CN105137020B

CN105137020B - 利用曝气促进过饱和总溶解气体释放的方法及其实验装置

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Publication number: CN105137020B
Application number: CN201510515502.2A
Authority: CN
Inventors: 欧洋铭; 李嘉; 陈永柏; 李然; 牛晋兰; 冯镜洁; 李克锋; 蒲迅赤
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-08-11
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: CN105137020A

Abstract

本发明涉及一种利用曝气促进水体中过饱和TDG释放的方法以及提供实现该方法的实验装置，属于水利工程溶解气体过饱和技术领域。该方法通过改变通入实验容器水体中的曝气量、曝气深度及针孔曝气盘孔径等条件来实现；曝气装置中针孔曝气盘孔径的减小直接导致水体表面过饱和TDG释放系数明显增大。本发明的方法和实验装置，对溶解气体各个组分释放速率均有不同程度地的提高。本发明对于减缓水利工程泄水以及水产养殖中产生的总溶解气体过饱和对鱼类的不利影响等研究工作具有重要的理论价值和工程意义；以及对过饱和TDG的释放过程影响的减缓措施研究提供了基础数据和理论依据。

Description

利用曝气促进过饱和总溶解气体释放的方法及其实验装置

技术领域

本发明涉及一种过饱和总溶解气体技术，特别涉及一种利用曝气来促进水中过饱和总溶解气体释放的新方法及其实验装置，属于水利工程溶解气体过饱和技术领域。

背景技术

近年来，随着我国西部大开发、“南水北调”和“西电东送”等战略方针的实施，高坝建设与流域梯级开发均取得了巨大成就。其中，高坝泄水过程中，水流由坝前高水位快速跌落至坝下低水位，形成强掺气水流，进入到水垫塘(消力池)内时，由于水压增强导致大量气体溶入水中，相对于当地大气压强成为总溶解气体(Total Dissolved Gas,简称TDG)过饱和水体。自然界中诸多自然因素和人为因素均可能造成溶解氧(Dissolved oxygen,简称DO)、溶解氮(Dissolved nitrogen,简称DN)和总溶解气体(TDG)过饱和。井水或泉水可能含有高浓度的溶解的DN、DO，人工养殖鱼塘内由于气温骤升、光合作用过强等也可能出现TDG过饱和现象。泄水产生的溶解气体过饱和特别是TDG过饱和可能直接导致河道内鱼类患“气泡病”(Gas Bubble Disease,简称GBD)，甚至造成水生生物大规模死亡，从而造成河道或者库区水生生态环境的破坏。因此探讨溶解气体过饱和的水体快速有效地恢复到正常饱和状态，不仅可以丰富水气界面传质过程的研究，而且对于水体水生生态的保护具有重要的实际应用价值和现实意义。

水体中过饱和TDG等溶解气体的释放过程属于水气界面传质过程，传质速率主要与水体紊动强度、温度、以及气液界面面积等条件密切相关。

发明内容

本发明的目的正是针对现有技术所存在的缺陷和不足，提出一种利用曝气促进水体中过饱和TDG释放的新方法；以及提供一种实现该方法的实验装置。该方法通过改变曝气量、曝气深度以及曝气孔径等曝气条件来实现，通过此方法和实现此方法的实验装置，对于减缓水利工程泄水以及水产养殖中产生的总溶解气体过饱和对鱼类的不利影响等方面的研究工作具有重要的理论价值和工程意义；以及对过饱和TDG的释放过程影响的减缓措施的研究提供基础数据和理论依据。

为实现本发明的目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的一种利用曝气来促进过饱和TDG释放的方法，包括以下步骤：

