养殖工程学考试复习

第一部分 天然水生环境系统第二章 水的特性一、化学结构二、硬度：大多数水源中，硬度几乎完全是由于有钙或镁存在：硬度的定义是，以碳酸钙表示的这些离子的总浓度。三、盐度：定义：当碳酸盐全部转化为氧化物，溴和碘已为氯所取代，所有有机物已完全被氧化时，一千克海水中所含有的固体物质的总克数。海水盐度一般的变化为3337，平均盐度约为35四、汽化潜热：汽化潜热是在恒温下，单位量的物质汽化必须增加的热能。海水的汽化潜热与纯水相同。五、溶解潜热：溶解潜热是一种物质在恒温情况下，由固态变成液态时所吸收的能量。六、比热：水环境比较稳定的原因，比热高七、密度：温度过高过低，密度较小，海水在冰点时密度最大八、粘滞度：粘滞度随温度增加而降低九、热导率：水生系统的热导率较低十、 表面张力：液相和气相或液相和液相交界面上的分子受不同等的吸引力，称为表面张力。海水的表面张力取决于温度和盐度，即随着盐度提高而增加，随着温度的上升而减低。十一：pH十二、蒸汽压：蒸汽压是在物质气相与它的固相或液相平衡时，气相产生的压力。十三、渗透压十四、透明度十五、水色第三部分 温度和水生生物的相互作用 影响耗氧量 影响生长 水体中溶解氧的浓度随温度和盐度的增加而降低 氧常常是水系中的一个限制因素 含氧量低于 3 个 PPM，鱼类基本不能生存 含氧量高于 5 个 PPM，绝大多数水生生物能长期生存 温度和活动量影响鱼类的耗氧量鱼类呼吸关系原理图 第二部分 水产养殖系统设计 第七章 改进的养殖系统调整水系生产力大致分为三种系统： 天然系统 半封闭系统 封闭系统一、天然系统 天然系统一定要注意过度捕捞问题 努力提高产量：防治敌害（药、改变池底结构、石灰）垂养（筏式养殖等）施肥防治病害天然系统的管理充分了解养殖对象和水域的情况： 鱼的生活周期 对环境的要求 繁殖能力 存活率 饵料和饵料周期 影响饵料的环境要素 捕获量的多少二、半封闭系统特点：只让水流通过一次的系统优点：可以控制环境因素有利于病害防止控制生长周期缺点：需专业管理基础投资高生产费用高 三、封闭系统 封闭系统即循环水养殖系统 特点：可以节省加热或制冷费用更易于病害防治投资和生产及管理费用更高第三部分第九章 流体第十章 流量和液位检测仪器一、液位传感测量液体位置，通过传感器来： 发出警报 自动控制液位1、浮力传感2、称重传感3、电导传感4、光学传感5、热传导传感6、压力传感7、电介质传感8、振动阻尼传感 原理：振动臂杆在水中和空气中的振动频率差异 一般利用两个，一个在水中，一个在空气中9、声学传感小 结液位传感器种类繁多 了解特性和外用电路 了解厂家标定的特性精度耐腐蚀性操作易于性液体流量测定 流量测定直接关系到输水费用 通过流速测定流量的方法： 直接测定法 压差式流量计 恒力-可变面积流量计 明渠流量计 其它流量计直接测定法 利用已知容积的容器和秒表 简易方便 精度较高 位移流量计 翻斗流量计活塞流量计摆盘式流量计旋转滑板流量计压差式流量计原理：测量液体管道内收缩段上的压力差，这个压差与流量成正比。文丘里流量计喷嘴流量计薄空板流量计离心式流量计皮托管流量计可变面积流量计 原理：流量计内的压降和流量的平方成正比 精度较低 流速低时不适用转子流量计筒式活塞流量计涡轮式流量计工作原理商用涡轮式流量计电磁式流量计明渠流量计明渠水流量常用的流量计 量水堰 量水槽 涡轮式流量计量水堰量水堰种类 矩形 三角形 圆形 不规则形状量水堰优缺点 优点 精度较高 建造维修容易 耐用 缺点 水头损失大 受上游渠道和水流改变的影响 必须维持自由溢流状态第四部分 水 泵泵的分类 离心泵 回转泵 往复泵 空气扬液泵具体分类离心泵 养殖场90%以上用离心泵 工作原理：电动机之类的动力装置驱动泵轴，使叶轮旋转。