灌溉殺菌用旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置

張愛(ài)習(xí)，趙麗茶，張彥奇，畢云鐸，常向陽(yáng)，滕慧穎

（1.國(guó)家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，石家莊050051；2.河北供水有限責(zé)任公司石家莊管理處，石家莊050000；3.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定總站，石家莊050031；4.石家莊熙海科技開(kāi)發(fā)有限公司，石家莊050051）

國(guó)外，美國(guó)地下水公司最早開(kāi)展了利用臭氧水灌溉消除土壤污染的研究。國(guó)內(nèi)，中山大學(xué)李艷芬就臭氧灌溉進(jìn)行了初步研究[1]，安丘植物保護(hù)站孫洪全開(kāi)展了臭氧水灌溉防治根線蟲(chóng)的研究。國(guó)內(nèi)雖有一些臭氧灌溉的單項(xiàng)研究，但未見(jiàn)有關(guān)臭氧混合泵及臭氧混合泵裝置研究的報(bào)道。有關(guān)臭氧混合設(shè)備和技術(shù)的研究，主要圍繞提高臭氧混合效率展開(kāi)，先后經(jīng)歷了曝氣頭、曝氣塔、水射器和臭氧混合泵四代產(chǎn)品，混合效率從2%、5%～20%、5%～40%，提高到60%～80%(臭氧混合泵)[2-10]，本研究將臭氧混合效率從60%～80% 提高到了85.10%。一代產(chǎn)品曝氣頭混合效率太低(2%左右)，臭氧水濃度太低(0.1 mg/L 以下)；二代產(chǎn)品曝氣塔混合效率較低(5%～20%)，體積過(guò)大，造價(jià)過(guò)高；三代產(chǎn)品水射器利用文丘里原理，處理量5～100 m3/h，混合效率30%～40%；四代產(chǎn)品臭氧混合泵，利用開(kāi)式旋渦泵的氣液混合輸送特性[11]，混合效率達(dá)到60%～80%。

本研究在開(kāi)式旋渦泵基礎(chǔ)上，再在旋渦泵出口流道內(nèi)先設(shè)置一個(gè)帶有部分圓球狀凹坑（蜂窩）的正旋螺旋葉片，再設(shè)置一個(gè)反向旋螺旋葉片，組成臭氧混合泵裝置，將臭氧混合效率從60%-80%提高到85.10%。

1 材料與方法

1.1 臭氧混合泵裝置的結(jié)構(gòu)

臭氧混合泵裝置由帶進(jìn)氣管的開(kāi)式旋渦泵[12,13]和蜂窩式正螺旋靜態(tài)混合器和蜂窩式反螺旋靜態(tài)混合器[14]組合而成(見(jiàn)圖1)。臭氧混合泵水力部分由進(jìn)水口、進(jìn)氣管、壓水室、開(kāi)式旋渦葉輪和出水口組成。

蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器，由正向螺旋葉片和反向螺旋葉片[15,16]組成，并內(nèi)置于開(kāi)式旋渦泵的壓水室出水流道內(nèi)部。螺旋葉片的正反表面均制有部分圓球狀凹坑。蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器的葉片，由正向旋轉(zhuǎn)葉片和反向旋轉(zhuǎn)葉片及軸芯組成(見(jiàn)圖2)。螺旋葉片的表面均制有部分球狀凹坑，凹坑均勻分布于葉片的正反表面(見(jiàn)圖3)。

圖2 蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器葉片

圖3 葉片表面的蜂窩結(jié)構(gòu)圖

蜂窩結(jié)構(gòu)是按照一定規(guī)律均勻分布于正反螺旋葉片的正反表面的凹坑，蜂窩形狀為圓球的少半部分（見(jiàn)圖3）。

1.2 技術(shù)原理

旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置利用旋渦泵的開(kāi)式葉輪所具有的氣液混輸特性，在開(kāi)式旋渦泵吸入口到葉輪之間的吸入通道中設(shè)置吸入氣體的進(jìn)氣管，用于在吸入水的同時(shí)吸入臭氧氣體，開(kāi)式葉輪強(qiáng)制氣體與液體反復(fù)混合。在葉輪與泵出口之間的壓水室出口通道上，依次設(shè)置帶有蜂窩式正反螺旋葉片的靜態(tài)混合器葉片。正反螺旋靜態(tài)混合器葉片實(shí)現(xiàn)氣液兩相的分割、翻轉(zhuǎn)、剪切和再混合，強(qiáng)化氣液混合。靜態(tài)混合器的正反葉片的正反兩面都廣泛均布有形狀為部分球狀凹坑的蜂窩。當(dāng)氣液混合物通過(guò)時(shí)，在蜂窩處產(chǎn)生廣泛的渦流使氣體和液體進(jìn)一步充分接觸，進(jìn)一步混合。

1.2.1 旋渦泵的基本工作原理

（1）閉式旋渦泵的工作原理：旋渦泵通過(guò)葉輪葉片把能量傳遞給流道內(nèi)的液體，這種通過(guò)三維流動(dòng)的動(dòng)量交換傳遞能量過(guò)程，在整個(gè)泵的流道內(nèi)重復(fù)多次，因此旋渦泵具有其他葉片泵所不可能達(dá)到的高揚(yáng)程[11]。圖4 是液體在閉式旋渦泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖4 液體在閉式旋渦泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖

