紊動促進過飽和總溶解氣體釋放研究

姚元波，楊慧霞，王云云，劉彩紅，梁珈珈

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

在自然環鏡中，高壩泄流[1- 3]、植物光合作用產氧過剩[4]和水體溫度劇增[5- 6]等方式均可能使水中總溶解氣體(Total Dissolved Gas，簡稱“TDG”)過飽和，這可能直接導致魚類和水中生物患有“氣泡病”(Gas Bubble Disease，簡稱“GBD”)甚至死亡[7- 11]。過飽和TDG的釋放屬于氣泡界面傳質和水氣自由界面傳質的過程，其釋放速率主要受到紊動強度、溫度、氣泡尺寸及其濃度等方式的影響[12- 15]。這些問題引起眾多的學者關注，提出了一些減緩措施。馮鏡潔等[16- 18]將阻水介質(沙子)放入過飽和水體中，實驗結果表明阻水介質促進過飽和TDG釋放具有明顯的效果，以及獲得了過飽和TDG釋放系數與含沙量的關系。黃雅楠等[19]將吸附性物質(活性炭)加入過飽和水體中，其對過飽和TDG的釋放促進顯著，且表面積大的物質效果更加明顯。為了降低過飽和TDG的生成，這些學者以實際壩體為例，以在溢洪道設置導流板、優化泄水的方式和調節梯級水庫等方式[20- 23]，以及用虹吸管裝置和填料柱來降低養殖池中的過飽和TDG濃度[24- 25]。

曝氣方式對溶解氧(DO)和過飽和TDG的釋放具有明顯效果。黃膺翰等[26]和歐洋銘等[27]用針孔曝氣方式分別對溶解氧(DO)和過飽和TDG進行實驗，獲得2種氣體的釋放系數(釋放速率)與曝氣條件的關系。程香菊等[28]采用微孔曝氣的方式進行曝氣增氧，發現了氧傳質與微孔條件的關系，以及對三峽工程流域進行過飽和氣體分析，總結出過飽和原因和因素[29- 31]。李爾等[32- 33]對微孔曝氣最優氣泡群的理論進行總結，獲得了氧傳質速率與氣泡尺寸和曝氣性能的規律性變化。Politano M.等對實際壩體流域(Wanapum Dam)進行各向異性兩相流模型分析，獲得了該模型可預測出水的含量、氣體體積分數、氣泡尺寸和TDG濃度[34]，模擬值與實際測量值相吻合。同時，氣液傳質受到2個(壩體結構設施和河流域)主要因素的影響，對實際的壩體流域進行數值模擬[35- 36]，總結出了可在溢洪道處設置導流板來降低過飽和TDG濃度[37- 38]。

紊動因素會加速水中過飽和TDG和復氧的釋放。李然等[12- 13]在紊動誘發實驗中，提出了紊動水體復氧模型和得到了紊動水體表面傳質系數與水流速和紊動動能的關系式。蔣亮等[39- 40]總結出過飽和濃度概念、影響因素，通過少量的攪拌實驗獲得了釋放時間與轉動次數的關系圖。馮鏡潔等[41- 42]發現在攪拌實驗的條件下，具有一定紊動強度含沙量的過飽和TDG的釋放速率比清水的要快，得出含沙量和紊動強度對過飽和TDG的釋放具有促進作用。

綜上所述，緩解過飽和TDG的方法有降低其濃度的生成和加快其釋放速率，但缺乏單獨紊動因素與過飽和TDG釋放系數的關系。本文在紊動條件下，探索過飽和TDG釋放系數(釋放速率)與紊動因素的關系表達式。

2 實驗設備及步驟

實驗設備：如圖1所示，過飽和TDG生成裝置參考了李然等[43]進行改裝設計。

圖1 實驗草圖及裝置

實驗裝置：攪拌器組合300～1200r/min；測量儀器TGP0～600%；水箱尺寸D=400mm,H=1500mm；空壓機最大排量90L/min；水溫20.1℃～20.3℃。

