养殖土木工程学-养殖系统中固体颗粒的控制

专题一

养殖系统中固体颗粒的控制

教学目的

1.掌握养殖系统中固体颗粒的产生

2.掌握固体颗粒的一般特征

3.掌握养殖系统固体颗粒的去除机理

4.了解固体颗粒在沉淀池中的沉淀过程以及沉淀池设计原理

5.了解各种固体颗粒去除设备重点、难点

1.养殖系统中固体颗粒的危害及一般特征

2.养殖系统中固体颗粒的去除机理第一部分综述水体中固体颗粒的处理好坏决定整个养殖系统的成败固体颗粒在养殖系统中的累计限制系统的容量建议养殖系统中的固体颗粒浓度＜40mg/L；集约化养殖系统中的建议阀量值15mg/L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固体颗粒的产生排泄的粪便残饵微生物聚合体第二部分固体颗粒的产生和特征

一、粪便，源于饲料饲料转化效率在1：1和2：1之间，80%的摄食饵料将最终以固、液或气态的形式被排泄掉粪便的产生取决于摄食率海水鱼类粪便排泄率大约为摄食的25%---30%

鲶鱼粪便排泄率的范围从18%到43%

甲壳类的粪便排泄率相比较低一些

左图表是以重量表示的饲料中固体颗粒的大小分布。在鲶鱼池中投放三种不同规格的配合饲料，在轻微搅拌地情况下，经过四个小时的分解，仅仅有15%—25%的配合饲料被溶解。然后将水和饲料的悬浮液通过不同孔径的过滤器，干燥称重所得。没有机械或者生物的处理方式帮助，这些粒子很难被打碎并溶解，这些固体这就导致了悬浮颗粒的产生二、残饵，包括颗粒饲料和饲料粉末鲈鱼养殖系统中固体颗粒大小组成实验数据来源循环水鲈鱼养殖系统，水样分别通过105，70，30和1.5微米滤网处理残饵量测定由于各个系统之间的差异，残饵的精确定量分析很困难。研究指出在鲑鳟鱼养殖环境下，干饲料、潮湿和鲜饵的残饵比例各分别为1%—5%，5%—10%，10%—30%，除去少些例外情况，估计残饵都在这个范围内由于残饵和鱼类粪便中有大量的有机物和养料，利于产生不同种类的细菌群体并生长在水体中、池壁上、水管中、物理和生物过滤器中，脱落的微生物聚合体形成了固体颗粒三、微生物聚合体

固体颗粒依据大小可以分为溶解固体颗粒（＜1µm）悬浮固体颗粒（＞1µm）

悬浮颗粒根据沉淀特性可以分为会沉淀的固体颗粒（＞100µm）不沉淀固体颗粒（＜100µm）固体颗粒的分类

总悬浮固体总溶解固体挥发性固体固定性固体固体颗粒的概念

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固体颗粒的物理特征

养殖系统中固体颗粒的尺寸分布系统1

由一个圆形池和带有一系列筛网的水槽组成，鲑鱼的平均重量是500g系统2

一个圆形池和生物转盘，鲑鱼的重量是50g系统3

由一个有过滤筛网的水槽和一个沙滤装置组成，还使用臭氧分解水中有机体。鲑鱼的平均重量是100g

每天投喂量分别为体重的0.7%-0.8%

每天换水率低于养殖池容量的5%

固体颗粒的尺寸分布

在三个系统中，固体颗粒的数量随着固体颗粒直径的增大而迅速减少在第二个系统中，微小固体颗粒的容积，或者说重量的分布也随着固体颗粒直径的增大迅速减少在其它两个系统中，较大直径的固体颗粒所占的重量比例也较大固体颗粒直径比例分配固体颗粒的直径小于10ｕm的比例

