黑臭水體增氧設備的設計與工程應用

何 婷 吳 翔 楊聲強 水心強

（安徽黃河水處理科技股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

曝氣增氧技術是黑臭河道治理的主要措施之一，相應的增氧技術有太陽能曝氣、鼓風曝氣、推流曝氣、造流曝氣和噴泉曝氣等[1]。其中太陽能曝氣是一種將太陽能作為動力源[2]，應用于增氧曝氣與水體循環設備進行水污染治理的技術[3]。太陽能曝氣治理技術可加速氧氣的傳質過程，增加水中溶氧量，從而保障水生生物的生命活動及微生物氧化分解有機物所需的氧量，實現水體的生態修復，具有運行管理費用低、增氧效果好、運行噪音低等優勢，非常適合應用于河道、湖泊、水庫以及氧化塘等供電條件不足的黑臭水體，是一種投資少、見效快的水污染治理技術，符合國家“30·60”雙碳達峰、減排目標，充分達到了節能減排的目的，在黑臭水體治理中具有廣闊的應用前景[4]。

大多數太陽能增氧機都是采用逆變器將直流電轉換成交流電后通過蓄電池儲存用于設備[5]，也有少量直接使用太陽能直流電供能，但是供能電壓低，轉輸給復氧機的能耗就低，導致增氧量也較低。因此，急需設計新型高效的增氧直流太陽能曝氣機，以實現對水體的增氧功能。

1 設計方案

1.1 太陽能復氧機結構設計及工作原理

該文設計的太陽能復氧機結構主要包括：專用浮體、組合支架、太陽能板組件（24V，250W×2）、倒傘型渦旋曝氣葉輪（葉輪直徑0.5m，軸長230mm）、直流無刷電機（功率500W）、防護箱、傳動軸以及太陽能專用無刷電機控制器。將倒傘型太陽能復氧機置于水體中，通過專用浮體使其漂浮于水面上，然后同牽拉繩索和固定樁進行固定。太陽能經過專用無刷電機控制器轉化為直流電能，驅動直流無刷電機，利用傳動軸帶動倒傘型渦旋曝氣葉輪轉動，在氣、水兩相界面形成渦流負壓，從而形成渦旋，使水體上下循環流動、充分混合，表層液面不斷被更新，而且導流葉片產生的渦流旋渦拉力使空氣不斷被吸入，從而形成了空氣與水體的大面積混合，氧氣迅速溶入水體中，完成水體的增氧作用。該裝置結構如圖1所示。

1.2 太陽能復氧機控制系統設計

太陽能復氧機控制系統的核心為無刷電機控制器，一般須2組電源，一個是14V電源，供功率場效應管（MOSFET）驅動用，另一個是5V電源，供單片機、電機霍爾和轉把霍爾等電路用。14V電源由LM317調整管得到，5V電源由78L05得到。因為每天日照時長只有8h～12h，太陽能電池板提供的能量是間斷的，在沒有蓄電池作為儲備電源的工況下，電機也即隨之啟動和停止，但是現有的無刷直流控制器停止運行后，無法再次自動啟動。因此該文設計了專用的無刷直流控制器，如圖2所示。可調電阻R4輸入端取自電源總輸入端，串聯一個穩壓二極管D1，再串聯一個極性電容C7，電容兩端并聯一個2.2K的電阻R5。極性電容C7的負極取LM317端的+14V。因為太陽光伏板的電壓會隨著光線的增強而增強，所以極性電容正極的電壓在0V～2.5V變化，而光耦817C的導通電壓在0V～1.7V。當太陽在一天中的光照強度達到一定時，光耦817C的輸入端就會導通，輸出端的集電極就會把取自78L05的+5V輸送到分壓電阻R3上，分壓電阻R3的取壓端就會得到0V～4.5V的電壓。這個電壓會加在速度控制器的輸入端，繼而驅動電機轉動。該電路的優點是當太陽能板發出的電壓不穩定時，那么欠壓檢測電路就會保護。如果光照強度恢復，其中的自啟電路可讓電機在黑夜與白天之間無須人為干預而自動啟、停。

1.3 復氧機主要評價指標

復氧機的增氧屬于傳質過程，其增氧性能主要衡量指標為氧的總轉移系數KLa、增氧量qc和動力效率Es。

圖1 太陽能復氧機運行水體循環流態圖

氧總轉移系數KLa[6]，如公式（1）所示。

式中：KLa復氧機在測試條件下氧總轉移系數，min-1；t為曝氣時間，min；Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時間t相應的水中溶解氧濃度，mg/L。

將公式（1）積分后可得公式（2）。

式中：Cs為水中飽和溶解氧濃度，mg/L；C為與曝氣時間t相應的水中溶解氧濃度，mg/L；t為曝氣時間，min； KLa復氧機在測試條件下氧總轉移系數，min-1。

利用（2）式作曲線，該曲線的斜率即為氧轉移系數。標準狀態下，氧轉移系數如公式（3）所示。

式中：KLas為標準狀態測試條件下復氧機氧總轉移系數KLa，min-1；KLa為測試水溫條件下復氧機氧總轉移系數，min-1；T為測試水溫，℃；θ為溫度修正系數1.024。

