養(yǎng)殖土木工程學(xué)-泡沫分離裝置

泡沫分離裝置引子在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，利用水的系統(tǒng)通常會(huì)有懸浮的固體顆粒（小于100微米），和溶解的有機(jī)物（蛋白質(zhì)）積累。特別是5到10微米的固體顆粒，這些固體顆粒被認(rèn)為是造成魚類死亡和生命力下降的因素。微細(xì)的固體顆粒是不容易通過常規(guī)的篩濾裝置或沉淀方法去除的。使用泡沫清除微細(xì)的懸浮固體顆粒和過多的營(yíng)養(yǎng)聚集體已經(jīng)取得了一些成功。

引子講述幾種泡沫分離器的模型，估算泡沫分離器對(duì)易揮發(fā)固體顆粒和細(xì)小的懸浮顆粒的清除率。建立數(shù)學(xué)模型包括表層氣體流速、顆粒直徑、氣泡直徑、蛋白質(zhì)濃度、PH值、氣泡空隙率、液體流動(dòng)速率和泡沫溢流高度以及泡沫分離器本身的幾何形狀包括直徑和浸沒深度的影響。另給出一些資料去描述濃縮泡沫的特性以及懸浮的易揮發(fā)固體顆粒和總固體顆粒以及氮?dú)庵g的相互關(guān)系。

水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體顆粒泡沫分離器構(gòu)造泡沫分離現(xiàn)象泡沫分離是一種水處理技術(shù)，它能被容易地增加到水處理系統(tǒng)中，以一個(gè)直接的方式，清除溶解和懸浮的固體顆粒。泡沫分離是一個(gè)水/氣的界面現(xiàn)象，它是通過氣泡帶走水中的固體顆粒并從這個(gè)系統(tǒng)中清除。發(fā)生泡沫分離所需要的關(guān)鍵組成部分是表面活性劑。它的分子至少含有一個(gè)極性和一個(gè)非極性部分。由于一個(gè)水分子有一個(gè)極性結(jié)構(gòu)，這樣，一個(gè)表面活性劑非極性末端成為疏水性的，趨向于吸附于水的外部，也就是進(jìn)入氣泡。結(jié)果，在任何時(shí)候，發(fā)現(xiàn)表面活性劑聚集于水/氣的分界面。在分離期間，在分界面附近的表面活性劑將集中于氣泡表面。這些表面已經(jīng)吸附了表面活性劑的氣泡，一但從一個(gè)泡沫分餾器的水表面出現(xiàn)，他們將被收集，然后以泡沫的形式被除去。泡沫分離原理泡沫分離現(xiàn)象使用泡沫分離去除細(xì)小的懸浮固體和高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)取得了一些成功。1976年，Lomax比較了魚的培養(yǎng)系統(tǒng)，這個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)使用一個(gè)沉淀池與泡沫分離器或者與機(jī)械過濾結(jié)合，Lomax的觀點(diǎn)是，按代價(jià)和有效性而言，泡沫分離器和生物濾池的結(jié)合是最好的設(shè)計(jì)。Dwivedy發(fā)現(xiàn)泡沫分離器從牡蠣培養(yǎng)液中清除懸浮和溶解的有機(jī)物。他也發(fā)現(xiàn)泡沫分餾器通過清除有機(jī)酸和從水中清除細(xì)菌幫助維持培養(yǎng)液的PH。

