水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境工程學(xué)生物濾池的設(shè)計(jì)(課堂PPT)

1、1,第八章 生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì),水處理的生物過(guò)濾器主要分為兩大類： 有機(jī)物硝化菌類和氨氮轉(zhuǎn)化菌類。 按細(xì)菌生長(zhǎng)的形式，生物過(guò)濾器又可分為： 懸浮生長(zhǎng)式與固定膜式兩類。 養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用的是固定膜式氨氮轉(zhuǎn)化菌類過(guò)濾器。 特點(diǎn):氨氮轉(zhuǎn)化菌群依附在某種固體表面上生長(zhǎng)，氨氮通過(guò)擴(kuò)散的方式傳遞到固定生物膜內(nèi)并被轉(zhuǎn)化掉。與工業(yè)污水處理不同，工廠化養(yǎng)殖生物濾池的設(shè)計(jì)主要考慮的是氨氮去除，通過(guò)細(xì)菌的作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為毒性較小的硝態(tài)氮。當(dāng)然生物過(guò)濾器也有分解有機(jī)物的作用。養(yǎng)殖污水的主要成分 是魚類魚排泄的氨氮，它對(duì)魚的毒性很大，一般要求總氨氮量不高于1mg/L或非離子態(tài)氨小于0.025mgL。,2,生物濾池的設(shè)計(jì)

2、還沒(méi)有非常嚴(yán)格科學(xué)的方法，特別是在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，因?yàn)樗w中的氨氮濃度常常低于1mg/L。 合理運(yùn)用生物、化學(xué)、物理的數(shù)據(jù)量化地去描述魚類代謝物質(zhì)在生物過(guò)濾裝置中被除去的過(guò)程。 簡(jiǎn)單講，就是一定數(shù)量轉(zhuǎn)氨細(xì)菌轉(zhuǎn)化已知養(yǎng)殖對(duì)象排泄的含氮廢料的能力。,3,生物過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)考慮的因素 基于生物過(guò)濾設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，特別是養(yǎng)殖的數(shù)據(jù)非常的有限。 廢物中氨的含量隨著魚在不同的生長(zhǎng)狀態(tài)及生存環(huán)境中有差異，如果沒(méi)有這些數(shù)據(jù)那么設(shè)計(jì)者就只能用其它種的相關(guān)數(shù)據(jù)去盡可能準(zhǔn)確的估計(jì)和判斷，準(zhǔn)確性差。 廢物的產(chǎn)生率和凈化率隨著時(shí)間，投喂策略等變化。 不同的過(guò)濾裝置構(gòu)造。 生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是變化的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考

3、慮到細(xì)節(jié)問(wèn)題，以使該裝置能滿足不同環(huán)境的需要，特別是一些特殊條件，需要大量的改進(jìn)以便能滿足需要。 保證裝置經(jīng)濟(jì)、可靠、有效的工作能力。,4,程序設(shè)計(jì)比較直接，只有很少的情況有充足的數(shù)據(jù)，而且，數(shù)據(jù)也許只適應(yīng)某些階段 廢物的排泄與魚的大小、攝食情況、溫度等因素有關(guān)。廢物的去除受溫度、流速、氨氮的負(fù)荷等因素影響。 依據(jù)環(huán)境排污的最大值去設(shè)計(jì)過(guò)濾裝置 在一定水體中放養(yǎng)一定重量的魚時(shí)，如果個(gè)體是小魚就要充分考慮到魚對(duì)毒性物質(zhì)的耐受作用，其他情況下還應(yīng)當(dāng)計(jì)算魚體最大時(shí)的廢物量,生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)步驟,5,.確定污染物的數(shù)量 代謝測(cè)定和實(shí)際數(shù)據(jù) .確定魚類的耐受水平 氨、 亞硝酸鹽、硝酸鹽、固體顆粒 .計(jì)

4、算魚類的氧氣消耗量 靜水法和流水法 .計(jì)算養(yǎng)殖系統(tǒng)的承載能力 系統(tǒng)能養(yǎng)殖魚類的最大數(shù)量 .計(jì)算系統(tǒng)的流速 整個(gè)系統(tǒng)的水流量,生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)步驟,6,.計(jì)算水流一次通過(guò)后的氨氮濃度 一次去除率 .計(jì)算多次循環(huán)后的氨氮濃度 每天的去除量 .計(jì)算過(guò)濾裝置的氨氮凈化效率 以百分比、單位體積或單位比表面積表示 .確定過(guò)濾裝置中總的氨氨負(fù)荷 每天的氨氮負(fù)荷,生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)步驟,7,.計(jì)算需要過(guò)濾裝置工作的時(shí)間 反沖洗、清理時(shí)間 .確定過(guò)濾裝置的容量，特別是它的表面積 水力負(fù)荷率 .確定裝置的尺寸 .確定裝置的氧氣供給量 .修改裝置以確保氧氣供給,生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)步驟,8,計(jì)算最大氨氮等負(fù)荷 試驗(yàn)

5、確定濾材的氨氮去除效率 確定耗氧量 確定生物濾池構(gòu)造,生物過(guò)濾裝置的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)步驟,9,魚類代謝參數(shù)： 代謝參數(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖用生物濾器的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Liao和Mayo（1974）得到的關(guān)于鮭鱒魚新陳代謝過(guò)程方程。 NA=0.0289F NN=0.024F P=0.0162F SS=0.52F BOD=0.60F COD=1.89F,生物過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)方法,10,式中： NA氨的生成率（kgNH4-N/100kg魚天） NN硝酸鹽的生成率（kgNO3-N/100kg魚天） P磷酸鹽的生成率（kgPO-P/100kg魚天） SS固體懸浮物生成率（kgSS/100kg魚天） BODBOD生成率（kgBO