(1)将过饱和TDG水体注入试验容器内，其水位控制在1～3米的深度；

(2)采用TGP测定仪和温度记录仪分别测定并记录初始时刻试验容器内表面的过饱和TDG和温度的值；

(3)当TGP测定仪中显示的TDG读数稳定后，启动TGP测定仪中的自动记录功能来测量过饱和水体中TDG随时间的变化；

(4)开启空压机，通过曝气装置向试验容器内的水体中通入曝气，并通过控制空压机阀门来调节每次通入的曝气量大小，曝气在试验容器内的曝气深度H即为试验水深；

(5)通入曝气后继续测量试验容器内的过饱和水体中TDG随时间的变化；

(6)当试验容器内过饱和TDG水体的饱和度降到110％时，停止试验。

上述技术方案中，所述测定初始时刻实验容器内的表面过饱和TDG和温度的值，即是测定过饱和TDG水体液面以下0.15米深度的过饱和TDG和温度的数值。

上述技术方案中，所述TGP测定仪的自动记录功能中设置每隔10秒记录一次。

上述技术方案中，所述通过曝气装置通入试验容器内水体中的曝气量大小为0.5～3m³·h^-1，每次通入试验容器内水体中的曝气量是通过安装在空压机与曝气装置中的曝气器之间的转子流量计来记录。

本发明一种实现利用曝气来促进水体中过饱和TDG释放方法的实验装置，包括试验容器，TGP测定仪和温度记录仪，曝气装置，转子流量计，空压机，进出水口；所述试验容器内注入过饱和水体，所述TGP测定仪和温度记录仪均置于试验容器内的液面以下；所述曝气装置安装在试验容器底部；所述转子流量计安装在空压机与曝气装置中曝气器之间，用于测量通入曝气装置内的曝气量。

上述技术方案中，所述注入试验容器内的过饱和水体，其水位控制在1～3米的深度。

上述技术方案中，为了更好地测量过饱和TDG和温度值，所述TGP测定仪和温度记录仪应置于试验容器内液面以下0.15米深处。

上述技术方案中，所述曝气装置包括针孔曝气盘、孔状横隔板、曝气器三部分；其中孔状横隔板和曝气器是为了使通入针孔曝气盘内的曝气量更加均匀地进入试验容器内。

上述技术方案中，所述曝气装置中针孔曝气盘其针孔的直径为0.41～0.84mm。

上述技术方案中，所述曝气装置中孔状横隔板其孔的直径为4～8mm。

上述技术方案中，所述曝气装置中曝气的通入量为0.5～3m³·h^-1。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明首次提出通过曝气方式加快促进水体中过饱和TDG释放的方法，为过饱和TDG影响的减缓措施的研究提供了基础数据和理论依据。

2、本发明提出的通过曝气方式促进水体中过饱和TDG释放的方法适用性较广泛，是减缓库区和河道中过饱和TDG对鱼类的影响采取的一种实际操作性较强的措施，且不会对水体造成二次污染。

3、本发明提出的方法及实验装置，对库区与大坝下游水体中的过饱和TDG的释放速度快，并对于减缓水利工程泄水以及水产养殖中产生的总溶解气体过饱和对鱼类的不利影响具有重要的实际工程意义。

4、实现本发明的方法的实验装置其结构简单，所用仪器设备少，无特殊要求，操作方便，成本低；且对库区和大坝下游水体中的过饱和TDG的释放效果好；这不仅能快速的恢复库区和河道健康的水生生态环境，而且对综合防洪、航运、发电及库区泥沙淤积的影响等问题亦有益。

5、本发明的实验装置，经实验表明，曝气装置中针孔曝气盘的孔径的减小直接导致水体表面的过饱和TDG的释放系数明显增大，溶解气体各个组分的释放速率均有不同程度地的提高。分析认为，通入相同曝气量下，针孔曝气盘孔径的减小，明显造成气泡尺寸变小，从而增大了气泡与水的接触面的面积，因而进一步加快过饱和溶解气体的析出。