叶轮上的叶片推动水流，并给它能量。叶轮旋转时产生的离心力使叶轮上任一质点都得到一个向外的加速度。若吸水管和泵壳内都灌满水，叶轮上的水朝轮外流动时，叶轮中心的压力降低，于是有更多的水吸入进水口。 运行特性 适用性蜗壳式离心泵：蜗壳式离心泵之所以被广泛采用，是因为它的结构简单，而且能抽含有适量的固体颗粒的液体。扩散式离心泵：常用在高扬程，而且液体内几乎不含颗粒的场合，它很容易被液体携带的固体颗粒堵塞。叶轮设计 叶轮的设计直接决定泵的特性 主要有三种类型开敞式、封闭式、半封闭式特性曲线深井涡轮泵：是多级离心泵喷射泵：是由离心泵与喷射器组合成的回转泵 有壳体和旋转部分组成 除轴流泵和再生涡轮泵外均为定量泵类型：速度和流量成正比轴流泵再生涡轮泵刮板泵挠性叶轮泵齿轮泵叶形泵螺杆泵挠性软管泵往复泵 通过活塞或阀门的往复开闭而工作的泵活塞泵膜片泵空气扬液泵泵的选配依据泵的特性、扬程、水量、水质、效率第五部分养殖系统中固体颗粒的控制 固体颗粒的不良影响 直接损害鱼鳃 对生物过滤器的堵塞 腐化产生氨 腐烂而增加氧的需求 限制循环水系统的容量第二部分 固体颗粒的产生和特征 固体颗粒的产生排泄的粪便残饵微生物聚合体建议养殖系统中的固体颗粒浓度40 mg/L；集约化养殖系统中的建议阀量值 15 mg/L固体颗粒的分类 固体颗粒依据大小可以分为溶解固体颗粒 （ 1 m）悬浮固体颗粒 （ 1 m） 悬浮颗粒根据沉淀特性可以分为会沉淀的固体颗粒（100 m）不沉淀固体颗粒 （100 m）固体颗粒的概念 总悬浮固体 总溶解固体：将经过过滤的水样蒸发至干，烘干至恒重后留下的干物质总量 挥发性固体：是指在总固体中能在550度高温下挥发的那部分固体 固定性固体水中除了溶解气体之外的一切杂质称为固体。而水中的固体又可分为溶解固体和悬浮固体。这二者的总和即称为水的总固体。溶解固体是指水经过过滤之后，那些仍然溶于水中的各种无机盐类、有机物等。悬浮固体是指那些不溶于水中的泥砂、粘土、有机物、微生物等悬浮物质。固体颗粒的化学特征固体颗粒的化学特征 无机成分：产生淤泥堆积和对生物生存环境产生负面影响 有机成分：主要为耗氧和产生生物堵塞的挥发性悬浮固体固体颗粒的物理特征 最主要的物理特征比重大小组成 固体颗粒的比重：湿颗粒物密度与水的密度的比值 悬浮固体在水中的悬浮行为主要是由于它自身的比重。固体颗粒物之的平均比重为1.19 固体颗粒的大小组成比例取决于固体颗粒的来源鱼的规格温度水流等 针对养殖系统中悬浮固体颗粒粒径大小的研究主要是通过饲料试验第三部分 固体颗粒清除标准 在水产养殖系统中固体颗粒浓度标准还没有建立 固体悬浮物浓度小于25mg/L对鱼类的危害不明显。 高密度养殖，建议总悬浮固体颗粒浓度小于15 mg/L作为安全标准。但是也有人建议限制在2040 mg/L之间 微细固体颗粒有更多决定性的影响，只用浓度作标准不妥当。