循環水養殖凈化裝置設計及循環水量影響因素研究

張俊新，李明智，李曉麗，曹淑青，劉 遠，劉 靖，潘 強，連 云

(1 大連海洋大學海洋科技與環境學院，近岸海洋環境科學與技術遼寧省高校重點實驗室，大連 116023;2 大連海洋大學航海與船舶工程學院，大連 116023;3 大連海洋大學水產與生命學院，大連 116023)

廣泛應用于工廠化水產養殖的供氧系統有增氧泵曝氣充氧和純氧氣水混合兩種方式。前者具有結構簡單、建造及運行操作方便等優點，但曝氣頭或穿孔管都設置在池內，曝氣時空氣氣泡從池底上升到水面，對池內水體產生擾動和噪音，不利于養殖生物生長；池內曝氣產生的氣泡擾動水體，形成紊流狀態，把池內殘餌糞便等懸浮物攪碎，形成細小顆粒，導致水質快速惡化；曝氣停止時，處于池底的曝氣頭容易被懸浮物和泥沙等堵塞。高密度養殖時用純氧曝氣可以提高供氧效率，但液氧價格高昂，其制備、運輸、儲藏復雜，富余氧氣溢出和二氧化碳脫氣等問題也需要考慮。

循環水養殖系統(RAS)的循環動力是由多個水泵提供能量完成的。為滿足養殖生物所需的溫度條件，在冬夏兩季生產時必須對水體進行升溫或制冷。整個系統循環路線越長，進行的熱交換量就越多，需要消耗的能量(動力和溫控)就越多。國內外現有循環水養殖系統在生產中取得了較好效果[1-10]。系統中曝氣充氧單元、殘餌糞便固液分離單元、生物過濾單元和提水增壓循環單元都是分開設置、獨立管理并運行的。曝氣充氧單元主要集中在純氧曝氣，以提高養殖密度。近期基于分子篩的空氣源純氧機已經生產并在實際中使用。產生的氧氣濃度可達90%以上。但是較低的曝氣量會導致水中由于高密度養殖生物代謝而產生的二氧化碳積累。這對于魚類等養殖生物傷害很大[11]。殘餌糞便固液分離主要依靠重力沉降和機械篩分原理進行分離。劉鷹等[12-13]在養殖池底部采用一種雙管排污的設計構造，在實際使用中取得了良好的效果。關于氣升泵在水產領域的使用和創新研發，國內外僅有為數不多的文獻[14-17]。其中包括最近Bukhari等[16]研究的用于水產養殖的氣提泵內復雜的兩相流優化和Moses等[17]的關于飼料投喂后對氣提泵效率影響的試驗研究。

循環水養殖凈化裝置[18]改變了傳統循環水養殖水體收集、集中凈化的思路，既可使養殖水體達到所需溶氧濃度，也無需額外設備及動力使水體循環流動，并可以收集殘餌糞便和凈化水質。養殖池中因無直接池底曝氣，水流無擾動，殘餌糞便及懸浮物很容易沉積到池底隨水流排出，便于清理的同時延長了水質惡化時間。

1 氣升泵工作原理

氣升泵具有無運動部件、結構簡單、工作可靠等優點，常應用于氣舉采油和提升泥漿等。其工作原理：當氣體被通入升水管底部后，氣泡由于浮力作用會上升并充滿整個升水管，管內是氣和水的混合物，管外是清水，管外內底部相連通；按連通管原理，因為水氣溶液的密度小于水(一般上升的水氣溶液相對密度為0.25～0.35)，密度小的液體液面高，在高度為h的水柱壓力作用下，根據液體平衡的條件，水氣溶液便上升至H高度[19]。其等式如下：

ρ1gh=ρ2gH

(1)

式中：ρ1—水的密度，kg/m3；ρ2—升水管內水氣溶液的密度，kg/m3；h—淹沒深度，井內水位到曝氣頭的距離，m；H—水位提升高度與淹沒深度之和，m。

只要ρ1gh>ρ2gH(h/H為淹沒系數)，水氣溶液就能沿升水管上升至管口而溢出，氣升泵泵就能正常工作。將上式移項得:

H-h=(ρ1/ρ2-1)h

(2)

由式(2)可知，要使水氣溶液上升至某高度，必須有一定的淹沒深度h，并需供應一定量的壓縮空氣，以形成一定的ρ2值。水氣溶液的上升高度越大，其密度ρ2越小，需要消耗的氣量也越大，而淹沒深度也越大。因此，壓縮氣量和淹沒深度是與提升高度直接有關的兩個因素[19]。因為淹沒水深對于實際水產養殖生產來說改變幅度有限，因此曝氣充氧通入的空氣量就成為增加升水高度和出水量的關鍵因素。

本試驗通過改變曝氣氣量、升水管管徑、曝氣頭參數等條件，測定循環水量，研究各個影響因素特點，確定裝置的最佳曝氣頭的形式和循環水量性能，以期為實際生產使用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 試驗裝置

