工廠(chǎng)化循環(huán)水養殖預排污系統與排水系統研究與設計

第28卷第4期海洋水產(chǎn)研究Vol. 28,No. 42007年8月MARINE FISHERIES RESEARCHAug. ,2007工廠(chǎng)化循環(huán)水養殖預排污系統與排水系統研究與設計姜輝12宋德敬2宋協(xié)法'曲克明2*('中國海洋大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)部,青島266003)《°農業(yè)部海洋漁業(yè)資源可持續利用重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗室中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研兗所,青島266071)摘要一種新型的用于工廠(chǎng)化養殖固體顆粒預去除系統研制成功。該水處理系統最大的特點(diǎn)是:不需要任何的外在動(dòng)力。該系統主要包括兩部分:(1)靠養魚(yú)池外置豎管設定水位來(lái)實(shí)現自動(dòng)排水的.排水系統;(2)靠養魚(yú)池排水管口附近放置的篩網(wǎng)和轉動(dòng)水輪上的毛刷的共同作用,去除養殖循環(huán)水中的較大的固體顆粒(殘餌和糞便)的排污系統。在去除過(guò)程中,耗水率均在5 %以?xún)?固體顆粒的去除率也均在80 %以上。關(guān)鍵詞工廠(chǎng)化養殖固體顆粒.預排污自動(dòng)排污系統自動(dòng)排水系統中圖分類(lèi)號S959;X52文獻識別碼A文章編號1000-7075<2007)04-0077-06Studies and design of a solids pre removal system and auto-drainsystem in recirculating fish cultureJIANG Huil,2 SONG De-jing2 SONG Xie-falQU Ke ming°"(' College of Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003)("Key Laboratory for Sustainable Uilzation of Marine Fisheries Resource, Ministry of Agriculture, Yellow SeaFisheries Research Institute, Chinese Acadeny of Fishery Sciences, Qingdao 266071)ABSTRACTA new-style system for pre removal of solids in industrial fish farming was de-veloped. The supreme specialty of this system is no external power. The system mainly consis-ted of two parts: (1) the auto-drain system controlled by the enactment of water level throughstandpipe outside the fish tank; (2) the solids ( remnant feed & feces) auto-removal system op-erated by the joint action of a screen beside the drainpipe and the brush in water wheel. Duringthe removal process, water loss rates were all within 5 % and solids removal rates were all high-er than 80 %.KEY WORDSIndustrial cultureSolidsPre-removal Auto-drain sewage systemAuto-drain system工廠(chǎng)化養殖主要依賴(lài)于飼料物質(zhì)的轉化和利用,養殖生產(chǎn)成本的60 %以上是飼料成本。