循环水养殖系统的水处理

循环水养殖系统的水处理       

 循环水养殖是未来水产养殖模式的发展方向［1－2］。目前，循环水养殖模式在国外发达国家已得到普遍应用，国内起步较晚，相关研究相对比较滞后［3］。循环水养殖水处理设备的小型化、系统的优化以及节能减排，是重要的研究和发展方向［4］。悬浮颗粒物的去除设备和氨氮、亚硝态氮等有毒有害物质的降解设备，是其优化和改进主要内容。
    转鼓微滤机是一种高效去除悬浮颗粒物的主要设备之一，应用较广。其优点是:过滤效果稳定、不易堵塞、处理量较大，适于规模化生产系统的应用。缺点是:造价较高、运行和压力反冲洗需要能耗［5－7］。
    生物净化装置有很多［8］，其中，流化床过滤器具有稳定的处理效果，是较新的装置，已开始应用，但需要消耗一定的使滤料流化的水动力，并占有较大的体积［9－10］。生物转盘具有降解效果稳定的特点，但因其结构相对复杂，造价高，并需要旋转动力，使用较少［11－13］。
    一些生物过滤装置同时具有物理过滤的功能，但在高密度的养殖系统中，还很少有研究报告。目前，国外有研究的塑料填珠过滤器(Propeller washed biofilter)，同时具有物理过滤和生物净化功能，但其需要机械动力、液压或气压等对滤料进行反冲洗和需要额外增氧进行有效生物净化，其物理处理效果较好，生物净化较弱，且投资较大，耗能也较大，在循环水养殖系统的推广应用有待研究［14］。
    本研究集成的一体化装置，将生物转盘和流化床生物过滤器的优良性能在转鼓式微滤机的基础上进行集成和结构设计，并通过实验性循环水养殖系统的构建，获得了一体式过滤净化装置在高密度循环水养殖系统中的应用效果。
    1·材料与方法
    1．1系统和设备
    1．1．1一体式过滤净化机
    一体式过滤净化机，简称一体机。其功能原理图如图1所示，由一个具有不锈钢滤板的转鼓安装在装有水体的箱体中，通过电机带动减速装置转动运行。转鼓内外都装有生物载体滤料，运行时，在转鼓导流板及水流的作用下，滤料翻滚，具有流化床生物净化装置的流化水动力功能。转鼓内装有翻动板可以将滤料在转鼓运动时带出水面与空气接触。养殖污水从一体机顶部进入转鼓，通过滤板的物理过滤去除悬浮颗粒物，再经过转鼓内外生物滤料生物膜的生物净化作用，最后流回鱼池。滤板截留的污物通过导流板流入集污槽。在转鼓转动时，内外滤料的相互碰撞作用可以进一步清除滤孔上的堵塞物。
              
    试验用一体机转鼓直径为0．8 m，鼓长0．4m，电机额定功率1．15 kW，转速为2 r/min，转鼓滤板表面线速度为0．084 m/s。选用不锈钢长腰孔冲孔板，腰孔宽度0．2 mm，长度5 mm，开孔率30%，采用长腰孔长边方向与转鼓切向方向相同的安装方式。在两片滤板相接处装有硅胶条作为排污导流板，其与集污槽上的硅胶板软接触，转鼓转动时将截留在滤板上的固体颗粒物带入集污槽中。
    进水水管直径为50 mm，中间两侧打两排通孔，通孔孔径为直径24 mm，进水高度，即进水管与滤板的最近距离为15 cm。循环泵24 h持续工作，一体机转鼓间歇运转。一体机水位保持在转鼓直径的45%～50%之间。转鼓内部装有生物滤料量为0．08 m3，转鼓外部装有生物滤料量为0．02 m3。滤料采用PE材料的塑料粒子(图2)，粒径为10×10 mm，密度为0．91 g/cm3，比表面积为500～600 m2/m3。
              
    1．1．2系统
    试验在中国水产科学研究院渔业水体净化技术与系统研究重点开放实验室进行。试验系统如图3所示，主要由一个养殖池(蓄水量约1．24 m3);一个旋流器(蓄水量约0．025 m3)，旋流器的主要作用是去除较大粒径(≥100μm)的固体颗粒物，为后续的一体机做预处理，也为水泵池减少颗粒物含量，减少颗粒物被抽水打碎;一个水泵池(蓄水量约0．063 m3);一个水泵(扬程4．5m，功率0．135 kW);一个一体机(功率1．15 kW，蓄水量约0．338 m3)串联构成。系统的总水量约为1．67 m3。
    
