海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程優(yōu)化設計

1、海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程優(yōu)化設計杜守恩1, 曲克明2, 桑大賀3( 1 中國海洋大學, 青島; 2 中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所, 青島;3杭州大賀水處理設備有限公司, 杭州)摘要: 設計并建設了海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程, 研發(fā)出水處理設施與設備, 包括: 綜合生物濾池、全自動微濾機、蛋白質(zhì)分離器、渠道式紫外線消毒器、管道溶氧器、多點在線自動水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等, 并進行養(yǎng)殖生產(chǎn)。主要水質(zhì)指標達到: COD 3. 5mg/L, TN 8mg/L, 總大腸菌群 3 500個/L。養(yǎng)殖鲆鰈魚類平均單產(chǎn)30 kg/m2, 高產(chǎn)池35 kg/m2。關鍵詞: 海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng); 養(yǎng)殖工程; 水處理設備海水循

2、環(huán)水養(yǎng)殖是工廠化養(yǎng)殖的一種先進形式, 它是以工業(yè)化手段主動控制水環(huán)境和營養(yǎng)供給, 可以全年連續(xù)生產(chǎn), 具有節(jié)水、節(jié)能、餌料系數(shù)低、高密度健康養(yǎng)殖的特點, 并對海區(qū)環(huán)境不產(chǎn)生污染。項目組通過多年的研究與開發(fā), 優(yōu)化設計了取水構筑物、循環(huán)水生產(chǎn)工藝、節(jié)能型綜合生物濾池等系統(tǒng)工程, 并開始向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程主要技術指標達到: 水質(zhì)COD 3.5 mg /L, SS 7 mg /L, NO22N 8mg/L, TN0.5 mg /L, PO42P 0.1mg/L, 總大腸菌群3500個/L; 水利用率大于95%; 養(yǎng)殖鲆鰈魚類平均單產(chǎn)30 kg /m2 (池內(nèi)有效水深0.8m),高產(chǎn)

3、試驗池達到35kg/m2。1 養(yǎng)殖場水源取水構筑物目前我國沿海近岸海水一般受到不同程度工農(nóng)業(yè)及淺海超量養(yǎng)殖的污染, 水質(zhì)較差, 病害傳播嚴重。因此, 在陸基建設的循環(huán)水養(yǎng)殖場, 一般不直接取近岸漲落潮水, 而是設計不同類型的取水構筑物進行初級水處理。但修筑取水構筑物應符合當?shù)睾Ｋ盟挠嘘P規(guī)定, 同時應取水樣、土樣化驗分析, 水質(zhì)達到海水養(yǎng)殖用水標準, 土質(zhì)適合修建取水構筑物的基本條件。然后根據(jù)海區(qū)地形、高程、底質(zhì)、水文、氣象等資料, 設計不同類型的取水構筑物。1.1 滲水型蓄水池滲水型蓄水池是在潮間帶或潮上帶,底質(zhì)是滲水性的砂土或砂壤土類, 用堤壩圍成的蓄水池,并將池底挖深到大潮低潮位高程以

4、下不少于3m,堤壩頂高程一般取平均高潮位以上1 m, 大風浪高潮位海水不能進入池內(nèi)。堤壩可設計為土質(zhì)壩、石砌壩或混凝土壩, 蓄水量應根據(jù)滲水量和一個養(yǎng)成周期的用水量確定。水的來源是海水通過地下砂土或砂壤土的滲流進入池內(nèi), 水通過砂濾、生物過濾在池內(nèi)貯存?zhèn)溆? 同時池水在貯存過程中具有沉淀作用, 在陽光照射下具有消毒殺菌的作用, 水質(zhì)較好。滲水型蓄水池隔絕外海水直接進入蓄水池, 避免了赤潮、周邊環(huán)境的污染與病害的傳播; 并且海水通過地下土壤的滲流, 在冬、夏季還具有調(diào)節(jié)水溫的作用, 節(jié)約能源。1.2 反濾層大口井反濾層大口井是在海區(qū)的潮上帶開挖大口徑土池, 深度在大潮低潮位高程以下不少于3m,用