附图说明

图1本发明实现利用曝气促进过饱和TDG释放方法的试验装置的结构示意图；

图2本发明过饱和TDG释放系数与曝气通入量的关系曲线图；

图3本发明过饱和TDG释放系数与曝气深度H的关系曲线图，此时曝气装置中针孔曝气盘的孔径为0.84mm；

图4本发明过饱和TDG释放系数与曝气深度H的关系曲线图，此时曝气装置中针孔曝气盘的孔径为0.41mm。

图中，1TGP测定仪，2温度记录仪，3试验容器，4曝气装置，5转子流量计，6空压机，7进出水口，其中，曝气装置包括：8针孔曝气盘，9孔状横隔板，10曝气器。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，即并不意味着是对本发明保护内容的任何限定。

本发明实现利用曝气促进过饱和TDG释放方法的实验装置如图1所示，包括TGP测定仪1，温度记录仪2，试验容器3，曝气装置4，转子流量计5，空压机6,，进出水口7；其中，所述曝气装置4包括针孔曝气盘8，孔状横隔板9，曝气器10三个部分；所述孔状横隔板9和曝气器10具有使空压机6通入曝气装置4内的曝气均匀化，针孔曝气盘8的作用是在试验容器3内过饱和水体中形成特定大小的气泡，即使通入针孔曝气盘8内的曝气量更加均匀地进入试验容器3内的水体中；所述TGP测定仪1和温度记录仪2均布置于试验容器3内的液面以下0.15米左右深处位置，所述曝气装置4安装在验容器3的底部，曝气装置4中的针孔曝气盘8距离试验容器3的底部0.28m，所述进出水口7通过连接管与试验容器3底部连接，所述转子流量计5安装于空压机6和曝气装置4中的曝气器10之间，通过转子流量计5记录试验容器内水体中通入的曝气量；所述转子流量计5、空压机6和曝气装置4三者之间通过橡胶塑料管相连接。

实施例

本实施例在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室内进行。

所述试验容器3采用内径0.4m，高4.0m有机玻璃圆筒；

所述曝气装置4中针孔曝气盘8直径为280mm，厚度为6mm的有机玻璃圆盘，其上面按照每平方米666个刚性针孔的密度均匀布置，其针孔直径为0.41～0.84mm；孔状横隔板9直径为280mm，厚度为6mm的有机玻璃圆盘，孔状横隔板9的孔径布置方式与针孔曝气盘8一致，即按照每平方米666个孔状的密度均匀开孔，孔状横隔板上的孔径为8mm；曝气器10为橡胶膜式微孔曝气盘，组成材料为三元乙丙胶，曝气器中的膜孔孔隙直径在80～100μm之间。

所述转子流量计5的型号为ZBL-10，量程范围为0.25～2.5m³·h^-1；

所述空压机6的型号为ZB-O 12/8，其额定流量输出为120L/min；

所述温度记录仪2采用四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室与杭州路格科技有限公司联合研制的L93-22；

所述TGP(Total Dissolved Gas Pressure)测定仪1采用丹麦Oxyguard公司生产的Polaris TGP测定仪，其量程为0～200％，其精度为±1％。

具体操作步骤如下：

1、按照图1实验装置的结构连接布置好各仪器设备；

2、本实施例中对33组工况进行实验，实验开始前，往试验容器3内注入由TDG过饱和生成系统生成的饱和度超过130％的过饱和水，其水位控制在1～3米深度；工况1～工况7和工况22～工况25的实验水深，即曝气深度，为1m；工况8～工况14和工况26～工况29的曝气深度为2m；工况15～工况21和工况30～工况33的曝气深度为3m；

3、采用TGP测定仪1和温度记录仪2分别测量并记录初始时刻试验容器3内过饱和TDG水体的饱和度值和温度值，其测量位置应位于试验容器3内液面以下0.15m处；

4、待TGP测定仪1中的过饱和TDG读数稳定后，打开TGP测定仪1的自动记录功能，记录试验容器3内水体中过饱和TDG随时间的变化，TGP测定仪1自动记录每个数据的时间间隔为10秒；