泡沫特性

在清除細(xì)小顆粒方面，泡沫分離器是非常有效的，Chen在1992年發(fā)現(xiàn)，泡沫分離器可以減少固體顆粒含量，從4.1×106到2.1×106。泡沫中顆粒濃度為55.2×106。顆粒的平均直徑是10.6微米。顯然，通過泡沫分餾清除的顆粒比較微小。一種預(yù)測(cè)是在水體中偏重的固體顆粒在到達(dá)水面以前，由于剪切力的作用，更大的固體顆粒脫落了。通過泡沫分離被清除的顆粒直徑一般不超過30微米。泡沫特性盡管脂肪酸是另一種可能的表面活性劑，Chenetal測(cè)出了在泡沫濃縮液中與蛋白質(zhì)濃度相比，可以忽略脂肪酸的濃度。包含在魚類培養(yǎng)液中一個(gè)試樣的全部蛋白質(zhì)，只有11%能被泡沫分餾清除。結(jié)論是蛋白質(zhì)中的11%能作為表面活性劑的材料。全部固體顆粒中，94%是由于易發(fā)散固體顆粒在泡沫濃縮液中的增加。Weeksetal在1992年分析了來自泡沫分離器的濃縮液中固體顆粒濃度變濃幾乎完全來自揮發(fā)性固體顆粒的增加，因?yàn)樵谒畼雍蜐饪s液中，較大顆粒的固形物的含量相同。泡沫特性泡沫特性分析用循環(huán)水系統(tǒng)參數(shù)Weeksetal在1992年提供了泡沫濃縮液中的易揮發(fā)固體顆粒（VS）、總懸浮的固體顆粒（TSS）和氮（TKN）之間的關(guān)系，這些關(guān)系如下：

TSS（mg/l）=0.27VS（mg/l）

TKN（mg/l）=0.038VS（mg/l）Weeksetal（1922年）用數(shù)量表示了水樣和泡沫濃縮液之間的變濃因素，

VS：2.7（307mg/l變濃到816mg/l）

TSS：25（10mg/l變濃到251mg/l）

TKN：44（0.8mg/l變濃到34.6mg/l）泡沫特性揮發(fā)性固體顆粒和總懸浮物以及氮的關(guān)系數(shù)據(jù)非常清晰地表明了TKN、TSS與VS濃度之間的關(guān)系，這表明能用vs對(duì)其他參數(shù)的濃度進(jìn)行評(píng)估。但是只有在相類似的循環(huán)水系統(tǒng)條件下這些聯(lián)系才適應(yīng)有關(guān)氮的數(shù)據(jù)乘以6.25能轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的最初粗略估計(jì)的數(shù)據(jù)，被清除的懸浮固體顆粒是由50%的蛋白質(zhì)和50%的含碳物質(zhì)組成的

泡沫特性泡沫濃縮液中的固體顆粒分布曲線隨著顆粒直徑的減少，顆粒數(shù)目迅速地增加。對(duì)那些直徑小于8微米的顆粒，增加特別顯著。然而，按照重量，占多數(shù)的固體顆粒的平均直徑更大，例如在15到25微米之間。直徑小于8微米極其小的顆粒，由于他們直徑小，對(duì)固體顆粒的總重量幾乎不起作用。影響泡沫分離器效率的主要因素是

1.氣液接觸時(shí)間（與沉沒深度、氣流速率和氣泡大小有關(guān)）

2.氣泡大小。

3.泡沫溢流高度泡沫分離器的操作和設(shè)計(jì)參數(shù)是：

1.氣泡大小

2.氣體擴(kuò)散裝置的沉沒深度

3.氣體流速

4.水流速率

5.泡沫溢出高度一旦設(shè)計(jì)定型，影響泡沫分離的操作參數(shù)變?yōu)椋簹怏w流速、水流速率和泡沫溢出高度泡沫分離器的性能和操作特性

表面氣體速率（Ug）表示通過一個(gè)分離器柱體的氣流速率與橫截面積的比率。：

Ug=Q/AUg=表面氣體速率，m/s，

Q=通過柱體的氣流率，m3/sA=分餾器柱體切面面積，m2一般來講，表面氣體流速越打越好。但是，Ug存在一個(gè)實(shí)際的范圍，過大最后將導(dǎo)致出現(xiàn)氣體柱流現(xiàn)象，這是不適宜分離的。氣體空隙率超過25%時(shí)，將開始形成柱流現(xiàn)象。固體顆粒去除率影響參數(shù)氣體空隙率（Eg）泡沫分離器性能依靠氣體支撐，氣體空隙率指的是由于充氣導(dǎo)致的液面升高（代表值是大約0.1-0.2）。增加顯然和充氣的數(shù)量有關(guān)系：