系统1，大约85%

系统2，大约95%

系统3，大约60%

三个系统中的固体颗粒的直径小于20ｕm

大约占95%固体颗粒容积比例分配小于10微米的微细固体颗粒所占的容积比

系统2，48%

系统1，20%

系统3，10%

小于20微米的微细固体颗粒所占的容积比

系统1，48%

系统2，72%

系统3，58%。三个系统中固体颗粒含量水样颗粒数目（×107个/L）颗粒体积（×109

ｕm3/L）平均直径（ｕm）浓度（mg/L）系统10.312.6611.713系统26.0924.69.316系统30.324.0013.52水产养殖废水中固体颗粒粒径特征养殖水体中的固体颗粒重量分布和饲料溶解试验的结果不一致，因为（1）饵料颗粒非常大，它们沉淀出水体的的速度快（2）饲料在消化过程中破碎成小颗粒（3）越大的颗粒，越容易被系统除去基于这些不同尺寸的数据，可以推测出鱼的消化对饵料颗粒大小的产生有重要意义循环环境中大部分的固体颗粒和细菌有关试验结果比较

系统对微细固体的控制能力限制了清除的效率微细固体颗粒无论是质量还是重量都在水产系统中占主导地位随着颗粒变小，需要使用更为细密的格栅或者筛网等物理过滤装置.机械筛网等过滤器只能用来除去大于60ｕm的粒子实验结果讨论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15mg/L作为安全标准。但是也有人建议限制在20—40mg/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（gravityseparation)

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(Browniandiffusion)

沉淀作用（Sedimentation)

浮选分离的原理是拦截（interception）

布朗扩散(Browniandiffusion)

沉淀作用（Sedimentation)固体颗粒去除机理

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500mg/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。沉降速率沉降速率公式

Vs=

其中，VS是沉淀速率

Cd是拉力系数

Pp是固体颗粒的密度

g是重力加速度

ρ是水的密度

ρp是固体颗粒的密度

Dp是颗粒的直径拦截

拦截是过滤过程中的一个重要手段。如果固体颗粒没有大的沉淀速率，他将随着水流动而呈流线型运动，穿过界面。但是，如果界面和流线型的表面小于固体颗粒的半径，固体颗粒将和表面碰撞，并可能导致一系列的吸附。这个固体颗粒被叫做被表面拦截颗粒物越大，界面大小越小，拦截作用效率越高

水产养殖中固体颗粒去除装置选择要点现在在水产养殖系统中常用的物理过滤装置都是从一次性污水过滤系统中应用的装置演变过来的。但是，在水产养殖系统中，传统的物理过滤方式的一点儿的效率低下也会导致水产养殖系统中固体颗粒的积累养殖系统中含有大量的微细颗粒，所以只利用重力作用分离固体颗粒不可行，微细颗粒的积累会阻塞生物虑池。所以，水产养殖系统中的固体颗粒去除方式和污水处理以及排污处理不同。

（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固体颗粒去除装置评价指标

水产养殖中固体颗粒去除典型装置

技术颗粒大小um水头损失m水力负荷m3/m2/天去除的SS%参考文献

沉淀作用>100-24-9440-60EPA,1975

沉淀池-24.2-61.3-Liao,1980

斜管沉淀池-30-90-Muir,1978

粒状介质滤器<200.1-3176-42920-60Muir,1982;EPA,1975

快速砂滤罐94-35167-91EPA,1975

压力砂滤罐2-20117-70450-95Muir,1982;EPA,1975

漂浮微珠滤器0.8-61935-Wimberly,1990

筛网过滤>75可忽略1-1000Huguenin&Colt,1989

拦污栅587-17605-25EPA,1975水产养殖中固体颗粒去除典型装置

技术颗粒大小um水头损失m水力负荷m3/m2/天去除的SS%参考文献微孔筛网176-58717-50EPA,1975微滤机840-2180ZeiglerBros三角滤器Makinenetal.,1988多孔介质滤器>0.143-130>90Muir,1982硅藻土滤器>0.129-59Muir,1982;EPA,1975桶式滤器1-10～51-10Huguenin&Colt,1989水力旋流器1-7514-35Huguenin&Colt,19895-200Svarovsky,1977其它泡沫分离器<30280-288Chen,1991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沉淀池的构造

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沉淀池的功能区域

最终沉降速度在重力的推动下,悬浮中的粒子在水流中增加了下降的速度,直到重力的推动与粘性拉力的反作用力相平衡,当其变得平衡时,固体颗粒的沉降速率处在一个恒定的状态,这个速率被称为最终沉降速度在理想的长方形沉淀池中，固体颗粒的沉降轨迹是一条直线，这条直线是水流的制水平流速矢量(u)和重力产生的垂直向下速率矢量(Vs)的和沉降速度