不同的鱼的种类对固体浓度的承受水平大不相同固体颗粒去除机理 对悬浮固体颗粒的去除是一个固/液分离的过程，所有的分离过程都是由固体颗粒向界面迁移完成的，沉淀池底部、过滤滤料颗粒以及气泡等构成了它们与水的界面 固体颗粒的去除可以分为重力分离（gravity separation)过滤分离（Filtration)浮选分离 (flotation）固体颗粒的去除机理具体包括重力分离的原理是沉淀作用（Sedimentation)过滤分离的原理是拦截（interception）滤出 (straining)布朗扩散(Brownian diffusion)沉淀作用（Sedimentation)浮选分离的原理是拦截（interception）布朗扩散(Brownian diffusion)沉淀作用（Sedimentation)沉 淀 沉淀的发生是由于固体颗粒和水的密度不同。假设一个固体颗粒比水重，它将在重力的作用下下降 依靠粒子的大小和密度，固体颗粒的组成特性和载体媒介水的特性，沉淀的类型可以分为自由沉淀、凝絮沉淀、区域沉淀和压缩沉淀 当总悬浮固体颗粒浓度低于于500 mg/L，沉淀过程是典型的自由沉淀，在这个过程中，悬浮固体颗粒之间互不干扰，各自沉淀。每个分离的悬浮颗粒，在重力的驱动和流体对粒子的拉力下，形成一个平衡稳定的下降速度，沉淀过程中的沉淀效率取决于这个沉淀速率 固体颗粒去除装置评价指标 （1）水力负荷率（2）去除微小颗粒的能力（3）水头（Head）的损耗（4）在反冲过程中水的损耗(5) 阻止生物附着污染的能力 沉 淀 池 优点：1. 沉淀池需要少量的能源2. 操作和建造并不昂贵3. 不需要专门的操作技术4. 能够比较容易与新的或者现存的水处理装置和并在一起 缺点：1. 低的水压负荷率2. 对微细悬浮颗粒的去除效率非常低所有连续流动型沉淀池根据功能来分,在概念上可 以分成四个区域入口区沉淀区淤泥区出口区入口区的主要作用让水流均匀流过沉淀池的横截面沉淀发生在沉降区随着水流移动,固体颗粒在污泥区累积清澈的水流在出口区被收集并被排放出去溢流速率 溢流速率（Vo）所有具有相同沉降速度的粒子将会在平行的轨迹上移动,在理想的条件下,一个固体离子从入口区进入沉淀池,在理论停留时间内，沉淀于和出口区接近的池底。单位沉降池面积的水流量被定义为沉淀池溢流速率（Vo） 沉淀池设计的关键点就是溢流速率，它代表沉淀池的平均流速，Vo=Q/AQ为流量A为沉淀池的表面积 任何具有沉淀速度(Vs)高于溢流速率的固体颗粒将沉淀。如果 VsVo，不能沉淀的的概率是 Vs/Vo理想的沉淀池的总固体颗粒的去除率为沉降速率大于和小于溢流速率的固体颗粒的总和。在一个理想的沉淀池中，固体颗粒的去除和沉淀池的表面积有关 与沉淀池的深度没有关系。太浅的沉淀池会产生扰流，影响沉淀斜管沉淀池斜管沉淀池可以减小沉淀池的面积，提高效率 一堆斜管可以提供更多的沉降面 微小半径的斜管内水流为层流，保证了水流的一致性 在狭窄容量的斜管中，固体颗粒的移动和水流动的方向相反，更利于沉淀。有报道称，斜管沉淀池可以去除80%以上的大于70 um的固体颗粒和55%以上的大于1.5 um的固体颗粒水力旋流器 旋流器利用的是离心沉降原理。也就是说悬浮固体颗粒被离心力加速从而使它们从液体中分离出来。水力旋流器可分离几个微米以上的固体颗粒 它的工作方式为为水流沿切向进入旋流器，在圆柱内产生高速旋转流场，混合物中密度大的组分在旋转流场的作用下同时沿轴向向下运动、沿径向向外运动，在到达锥体段沿器壁向下运动，并由底流口排出；这就形成了外旋涡流场；密度小的组分向中心轴线调和运动，并在轴线中心形成一向上运动的内旋涡，然后由溢流口排出，这就达到了两相分离的目的微筛过滤装置 微筛过滤装置的水头损失比较小 微筛过滤装置是纯粹的物理过滤，只有大于滤网空隙的固体颗粒可以被除去。当然，一些小的颗粒可以聚合在一起而被过滤掉，或者由于流速过快，一些大的固体颗粒被粉碎可以通过滤网。