5、塊石砌成直徑大于1 m的大口井, 井的周圍用碎石、卵石、粗砂及細砂材料布置反濾層滲水區(qū)。若底質(zhì)土壤滲水性能較差, 可從大口井周圍向外輻射布置48根直徑為150200mm的反濾層滲水管, 管長根據(jù)需水量和底質(zhì)土壤性質(zhì)而定, 一般不少于10m, 管頭外端封閉, 管道上間隔布置進水孔; 進水孔周圍布置砂、石反濾層, 或敷設篩絹,上面回填砂石、泥土, 與地面齊平。反濾層大口井貯水空間大, 反濾層的砂、石可以看成是砂濾層和生物膜的載體,起到物理及生物過濾的作用。另外,反濾層大口井因貯水在大潮低潮位高程以下,冬、夏季具有調(diào)節(jié)水溫的作用, 是一種既能處理海水又節(jié)約能源的取水構筑物。2 節(jié)能型養(yǎng)殖車間設計養(yǎng)殖

6、車間的作用是防風雨、保溫、調(diào)光,為養(yǎng)殖對象提供最佳生長繁殖的生態(tài)環(huán)境。一般設計為低拱溫室型, 屋面雙層, 外層采用透光率較高的聚脂膜或玻璃鋼材料, 內(nèi)層采用保溫板,光帶采光。車間根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)?？稍O計為單跨、雙跨或多跨, 單跨車間寬度一般不大于18m,長30 50m。車間地面為20 cm厚鋼筋混凝土, 墻體設計立柱和圍梁, 魚池建在混凝土基礎的地面上。車間外墻加保溫層, 窗戶裝雙層空心保溫玻璃。鲆鰈魚類養(yǎng)殖池一般采用圓形的機磚結構,池深0.81.0m,水深0.60.8m,面積3540m2,池底為錐形。2 m水深的養(yǎng)殖池應設計為鋼筋混凝土結構。3 海水循環(huán)水養(yǎng)殖工藝流程海水循環(huán)水養(yǎng)殖工藝流程一般分外

7、循環(huán)水和內(nèi)循環(huán)水兩部分。外循環(huán)是全場污水處理系統(tǒng), 魚池排污水、車間及其它地方的污水集中流入全場排污水處理系統(tǒng)的微濾機, 過濾水進入綜合處理池、生態(tài)處理池, 經(jīng)處理達標后排入海中。外循環(huán)系統(tǒng)微濾機排污水流進沉淀池, 定期排水后取沉淀污泥進行干化處理。內(nèi)循環(huán)是指魚池排出的循環(huán)水流入內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的微濾機,水經(jīng)過濾后進入低位池,通過循環(huán)泵提水進入高位綜合生物濾池，初流出的水應首先流入綜合生物濾池，以便有豐富的營養(yǎng)，供池內(nèi)生物生長；然后微濾機蛋紫溫管道溶氧魚池。經(jīng)生物處理后自流進入蛋白質(zhì)分離器、渠道式紫外線消毒器、調(diào)溫池、管道溶氧器及魚池; 同時水泵從海邊的取水構筑物提水到低位水池,補充內(nèi)循環(huán)用水。內(nèi)循

8、環(huán)系統(tǒng)每級水處理設施都在多點在線自動水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)控制之下運行,確保進入魚池水的水質(zhì)(圖1)。若養(yǎng)殖規(guī)模較大, 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)可分為若干個獨立循環(huán)系統(tǒng),有一定靈活性,方便生產(chǎn)管理與水質(zhì)監(jiān)測, 一個系統(tǒng)發(fā)生問題不會影響其它系統(tǒng)。系統(tǒng)水循環(huán)的頻率不能太高或太低, 太高循環(huán)泵耗電較大, 太低魚池水質(zhì)不能保證。系統(tǒng)中的水循環(huán)頻率在一定的水處理設施、養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖密度下有一個經(jīng)濟頻率, 經(jīng)濟頻率一般通過養(yǎng)殖生產(chǎn)試驗確定。在上述水處理設施下, 鲆鰈魚類養(yǎng)殖密度在3035 kg/m2, 水循環(huán)頻率一般在23 h循環(huán)1次為宜。圖1 內(nèi)循環(huán)水工藝流程圖4 綜合生物濾池設計海水循環(huán)水養(yǎng)殖,魚池排出的污水一般總氮(TN)

