扬水曝气器出流结构优化及对控藻效果的影响

收稿日期：2014-01-09基金项目：国家科技支撑计划课题（2012BAC04B02）；国家自然科学基金资助项目（51178379，51278404）；陕西省社发攻关计划（2010K11-02-03）；教育部高等学校博士点专项科研基金（20106120120012）；西安建筑科技大学人才科技基金（RC1130）作者简介：孙昕（1971-），男，博士，副教授，主要从事水质污染控制与模拟研究。E-mail：xinsunn@gmail.com水利学报SHUILIXUEBAO2014年7月第45卷第7期文章编号：0559-9350（2014）07-0858-09扬水曝气器出流结构优化及对控藻效果的影响孙昕，马晓林，许岩，黄廷林（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055）摘要：扬水曝气是湖泊水库富营养化控制的有效新技术。本文采用不同的扬水曝气器出流结构，运用FLUENT数值模拟了扬水曝气器外围流场和藻类浓度场，模拟的流速和藻类浓度结果与实测结果吻合较好。在典型曝气量25m3/h下，运用动量方程计算了不同出流结构条件下设备所受的冲击力。计算结果表明采用上升筒侧壁开孔和设导流板的优化出流结构使设备所受最大冲击力减少46.4%；最大冲击力随水流速度峰值增加而增大，但呈非线性关系。采用优化的出流结构，在水库典型水深55m和80m条件下，扬水曝气器外围的入口顺时针环流半径分别扩大8.3%和21.4%，核心控藻区域半径分别增加3.0%和22.2%，核心控藻区域面积分别增加0.6%和5.4%，藻类完全混合的时间分别延长11.1%和15.4%。扬水曝气器更适宜于深水型分层湖库原位控藻。关键词：扬水曝气；出流结构；冲击力；控藻；分层湖库中图分类号：TV131；X524文献标识码：Adoi：10.13243/j.cnki.slxb.2014.07.0131研究背景湖泊水库内源污染及富营养化问题在世界范围内广泛存在，季节性分层是深水型湖库水质内源污染的主要诱因之一［1-3］。受跃温层内的浮阻力影响，表层水体中较高浓度的溶解氧很难穿过跃温层而传递到底部水体，同时底部水体和底泥因各种化学、生物等作用在不断耗氧，二者共同导致底部水体溶解氧浓度逐渐降低，当溶解氧浓度低于2mg/L时，水库底泥中的无机和有机污染物会大量释放，在冬春交替季节“翻库”而污染整个水库水体［1-2］。内源污染物的大量释放，会在气温较高的季节造成藻类的过量繁殖，加快水体富营养化进程；对于作为饮用水水源的湖库，它不仅危及饮用水安全，还会增加水处理成本［1，4］。对于浅水湖库，富营养化的主要控制途径是削减营养盐的含量；对于水深大于30m的深水型湖库，混合和充氧是目前应用较多的两种富营养化控制技术［2，5-6］，而扬水曝气器技术将混合和充氧有机结合［7-8］，在众多技术中脱颖而出，并已成功应用于太原汾河水库和西安金盆水库［9-10］，其详细结构详见其他文献［7-8］。当压缩空气从微孔进入扬水曝气器曝气室后，曝气室内发生类似于曝气池中的气水两相流［11-12］；未溶解的残余气体会逐渐在曝气室顶部累积，当曝气室内水位被气体挤压至水封板下缘时，曝气室内气体会迅速溢入扬水曝气器的中间上升筒，在上升筒内形成大型气弹携带水库底部水流先加速上升，后由于水流阻力的增加而减速上升，最后速度降为0，直至下一个气弹形成，循环不已。采用该技术不仅能提高水体溶解氧含量，有效抑制底泥中污染物的释放；还能产生循环水流，将表层藻类输送至水温及溶解氧浓度较低及光照较弱的中下层水体，控制藻类的过量繁殖和水体富营养化。——858在扬水曝气器运行过程中，周期性气弹携带水流上升会对设备顶部浮体产生较大的冲击力，长时间运行易使设备顶部、中下部连接部件及底部锚固系统出现疲劳损坏，需要对扬水曝气器顶部出流结构进行优化，以降低上升水流对曝气器的冲击力，使设备长期、稳定、可靠运行。由于扬水曝气器所受冲击力和扬水曝气产生循环水流的混合控藻效果都直接受水流速度场的影响，故本文采用商用Fluent软件，首先数值模拟不同扬水曝气器出流结构条件下的出流单元内流场，计算分析扬水曝气器所受冲击力，选取优化的出流结构形式；然后采用优化出流结构，在金盆水库典型的低水深55m和高水深80m条件下，数值研究和评估优化出流结构对扬水曝气控藻效果的影响，并以水深80m条件下曝气器周围流速和藻类浓度分布进行模型验证，旨在为扬水曝气器的结构改造和扬水曝气控藻技术的高效应用提供技术依据。2数值模拟与分析方法2.1优化结构研究对象为浮筒式扬水曝气器上升筒及其外围水体，将其简化为二维轴对称模型。数值研究出流结构对扬水曝气器所受冲击力的影响时，根据曝气器的实际原始出流结构（图1（a））及拟采用的改进出流结构（图1（b）—（d）），采用Fluent的前处理软件GAMBIT建