6、D/100kg魚天） CODBOD生成率（kgCOD/100kg魚天） F投餌率（kg餌料/100kg魚天） 以上方程是在水溫1015，放養(yǎng)密度為28.4kg/m3的養(yǎng)殖系統(tǒng)所得出來(lái)的結(jié)果。,11,魚的耗氧量： 耗氧量是生物濾器設(shè)計(jì)第二個(gè)必須了解的參數(shù)，Liao(1972)給出了鱒魚耗氧率的計(jì)算方程如下： Oc=K2TaWb 式中：Oc耗氧率（lbO2/100lb魚天） K2 速度常數(shù) T 溫度（） a、b斜率 W每條魚的體重（lb）,12,表8.1 耗氧率計(jì)算中常數(shù),注：表中的常數(shù)是按照公式8-7中重量單位為磅表示的(1lb=0.45359kg),13, 系統(tǒng)負(fù)載能力Lc（養(yǎng)殖容量） 按下式

7、進(jìn)行估算（Liao等，1972） Lc= 式中： Lc系統(tǒng)負(fù)載（kg魚/Lmin） Ce要求的溶解氧濃度（mg/L） Cm養(yǎng)殖池中容許的最低溶解氧濃度（mg/L） Oc耗氧率（kgO2/100kg魚天）,14, 總水流量 Q= 式中： W養(yǎng)殖系統(tǒng)魚的總?cè)菁{量(kg) Lc系統(tǒng)負(fù)載（kg魚/Lmin）,15, 氨濃度系數(shù)C的計(jì)算 式中： Cz系統(tǒng)允許氨氮的濃度（mg/L） Ci氨氮的初始濃度（mg/L） 生物過(guò)濾器的氨氮去除效率 E= 式中： R水循環(huán)率 C系統(tǒng)進(jìn)出口氨氮濃度的比值 E生物濾池的硝化效率,16, 硝化效率與水力停留時(shí)間的關(guān)系 E=(9.8T-21.7)tm 式中： tm水力停留時(shí)

8、間（h） T水溫（） E生物濾池的硝化效率 生物濾池的容積Vm: 式中： Q流量 tm水力停留時(shí)間 濾材的孔隙率 濾材的總表面積As： As= （Vm）（Au） 式中：Au為濾材的比表面積（m2/m3）,17,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法,根據(jù)前面的內(nèi)容：將每將1g的NH4+氧化成NO3-需要消耗4.18g氧氣和7.14g的碳酸離子（如CaCO3）并生成8.59g碳酸和0.17g細(xì)胞。按照下表列出了氨氮硝化生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)參考值進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。,表8.2氨氮硝化生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)參考值,18,生物過(guò)濾裝置實(shí)例浸沒(méi)式生物濾池,19,系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息 某養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖規(guī)模10000 kg鱒魚（平均體重1kg），要求采

9、用一個(gè)密閉的裝置，90%循環(huán)，系統(tǒng)溫度12，濾材采用塑料環(huán)狀濾材： 直徑 2.5cm 空隙率 90% 比表面積160/m3 密度 18.5kg/m3 每天按體重的2%投喂餌料，裝置排出水的最少氧氣含量 5mg/l。,20,方法一 1. 氨氮產(chǎn)量（AP） AP=0.0289（投喂量/天) AP=0.0289100002%=5.8 kg/天 2. 氨氮通過(guò)裝置的去除 在12氨氮的去除(AR)是每天0.60 g/ 3. 需要的表面積(一次通過(guò)時(shí)） SSA=AP/AR=5800/0.60=9667 m2,生物過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例,21,方法二 1. 需氧量 Oc=K2TaWb Oc, 耗氧量 K2，速率常

10、數(shù) T，溫度 W，魚的大小 A,b，線性常數(shù) Oc=3.0510-4(56）1.885（2.2）-0.138 =0.478 公斤氧氣/100公斤魚/天,生物過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例,22,2. 系統(tǒng)負(fù)荷 Lc=0.14(Ce-Cm)/Qc Lc , 系統(tǒng)負(fù)荷 Ce, 溶解氧飽和度 Cm, 最低需氧量 假定 Ce為10， Cm為5 Lc=0.14(10-5)/0.478 =1.46公斤魚/升/分鐘,生物過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例,23,3. 需要的水流速率 Q = =6849 升/分鐘 4. 初始排水端氨氮濃度 Ci = 每天氨氮產(chǎn)量/水流速率 =0.59 mg/L 允許最高氨氮濃度為0.75 mg/L,生物過(guò)濾

11、裝置設(shè)計(jì)實(shí)例,24,5. 循環(huán)引起的允許最高氨氮濃度系數(shù) C = C2/Ci = 0.75/0.59 = 1.27 6. 浸沒(méi)式生物濾池的效率 E = ( 1+CR-C)/CR R，循環(huán)百分比 E = (1+1.270.9-1.27)/1.270.9 = 0.76 生物濾池必須有76%的效率,生物過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例,25,7. 循環(huán)引起的生物濾池最大氨氮負(fù)荷 Wa = 5.81.27 = 7.37 8. 生物濾池內(nèi)的水力停留時(shí)間 tm = E/(9.8T-21.7) = 0.48 分鐘 9. 生物濾池容積 Vol=Qtm/空隙率=68490.48/0.9= 3653 升,10. 需要的比表面積總