因此,飼料質(zhì)量、利用效率和飼料的使用方法對漁業(yè)生產(chǎn)具有重要的作用。就現有的資料分析表明,僅有25 %~35 %的飼料物質(zhì)通過(guò)形成魚(yú)體成分而被利用,65 %~75 %左右的飼料物質(zhì)留存于水域環(huán)境中(葉元土等2002)。 殘餌和排泄物都要在水體中分解并消耗溶解氧,分解的產(chǎn)物主要成分為氨氮,從而使水中溶解氧減少,氨氮、亞硝酸鹽中國煤化工國家科技支撐計劃(2006BAD09A03)資助MHCNMHG*通訊作者。E-mail;qukm@ysfri. sc. c收稿日期:2006-12-30;接受日期:2007 03-08作者簡(jiǎn)介:姜輝(1982-).男 ,在讀碩士研究生,主要從事海水漁業(yè)工程研究。Tel,(0532)8583634178海洋水產(chǎn)研究第28卷氮、硝酸鹽氮增加,水中孳生積累大量的病毒、細茵,浮游生物等微生物,導致水體富營(yíng)養化或水質(zhì)惡化,嚴重影響養殖魚(yú)類(lèi)的健康生長(cháng)(李振等2004)。 因此,如何快速有效地去除這些殘餌和排泄物是工廠(chǎng)化養殖水處理技術(shù)需要解決的主要問(wèn)題之--。最近在北美建成的用于養殖北極紅點(diǎn)鮭、虹鱒魚(yú)、賽蒙鮭魚(yú)的循環(huán)水系統大都采用了雙通道排水排污養殖池(Wilton etal.1998; Summerfelt et al.2004a,b). 雙通道排水養殖池被用來(lái)快速分離和用-一個(gè)相對小的水流(大約總水流的5%),將大部分的可沉淀固體顆粒從魚(yú)池池底中心沖刷出(Makinenetal.1988;Eikebrokk etal.1993、 1998; Twarowska et al.1997; Timmons et al.1998; Losordo et al.2000;Summerfeltetal.2004)。在國內,已有研究人員對雙通道排水排污養殖系統進(jìn)行實(shí)驗,但是排污通道大約會(huì )浪費掉15%~20%的養殖水,耗水率太大,不易推廣采用。國外也有用篩網(wǎng)進(jìn)行分離的裝置的研究(Lek-ang etal.2000) ,但是篩網(wǎng)網(wǎng)目直徑過(guò)小(0.25 mm) ,對國內的養殖場(chǎng)來(lái)說(shuō),不是很實(shí)用。并且還需要人工每天1次的刷篩網(wǎng)。目前國內的工廠(chǎng)化養殖場(chǎng)中去除固體顆粒的方法主要有3種:(1)虹吸。虹吸只能吸走池內中、下層濁水，而池底的固體污物無(wú)法吸出;(2)自吸泵。自吸泵功耗大，而且由于缺少配套的吸污頭,吸污效果較差(蘇勝齊等2001);(3)大換水。即工作人員投飼后不久,拔掉養殖池外部排水的插拔管,將養殖池的水基本排掉,從而達到去除養殖池中固體顆粒的目的。對于養殖場(chǎng)中外排水系統來(lái)說(shuō),國外的排水系統相對來(lái)說(shuō)比較完善,大多為在池壁設定高度,自動(dòng)溢流。國內是靠養殖池外部人工插拔豎管來(lái)完成,當養殖池中的水位高于外部插拔管的設定的高度時(shí),就會(huì )自動(dòng)溢流,但是閘門(mén)的密封性能又不是很好,基本上處于-一個(gè)持續漏水的狀態(tài),也會(huì )浪費部分的養殖用水?