藏木魚類增殖放流站循環水系統及加熱技術研究

查 磊，張湘隆

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木魚類增殖放流站循環水系統及加熱技術研究

查 磊，張湘隆

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

我國高海拔地區氣候寒冷、空氣濕度低,給水電工程魚類增殖放流站循環水技術在工藝選擇、工程建設、技術管理、運行費用控制等諸多方面都帶來很大影響,甚至很多問題至今無法解決或達不到理想的效果。根據這種情況,本文對目前水電工程魚類增殖放流站循環水系統的主要工藝技術進行了研究，分別分析、討論了幾種常見的工藝路線：脫氮生物濾床+脫磷吸附過濾器+紫外消毒路線、臭氧發生器+浮選曝氣池+滴流式生物塔+紫外消毒路線、砂缸過濾器+濕式生物球過濾器+紫外消毒過濾器，并對升溫保溫的熱功計算方法進行了探討。研究提出了在該工程建設地區的循環水系統方案，并提出了相應的升溫保溫措施方案建議。

高寒高海拔；水電工程；魚類增殖放流站；循環水系統

0 前 言

研究背景：隨著水電開發建設的發展，水電開發在給人們帶來經濟效益的同時, 也對環境造成了一定的影響。人工增殖放流是一種基于魚類資源補償的水電站建設配套環境保護措施。

當前，在已建成和在建中的水電站魚類增殖放流站中，主要有靜水養殖、流水養殖、循環水養殖[1]三種模式。

循環水養殖相對于靜水養殖和流水養殖，具有效率高、節水、節地等方面的優勢，特別是隨著水電開發建設地點向高寒高海拔地區發展的趨勢，循環水養殖模式節水、節能、溫控方面優勢明顯。

但是，由于循環水養殖的關鍵單元循環水系統及加熱技術的研究起步較晚，如何優化循環水系統的工藝流程，如何在高寒高海拔地區合理配置加熱設施成為了魚類增殖放流站建設中亟需解決的問題。

研究方法：基于上述研究背景，為探求適用于藏木魚類增殖放流站循環水及加溫技術的方法， 本文結合藏木魚類增殖放流站在設計、施工及運行過程中積累的數據和經驗，對國內外魚類增殖放流站循環水系統的現狀進行了分析；提出了幾種可供參考的循環水系統方案，并對方案的邊界條件適用性和特點進行了討論；然后對循環水系統中的關鍵工藝單元、溫控單元進行了工藝參數及選型分析。最后提出了未來在水電站魚類增殖放流站建設中，特別是對于建設地點為高寒高海拔地區的魚類增殖放流站提出了循環水系統工藝流程的建議。

1 藏木魚類增殖放流站循環水系統工藝路線探討

循環水養殖[1]是指在全人工控制條件下的珍稀魚類養殖生產，是養殖生產的工業化。目前國外工廠化循環水養殖技術比較發達的國家有北美[2]的加拿大、美國，歐洲[3-4]的法國、德國、丹麥、西班牙，以及日本和以色列等國家；國內，宋奔奔[5]等學者對循環水養殖系統工藝流程進行過探討。本文將從循環水進出水水質、工藝路線與建設地點的適宜性等方面對循環水工藝路線進行進一步的研究。

1.1 循環水系統進出水水質

在封閉循環水養殖系統中，循環水系統的出水水質意味著增殖放流對象的生存生長環境；循環水系統進水水質意味著增殖放流對象對養殖水體的污染程度。循環水系統進出水水質直接決定著循環水系統設計中各工藝單元的組成和工藝參數。

為了探尋封閉循環水養殖系統中，循環水系統的出水水質情況，研究小組對大渡河瀑布溝、龍頭石、瀘定以及雅礱江錦屏一、二級和官地魚類增殖放流站進行了設計回訪，并對循環水系統進出水水質進行了相關監測。監測數據表明，增殖放流站生產棄水為微污染水體，CODcr、氨氮、T-P等指標污染程度均較低。

為了考察魚類增殖放流站生產廢水對地表水環境的影響程度，本研究對3個增殖放流站廢水總排放口水質與《地表水環境質量標準》(GB3838 -2002)Ⅲ類水域水質(以下簡稱“標準”)進行了比較(見圖1)。其中瀘定采用流水養殖;瀑布溝為相對靜水養殖;錦屏主要排放相對靜水養殖廢水，還有10%車間循環水。

