养殖土木工程学-泡沫分离装置

泡沫分离装置引子在水产养殖中，利用水的系统通常会有悬浮的固体颗粒（小于100微米），和溶解的有机物（蛋白质）积累。特别是5到10微米的固体颗粒，这些固体颗粒被认为是造成鱼类死亡和生命力下降的因素。微细的固体颗粒是不容易通过常规的筛滤装置或沉淀方法去除的。使用泡沫清除微细的悬浮固体颗粒和过多的营养聚集体已经取得了一些成功。

引子讲述几种泡沫分离器的模型，估算泡沫分离器对易挥发固体颗粒和细小的悬浮颗粒的清除率。建立数学模型包括表层气体流速、颗粒直径、气泡直径、蛋白质浓度、PH值、气泡空隙率、液体流动速率和泡沫溢流高度以及泡沫分离器本身的几何形状包括直径和浸没深度的影响。另给出一些资料去描述浓缩泡沫的特性以及悬浮的易挥发固体颗粒和总固体颗粒以及氮气之间的相互关系。

水产养殖系统中的固体颗粒泡沫分离器构造泡沫分离现象泡沫分离是一种水处理技术，它能被容易地增加到水处理系统中，以一个直接的方式，清除溶解和悬浮的固体颗粒。泡沫分离是一个水/气的界面现象，它是通过气泡带走水中的固体颗粒并从这个系统中清除。发生泡沫分离所需要的关键组成部分是表面活性剂。它的分子至少含有一个极性和一个非极性部分。由于一个水分子有一个极性结构，这样，一个表面活性剂非极性末端成为疏水性的，趋向于吸附于水的外部，也就是进入气泡。结果，在任何时候，发现表面活性剂聚集于水/气的分界面。在分离期间，在分界面附近的表面活性剂将集中于气泡表面。这些表面已经吸附了表面活性剂的气泡，一但从一个泡沫分馏器的水表面出现，他们将被收集，然后以泡沫的形式被除去。泡沫分离原理泡沫分离现象使用泡沫分离去除细小的悬浮固体和高浓度的营养物质已经取得了一些成功。1976年，Lomax比较了鱼的培养系统，这个培养系统使用一个沉淀池与泡沫分离器或者与机械过滤结合，Lomax的观点是，按代价和有效性而言，泡沫分离器和生物滤池的结合是最好的设计。Dwivedy发现泡沫分离器从牡蛎培养液中清除悬浮和溶解的有机物。他也发现泡沫分馏器通过清除有机酸和从水中清除细菌帮助维持培养液的PH。

泡沫特性

在清除细小颗粒方面，泡沫分离器是非常有效的，Chen在1992年发现，泡沫分离器可以减少固体颗粒含量，从4.1×106到2.1×106。泡沫中颗粒浓度为55.2×106。颗粒的平均直径是10.6微米。显然，通过泡沫分馏清除的颗粒比较微小。一种预测是在水体中偏重的固体颗粒在到达水面以前，由于剪切力的作用，更大的固体颗粒脱落了。通过泡沫分离被清除的颗粒直径一般不超过30微米。泡沫特性尽管脂肪酸是另一种可能的表面活性剂，Chenetal测出了在泡沫浓缩液中与蛋白质浓度相比，可以忽略脂肪酸的浓度。包含在鱼类培养液中一个试样的全部蛋白质，只有11%能被泡沫分馏清除。结论是蛋白质中的11%能作为表面活性剂的材料。全部固体颗粒中，94%是由于易发散固体颗粒在泡沫浓缩液中的增加。Weeksetal在1992年分析了来自泡沫分离器的浓缩液中固体颗粒浓度变浓几乎完全来自挥发性固体颗粒的增加，因为在水样和浓缩液中，较大颗粒的固形物的含量相同。泡沫特性泡沫特性分析用循环水系统参数Weeksetal在1992年提供了泡沫浓缩液中的易挥发固体颗粒（VS）、总悬浮的固体颗粒（TSS）和氮（TKN）之间的关系，这些关系如下：

TSS（mg/l）=0.27VS（mg/l）

TKN（mg/l）=0.038VS（mg/l）Weeksetal（1922年）用数量表示了水样和泡沫浓缩液之间的变浓因素，

VS：2.7（307mg/l变浓到816mg/l）

TSS：25（10mg/l变浓到251mg/l）

TKN：44（0.8mg/l变浓到34.6mg/l）泡沫特性挥发性固体颗粒和总悬浮物以及氮的关系数据非常清晰地表明了TKN、TSS与VS浓度之间的关系，这表明能用vs对其他参数的浓度进行评估。但是只有在相类似的循环水系统条件下这些联系才适应有关氮的数据乘以6.25能转化为蛋白质的最初粗略估计的数据，被清除的悬浮固体颗粒是由50%的蛋白质和50%的含碳物质组成的