9、不高于2mg/L, COD不高于15mg/L, 應屬于微污染海水。微污染海水中的有機物含量較低, 提供給微生物生長的營養(yǎng)物含量也較低,形成的生物量相對減少, 對水中有機物的降解作用有所減弱。在微污染海水生物膜處理中, 一般不能按高濃度污染水的處理方法設計,如何提高對微污染海水的處理效果是一個值得研究的問題。因此,項目組對海水循環(huán)水養(yǎng)殖排出的微污染水,提出了生物膜穩(wěn)態(tài)運行的節(jié)能型綜合生物濾池及蛋白質(zhì)分離器加臭氧氧化的處理工藝。4.1 生物膜水處理工藝穩(wěn)態(tài)運行從理論上講,生物膜水處理工藝分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種運行方式。穩(wěn)態(tài)工藝是生物膜隨時間變化沒有凈增長或凈死亡的變化, 而非穩(wěn)態(tài)生物膜正好相反。就穩(wěn)

10、態(tài)工藝而言,水中基質(zhì)含量在一定時間內(nèi)不變或變化很少,生物膜生長和自身氧化得到一個穩(wěn)態(tài)生物厚度, 并維持了一定的出水基質(zhì)含量, 也就是說,在一定的生物量下,不能任意變化處理水的能力。而非穩(wěn)態(tài)運行是依靠生物的一種應激性反應,當微生物前期處于相對較高的營養(yǎng)環(huán)境中, 生物膜生長很好；當進水基質(zhì)含量減少后，微生物為維持自身生長的需要，就會發(fā)揮全部潛力, 快速攝取營養(yǎng)水中的有機物，從而被處理微污染水的有機物含量會降到較低水平。雖然生物膜水處理非穩(wěn)態(tài)運行效果較好，且可深度處理，但生物載體需間斷性的在高含量有機物水環(huán)境中培養(yǎng)微生物，再運到生物濾池處理微污染水，這給生產(chǎn)管理帶來負擔，并且修建微生物培養(yǎng)池又加大了

11、工程投資，所以在優(yōu)化設計中不采用生物膜水處理工藝非穩(wěn)態(tài)運行。4.2 綜合生物濾池節(jié)能設計首先將綜合生物濾池建在太陽能溫室車間，室內(nèi)屋頂安裝調(diào)光天幕。在北方的冬季，太陽能溫室車間生物濾池的水溫, 比較一般車間，一晝夜可升高2左右, 室內(nèi)氣溫高于一般車間58,長時間運行能大量節(jié)約能源。若條件允許, 安裝大型太陽能熱水器更佳。綜合生物濾池的標高設計為內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的高位，濾池的出水自流進蛋白質(zhì)分離器、紫外線消毒器、調(diào)溫池、管道溶氧器及魚池。合理設計各設備設施之間的水頭, 可節(jié)約循環(huán)水泵的動能。4.3 生物濾池生物多樣性設計一般生物濾池只采用微生物處理海水，而綜合生物濾池采用多種生物共存的生物多樣性水處理

12、工藝。濾池一般設計為池深2. 2m，水深2.0m，池寬2.53.0m。長度分段的流水池,上層吊養(yǎng)大型藻類, 如馬尾藻、江籬、石莼等, 其中粗江籬較好, 是多年生的暖溫帶大型紅藻, 高2050cm。江籬不但能處理和調(diào)控水質(zhì), 而且定期收獲還有一定的經(jīng)濟效益。下層吊裝或堆放生物載體, 通過生產(chǎn)性試驗,聚丙烯絲制作的輻射形刷狀生物載體、片狀結構球形生物載體較好。筆者認為, 生物載體不能單純追求比表面積, 應通過生產(chǎn)性試驗進行選用, 不但考慮比表面積和水處理效果, 還應考慮有利于生物膜的生長和生產(chǎn)管理的方便。綜合生物濾池養(yǎng)殖大量海水植物,利用植物光合作用吸收水中氨氮等營養(yǎng)鹽, 增加水中溶氧,并調(diào)控水質(zhì)

