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

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境工程學(xué)生物濾池的設(shè)計(jì)第1頁(yè)/共133頁(yè)

生物濾池的設(shè)計(jì)還沒有非常嚴(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)在生物過濾裝置中被除去的過程。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。第2頁(yè)/共133頁(yè)生物過濾裝置設(shè)計(jì)考慮的因素基于生物過濾設(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。不同的過濾裝置構(gòu)造。生物過濾裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是變化的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮到細(xì)節(jié)問題，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。第3頁(yè)/共133頁(yè)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)的廢物量生物過濾裝置的設(shè)計(jì)步驟第4頁(yè)/共133頁(yè)Ⅰ.確定污染物的數(shù)量代謝測(cè)定和實(shí)際數(shù)據(jù)Ⅱ.確定魚類的耐受水平氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、固體顆粒Ⅲ.計(jì)算魚類的氧氣消耗量靜水法和流水法Ⅳ.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Ⅴ.計(jì)算系統(tǒng)的流速整個(gè)系統(tǒng)的水流量生物過濾裝置的設(shè)計(jì)步驟第5頁(yè)/共133頁(yè)Ⅵ.計(jì)算水流一次通過后的氨氮濃度

一次去除率Ⅶ.計(jì)算多次循環(huán)后的氨氮濃度

每天的去除量Ⅷ.計(jì)算過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Ⅸ.確定過濾裝置中總的氨氨負(fù)荷每天的氨氮負(fù)荷生物過濾裝置的設(shè)計(jì)步驟第6頁(yè)/共133頁(yè)Ⅹ.計(jì)算需要過濾裝置工作的時(shí)間反沖洗、清理時(shí)間Ⅺ.確定過濾裝置的容量，特別是它的表面積

水力負(fù)荷率Ⅻ.確定裝置的尺寸ⅩⅢ.確定裝置的氧氣供給量ⅩⅣ.修改裝置以確保氧氣供給生物過濾裝置的設(shè)計(jì)步驟第7頁(yè)/共133頁(yè)計(jì)算最大氨氮等負(fù)荷試驗(yàn)確定濾材的氨氮去除效率確定耗氧量確定生物濾池構(gòu)造生物過濾裝置的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)步驟第8頁(yè)/共133頁(yè)①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程方程。NA=0.0289FNN=0.024FP=0.0162FSS=0.52FBOD=0.60FCOD=1.89F

生物過濾裝置的設(shè)計(jì)方法第9頁(yè)/共133頁(yè)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）BOD——BOD生成率（kgBOD/100kg魚?天）COD——BOD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10～15℃，放養(yǎng)密度為28.4kg/m3的養(yǎng)殖系統(tǒng)所得出來的結(jié)果。第10頁(yè)/共133頁(yè)②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）第11頁(yè)/共133頁(yè)魚類T溫度（℉）K2ab鮭魚≤50>507.2×10-74.9×10-53.2002.120-0.194-0.194鱒魚≤50>501.90×10-63.05×10-43.1301.855-0.138-0.138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)第12頁(yè)/共133頁(yè)③系統(tǒng)負(fù)載能力Lc（養(yǎng)殖容量）按下式進(jìn)行估算（Liao等，1972）Lc=

式中：

Lc——系統(tǒng)負(fù)載（kg魚/L?min）

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）第13頁(yè)/共133頁(yè)④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/L?min）第14頁(yè)/共133頁(yè)⑤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）⑥生物過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第15頁(yè)/共133頁(yè)⑦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)間（h）T——水溫（℃）

E——生物濾池的硝化效率⑧生物濾池的容積Vm:

式中：

Q——流量

tm——水力停留時(shí)間

ε——濾材的孔隙率⑨濾材的總表面積As：As=（Vm）（Au）

式中：Au為濾材的比表面積（m2/m3）第16頁(yè)/共133頁(yè)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)。設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參考值魚的總氨氮產(chǎn)出率魚的非離子態(tài)氨氮濃度最高容許量魚的總氨氮濃度最高容許量生物濾器的氨氮去除率溶氧需要量與總氨氮的比值日投喂率的3%0.025mg/L1.0mg/L0.2~0.6g/(m2?天)4.18～4.57表8.2氨氮硝化生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)參考值第17頁(yè)/共133頁(yè)生物過濾裝置實(shí)例

