一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置及方法

本发明属于水利工程，涉及溶解气体过饱和技术，尤其涉及一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置及方法。

背景技术：

1、目前，水电站梯级建设取得巨大发展，由此也带来了一些生态环境问题，大坝泄水生成的溶解气体过饱和就是其中之一。高坝泄洪时，大量空气被水舌卷吸进入水垫塘深处，在其巨大的水压作用下，多余的气体溶解于水中，使水中溶解气体过饱和。过饱和溶解气体在下游河道中释放较为缓慢，有时在下游数十甚至数百公里范围内都可观察到其影响。过饱和溶解气体的存在会使鱼类等水生生物患气泡病(gas bubble disease，简称gbd)，严重时可导致水生生物死亡，对水生生态系统造成不利影响。因此，对过饱和溶解气体的生成、释放及其对鱼类的影响研究具有一定的生态意义。

2、对过饱和溶解气体的研究手段主要包含原型观测、数值模拟以及室内实验。其中，室内实验能有直接有效地获取研究成果，是研究过饱和溶解气体最重要的手段。在室内实验中，溶解气体过饱和水生成装置是必不可少的。已有的过饱和溶解气体的生成装置采用的原理是：将水流和气流在高压条件下掺混，从而生成溶解气体过饱和的水，压力越高，掺气量越大，则生成的溶解气体饱和度越高。

3、专利申请cn200920176457.2公开了一种水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的装置，是运用较多的过饱和溶解气体生成装置。该装置利用抽水泵将水流抽至管道顶部形成高压条件，在顶部接入气管，用空压机充入空气。在高压条件下，水流和气流通过回形管道不断地掺混，形成溶解气体过饱和水流。该装置可供流量为15l/s，生成总溶解气体和溶解氧饱和度最高可达130％。

4、目前，随着研究地深入，对生成过饱和溶解气体水的流量和饱和度的要求逐渐变高。若要在满足大流量条件的同时满足较高的过饱和溶解气体生成饱和度，则需要的水压必须达到一定的要求，相应的需要投入多台大功率抽水泵，花费成本较大，难以实现。基于此，若能通过一些其他的方法在满足大流量的同时提高过饱和溶解气体生成饱和度，将有助于节约成本，满足科研需求，对于研究过饱和溶解气体的产生机理、释放规律、降低过饱和溶解气体对鱼类影响、建设环境友好型的大坝具有特别重要的现实意义和理论价值。

技术实现思路

1、本发明目的旨在针对现有技术存在的问题和不足进行弥补，提供一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，能够在满足大流量的同时提高过饱和溶解气体生成饱和度。

2、本发明还提供了一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，能够提高现有过饱和溶解气体生成装置的过饱和溶解气体生成饱和度，从而能有效地为与过饱和溶解气体研究有关的物理模型实验提供更好的条件，对于将实验更好的转化到实际生产应用中具有重要理论价值和工程意义。

3、本发明是在出流流量为65l/s的过饱和溶解气体生成装置的基础上，提出了利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置。具体采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

4、本发明提供的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，其包括曝气发生机构、清水池、过饱和溶解气体生成机构；所述曝气发生机构包括一台以上的第一空压机和曝气盘；所述第一空压机输出端通过软管与曝气盘输入端连接；所述曝气盘盘面均匀设置有若干气体出口；所述清水池与过饱和溶解气体生成机构连通；所述曝气盘置于清水池内。

5、上述利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，所述第一空压机的数量为1-2台。所述曝气盘盘面直径为26cm；曝气盘气体出口为微孔出口，孔径优选约为0.1-0.2mm。

6、上述利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，所述曝气盘盘面与清水池出水口之间的距离为1-2m。

7、上述利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，所述过饱和溶解气体生成机构包括第二空压机、水泵、s型管和容器；所述第二空压机、水泵经管道和t型支管与s型管连通；所述s型管另一端置于容器内，所述水泵放置于清水池内。与所述第二空压机和水泵连通的管道上分别设置有阀门。

