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的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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、D0,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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] (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；
[0008] (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；
[0009] (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；
[0010] (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；
[0011] (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；
[0012] (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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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 \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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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4~8_。
[0022] 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。
[0023] 本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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】
[0029] 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； [0030] 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；
[0031] 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 ;
[0032] 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 孔曝气盘的孔径为〇· 41mm。
[0033] 图中，ITGP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】
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 实施例
[0037] 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。
[0038] 所述试验容器3采用内径0. 4m，高4. Om有机玻璃圆筒；
[0039] 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 -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~ 100 μ m之间。
[0040] 所述转子流量计5的型号为ZBL-10,量程范围为0. 25~2. 5m3 · h S
[0041] 所述空压机6的型号为ZB-O 12/8,其额定流量输出为120L/min ;
[0042] 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 ;
[0043] 所述 TGP (Total Dissolved Gas Pressure)测定仪 1 米用丹麦 Oxyguard 公司生 产的Polaris TGP测定仪，其量程为O~200%，其精度为±1%。
[0044] 具体操作步骤如下：
[0045] 1、按照图1实验装置的结构连接布置好各仪器设备；
[0046] 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Im ;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 ;
[0047] 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；
[0048] 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