浸沒式生物濾池第18頁(yè)/共133頁(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息某養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖規(guī)模10000kg鱒魚（平均體重1kg），要求采用一個(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。第19頁(yè)/共133頁(yè)方法一1.氨氮產(chǎn)量（AP）

AP=0.0289（投喂量/天)AP=0.0289×10000×2%=5.8kg/天2.氨氮通過裝置的去除在12℃氨氮的去除(AR)是每天0.60g/㎡3.需要的表面積(一次通過時(shí)）

SSA=AP/AR=5800/0.60=9667m2生物過濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例第20頁(yè)/共133頁(yè)方法二1.需氧量

Oc=K2TaWb

Oc,耗氧量

K2，速率常數(shù)

T，溫度

W，魚的大小

A,b，線性常數(shù)

Oc=3.05×10-4(56）1.885（2.2）-0.138

=0.478公斤氧氣/100公斤魚/天生物過濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例第21頁(yè)/共133頁(yè)2.系統(tǒng)負(fù)荷

Lc=0.14(Ce-Cm)/QcLc,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5Lc=0.14(10-5)/0.478=1.46公斤魚/升/分鐘生物過濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例第22頁(yè)/共133頁(yè)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

=0.59mg/L

允許最高氨氮濃度為0.75mg/L生物過濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例第23頁(yè)/共133頁(yè)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=1.276.浸沒式生物濾池的效率

E=(1+CR-C)/CRR，循環(huán)百分比

E=(1+1.27×0.9-1.27)/1.27×0.9=0.76

生物濾池必須有76%的效率生物過濾裝置設(shè)計(jì)實(shí)例第24頁(yè)/共133頁(yè)7.循環(huán)引起的生物濾池最大氨氮負(fù)荷

Wa=5.8×1.27=7.378.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=6849×0.48/0.9=3653升10.需要的比表面積總數(shù)

SSA=Vol×比表面積

=3.653×160=584m2第25頁(yè)/共133頁(yè)11.生物濾池濾料容積方法一，Vol=9667/160=60m3

方法二，Vol=584/160=3.65m312.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)公式第26頁(yè)/共133頁(yè)方法二借用了其他系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式，方法一沒有考慮循環(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，沒有很確切的實(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，也有局限性討論第27頁(yè)/共133頁(yè)

滴流式生物過濾裝置有許多型式，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)第28頁(yè)/共133頁(yè)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)，直徑2.5cm；空隙率，0.92；比表面積，220m2/m3

水質(zhì)要求：見表8.3。第29頁(yè)/共133頁(yè)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)DO＞5pH6.5-8.0堿度10-400mg/L溫度10-15.6oCNH3-N0.0103mg/LNO2-N0.03mg/LCO2<10mg/LN2<110總飽和濃度濁度<80mg/L表8.3要求水質(zhì)參數(shù)第30頁(yè)/共133頁(yè)

設(shè)計(jì)過程1.水體體積（VW）：

VW=10000kgfish/50kg=200m32.總水流量（Q）

Q==0.0667m3/s3.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=10000×0.02=200kg/day第31頁(yè)/共133頁(yè)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：0.21kgO2

產(chǎn)生：0.28kgCO20.30kg固體顆粒

0.03kgTAN5.需氧量（Or）

在已知需氧量0.21kgO2/kgfeed的基礎(chǔ)上增加20%的安全系數(shù)，為0.25kgO2/kgfeed，

Or=0.25×200=50kgO2/day第32頁(yè)/共133頁(yè)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=200kgfeed/day×0.03kgTAN/kgfeed=6kg/day7.系統(tǒng)中氨氮濃度（TANs）