    1．2试验方法
    1．2．1试验基本参数
    试验用鱼为澳洲宝石斑鱼(Scortum barcoo)，一次性投放221条，共33．75 kg，每条均重0．153kg，养殖密度为27．22 kg/m3。投饲量为鱼体重量的1%～1．5%，每天上下午各一次，分别为上午8:00，下午14:00。每天上午10:00取水样各500 mL，取水点分别为鱼池中部，鱼池底部，一体机进水口，一体机出水口。所取水样主要用于测量氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮以及水中悬浮颗粒物的含量。以测出一体机对TSS的去除水平和对氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮的降解能力。
    水温保持在21℃～28℃之间;用曝气石在养殖池中增氧，使水中溶氧≥3．5 mg/L;pH值由纯碱(NaHCO3)调节，保持在6．2～7．5。日换水量为10%;循环量为0．8 m3/h，即系统水循环约为2小时/次。
    1．2．2测量方法
    (1)水质参数的测量见表1所示［15－16］。
             
    (2)使用电能综合分析测量仪(DZFC)测量平均实际功率，记录运行时间，再通过焦耳定律计算出耗电量。
    1．2．3计算方法
    TSS去除率:ηTSS=(进水TSS浓度－出水TSS浓度)/进水TSS浓度×100%(1)
    均重特定生长率:SGR=100%×［(ln末均重－ln初均重)/养殖时间］(2)
    均重增重率:MR=100%×［(末均重－初均重)/初均重］(3)
    存活率:SR=100%×［(初养殖数－末养殖数)/初养殖数］(4)
    2·结果与分析
    2．1一体式过滤净化机对TSS的去除效果
    TSS是一体机处理的主要内容之一。试验测得一体机的去除率如表2所示，其去除率约为58．48%±17．63%。

    2．2一体式过滤净化机的生物净化效果
    一体机的生物净化功能主要是通过硝化细菌的作用将氨氮和亚硝态氮转化为毒性较小的硝态氮。试验测得的生物净化处理的相关数据如图4、图5所示:
             
             
    如图4所示，系统在20天后生物净化开始稳定，此时，氨氮(NH+-N)含量维持在≤2 mg/L;亚硝态氮(NO－2-N)含量维持在≤0．5 mg/L。如图4所示，硝态氮(NO－3-N)呈曲折上升趋势。
    2．3能耗
    通过电能综合分析测量仪测出一体机运行时的实际功率均值为0．05 kW，见表3。
             
    对转鼓静置0．5 h、1 h、1．5 h、2 h、2．5 h、3 h，分别观测转鼓上的积污情况，当静置为1～2 h左右时积污较好，能将滤板上的滤料带入集污槽中，当静置达到3 h时，堵塞情况较严重，水流沿转鼓直接流向集污槽。因此本系统选择以静置1h计。对转鼓运转时间的确定，使转鼓运转1～10 min，观测当运行2～5 min时，滤板清理情况较好。因此设定一体机为每1 h间隔运行2～5min，则每天运行消耗电能可由焦耳定律算出:2 min:(2/60)×0．05(kW)×24(h)=0．04kW·h。即一体机每天总电耗为0．04 kW·h。5 min:(5/60)×0．05(kW)×24(h)=0．1kW·h。即一体机每天总电耗为0．1 kW·h。
    2．4养殖情况
    经过60 d(2009年5月20日～2009年7月21日)的养殖中，宝石斑鱼健康成长，如表4所示。9条死鱼中，其中一条死于鱼池中，其余皆为夜间受惊扰，跳出鱼池缺氧而死。养殖密度从试验时的27．22 kg/m3，增长到试验结束时的35．20kg/m3。在试验结束后，仍按试验时的养殖方式养殖到2009年8月8日，鱼总重达到51 kg，212条，养殖密度达到41．13 kg/m3。
               
