在慣性作用下繼續(xù)上升,直至下一個氣彈形成。上升筒不斷從下端吸入水體輸送到表層,被提升的底層水與表層水混合后向四周擴散,形成了上下水層間的循環(huán)混合。2楊水閃燃技術(shù)的應(yīng)用2.1揚水曝氣水質(zhì)改善應(yīng)用揚水曝氣器首次應(yīng)用于天津自來水公司水源地,用于抑制藻類的生長繁殖。天津某水廠原水預(yù)沉池,平面尺寸為200m×200m,水深8～9m,容積30萬m3,水力停留時間24h。預(yù)沉池原水來源于天津于橋水庫,由于于橋水庫已處于富營養(yǎng)化狀態(tài),藻類大量繁殖,4～6月份以綠藻、硅藻為主,7～9月份以藍(lán)藻、綠藻為主,進水葉綠素a含量9～49μg/L,藻類計數(shù)800～4000萬個/L。富營養(yǎng)化給水廠水處理工藝增加了負(fù)擔(dān),影響了出水水質(zhì)。為了抑制藻類生長,改善原水水質(zhì),天津自來水公司以國家“863”計劃項目——北方地區(qū)安全飲用水保障技術(shù)為依托,進行了揚水曝氣水質(zhì)改善應(yīng)用研究。2004年5月,在預(yù)沉池中安裝了2臺揚水曝氣器,直徑400mm,高度6.3m,用空壓機向揚水曝氣器供氣,供氣量3m3/min。為了考察揚水曝氣器的運行效果,采用間斷運行的方式,即運行10d,再停止運行10d。每天測定預(yù)沉池進出水口藻類葉綠素含量,并測定預(yù)沉池中藻類的平面和豎向分布。自5月中旬至9月底,連續(xù)測定了4個月,其中揚水曝氣器運行54d,停止運行69d。部分測定結(jié)果如圖2所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示,在停止運行期間,藻類在預(yù)沉池中出現(xiàn)了生長,出口葉綠素a含量平均比進口增加了9.32%;在揚水曝氣器開啟運行的55d中,藻類生長基本被抑制,并出現(xiàn)了一定程度的負(fù)增長,負(fù)增長量為-4.64%。則揚水混合使葉綠素a凈減少13.96%。2.2水體氨氮含量變化山西萬家寨引黃工程,自黃河萬家寨水庫取水,經(jīng)管渠輸送至汾河上游河道,沿天然河道流入汾河水庫,再通過管道送入太原呼延水廠。工程自2003年10月向太原供水,2005年3月中旬,當(dāng)水庫化冰后,氨氮突然升高,達(dá)到1.1mg/L。在此期間,流域范圍內(nèi)未降雨,引黃工程也未向汾河水庫補水。經(jīng)專家論證分析,氨氮可能來源于底泥內(nèi)源污染。冬季水庫結(jié)冰后,水體出現(xiàn)分層現(xiàn)象,下層水溫接近4℃,密度最大,下沉到底層,表層水溫<4℃,密度輕,浮于表面。在底層,由于底泥耗氧,使得溶解氧降低,最終出現(xiàn)厭氧狀態(tài)。在厭氧條件下,底泥中的含氮有機物在氨化細(xì)菌作用下,分解為NH3-N?；?在風(fēng)浪作用下使水體混合,將下層高NH3-N水體與整個水庫水體混合,使水庫NH3-N含量升高。為了破壞水體分層,增加下層水體溶解氧,抑制底泥氨氮釋放,于2005年12月在汾河水庫安裝了11臺揚水曝氣器,間距400m。揚水曝氣器直徑800mm,長度12m。汾河水庫2005年12月5日封凍,2006年1月17日揚水曝氣器開始試運行,實際運行氣量5～40m3/min。運行后,下層溶解氧從1～2mg/L逐步回升到2mg/L以上,部分溶解氧測定結(jié)果如圖3所示。下層水體氨氮也從0.2mg/L減小到0.05mg/L,如圖4所示。2006年3月中旬化冰后,出水中氨氮濃度維持在0.1mg/L以下。與2005年同期相比,氨氮減少了90%。3楊水處理廠的防水性能3.1上升筒式氣彈的形成過程隨著一個個氣彈的形成上升,上升筒中的流動速度表現(xiàn)為周期性變化。在一個氣彈周期中,流動過程分為2個階段,第1階段為加速階段,即氣彈形成,推動水流加速上升,直至氣彈沖出上升筒出口;第2階段為降速階段,即上升筒中的水流在慣性作用下減速上升,直至下一個氣彈形成。這2個階段的流體受力及流動規(guī)律不同,現(xiàn)分別對2階段流體進行流動分析,建立描述流體運動的數(shù)學(xué)模型。