8、本发明还提供了一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，包括以下步骤：

9、(1)将曝气发生机构的第一空压机、曝气盘通过软管连接，曝气盘固定于清水池内；

10、(2)向清水池内蓄水；

11、(3)启动过饱和溶解气体生成机构，并调节清水池入口阀门，使清水池内水深保持稳定；

12、(4)启动曝气发生机构的第一空压机，并通过曝气盘在清水池中产生曝气，含有曝气的水经清水池出口被抽入过饱和溶解气体生成机构，用于产生溶解气体过饱和水体。

13、上述利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，通过曝气发生机构在清水池中产生的单位体积水体曝气量为0～5/h。

14、上述利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，基于单位体积水体曝气量与生成的饱和水体饱和度建立相关的函数关系，进而得到过饱和溶解气体的生成饱和度：

15、g＝g0+1.92×qa0.85

16、式中，qa为单位体积水体的曝气量(h-1)；g0为未曝气情况下过饱和溶解气体生成机构生成的过饱和溶解气体饱和度；g为曝气情况下过饱和溶解气体生成机构生成的过饱和溶解气体饱和度(％)。

17、与现有技术相比，本发明提供的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置及方法具有以下有益技术效果：

18、(1)本发明首次提出利用曝气提高过饱和溶解气体的生成饱和度，在已有过饱和溶解气体生成机构的清水池内加入曝气盘曝气，能够进一步提升过饱和溶解气体的饱和度，为丰富溶解气体过饱和问题的实验研究提供了重要的基础。

19、(2)本发明通过改变曝气量、调整实验水深进行试验，得到溶解气体饱和度随单位体积水体的曝气量变化规律，进而实现利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体。

20、(3)本发明通过在已有过饱和溶解气体生成机构的清水池中曝气来提高过饱和溶解气体生成饱和度的研究表明，水深一定时，曝气量越大，提升效果越好；曝气量一定时，水深越浅，提升效果越好。

21、(4)本发明所提供的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置结构简单，操作方便，成本低。

技术特征：

1.一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，其特征在于，包括曝气发生机构(1)、清水池(2)和过饱和溶解气体生成机构(3)；所述曝气发生机构(1)包括一台以上的第一空压机(11)和曝气盘(12)；所述第一空压机(11)输出端通过软管(13)与曝气盘(12)输入端连接；所述曝气盘(12)盘面均匀设置有若干气体出口；所述清水池(2)与过饱和溶解气体生成机构(3)连通；所述曝气盘(12)置于清水池内。

2.根据权利要求1所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，其特征在于，所述第一空压机(11)的数量为1-2台。

3.根据权利要求1所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，其特征在于，曝气盘(12)气体出口为微孔出口，孔径为0.1-0.2mm。

4.根据权利要求1或3所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，其特征在于，所述曝气盘(12)与清水池(2)出水口之间的距离为1-2m。

5.根据权利要求1所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置，其特征在于，所述过饱和溶解气体生成机构(3)包括第二空压机(31)、水泵(32)、s型管(33)和容器(34)；所述第二空压机(31)、水泵(32)经管道和t型支管(35)与s型管(33)连通；所述s型管(33)另一端置于容器(34)内，所述水泵(32)与清水池(2)出水口连通。

6.一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，其特征在于，通过曝气发生机构在清水池中产生的单位体积水体曝气量为0～5/h。

8.根据权利要求7所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，其特征在于，通过曝气发生机构在清水池中产生的单位体积水体曝气量为2～5/h。

9.根据权利要求7所述的利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的方法，其特征在于，基于单位体积水体曝气量与生成的饱和水体饱和度建立相关的函数关系，进而得到过饱和溶解气体的生成饱和度：

技术总结
本发明属于水利工程技术领域，公开了一种利用预曝气制备大流量溶解气体过饱和水体的装置及方法，该装置包括曝气发生机构、清水池、过饱和溶解气体生成机构；曝气发生机构包括一台以上的第一空压机和曝气盘；第一空压机输出端通过软管与曝气盘输入端连接；曝气盘盘面均匀设置有若干气体出口；清水池与过饱和溶解气体生成机构连通；曝气盘置于清水池内。本发明能够在满足大流量的同时提高过饱和溶解气体生成饱和度。

技术研发人员：冯镜洁,王崇霖,李然,袁酉铨,王远铭,王炳凯,梁瑞峰,李克锋
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25