华南理工大学博士研究生中期文献综述.doc

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文献综述

（水车增氧机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移研究进展）

研究生：

吴光林

指导教师：

朱良生

学号：

200910101426

学院：

土木与交通学院

专业：

船舶与海洋结构物设计制造

二零一零年十二月

-20-

水车增氧机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移研究进展

吴光林

摘要：

较详细地回顾了水车式增氧机应用于水产养殖水域和污水处理池曝气的研究进展。

主要包括下列几方面的内容：

水车式增氧机的应用情况和诱导水流研究进展；水车式增氧机曝气机理研究进展；水气两相流流型及检测技术研究进展；水车式增氧机曝气水池悬浮颗粒迁移机理与特性研究进展。

结果表明：

需要结合现代先进技术对水车增氧机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移的机理和特性开展研究，以建立精确的数值模型用以模拟水池的溶解氧含量及悬浮颗粒物的时空演变（分布）。

关键词：

输氧；悬浮颗粒迁移；曝气水池；水车式增氧机

ReviewonMechanismsandCharacteristicsofOxygenTransferandSuspendedSolidstransportinaWaterPondAeratedbyPaddle-wheelAerators

WuGuanglin

Abstract:

Studyprogressofpaddle-wheelaeratorusedinaquaculturewaterpondsandaerationwastewaterpondsisreviewedinthispaper.Themaincontentsofthisrevieware:

Applicationofpaddle-wheelaeratorandpondcirculationinducedbyaerators;theaerationmechanismandcharacteristicsofpaddlewheel;water-airtwo-phaseflowpatternsandtheirmeasurement;themechanismandcharacteristicsofsuspendedsolidsinthepaddlewheel-inducedcirculation.Theresultshowthatitisrequiretostudythemechanismsandcharacteristicsofoxygentransferandsuspendedsolidstransportationwithrecenttechnologyinordertoestablishafixedmathematicalmodelforsimulationstudyontemporalandspatialevolutionofdissolvedoxygencontentandsuspendedsolidsinthewaterpond.

Keywords:

oxygentransfer,suspendedsolidstransportation,aerationpond,paddle-wheelaerator

1.引言

水产养殖水域的主要类型有天然水域和人工水域；天然水域包括海湾、海洋、湖泊、江河、水沟、天然池塘等，人工水域包括人工养殖池塘、人工养殖水槽等。

人工高密度养殖已成为水产养殖的主要形式，综合考虑经济效益和社会效益，特别是顾及环境效益，越来越多地采用封闭式池塘，采用定期换水或循环水系统等方式对和外界进行水体交换。

养殖池塘水环境是一个复杂的物理-化学-生物过程。

对于进行高密度养殖封闭式养殖池塘，必须对其水质进行有效调控，以提供养殖生物的成长所需的水环境。

养殖池塘水环境的研究已有较丰富的研究成果，但较集中于化学过程与生物过程，特别是以水质指标为主要的研究对象开展的监测与研究是该领域的热点。

上述研究大多未深入考虑水环境中的物理过程及物理过程、化学过程、生物过程的相互作用。

在应用增氧设备的养殖池塘，其曝气过程中的气-水交换原理，形成的水流结构、流型对悬浮颗粒物（特别是残余饵料和养植物）运动的影响；微生态制剂在动水环境中的性能等问题都涉及养殖池塘水动力。

增氧机也叫曝气机（aerator），主要用于池塘、湖泊、江河的曝气增氧，改善水质。

水产养殖增氧机类似于污水处理增氧机。

但污水增氧机一般都比较昂贵，水厂养殖增氧机在污水增氧机的基础上进行改进，价格较便宜。

各种形式的机械式增氧机（见图1-图7）在水产养殖池塘都有应用，其中垂直泵式（verticalpumps）、水泵喷雾式（pumpsprayers）、涡轮吸气式（propeller-aspirator-pumps）、水车式（paddlewheels）和充气式（diffused-airsystems）比较常用；而重力式增氧机（gravityaerators）、管嘴式增氧机（nozzleaerators）、和纯氧增氧系统（pureoxygencontactsystems）仅用于鱼类和甲壳类动物精养水沟和精养水槽。

图1-1垂直泵式增氧机图1-2喷雾式增氧机

Fig.1-1AverticalpumpaeratorFig.1-2Apumpsprayeraerator

图1-3涡轮吸气式增氧机图1-4射流式增氧机

Fig.3Apropeller-aspirator-pumpaeratorFig.1-4Ajet-flowaerator

图1-5滑片式微孔增氧系统图1-6水车式增氧机

Fig.1-5AmicroporeaerationsystemFig1-.6Apaddlewheelaerator

图1-7充气式增氧系统

Fig.1-7Adiffused-airaerationsystem

由于水车式增氧机诱导水流和增氧效果好，在水产养殖池塘中得到广泛应用。

本文主要对应用水车式增氧机增氧的人工封闭式养殖池塘水动力研究进行综述。

并介绍作者进行的一些数值模拟工作。

2.水产养殖池塘水车式增氧机诱导水流研究进展　

2.1概述

采用增氧机增氧是改善虾池水质最为普遍、最有效的措施，常用的增氧机有涡轮式增氧机、射流式增氧机、转筒式增氧机、喷水式增氧机、水车式、推流吸气式、叶轮式等，虽然结构形式各异，但目的都是一样的：

