揚水曝氣器:發展歷史,結構組成,運行方式,功能,相關數學模型,提水能力數學模型,氧

揚水曝氣器一種具有充氧曝氣與提水功能的新型曝氣設備。主要用於湖泊水庫水源水質的改善，起到控制藻類生長，增加水體溶解氧，抑制底泥污染物釋放的作用。由空氣釋放器、曝氣室、回流室、氣室、上升筒、水密倉、供氣管道和錨固墩組成。

基本介紹

中文名：揚水曝氣器
外文名：Water-lifting aerator
用途：改善湖泊水庫水源水質，控制藻類生長，增加水體溶解氧，抑制底泥污染物釋放

發展歷史,結構組成,運行方式,功能,相關數學模型,提水能力數學模型,氧傳質數學模型,裝置適用條件,水體處於厭氧環境,水深大於10m,結構最佳化,氣室結構最佳化,出流結構最佳化,工程套用實例,揚水曝氣器對水源水庫水質改善及沉積物控制,揚水曝氣技術對周村水庫藻類的控制,

發展歷史

揚水曝氣器的前身為空氣揚水筒，空氣揚水筒為豎直安裝在水庫中的直筒體，供氣管道向其下部的氣室中供氣，氣室間歇性的向直筒體釋放大氣泡，推動直筒中的水流上升，其提水的效率要比穿孔布氣管高，但並不具備充氧的功能。為了改善揚水筒的結構，使其同時具備充氧和提水功能，並對其結構性能進行最佳化，以提高其工作效率和工作穩定性。西安建築科技大學的開發了揚水曝氣器。

結構組成

揚水曝氣器由空氣釋放器、曝氣室、回流室、氣室、上升筒、水密倉、供氣管道和錨固墩組成。

揚水曝氣器的上升筒為一段直管道，進口為喇叭形，出口為蘑菇形，能將自下向上流動的水流導向水平方向，使水流向四周擴散。上升筒為相對獨立的上下兩節，上一節直徑比下一節稍大，且能套在下一節的外面，相互間能相對滑動，當滑動到平衡位置時由鎖定栓自動定位。曝氣室和氣室為一環形空間，是在上升筒下段的外面外包一段直徑更大的直筒，內外直筒間圍成一個環形空間，下部開口，上部由頂板封閉。該環形空間的下半段為曝氣室，上半段為氣室。氣室的環形空間又被環形水封板和溢流板分隔成三層環形空間，水封板在內，溢流板在外。三層環形空間由外向內依次為貯氣室、水封室和出氣狹縫，三室依次相通。氣室和曝氣室的內壁上均開有孔洞與上升筒相通，曝氣室內壁的孔洞口有擋流板阻擋，防止氣泡直接進入上升簡。空氣釋放管為一圓環形管道，位於曝氣室的下方進口處，該管道向上的一側開設一排2~3mm直徑的小孔。水密倉為中空的浮筒，用於提供浮力，保證揚水曝氣器豎直懸浮於水中。錨固墩為一重物，沉於水庫(湖泊)底，用於錨固揚水曝氣器。

運行方式

壓縮空氣通人空氣釋放管後，從管道上的小孔向水中釋放，氣泡上升經過曝氣室，此過程中，氣泡中的氧氣溶解擴散到水中。氣泡上升時能帶動水流向上流動，該部分充氧水流經過曝氣室上端內壁上的孔洞進人上升筒，上升到水面。充氧後的尾氣泡直接上升進人貯氣室，貯氣室收集了來自曝氣室的氣泡，氣量逐步積累，排擠出水體，迫使其中水面不斷下降。當水封室中的水面下降到水封板下沿時，貯氣室中的氣體通過水封室在瞬間繞過水封板下沿，進入出氣狹縫，由出氣狹縫頂部內壁上的孔洞進入上升筒，排氣後的貯氣室空間由曝氣室中的水來填充。進入上升筒的氣體結合成一個大的氣彈，堵塞了上升筒整個橫斷面，並迅速上浮，形成了上升的活塞流，推動上升筒中的水體加速上升，直至氣彈衝出上升筒出口。隨後，上升筒中的水流在慣性作用下降速上升，直至下一個氣彈形成。上升筒不斷從下端吸人水體輸送到表層，被提升的底層水與表層水混合後向四周擴散，形成了上下水層間的循環混合。

功能

（1）水體循環混合功能，抑制藻類生長。混合上下水層，將表層藻類向下層遷移，使藻類到達下部無光區後，生長受到抑制而死亡。

（2）充氧功能，抑制底泥污染物釋放。揚水曝氣器通過直接給下層水體充氧。或通過混合循環作用破壞水體分層，促進表層高溶解氧向下層傳播，增加下層水體溶解氧，改善下層水體的厭氧狀態，抑制底泥中氮、磷、有機物、鐵、錳等污染物釋放。

裝置適用條件

水體處於厭氧環境

磷的釋放主要是底泥中以磷酸鐵（FePO4）沉澱形式存在的磷釋放。在厭氧條件下，三價鐵被還原成二價鐵溶解到水中，同時釋放出磷，另外還伴隨有氫氧化鐵絡合磷的釋放。錳地釋放也是因高價錳被還原成低價錳而發生的，在DO