沉淀池中固体颗运动模式图溢流速率（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

溢流速率

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Vs<Vo，不能沉淀的的概率是Vs/Vo，这取决于它们在容器入口处时所处的垂直位置。

这种部分去除概率（Fx）被下面的方程所定义

固体颗粒去除率固体颗粒去除率沉降速度小于溢流速率的固体颗粒的去除率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。可以表示为: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，影响沉淀由于循环水系统的水体中含有各种各样的固体颗粒，所以不管用什么理论和方法，实际计算固体颗粒的沉降速率都很难影响因素

一个内部直径超过13厘米的沉降桶。直径再小一些的沉降桶由于边界阻力影响,不太合适。为避免数据的外推误差,在设计过程中沉降桶的深度应该比实际要应用的沉淀池深度要深一些可以在一定时间间隔内随时取样的取样口，分布在沉降桶的桶体上一定时间间隔取样测定沉降速率测定方法

沉淀池设计沉淀池的设计基本上以水力停留时间为依据。有人认为水力停留时间为15分钟的沉淀池可以用来有效的除去大部分的可沉降固体颗粒设计和管理良好的沉淀池能够除去大约60-70%的沉降颗粒。但是水力停留时间不是一个适合于沉淀池设计的参数合适的机械设计是很有必要的。养殖废水的固体颗粒更浓，更具有快速沉降性，更容易形成更重和更有粘性的污泥。如果不考虑这些特性和利用水力停留时间作为设计依据，设计出得沉淀池往往太大和太贵,造成效率太低。在密集的鲑鳟鱼养殖系统中，沉淀池适宜溢流速率为40m3/m2·d到80m3/m2·d，转化为固体颗粒的沉降速率（Vs）就是0.046-0.092cm/s。固体颗粒的去除率为65%到85%

如果知道一个系统的流量，沉淀池的表面积（A）可以用下面的公式计算。

A=Q/V0沉淀池设计影响设计的因素沉降固体颗粒的行为可能被扰流和冲刷力所改变,从而使固体颗粒重新悬浮

另外，速度梯度,异重流和短路流等,他们也可能增加固体颗粒的混合作用,降低去除效率在理想的沉淀池中，理论上，固体颗粒的沉淀是溢流速率决定的，和沉淀池的深度无关。但是在实际生产中，为了防止过度的扰流和冲刷作用影响沉淀，沉淀池必须有一个最低深度要求和最高水流速度要求冲刷指的是水平方向水流的剪切力作用对底部沉淀层表面淤泥的再悬浮效应。冲刷作用可以通过翻腾沉淀的固体颗粒，使它们重新悬浮而降低沉淀池的效率。引起冲刷作用开始的临界水流速率与沉淀池的尺寸和深浅没关系，关键的影响因素是摩擦系数，固体颗粒的平均尺寸和比重影响设计的因素固体颗粒直径在0.25-1.5mm时，冲刷速度大约是1.6-3.8cm/s。水平流度在10-40cm/s之间可以阻止粪便和废物固体颗粒在沉淀池中沉积在理想的沉淀池中流动状态接近于推流。这就是说水流从入口区整个横断面进入沉淀池好像一个整体经过沉淀池，流速稳定而且均衡。在理论上，水力停留时间可以计算如下，

R=Vol/Q

Vol为沉淀池的容积；R为水力停留时间影响设计的因素

实际上水流的一部分以比理论上水力停留时间还短的时间而流出沉淀池，也有一部分水停留在沉淀池内的时间要超过理论上的水力停留时间。所以，这种抄短路流动的方式是任何沉淀池不可避免要发生的主要是由于温度，密度，涡流，风力引起的紊流以及排水系统设计不合理得引起的影响设计的因素短路流的副作用就是降低沉淀池的效率。一般来讲，进入一个沉淀池的进水流动速率被转化为沉淀池溢流速率，而且两者是一致的。但是，快速流动的段路流的流速会大于设计的速率。结果，在短路流中的固体颗粒的沉降速率即使大于沉淀池的溢流速率，但是由于这个速率小于短路流的流速，这些颗粒不会沉降沉淀池中还会有一些流速缓慢或者静止的区域，也会降低效率控制短路流是很关键的，这需要很好的控制进水的分散情况、保护沉淀池不受风剪应力作用和不均衡加热、以及降低异重流等。合理的入口和出口设计是控制短路流的关键因素。影响设计的因素在沉淀池的两个末端置利用竖管作为进水口和出水口是最简单的设计，也是现在水产养殖中最为经常使用的这种单点式的入流和出流模式会导致非常差的沉淀池内的水流模式。这种方式更加加剧了短路流的形成，水流会从进水口以相对较快的速度直接流到出水口。即使沉淀池具有足够长的水力停留时间，大部分的水流只用了几分钟便穿过了沉淀池沉淀池进水口和出水口设计想要建设更有效率的沉淀池，入口区和出口区的设计必须充分考虑到每一部分的功能和限制因素。当设计入口结构时，必须应该考虑以下几个因素：