；谝陨系目紤],再結合我國工廠(chǎng)化養殖的現狀,本次課題研究的裝置將具備以下兩大特點(diǎn):(I)實(shí)現工廠(chǎng)化循環(huán)水養殖池中產(chǎn)生的殘餌和糞便以最快的速度自動(dòng)的排出系統之外,并爭取達到最小的用水的目的;(2)實(shí)現工廠(chǎng)化循環(huán)水養魚(yú)池水位的自動(dòng)控制,根據需要可將養魚(yú)池的水全封閉、自動(dòng)排回水處理車(chē)間進(jìn)行循環(huán)利用。1工廠(chǎng)化循環(huán)水養殖自動(dòng)排污裝置的結構設計工廠(chǎng)化循環(huán)水養殖自動(dòng)排污裝置主要由篩網(wǎng)、水輪、PVC管等部分組成(圖1)。自動(dòng)溢流排水橫管進(jìn)水 管InletAuto flooding drain borizontal channel魚(yú)池Fisb tank反沖洗管Back washing channel中間排水管Ceater outlet chanel篩網(wǎng)Screen閥門(mén)Valve水輪及毛刷Water wheel & Brush池底排水管(細實(shí)線(xiàn)為毛刷)Tank bottom drain channel彎頭Elbow一排水井排污井Drain sewage wellDrain water well圖1分離裝置Fig.l Sketch of the separator1.1排水管 管口設計通常工廠(chǎng)化養殖系統的排水管的管口為圓形的,但是在本中國煤化工管口的界面如圖2所示,將出水口設計成此形狀,是出于以下兩點(diǎn)考慮的:(1)保訊MHCN M H G知,周長(cháng)固定的平面區域，以圓形面積最大,此設計為了產(chǎn)生較小的面積。根據流體力學(xué)的流體運動(dòng)的質(zhì)量守恒方程Q=V●A,可知,相對于常用的出水管口(圓形)來(lái)說(shuō),此種設計有比較大的流速,從而保證水輪能夠持續的轉動(dòng)。(2)保證第4期姜輝等,工廠(chǎng)化循環(huán)水養殖預排污系統與排水系統的研究與設計7S出水口水流具有扁長(cháng)的形狀。養殖水從排水口排出,穿過(guò)篩網(wǎng)后,開(kāi)始沖擊水輪,因為水輪葉片的形狀是狹長(cháng)的矩形,為了讓水流充分的作用在水輪葉片上,同時(shí)也是為了使水輪有更好的轉動(dòng),而不致于發(fā)生“停車(chē)”事故。1.2工廠(chǎng)化循環(huán)水養魚(yú)池自動(dòng)排污系統的設計本次實(shí)驗的養殖池的排水是從池底中心排出，故在通過(guò)篩網(wǎng)的過(guò)程中,比較大的殘餌和糞便等其他固體顆粒(通常是指比篩網(wǎng)網(wǎng)目直徑大)會(huì )被篩網(wǎng)直接篩掉,從而不能到達篩網(wǎng)的另- -側。而養殖污水中的-些分解的或者是在篩慮過(guò)程中碎掉的固體顆粒會(huì )黏附在篩網(wǎng)上,這圖2 排水管管口形狀時(shí)水輪在通過(guò)篩網(wǎng)的水的沖擊作用下開(kāi)始轉動(dòng),毛刷隨即開(kāi)始沖刷,從Fig.2 Sketch of outlet channel shape而將黏附在篩網(wǎng)上的固體顆粒刷掉,完成1個(gè)周期的循環(huán)。這就是水.輪毛刷的設計依據。因為水輪是靠養殖池底部持續的排水產(chǎn)生的作用力而工作的,所以水輪的重量不能很重。同時(shí),為了保證持續轉動(dòng),采用8片葉輪;為了保證及時(shí)的沖刷掉篩網(wǎng)上的顆粒,毛刷緊貼在葉片后側;為了保證加工的方便和便于推廣使用,采用比較簡(jiǎn)單的平面片狀結構;為了能耐海水腐蝕,采用PVC材料;為了提高水輪的轉動(dòng)慣量，在水輪的邊緣處增加了厚度。為了保持篩網(wǎng)的篩濾分離性,增加了反沖洗管,用于篩網(wǎng)的沖洗。1.3篩網(wǎng)的選擇本次實(shí)驗的篩網(wǎng)為不銹鋼材料,網(wǎng)口直徑為2 mm.選擇的依據為:(1)本次實(shí)驗選用的餌料為海力牌海水魚(yú)3#飼料,飼料粒徑為4 mm.