圖1 各增殖放流站水質指標與質量標準對比

由圖1可以看出，流水和相對靜水養殖的生產廢水DO濃度均高于標準；氨氮、總磷、總氮濃度均低于標準濃度；COD除瀑布溝魚類增殖放流站略高于標準，錦屏魚類增殖放流站等于標準外，其余指標均低于標準。考慮到瀑布溝魚類增殖放流站實際親魚養殖密度(7 kg/m2)約為《水電工程魚類增殖放流站設計規范》推薦密度(0.2～0.3 kg/m2)的近30倍，錦屏魚類增殖放流站實際魚苗養殖密度(5 500尾/m3)約為《水電工程魚類增殖放流站設計規范》推薦密度(1 200～1 500 kg/m3)的近4倍，且生產廢水含有一定量的循環水，考慮如果按照規范要求密度養殖的情況，COD濃度均應低于標準值。

綜上所述，類比同類增殖放流站養殖棄水水質實測數據，推薦循環水系統設計進水水質如下：CODcr=50 mg/L、氨氮=5 mg/L、T-P=0.4 mg/L。根據《地表水水質標準》(GB3838-2002)，Ⅲ類水域水質適用于水產養殖區等漁業水域，參照該標準確定循環水系統出水水質，詳見表1。

表1 循環水系統設計進出水水質 mg/L

1.2 循環水系統工藝路線選擇

根據進出水水質及處理規模等主要設計參數，并參照國內外相關魚類養殖循環水設備技術文獻資料，主要從下面三種工藝流程中進行循環水工藝比選。

1.2.1 方案一：脫氮生物濾床+脫磷吸附過濾器+紫外消毒方案

該方案主要采用生物床對水體中氨氮進行去除、并配合脫磷吸附和紫外消毒降低總磷、糞大腸桿菌等指標。主要工藝流程如圖2所示。

(1) DN脫氮生物濾床：在投加專用脫氮菌劑和專用生物載體條件形成穩定可靠脫氮菌群的生物膜，DN脫氮生物濾床存在一個缺氧/好氧脫氮生物區，同時在載體的外表面和內部面存在缺氧/好氧微生物區，具有兩重脫氮環境條件下效果好、技術先進、運行穩定可靠、操作管理方便等優點；DN脫氮生物濾床出水可使COD、氨氮、SS實現達標，同時可使SS達10 mg/l以下，為DP脫磷吸附過濾器減少SS，防止堵塞創造有利條件，也通過生物同化作用去除大部分TP(形成生物體部分，通過反沖排出老化生物膜而除磷)。

(2)DP脫磷吸附過濾器：填裝具有吸附過濾除磷的填料，再進一步實現除磷和去除懸浮物，使出水水質得到保障和穩定達標。

(3)出水采用紫外線消毒殺死有害微生物病菌，保證魚池環境不受影響，穩定可靠，不會有殘留藥劑，管理方便，操作簡單。

(4)通過反沖洗排出老化生物膜和過濾截留懸浮，防止堵塞，反沖洗水排入排水系統。

圖2 方案一工藝流程

1.2.2 方案二：臭氧發生器+浮選曝氣池+滴流式生物塔+紫外消毒方案(見圖3)

該方案主要采用臭氧發生器和浮選曝氣池采用物理氣浮的方法去除掉水體中的SS。并采用滴流生物塔對水體中氨氮進行去除、并配合紫外消毒降低糞大腸桿菌等指標。

圖3 方案二工藝流程

(1)集水池：將培育魚缸內的水自然溢流到集水池，防止水泵直接對培育魚缸抽水時產生的循環量不平衡、空抽等不良情況。該水池的有效蓄水能力1.5 m3以上，采用地下磚混結構。靠近池底部設置一套300目的篩網，魚餌、魚糞便等雜物可以自然沉淀在池底，能有效的減輕后續設備的負擔。

(2)潛污泵：為整個循環水系統提供動力。

(3)臭氧機：用于對集水池中經過養殖后的水進行消毒和雜質的氧化，去除和降低磷化物和部分氨氮含量，減輕后續生化處理的負荷，并可有效防止其他雜菌、病毒對生物膜的影響。