12、數(shù) SSA = Vol比表面積 = 3.653160 = 584 m2,26,11.生物濾池濾料容積 方法一，Vol = 9667/160 = 60 m3 方法二， Vol = 584/160 = 3.65 m3 12.復(fù)查溶解氧濃度 氨氮耗氧量 = 5.8/4.18 = 24.24 公斤/天 水流供氧量 = 6849（10-5）= 49.3 公斤/天 供氧量充足 兩種方法比較 1. 比表面積差別很大 2. 容積差別為6倍 3. 很多經(jīng)驗(yàn)公式,27,方法二借用了其他系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式，方法一沒(méi)有考慮循環(huán)和溶解氧的影響 不同的濾材，濾池構(gòu)造也會(huì)產(chǎn)生不同的影響 當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法還有很大的誤差，沒(méi)有很確切

13、的實(shí)際數(shù)據(jù) 最好借用試驗(yàn)濾池?cái)?shù)據(jù)，但是系統(tǒng)規(guī)模的放大并不代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以同步擴(kuò)大，也有局限性,討論,28,滴流式生物過(guò)濾裝置有許多型式，并且濾料的種類繁多，傳統(tǒng)的滴流式生物濾池采用碎石做濾料，濾池為圓筒狀，高度低、直徑大。水產(chǎn)養(yǎng)殖生物濾池主要采用圓筒狀，高度大于直徑，濾料采用比重較小的塑料材質(zhì)。濾料可采用隨意堆積和固定兩種方式。,滴流式生物濾池設(shè)計(jì),29,假定給定條件 養(yǎng)殖量 10000kg鮭魚（平均1kg重）。 養(yǎng)殖裝置是一個(gè)密閉的裝置，100%循環(huán)，每星期換水20% 裝置溫度：12 投喂：2% 魚體重 最大密度：50 公斤/m3 最大放養(yǎng)比率：150000 公斤/m3/秒 生物濾材：塑料環(huán)

14、，直徑2.5 cm；空隙率，0.92；比表面積，220 m2/m3 水質(zhì)要求：見表8.3。,30,表8.3 要求水質(zhì)參數(shù),31,設(shè)計(jì)過(guò)程 1. 水體體積（VW）： VW = 10000 kg fish/50 kg = 200 m3 2. 總水流量（Q） Q= = 0.0667 m3/s 3. 飼料投喂量（Mf） 該數(shù)值由魚體的密度和個(gè)體大小決定，在魚生長(zhǎng)的早期一般控制在魚體重的6%或者更高一點(diǎn)，當(dāng)魚即將銷售時(shí)控制在體重的0.75%到3%，設(shè)計(jì)中這個(gè)值假設(shè)為2%，即： Mf = 100000.02 = 200 kg/day,32,4. 代謝廢物的產(chǎn)量 根據(jù)已知數(shù)據(jù)：（每公斤飼料） 消耗： 0.2

15、1 kg O2 產(chǎn)生： 0.28 kg CO2 0.30 kg 固體顆粒 0.03 kg TAN 5. 需氧量（Or） 在已知需氧量0.21 kg O2/ kg feed 的基礎(chǔ)上增加20%的安全系數(shù)，為0.25 kg O2/ kg feed， Or = 0.25 200 = 50 kg O2/ day,33,6. 總氨氮的排泄量（TAN） 在本例中，總氨氮的排泄量按投餌量的3%計(jì)算。 TAN = 200 kg feed/day 0.03 kg TAN/kg feed = 6 kg/day 7. 系統(tǒng)中氨氮濃度（TANs） TANs = =1.25 mg/L,34,由于水中的氨分子是有毒的成分

16、，氨分子的濃度受溫度和pH值的影響。溫度和pH值升高，NH3的濃度增加， pH值為6時(shí)， NH3的濃度接近0。 假定系統(tǒng)中溫度為12保持不變。根據(jù)鮭魚的需要（看水質(zhì)需求而定）， NH3的濃度應(yīng)保證不超過(guò)0.0103 mg/L 。,35,8. 生物濾池表面積（AF） 已知單位面積的氨氮去除率為0.75 g/m2/day, AF = = 8000 m2 9. 生物濾池的容積（VF） VF = = 36.4 m 3,36,整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)假定有8個(gè)生物濾池，每個(gè)生物濾池大小的推導(dǎo)如下： 每個(gè)生物濾池的水流速率(Ff)為：,Ff = = 720.3 m3 /day,每個(gè)生物濾池的容積（Vu）： Vu =

17、36.4/8 = 4.55 m3 生物濾池橫截面積（Ac）利用最大水力負(fù)荷(225 m3/m2/d)計(jì)算：,Ac = = 3.2 m2,單個(gè)生物濾池的橫截面積最小為3.2 m2。,37,10.生物濾池的尺寸和數(shù)量 流量越大，氨氮去除率越高，氨氮的去除率與水力負(fù)荷、流速以及濾池的橫截面積等因素有關(guān) 1）濾池直徑 2）高度 3）濾池?cái)?shù)量 4）水流量,38,假定生物濾池為圓柱形，則圓柱形的直徑（Df）為： Df = 2.2 m 則高度（Hf）為， Hf = 1.2 m 這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的生物濾池的尺寸如下： 高度：1.2米 直徑：2.2米 容積：4.56 立方米 橫截面積：3.2 平方米 生物濾池的數(shù)量