該飼料在海水中30 min后,單顆飼料大約有10%~20%的體積被分解掉,這個(gè)時(shí)間和飼料在養殖池中停留的時(shí)間大致相等。(2)該排污系統在工廠(chǎng)化養殖系統流程中為預去除顆粒裝置,因為后續流程中還有微濾機,砂濾罐等處理設備,故網(wǎng)口直徑選擇的比較大。篩網(wǎng)被安置在與排水口水平中心面成- -定角度的平面上,并離出水口水平中心線(xiàn)3~5 cm,以保證分離后的固體顆?？梢杂凶銐虻南侣淇臻g,并且篩網(wǎng)只有一小部分被用到(即毛刷與篩網(wǎng)接觸的那部分)。1.4工廠(chǎng)化循環(huán)水養魚(yú)池自動(dòng)排水系統的設計在本次實(shí)驗中,養殖池采用單通道池底中心排水系統，可以實(shí)現工廠(chǎng)化循環(huán)水養魚(yú)池水位的自動(dòng)控制，根據需要可將養魚(yú)池的水全封閉地直接排回水處理車(chē)間進(jìn)行循環(huán)利用,而當養魚(yú)池進(jìn)行消毒刷池時(shí)又可將廢水排放到排水溝集中處理(圖1)。工作原理如下(即將閥門(mén)c關(guān)閉,其他閥門(mén)打開(kāi)時(shí)):處理后達到魚(yú)類(lèi)養殖要求的水由水處理車(chē)間經(jīng)過(guò)各個(gè)養魚(yú)池的進(jìn)水管進(jìn)入養魚(yú)池,其進(jìn)水量可通過(guò)設在養魚(yú)池側壁上的兩個(gè)閥門(mén)來(lái)調節,兩個(gè)調節閥門(mén)相對布置,以使養魚(yú)池內形成- -定的水流。當養魚(yú)池內的水位超過(guò)自動(dòng)排水管設定的水位時(shí)，多余的水便通過(guò)設在養魚(yú)池當中的中間排水管、池底排水管進(jìn)入自動(dòng)排水橫管,通過(guò)分離裝置,最后流回水處理車(chē)間進(jìn)行再處理,從而完成1個(gè)循環(huán)周期。養魚(yú)池內的水位高度是根據養殖魚(yú)類(lèi)的生理特性和養殖池大小來(lái)確定的,通過(guò)自動(dòng)排水橫管的水平高度來(lái)實(shí)現水位的自動(dòng)控制。中間排水管為活動(dòng)連接，當養魚(yú)池需要消毒、清池或者是養殖水體中固體顆粒濃度高時(shí)(此時(shí)應將閥門(mén)b.d關(guān)閉，其他閥門(mén)打開(kāi)時(shí)) ,并將中間排水管拔出,此時(shí)養魚(yú)池里的水便通過(guò)中間排水管池底排水管然后通過(guò)篩網(wǎng)分離,從而達到最少浪費水、并實(shí)現分離的原則。2實(shí)驗部分2.1實(shí)驗計算 部分中國煤化工(1)根據實(shí)際流體恒定總流的能量方程:有效水頭H=0.8MYHCNMHGz +些+ayVi=z+e+nVi+h.gρ° 2ggρ 2g8海洋水產(chǎn)研究第28卷推導出Vz=4.15 m/s理論狀態(tài)下(不考慮任何能量損失)。(2)根據流體力學(xué)的流體運動(dòng)的質(zhì)量守恒方程Q=VA帶入數據:A=1. 785X10~*m2 ,得出Q=7. 40X10-*/m*●s(3)根據定常管流的動(dòng)量方程(水平方向)pQ(2z- -切hz)=-F,分別以?xún)蓚€(gè)處于臨界狀態(tài)的葉片為研究對象(1/8周期內)。假設:出水水流與葉片接觸時(shí)沒(méi)有能量損失。(葉片與豎直方向夾角為a,a的變化范圍為45°~0°)(a)出水水流剛作用到葉片上時(shí)(此時(shí)a為45°)帶人數據:p=1.02X10* kg/m2 ;Q=7.40X10-*/m3●s;Vz =4.15 X sina(m/s);vr =4.15 m/s;Rwa=0.0566m。帶人數據,得到此時(shí)水流對葉片的作用力為0.92N。此時(shí)的力矩為0.05Nm。