    3·讨论
    3．1物理过滤
    (1)与微滤机相似的处理效果:试验测得，在选用不锈钢长腰孔冲孔板，腰孔宽度0．2 mm，长度5 mm，开孔率30%，采用长腰孔长边方向与转鼓切向方向相同的安装方式;采用转鼓直径为0．8 m;转速为2 r/min，滤板表面线速度为0．084m/s的运行速度;进水TSS浓度为30～70 mg/L的情况下，一体机的TSS去除率为58．48%±17．63%。与宿墨等［5］优化状态下的微滤机相比，具有相似的去除效果。其微滤机选用200目(70μm)不锈钢滤网，转鼓直径0．8 m，转速2．3r/min，进水浓度30～50 mg/L，TSS去除率为54．9%±10．42%。需要说明的是，宿墨等［5］试验中鱼池出水直接进入微滤机过滤，本试验中先经过旋流器，再进入一体机，中间多了旋流器对大颗粒物的去除功能，可能有一定的影响。
    (2)较微滤机节省了反冲洗结构:一体机在静置时，具有反向使用的弧形筛的作用效果［17］。一体机从转鼓外部上部进水，水流自流的带动和颗粒物自重作用使固形物带出转鼓，收集到集污槽中;另外，在导流板和集污槽上装有硅胶条作为软接触，有利于利用硅胶条对滤网的刮除作用。同时，由内外生物滤料的棱角对滤孔的摩擦碰撞，从而进一步去除孔眼上的堵塞物。一体机较微滤机减少了反冲洗结构和排污水量损失。
    微滤机反冲本身也存在缺陷，由于其内部进水的方式，不利于将水体中未粘附于滤网上的固体颗粒物带出水面到达反冲洗位置，而使其不断地在转鼓内翻转，从而打碎颗粒，使处理更加困难。一体机在进水方式上减少了颗粒物的翻转打碎。
    (3)转鼓间歇运转，能耗降低:一体机电能消耗主要为主机运行消耗，且为间歇式运行;微滤机除了主机消耗外还有反冲洗泵的能量消耗。在本试验中，一体机测量的平均实际功率为0．05kW，由于间歇性的运行，每隔1 h运行2～5 min，每天总电耗为0．04～0．1 kW·h，与宿墨等［5］微滤机每天能耗约为6．902 kW·h相比，节能比达到98%，极大地降低了水处理的能耗。
    3．2生物净化
    需要说明的是，本系统试验前已经用锦鲤养殖做了1个月的系统运行，生物膜生长较好。进行本试验时，由于全部换水，生物膜受到较大干扰，开始几天氨氮、亚硝态氮数据变化较大(图4)。系统在20～23 d时，氨氮，亚硝态氮含量升高较快，其可能的原因是那几天测量采用的试剂有问题，或者另有不明的原因。在稳定后的系统中，氨氮、亚硝酸盐含量数值都在合理的范围内，NH+4-N≤2 mg/L，NO－2-N≤0．5 mg/L。说明一体机有着较好的生物降解能力，具有稳定的处理效果，满足了高密度循环水养殖的要求。
    (1)生物净化效果稳定:生物膜的降解作用
    主要通过硝化反应实现。影响硝化反应的因数主要有:氨氮浓度、溶解氧浓度、有机物含量、pH值、碱度、水温、水力停留时间等。据刘飞等［18］，对7 min、13 min、20 min、28min做不同温度和氨氮浓度下的对照试验，其生物过滤器的最佳水力停留时间为20 min，并认为一定的水温、氨氮浓度条件下，水力停留时间对氨氮去除速率的影响呈双曲线，存在一个使氨氮去除速率最大的水力停留时间。又据罗国芝等［19］，一般的生物滤器停留时间为30 min左右。本试验中，平均水力停留时间约为25 min(体积/流量)，处于较好的水力停留时间范围内。据资料，在氨氮浓度处于低浓度(≤3．8 mg/L)下，生物过滤器的氨氮去除率与氨氮浓度成正比。本试验稳定状态下，进水氨氮浓度≤2 mg/L，处于低浓度的情况。
    同时，溶解氧浓度(平均为4 mg/L左右)、水温(21．57～26．76℃)、pH值(6．60～7．60)、碱度(最小值51．81，最大值113．05，均值80)、有机物含量(COD含量≤60 mg/L)都控制在合理的范围内，这些因素都保证了一体机较好的生物净化处理效果。
    (2)单位体积滤料负荷大，利用了转鼓内外空间:内外滤料总体积约为0．1 m3，总表面积为50～60 m2，在试验系统中，以30 kg/m2的养殖密度，日投饲1．5%计，根据有关公式［18］算得所需滤料的总表面积为30 m2。因此，按照使用滤料量计算，本试验情况下，其养殖规模可以相应扩大，而不会对生物净化负荷产生影响。
    (3)利用微滤机结构条件，不需专门配置结构和动力:转鼓转动，不仅对内部滤料翻动使之具有生物转盘的特性，也对转鼓外部滤料进行搅动，使之具有流化床生物净化装置的功能。生物转盘运行速度一般为1．5～2 r/min［20］。本试验选用2 r/min的转速，不仅与相同直径的微滤机相对应(具有相同线速度)，也与生物转盘的转速相对应，进一步保证了一体机较好的生物处理效果。
    (4)转鼓转动，实现滤料的自清洗功能:一体机不仅可以很好地实现生物转盘和硫化床的处理效果，同时，生物滤料在翻动时碰撞摩擦，也实现了自清洗的功能，保证了生物膜的稳定，促使微生物硝化反应的高效进行;另外，转鼓内外滤料相互碰撞，还能将堵塞在滤孔上的堵塞物去除。
    3．3存在问题
    (1)去污问题:试验测量TSS去除率的数据中，标准差较大，一方面是由于测量误差所致，另一方面可能在于一体机在转动时，水流的带动作用，会有一部分截留的固体颗粒物被带入集污槽外的箱体中，从而使测量值相差较大。因此，在改进的设计中，应更加完善截留污物的去除功能。
    (2)处理量问题:一体机在转鼓上部外部的进水方式，限制了其进水流量。当流量过大时，水会在滤网孔上相互挤压，而不利于穿过滤孔，从而减少了水流的处理量;又由于转鼓本身有一定弧度以实现弧形筛功能，也容易使水流直接沿弧面流走。因此，一体机的水处理量较微滤机小很多。另外，生物净化的水力停留时间也对一体机的流量有所限制。
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