養(yǎng)殖土木工程學-養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的控制

專題一

養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的控制

教學目的

1.掌握養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的產生

2.掌握固體顆粒的一般特征

3.掌握養(yǎng)殖系統(tǒng)固體顆粒的去除機理

4.了解固體顆粒在沉淀池中的沉淀過程以及沉淀池設計原理

5.了解各種固體顆粒去除設備重點、難點

1.養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的危害及一般特征

2.養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的去除機理第一部分綜述水體中固體顆粒的處理好壞決定整個養(yǎng)殖系統(tǒng)的成敗固體顆粒在養(yǎng)殖系統(tǒng)中的累計限制系統(tǒng)的容量建議養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體顆粒濃度＜40mg/L；集約化養(yǎng)殖系統(tǒng)中的建議閥量值15mg/L固體顆粒的不良影響

直接損害魚鰓對生物過濾器的堵塞腐化產生氨腐爛而增加氧的需求限制循環(huán)水系統(tǒng)的容量固體顆粒的產生排泄的糞便殘餌微生物聚合體第二部分固體顆粒的產生和特征

一、糞便，源于飼料飼料轉化效率在1：1和2：1之間，80%的攝食餌料將最終以固、液或氣態(tài)的形式被排泄掉糞便的產生取決于攝食率海水魚類糞便排泄率大約為攝食的25%---30%

鯰魚糞便排泄率的范圍從18%到43%

甲殼類的糞便排泄率相比較低一些

左圖表是以重量表示的飼料中固體顆粒的大小分布。在鯰魚池中投放三種不同規(guī)格的配合飼料，在輕微攪拌地情況下，經過四個小時的分解，僅僅有15%—25%的配合飼料被溶解。然后將水和飼料的懸浮液通過不同孔徑的過濾器，干燥稱重所得。沒有機械或者生物的處理方式幫助，這些粒子很難被打碎并溶解，這些固體這就導致了懸浮顆粒的產生二、殘餌，包括顆粒飼料和飼料粉末鱸魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒大小組成實驗數(shù)據(jù)來源循環(huán)水鱸魚養(yǎng)殖系統(tǒng)，水樣分別通過105，70，30和1.5微米濾網(wǎng)處理殘餌量測定由于各個系統(tǒng)之間的差異，殘餌的精確定量分析很困難。研究指出在鮭鱒魚養(yǎng)殖環(huán)境下，干飼料、潮濕和鮮餌的殘餌比例各分別為1%—5%，5%—10%，10%—30%，除去少些例外情況，估計殘餌都在這個范圍內由于殘餌和魚類糞便中有大量的有機物和養(yǎng)料，利于產生不同種類的細菌群體并生長在水體中、池壁上、水管中、物理和生物過濾器中，脫落的微生物聚合體形成了固體顆粒三、微生物聚合體

固體顆粒依據(jù)大小可以分為溶解固體顆粒（＜1μm）懸浮固體顆粒（＞1μm）

懸浮顆粒根據(jù)沉淀特性可以分為會沉淀的固體顆粒（＞100μm）不沉淀固體顆粒（＜100μm）固體顆粒的分類

總懸浮固體總溶解固體揮發(fā)性固體固定性固體固體顆粒的概念

固體顆粒的化學特征

無機成分：產生淤泥堆積和對生物生存環(huán)境產生負面影響有機成分：主要為耗氧和產生生物堵塞的揮發(fā)性懸浮固體固體顆粒的物理特征最主要的物理特征比重大小組成固體顆粒的比重：濕顆粒物密度與水的密度的比值懸浮固體在水中的懸浮行為主要是由于它自身的比重。固體顆粒物之的平均比重為1.19固體顆粒的大小組成比例取決于

固體顆粒的來源魚的規(guī)格溫度水流等針對養(yǎng)殖系統(tǒng)中懸浮固體顆粒粒徑大小的研究主要是通過飼料試驗固體顆粒的物理特征

養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的尺寸分布系統(tǒng)1

由一個圓形池和帶有一系列篩網(wǎng)的水槽組成，鮭魚的平均重量是500g系統(tǒng)2

一個圓形池和生物轉盤，鮭魚的重量是50g系統(tǒng)3

由一個有過濾篩網(wǎng)的水槽和一個沙濾裝置組成，還使用臭氧分解水中有機體。鮭魚的平均重量是100g

每天投喂量分別為體重的0.7%-0.8%

每天換水率低于養(yǎng)殖池容量的5%

固體顆粒的尺寸分布

在三個系統(tǒng)中，固體顆粒的數(shù)量隨著固體顆粒直徑的增大而迅速減少在第二個系統(tǒng)中，微小固體顆粒的容積，或者說重量的分布也隨著固體顆粒直徑的增大迅速減少在其它兩個系統(tǒng)中，較大直徑的固體顆粒所占的重量比例也較大固體顆粒直徑比例分配固體顆粒的直徑小于10ｕm的比例