18、：8個(gè),39,本設(shè)計(jì)中用到的濾材相對(duì)比表面積較大，比表面積小的濾材需要更大的濾池容積 濾池設(shè)計(jì)要考慮到去除氨氮，亞硝酸和有機(jī)物的統(tǒng)一 本設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，但是沒(méi)有考慮到其他的影響因素， 實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有誤差 實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該使用合適的策略補(bǔ)償設(shè)計(jì)中的誤差,討論,40,膨脹性微珠生物過(guò)濾裝置,膨脹性微珠生物過(guò)濾裝置 （EGB） 過(guò)濾裝置的過(guò)濾床是由微小顆粒的塑料珠組成，它可以通過(guò)膨脹和攪動(dòng)來(lái)清洗裝置本身,41,應(yīng)用生物轉(zhuǎn)盤的優(yōu)勢(shì) 1. 自我清洗，自我充氧 2. 壓頭損失低 3. 無(wú)阻塞，硝化反應(yīng)好 4. 運(yùn)行穩(wěn)定 生物轉(zhuǎn)盤的特殊結(jié)構(gòu)決定了它的設(shè)計(jì),生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì),42,理論設(shè)計(jì)條件 1. 生物膜的生長(zhǎng)

19、和脫落是平衡的 2. 脫落的生物膜是懸浮的 3. 附著和脫落的生物膜都可以去除基質(zhì)， 但是懸浮生物膜的作用可以忽略不計(jì) 4. 氧氣和其它基質(zhì)沒(méi)有濃度上的限制作用 5. 生物膜的厚度是均勻的 6. 水流速度是均衡的,生物轉(zhuǎn)盤的理論模型,43,依據(jù)上面的假設(shè)，可以得到 Q(So-S)+rsAs = 0 Q, 水流量 So，進(jìn)水的基質(zhì)濃度 S， 出水的基質(zhì)濃度 rs， 單位面積的基質(zhì)去除率 As， 濾材的表面積,44,常用的經(jīng)驗(yàn)公式 F=(K/N)LaTbScBdAeDfQg F, 去除的比例（%） K , 去除常數(shù) N，生物轉(zhuǎn)盤的階段數(shù) L，進(jìn)水的基質(zhì)濃度 S， 水力停留時(shí)間 T， 水溫 B，生物

20、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速 A， 有效的濾料表面積 D， 生物轉(zhuǎn)盤的浸沒(méi)深度 Q，流速 a,b,c,d,e,f,g, 回歸常數(shù),生物轉(zhuǎn)盤的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?45,1. 基質(zhì)濃度較低時(shí)，去除效率和基質(zhì)濃度線性關(guān)系 2. 試驗(yàn)規(guī)模生物轉(zhuǎn)盤的效率為商業(yè)生物轉(zhuǎn)盤的2.5倍左右 3. 使用不同材質(zhì)濾材，經(jīng)驗(yàn)公式需要修正,46,設(shè)計(jì)前提和過(guò)程 1. 盡量采用商業(yè)生物轉(zhuǎn)盤的經(jīng)驗(yàn)參數(shù) 2. 必要時(shí)使用最好的預(yù)測(cè)值 3. 假定生物轉(zhuǎn)盤可以處理掉每天系統(tǒng)中產(chǎn)生的所有氨氮 4. 采用放養(yǎng)量最大時(shí)的數(shù)值 5. pH 設(shè)定為7.5，并以此來(lái)計(jì)算游離氨氮的濃度 6. 每天的投喂量為低于1%的魚體重,生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)實(shí)例,47,7. 羅非魚氨氮產(chǎn)生

21、量為每公斤飼料25克 鱸魚氨氮產(chǎn)生量為每公斤飼料32克 虹鱒魚氨氮產(chǎn)生量為每公斤飼料34克 8. 經(jīng)驗(yàn)公式，生物轉(zhuǎn)盤每天氨氮的去除率為 Y = -16.6+163.3X Y, 氨氮去除率 X, 進(jìn)水的氨氮濃度,48,9. 溫度補(bǔ)償 羅非魚：不用補(bǔ)償，以上公式30所得 鱸魚，降低10% （溫度25 ，低了5 ） 虹鱒魚，降低30% （溫度15，低了15 ） 10.濾材的比表面積選擇為175 m2/m3 11.生物轉(zhuǎn)盤的直徑為3.66米，接近于商 業(yè)生物轉(zhuǎn)盤的直徑,49,生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)條件總結(jié),50,確定養(yǎng)殖品種和規(guī)模 確定最大污染物的產(chǎn)量 確定養(yǎng)殖對(duì)象的耐受水平 計(jì)算氧氣消耗量 確定生物濾池的種

22、類和濾材種類 確定氨氮去除效率和生物濾池的體積 復(fù)查溶解氧濃度,生物濾池的設(shè)計(jì)總結(jié),51,生物流化床的設(shè)計(jì),提高生物濾池水處理效率的關(guān)鍵有兩個(gè)方面，一是提高單位體積內(nèi)的生物量，特別是活性的生物量，另一方面是強(qiáng)化傳質(zhì)作用，強(qiáng)化有機(jī)底物從污水中詳細(xì)均傳質(zhì)的過(guò)程。第一個(gè)方面采取的措施是擴(kuò)大微生物棲息的表面積，增加生物膜量，并相應(yīng)提高充氧能力。第二方面采取的措施是擴(kuò)大生物體與污水的接觸面積，加強(qiáng)污水與生物膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了生物流化床，把生物膜技術(shù)推向了一個(gè)新的高度。它是以石英砂、焦炭、活性炭等細(xì)小的材料（比表面積達(dá)20003000m3）為載體，水流由下向上流動(dòng)，使載體處于流化狀