TANs==1.25mg/L第33頁(yè)/共133頁(yè)pH溶解氨氮濃度游離氨氮濃度6.01.24970.00036.51.24910.00097.01.24730.00277.51.24140.00868.01.22340.0266

由于水中的氨分子是有毒的成分，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0.0103mg/L

。第34頁(yè)/共133頁(yè)8.生物濾池表面積（AF）已知單位面積的氨氮去除率為0.75g/m2/day,

AF==8000m29.生物濾池的容積（VF）

VF==36.4m3第35頁(yè)/共133頁(yè)整個(gè)過濾系統(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==720.3m3/day每個(gè)生物濾池的容積（Vu）：

Vu=36.4/8=4.55m3生物濾池橫截面積（Ac）利用最大水力負(fù)荷(225m3/m2/d)計(jì)算：

Ac==3.2m2單個(gè)生物濾池的橫截面積最小為3.2m2。第36頁(yè)/共133頁(yè)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）水流量第37頁(yè)/共133頁(yè)假定生物濾池為圓柱形，則圓柱形的直徑（Df）為：Df=2.2m則高度（Hf）為，Hf=1.2m這樣設(shè)計(jì)出來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：8個(gè)第38頁(yè)/共133頁(yè)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)中的誤差討論第39頁(yè)/共133頁(yè)膨脹性微珠生物過濾裝置膨脹性微珠生物過濾裝置（EGB）過濾裝置的過濾床是由微小顆粒的塑料珠組成，它可以通過膨脹和攪動(dòng)來清洗裝置本身

第40頁(yè)/共133頁(yè)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)第41頁(yè)/共133頁(yè)理論設(shè)計(jì)條件1.生物膜的生長(zhǎng)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)盤的理論模型第42頁(yè)/共133頁(yè)依據(jù)上面的假設(shè)，可以得到

Q(So-S)+rsAs=0Q,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，濾材的表面積第43頁(yè)/共133頁(yè)常用的經(jīng)驗(yàn)公式

F=(K/N)LaTbScBdAeDfQgF,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偷?4頁(yè)/共133頁(yè)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)公式需要修正第45頁(yè)/共133頁(yè)設(shè)計(jì)前提和過程

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)例第46頁(yè)/共133頁(yè)7.羅非魚氨氮產(chǎn)生量為每公斤飼料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+163.3XY,氨氮去除率

X,進(jìn)水的氨氮濃度第47頁(yè)/共133頁(yè)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175m2/m311.生物轉(zhuǎn)盤的直徑為3.66米，接近于商業(yè)生物轉(zhuǎn)盤的直徑第48頁(yè)/共133頁(yè)生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)條件總結(jié)指標(biāo)羅非魚鱸魚虹鱒溫度３０２５１５pH7.57.57.5NH3最大值0.0600.0250.010TAN的最大值2.421.421.17最大投喂量（ｋｇ）200200200ｍｇTAN/kg飼料250003200034000ｍｇTAN/天500000064000006800000氨氮去除率379193122生物轉(zhuǎn)盤的表面積131983307655773比表面積175175175濾材體積（ｍ３）75189319生物轉(zhuǎn)盤的直徑（ｍ）3.663.663.66生物轉(zhuǎn)盤的長(zhǎng)度（ｍ）7.1717.9730.29第49頁(yè)/共133頁(yè)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)第50頁(yè)/共133頁(yè)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)2000～3000m3）為載體，水流由下向上流動(dòng)，使載體處于流化狀態(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，不斷和載體上的生物膜相接觸，從而強(qiáng)化了傳質(zhì)過程，并能有效地防止生物膜的堵塞。第51頁(yè)/共133頁(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例：試設(shè)計(jì)一個(gè)砂粒流化床生物過濾器，用于5

000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，要求水體離開過濾器時(shí)的溶氧濃度不低于3毫克／升。第52頁(yè)/共133頁(yè)

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，即砂粒總面積（A）第53頁(yè)/共133頁(yè)（4）所需砂?？傮w積（V）