Eg=4.1Ug0.83氣泡上升速率（Ub）分餾器操作要利用云集的氣泡，導(dǎo)致氣泡和環(huán)境液體之間的濃度差異減少，減少浮力的平方，降低了氣泡上升的速率。

Ub=0.21exp（-25.8Ug）固體顆粒去除率影響參數(shù)不同表面氣體流速情況下單個(gè)氣泡的上升速率氣泡尺寸Bd和蛋白質(zhì)濃度PC：表面氣流速率和蛋白質(zhì)濃度對(duì)氣泡直徑Bd的影響：

Bd（mm）=2.58+28.1Ug-0.0098PC

（僅用于蛋白質(zhì)濃度高達(dá)137mg/l）大體上，氣泡上升速度將隨氣泡直徑的改變成比例的變化，因?yàn)樯仙俣扰c氣泡容積成比例（浮力影響），與氣泡的拖拽面積成反比，Bd3/Bd2。

固體顆粒去除率影響參數(shù)氣泡直徑和表面氣流速率以及蛋白質(zhì)濃度的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

Dwivedy數(shù)學(xué)模型：

C(t)=C0exp(-bt)C(t)，污染物的濃度，以時(shí)間為函數(shù)

C0，最初污染物濃度

b，中止常量

T，時(shí)間這種模型局限于特殊污水處理應(yīng)用，并不適用于封閉循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型用系統(tǒng)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型用泡沫分離器構(gòu)造參數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)公式Cvs=1100-14AFR+83OFHPcond=-9.2+0.97AFR-4.2OFHRRvs=-2.9+0.39AFR-0.81OFHCvs，泡沫濃縮液揮發(fā)性顆粒濃度

AFR，氣流速率

OFH，泡沫溢流高度

Pcond，泡沫濃縮液產(chǎn)量

RRvs，揮發(fā)性顆粒去除率數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型的基本原則以上經(jīng)驗(yàn)公式的的最大局限就是沒有完全包括設(shè)計(jì)和操作參數(shù)。Weeksetal的模型包括泡沫溢流高度和氣體流動(dòng)速率，但沒有包括分離器的直徑，泡沫的大小，氣泡的上升速率,PH值，水體中蛋白質(zhì)的濃度的影響。陳氏數(shù)學(xué)模型充分考慮了以上提到的因素，同時(shí)又經(jīng)過試驗(yàn)確定了其中的一些參數(shù)。

陳氏數(shù)學(xué)模型

=-Cd，溶解固體顆粒濃度；Cp，細(xì)小固體顆粒在本體溶液濃度Td，表面活性劑的濃度；Tp，細(xì)小顆粒的表面濃度K，吸收率；D，溶解固體顆粒的擴(kuò)散系數(shù)Ug，表面氣體速率；Ub，單個(gè)氣泡上升速率Br，單個(gè)氣泡的直徑；S，細(xì)小懸浮物的去除相關(guān)系數(shù)Pr，懸浮顆粒的直徑，Eg，氣體空襲率陳氏模型的修正陳氏模型具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但是只能用于計(jì)算在水表面產(chǎn)生的固體廢物的量，因?yàn)殛愂夏Ｐ偷某霭l(fā)點(diǎn)認(rèn)為水體中除去的固體顆粒的總量和泡沫里收集的固體顆粒的量相同。但是沒有考慮泡沫收集過程的影響。泡沫收集過程影響修正參數(shù)，

βd=0.012-0.00076(Ht)-0.086(Ug)

βp=0.19-0.017(Ht)Ht，液面頂部到泡沫溢流邊緣的距離水的流速對(duì)揮發(fā)性固體顆粒產(chǎn)生很小的影響，水流速度的確定應(yīng)該取決于其他的因素。泡沫分離器的運(yùn)行情況主要依賴于氣流速率和泡沫的溢流高度。高的氣流速率產(chǎn)生高的去除率，這是因?yàn)楦叩臍饬魉俾士梢詭ё吒嗟墓腆w顆粒。同時(shí)，可以快速去除上部堆積的泡沫。討論泡沫溢流高度越低，水面上形成的泡沫可以快速去除，而不會(huì)