23、態(tài)，載體的表面生長(zhǎng)、附著生物膜。污水從其下部和左右側(cè)流過(guò)，不斷和載體上的生物膜相接觸，從而強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，并能有效地防止生物膜的堵塞。,52,設(shè)計(jì)實(shí)例： 試設(shè)計(jì)一個(gè)砂粒流化床生物過(guò)濾器，用于5000公斤規(guī)模的羅非魚越冬循環(huán)水系統(tǒng)。設(shè)日餌率為3，砂粒的比表面積為3000m2/m3，要求水體離開過(guò)濾器時(shí)的溶氧濃度不低于3毫克升。,53,設(shè)計(jì)計(jì)算：（1）氨氮排泄量(P)： 根據(jù)表8.2，以日投餌率的3計(jì)算，則 ：,（2）過(guò)濾器的氨氮去除率（R） 由表8.2，取R=0.4克氨氮/(m2天) （3）所需生物膜面積，即砂?？偯娣e（A）,54,（4）所需砂粒總體積（V） （5）過(guò)濾器正常運(yùn)行的需氧量（D）

24、根據(jù)表8.2，取需氧量與氨氮量的比值為4.3，則： D=4500克氨氮/天4.3克氧/克氨氮=19350克氧/天 （6）水流量 設(shè)進(jìn)、出水的溶解氧濃度分別為7mg/L和3mg/L，則過(guò)濾器所需水流量為： Q= =4837.5m3/天=3.4m3/min,55,目前水產(chǎn)養(yǎng)殖用生物過(guò)濾器的設(shè)計(jì)往往比較保守，主要是因?yàn)樵S多數(shù)據(jù)的可變化性很大，并且許多模型的建立依靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性存在一定的問(wèn)題。已經(jīng)有很多關(guān)于生物過(guò)濾器的設(shè)計(jì)和配置可應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。當(dāng)然，不同的生物過(guò)濾器的設(shè)計(jì)方法都有它們的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在一定的不足。,56,充氣和充氧,57,充氣和充氧部分綜述,第一部分 充氧和曝氣原理 第二部分 各

25、種充氧和曝氣設(shè)備 第三部分 充氧和曝氣設(shè)備設(shè)計(jì),58,簡(jiǎn) 介,溶解氧是高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)的第一個(gè)水質(zhì)限制指標(biāo) 水中氧的飽和度低 缺少光合作用 缺少水交換 提高的方法 增加水和空氣或者氧氣的接觸面積,59,高密度養(yǎng)殖條件下溶解氣體范圍,60,充氣設(shè)備簡(jiǎn)介,重力曝氣機(jī) 風(fēng)動(dòng)抽水泵 立式泵充氣機(jī) 噴水式充氣裝置 真空葉輪泵式充氣機(jī) 葉輪式曝氣機(jī)（俗稱水車） 填充塔充氣機(jī) 多層滴流式充氣設(shè)備,61,風(fēng)動(dòng)抽水泵工作原理和應(yīng)用,62,立式泵充氣機(jī),63,噴水式充氣裝置,64,真空葉輪泵式充氣機(jī),65,葉輪式曝氣機(jī)（水車）,66,氣泵和氣石充氣系統(tǒng),67,填充塔充氣機(jī),68,多層滴流式充氣設(shè)備,69,純氧接觸系

26、統(tǒng),密封填充塔 多階段低壓頭純氧接觸器 噴射塔 測(cè)流氧氣噴射器 U型管純氧系統(tǒng) 低速氣泡接觸器 封閉立式泵充氧機(jī),70,密封填充塔,71,多階段低壓頭純氧接觸器,72,噴射塔,73,測(cè)流氧氣噴射器,74,U型管純氧系統(tǒng),75,低速氣泡接觸器,76,封閉立式泵充氧機(jī),77,溶解氣體標(biāo)準(zhǔn),溶解氣體的表示單位 mg/L mm Hg 飽和百分比 氣體壓力：Fi=Ti/Ci 總氣體壓力：TGP=Ti,78,TGP和當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ˙P）之間的差為溶 解氣體的飽和度的指標(biāo) P=TGP-BP 氣體的飽和度，TGP和當(dāng)?shù)氐腂P的百分比： %飽和 =(TGP/BP)*100 在養(yǎng)殖系統(tǒng)中，涉及到的可溶性的氣體

27、氧氣 二氧化碳 氮?dú)?溶解氣體標(biāo)準(zhǔn),79,溶解氣體的良性作用,充足的溶解氧可以提高活力，增進(jìn)生長(zhǎng) 二氧化碳可能抑制細(xì)菌的生長(zhǎng) 平衡的溶解氣體濃度可以維持生態(tài)平衡,80,溶解氣體的危害作用,溶解的二氧化碳在一個(gè)臨界濃度之上時(shí)會(huì)使磷酸鈣的飽和度增大，從而影響腎臟的活動(dòng) 當(dāng)二氧化碳的濃度較高時(shí)會(huì)降低血液攜帶氧的能力 較低的溶解氧濃度在可允許的最低值之下時(shí)，會(huì)降低氧的攜帶能力,81,較高的溶氧濃度會(huì)促進(jìn)細(xì)胞酶的氧化作用，導(dǎo)致呼吸鏈的失效 溶解氧和溶解氮的濃度達(dá)到飽和時(shí)會(huì)引起氣泡?。℅BD）氣泡病的癥狀：組織中的氣泡增加；血管阻塞；生長(zhǎng)和飼養(yǎng)轉(zhuǎn)變系數(shù)的降低；導(dǎo)致死亡,溶解氣體的危害作用,82,溶解氣體標(biāo)