（5）過濾器正常運(yùn)行的需氧量（D）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，則過濾器所需水流量為：

Q==4837.5m3/天=3.4m3/min第54頁(yè)/共133頁(yè)

目前水產(chǎn)養(yǎng)殖用生物過濾器的設(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)確性存在一定的問題。已經(jīng)有很多關(guān)于生物過濾器的設(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。第55頁(yè)/共133頁(yè)充氣和充氧第56頁(yè)/共133頁(yè)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)第57頁(yè)/共133頁(yè)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

第58頁(yè)/共133頁(yè)高密度養(yǎng)殖條件下溶解氣體范圍第59頁(yè)/共133頁(yè)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)備第60頁(yè)/共133頁(yè)風(fēng)動(dòng)抽水泵工作原理和應(yīng)用第61頁(yè)/共133頁(yè)立式泵充氣機(jī)第62頁(yè)/共133頁(yè)噴水式充氣裝置第63頁(yè)/共133頁(yè)真空葉輪泵式充氣機(jī)第64頁(yè)/共133頁(yè)葉輪式曝氣機(jī)（水車）第65頁(yè)/共133頁(yè)氣泵和氣石充氣系統(tǒng)第66頁(yè)/共133頁(yè)填充塔充氣機(jī)第67頁(yè)/共133頁(yè)多層滴流式充氣設(shè)備第68頁(yè)/共133頁(yè)純氧接觸系統(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)第69頁(yè)/共133頁(yè)密封填充塔第70頁(yè)/共133頁(yè)多階段低壓頭純氧接觸器第71頁(yè)/共133頁(yè)噴射塔第72頁(yè)/共133頁(yè)測(cè)流氧氣噴射器第73頁(yè)/共133頁(yè)U型管純氧系統(tǒng)第74頁(yè)/共133頁(yè)低速氣泡接觸器第75頁(yè)/共133頁(yè)封閉立式泵充氧機(jī)第76頁(yè)/共133頁(yè)溶解氣體標(biāo)準(zhǔn)

溶解氣體的表示單位

mg/LmmHg

飽和百分比氣體壓力：Fi=Ti/Ci

總氣體壓力：TGP=∑Ti第77頁(yè)/共133頁(yè)

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氧氣二氧化碳氮?dú)?/p>

溶解氣體標(biāo)準(zhǔn)第78頁(yè)/共133頁(yè)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)平衡第79頁(yè)/共133頁(yè)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)降低氧的攜帶能力第80頁(yè)/共133頁(yè)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第81頁(yè)/共133頁(yè)溶解氣體標(biāo)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)第82頁(yè)/共133頁(yè)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*=BiKi1000[Xi(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第83頁(yè)/共133頁(yè)溫度的影響第84頁(yè)/共133頁(yè)水中的溶解固體及懸浮物的濃度也會(huì)降低氣體在水中的飽和濃度(C*）。我們采用β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)

β=(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）氣體滲透原理第85頁(yè)/共133頁(yè)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*)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)第86頁(yè)/共133頁(yè)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的值可以通過溫度的影響得以糾正：（KLa）t=（KLa）20°C(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)氣體滲透速率第87頁(yè)/共133頁(yè)水面上的活性物質(zhì)通過改變液體界面擴(kuò)散阻力來增加或降低滲透系數(shù)（KLa）。在自然條件下得到的KLa值可通過純凈水條件下得以校正，反之亦然，校正系數(shù)用α表示：

α=（KLa）FW/（KLa）CW進(jìn)一步來說，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氣體滲透速率第88頁(yè)/共133頁(yè)增氧系統(tǒng)的性能比較標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)條件：DO=0mg/L,溫度=20°C,BP=760mmHg,α=1,β=1