系統(tǒng)1，大約85%

系統(tǒng)2，大約95%

系統(tǒng)3，大約60%

三個系統(tǒng)中的固體顆粒的直徑小于20ｕm

大約占95%固體顆粒容積比例分配小于10微米的微細固體顆粒所占的容積比

系統(tǒng)2，48%

系統(tǒng)1，20%

系統(tǒng)3，10%

小于20微米的微細固體顆粒所占的容積比

系統(tǒng)1，48%

系統(tǒng)2，72%

系統(tǒng)3，58%。三個系統(tǒng)中固體顆粒含量水樣顆粒數(shù)目（×107個/L）顆粒體積（×109

ｕm3/L）平均直徑（ｕm）濃度（mg/L）系統(tǒng)10.312.6611.713系統(tǒng)26.0924.69.316系統(tǒng)30.324.0013.52水產養(yǎng)殖廢水中固體顆粒粒徑特征養(yǎng)殖水體中的固體顆粒重量分布和飼料溶解試驗的結果不一致，因為（1）餌料顆粒非常大，它們沉淀出水體的的速度快（2）飼料在消化過程中破碎成小顆粒（3）越大的顆粒，越容易被系統(tǒng)除去基于這些不同尺寸的數(shù)據(jù)，可以推測出魚的消化對餌料顆粒大小的產生有重要意義循環(huán)環(huán)境中大部分的固體顆粒和細菌有關試驗結果比較

系統(tǒng)對微細固體的控制能力限制了清除的效率微細固體顆粒無論是質量還是重量都在水產系統(tǒng)中占主導地位隨著顆粒變小，需要使用更為細密的格柵或者篩網(wǎng)等物理過濾裝置.機械篩網(wǎng)等過濾器只能用來除去大于60ｕm的粒子實驗結果討論第三部分固體顆粒清除標準

在水產養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒濃度標準還沒有建立固體懸浮物濃度小于25mg/L對魚類的危害不明顯。高密度養(yǎng)殖，建議總懸浮固體顆粒濃度小于15mg/L作為安全標準。但是也有人建議限制在20—40mg/L之間微細固體顆粒有更多決定性的影響，只用濃度作標準不妥當。不同的魚的種類對固體濃度的承受水平大不相同固體顆粒去除機理對懸浮固體顆粒的去除是一個固/液分離的過程，所有的分離過程都是由固體顆粒向界面遷移完成的，沉淀池底部、過濾濾料顆粒以及氣泡等構成了它們與水的界面固體顆粒的去除可以分為重力分離（gravityseparation)

過濾分離（Filtration)

浮選分離(flotation）

固體顆粒的去除機理具體包括

重力分離的原理是沉淀作用（Sedimentation)

過濾分離的原理是攔截（interception）濾出(straining)

布朗擴散(Browniandiffusion)

沉淀作用（Sedimentation)

浮選分離的原理是攔截（interception）

布朗擴散(Browniandiffusion)

沉淀作用（Sedimentation)固體顆粒去除機理

沉淀沉淀的發(fā)生是由于固體顆粒和水的密度不同。假設一個固體顆粒比水重，它將在重力的作用下下降沉淀的類型可以分為自由沉淀、凝絮沉淀、區(qū)域沉淀和壓縮沉淀當總懸浮固體顆粒濃度低于于500mg/L，沉淀過程是典型的自由沉淀，在這個過程中，懸浮固體顆粒之間互不干擾，各自沉淀。沉降速率沉降速率公式

Vs=

其中，VS是沉淀速率

Cd是拉力系數(shù)

Pp是固體顆粒的密度

g是重力加速度

ρ是水的密度

ρp是固體顆粒的密度

Dp是顆粒的直徑攔截

攔截是過濾過程中的一個重要手段。如果固體顆粒沒有大的沉淀速率，他將隨著水流動而呈流線型運動，穿過界面。但是，如果界面和流線型的表面小于固體顆粒的半徑，固體顆粒將和表面碰撞，并可能導致一系列的吸附。這個固體顆粒被叫做被表面攔截顆粒物越大，界面大小越小，攔截作用效率越高

