工厂化循环水养殖预排污系统与排水系统研究与设计

第28卷第4期海洋水产研究Vol. 28,No. 42007年8月MARINE FISHERIES RESEARCHAug. ,2007工厂化循环水养殖预排污系统与排水系统研究与设计姜辉12宋德敬2宋协法'曲克明2*('中国海洋大学生命科学与技术学部,青岛266003)《°农业部海洋渔业资源可持续利用重点开放实验室中国水产科学研究院黄海水产研兖所,青岛266071)摘要一种新型的用于工厂化养殖固体颗粒预去除系统研制成功。该水处理系统最大的特点是:不需要任何的外在动力。该系统主要包括两部分:(1)靠养鱼池外置竖管设定水位来实现自动排水的.排水系统;(2)靠养鱼池排水管口附近放置的筛网和转动水轮上的毛刷的共同作用,去除养殖循环水中的较大的固体颗粒(残饵和粪便)的排污系统。在去除过程中,耗水率均在5 %以内;固体颗粒的去除率也均在80 %以上。关键词工厂化养殖固体颗粒.预排污自动排污系统自动排水系统中图分类号S959;X52文献识别码A文章编号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工厂化养殖主要依赖于饲料物质的转化和利用,养殖生产成本的60 %以上是饲料成本。因此,饲料质量、利用效率和饲料的使用方法对渔业生产具有重要的作用。就现有的资料分析表明,仅有25 %~35 %的饲料物质通过形成鱼体成分而被利用,65 %~75 %左右的饲料物质留存于水域环境中(叶元土等2002)。 残饵和排泄物都要在水体中分解并消耗溶解氧,分解的产物主要成分为氨氮,从而使水中溶解氧减少,氨氮、亚硝酸盐中国煤化工国家科技支撑计划(2006BAD09A03)资助MHCNMHG*通讯作者。E-mail;qukm@ysfri. sc. c收稿日期:2006-12-30;接受日期:2007 03-08作者简介:姜辉(1982-).男 ,在读硕士研究生,主要从事海水渔业工程研究。Tel,(0532)8583634178海洋水产研究第28卷氮、硝酸盐氮增加,水中孳生积累大量的病毒、细茵,浮游生物等微生物,导致水体富营养化或水质恶化,严重影响养殖鱼类的健康生长(李振等2004)。 因此,如何快速有效地去除这些残饵和排泄物是工厂化养殖水处理技术需要解决的主要问题之--。最近在北美建成的用于养殖北极红点鲑、虹鳟鱼、赛蒙鲑鱼的循环水系统大都采用了双通道排水排污养殖池(Wilton etal.1998; Summerfelt et al.2004a,b). 双通道排水养殖池被用来快速分离和用-一个相对小的水流(大约总水流的5%),将大部分的可沉淀固体颗粒从鱼池池底中心冲刷出(Makinenetal.1988;Eikebrokk etal.1993、 1998; Twarowska et al.1997; Timmons et al.1998; Losordo et al.2000;Summerfeltetal.2004)。在国内,已有研究人员对双通道排水排污养殖系统进行实验,但是排污通道大约会浪费掉15%~20%的养殖水,耗水率太大,不易推广采用。国外也有用筛网进行分离的装置的研究(Lek-ang etal.2000) ,但是筛网网目直径过小(0.25 mm) ,对国内的养殖场来说,不是很实用。并且还需要人工每天1次的刷筛网。目前国内的工厂化养殖场中去除固体颗粒的方法主要有3种:(1)虹吸。虹吸只能吸走池内中、下层浊水，而池底的固体污物无法吸出;(2)自吸泵。自吸泵功耗大，而且由于缺少配套的吸污头,吸污效果较差(苏胜齐等2001);(3)大换水。即工作人员投饲后不久,拔掉养殖池外部排水的插拔管,将养殖池的水基本排掉,从而达到去除养殖池中固体颗粒的目的。对于养殖场中外排水系统来说,国外的排水系统相对来说比较完善,大多为在池壁设定高度,自动溢流。国内是靠养殖池外部人工插拔竖管来完成,当养殖池中的水位高于外部插拔管的设定的高度时,就会自动溢流,但是闸门的密封性能又不是很好,基本上处于-一个持续漏水的状态,也会浪费部分的养殖用水。