3.1.1觀察指標(biāo)的計算方法該階段上升筒中的流動為氣液兩相彈狀流動,彈狀氣泡占據(jù)了絕大部分過流斷面(其直徑約為上升筒直徑的0.75倍),在氣彈和管壁間留有很小的縫隙,氣彈和水流間存在著相對滑動。為了研究水流的上升過程,將上升筒進出口間所有的水體和氣彈作為一個隔離體來分析,如圖5所示。該階段,隔離體受到浮力和管壁摩擦阻力的共同作用。分別計算浮力和摩擦力,利用牛頓第二定律,可以得到上升流體的動力學(xué)方程,如下式:F=F浮-F阻=ma=mdυdt=mdυdydydt=mυdυdy(1)=ma=mdυdt=mdυdydydt=mυdυdy(1)式中:F浮——氣彈對隔離體的浮力(N);F阻——管壁對水流的摩擦阻力(N);a——隔離體加速度(m/s2);υ——隔離體上升速度(m/s);y——氣彈距氣室頂面的高度(m);t——時間(s);m——隔離體質(zhì)量(kg)。F浮為氣彈排開的水體重量,等于氣彈體積乘以水的比重。由于氣彈上升時體積不斷變化,因此浮力也是不斷變化的,如下式:F浮=(10.33+H0)0.713(10.33+H1?y)0.713V0ρLg(2)=(10.33+Η0)0.713(10.33+Η1-y)0.713V0ρLg(2)F阻為管壁摩擦阻力,等于與上升筒水頭損失高度相當(dāng)?shù)乃w重量,水頭損失包括局部損失和沿程損失,可先計算水頭損失,再計算F阻。由于水頭損失與流速密切相關(guān),而上升流速是不斷變化的,因此F阻也是不斷變化的,如下式:F阻=h損ρLgA=ζAρL2υ2L(3)ρLgA=ζAρL2υL2(3)隔離體質(zhì)量m包含了上升筒中氣和水的質(zhì)量,由于氣彈體積不斷增大,相應(yīng)水體體積減小,隔離體質(zhì)量也在不斷減小,如下式:m=(V?VG)ρL+10.33+H010.33V0ρG(4)m=(V-VG)ρL+10.33+Η010.33V0ρG(4)分別計算F浮、F阻和m并代入式(1)得:dυdy=B1V0ρLg?0.5ζAρLυ2L[(V?B1V0)ρL+B2V0ρG]υ(5)dυdy=B1V0ρLg-0.5ζAρLυL2[(V-B1V0)ρL+B2V0ρG]υ(5)式中:B1=(10.33+H0)0.713/(10.33+H1-y)0.713,B2=1+0.097H0;ρL——水的密度(kg/m3);ρG——空氣密度(kg/m3);g——重力加速度(m/s2);V——隔離體總體積(m3);V0——氣室中有效氣體體積(m3);VG——上升過程中氣彈體積(m3);H0——氣室底面距水面的高度(m);H1——氣室頂面距水面的高度(m);A——上升筒斷面積(m2);ζ——上升筒總阻力系數(shù);υL——水流上升速度(m/s)。在隔離體內(nèi),由于氣彈與水體之間存在滑動,即氣彈的速度υG大于隔離體速度υ;反之,水體速度υL小于隔離體速度υ。三者滿足下式關(guān)系:VGυG+(V-VG)υL=Vυ(6)按照氣液兩相流理論,氣彈速度為:υG=1.2υ+υ∞(7)υ∞為氣彈在靜止液體中的上升速度:υ∞=0.345gd??√υ∞=0.345gdd為上升筒直徑,將式(6)、(7)代入式(5),并采用數(shù)值微分法解得υ、υG、υL與y及t的關(guān)系。3.1.2降速階段隔離體運動方程降速階段隔離體僅受到摩擦阻力作用,且隔離體質(zhì)量恒定,水流速度與隔離體速度相等。將(3)式代入(1)式,得到降速階段隔離體運動方程:dυLdt=?ζ2Lυ2L(8)dυLdt=-ζ2LυL2(8)積分式為:t=?∫υLυmax2Lζυ2LdυL(9)t=-∫υmaxυL2LζυL2dυL(9)式中,υmax為加速階段結(jié)束時的最大水流速度。依據(jù)不同條件下沿程阻力系數(shù)λ與流速υL的關(guān)系,可直接積分(9)式,求得υL與時間t的關(guān)系。3.2小試揚水曝氣器上升筒流速的數(shù)值計算為了驗證式(5)和(8),作者在小試模型上測試了上升筒流速的變化過程。小試上升筒直徑100mm,高度4.7m。測試儀器為超聲波流量計,探頭安裝在上升筒外壁上,不影響管內(nèi)水流流動。流量計每0.25s采集一個流速數(shù)據(jù),并自動記錄到計算機中。將小試中的揚水曝氣器結(jié)構(gòu)尺寸及運行參數(shù)代入(5)式和(8)式,采用數(shù)值微分法求得小試揚水曝氣器上升筒流速的模型計算值。