水產養(yǎng)殖中固體顆粒去除裝置選擇要點現(xiàn)在在水產養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用的物理過濾裝置都是從一次性污水過濾系統(tǒng)中應用的裝置演變過來的。但是，在水產養(yǎng)殖系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的物理過濾方式的一點兒的效率低下也會導致水產養(yǎng)殖系統(tǒng)中固體顆粒的積累養(yǎng)殖系統(tǒng)中含有大量的微細顆粒，所以只利用重力作用分離固體顆粒不可行，微細顆粒的積累會阻塞生物慮池。所以，水產養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體顆粒去除方式和污水處理以及排污處理不同。

（1）水力負荷率（2）去除微小顆粒的能力（3）水頭（Head）的損耗（4）在反沖過程中水的損耗

(5)阻止生物附著污染的能力固體顆粒去除裝置評價指標

水產養(yǎng)殖中固體顆粒去除典型裝置

技術顆粒大小um水頭損失m水力負荷m3/m2/天去除的SS%參考文獻

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

粒狀介質濾器<200.1-3176-42920-60Muir,1982;EPA,1975

快速砂濾罐94-35167-91EPA,1975

壓力砂濾罐2-20117-70450-95Muir,1982;EPA,1975

漂浮微珠濾器0.8-61935-Wimberly,1990

篩網(wǎng)過濾>75可忽略1-1000Huguenin&Colt,1989

攔污柵587-17605-25EPA,1975水產養(yǎng)殖中固體顆粒去除典型裝置

技術顆粒大小um水頭損失m水力負荷m3/m2/天去除的SS%參考文獻微孔篩網(wǎng)176-58717-50EPA,1975微濾機840-2180ZeiglerBros三角濾器Makinenetal.,1988多孔介質濾器>0.143-130>90Muir,1982硅藻土濾器>0.129-59Muir,1982;EPA,1975桶式濾器1-10～51-10Huguenin&Colt,1989水力旋流器1-7514-35Huguenin&Colt,19895-200Svarovsky,1977其它泡沫分離器<30280-288Chen,1991沉淀池優(yōu)點：

1.沉淀池需要少量的能源

2.操作和建造并不昂貴

3.不需要專門的操作技術

4.能夠比較容易與新的或者現(xiàn)存的水處理裝置和并在一起缺點：

1.低的水壓負荷率

2.對微細懸浮顆粒的去除效率非常低沉淀池的構造

所有連續(xù)流動型沉淀池根據(jù)功能來分,在概念上可以分成四個區(qū)域入口區(qū)沉淀區(qū)淤泥區(qū)出口區(qū)入口區(qū)的主要作用讓水流均勻流過沉淀池的橫截面沉淀發(fā)生在沉降區(qū)

隨著水流移動,固體顆粒在污泥區(qū)累積清澈的水流在出口區(qū)被收集并被排放出去沉淀池的功能區(qū)域

最終沉降速度在重力的推動下,懸浮中的粒子在水流中增加了下降的速度,直到重力的推動與粘性拉力的反作用力相平衡,當其變得平衡時,固體顆粒的沉降速率處在一個恒定的狀態(tài),這個速率被稱為最終沉降速度在理想的長方形沉淀池中，固體顆粒的沉降軌跡是一條直線，這條直線是水流的制水平流速矢量(u)和重力產生的垂直向下速率矢量(Vs)的和沉降速度

沉淀池中固體顆運動模式圖溢流速率（Vo）所有具有相同沉降速度的粒子將會在平行的軌跡上移動,在理想的條件下,一個固體離子從入口區(qū)進入沉淀池,在理論停留時間內，沉淀于和出口區(qū)接近的池底。單位沉降池面積的水流量被定義為沉淀池溢流速率（Vo）沉淀池設計的關鍵點就是溢流速率，它代表沉淀池的平均流速，

Vo=Q/AQ為流量

A為沉淀池的表面積

溢流速率

任何具有沉淀速度(Vs)高于溢流速率的固體顆粒將沉淀。如果Vs<Vo，不能沉淀的的概率是Vs/Vo，這取決于它們在容器入口處時所處的垂直位置。

這種部分去除概率（Fx）被下面的方程所定義

固體顆粒去除率固體顆粒去除率沉降速度小于溢流速率的固體顆粒的去除率理想的沉淀池的總固體顆粒的去除率為沉降速率大于和小于溢流速率的固體顆粒的總和?？梢员硎緸?在一個理想的沉淀池中，固體顆粒的去除和沉淀池的表面積有關

與沉淀池的深度沒有關系。太淺的沉淀池會產生擾流，影響沉淀由于循環(huán)水系統(tǒng)的水體中含有各種各樣的固體顆粒，所以不管用什么理論和方法，實際計算固體顆粒的沉降速率都很難影響因素