5、开启空压机6，通过安装在空压机6上的控制阀门调整其通入曝气量大小，曝气在试验容器内的曝气深度H即为实验水深；工况1～工况21的曝气通入量范围为0.5～3m³·h^-1，其中，工况1、工况8、工况15为静置实验工况，即曝气通入量为0，作为对照工况；工况22～工况33的曝气通入量范围为0.5～1.5m³·h^-1，其中，工况22、工况26、工况30作为对照静置工况，即曝气通入量为0；空压机6的通气量大小是通过转子流量计5读取，由于单个转子流量计的最大量程为2.5m³·h^-1，而试验中需要的最大通气量为3m³·h^-1，因此采用两个转子流量计并联的方式来增加量程，试验中，通气量为两个并联转子流量读数之和；

6、当TGP测定仪1测量的实验容器3中过饱和TDG水体的饱和度值降到110％时，停止试验。

我国由于对高坝溶解气体过饱和问题研究起步晚，当前水环境质量标准中对TDG上限还没有明确规定。故采用美国国家环保局(EPA)及其Washington State、Oregon State等一些州在其水质标准中均规定了TDG饱和度上限要求110％。华盛顿大学研究认为过饱和TDG在下游河道的释放过程服从一阶动力学过程，其公式表达为：

式中，G为TDG饱和度，％；G_eq为TDG平衡饱和度，计算中取110％；t为释放时间，min；K_TDG为释放系数，min^-1。

当水体中溶解气体处于非平衡态不饱和或过饱和时，通过曝气可以加速水中溶解气体由非平衡态向平衡态的转变。在本实施例中，共设置33组工况，针孔曝气盘8的孔径采用0.84mm和0.41mm两种大小；曝气深度采用1m、2m、3m三种深度，也就是试验容器内实验水位控制的水深；曝气量的变化范围0.5～3.0m³·h^-1，各工况的过饱和TDG的释放系数通过上述公式(1)拟合得到，各实验工况的实验参数统计见表1。

表1各实验工况的实验参数统计表

本实施例中，在曝气深度1m，曝气孔径0.84mm的条件下，曝气量0.5m³·h^-1，即工况2，过饱和TDG的释放系数为0.0345min^-1，为静水条件下即曝气量为0，工况1的释放系数0.0002min^-1的177倍，水体中过饱和TDG的饱和度由初始时刻的130.2％降低至110.0％需用时间26分钟；静水条件下，水体中的过饱和TDG释放非常缓慢，工况1中的过饱和TDG的饱和度由初始时刻的145.3％降低至110.0％需用时90小时；当曝气量为3.0m³·h^-1情况下，即工况7，过饱和TDG的释放系数为0.0712min^-1，是静水即曝气量为0的工况释放系数的356倍，水体中的过饱和TDG饱和度由初始时刻的132.0％降低至110.0％需用时16分钟。

图2为不同曝气条件下，过饱和TDG的释放系数随通入曝气量的变化过程图。由图2可以看出，在曝气深度H和针孔曝气盘孔径，即曝气孔径d相同的条件下，随着通入曝气量的增加，各测点的过饱和TDG的释放系数逐渐增大；但随着曝气量的继续递增，过饱和TDG释放系数的增幅逐渐变缓。通过分析认为，随着曝气量增大，试验单位水体的紊动能越大，水体表面的更新速率也就越快，从而加快了水体中过饱和TDG的释放。在曝气量为0至3.0m³·h^-1的条件下，通过曲线拟合表明，释放系数随着曝气量的增加呈幂函数增长，其表达形式为：

K_TDG＝aQ_a ^b (2)

式(2)中，参数a、b的取值见表2。

表2溶解气体释放系数随曝气量变化的公式系数取值统计表

在本实验过程中，除曝气量和曝气孔径是影响气液界面传质过程的主要因素之外，曝气深度是另一影响气液界面传质过程的重要因素。在曝气孔径为0.84mm和0.41mm条件下，过饱和TDG释放系数与曝气深度H的关系变化分别见图3和图4。由图3和图4中可以看出，在曝气孔径和曝气量一定情况下，过饱和TDG的释放系数随着曝气深度的增加呈减小的趋势。对比分析可知，在特定曝气孔径下，曝气量越大，不同曝气深度上过饱和TDG释放系数的差值越大。其中，曝气孔径为0.84mm时，曝气深度1m和3m时TDG释放系数差值在曝气量为3.0m³·h^-1时最大，其差值为0.0264min^-1，在曝气量0.5m³·h^-1时最小，其差值为0.0089min^-1。