實測值和計算值的對比如圖6所示。從圖中可以看出,上升筒流速計算值和實測值吻合較好,說明提水能力數(shù)學(xué)模型(5)和(8)式是可行的。4水面自然復(fù)氧揚水曝氣器通過2個途徑向水體充氧,一個途徑是將下部缺氧水體提升到水面,進行水面自然復(fù)氧;另一個途徑是曝氣室充氧,壓縮空氣以小氣泡形式通過曝氣室,將氧氣溶解到水中。前者為間接充氧,后者為直接充氧。由于曝氣室壓力大,氣水接觸面積大,因而傳質(zhì)效率高。因此,本項充氧能力研究主要針對后者。4.1氧氣數(shù)學(xué)模型4.1.1進口水體溶解氧濃度計算曝氣室的流動為氣液兩相泡狀流動,氣泡在上升過程中將氧氣傳遞到水中。按照雙膜理論,在氣泡表面存在一層水膜,該水膜首先得到氣泡的氧氣,并處于飽和溶解氧狀態(tài),其氧濃度為C*,而主體水流中的溶解氧濃度只有C,水膜與主體水流間發(fā)生著氧的傳遞。隨著水流的上升流動,主體水流溶解氧逐步提高,如圖7所示。按照傳質(zhì)理論,曝氣室某一高度位置上的氧傳質(zhì)速度為:dCdt=KLa(C??C)dCdt=ΚLa(C*-C)經(jīng)變換得:dCdz/UL=KLa(C??C)dCdz/UL=ΚLa(C*-C)dCdz=KLaUL(C??C)(10)dCdz=ΚLaUL(C*-C)(10)式中:C——水中溶解氧濃度(mg/L);C*——氣泡液膜中飽和溶解氧濃度(mg/L);z——計算位置距曝氣室底面的距離(m);KLa——總傳質(zhì)系數(shù)(s-1);UL——曝氣室水體上升流速(m/s)。按照亨利定律,液膜中飽和溶解氧濃度為:C?=HAYAP=HAYA(1+H3?z10.33)(11)C*=ΗAYAΡ=ΗAYA(1+Η3-z10.33)(11)式中:HA——亨利常數(shù)(mg/(L·atm));YA——氣泡中氧的摩爾分?jǐn)?shù);P——氣泡總壓(atm);H3——曝氣室底面到水面的距離(m)。假設(shè)曝氣室水流為推流流動,將(11)式代入(10)式,積分得:C=(Cin-A1)exp(-k1z)-k3z+A1(12)式中,A1=k2+k3/k1,k1=KLa/UL,k2=HAYA/(1+H3/10.33),k3=HAYA/10.33,Cin為曝氣室進口水體溶解氧濃度。在(12)式中,未知數(shù)為總傳質(zhì)系數(shù)KLa和曝氣室水流上升速度UL,以下分別介紹兩者的計算方法。4.1.2bo/ga、se、bo總傳質(zhì)系數(shù)KLa與曝氣室氣體流量、氣泡直徑、水流速度、溫度和氧擴散系數(shù)等因素有關(guān)?？刹捎梦墨I(xiàn)介紹的有關(guān)模型計算:Φ(1?Φ)4=0.2(Bo)1/8(Ga)1/12Fr(13)Φ(1-Φ)4=0.2(Bo)1/8(Ga)1/12Fr(13)db=26(Bo)-0.5(Ga)-0.12(Fr)-0.12D(14)a=0.33(Bo)0.5(Ga)0.1Φ1.13D-1(15)KL=0.5(Se)0.5(Bo*)3/8(Ga*)1/4DLd-1b(16)式中,Bo、Ga、Fr、Se、Bo*、Ga*為無量綱數(shù),Bo=(gD2ρL/γ)?Ga=(gD3/ν2L)?Fr=UG/gD???√?Se=(νL/DL)?Bo?=(gd2bρL/γ)?Ga?=(gd3b/ν2L)Bo=(gD2ρL/γ)?Ga=(gD3/νL2)?Fr=UG/gD?Se=(νL/DL)?Bo*=(gdb2ρL/γ)?Ga*=(gdb3/νL2)。其中:Ф——氣泡在氣水混合液中的比例;db——氣泡平均直徑(m);a——單位體積水體中氣液兩相接觸面積(m2/m3);KL——氧傳質(zhì)系數(shù)(m/s);D——曝氣室當(dāng)量直徑,即與曝氣室斷面積相等的圓直徑(m);DL——氧在水中的分子擴散系數(shù)(m2/s);νL——水的運動粘度(m2/s);γ——水表面張力(kg/s2);UG——氣體當(dāng)?shù)氐谋硐罅魉?等于當(dāng)?shù)貤l件下氣體體積流量除以曝氣室斷面積(m/s)。只要知道了曝氣室壓縮空氣流速UG(或流量)、斷面積,就可用(13)～(16)式計算總傳質(zhì)系數(shù)KLa。4.1.3第4段