传统的增氧模式都是固定位点增氧,通过机械搅拌或射流混合及鼓泡混合等技术强化湍流提高混合增氧效果,只适合于小水量或小面积水域增氧,在大面积水域增氧采用固定多点布气,存在投资大、增氧不均匀以及运行维护成本高等问题。开发大水体或宽水域高效增氧的过程强化技术对于水体污染治理、水产养殖及生物发酵领域具有重要意义。溶氧双膜理论认为氧气在水中的传质阻力主要集中在液膜一侧,维持高的气液传质推动力、增大气液接触面积以及延长气液接触时间是高效增氧的关键,利用机械或流体动力方法增加湍流强度可以提高增氧效果。当溶解氧浓度越接近水体氧饱和浓度,传质推动力越小,溶氧效率越低,增氧时间越长,能耗越高。基于前期研究基础,本论文以水体混合增氧为研究体系,通过固定式高效旋环流及移动增氧布气装置的结构及条件优化打破了传统增氧布气能耗高,溶氧效率低,大容量及宽水域均匀布气增氧困难等技术瓶颈,开发出了新型高效旋环流增氧布气装置系统及使用技术。新型增氧装置是利用液泵和空压机分别输送液体与气体至双流道一体化的旋转喷头中,动力喷嘴喷出的液流推动喷头旋转同时,溅射形成湍流,与此同时,射流喷嘴沿径向及周边喷出的多股射流束以及动力喷嘴上的溅射液体可将大气泡打散成尺寸更小的微气泡,向外夹带和推送,扩展布气及气液混合区域,有效减少气泡聚并,提高和扩大气液紊动程度,增加了气泡密度和气液接触面积。气泡沿着旋流形成的旋转路径上升并与不断流动和表面更新的液体有了更长的停留时间和更充分接触,达到液体面后一部分逸出至空气中。上升气体与回流液体之间产生的比重差导致的轴向环流可以促进水体上下均匀混合,向下循环的液体还可以夹带着部分气体向下循环,进一步增加了气泡停留时间,很好地避免了局部溶氧饱和导致传质效率下降及能耗升高等问题,大大强化了溶氧效果。而在大水面使用移动式增氧可用独套设备覆盖整个宽阔水域,在移动的过程中还能进一步避免局部溶氧饱和以及气泡聚并问题,提高溶氧效率,性价比优势显著。为了对新型旋环流增氧布气系统的增氧与混合性能进行评价,本论文对旋射流布气喷头材质与结构进行了优化后,分别在体积1.5 m3的混合桶、体积为30 m3的发酵罐以及体积为80 m3的水池中进行了固定位点增氧实验、移动增氧实验,与机械搅拌通气式发酵罐增氧性能对比试验以及枯草芽孢杆菌发酵实验。通过结合液体流量、气体流量、转速及喷头安装深度等条件采用电导率平衡法与溶氧速率法对旋转喷头在液相增氧混合中的溶氧曲线、氧质量转移系数、增氧能力、增氧动力效率、混合准数以混合时间等进行了系统研究,总结了影响规律,确定了优化的喷头结构和操作条件。在直径1.2 m、液体高度1.35 m、中进行的实验结果表明:以射流形式喷出的液体能够更好分散气体,径向混合和轴向循环混合增氧效果显著,可以形成旋环流充分混合的湍流体系,类似“烧开水”的沸腾效果,可在无内导流桶模式下进行高效内循环。喷头移动速度、气体流量、旋转喷头结构、旋转喷头的旋转速度、液体流量及喷头位置是影响溶氧效果的几大主要影响因素。旋转喷头的增氧能力与动力效率随着气液流量的增加而增加,气体流量增加带来的增益大于液体流量增加带来的增益;旋转喷头的增氧能力和动力效率随着喷头的安装深度的增加而增大,深度加深0.6 m,增氧性能提升40%;气泡分布直径主要由液体压力与流量、气体压力与流量及喷嘴排布决定;在长13.8m、宽2.9m、深2.0m、水体积为80 m3的水池中进行的移动增氧与固定增氧的对比实验结果表明:在相同气液流量和液下深度情况下,移动增氧的溶氧效率提高显著,在移速达到2.5 m/s时,装置的增氧能力与动力效率可增加约3倍;在直径2.4m、高度7.5m、体积为30 m3的发酵罐中利用固定旋环流增氧装置替代机械搅拌溶氧布气系统的实际生产验证结果表明:无搅拌的旋环流布气增氧模式可以显著提高扩散系数,强化了液相和气相主体的紊流程度和气膜及液膜厚度,加速了气液界面更新,增大了气-液接触面积,液下底部曝气同时提高了气相的氧分压,更具节能降耗及高效增氧的效果。