（2）開(kāi)式旋渦泵的工作原理。開(kāi)式旋渦泵去掉了閉式旋渦泵葉輪兩側(cè)葉片之間的分隔板[12]（見(jiàn)圖5），工作原理與閉式旋渦泵工作原理類(lèi)似，所不同的是可以氣液混合輸送[13]。

圖5 液體在開(kāi)式旋渦泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖

1.2.2 開(kāi)式旋渦泵氣液混合輸送原理

開(kāi)式旋渦泵具有良好的氣液混輸特性，可以大量吸入氣體。在開(kāi)式旋渦泵內(nèi)部依靠旋渦作用，實(shí)現(xiàn)氣液的反復(fù)接觸，強(qiáng)制混合。旋渦泵的高壓力使得可溶性氣體在水中的溶解率得到提高。旋渦泵的高速旋轉(zhuǎn)和反復(fù)的縱向旋渦作用，使得剪切率和剪切力提高，氣液接觸頻率提高，氣液混合速度提高，氣液混合效率大幅度提高。

1.2.3 蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器混合原理

在蜂窩式螺旋靜態(tài)混合器中，通過(guò)正反靜態(tài)混合器產(chǎn)生強(qiáng)制切割、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和重新混合，氣液反復(fù)碰撞接觸，使得臭氧和水的接觸時(shí)間增加、接觸面積增加。這樣使得混合泵裝置的氣液混輸特性與一般混合泵和其他混合設(shè)備相比得到了大幅度的提高。

葉片上的蜂窩結(jié)構(gòu)破壞層流底層（見(jiàn)圖6），加劇靜態(tài)混合器螺旋葉片表面局部旋渦的形成，使氣液混合機(jī)會(huì)進(jìn)一步增加，混合效率進(jìn)一步提高。

圖6 靜態(tài)混合器螺旋表面的微漩渦

1.2.4 旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的工作原理

前面分別敘述了閉式旋渦泵工作原理、開(kāi)式旋渦泵的工作原理和蜂窩式正反螺旋旋靜態(tài)混合器的工作原理，旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的工作原理可以用框圖的形式表達(dá)，框圖分兩個(gè)層面，分別從結(jié)構(gòu)和原理層面表達(dá)了旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理特點(diǎn)（見(jiàn)圖7）。

圖7 旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置結(jié)構(gòu)和工作原理框圖

1.3 臭氧混合泵裝置的性能

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，裝有蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器的臭氧混合泵裝置與普通臭氧混合泵相比，臭氧混合效率提高了5.10～25.10個(gè)百分點(diǎn)，臭氧水濃度提高了5～10 mg/L，額定點(diǎn)臭氧水濃度提高了2.91～7.91 mg/L。蜂窩式靜態(tài)混合器規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 正反螺旋靜態(tài)混合器和蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器規(guī)格參數(shù)表

開(kāi)式旋渦泵裝配上表面設(shè)有部分球狀圓坑的蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器，組成旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置，其性能參數(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 裝有蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器的臭氧混合泵裝置與普通臭氧混合泵性能參數(shù)比較表

1.4 臭氧混合泵裝置的應(yīng)用

本裝置主要用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、工業(yè)、民用、醫(yī)藥、衛(wèi)生、食品、化工和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的各種濃度臭氧水制取，特別是用于高濃度臭氧水的制取，為臭氧水灌溉殺菌提供高性能設(shè)備。本裝置也可用于CO2等氣體與水的高效混合，滿(mǎn)足相關(guān)領(lǐng)域的需求。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合裝置性能提高

通過(guò)在開(kāi)式旋渦泵出口內(nèi)置帶有部分圓球狀蜂窩的正反螺旋靜態(tài)混合器，提高了臭氧混合效率和臭氧水濃度。無(wú)正反螺旋靜態(tài)混合器的臭氧混合泵、有正反螺旋靜態(tài)混合器無(wú)蜂窩的臭氧混合泵裝置和有蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器的臭氧混合泵裝置在額定點(diǎn)的臭氧混合效率顯著提高，臭氧水濃度液顯著提高（見(jiàn)表3）。

表3 臭氧混合泵與有蜂窩和無(wú)蜂窩的臭氧混合泵裝置的性能比較

2.2 在農(nóng)業(yè)中使用效果

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用臭氧混合泵裝置制取不同濃度的臭氧水，進(jìn)行灌溉殺菌，可以有效防治土傳病害和空傳病害，有效防治蟲(chóng)害，給土壤消毒，消除土壤污染，增加土壤含氧率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)、提質(zhì)、增收、增效，減少了農(nóng)藥用量，消除了土壤中的化肥農(nóng)藥殘留等污染，有利于環(huán)境保護(hù)。

旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置還可用于CO2與水的混合，在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上可以將工業(yè)排放的CO2收集起來(lái)，與水混合后通過(guò)噴霧作為農(nóng)業(yè)和林業(yè)作物光合作用的原料，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量。

3 結(jié)論

本文針對(duì)臭氧水灌溉殺菌中存在的臭氧水制取成本過(guò)高的問(wèn)題，論述了灌溉殺菌用旋渦螺旋式臭氧混合泵裝置的原理、結(jié)構(gòu)、性能和及應(yīng)用。此裝置采用開(kāi)式旋渦泵加蜂窩式正反螺旋靜態(tài)混合器的混合原理，臭氧混合效率顯著提高，臭氧水濃度顯著提高，臭氧水制取成本大幅度下降，解決了臭氧水利用中的設(shè)備龐大、臭氧利用率低、臭氧水制取成本過(guò)高等問(wèn)題，為臭氧水在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用提供技術(shù)和設(shè)備保證。