(4)有閥式砂濾系統：純物理過濾，其過濾精度約30 μm，能定時自動反沖洗,完全取代微濾機。微濾機的精度約為100 μm，微濾機存在以下弊端：魚糞便在水流的反復沖刷作用下，尤其是在水流沖刷篩網時，由大顆粒物質變為彌散狀小顆粒，變小后的雜質會透過篩網進入系統中沉積。而砂濾系統的精度高，小顆粒雜質可以積存到砂濾缸內，自動定時反沖時，可完全清洗干凈。

(5)浮選曝氣池：用于脫除水體中殘留的臭氧，兼具蛋白質分離器的作用，并能有效地為滴流式生物塔提供氧氣。

(6)滴流式生物塔：通過生化方法進一步去除和降低磷化物和氨氮含量，使之達到水產育苗用水的水質指標。塔內裝填高密度彈性尼龍，生物膜的比表面積大，掛膜快，脫膜容易。采用滴流式生物塔可取代傳統的濕式生物濾池。雨淋曝氣生物濾池，而且維護方便、能耗小、噪音低，不用定期對濕式生物濾池進行翻料清洗。

(7)5 μm自潔式過濾系統：過濾精度達到5 μm，濾除蟲卵和其他懸浮物質，減輕紫外線的清洗周期，并保證其滅菌效果。

(8)過流式紫外線殺菌器：對水質進行消毒殺菌，清除水中的雜菌病毒，為水產育苗提供可靠水質，防止魚類因病原體感染而死亡。

1.2.3 方案三：砂缸過濾器+濕式生物球過濾器+紫外消毒過濾器方案

該方案主要采用砂缸過濾器去除掉養殖水體中的殘餌和糞便，并用濕式生物球過濾器去除水體中的氨氮、總磷等溶解性有機污染物指標，并采用紫外消毒降低糞大腸桿菌等指標。

各養殖車間循環水首先通過給水泵送至砂缸過濾器，由于養殖循環水中的主要污染因子為殘餌和糞便貢獻，石英砂濾料能夠有效地截留去除這些固體懸浮物；循環水通過砂缸過濾器后經過濕式生物球過濾器，降低循環水中的氨氮等污染因子后進入保溫水箱，與溫控系統實現嵌套并聯；最后，循環水經過過流式紫外消毒器，去除細菌、病毒等病原微生物后通過管道泵加壓進入各養殖單元。主要工藝流程見圖4。

圖4 方案三工藝流程

(1)給水泵：為整個循環水系統進水提供動力；

(2)砂缸過濾器：以石英砂為填料，截留去除生產棄水中的養殖殘餌和糞便以及懸浮顆粒物；

(3)反洗泵：定期去除掉砂缸過濾器中截留的殘餌和糞便。

(4)濕式生物球過濾器：通過水體中微生物的降解作用，利用附著在填料上的微生物、去除水體中的氨氮、總磷等指標。

(5)氣泵：為濕式生物球過濾器中的微生物提供氧氣，提高微生物降解效率。

(6)過流式紫外消毒器：對水質進行消毒殺菌，清除水中的雜菌病毒，防止魚類因病原體感染而死亡。

1.2.4 工藝的適用性研究

生產循環水中污染物種類少，生化需氧量、氨氮、總磷濃度較低，是一種微污染水。

方案一采用脫氮生物濾床和脫磷吸附過濾器對水體中的氮磷進行去除，該方案更適用于去除已經溶解到水體中的氮和磷，而本工程循環水中主要氮磷指標貢獻物質為殘餌和糞便，所以不采用該方案。

方案二采用臭氧發生器和浮選曝氣池用物理氣浮的方法去除掉水體中的SS，與此同時去除掉水體中氮磷。從原理上看對SS和氮磷有一定的去除效果，但該方案工藝較為復雜，且需要有臭氧發生器參與，建設地點處于高寒高海拔地區，空氣中氧含量較低，故不采用該方案。

對于方案三，由于養殖循環水中的污染因子主要為魚類殘餌和糞便，石英砂濾料能夠有效地截留去除這些固體懸浮物；循環水通過砂缸過濾器后經過濕式生物球，該單元能有效去除養殖過程中產生的氨氮；經過保溫水箱后，通過過流式紫外消毒器去除細菌、病毒等病原微生物。