但是，这两种情况的影响比较小。 滤网的空隙大小决定了可以被过滤掉的固体颗粒的尺寸。理论上，只要是比滤网空隙大的固体颗粒都可以被过滤掉。所以滤网的空隙越小，过滤的微细颗粒越多。但是，空隙率小的滤网会产生更大的水头损失和频繁的反冲 根据运转方式，微筛过滤装置可以被分成静止微筛转动微筛 静止微筛就是将微筛放置于水流的横断面上拦截固体颗粒的方式。 转动微筛的主要优点是可以减少滤网的阻塞作用。现在常用的名称为微滤机微滤机微滤机设计参数 设计参数包括滤网孔径、水力负荷率、转速和反冲压力 水产养殖中通常使用的滤网孔径大于60m 水力负荷率是由滤网孔径和固体颗粒的浓度决定。滤网孔径越小，固体颗粒浓度越高，水力负荷率就越小 转动速度是由允许的水头损失决定的 反冲压力从103KPa升高到345KPa流量增加了30%，反冲回流水中固体颗粒的浓度增加了63%，反冲水的耗水量减少了60%微滤机设计标准设计标准缺乏，城市污水的处理标准作为参考1在最好的工作条件下，固体颗粒浓度降低到5 mg/L2尽管悬浮固体颗粒的移动通常是不规则的，但是在低水力负荷率下处理效果更好3微筛比较适宜固体颗粒凝絮性好和浓度低的污水粒状滤材过滤器 粒状滤材过滤指的是污水流经由颗粒状的滤材组成的滤床，水中的固体颗粒停留在滤床层中的过滤方式。 水产养殖中常用的有三种粒状滤材过滤器降流式压力砂滤罐上流式砂滤罐时微颗粒滤材过滤器第六部分 硝化反应与生物滤池 水产养殖系统中的氮鱼类氮的排泄途径1. 鳃的渗透 2. 鳃的离子交换作用3. 尿4. 粪便氮在养殖系统中的循环TANNO 2NO 3NO 2N 2 氨氮的产生 外源氨氮：肥料，工业渗漏等鱼类直接排泄有机物分解氨氮的排泄氨氮排泄计算公式Kg TAN=WTRFNDNMNE影响因素 饲料组成 投喂措施 消化吸收率 水温和溶解氧 其它因素氨氮的毒性表现 损坏鱼鳃 降低生长速度 引起死亡氨氮的毒性原理 渗透压失衡 ，导致肾功能丧失 内源氨氮排泄不畅，导致细胞功 能和神经系统受损 鳃丝受损，引起窒息影响氨氮毒性的因素 pH 的影响通常认为NH 3的毒性大。所以pH 越高，NH3的比例越高，TAN 的毒性越大。相反的观点，NH 4+和TAN都有毒性。 溶解氧的影响氨氮的毒性和溶解氧的浓度成反比关系 温度的影响低温增加氨氮的毒性，但是也有相反的观点 二氧化碳浓度的影响浓度越高，引起窒息的概率越大 离子浓度的影响1. 增加或者降低盐度增加毒性。2. 增加钙，钠粒子浓度降低毒性，由于离子交换原因 鱼类自身的影响1. 幼鱼对氨氮浓度更加敏感。2. 大鱼对氨氮的抵抗力更强。亚硝酸（Nitrite)的产生 外源亚硝酸：污水等 氨氮代谢的中间产物 反硝化过程的不完善亚硝酸在鱼体内的累积 以NO 2-,透过鳃的吸收，血液中亚硝酸的浓度可以达到周围环境的10倍 以HNO 2，溶解于脂类中进入鱼体亚硝酸毒性原理 亚硝酸从血浆进入血红细胞 氧化铁到三价铁，形成氧化血红素 氧化血红素不能运输氧亚硝酸毒性表现 可以引起组织机理的改变，肝功能损伤 增加氧化血红素含量，引起氧运输困难 使鱼类生长速度减慢 引起窒息死亡影响亚硝酸毒性的因素 氯离子氯离子的浓度越高，亚硝酸的毒性越低；1 mg/L的氯离子可以补偿0.37 mg/L的NO 2-N 其它阴离子溴粒子，碳酸氢根离子，硝酸根离子两价和三价粒子的影响比较小 阳离子钙、钾、钠和镁离子等可以降低毒性；阻止氯离子的流失，阻止吸收亚硝酸 酸度在正常的pH 范围内，酸度对毒性的影响很小 溶解氧低溶解氧浓度可以增加毒性 温度低温可以降低毒性 