28、準(zhǔn),可以接受的P的范圍變化 魚種 規(guī)格 飼養(yǎng)條件 溶解氣體的部分相關(guān)壓力的變化 良好的充氣設(shè)備的使用不僅僅是基于氧氣的供給率，而且和溶解氮（DN），P以及溶解二氧化碳的極限有關(guān),83,氣體滲透原理,一種氣體在水中的飽和濃度（C*）將會(huì)影響氣液界面的氣體滲透的方向以及速率 一種氣體在水中的飽和濃度（C*）是由氣體階段的局部壓力，水溫以及Henry法則講到的水的成分決定的： C*=BiKi1000Xi(TP-VP)/760 Vp, 蒸汽壓力 BiKi,氣體溶解系數(shù) 氣體蒸汽壓力隨溫度增加而增加，溶解系數(shù)隨溫度增加而減少，飽和濃度隨溫度增加而減少,84,溫度的影響,85,水中的溶解固體及懸浮物的濃度

29、也會(huì)降低氣體在水中的飽和濃度(C*）。我們采用將氣體在水中的飽和濃度（C*）從潔凈水(Cw)中轉(zhuǎn)換到渾濁(Fw)的狀態(tài) =( C*)FW/ (C*)CW 一種氣體在水中的飽和濃度(C*)隨著時(shí)間或者在一個(gè)特殊的接觸器中的位置的改變而改變。當(dāng)空氣在水面以下被打散，總壓力（TP）將會(huì)從流體靜壓力和此地的大氣壓力的總和下降到水泡上升到水表面時(shí)的大氣壓力（BP）,氣體滲透原理,86,氣體滲透速率,使氧氣溶入水中的推動(dòng)力是水中的主要溶解氣體的不足。氧氣分子首先從大量的氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)移到氣液界面。氧氣和氮?dú)廪D(zhuǎn)移的主要阻力來(lái)自于液體交界擴(kuò)散階段 氣體吸收或者釋放的凈比率是由滲透系數(shù)和溶解氣體濃度和飽和濃度(C*

30、)差的乘積所決定的。這個(gè)關(guān)系可以用微分的形式表述： dC/dt=KLa(C*-C),87,影響滲透系數(shù)的重要的條件包括氣體液體接觸面，氣體液體的紊亂，該系統(tǒng)的幾何形狀，以及液體的特性 溫度影響到滲透系數(shù)KLa。KLa的值可以通過(guò)溫度的影響得以糾正： （KLa）t= （KLa）20C(1.024)t-20 公式表明水溫變化在10-30攝氏度將引起轉(zhuǎn)移系數(shù)（KLa）60.7%的增長(zhǎng),氣體滲透速率,88,水面上的活性物質(zhì)通過(guò)改變液體界面擴(kuò)散阻力來(lái)增加或降低滲透系數(shù)（KLa）。在自然條件下得到的KLa值可通過(guò)純凈水條件下得以校正，反之亦然，校正系數(shù)用表示： = （KLa）FW/（KLa）CW 進(jìn)一步來(lái)

31、說(shuō)，在氣體的分子直徑已知的情況下,一種氣體的KLa值可以被用于定義相關(guān)的一種氣體的KLa值 （KLa）N2/（KLa）O2=dO2/dN2,氣體滲透速率,89,增氧系統(tǒng)的性能比較標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)條件：DO = 0 mg/L, 溫度= 20C, BP=760 mm Hg,=1,=1 標(biāo)準(zhǔn)氧氣滲透速率（SOTR) SOTR=（KLa）20C（C*）20C,增氧系統(tǒng)性能指標(biāo),90,標(biāo)準(zhǔn)的充氧效率（SAE），表示相關(guān)能量消耗的指標(biāo)，可以通過(guò)SOTR除以功率（PW）的方法得到： SAE=SOTR/PW 由于采用了不標(biāo)準(zhǔn)的溫度，溶解氧的濃度，大氣壓力，以及水的組成，需校對(duì)SOTR和SAE： AOTR=SOTR(

32、C*O2-DO)/9.07(1.024t-20) AAE=SAE(C*O2-DO)/9.07(1.024t-20),增氧系統(tǒng)性能指標(biāo),91,周圍的溶氧濃度達(dá)到飽和時(shí)，實(shí)際的AOTR和實(shí)際的充氧AAE將會(huì)趨于零，會(huì)限制增氧系統(tǒng)的有效使用 當(dāng)評(píng)估充氧設(shè)備的性能時(shí)，公式中的KLa很少被接受。一般用通過(guò)該系統(tǒng)中的溶解氧的改變來(lái)表示設(shè)備的性能，用溶解的氣體的不足的分?jǐn)?shù)來(lái)表示： E=（DOout-DOin）/（C*O2-DOin） 當(dāng)設(shè)備的效率已知，上面的公式可以重新排列為： DOout=E（C*O2-DOin）+ DOin,增氧系統(tǒng)性能指標(biāo),92,綜述,93,對(duì)于純氧接觸系統(tǒng)，氧氣的滲透速率可以用下面的

33、公式計(jì)算 OTR=(DO)ABQL 標(biāo)準(zhǔn)的滲透效率（TE）： TE=OTR/PW 充氧效率可以表示為 AE=(DO)ABQL/（MW）O2QM,增氧系統(tǒng)性能指標(biāo),94,吸收氧氣和釋放氮?dú)獾南嚓P(guān)比率可以通過(guò)DODN的比率來(lái)表示： DODN=（DOout-DOin）/（DNout-DNin） 這個(gè)比率是相當(dāng)重要的，它表示是出水的TGP（溶解氣體的總壓力）高于或者低于進(jìn)水。一個(gè)執(zhí)行中的DODN大約為-2.2，這個(gè)值被定義為臨界的曝氣比率，表示進(jìn)出水之間沒(méi)有TGP的變化,增氧系統(tǒng)性能指標(biāo),95,充氧成本，在比較相對(duì)的性能時(shí)是很有用的指標(biāo)，它包括設(shè)備的分期償付(AC)，能量消耗(EC)，以及氧氣的成本(