通过机械的方法，使缺氧的水体增加溶氧量，为对虾等生物提供有利的生存环境。

最为常用的有叶轮式和水车式两种，在我国华南地区水车式增氧机的应用正日趋普遍。

增氧机增氧的基本原理是：

增氧机增氧主要是通过物理方法将大气中的氧分带入水体，从而增加水体的溶氧量（DO），通过池水对流和扩散将氧输送到全池，以满足对虾及其他生物对溶氧量的需求。

大量试验表明，最低DO值应为0.3－0.4mg/l。

因此，增氧机所消耗的能量不仅用于增氧本身，还要用于形成并维持池水的流动。

水车式增氧机的工作原理：

水车式增氧机通过叶片打击水体，一方面将下层水提升，直至水体破碎成水花，抛溅到大气中，增加溶氧量后靠重力作用回落到池水中；另一方面推动池水流动，形成环流，将溶氧充足的水体输送到虾池各处，形成比较均匀的溶氧量分布。

环流与增氧效果：

不同增氧机对黑臭河道水体增氧试验表明，无论是河道水体增氧效果、CODcr、NH3-N去除效果，还是河道菌—藻生态系统的建立、自净能力的启动，水车式增氧机均优于其它两种增氧机，而且存在投资少、安装维护方便、运行费用低等优点。

而有关水车式增氧机应用于虾池的研究仅仅停留在初期的定性探讨。

增氧机的性能指标主要有两个：

增氧能力和动力效率。

增氧能力是指单位时间对水体增加的氧量；动力效率指单位能耗对水体增加的氧量。

水车式增氧机的最大特点就在于使池水形成了环流，从而在一定时间内可使全池DO值趋于一致。

环流的形成与维持都需消耗一定的能量，这是由水的粘性本质决定的。

池水的流动是复杂的，主流是环流，在转弯出还会产生回流，这类流动并没有现成的模型可以采用。

环流促使DO分布均匀化，其压力分布有利于虾池中心集污的实现。

在实际应用中，遇到的问题可以简略地归结为：

增氧机的布置方式对增氧效果的影响，增氧机的布置方式对中心集污效果的影响；这两个问题都与虾池环流密切相关。

2.2理论与试验研究进展

GaryL.Rogers（1989）菲克定律（Fick’sLaw）计算增氧过程的氧气输运（oxygentransfer）。

指出水车式增氧机主要有两方面的作用，即：

曝气增氧（aeration）和诱导水流（circulation），每一方面在水产养殖池塘动力学中都很重要。

曝气或增氧提供支持养殖生物生存的充足的有氧条件和改善水质。

另一方面，环流虽不直接对水体供氧，但会影响到氧气在水体中的重新分配和传输。

对于防止池塘土壤老化和保持水质，两者都是必要的。

因此，应协调曝气和环流两个方面，合理分配机械功率，使得池塘水体各成分垂向分布，水平分布都比较均匀，才能提供最佳的养植物生存条件，促进生长，提高产量与质量。

ClaudeE.Boyd（1998）对水产养殖池塘的机械增氧基本原理、增氧机的类型、增氧机的性能测试并对各种测试结果进行了比较；提出了水车式增氧机的改进思路；对增氧机在养殖池塘中的应用，从养殖产量、增氧机安装、开关机时段进行了分析；对于水车式增氧机诱导水流（watercirculationinpondsinducedbypaddlewheels），水产养殖学家们一致认为是有益的：

水循环阻止池水产生热分层与化学分层现象（thermalandchemicalstratification），使得全池水体都适合养殖动物栖息生存，消除深水池塘严重变质（overturns）的风险；水循环使水体沿着池底流动，有助于保持泥-水界面处的溶解氧浓度，适合生物生存；池水环流设备产生表面湍流，提高曝气率；水循环还可以使得表层富氧水体（oxygen-enrichedsurfacewaters）与深层水体混合，促进水体溶解氧浓度（dissolvedoxygenconcentration）分布均匀。

很多学者（e.g.Fastetal.,1999;AhmadandBoyd，1988;RogersandFast,1988）对不同背景条件的增氧机的复氧功能（reaerationfunction）进行了研究，而环流功能则没有收到研究者的重视。

增氧机诱导水流（Aerator-driven/inducedcirculation）的研究概述如下：

Priceetal.（1973）应用流量计测量了离水车式增氧机一定距离的水流速度分量；Shell（1979）测量了涡轮吸气式增氧机诱导水流的流量；BoydandMartinson（1984）在试验池中通过染色进行了混合率试验，记录了很多采样点的染色平均发散的时间