式中：P——曝气设备功率，kW。

　　常用的评价曝气器充氧性能的指标有氧总传质系数KLa、充氧能力OC、氧利用率SOTE和理论动力效率E〔7〕。已有的研究较多关注于氧总传质系数、充氧能力和氧利用率的变化趋势，对理论动力效率的研究较少〔8, 9〕。理论动力效率作为唯一的效能指标〔10〕，能够反映出曝气过程中的能耗问题，是本试验关注的重点。

　　2.2 曝气量对充氧性能的影响

　　试验采用孔径200 μm曝气器底部2 m处曝气的方式对不同曝气量下的充氧性能进行评估，结果见图 2。

 图 2 K_La及氧利用率随曝气量的变化情况

　　由图 2可知，KLa随曝气量的增加而逐渐增大。主要是因为曝气量越大，气液接触面积增大，充氧效率提高。另一方面，有研究者发现氧利用率随曝气量的增加而减小，本试验也发现了类似情况。这是因为在一定水深下，曝气量较小时增加了气泡在水中的停留时间，气液接触时间延长;曝气量较大时对水体扰动较强，大部分氧气未有效利用，最终以气泡形式从水面释放到空气中。本试验得出的氧利用率与文献相比不高，可能是反应器高度不够，大量氧气未与水体接触便逸出，降低了氧利用率。

　　理论动力效率(E)随曝气量的变化情况见图 3。

 图 3 理论动力效率与曝气量的关系

　　由图 3可知，理论动力效率随曝气量的增加逐渐降低。这是因为在一定水深条件下，随着曝气量的增加，标准氧转移速率增加，但鼓风机消耗的有用功增加量比标准氧转移速率的增加量更显著，因此在试验考察的曝气量范围内，理论动力效率随曝气量的增加而减小。结合图 2和图 3的变化趋势，可以发现曝气量为0.5 m3/h时的充氧性能最佳。

　　2.3 孔径对充氧性能的影响

　　孔径对气泡的形成有很大影响，孔径越大，气泡的尺寸越大〔11〕。气泡对充氧性能的影响主要表现在两个方面：一是单个气泡越小，整体气泡的比表面积越大，气液间传质接触面积越大，越有利于氧气的转移;二是气泡越大，对水体的搅动作用越强，气液之间混合越快，充氧效果越好。往往第一点在传质过程中起主要作用。试验将曝气量设定为0.5 m3/h，考察孔径对KLa和氧利用率的影响，见图 4。

 图 4 KLa和氧利用率随孔径的变化曲线

　　由图 4可知，KLa和氧利用率均随孔径的增加而减小。相同的水深和曝气量条件下，50 μm孔径曝气器的KLa约是1 000 μm孔径曝气器的3倍。因此当曝气器安装水深一定时，孔径越小的曝气器充氧能力和氧利用率越大。

　　理论动力效率随孔径的变化情况见图 5。

 图 5 理论动力效率与孔径的关系

　　由图 5可知，理论动力效率随孔径的增加呈先增大后减小的趋势。这是因为一方面小孔径曝气器具有较大的KLa和充氧能力，有利于充氧的进行。另一方面，一定水深下阻力损失随孔径的减小而增大〔12〕。当孔径减小对阻力损失的促进作用大于氧传质作用时，理论动力效率就会随孔径的减小而降低。因此孔径较小时理论动力效率会随孔径增大而增大，并于孔径200 μm处达到最大值1.91 kg/(kW·h);当孔径>200 μm时，阻力损失在曝气过程中不再起主导作用，KLa和充氧能力会随着曝气器孔径的增加而减小，因而理论动力效率呈明显下降趋势。

　　2.4 安装水深对充氧性能的影响

　　曝气器的安装水深对曝气充氧效果有十分显著的影响。试验研究目标是2 m以下的浅水河道。已有的研究主要关注曝气器的浸没水深(即曝气器安装于池底部，通过增加水量的方式来增加水深)，试验主要针对曝气器的安装水深(即水池的水量保持不变，通过调节曝气器的安装高度找到曝气效果最佳的水深)，KLa和氧利用率随水深的变化情况见图 6。

 图 6 K_La和氧利用率随水深的变化曲线

　　图 6表明，随着水深的增加，KLa和氧利用率均呈明显的增大趋势，KLa在水深0.8 m处和水深2 m处相差4倍多。这是因为水深越大，气泡在水体中的停留时间越长，气液接触时间就越长，氧传质效果越好。因此，曝气器安装越深越有利于充氧能力和氧利用率的提高。但安装水深增加的同时阻力损失也会增加，为了克服阻力损失，就必须增加曝气量，这势必会导致能耗和运行成本的增加。因此，为了得到最佳安装水深，有必要对理论动力效率与水深的关系进行评估，见表 1。

　　表 1显示，安装水深为0.8 m时理论动力效率极低，只有0.5 kg/(kW·h)，因此不宜采用浅水曝气。安装水深为1.1～1.5 m范围内，由于充氧能力显著增加，而曝气器所受到的阻力作用效果不明显，因此理论动力效率快速增加。随着水深进一步增加到1.8 m，阻力损失对充氧性能的影响越来越大，导致理论动力效率的增长趋于平缓，但依旧呈现增加趋势，且于安装水深为2 m时，理论动力效率达到最大1.97 kg/(kW·h)。因此，对于 < 2 m的河道，为使充氧性能最佳，宜采用底部曝气的方式。。

　　3 结论

　　利用静态非稳态法进行微孔曝气清水充氧试验，在试验水深(< 2 m)和孔径(50～1 000 μm)条件下，氧总传质系数KLa和氧利用率随安装水深的增大而增大;随孔径的增大而减小。在曝气量从0.5 m3/h增加到3 m3/h的过程中，氧总传质系数和充氧能力逐渐增大，氧利用率减小。

　　理论动力效率是唯一的效能指标。在试验条件下，理论动力效率随曝气量和安装水深的增加而增大，随孔径的增加先增大后减小。安装水深和孔径要合理组合才能使充氧性能达到最佳，一般情况下，水深越大选用的曝气器孔径越大。

　　试验结果表明不宜采用浅水曝气。在安装水深为2 m处，采用0.5 m3/h的曝气量和200 μm孔径的曝气器可以使理论动力效率达到最大值1.97 kg/(kW·h)。