深水自吸式潜水曝气机的设计与试验

    为了改进自吸式潜水曝气机的深水曝气性能，提高其浸深充氧能力和动力效率，研究了曝 气机性能并设计了新的样机． 基于潜水曝气机的结构特点及射流原理，在面积比为 2． 25， 4． 00， 5． 06 和 6． 25时，分别改变喷嘴形状、喉嘴距、喉管长度、工作压力和流量，进行了大量的试验，得 出了不同面积比下的流量比与压力比曲线． 在此基础上，拟合了最佳性能曲线，归纳了设计方法． 根据要求的流量比和最佳性能曲线，可以查出对应的压力比和面积比，确定出合理的潜水泵工况 和曝气机的几何尺寸，据此设计了新的样机，并对其进行了试验． 结果表明: 该样机将自吸潜水曝 气机的最大潜水深度提高到10 m，在此水压头下，水气混合均匀，射流有力， 7． 5 kW 的功率，进 气量达到 122 m3 /h，产生的气泡细密、均匀，在水下滞留的时间长。

    关键词: 潜水射流曝气机; 潜水深度; 面积比; 试验 

    曝气设备是给水生物预处理、污水生物处理的 关键性设备，其功能是将空气中的氧转移到曝气池 液体中，以供给好氧微生物所需要的氧量，达到生物 处理的目的． 在污水处理中，特别是脱氮除磷工艺 中，高效可靠的曝气设备发挥着重要的作用。
    近 10 年来，国外曝气设备得到了飞速发展，针 对不同方式的曝气，研究人员对曝气效果做了深入 研究［3 －4］． 曝气机械种类繁多，结构各异，尤其是潜 水曝气机，以其使用维护简单、高效、低成本的特点， 得到了许多国外著名环保机械制造加工厂商和研究机构 的注意，对此投入了较大的开发研究力量; 研究分为 试验研究［5］与计算流体动力学分析［6］两个方向，其 产品也大量进入正在发展中的中国市场，但对于具 体的潜水曝气机设计方法，国外文献较少论述到。 
    目前，国家对污水排放的要求越来越高． 国内未 来曝气设备的发展，将高度重视潜水曝气机在结构 形式、技术指标等方面的研究［7 －8］． 随着潜水深度增 加，压力将随之增大，气泡将越细密，在水下滞留的 时间将越长，溶解氧也更充分，且同样的污水处理 量，曝气池越深，曝气池所占用的土地面积越小，一 般池深可加大到7 ～8 m，最大可达10 m． 因此，曝气 深度成为关注的热点。

    文中围绕着深度潜水曝气的要求展开试验研 究，找出自吸式潜水曝气机最佳性能曲线，并由样机 验证可行性。

1 曝气机工作原理

   潜水射流曝气机属于水下曝气设备，如图 1 所 示，由潜水泵和射流泵两大部分组成，射流泵部件又 由喷嘴、消声器、进气管、混气室、扩散管等零件组 成． 它在水体底层或中层充入空气，与水体充分均匀 混合，完成氧的气相到液相的转移。

    潜水曝气机采用了射流泵的原理，射流泵的结构 虽然简单，但其中的流动却非常复杂． 特别是液气射流泵，其中的两相流动是一个非常复杂的过程，从喷 嘴出口到喉管出口，其流动形态发生了很大的变化． 起初气液两相都是连续相，然后液体射流破碎，气体 保持为连续相而液体成为分散相． 然后液滴不断融 合，液体又变成了连续相，气体成了分散相( 液体中的 气泡) ． 这样的流动过程，至今未能进行理论计算，当 前商用 CFD 软件对射流曝气机的计算，很难达到理 想的精度［10］，所以，本研究以试验研究为主。

2 曝气机的试验研究

   为了获得性能优良的深水射流曝气机设计依 据，需要寻求液气射流泵的最佳几何参数． 因此，制 作了试验装置，如图 2 所示． 针对最佳参数的选择进 行了大量的试验． 试验涉及到 5 个参数改变: 喷嘴形 状; 喉嘴距 K; 喉管长度 L; 工作扬程 H1; 面积比 h。

    在试验中，通过有机玻璃的透明窗口，发现混气 室在气液混合中不起任何作用，气液混合是在喉管 前后完成的( 见图 3) ，并且清楚地观察到，随着参数 的变化，液体出现了回流现象，这对气液混合和曝气 过程的认识提供了可靠的依据。