鱼的规格鱼的规格越小，抵抗力越强，但是差异不明显 鱼种差异不同鱼种对亚硝酸的抵抗力差异很大硝化反应公式NH4+ + 1.5O2 2H + + H2O + NO2NO2+ 0.5O 2 NO 3NH4+ + 1.83O2 + 1.98HCO3 0.021C5H7O2N + 0.98NO3+ 1.041H 2O + 1.88H2CO3 1 克氨氮转化为硝酸，需要4.18克氧气，7.14克碱度（CaCO 3), 产生8.59克碳酸，0.17克生物细胞。 硝化细菌的分类1.亚硝化细菌（Nitosomonas）把氨氮转化为亚硝酸的细菌总称2.硝化细菌（Nitrobacter)把亚硝酸转化为硝酸的细菌总称硝化细菌特性 硝化细菌特征长杆状，也有一些带有一到两个鞭毛，细胞凹陷，富含细胞色素，大量繁殖时，呈现铁锈色 硝化细菌活性1. 具有顽强的生命力，可以存活在陆地和水中2. 作为自养细菌，可以独立完成生物合成过程3. 在饥饿和厌氧条件下，可以存活很长时间 消化细菌的弱点1. 具有光抑性2. 生长和活力在酸性和碱性环境下低下3. 在5度以下和42度以上活力低下4. 特定生长率较低理想状态下，7-8小时可以翻一番；亚硝化细菌需要26小时以上；硝化细菌需要60小时以上 硝化细菌的附着性1. 硝化细菌分泌脂多糖用于附着，形成生物膜。生物膜的密度为1.14克/立方厘米2. 70-95%的游离硝化细菌可以在30分钟内附着3. 附着的硝化细菌具有更强的省生命力影响生物过滤效果的因素 生物滤池的形状和滤材多式多样 生物膜的组成不同 各种化学和物理因素的影响影响生物过滤效果的化学因素 pH的影响 pH值最佳范围是69 细菌逐渐适应，其pH范围可以从5到10 硝化过程在pH值低于6时有明显的下降趋势，达到pH为5时完全停止 PH值水平应保持在6以上 氨的含量随pH值的升高而升高, pH值应尽量保持在较低的水平 pH值变化迅速，大大降低细菌的过滤效果直到它们适应新的环境 碱度的影响 TAN在向硝酸盐转化的过程中要消耗到碱 碳酸盐对硝化细菌的生长非常关键，是一种营养元素。 有助于保持pH值的稳定性。 碱度至少要保持在1.5 meq/L才能确保它的 最大硝化率保持不变 溶解氧的影响 氧气供应不足，硝化速率下降 生物过滤器的设计构造就决定了氧气首先被异养物利用，然后才是亚硝化细菌和硝化细菌。在氧气只能由水流来提供的过滤器中，硝化反应常常处在缺氧状态下 一般认为，氧气含量在1 mg/L以上就能达到要求，若含量高于2 mg/L就保证没问题 生物膜外有一层薄而浊的界面层。像其它几种细胞所必要的化学元素一样，氧气必须穿过界面层，需要较高的溶解氧浓度 氨氮和亚硝酸盐浓度的影响 过高浓度的氨氮和亚硝酸有害 游离氨氮对亚硝化细菌的有害浓度高于对硝化细菌的有害浓度 （前者是10150 mg/L, 后者是0.1-1.0 mg/L）亚硝酸的限制浓度在0.222.8 mg/L之间 养殖水体中氨氮和亚硝酸盐的含量一般较低。氨和/或亚硝酸盐往往比氧气更能起到限制作用。 固体颗粒的影响 阻塞生物过滤器，导致厌氧生物的形成 固体颗粒直径范围从0.2到5.0微米的颗粒比1.4到2.7微米的颗粒能带来最优硝化效果。固体颗粒尺寸越小其所提供的特定表面积越大 为异养细菌提供基质促使其与硝化细菌争夺生长空间 溶解有机物的影响 当有机物含量升高时氨氮的去除率就低 当BOD 5/TKN比率为0.25时，硝化速率达到最大，而比率升高硝化速率下降 盐度的影响 几乎可以在任何盐度条件下工作。 