基于以上的考虑,再结合我国工厂化养殖的现状,本次课题研究的装置将具备以下两大特点:(I)实现工厂化循环水养殖池中产生的残饵和粪便以最快的速度自动的排出系统之外,并争取达到最小的用水的目的;(2)实现工厂化循环水养鱼池水位的自动控制,根据需要可将养鱼池的水全封闭、自动排回水处理车间进行循环利用。1工厂化循环水养殖自动排污装置的结构设计工厂化循环水养殖自动排污装置主要由筛网、水轮、PVC管等部分组成(图1)。自动溢流排水横管进水 管InletAuto flooding drain borizontal channel鱼池Fisb tank反冲洗管Back washing channel中间排水管Ceater outlet chanel筛网Screen阀门Valve水轮及毛刷Water wheel & Brush池底排水管(细实线为毛刷)Tank bottom drain channel弯头Elbow一排水井排污井Drain sewage wellDrain water well图1分离装置Fig.l Sketch of the separator1.1排水管 管口设计通常工厂化养殖系统的排水管的管口为圆形的,但是在本中国煤化工管口的界面如图2所示,将出水口设计成此形状,是出于以下两点考虑的:(1)保讯MHCN M H G知,周长固定的平面区域，以圆形面积最大,此设计为了产生较小的面积。根据流体力学的流体运动的质量守恒方程Q=V●A,可知,相对于常用的出水管口(圆形)来说,此种设计有比较大的流速,从而保证水轮能够持续的转动。(2)保证第4期姜辉等,工厂化循环水养殖预排污系统与排水系统的研究与设计7S出水口水流具有扁长的形状。养殖水从排水口排出,穿过筛网后,开始冲击水轮,因为水轮叶片的形状是狭长的矩形,为了让水流充分的作用在水轮叶片上,同时也是为了使水轮有更好的转动,而不致于发生“停车”事故。1.2工厂化循环水养鱼池自动排污系统的设计本次实验的养殖池的排水是从池底中心排出，故在通过筛网的过程中,比较大的残饵和粪便等其他固体颗粒(通常是指比筛网网目直径大)会被筛网直接筛掉,从而不能到达筛网的另- -侧。而养殖污水中的-些分解的或者是在筛虑过程中碎掉的固体颗粒会黏附在筛网上,这图2 排水管管口形状时水轮在通过筛网的水的冲击作用下开始转动,毛刷随即开始冲刷,从Fig.2 Sketch of outlet channel shape而将黏附在筛网上的固体颗粒刷掉,完成1个周期的循环。这就是水.轮毛刷的设计依据。因为水轮是靠养殖池底部持续的排水产生的作用力而工作的,所以水轮的重量不能很重。同时,为了保证持续转动,采用8片叶轮;为了保证及时的冲刷掉筛网上的颗粒,毛刷紧贴在叶片后侧;为了保证加工的方便和便于推广使用,采用比较简单的平面片状结构;为了能耐海水腐蚀,采用PVC材料;为了提高水轮的转动惯量，在水轮的边缘处增加了厚度。为了保持筛网的筛滤分离性,增加了反冲洗管,用于筛网的冲洗。1.3筛网的选择本次实验的筛网为不锈钢材料,网口直径为2 mm.选择的依据为:(1)本次实验选用的饵料为海力牌海水鱼3#饲料,饲料粒径为4 mm.该饲料在海水中30 min后,单颗饲料大约有10%~20%的体积被分解掉,这个时间和饲料在养殖池中停留的时间大致相等。(2)该排污系统在工厂化养殖系统流程中为预去除颗粒装置,因为后续流程中还有微滤机,砂滤罐等处理设备,故网口直径选择的比较大。筛网被安置在与排水口水平中心面成- -定角度的平面上,并离出水口水平中心线3~5 cm,以保证分离后的固体颗粒可以有足够的下落空间,并且筛网只有一小部分被用到(即毛刷与筛网接触的那部分)。1.4工厂化循环水养鱼池自动排水系统的设计在本次实验中,养殖池采用单通道池底中心排水系统，可以实现工厂化循环水养鱼池水位的自动控制，根据需要可将养鱼池的水全封闭地直接排回水处理车间进行循环利用,而当养鱼池进行消毒刷池时又可将废水排放到排水沟集中处理(图1)。