所以，在高寒高海拔地區，最冷月平均氣溫低于-10℃或者污水平均水溫低于10℃時，方案三的工藝流程路線在這樣的邊界條件下更適用。

2 循環水系統升溫保溫措施及加熱設備熱功計算研究

目前，高寒高海拔地區魚類增殖放流站可供選擇的升溫保溫工程措施主要有大棚保溫和熱水機組升溫這兩種。

2.1 室外魚池保溫

大棚主要由主體結構和覆蓋材料組成，大棚的結構形式決定了其用途，而大棚的覆蓋材料是保溫效果高低的關鍵因素。

2.1.1 保溫設施結構形式

大棚的結構形式主要有拱圓形和屋脊形兩種。

由于養殖設施單體以及整體體積較大，大棚結構宜采用屋脊形大棚。

2.1.2 保溫材料

不同的覆蓋材料，其保溫效果不同，成本不同，使用壽命也不同。大棚覆蓋材料有以下幾種：

(1)普通膜：以聚乙烯或聚氯乙烯為原料，膜厚0.1 mm，無色透明。使用壽命約為半年。

(2)多功能長壽膜：是在聚乙烯吹塑過程中加入適量的防老化料和表面活性劑制成。

(3)草被、草苫：用稻草紡織而成，保溫性能好，是夜間保溫材料。

(4)聚乙烯高發泡軟片：是白色多氣泡的塑料軟片，寬1 m、厚0.4～0.5 cm，質輕能卷起，保溫性與草被相近。

(5)無紡布：為一種滌綸長絲，不經織紡的布狀物。

(6)遮陽網：一種塑料織絲網。

根據高海拔農村地區的特征，宜選用普通膜。為了加強防寒保溫，提高大棚內夜間的溫度，減少夜間的熱輻射,可以采用多層薄膜覆蓋。

2.1.3 大棚對溫度的影響

塑料薄膜具有保溫性。覆蓋薄膜后，大棚內的濁度將隨著外界氣溫的升高而升高，隨著外界氣溫下降而下降。并存在明顯的季節變化和較大的晝夜溫差。越是低溫期溫差越大。一般在寒季大棚內日 增溫可達3～6℃，陰天或夜間增溫能力僅1～2℃。春暖時節棚內和露地的溫差逐漸加大，增溫可達6～15℃。外界氣溫升高時，棚內增溫相對加大，最高可達20℃以上，

因此大棚內存在高溫及冰凍危害，需進行人工調整,進行全棚通風，棚外覆蓋草簾或搭成“涼棚”，可比露地氣溫低1～2℃。冬季晴天時，夜間最低溫度可比露地高1～3℃，陰天時幾乎與露地相同。通過保溫及通風降溫可使棚溫保持在15～30℃的生長適溫。

2.2 循環水系統加熱設備升溫

使用大棚將整個高寒高海拔地區室外養殖設施進行全面覆蓋，能有效地調節污水處理設施的水溫，大大提高處理效果。當大棚保溫措施和養殖車間外墻保溫依然不能達到目標養殖水溫時，可以考慮采用升溫設備對水體進行升溫。

2.2.1 冷熱泵機組

冷熱泵機組是由壓縮機—換熱器—節流器—吸熱器—壓縮機等裝置構成的一個循環系統。冷媒在壓縮機的作用下在系統內循環流動。它在壓縮機內完成氣態的升壓升溫過程(溫度高達100℃)，并進入換熱器后與風進行熱量交換，被冷卻并轉化為流液態，當運行到吸熱器后，液態迅速吸熱蒸發再次轉化為氣態，同時溫度下降至零下10～20℃，這時吸熱器周邊的空氣就會源源不斷地將低溫熱量傳遞給冷媒。冷媒不斷地循環實現空氣中的低溫熱量轉變為高溫熱量并加熱冷水過程。其優點是能量轉換效率高,缺點是對環境條件要求高，受環境溫度和濕度的制約。該類設備國內主要的品牌有：春蘭、格力、美的等，主要品牌的運行環境溫度下限為-5℃左右。藏木魚類增殖放流站建設地點冬季存在-10℃的極端低溫。該設備在極端低溫條件下運行效率降低，甚至可能停止運轉。