實驗步驟:實驗過程中，水泵抽水，空氣壓縮機輸入氣體，一起進入高壓釜，形成過飽和水，將其放入圓柱形水箱中。當水深達到預定深度時，調動攪拌器的轉速，TGP開始連續測量水中的過飽和TDG濃度，當濃度達到100%左右時停止記錄。紊動實驗條件見表1，共有12組實驗。

表1 紊動實驗條件

3 實驗結果分析及線性擬合

3.1 實驗結果分析

過飽和水體有0.4m(A)、0.5m(B)和0.6m(D)的水深和在轉速為300、600、900、1200r/min條件下的實驗工況，a、b和c是攪拌4min內TDG濃度變化，如圖2所示。過飽和TDG初始濃度約為140%，該濃度G0>100%，屬于過飽和狀態，經過一定的轉速，最終達到平衡狀態[44]。其中，在相同的水深中，隨著轉速和溫度的增大，過飽和TDG釋放所需要的時間逐漸減少；以及在相同的轉速下，隨著水深的增大，其釋放所需要的時間反而增大。但釋放時間在4min內時，a、b和c的過飽和TDG濃度出現了先增加后減少的現象，以及隨著水深和轉速的增大，過飽和TDG濃度的峰值不斷地在增大，再逐漸地減少。原因分析認為:①強烈的紊動會使圓形水箱中的過飽和TDG混合均勻，導致其在短時間內有所增高，達到一定的峰值[45]；②過飽和TDG的釋放屬于水-氣泡界面傳質過程，隨著水深的增大會由水中氣泡引起水體產生的單位湍流強度減弱，以及圓形水箱中的氣泡群密度不斷地增多，致使系統內的氣液傳質面積增量減弱，從而減弱了過飽和TDG在水-氣泡界面上的傳質作用[46- 48]；③隨著轉速的增大不僅能增強水體的湍流強度，而且致使攪拌葉片切割氣泡的速率加快，從而加強了過飽和TDG在水-氣泡界面的傳質作用，有利于過飽和TDG釋放[49- 50]；④溫度的增長利于溶解性氣體的揮發，促進氣態膜的傳質過程和提高膜的脫氣性能[15,51]。

圖2 實驗工況

3.2 過飽和TDG釋放系數線性擬合

為進一步分析紊動對過飽和TDG釋放的作用效果，引入一階動力學方程，過飽和TDG飽和度隨時間的變化關系為[52]式(1)，其擬合如圖3所示，其結果見表2。

(1)

式中，G—TDG飽和度，%；Geq—TDG的平衡飽和度(通常為100%)；KTDG—釋放系數(釋放速率)，h-1;t—釋放時間，h。

表2所示，過飽和TDG釋放系數KTDG隨著轉速和的增大而增大，但其隨著水深的增加反而減少。KTDG的誤差值范圍3.48×10-5～0.02184，其相關系數均在0.988。因此，過飽和TDG釋放系數線性擬合出來的數值具有實際意義。同時，當轉速從300r·min-1增至1200r·min-1時，KTDG的平均增量為49.60；當水深從4m增至6m時，KTDG的平均減少量為1.1684；當溫度從22.9℃增至28.6℃時，KTDG的平均增量為5.5122。因此表明，轉速和溫度對過飽和TDG釋放具有促進作用，水深對其起到抑制作用，以及對過飽和TDG釋放系數的影響大小為KTDG，n>KTDG，T>KTDG，H。

圖3 實驗工況線性擬合

表2 過飽和TDG釋放系數線性擬合

4 過飽和TDG釋放系數綜合影響分析

4.1 KTDG，n與轉速的關系

根據曝氣對復氧傳質影響的相關研究結果，復氧傳質系數與曝氣之間的關系不呈線性增加[28]。由此將表2中水深和釋放系數的值帶入ORIGIN作圖(如圖4所示)，以及SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得兩者的關系表達式。