34、OC) TC=（AC+EC+OC）/OTR 把設(shè)備的維護(hù)和投資風(fēng)險(xiǎn)考慮進(jìn)來(lái)十分必要,增氧系統(tǒng)性能指標(biāo),96,吸收效率,97,純氧接觸系統(tǒng),將純凈的氧氣轉(zhuǎn)移至水中的系統(tǒng)包含： 氧氣的發(fā)生裝置 控制氧氣的流速的控制組件 推動(dòng)氧氣和水接觸的設(shè)備 純氧系統(tǒng)應(yīng)該： 使用最少的能源和資金達(dá)到較高的氧氣利用率,98,增加進(jìn)入吸收裝置中的氧氣用于提升氧氣在氣體狀態(tài)下的摩爾分?jǐn)?shù)，從而增加溶解氧的飽和濃度。使流出水中的溶解氧的濃度高于空氣中的飽和濃度。 在15攝氏度時(shí)，飽和濃度為10.17mg/L 純氧的環(huán)境中，飽和濃度達(dá)到48.1mg/L 將水暴露在富含氧氣的環(huán)境中，除了可以加速氧氣的滲透，還能夠降低氮?dú)獾娘柡?/p>

35、濃度。從溶液中脫離出來(lái)的氮?dú)猓瑫?huì)在接觸器中進(jìn)入氣體階段，降低氮?dú)獾霓D(zhuǎn)移比率會(huì)有利于創(chuàng)造一個(gè)純氧的環(huán)境,純氧吸收裝置,99,水中氣體成分的改變范圍主要由氧氣供給比率決定，水中的溶解氣體的濃度、溫度、壓力和設(shè)備的特性決定 氮?dú)庖詺怏w形式的積累會(huì)導(dǎo)致較高的操作成本，必須有排氣孔。由于泄出的氣體中含有較高含量的氧氣，因此也有一定的利用價(jià)值。由于二氧化碳在水中的溶解率很高，所以在氧氣的吸收裝置中使二氧化碳曝氣的可能不大,純氧吸收裝置,100,純氧接觸裝置的選擇取決于 標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo) 是以當(dāng)?shù)刭Y源條件 操作條件 固體顆粒的存在會(huì)抑制填充塔的使用，由于額外的污染會(huì)堵塞用于提供氣體-液體接觸區(qū)域的通道 在進(jìn)水

36、和飼養(yǎng)池之間的水壓梯度的存在有利于U型管或者其它的低壓頭接觸器的使用,純氧吸收裝置的選擇,101,一個(gè)純凈的氧氣的U型管系統(tǒng)包括2-3個(gè)部分： 一個(gè)氣體擴(kuò)散裝置， 一個(gè)U型的垂直管道，提供一個(gè)接觸環(huán)路， 一個(gè)泄出氣體的收集裝置 在應(yīng)用過(guò)程中，氧氣及泄出氣體在進(jìn)水口以一個(gè)混合比率分散。氣液混合物從一端進(jìn)入另一端排出。水流的速度保持在氣泡的上升速度之上。當(dāng)氣體-液體混合物移動(dòng)通過(guò)接觸環(huán)路的同時(shí)，流體靜力壓升高帶來(lái)溶解氧的增加，促進(jìn)了氧氣的吸收,U 型 管,102,影響U型管純氧接觸系統(tǒng)效率的因素 氧氣接觸管的深度 進(jìn)氣速度 水的流速 氣泡分散器的深度 進(jìn)入水中的溶解氣體的濃度 排出氣體的循環(huán)利用比

37、率 當(dāng)氧氣接觸管的深度在25-60米、進(jìn)水速度在1.8-3 m/s，操作成本最低,U 型 管,103,U型管的優(yōu)點(diǎn) 可以在較低的水壓下操作(2-3 m) 可以處理水中攜帶的微粒物質(zhì) 當(dāng)氣液的比率超過(guò)25%時(shí)，存在斷流的可能 基礎(chǔ)的投資過(guò)于龐大。,U 型 管,104,低速氣泡接觸器,氣泡可以較長(zhǎng)時(shí)間的保留在接觸裝置中。但是當(dāng)溶解氮排出時(shí)，有些氣體必須被排出 氣泡接觸器的充氧和曝氣效率主要決定于 水和空氣的流動(dòng)比率 相應(yīng)的溶解氣體的濃度 氣體的排放率 錐體的幾何形狀 操作壓頭,105,操作壓力是由錐體的深度決定的。采用較深的或沒(méi)入水中的錐體可以增大氧氣的吸收比率，降低氮?dú)獾呐欧拧?低速氣泡接觸器的

38、優(yōu)點(diǎn) 進(jìn)水口壓力?。?m） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可以處理水中的固體顆粒,低速氣泡接觸器,106,測(cè)流氧氣噴射器,影響效率的主要因素包括： 負(fù)壓腔構(gòu)造 氣體和水流速率 接觸管長(zhǎng)度 壓力 噴射器構(gòu)造 一般來(lái)講，工作壓力為190-860 kpa ，水流速為3.5-4.5m/s，接觸時(shí)間6-12s，系統(tǒng)中的溶解氧濃度可以超過(guò)100 mg/L,107,封閉填料塔純氧接觸器,構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn) 為氣體有效地交換降低水層的厚度 影響充氧和曝氣因素： 噴射管的幾何形狀 分散裝置、 入水中的溶解氣體的濃度 氣體液體的流動(dòng)速率 內(nèi)部壓力 塔的直徑,108,封閉填充塔,影響填充塔效率的影響因素包括 液體分散裝置的設(shè)計(jì) 填料的選擇 塔