一個內部直徑超過13厘米的沉降桶。直徑再小一些的沉降桶由于邊界阻力影響,不太合適。為避免數(shù)據(jù)的外推誤差,在設計過程中沉降桶的深度應該比實際要應用的沉淀池深度要深一些可以在一定時間間隔內隨時取樣的取樣口，分布在沉降桶的桶體上一定時間間隔取樣測定沉降速率測定方法

沉淀池設計沉淀池的設計基本上以水力停留時間為依據(jù)。有人認為水力停留時間為15分鐘的沉淀池可以用來有效的除去大部分的可沉降固體顆粒設計和管理良好的沉淀池能夠除去大約60-70%的沉降顆粒。但是水力停留時間不是一個適合于沉淀池設計的參數(shù)合適的機械設計是很有必要的。養(yǎng)殖廢水的固體顆粒更濃，更具有快速沉降性，更容易形成更重和更有粘性的污泥。如果不考慮這些特性和利用水力停留時間作為設計依據(jù)，設計出得沉淀池往往太大和太貴,造成效率太低。在密集的鮭鱒魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中，沉淀池適宜溢流速率為40m3/m2·d到80m3/m2·d，轉化為固體顆粒的沉降速率（Vs）就是0.046-0.092cm/s。固體顆粒的去除率為65%到85%

如果知道一個系統(tǒng)的流量，沉淀池的表面積（A）可以用下面的公式計算。

A=Q/V0沉淀池設計影響設計的因素沉降固體顆粒的行為可能被擾流和沖刷力所改變,從而使固體顆粒重新懸浮

另外，速度梯度,異重流和短路流等,他們也可能增加固體顆粒的混合作用,降低去除效率在理想的沉淀池中，理論上，固體顆粒的沉淀是溢流速率決定的，和沉淀池的深度無關。但是在實際生產中，為了防止過度的擾流和沖刷作用影響沉淀，沉淀池必須有一個最低深度要求和最高水流速度要求沖刷指的是水平方向水流的剪切力作用對底部沉淀層表面淤泥的再懸浮效應。沖刷作用可以通過翻騰沉淀的固體顆粒，使它們重新懸浮而降低沉淀池的效率。引起沖刷作用開始的臨界水流速率與沉淀池的尺寸和深淺沒關系，關鍵的影響因素是摩擦系數(shù)，固體顆粒的平均尺寸和比重影響設計的因素固體顆粒直徑在0.25-1.5mm時，沖刷速度大約是1.6-3.8cm/s。水平流度在10-40cm/s之間可以阻止糞便和廢物固體顆粒在沉淀池中沉積在理想的沉淀池中流動狀態(tài)接近于推流。這就是說水流從入口區(qū)整個橫斷面進入沉淀池好像一個整體經過沉淀池，流速穩(wěn)定而且均衡。在理論上，水力停留時間可以計算如下，

R=Vol/Q

Vol為沉淀池的容積；R為水力停留時間影響設計的因素

實際上水流的一部分以比理論上水力停留時間還短的時間而流出沉淀池，也有一部分水停留在沉淀池內的時間要超過理論上的水力停留時間。所以，這種抄短路流動的方式是任何沉淀池不可避免要發(fā)生的主要是由于溫度，密度，渦流，風力引起的紊流以及排水系統(tǒng)設計不合理得引起的影響設計的因素短路流的副作用就是降低沉淀池的效率。一般來講，進入一個沉淀池的進水流動速率被轉化為沉淀池溢流速率，而且兩者是一致的。但是，快速流動的段路流的流速會大于設計的速率。結果，在短路流中的固體顆粒的沉降速率即使大于沉淀池的溢流速率，但是由于這個速率小于短路流的流速，這些顆粒不會沉降沉淀池中還會有一些流速緩慢或者靜止的區(qū)域，也會降低效率控制短路流是很關鍵的，這需要很好的控制進水的分散情況、保護沉淀池不受風剪應力作用和不均衡加熱、以及降低異重流等。合理的入口和出口設計是控制短路流的關鍵因素。影響設計的因素在沉淀池的兩個末端置利用豎管作為進水口和出水口是最簡單的設計，也是現(xiàn)在水產養(yǎng)殖中最為經常使用的這種單點式的入流和出流模式會導致非常差的沉淀池內的水流模式。這種方式更加加劇了短路流的形成，水流會從進水口以相對較快的速度直接流到出水口。即使沉淀池具有足夠長的水力停留時間，大部分的水流只用了幾分鐘便穿過了沉淀池沉淀池進水口和出水口設計想要建設更有效率的沉淀池，入口區(qū)和出口區(qū)的設計必須充分考慮到每一部分的功能和限制因素。當設計入口結構時，必須應該考慮以下幾個因素：