圖4 KTDG，n與轉速的關系

(2)

式中，KTDG，n—過飽和TDG釋放系數，h-1；n—轉速，r/min。

4.2 KTDG，n與溫度的關系

將表2中的溫度和釋放系數的值帶入ORIGIN作圖(如圖5所示)，以及SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得兩者的關系表達式。

圖5 KTDG，n與溫度關系

KTDG，T=1.281(T/28.6)(11.384)

(3)

式中，KTDG，T—過飽和TDG釋放系數，h-1；T—溫度，℃。

4.3 KTDG，H與水深的關系

將表2中的水深和釋放系數的值帶入ORIGIN作圖(如圖6所示)，以及SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得兩者的關系表達式。

圖6 與水深的關系

(4)

式中，KTDG，H—過飽和TDG釋放系數，h-1；H—水深，m。

4.4 KTDG，H與轉速、溫度和水深的關系

在紊動實驗過程中，過飽和TDG釋放系數主要受到轉速、溫度和水深的影響，借鑒前者的釋放系數綜合影響分析[26- 27]，故其關系表達式為：

(5)

式中，KTDG—過飽和TDG釋放系數，h-1；n—轉速，r/min；T—溫度，℃；H—水深，m；n0、T0、H0—初始值；α，β1，β2，β3—參數值。

將表2中的值帶入SPSS軟件中的多元非線性回歸分析，獲得初始值n0=1200r·min-1，T0=28.6℃，H0=0.4m和參數α=1.720，β1=2.053，β2=-1.105，β3=2.712。

則式(5)進一步地表示為：

(6)

4.5 過飽和TDG釋放系數實驗值和計算值的誤差

借鑒前者[53]使用均方根方差(7)和絕對平均誤差(8)進行誤差分析。

(7)

(8)

則式(2)、(3)、(4)和(5)的實驗值和計算值表示如圖7所示。從圖中可知，其誤差范圍平均在10%以內。由此表明過飽和TDG釋放系數與轉速、溫度和水深的定量關系是能反映紊動對過飽和TDG釋放作用效應，在實際環境應用工程中具有較強的適用性。

圖7 誤差

5 未飽和TDG轉為飽和TDG

將0.4、0.5、0.6m的未飽和水分別在轉速為300、600、900、1200r/min下進行實驗，如圖8所示。

圖8 未飽和TDG轉飽和TDG

圖8顯示在不同水深和轉速下，當時間在4min內時，未飽和TDG逐漸上升至飽和狀態，停止轉動后，濃度值逐漸下降，從而看出此過程未受到轉速、溫度和水深的較大影響。原因為：在紊動條件下，圓形水箱中過飽和水體產生紊動使水體表面出現一定大小的漩渦，引起水面變形，產生許多的氣泡群，以及攪拌葉片將直徑較大的氣泡切碎成小氣泡。同時，在旋轉過程中，攪拌葉片將空中的氣體卷入水體中[29,54]。由此，在紊動的實驗中，存在空中的氣體被卷吸入到水體中，但所引起的作用效果較弱。

6 結論

通過在不同紊動的條件下開展實驗，結果表明紊動能促進過飽和TDG的釋放，以及隨著轉速和溫度的增大，過飽和TDG釋放所需時間反而減小，但隨著水深的增大，其釋放所需時間也隨著增大，并獲得了過飽和TDG釋放系數(釋放速率)分別與轉速、溫度和水深的關系表達式，其誤差均在10%以內，對實際環境應用工程中具有較強的適用性。同時，在紊動的實驗過程中，伴有空氣中的氣體被卷入水體中，致使未飽和TDG轉為飽和TDG。

該研究為探索減緩過飽和TDG不利影響提供科學依據和指導借鑒，驗證了紊動是減緩過飽和TDG的方法。但攪拌葉片的面積大小、粗糙程度和轉動模式等條件對過飽和TDG影響有待進一步研究。