39、的深度 入水中氣體的濃度 操作時(shí)的壓力 可以增加水中的溶解氧，同時(shí)去除溶解氮。該裝置多用于潔凈的水體,109,封閉立式泵充氧機(jī),影響氣體交換的因素： 入水中的溶解氣體濃度 入水中的氧-水比率 裝置的幾何形狀 推進(jìn)器的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)動(dòng)速 操作的深度,110,多階段低壓頭純氧接觸器,結(jié)合了噴射塔和填充塔的優(yōu)點(diǎn)，重復(fù)的接觸擴(kuò)大了氧氣和氮?dú)獾娜芙獗嚷?，促進(jìn)了氣體交換。由于不需要泵，降低了能源成本和系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn) 這一裝置的效率由很多因素決定： 水和氣體的流動(dòng)比率 進(jìn)入的溶解氣體濃度 工作的接觸室的數(shù)量 接觸室中是否存在填充物,111,氧源,氧源 1. 氣態(tài)純氧 2. 液態(tài)純氧 3. 制氧機(jī)制氧 性價(jià)比 1.

40、 方便，便宜，基礎(chǔ)投資高 2. 方便，較貴，基礎(chǔ)投資少 3. 最為方便，投資高，配套設(shè)施多,112,充氧量檢控,監(jiān)控策略和方法 1. 控制氣液混合比 通過(guò)測(cè)定水流量，測(cè)定和調(diào)節(jié)氣流量 2. 自動(dòng)化控制系統(tǒng) 首先測(cè)定養(yǎng)殖池出水溶氧濃度，反饋給中央控制器，根據(jù)設(shè)定的溶解氧濃度，通過(guò)電磁閥，自動(dòng)控制供氣閥開啟的大小。,113,純氧接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,基本設(shè)計(jì)流程 1. 確定養(yǎng)殖場(chǎng)基本環(huán)境因素 水溫，水流，入流溶解氣體濃度，氣壓。 2. 確定養(yǎng)殖品種對(duì)溶解氣體的要求 氧氣，二氧化碳和氮?dú)?3. 根據(jù)養(yǎng)殖量和養(yǎng)殖場(chǎng)條件估算需氧量 4. 確定適合供氧量的充氧機(jī)類型,114,設(shè)計(jì)依據(jù) 設(shè)定一個(gè)養(yǎng)殖池為單位，耗

41、氧量為ECOC, 平衡式為， (DO)AB=ECOC+(DOout) RV-(DO)AB 相應(yīng)的溶解氮?dú)獾钠胶夥匠淌綖椋?(DN)=BP+( Pout) - (DOout)(FO2)-VP/FN2- DNin,純氧接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,115,純氧系統(tǒng)選擇依據(jù) 依據(jù)純氧系統(tǒng)的性能和養(yǎng)殖場(chǎng)的特點(diǎn), (DO)AB是 由幾個(gè)不同的應(yīng)用環(huán)境因素決定的，包括 氣壓，氧氣輸送速率，滲透系數(shù) 設(shè)計(jì)原則 通盤考慮以上因素，減少費(fèi)用 設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)軟件 利用分壓率,純氧接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,116,純氧接觸裝置主要的操作特性,117,設(shè)計(jì)目標(biāo) 深度 填充類型 橫截面積 使用壓力 氧氣輸送速率 假定條件 1. 所有氣體在

42、填充塔內(nèi)是均勻混合的 2. (DO)AB是正值， (DN)AB是負(fù)值,填充塔設(shè)計(jì)流程,118,第一步：選擇初始層深度和填充類型并計(jì)算氣體相應(yīng)的滲透系數(shù)（G）20。（G）20用溫度t，表面活性劑（當(dāng)可知時(shí)），氣體種類來(lái)修正： （G）t,i = （G）201.024t-20 第二步：應(yīng)用公式中的(DO)AB 和(DN)AB，并用步驟一中修正后的（G）t,i值來(lái)分別計(jì)算塔內(nèi)溶解氧和溶解氮的飽和濃度： （C*O2）AB =(DO)AB / (1-e- (G)t,i)+（DOin）AB （C*N2）AB =(DN)AB / (1-e- (G)t,i)+（DNin）AB,填充塔設(shè)計(jì)流程,119,填充塔設(shè)計(jì)

43、流程,120,第三步：用亨利定律并結(jié)合步驟二得出的氣體飽和濃度，計(jì)算氧氣和氮?dú)庀辔坏木植糠謮篜P： PPO2 = (C*O2 / BO2 KO21000) AB PPN2 = (C*N2 / BN2 KN21000) AB （Bi Ki1000由表6.1種的溫度公式給出） 第四步：現(xiàn)在，塔內(nèi)的總壓力可用PPO2，PPN2計(jì)算得出（水蒸氣的壓力VP由表6.1給出） CP = 760 ( PPO2 + PPN2 ) + VP,填充塔設(shè)計(jì)流程,121,第五步：計(jì)算氮氧的氣相摩爾系數(shù)(Xi), X O2 = （C*O2）AB /（(CP-VP)/760）(BO2 KO21000) XN2 = 1 - X O2 第六步：塔內(nèi)氧的摩爾流速度(QM)O2: (QM)O2 =( X O2/ XN2)|(DN)AB|QL/MWN2+ (DO)AB QL /MWO2 第七步：將氧氣的摩爾流速度轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的容量流速度（21.1；760mmHg）,用理想氣體定律： （QV）O2 = 0.0821（QM）O2 (273.