AII专栏：循环水养殖系统中固体颗粒的消除工艺,本文是循环水方面论文范文数据库与循环水和固体颗粒和养殖有关论文范文检索.
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在工厂化循环水养殖过程中,主要投喂配合饲料、冰鲜杂鱼或自制软颗粒饲料,因此所产生的主要固体颗粒有残饵、排泄物、微生物聚合体等.目前仅有65%-75% 的饲料物质被鱼体吸收利用,其余25%-35% 留存于养殖水体中.残饵和排泄物在水中分解消耗溶解氧,导致氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮增加,滋生积累病毒、细菌、寄生虫等有害生物；造成水质恶化,影响养殖鱼类的正常生长甚至诱发疾病.因此,如何快速有效地清除这些残饵和排泄物是循环水养殖水处理技术需要解决的主要问题之一.
一、固体颗粒的产生和特征
1.固体颗粒的产生
（1）残饵
投喂剩余的配合饲料在水中经过4h 的分解,仅仅有15%-25% 被溶解.没有机械或者生物的处理方式帮助,这些固体粒子很难被打碎并溶解从而导致了悬浮颗粒的产生.因各个系统之间的差异,残饵的精确定量分析较困难.在海水鱼养殖环境下,干饲料、湿性料和鲜饵的残饵比例分别为1%-5%,5%-10%,10%-30%.
（2）排泄物
排泄物源于饲料,饵料系数在1和2 之间,80% 的摄食饵料最终将以固、液或气态的形式被排泄掉.排泄物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%.
（3）微生物聚合体
由于残饵和鱼类粪便中含有大量的有机物及养料,有利于产生不同种类的细菌群体生长；主要分布在养殖水体、池壁、水管、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.
2.固体颗粒的分类
（1）依据大小差异
分为溶解固体颗粒（＜ 1μm）和悬浮固体颗粒（＞ 1μm）.
（2）根据沉淀特性
分为沉淀的固体颗粒（ ＞100μm）和不沉淀固体颗粒（＜100μm）.
（3）固体颗粒形态
分为总悬浮固体、总溶解固体、挥发性固体和固定性固体.
3.固体颗粒的特征
（1）固体颗粒的物理特征
最主要的物理特征比重即湿颗粒物密度与水的密度的比值,固体在水中的悬浮行为主要是由于它自身的比重.固体颗粒物平均比重为1.19,其大小及组成比例取决于固体颗粒的来源、鱼的规格、温度、水流等.
循环水养殖中饵料颗粒非常大,它们沉淀出水体的的速度快.饲料在消化过程中破碎成小颗粒,越大的颗粒越容易被系统除去.鱼的消化对饵料颗粒大小的产生有重要意义,系统对微细固体的控制能力限制了清除的效率.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.
（2）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.
二、固体颗粒的控制工艺
1.固体颗粒的清除标准
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.高密度养殖总悬浮固体颗粒浓度小于15mg/L 作为安全标准.一般控制在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.另外,不同鱼的种类对固体浓度的承受水平也不一样.
2.固体颗粒的去除机理
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,固体颗粒的去除分为重力分离（grity separation）、过滤分离（Filtration） 和浮选分离（flotation）.
（1）重力分离
其原理是沉淀作用（Sedimentation),沉淀的发生是由于固体颗粒和水的密度不同.依靠粒子的大小和密度,固体颗粒的组成和载体媒介水的特性,沉淀的类型又分为自由沉淀、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,沉降速率公式
（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）
（2）过滤分离
其原理是拦截（interception）、滤出 (straining)、布朗扩散(Browniandiffusion）、沉淀作用（Sedimentation）,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.若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,拦截的效率可以用下面的公式估算.颗粒物越大,界面大小越小,拦截作用效率越高.
（3）浮选分离
其原理是拦截（interception）、布朗扩散（Brownian diffusion）、沉淀作用（Sedimentation）,扩散也是过滤过程中一个重要的传输机理.如果粒子小于几微米,这个过程就显得尤为重要.扩散效率可用下面的公式估算出
（ηD 是扩散效率,K 是波兹曼常数,1.38×10-23J/oK,T 是绝对温度,oK）
三、固体颗粒的去除设备
1、固体颗粒去除装置选择要点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应用的装置演变过来的,传统物理过滤方式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,只靠重力作用分离固体颗粒不行.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以及排污处理不同.
2.固体颗粒去除装置评价指标主要包括：
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（SS）的能力.
3.水产养殖中固体颗粒去除典型装置（见表1）
（1）沉淀池
所有连续流动型沉淀池在概念上,根据功能可以分成四个区域：进水区、沉淀区、淤泥区、出水区.