泡沫特性泡沫浓缩液中的固体颗粒分布曲线随着颗粒直径的减少，颗粒数目迅速地增加。对那些直径小于8微米的颗粒，增加特别显著。然而，按照重量，占多数的固体颗粒的平均直径更大，例如在15到25微米之间。直径小于8微米极其小的颗粒，由于他们直径小，对固体颗粒的总重量几乎不起作用。影响泡沫分离器效率的主要因素是

1.气液接触时间（与沉没深度、气流速率和气泡大小有关）

2.气泡大小。

3.泡沫溢流高度泡沫分离器的操作和设计参数是：

1.气泡大小

2.气体扩散装置的沉没深度

3.气体流速

4.水流速率

5.泡沫溢出高度一旦设计定型，影响泡沫分离的操作参数变为：气体流速、水流速率和泡沫溢出高度泡沫分离器的性能和操作特性

表面气体速率（Ug）表示通过一个分离器柱体的气流速率与横截面积的比率。：

Ug=Q/AUg=表面气体速率，m/s，

Q=通过柱体的气流率，m3/sA=分馏器柱体切面面积，m2一般来讲，表面气体流速越打越好。但是，Ug存在一个实际的范围，过大最后将导致出现气体柱流现象，这是不适宜分离的。气体空隙率超过25%时，将开始形成柱流现象。固体颗粒去除率影响参数气体空隙率（Eg）泡沫分离器性能依靠气体支撑，气体空隙率指的是由于充气导致的液面升高（代表值是大约0.1-0.2）。增加显然和充气的数量有关系：

Eg=4.1Ug0.83气泡上升速率（Ub）分馏器操作要利用云集的气泡，导致气泡和环境液体之间的浓度差异减少，减少浮力的平方，降低了气泡上升的速率。

Ub=0.21exp（-25.8Ug）固体颗粒去除率影响参数不同表面气体流速情况下单个气泡的上升速率气泡尺寸Bd和蛋白质浓度PC：表面气流速率和蛋白质浓度对气泡直径Bd的影响：

Bd（mm）=2.58+28.1Ug-0.0098PC

（仅用于蛋白质浓度高达137mg/l）大体上，气泡上升速度将随气泡直径的改变成比例的变化，因为上升速度与气泡容积成比例（浮力影响），与气泡的拖拽面积成反比，Bd3/Bd2。

固体颗粒去除率影响参数气泡直径和表面气流速率以及蛋白质浓度的关系经验模型

Dwivedy数学模型：

C(t)=C0exp(-bt)C(t)，污染物的浓度，以时间为函数

C0，最初污染物浓度

b，中止常量

T，时间这种模型局限于特殊污水处理应用，并不适用于封闭循环养殖系统数学模型数学模型用系统构造数学模型用泡沫分离器构造参数水产养殖系统中的经验公式Cvs=1100-14AFR+83OFHPcond=-9.2+0.97AFR-4.2OFHRRvs=-2.9+0.39AFR-0.81OFHCvs，泡沫浓缩液挥发性颗粒浓度

AFR，气流速率

OFH，泡沫溢流高度

Pcond，泡沫浓缩液产量

RRvs，挥发性颗粒去除率数学模型数学模型的基本原则以上经验公式的的最大局限就是没有完全包括设计和操作参数。Weeksetal的模型包括泡沫溢流高度和气体流动速率，但没有包括分离器的直径，泡沫的大小，气泡的上升速率,PH值，水体中蛋白质的浓度的影响。陈氏数学模型充分考虑了以上提到的因素，同时又经过试验确定了其中的一些参数。

陈氏数学模型

=-Cd，溶解固体颗粒浓度；Cp，细小固体颗粒在本体溶液浓度Td，表面活性剂的浓度；Tp，细小颗粒的表面浓度K，吸收率；D，溶解固体颗粒的扩散系数Ug，表面气体速率；Ub，单个气泡上升速率Br，单个气泡的直径；S，细小悬浮物的去除相关系数Pr，悬浮颗粒的直径，Eg，气体空袭率陈氏模型的修正陈氏模型具有实际应用价值，但是只能用于计算在水表面产生的固体废物的量，因为陈氏模型的出发点认为水体中除去的固体颗粒的总量和泡沫里收集的固体颗粒的量相同。但是没有考虑泡沫收集过程的影响。泡沫收集过程影响修正参数，

βd=0.012-0.00076(Ht)-0.086(Ug)

βp=0.19-0.017(Ht)Ht，液面顶部到泡沫溢流边缘的距离水的流速对挥发性固体颗粒产生很小的影响，水流速度的确定应该取决于其他的因素。泡沫分离器的运行情况主要依赖于气流速率和泡沫的溢流高度。高的气流速率产生高的去除率，这是因为高的气流速率可以带走更多的固体颗粒。同时，可以快速去除上部堆积的泡沫。讨论泡沫溢流高度越低，水面上形成的泡沫可以快速去除，而不会