標(biāo)準(zhǔn)氧氣滲透速率（SOTR)SOTR=（KLa）20°C（C*）20°C

增氧系統(tǒng)性能指標(biāo)第89頁(yè)/共133頁(yè)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[(βC*O2-DO)/9.07](1.024t-20)αAAE=SAE[(βC*O2-DO)/9.07](1.024t-20)α增氧系統(tǒng)性能指標(biāo)第90頁(yè)/共133頁(yè)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。一般用通過該系統(tǒng)中的溶解氧的改變來表示設(shè)備的性能，用溶解的氣體的不足的分?jǐn)?shù)來表示：

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)第91頁(yè)/共133頁(yè)綜述第92頁(yè)/共133頁(yè)對(duì)于純氧接觸系統(tǒng)，氧氣的滲透速率可以用下面的公式計(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)第93頁(yè)/共133頁(yè)吸收氧氣和釋放氮?dú)獾南嚓P(guān)比率可以通過△DODN的比率來表示：△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)出水之間沒有TGP的變化增氧系統(tǒng)性能指標(biāo)第94頁(yè)/共133頁(yè)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(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)來十分必要增氧系統(tǒng)性能指標(biāo)第95頁(yè)/共133頁(yè)吸收效率第96頁(yè)/共133頁(yè)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第97頁(yè)/共133頁(yè)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)獾娘柡蜐舛取娜芤褐忻撾x出來的氮?dú)?，?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

第98頁(yè)/共133頁(yè)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

第99頁(yè)/共133頁(yè)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

第100頁(yè)/共133頁(yè)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)通過接觸環(huán)路的同時(shí)，流體靜力壓升高帶來溶解氧的增加，促進(jìn)了氧氣的吸收U型管第101頁(yè)/共133頁(yè)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)利用比率當(dāng)氧氣接觸管的深度在25-60米、進(jìn)水速度在1.8-3m/s，操作成本最低U型管第102頁(yè)/共133頁(yè)U型管的優(yōu)點(diǎn)可以在較低的水壓下操作(2-3m)

可以處理水中攜帶的微粒物質(zhì)當(dāng)氣液的比率超過25%時(shí)，存在斷流的可能基礎(chǔ)的投資過于龐大。U型管第103頁(yè)/共133頁(yè)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第104頁(yè)/共133頁(yè)操作壓力是由錐體的深度決定的。采用較深的或沒入水中的錐體可以增大氧氣的吸收比率，降低氮?dú)獾呐欧?。低速氣泡接觸器的優(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第105頁(yè)/共133頁(yè)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)造一般來講，工作壓力為190-860kpa，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100mg/L第106頁(yè)/共133頁(yè)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)部壓力塔的直徑第107頁(yè)/共133頁(yè)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

第108頁(yè)/共133頁(yè)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)速操作的深度第109頁(yè)/共133頁(yè)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第110頁(yè)/共133頁(yè)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.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)施多第111頁(yè)/共133頁(yè)充氧量檢控監(jiān)控策略和方法

1.控制氣液混合比通過測(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，通過電磁閥，自動(dòng)控制供氣閥開啟的大小。第112頁(yè)/共133頁(yè)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)?/p>

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)類型第113頁(yè)/共133頁(yè)設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)定一個(gè)養(yǎng)殖池為單位，耗氧量為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?/p>

(△DN)=[BP+(△Pout)-(DOout)(FO2)-VP]/FN2-DNin純氧接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程第114頁(yè)/共133頁(yè)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)流程第115頁(yè)/共133頁(yè)純氧接觸裝置主要的操作特性第116頁(yè)/共133頁(yè)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)流程第117頁(yè)/共133頁(yè)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)α可知時(shí)），氣體種類Φ來修正：（G）t,i=Φα（G）20℃1.024t-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)流程第118頁(yè)/共133頁(yè)填充塔設(shè)計(jì)流程第119頁(yè)/共133頁(yè)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/BO2KO21000)ABPPN2=(C*N2/BN2KN21000)AB

（BiKi1000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)流程第120頁(yè)/共133頁(yè)第五步：計(jì)算氮氧的氣相摩爾系數(shù)(Xi),XO2