1．入水水流應該均衡的流經沉淀池內沉淀區(qū)橫斷面的每一部分

2．所有流經沉淀區(qū)的水流應該均衡的水平流動

3．入流水流的流速應該足夠慢，以防止擾流發(fā)生沉淀池進水口和出水口設計沿進口區(qū)長度分布的浸沒式入口堰可以很好的平衡實際應用性和保持良好的水流特性。堰寬度一般為20-30公分，邊緣和表面要粗糟，這樣可以更好的均勻分布和降低流速，比較有效率對于跑道式養(yǎng)殖系統(tǒng)，最好的選擇是在每一個跑道的下游末端沉降固體顆粒，如果使用充氧設備，必須確保在最下游的氣石的位置要離開沉淀區(qū)的距離最少為水深的兩倍，以減少擾流對沉淀的影響。在圓形的沉淀池中，最好利用中央進水的方式，同時使用隔板較少進水水流的擾流影響沉淀池進水口和出水口設計沉淀池的出水口也要使用堰，以便于表面清澈的水流出。堰的表面利用鋸齒形或者V形表面更利于均衡出水。在城市污水處理系統(tǒng)中，一般設計要求水流速度不要超過186-248m3/每天·堰的長度在水產養(yǎng)殖系統(tǒng)中，推薦的溢流速率設計標準為370m3/每天·堰的長度。實際應用中，溢流速率應該控制在400-600m3/每天·堰的長度。當水流變得比這個大時，溢流的速度會迅速地增加，固體顆粒會隨水流流出而不能沉淀一定程度上的固體顆粒隨溢流排出沉淀池的情況幾乎發(fā)生在所有的沉淀過程中。這種現(xiàn)象只發(fā)生在靠近出水口的一小段區(qū)域內，通常只是水深的一兩倍的長度。這種現(xiàn)象減少了沉淀池的有效長度，所以正確設計的沉淀池應該加長長度去補償這損失。在大多數(shù)情況下，應該增加水深一到兩倍的長度沉淀池進水口和出水口設計溢流速率（V0）,應該是以在理論上可以百分之百的去除最小的固體顆粒的速率作為設計的基礎水力停留時間不是沉淀池的設計標準在保證沖刷作用不影響沉淀池效率的情況下，沉淀池的深度應該盡可能淺一些擾流和進出水的影響應該在設計的時候得到補償入口和出口結構應該根據(jù)沉淀池的尺寸和水流速度等專門加以設計沉淀池設計總結沉淀池為了補償在理想狀態(tài)下，理論上設計的沉淀池的效率,非常有必要增大沉淀池的面積。通過調整計算公式中的溢流速率來補償擾流的影響，并且給出了一個理論設計和實際應用的參照比例去除效率沉淀池特點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

沉淀池的去除效率養(yǎng)殖場編號

設計溢流速率（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減小沉淀池的面積，提高效率一堆斜管可以提供更多的沉降面微小半徑的斜管內水流為層流，保證了水流的一致性在狹窄容量的斜管中，固體顆粒的移動和水流動的方向相反，更利于沉淀。有報道稱，斜管沉淀池可以去除80%以上的大于70um的固體顆粒和55%以上的大于1.5um的固體顆粒水力旋流器旋流器利用的是離心沉降原理。也就是說懸浮固體顆粒被離心力加速從而使它們從液體中分離出來。水力旋流器可分離幾個微米以上的固體顆粒它的工作方式為為水流沿切向進入旋流器，在圓柱內產生高速旋轉流場，混合物中密度大的組分在旋轉流場的作用下同時沿軸向向下運動、沿徑向向外運動，在到達錐體段沿器壁向下運動，并由底流口排出；這就形成了外旋渦流場；密度小的組分向中心軸線調和運動，并在軸線中心形成一向上運動的內旋渦，然后由溢流口排出，這就達到了兩相分離的目的旋流器的構造與工作原理優(yōu)點：

1．結構簡單，成本低廉，易于安裝和操作；

2.體積小，處理能力大，運行費用低；

3.處理工藝簡單，可長期穩(wěn)定運行，管理便利；

4.用途廣泛，適應性好；

5.旋流中存在較高的剪切力，有利于分級缺點：

1.不能分離微細顆粒。

2.需要很大容量的水泵，水頭損失比較大水力旋流器微篩過濾裝置微篩過濾裝置