水深大於10m

由於沿深度方向光強減弱單位濃度的葉綠素，a產生的淨生產量隨水深加大而減小。要減小柱狀水體的淨生產量，一方面是要改變葉綠素a上多下少的分布，這種改變的極限是上下水層藻類分布均勻。

研究發現，在使用揚水曝氣時，由於沿深度方向光強減弱，單位濃度的藻類葉綠素a 產生的淨生產量隨水深加大而減小。結果如圖所示。補償點以上的淨生長量為正值，該段曲線與豎軸圍成的面積為正的累計淨生產量；補償點以下的淨生長量為負值，該段曲線與豎軸圍成的面積為負的累計淨生產量。兩塊面積之和表示：當上下水層葉綠素a分布均勻，且為單位濃度時，柱狀水體的淨生產量。

將圖所示曲線向下延伸，可推求出在該條件下，要使柱狀水體淨生產量為零，需要的水深約為12m。考慮到陰雨天等其他不利於藻類生長的因素，這一水深還可適當降低。

結構最佳化

氣室結構最佳化

研究發現，揚水曝氣器的正常運行是有條件的，即各部分結構尺寸是否合理會影響到設備的正常運行和工作性能，而氣室是提水功能能否實現的關鍵。氣室結構最佳化示意圖見圖6-1。

氣室中儲氣量分為兩部分，一部分為有效體積，一部分為無效體積，形成氣彈的氣體體積等於有效體積，無效體積內的氣體只能以小氣泡的形式尾隨在氣彈後面，對推動水流上升的貢獻不大。因為當氣體向上升筒釋放，氣室中水位上升到達溢流板頂端時，水體會溢過溢流板頂而下跌，將剩餘的無效氣體打碎成小氣泡，並開始封堵水封板下沿，使出氣不暢。雖然被打碎的無效體積氣體夾雜在水流中排出氣室，但卻不能趕上有效體積氣體並與之匯合，只能以小氣泡的形式隨水流上升。因此，設計中應儘可能減小無效體積，提高氣體利用率。

出流結構最佳化

研究發現，在揚水曝氣器運行過程中，周期性氣彈攜帶水流上升會對設備頂部浮體產生較大的衝擊力，長時間運行易使設備頂部、中下部連線部件及底部錨固系統出現疲勞損壞，需要對揚水曝氣器頂部出流結構進行最佳化，以降低上升水流對曝氣器的衝擊力，使設備長期、穩定、可靠運行。

研究對象為浮筒式揚水曝氣器上升筒及其外圍水體，將其簡化為二維軸對稱模型。最佳化出流結構如圖所示。

主要結論如下：

（1）揚水曝氣器所受衝擊力主要受入流速度和出流結構影響，最大衝擊力與速度峰值呈非線性的正比關係，確定上升筒側壁開孔和頂部設導流板的出流結構為最佳化出流結構，有利於設備長期可靠的運行。

（2）在水溫分層條件下，揚水曝氣器外圍流場以入口順時針環流和其他區域逆時針環流為特徵，採用最佳化結構，入口環流半徑增大，強度減弱，此效應隨水深增加而增大。

（3）揚水曝氣產生的循環水流使表層藻類遷移至不利於其生長的底部水體，抑制藻類生長；採用最佳化出流結構，在水深55m和80m條件下，利於抑制藻類生長。

工程套用實例

揚水曝氣器對水源水庫水質改善及沉積物控制

通過對分層型深水水庫（金盆水庫）水體和沉積物的耗氧速率及沉積物原位釋放狀況，以及揚水曝氣系統運行對水體和沉積物的原位改善效果的研究，學者分析出以下結果：

揚水曝氣系統運行時期，對作用區域水質和沉積物原位改善結果表明，水體中Fe、TOC、TN和TP濃度削減率分別達到78.6%、22.9%、47.8%和66.7%，其在沉積物中的濃度削減率分別為8.7%、17.4%、18.0%和 17.4%。這表明揚水曝氣系統運行過程中，水體和表層沉積物的微生物活性都得到了增強。

揚水曝氣技術對周村水庫藻類的控制

為進一步研究揚水曝氣技術對湖庫藻類的控制效果及其機理，有學者在對北方溫帶季節性分層水庫-周村水庫垂向水體的理化指標及藻類參數進行常年監測的基礎上，於2015年8月—9月揚水曝氣運行前後對垂向水體理化指標及浮游植物生物量、群落結構及豐度進行了連續監測和對比分析。

結果表明，揚水曝氣破壞了水體分層，藻類生物量銳減，多樣性水平提高，藻類密度垂向差異消失，優勢種群由威脅性較大的藍藻、綠藻變為威脅性較小的硅藻，水體生態狀況良好。揚水曝氣系統對氮營養鹽含量、熱分層結構和光照條件的影響是促進了藻類群落結構改變的主要原因。

揚水曝氣器