工作原理如下(即将阀门c关闭,其他阀门打开时):处理后达到鱼类养殖要求的水由水处理车间经过各个养鱼池的进水管进入养鱼池,其进水量可通过设在养鱼池侧壁上的两个阀门来调节,两个调节阀门相对布置,以使养鱼池内形成- -定的水流。当养鱼池内的水位超过自动排水管设定的水位时，多余的水便通过设在养鱼池当中的中间排水管、池底排水管进入自动排水横管,通过分离装置,最后流回水处理车间进行再处理,从而完成1个循环周期。养鱼池内的水位高度是根据养殖鱼类的生理特性和养殖池大小来确定的,通过自动排水横管的水平高度来实现水位的自动控制。中间排水管为活动连接，当养鱼池需要消毒、清池或者是养殖水体中固体颗粒浓度高时(此时应将阀门b.d关闭，其他阀门打开时) ,并将中间排水管拔出,此时养鱼池里的水便通过中间排水管池底排水管然后通过筛网分离,从而达到最少浪费水、并实现分离的原则。2实验部分2.1实验计算 部分中国煤化工(1)根据实际流体恒定总流的能量方程:有效水头H=0.8MYHCNMHGz +些+ayVi=z+e+nVi+h.gρ° 2ggρ 2g8海洋水产研究第28卷推导出Vz=4.15 m/s理论状态下(不考虑任何能量损失)。(2)根据流体力学的流体运动的质量守恒方程Q=VA带入数据:A=1. 785X10~*m2 ,得出Q=7. 40X10-*/m*●s(3)根据定常管流的动量方程(水平方向)pQ(2z- -切hz)=-F,分别以两个处于临界状态的叶片为研究对象(1/8周期内)。假设:出水水流与叶片接触时没有能量损失。(叶片与竖直方向夹角为a,a的变化范围为45°~0°)(a)出水水流刚作用到叶片上时(此时a为45°)带人数据: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。带人数据,得到此时水流对叶片的作用力为0.92N。此时的力矩为0.05Nm。(b)出水水流刚不作用到叶片上时(此时a为0°)带人数据,得到此时水流对叶片的作用力为3.13 N。此时的力矩为0. 18 Nm。现在作者考虑实际的情况,将能量损失的条件加进去(以下为粗略估计):.A.水流到达出水口时,存在水头损失、水量损失、沿程损失等各种能量损失,出口流速降为V际=4m/s。B.水流在通过筛网的过程中，流量有部分在通过筛网的过程中损失掉,不光是流量,还有流速也有些损.失。(1个周期内取平均值)水流在通过筛网过程中的流断面面积损失为5 %;速度损失为20%。与叶片接触过程中,速度损失为10 %。则实际的定常管流的动量方程为:ρVx娠(1 - 20 %)A(1-5 %)V繇(1-20 %)(1-sina(1-10 %))=-F.则实际水流给叶片轮的作用力,力矩为:a.a为45°,水流对叶片的作用力为0.64N。此时的力矩为0.036Nm.b.a为0° ,水流对叶片的作用力为1.78 N。此时的力矩为0.1 Nm。c.毛刷在接触筛网过程中产生的阻力力矩,损失部分能量;水轮在旋转的过程中,空气阻力和轴承摩擦都.会损失掉部分能量。粗略测得总的阻力约为0.03~0.05N,则力矩计算约为;(0.02~0.03)Nm。由以上分析可知，在该装置运行过程中,出水水流产生的力矩总是大于阻力力矩,水轮能够保持持续的转动的状态。实验测得,水轮转速在100~120 r/min。因此,该装置在工厂化养殖系统中运行良好,能够满足养殖水处理的需要.2.2实验数据部分本次实验数据主要是在装置正常运行的条件下,改变筛网与竖直方向的夹角,同时出水管的高度也随之相应调整,出水管调整的原则是:出水管水平中心线与毛刷所在的平面和筛网所在的平面的交线在同--水平面上(表1)。养殖污水通过装置后，从出水管出来的污水中粒径比2mm(宽度2mm,高度1.4mm)大的颗粒几乎全部.被分离出来。颗粒粒径小于2 mm的颗粒-部分通过筛网,随水-同进入下个水处理工艺环节,另一部分在通过筛网的过程中附着在筛网上,被水轮上带的毛刷刷掉，一并进人了排污沟。