(b)出水水流剛不作用到葉片上時(shí)(此時(shí)a為0°)帶人數據,得到此時(shí)水流對葉片的作用力為3.13 N。此時(shí)的力矩為0. 18 Nm?，F在作者考慮實(shí)際的情況,將能量損失的條件加進(jìn)去(以下為粗略估計):.A.水流到達出水口時(shí),存在水頭損失、水量損失、沿程損失等各種能量損失,出口流速降為V際=4m/s。B.水流在通過(guò)篩網(wǎng)的過(guò)程中，流量有部分在通過(guò)篩網(wǎng)的過(guò)程中損失掉,不光是流量,還有流速也有些損.失。(1個(gè)周期內取平均值)水流在通過(guò)篩網(wǎng)過(guò)程中的流斷面面積損失為5 %;速度損失為20%。與葉片接觸過(guò)程中,速度損失為10 %。則實(shí)際的定常管流的動(dòng)量方程為:ρVx娠(1 - 20 %)A(1-5 %)V繇(1-20 %)(1-sina(1-10 %))=-F.則實(shí)際水流給葉片輪的作用力,力矩為:a.a為45°,水流對葉片的作用力為0.64N。此時(shí)的力矩為0.036Nm.b.a為0° ,水流對葉片的作用力為1.78 N。此時(shí)的力矩為0.1 Nm。c.毛刷在接觸篩網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的阻力力矩,損失部分能量;水輪在旋轉的過(guò)程中,空氣阻力和軸承摩擦都.會(huì )損失掉部分能量。粗略測得總的阻力約為0.03~0.05N,則力矩計算約為;(0.02~0.03)Nm。由以上分析可知，在該裝置運行過(guò)程中,出水水流產(chǎn)生的力矩總是大于阻力力矩,水輪能夠保持持續的轉動(dòng)的狀態(tài)。實(shí)驗測得,水輪轉速在100~120 r/min。因此,該裝置在工廠(chǎng)化養殖系統中運行良好,能夠滿(mǎn)足養殖水處理的需要.2.2實(shí)驗數據部分本次實(shí)驗數據主要是在裝置正常運行的條件下,改變篩網(wǎng)與豎直方向的夾角,同時(shí)出水管的高度也隨之相應調整,出水管調整的原則是:出水管水平中心線(xiàn)與毛刷所在的平面和篩網(wǎng)所在的平面的交線(xiàn)在同--水平面上(表1)。養殖污水通過(guò)裝置后，從出水管出來(lái)的污水中粒徑比2mm(寬度2mm,高度1.4mm)大的顆粒幾乎全部.被分離出來(lái)。顆粒粒徑小于2 mm的顆粒-部分通過(guò)篩網(wǎng),隨水-同進(jìn)入下個(gè)水處理工藝環(huán)節,另一部分在通過(guò)篩網(wǎng)的過(guò)程中附著(zhù)在篩網(wǎng)上,被水輪上帶的毛刷刷掉，一并進(jìn)人了排污溝。本實(shí)驗為了和實(shí)際生產(chǎn)接近,餌料事先放在海水里浸泡30 min左右,然后投人實(shí)驗池中。餌料沉降的時(shí)間為15~20 s(高度為0.77 m)。因為有自動(dòng)排水系統,排水有中國煤化工也有間歇轉動(dòng)的狀態(tài)出現。本次實(shí)驗選取的狀態(tài)為持續排水狀態(tài)。即水輪亦是HCNMHG實(shí)驗條件為:有效水頭H=0. 88 m,轉速n= 100~ 120 r/min。實(shí)驗中系統運行的時(shí)間每次都為2 h,實(shí)際出口流量為7.14X10-*/m*●s.則2h排出的總水量為51.4 m'。每次投放的飼料為1 000 g。第4期姜輝等:I廠(chǎng)化循環(huán)水養殖預排污系統與排水系統的研究與設計8]固體顆粒未去除率=.