復氧機增氧能力qc計算方法，如公式（4）所示。

式中：qc為標準狀態測試條件下的復氧機增氧能力，kg/h；V為測試水體中水的體積，m3；Cs（20）為20℃水中飽和溶解氧濃度為9.17，mg/L；其中0.55=60/1000·9.17。

動力效率，如公式（5）所示。

式中：Es為標準狀態測試條件下，曝氣設備動力效率，kg/kW·h；Ps為總輸入功率，kW。

2 工程應用

2.1 項目概況

小黃河位于某鎮老街附近，屬于城中村，東面一側已開發樓盤，水域面積為2133m2，屬于小微水體。整治的現場調研情況為，池塘內雜草叢生，淤泥沉積，建筑垃圾亂倒，水質惡臭，污染較嚴重，周邊住戶通過管道將污水直排入水體，且雨季還有地表徑流污染。整治前取樣檢測的水質指標如表1所示，屬于重度黑臭。為改善周邊居民生活環境，消除黑臭，該文首先對排入水體內的生活污水即污染源進行控源截污；其次對小黃河清淤疏浚、新建護坡；最后通過生態工法及太陽能曝氣系統強化增氧，加強水體的自凈能力，改善現有水質，修復因污染遭到破壞的生態鏈。

表1 小黃河治理前、后主要水質指標

2.2 測試方法

該文在小黃河池塘內設計了3臺倒傘型太陽能曝氣機，呈線性布置，間距40m。單臺設備參數：電壓24V，電機功率500W，增氧能力0.5kg/h。在設備安裝、水生態種植完成后1個月，在日照時長大于8h、光照充足且水溫為20℃～25℃的情況下，進行了復氧機增氧性能測試。為測試單臺設備性能，只開啟了中間的一臺復氧機，其他2臺停止運行。主要檢測指標包括工作時間、水溫、溶解氧及常規水質指標。溶解氧測量點分別布置在水平距離復氧機0m、5m、10m和15m處的水下0.1m、1.0m處。

圖2 太陽能復氧機電路原理圖

2.3 應用效果分析

2.3.1 太陽能復氧機增氧性能分析

太陽能復氧機運行后水體中溶解氧的變化見表2。表2的數據顯示，水體中溶解氧含量較低，基本處于缺氧狀態，太陽能復氧機啟動運行2小時后，隨著運行時間的增加，水體中溶解氧含量上升較快，在運行6小時后達到峰值，后續開始下降。這是因為受到日照強度的影響，太陽能發電效率降低，所以增氧量下降。下游水體中溶解氧增氧幅度比上游高28.1%，這可能是由于在天然水體中試驗，水體有較緩慢的流速，因此上游溶解氧增加幅度低于下游。而當下游影響半徑達到15m以上時，溶解氧變化幅度較小，基本可以判斷在復氧機運行半徑15m范圍內，水體中溶解氧的情況均有效改善，相當于復氧機服務面積達到700m2，該工程小黃河設計3套太陽能復用機，滿足水體增氧功能。

表2 太陽能復氧機運行后周圍水體中溶解氧的變化值

2.3.2 增氧量和動力效率分析

復氧機運行影響半徑內增氧量和動力效率分析如圖3所示。根據圖3可知，復氧機運行影響半徑內增氧量和動力效率存在一定的相關性。在太陽能復氧機運行過程中，增氧量在0.6kg/h～0.92kg/h，比較穩定。水下0.1m比水下1m處增氧量要高19.4%。這是由于水面為氣、液兩相界面，復氧機葉輪在攪拌過程中帶動水面波動，增加了氣、液循環流動，使大氣中傳質到水中的氧氣量有所增加，因此提高了水面增氧量。在復氧機運行影響半徑范圍內，位于復氧機中心的水體增氧量和動力效率均為最高，隨著復氧機葉輪渦旋推力帶動水體上、下循環流動，復氧機周圍的高溶氧水體逐漸擴散至周圍和水下。在影響半徑15m處，水下0.1m和水下1m處的增氧量趨于接近，說明此時復氧機對周圍水體增氧的影響能力已達到極限。在影響半徑范圍內，增氧量最高峰達到0.92kg/h，動力效率達到1.85kg/kW·h，水下0.1m處平均動力效率為1.56kg/kW·h，優于傳統葉輪式增氧機的動力效率[7]。

2.3.3 水質改善

項目經過3個月的試運行后，小黃河水生態系統穩定，檢測的主要水質指標如表1所示。截污清淤后，僅有居民洗菜、洗衣服產生的少量污染物排入小黃河。通過太陽能復氧機的強化增氧和水體攪動，小黃河水生植物生長良好，DO含量維持在3mg/L以上。該文設計的太陽能復氧機有效修復了水體生態鏈，改善了水質，使自然凈化達到平衡。

圖3 復氧機運行影響半徑內增氧量和動力效率分析

3 結論

該項目設計的倒傘型將太陽能復氧機，利用太陽能作為清潔動力，在不裝蓄電池，且電壓（24V）和功率（0.5kW）有限的工況下，根據日照光強自動啟、停運行，在小黃河黑臭水體整治項目中得到了成功應用。通過水質檢測，復氧機運行有效復氧影響半徑約15m，服務面積達到700m2，在小微水體生態修復過程中較好地提高了溶解氧含量，改善了水質，解決了水體中動力設備的供電難題，是值得推廣的黑臭水體增氧設備。