本实验为了和实际生产接近,饵料事先放在海水里浸泡30 min左右,然后投人实验池中。饵料沉降的时间为15~20 s(高度为0.77 m)。因为有自动排水系统,排水有中国煤化工也有间歇转动的状态出现。本次实验选取的状态为持续排水状态。即水轮亦是HCNMHG实验条件为:有效水头H=0. 88 m,转速n= 100~ 120 r/min。实验中系统运行的时间每次都为2 h,实际出口流量为7.14X10-*/m*●s.则2h排出的总水量为51.4 m'。每次投放的饲料为1 000 g。第4期姜辉等:I厂化循环水养殖预排污系统与排水系统的研究与设计8]固体颗粒未去除率=.试验后收集量:未通过筛网的水量.X100 %;按放饲料总量X100 %,耗水率=总的排水量表1筛网角度对实验耗水量、乾水辜 固体顺粒去除量、固体颖粒未去除率的影响Table 1 Effects of screen angle on water consumption volume, water consunption rate,solids removal quantity, and un-removal rate of solids筛网角度耗水量(m)耗水率(%)固体颗粒去除量(g)固体颗粒未去除率(%)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▲固体颗粒未去除率2.3结论22.0020.00筛网与竖直方向的夹角越大,排水口出水就与筛18.00▲.耗水率16.00Water consumption rate网的接触面积越大,不易于毛刷有效的刷掉筛网上黏14.0▲12.附的颗粒;筛网网口直径的有效面积会变得越小，固10.0体颗粒的去除率会相对来说增加耗水量也会增大,这尔8.00是因为网口直径有效面积的减小,增大了颗粒黏附在4.00筛网的机会。这样筛网在有较小的颗粒黏附并且毛刷没有转到可以洗刷筛网时,就会有部分将要通过筛0.00253035 40 45S0S5 6065网的水流被挡了回来,从而造成养殖水的浪费。Screen 8nglo在筛网角度与竖直方向成45度时,耗水率较低，固体颗粒去除率较高,安装调节比较方便,并且毛刷图3固体颗粒未去除率与筛网角度(竖直方向夹角)的关系Fig. 3 The relation between solids removal与筛网接触的面积相对较小，易于水轮的转动，比较rate and screen angle适宜国内的工厂化养殖系统中(图3)。3讨论3.1 该装置的优点(1)不需要任何外在动力就可以实现养殖污水中固体颗粒的预分离,减少后续水处理元件的负荷。(2)该装置在分离固体颗粒的过程中,耗水率较低,可控制在5%之内,这与国外的双通道池底排水系统的耗水率相当。但是该装置相对于国外的双通道池底排水系统来说,结构简单,成本低,易于在国内推广,比较适合国内的养殖现状。3.2该装置的不足中国煤化工(1)毛刷与筛网接触的次数较多,毛刷的磨损问题,值得在MYHCNMHG(2)筛网能否经的起海水的长时间的腐蚀，养殖池中鱼体的鳞片会不会长时间的黏附在筛网上,并导致水轮停止转动。82海洋水产研究第28卷(3)固体颗粒在与筛网接触过程中,大颗粒状的颗粒是否有很多会被撞击成小颗粒,并因此通过筛网。水轮的间断的转动,是否会有更好的分离去除效果。因为持续的转动,相当于一个持续的外力作用在筛网上，而附着在筛网上的颗粒的去除主要靠毛刷的反作用力,导致筛网上的颗粒分离的效果不佳。参考文献叶元土，林仕梅，罗莉,李芹. 2002. 水产养殖饲料损失原因及损失量分析.重庆水产，59.15~19李振，陈玉林. 2004养殖水体自身污染的控制措施.中国水产, 7:68~69苏胜齐，姚维志. 2001. 水产养殖的环境问题与水产养殖环境工程技术的发展.贵州环保科技，7(1);32~35Eikebrokk, B., and Ulgenes, Y. 1993. 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