     试验表明，在实际产品的设计中，可以尽量减小 混气室的体积，使产品更加紧凑，降低成本．
 

3 样机设计与试验验证

3． 1 主要设计参数
    在污水处理工艺中使用的自吸式潜水曝气机，主要的已知参数是所需要的空气流量 Q2 和淹没深 度 Hw． 而设备设计人员在这两个参数已知的前提条 件下，必须确定一系列的未知参数，其中包括: 潜水 泵的额定流量 Q1、额定扬程 Hc; 射流泵的流量比 q、 压力比 h、面积比 m 及几何尺寸，如图 4．

    在描述射流泵的性能、性能曲线、射流泵基本方 程以及射流泵的相似律时，均采用无量纲化参数比 较方便． 对于潜水曝气机而言，射流泵的扬程等于潜 水深度， H2 = Hw． 其中:

     射流基本方程 h = f( mq) 以无量纲化参数压力 比 h、流量比 q 和面积比 m 来表征射流能量的变化， 以及零部件的几何尺寸对性能的影响． 射流的运动 非常复杂，属于有界伴随射流［11］． 射流基本方程可 表示为以 m 为参变量的性能曲线． 课题组希望能够 通过试验方法，用曲线来表述射流的规律变化． 通过大量试验，逐步改变各项几何尺寸，总结试 验得出的结果，得出了面积比 m 分别为 2． 25， 4． 00， 5． 06， 6． 25 下的流量比 q 与压力比 h 的曲线，并在此 基础上拟合了射流曝气机的最佳性能曲线( 见 图 5) ; 在 流量比 q 确定后，可以查最佳性能曲线得 出合适的压力比 h，选定潜水泵的参数，再查上述曲 线得出合适的面积比 m，即可确定射流部件的几何 尺寸． 试验研究得出的曲线，与以前发表的气 － 气射 流曲线［11］有着明显的不同． 通过最佳性能曲线的指 导，可以设计出满足在10 m 水深下进行自吸曝气的 射流曝气机．

3． 2 射流泵设计
    根据以上的试验研究，设计了样机． 设计参数: 空气流量Q2 = 100 m3 /h; 淹没深度Hw = 10 m; 潜水 泵配套功率 P = 7． 5 kW． 根据最佳性能曲线，流量比选择小一些，压力比 较大，对潜水深度的提高比较有利，故初选q = 1． 所 以潜水泵流量 Q1 = Q2 = 100 m3 /h． 由最佳性能曲 线查得，此时压力比 h = 0． 4，面积比 m = 2． 25． 这里讨论的潜水射流曝气机， H2 等于潜水深度 Hw，则 H1 = H2 h = 25 m． 由此可以确定出潜水泵的额定扬程Hc = 15 m． 喷嘴口径为

d =

4Q1 μπ 2gH 槡槡 1

= 0． 040 6 m，

取 d = 41 mm． 喉管直径 D = 61． 5 mm． 喉管长度取为14D，亦即L = 860 mm． 扩散管按 照面积扩大一倍，扩散角以不超过8° 设计．

4 样机试验

   根据前述研究成果试制了样机，并在大型循环 加压水槽上进行了样机试验，通过水槽系统加压模 拟从 1 m 到 10 m 的多个水深状况． 通过高速摄像， 观察到在 10 m 深的水下射流式潜水曝气机的工作 状态以及气泡产生、漂移、溶解的全过程． 通过流量 计测出了不同水深下的进气量，测量了相应水深下 的潜水泵的电流 I 及工作压力 p，见表 1 所示． 该试验有力地证明了潜水曝气机是可以适应深 水要求的，高速摄像机和照相机清楚显示了10 m 水压下的水气混合均匀，射流有力( 见图 6) ，产生的气 泡细密、均匀，在水下滞留的时间长，大大提高了氧 气的溶解效率，气泡扩散漂移的状态见图7．

5 结 论

1) 得出了潜水射流曝气机的最佳性能曲线． 该 曲线与以前发表的气 － 气射流曲线，有明显的不同．
2) 试验中发现混气室在曝气的过程中不起作 用，所以在潜水自吸式曝气机设计时，可以尽可能减 小混气室的尺寸，使机组更紧凑．
3) 总结了潜水自吸式曝气机的设计方法，并通 过样机设计、制造和试验证实了该方法的准确性，取 得了满意的结果．
4) 试验结果表明，在 10 m 的水压下，水气混合 均匀，射流有力，产生的气泡细密、均匀，且在水下滞 留的时间长，大大提高了氧气的溶解效率．

5) 试验的成功，证明曝气池可以适当加深，节 约污水处理厂所需的占地面积，对污水处理的工艺 改进，必将起到一个良好的促进作用．
6) 在以后的研究中，还需对气泡密度、直径分 布等细节做进一步探讨．