进水区的主要作用让水流均匀流过沉淀池的横截面,沉淀发生在沉淀区.随着水流移动,固体颗粒在淤泥区累积.清澈的水流在出水区被收集,并被排放出去.
优点：1. 只需要少量的能源；
2. 建造容易低廉；
3. 操作技术相对简单；
4. 便于和新建或现存的水处理装置合并.
缺点：1. 水压负荷率较低；2. 不易去除微细悬浮颗粒.
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.但是太浅的沉淀池会产生扰流,影响沉淀.循环水系统的水体中含有各种各样的固体颗粒,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.
沉淀池的设计基本上以水力停留时间为依据,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.养殖废水的固体颗粒更浓,更具有快速沉降性,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依据,设计出的沉淀池往往太大和太贵,造成效率太低.
（2）微筛过滤装置
微筛过滤装置是纯粹的物理过滤,水头损失比较小,只有大于滤网空隙的固体颗粒可以被除去.一些小的颗粒可以聚合在一起被过滤掉,若流速过快,一些大的固体颗粒可能被粉碎通过滤网.但是,这两种情况的影响比较小.
滤网的空隙决定了被过滤掉固体颗粒的大小,理论上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和转动微筛.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,循环水养殖现在采用的是弧形筛.转动微筛的主要优点是可以减少滤网的阻塞作用,目前常用的为微滤机.
（3）弧形筛
弧形筛是一种能够分离固体颗粒物的金属网状结构设备,它具有很高的强度、刚度和承载能力.养殖池排出水进入弧形筛后,在自重力作用下沿切线方向进入筛面,其流动方向与筛缝垂直.液流因离心力紧贴筛面做圆周运动,与筛条侧面发生撞击,同时每根筛条的边棱都对液流产生切割作用.被切割后的残饵粪便等通过缝隙,粒径小于筛缝的部分从中排出,成为筛下物与清水进入生物滤池；而粒径大于筛缝的另一部分固体废物截留在筛面上,成为筛上物最终汇入集污槽.弧形筛在运行中不需要任何动力,分离的固态物不拖泥带水,所以大大的节约了用水和能源.
（4）微滤机
循环水高密度养鱼的单位生物量大,投饵量高,产生的固体废弃物多.将微滤机放在系统的第一个环节,去除水中的大颗粒污物,减轻后续水处理的负荷,提高整体净水效果.微滤机转筛直径约1400mm 左右,装配100-400 目不锈钢筛网,滤网孔径大于60μm.水处理能力500-600m ３/h/ 台,过滤精度达到70%,固体颗粒浓度降低到5mg/L.适合固体颗粒凝絮性好和浓度低的排水,设计水位自动控制装置以便进行反冲,防止筛网堵塞.
（5）蛋白质分离器
蛋白质分离器放在生物净化池之前,使水中的有机物蛋白在未分解成对鱼类有害的物质氨氮之前分离出去,对整体去除NH3-N 效果显著.一般为圆柱体,其外壳及管件采用耐腐蚀的PVC 或PP 等材料制作.上部设有泡沫收集装置,下方安装高压水泵及射流器；将泡沫分离与臭氧氧化技术合为一体,并采用臭氧回收装置.根据吸附的原理向水体中逆向通入空气,使液体内的表面活性物质聚集在气液界面上被微小的气泡吸附；借助气泡的浮力上升到水面形成泡沫,有效地去除水中的溶解性有机物和微小悬浮颗粒.
为提高分离效能,应注意：
（1）气泡粒径在0.5-0.8cm 之间；
（2）增加曝气量,提高氧化还原电位以除去多余的二氧化碳；
（3）充气的同时设计臭氧扩散装置,利用紊流状态进行臭氧的添加.臭氧可杀灭病原,降低有害物质,使水中有机物絮状化提高除污效果；还能增加水中的溶解氧,氧化和分解有机物、亚硝酸盐等有毒代谢物.
四、问题及展望
固体颗粒消除的设施设备运行稳定性差和标准化程度低是现阶段循环水养殖普遍存在的问题,直接导致系统水处理效率不稳定,水质波动过大,对鱼类产生应激胁迫.目前养殖设备生产厂家主要依据运行原理进行设计建造,相关设备效果可“定性”,但效率无法“定量”.
例如蛋白质分离器水处理能力应量化,要与养殖水体、系统内饵料日投喂量、相关水质指标之间建立可调控的技术操作规程,或者设定参数物理去除效果判定标准.最终实现设备工作效率量化,容易操作调控；确保不同养殖阶段均可获得稳定的水质条件,节约能耗.
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