13、。同時在濾池的生物載體中引入微生物群落,起到養(yǎng)魚水環(huán)境的生物修復作用, 發(fā)揮多種方式水處理的功能。綜合生物濾池的有效水體數(shù)應根據(jù)采用的工藝流程、水處理設備、養(yǎng)殖的品質(zhì)、密度、水循環(huán)頻率等, 通過試驗確定。筆者認為, 不能用處理高濃度污水的某方法或計算設計生物載體量來確定有效水體, 并且不取設計安全系數(shù)。用上述方法設計的有效水體往往偏少,因為微污染海水用生物法處理有它的特殊性, 必須通過生產(chǎn)性試驗,全面綜合分析研究確定有效水體。綜合生物濾池的有效水體, 在配備較好水處理設備的工況下, 一般不少于養(yǎng)殖水體。5 全自動微濾機新型全自動微濾機是根據(jù)海水循環(huán)水養(yǎng)殖特點自行研制的產(chǎn)品,采用120150目不

14、銹鋼篩網(wǎng)過濾, 去除水中懸浮物, 包括浮游動植物、殘渣碎餌等。主要技術指標: 濾鼓直徑1400 mm, 濾鼓長度1700mm,電機功率0.9kW,處理水量400m3 /h。微濾機的主要特點:重量輕,噪聲低,耐海水腐蝕,使用壽命長,消耗電少, 價格低廉, 水位和反沖洗自動控制。該微濾機在不銹鋼結構的基礎上, 通過試驗采用工程塑料構件, 并設計了新型氣、水反沖洗裝置和自動控制系統(tǒng), 使整機重量大大減輕, 耐海水腐蝕能力增強, 使用壽命是傳統(tǒng)微濾機的23倍,價格是國外同類產(chǎn)品的三分之一。6 蛋白質(zhì)分離器蛋白質(zhì)分離器是自行研制的新型水處理設備,適用于海水循環(huán)水養(yǎng)殖, 系列產(chǎn)品有50, 100,150m

15、3 /h。蛋白質(zhì)分離器去除氨氮和有機物質(zhì),主要是利用泡沫分離和臭氧氧化反應原理。泡沫分離是將水中的有機物在未分解成氨氮之前, 從水中分離出去; 臭氧氧化是向蛋白質(zhì)分離器中加入臭氧,通過臭氧的強氧化作用, 去除有機物質(zhì)。（？）與蛋白質(zhì)分離器配套的臭氧發(fā)生器選用以純氧為氣源的發(fā)生器為宜, 純氧可來自液氧罐或制氧機。經(jīng)過反復試驗證明,向蛋白質(zhì)分離器加入臭氧殺菌效果較理想, 同時又能增加水體的溶解氧,是既經(jīng)濟又安全的新技術。由于新型蛋白質(zhì)分離器裝有臭氧尾氣回收裝置, 殘余臭氧不會影響?zhàn)B殖魚類的正常生長,因而不需要附加設備處理殘余臭氧。7 渠道式紫外線消毒器渠道式紫外線消毒器是將數(shù)支高強度紫外線殺菌燈管

16、(德國產(chǎn))設計成模塊, 配套相應高位、低位進出水的分段渠道, 將燈管模塊直接安裝在渠道的水流中, 渠道頂部安裝特制的反光板, 水流在渠道(暗溝)中呈波浪式的起伏運動，使水體與燈管充分接觸,從而提高了消毒能力。燈管模塊的數(shù)量可根據(jù)循環(huán)水量的大小、渠道的長短、水處理效果等綜合分析確定。渠道式紫外線消毒器比傳統(tǒng)封閉式消毒器效率高, 成本低, 流量大, 維修方便, 細菌去除率為95% 99%。渠道式紫外線消毒器安裝在蛋白質(zhì)分離器之后, 根據(jù)水中有害細菌量的多少可間斷開啟。（頻繁開關會影響燈管的壽命）8 管道溶氧器管道溶氧器是在溶氧罐的基礎上自行研制的大型溶氧設備, 比溶氧罐效率高,氧氣利用率為99%,水中溶解氧可達1020mg/L。設備直徑500mm,單臺流量為150m3/h。從制氧機或液氧罐輸出的氧氣,通過安裝在管道溶氧器端部的文丘里射流器, 進入溶氧器的氣水混合室進行混合增氧,混合氣水再經(jīng)螺旋式混合器充分混合。在溶氧器的頂部設有尾氣回收裝置, 對未溶解的氧氣進