淡水硝化细菌在海水条件下会受严重影响。盐度的突然变化会使硝化剂受到打击并降低硝化速率。 稳定的盐度是保证硝化速率最大的前提。 气体扩散速度的影响 过滤器中的滤材介质表面有一层生物膜。而细菌细胞就生长在其中。在这层生物膜外面还有一层浑浊不流动的水层。因此氧气、氨氮以及亚硝酸盐必须能渗透进去 在一些情况下，气体扩散也就成了限制硝化速率的因素。扩散速率随温度升高而升高 其它化学无机物的影响 对硝化过程起积极作用的元素：Ca、磷酸盐、Mg、Mn、Fe、Ca、Na。 起消极作用的元素：Ca(浓度超过0.5mg/L)、铬、镍，Zn、Cu、Hg，Ag 有机化合物包括：维生素、氨基酸及其它元素 福尔马林，CuSO 4，KMnO 4，以及NaCl溶液没有影响，但其它溶液有一定的影响（或限制或促进）影响生物过滤效果的物理因素 温度的影响 发现当细菌在5条件下时它的最适生长温度是22，而所能承受的最高极限温度为29。但当细菌适应25条件时它的最适生长温度却是30，最高极限温度为38。充足的时间，硝化细菌所能适应的温度范围是很大的 氨氮的氧化率与温度之间呈线性比例关系。虽然温度超出735的范围外线性关系不再存在,但在这一范围内基本保持线性关系。 生物滚筒中硝化反应和温度的关系AMR=140+8.5T NRTP=63+9.9T AMR：氨氮去除率NRTP：硝酸盐的生成率 T：温度（） 浸没式过滤器中氨的去除率和温度的关系ACR（0.11T0.2）(S/10)ACR：氨氮的消耗速率 S：氨的浓度 RBC（生物转盘）转动速度的影响 RBC转动速度会影响到生物薄膜的脱落，以及基质和硝化细菌之间的接触情况 转动速度在一定范围内（不超过0.355m/sec）增加会加强BOD和氨氮的去除率 转动速率超过这一水平不再提高BOD和氨氮的去除率 空隙率的影响 空隙率指的是生物滤池装上滤材以后剩余的空间容量与滤池容积的比值 空隙率大可以减少阻塞。固体颗粒可以更容易的穿过生物滤池，不易阻塞 滤材类型和尺寸的影响 滤材的选择主要依据颗粒大小，比表面积，成本，有效性以及每单位体积的重量 沙粒和石子的比重大，单位体积量的价格便宜。像石灰石及大理石等碳酸盐类石头，有缓冲作用 塑料质的过滤介质常具有较高的空隙率，重量小，单位体积的价格高，无缓冲作用 流化床需要相对较小、较重的滤材，沙子是相当好的选择 对生物圆筒式和生物圆盘，滤材的重量非常重要。它一般使用塑料环塑料球及其它类型的塑料滤材 由于滤材的尺寸减小会增加阻塞率以及压头损失，所以就限制了滤材的尺寸不能太小 比表面积的影响 比表面积即单位容积内滤材的总表面积 滤材颗粒大小，空隙率和比表面积三者相互联系。滤材尺寸越小，通常比表面积越大，而空隙率越小。比表面积越大，每单位容积内能附着在率材表面生长的细菌就越多，单位容积内氨的总去除量就高 水力负荷的影响 在浸没式、滴流式以及流化床生物滤器中，单位时间内，生物滤池单位表面积的水流量；生物转盘或生物滚筒，通过单位滤材表面积的水流量 水力负荷最小量必须保证能保持硝化细菌的湿润。 滴流式生物虑池中的用Norton Actifil滤材，它对最小流量的要求是29 m 3/m2d。若滤材为塑料环，对水流量的需求为3255 m 3/m2d。 所允许的最大水力负荷取决于水流速度是否会冲掉滤材上的细菌或产生过多压头损失。最大水流速度在流化床生物滤池中须保证介质不被冲出过滤容器。在滴流式过滤器中，最大水力负荷为72350 m3/m2d。 无论最小还是最大水力负荷都与滤材大小、生物滤池类型、材料及其它因素有关。