由于曝气孔径的减小，水体表面测点溶解气体的释放系数均匀不同程度的增大。其中，曝气深度为2m，曝气量为0.5m³·h^-1、1.0m³·h^-1、1.5m³·h^-1时，由于曝气孔径的改变，过饱和TDG释放系数分别增大到1.39、1.49、1.48倍，平均增大到1.46倍。综上研究表明，针孔曝气盘的孔径的减小直接导致水体表面的过饱和TDG的释放系数明显增大，溶解气体各个组分的释放速率均有不同程度地的提高。分析原因认为，相同曝气量下，针孔曝气盘孔径的减小，明显造成气泡尺寸变小，从而增大了气泡与水的接触面的面积，进一步加快过饱和溶解气体的析出。

根据前述不同曝气条件下过饱和TDG的释放系数的实验结果，经统计得到曝气量、曝气孔径、温度等条件相同时，溶解气体释放系数与曝气深度H的关系式可以表示为：

式中：为曝气深度H_i时溶解气体的释放系数(min^-1)；为曝气深度H_k时溶解气体的释放系数(min^-1)；α为基于水分子扩散系数D的修正系数：对于过饱和TDG，α＝1.0。

根据曝气量Q_a与曝气深度H对过饱和溶解气体释放系数影响的关系分析，特定曝气孔径d下，过饱和溶解气体与曝气量和曝气深度之间的关系可表示为：

式中：f₁(Q_a)＝aQ_a ^b，利用某特征曝气量Q₀，对其进行无量纲化，可得到其中k_Q0为曝气量Q₀、曝气深度为H₀时的过饱和溶解气体释放系数；通过量纲分析得到关于曝气量Q_a、曝气深度H与释放系数的定量关系式：

考虑到实验中曝气量范围及曝气深度范围，Q₀取为1.0m³·h^-1，H₀取2.0m，得到曝气深度2.0m、曝气量1.0m³·h^-1情况下，式中参数c的取值为0.39，的取值在曝气孔径为0.84mm和0.41mm情况下分别为0.038和0.056。

Claims

1.一种利用曝气来促进过饱和TDG释放的方法，其特征在于包括以下步骤：

(4)开启空压机，通过曝气装置向试验容器内的水体中通入曝气，并通过控制空压机阀门来调节每次通入的曝气量大小，曝气在试验容器内的曝气水深H即为试验水深；

(6)当试验容器内过饱和TDG水体的饱和度降到110％时，停止试验；

所述测定初始时刻实验容器内的表面过饱和TDG和温度的值，即测定过饱和TDG水体液面以下0.15米深度的过饱和TDG和温度的数值；

所述通过曝气装置通入试验容器内水体中的曝气量大小为0.5～3m³·h^-1。

2.根据权利要求1所述的方法采用的实验装置，其特征在于包括试验容器(3)、TGP测定仪(1)、温度记录仪(2)、曝气装置(4)、转子流量计(5)、空压机(6)和进出水口(7)；所述试验容器(3)内注入过饱和TDG水体，所述TGP测定仪(1)和温度记录仪(2)均置于试验容器(3)内的液面以下；所述曝气装置(4)安装在试验容器(3)底部；所述转子流量计(5)安装在空压机(6)与曝气装置中的曝气器(10)之间，用于测量记录通入试验容器(3)内的曝气量。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于所述曝气装置(4)包括针孔曝气盘(8)、孔状横隔板(9)、曝气器(10)三个部分。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于所述曝气装置(4)中针孔曝气盘(8)其针孔的直径为0.41～0.84mm；所述孔状横隔板(9)其孔的直径为4～8mm。