1．入水水流应该均衡的流经沉淀池内沉淀区横断面的每一部分

2．所有流经沉淀区的水流应该均衡的水平流动

3．入流水流的流速应该足够慢，以防止扰流发生沉淀池进水口和出水口设计沿进口区长度分布的浸没式入口堰可以很好的平衡实际应用性和保持良好的水流特性。堰宽度一般为20-30公分，边缘和表面要粗糟，这样可以更好的均匀分布和降低流速，比较有效率对于跑道式养殖系统，最好的选择是在每一个跑道的下游末端沉降固体颗粒，如果使用充氧设备，必须确保在最下游的气石的位置要离开沉淀区的距离最少为水深的两倍，以减少扰流对沉淀的影响。在圆形的沉淀池中，最好利用中央进水的方式，同时使用隔板较少进水水流的扰流影响沉淀池进水口和出水口设计沉淀池的出水口也要使用堰，以便于表面清澈的水流出。堰的表面利用锯齿形或者V形表面更利于均衡出水。在城市污水处理系统中，一般设计要求水流速度不要超过186-248m3/每天·堰的长度在水产养殖系统中，推荐的溢流速率设计标准为370m3/每天·堰的长度。实际应用中，溢流速率应该控制在400-600m3/每天·堰的长度。当水流变得比这个大时，溢流的速度会迅速地增加，固体颗粒会随水流流出而不能沉淀一定程度上的固体颗粒随溢流排出沉淀池的情况几乎发生在所有的沉淀过程中。这种现象只发生在靠近出水口的一小段区域内，通常只是水深的一两倍的长度。这种现象减少了沉淀池的有效长度，所以正确设计的沉淀池应该加长长度去补偿这损失。在大多数情况下，应该增加水深一到两倍的长度沉淀池进水口和出水口设计溢流速率（V0）,应该是以在理论上可以百分之百的去除最小的固体颗粒的速率作为设计的基础水力停留时间不是沉淀池的设计标准在保证冲刷作用不影响沉淀池效率的情况下，沉淀池的深度应该尽可能浅一些扰流和进出水的影响应该在设计的时候得到补偿入口和出口结构应该根据沉淀池的尺寸和水流速度等专门加以设计沉淀池设计总结沉淀池为了补偿在理想状态下，理论上设计的沉淀池的效率,非常有必要增大沉淀池的面积。通过调整计算公式中的溢流速率来补偿扰流的影响，并且给出了一个理论设计和实际应用的参照比例去除效率沉淀池特点707580859095很好1.31.51.82.22.73.6好1.41.72.02.53.24.8好1.72.02.53.24.46.9很不好2.33.04.05.91019

沉淀池的去除效率养殖场编号

设计溢流速率（m3/m2/d）

去除率

SS

TSS

TP

1120.090.0NANA258.779.265.8NA357.591.290.0NA469.797.887.365.6540.599.188.968.2621.499.088.076.7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70um的固体颗粒和55%以上的大于1.5um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旋流器的构造与工作原理优点：

1．结构简单，成本低廉，易于安装和操作；

2.体积小，处理能力大，运行费用低；

3.处理工艺简单，可长期稳定运行，管理便利；

4.用途广泛，适应性好；

5.旋流中存在较高的剪切力，有利于分级缺点：

1.不能分离微细颗粒。

2.需要很大容量的水泵，水头损失比较大水力旋流器微筛过滤装置微筛过滤装置