試驗后收集量:未通過(guò)篩網(wǎng)的水量.X100 %;按放飼料總量X100 %,耗水率=總的排水量表1篩網(wǎng)角度對實(shí)驗耗水量、乾水辜 固體順粒去除量、固體穎粒未去除率的影響Table 1 Effects of screen angle on water consumption volume, water consunption rate,solids removal quantity, and un-removal rate of solids篩網(wǎng)角度耗水量(m)耗水率(%)固體顆粒去除量(g)固體顆粒未去除率(%)Screen angleWater consumption volume Water consumption rateSolids renoval quantityUn-removal rate of solids301.643. 2807.619. 241.803.5825.217.48 .101.853.6830. 816. 922.00.9849.015. 10502.114.1856.214. 38552.164.2865. 813. 422.4.5871.612. 84▲固體顆粒未去除率2.3結論22.0020.00篩網(wǎng)與豎直方向的夾角越大,排水口出水就與篩18.00▲.耗水率16.00Water consumption rate網(wǎng)的接觸面積越大,不易于毛刷有效的刷掉篩網(wǎng)上黏14.0▲12.附的顆粒;篩網(wǎng)網(wǎng)口直徑的有效面積會(huì )變得越小，固10.0體顆粒的去除率會(huì )相對來(lái)說(shuō)增加耗水量也會(huì )增大,這爾8.00是因為網(wǎng)口直徑有效面積的減小,增大了顆粒黏附在4.00篩網(wǎng)的機會(huì )。這樣篩網(wǎng)在有較小的顆粒黏附并且毛刷沒(méi)有轉到可以洗刷篩網(wǎng)時(shí),就會(huì )有部分將要通過(guò)篩0.00253035 40 45S0S5 6065網(wǎng)的水流被擋了回來(lái),從而造成養殖水的浪費。Screen 8nglo在篩網(wǎng)角度與豎直方向成45度時(shí),耗水率較低，固體顆粒去除率較高,安裝調節比較方便,并且毛刷圖3固體顆粒未去除率與篩網(wǎng)角度(豎直方向夾角)的關(guān)系Fig. 3 The relation between solids removal與篩網(wǎng)接觸的面積相對較小，易于水輪的轉動(dòng)，比較rate and screen angle適宜國內的工廠(chǎng)化養殖系統中(圖3)。3討論3.1 該裝置的優(yōu)點(diǎn)(1)不需要任何外在動(dòng)力就可以實(shí)現養殖污水中固體顆粒的預分離,減少后續水處理元件的負荷。(2)該裝置在分離固體顆粒的過(guò)程中,耗水率較低,可控制在5%之內,這與國外的雙通道池底排水系統的耗水率相當。但是該裝置相對于國外的雙通道池底排水系統來(lái)說(shuō),結構簡(jiǎn)單,成本低,易于在國內推廣,比較適合國內的養殖現狀。3.2該裝置的不足中國煤化工(1)毛刷與篩網(wǎng)接觸的次數較多,毛刷的磨損問(wèn)題,值得在MYHCNMHG(2)篩網(wǎng)能否經(jīng)的起海水的長(cháng)時(shí)間的腐蝕，養殖池中魚(yú)體的鱗片會(huì )不會(huì )長(cháng)時(shí)間的黏附在篩網(wǎng)上,并導致水輪停止轉動(dòng)。82海洋水產(chǎn)研究第28卷(3)固體顆粒在與篩網(wǎng)接觸過(guò)程中,大顆粒狀的顆粒是否有很多會(huì )被撞擊成小顆粒,并因此通過(guò)篩網(wǎng)。水輪的間斷的轉動(dòng),是否會(huì )有更好的分離去除效果。因為持續的轉動(dòng),相當于一個(gè)持續的外力作用在篩網(wǎng)上，而附著(zhù)在篩網(wǎng)上的顆粒的去除主要靠毛刷的反作用力,導致篩網(wǎng)上的顆粒分離的效果不佳。參考文獻葉元土，林仕梅，羅莉,李芹. 2002. 水產(chǎn)養殖飼料損失原因及損失量分析.重慶水產(chǎn)，59.15~19李振，陳玉林. 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