2.2.2 電熱水鍋爐

電鍋爐是一種以動力電為加熱源，通過鍋爐的換熱部位把熱媒水加熱到一定溫度參數并向外輸出額定熱量的熱能機械設備。該設備國內主要的品牌有：恒熱、方塊、韓國大宇等。電熱水鍋爐通過電加熱管對水加熱，實現供暖和提供熱水。其優點是運行穩定，受環境條件影響小;缺點是耗電量大。

2.2.3 燃煤鍋爐

燃煤鍋爐是指燃料燃燒的煤，煤炭熱量經轉化后，產生蒸汽或者變成熱水。但燃煤鍋爐并不是所有的熱量全部有效轉化，有一部分無功消耗，這樣就存在效率問題，一般大些的鍋爐效率高些，60% ～ 80%之間。而且，燃煤鍋爐污染大，一般新建燃煤鍋爐需要一定的環評手續，同時需要配套相應的除塵、脫硫、脫氮設施，手續工藝復雜，設備安裝調試時間長。

綜上，高寒高海拔地區魚類增殖放流站溫控設備的選擇以電熱水鍋爐為宜。

2.3 熱功計算

2.3.1 升溫機組功率的確定

下面介紹根據相關工程經驗，熱水機組的計算選型以及熱交換方式的方法。

(1)確定平均水溫T1，并確定經濟性最適合溫度T2。

(2)確定日進出水水量V。

(3)計算進出水升溫熱量:

Q1=cm(t2-t1)

(4)進出水需求功率計算,COP(Coefficient of Performance)為熱機性能系數:

(5)計算水面散失熱量補充功率，按養殖池水表面蒸發損失的熱量與管道散熱進行計算。

養殖池水表面蒸發損失的熱量。按下式計算：

Qx=α·у(0.017 4vf+0.022 9)(Pb-Pq)A(760/B)

式中Qx——養殖池水表面蒸發損失的熱量,kJ/h；

α——熱量換算系數，α=4.186 8 kJ/kcal；

y——與養殖池水溫相等的飽和蒸汽的蒸發汽化潛熱,kcal/kg；

vf——養殖池水面上的風速,m/s，一般按室內養殖池vf=0.2～0.5 m/s；室外養殖池vf=2～3 m/s；

Pb——與養殖池水溫相等的飽和空氣的水蒸汽分壓力,mmHg；

Pq——養殖池的環境空氣的水蒸汽壓力,mmHg；

A——養殖池的水表面面積,m2；

B——當地的大氣壓力,mmHg。

養殖池的池底、池壁、管道和設備等傳導所損失的熱量按養殖池水表面蒸發損失熱量的20%計算確定，即：

Q=Qx×(1+20%)

W2=Q/(3.6×106)

(6)總功率的確定:

W=W1+W=2

通過升溫設備機組的功率計算，可以參考廠家設備型號進行選型，確定最后的設備型號。

2.3.2 熱交換方式

加熱機組熱交換有直供熱水和銅管散熱兩種。由于在養殖設施內安裝銅管進行散熱的方式易影響魚類的正常生長發育，所以，采用循環水管直供熱水的方式完成熱交換較為適宜。

3 結 論

(1)在高寒高海拔地區，砂缸過濾器+濕式生物球過濾器+紫外消毒過濾器的工藝路線、并嵌入溫控系統的措施較為適宜。

(2)建設地點為高寒高海拔地區的魚類增殖放流站宜采用循環水養殖模式，并配備溫控系統，設定目標養殖溫度，人工協助珍稀魚類越冬以及促進性腺發育。

(3)高寒高海拔地區魚類增殖放流站溫控設備的選擇以電熱水鍋爐為宜，升溫設備的功率需進行相關理論計算，散熱方式以采用循環水管直供熱水的方式完成熱交換較為適宜。

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[5] 宋奔奔. 國外封閉循環水養殖系統工藝流程設計現狀與展望[J].漁業現代化，2012，39(3)：13-17.

2016-08-23

查磊(1986-)，男，四川仁壽人，碩士，工程師，從事環保設計工作。

S931.5

B

1003-9805(2017)01-0046-06