參照已有的研究基礎[1,18]，設計裝置系統組成如圖1所示。

圖1 氣升泵原理圖

試驗時，養殖用水及殘餌糞便通過吸水口進入具有一定坡度的變徑吸水管，流速下降，殘餌糞便逐步沉降下來，積累到一定程度后關閉調節閥門，殘餌糞便在靜水壓力作用下由清掃口排出。由離心風機提供系統曝氣用空氣。空氣通過精密針芯調節閥調節氣量，并用轉子流量計計量后經由空氣管道輸送到曝氣頭與清水混合形成氣水混合物，再經由升水管提升進入生物濾包。濾包內保持一定的氣壓，使出水具有足夠的能量推動池水形成旋流，多余氣體經由氣壓調節閥排出。經過曝氣增氧的水經過出水管沿池壁逆時針流回到養殖池中，完成循環。

設備型號參數：風機型號HG-1100-C2(風量0～135 m3/h，風壓24 kPa，真空度-20 kPa)；精密針芯調節閥型號T40H-16C(溫度≤250℃，壓力1.6 Mpa，通徑50 mm)；空氣轉子流量計型號LZT(M-15)(測量范圍≤40 m3/h)；

圖2 循環水養殖凈化裝置示意圖

2.1.2 曝氣頭開孔形式

自制聚氯乙烯(PVC)圓柱形穿孔管曝氣頭(圖3)有3種形式：圓柱形頂端開孔、圓柱形側面開孔、圓柱形頂端和側面都開孔。曝氣頭出氣孔孔徑尺寸分別為1.0、2.0和3.2 mm。

圖3 曝氣頭形式圖

2.2 試驗內容

2.2.1 氣量、升水管管徑對循環水量的影響

在淹沒水深1.0 m、提升高度0.6 m的條件下，通過試驗裝置將試驗用水進行循環。升水管管徑為75 mm和110 mm，隨機改變通入的氣量為5、10、20、25、30和35 m3/h，在回流管道出口測得不同氣量下的循環水量，分析變化規律。

2.2.2 曝氣頭結構參數對循環水量的影響

在淹沒水深0.6 m、提升高度0.4 m、升水管管徑75 mm、空氣量5 m3/h的條件下，通過改變出氣孔徑、曝氣頭直徑和開孔位置等參數隨機進行以下試驗，測定循環水量。(1)選用曝氣頭孔徑1.0 mm、側面開孔的曝氣頭，改變曝氣頭直徑分別為32、40和50 mm，測定循環水量。(2)在曝氣頭直徑為32、40和50 mm，側面開孔基礎上，改變孔徑為1.0、2.0和3.2 mm。測定循環水量。(3)在曝氣頭直徑為32、40和50 mm，孔徑為1.0、2.0和3.2 mm基礎上，改變開孔形式分別為側面開孔、頂部開孔、全部開孔。

2.3 測定方法

曝氣量用精密針芯調節閥調節氣量，并用轉子流量計計量。循環水流量用體積-秒表法多次測定取平均值。

2.4 數據處理

通過SPSS軟件多因素分析中第III類模型分析，確定參數影響是否顯著和主要因素[20]。

3 結果與討論

3.1 氣量、升水管管徑對循環水量的影響

氣量、升水管管徑對循環水量的影響試驗數據列入表1。由表1試驗數據可知，氣量為5 m3/h時，即可達到較高流量，而低于5 m3/h時循環運行不穩定，提升水量驟減。可能和本循環系統升水管出口連接有生物填料等阻礙流動的裝置有關。跟張成鋼等[21]的研究結果有所不同。隨著氣量的增大，提升水量在一定范圍內波動。由此可見，較小氣量即可滿足提升水的技術要求。這對于選擇風機型號是重要的參考條件，當然，同時也要考慮溶氧的動態需求。使用SPSS軟件中多因素方差分析工具對數據進行主體間效應檢驗，結果見表2。

表2結果顯示，氣量、升水管管徑主體間效應顯著值均小于0.05，結合III型平方和可知，升水管管徑(12.265)、氣量(8.398)、氣量與升水管管徑交互效應(6.003)對水量影響效果均顯著。由數據可知，大管徑升水管提升水的能力相較小管徑的更佳。原因可能在是氣泡上升速度一定的情況下，過水橫斷面較大，可以獲得較大的水量。但隨著管徑增加，有可能出現內環流而導致提升水量減小。較大升水管管徑導致提升水量減少的具體情況需要進一步試驗研究。

3.2 曝氣頭結構參數對循環水量的影響

通過改變曝氣頭幾個關鍵結構參數后，將其置入試驗裝置中測定循環水量，得出數據列入表3，數據經SPSS軟件分析后得到表4結果。

表1 氣量、升水管管徑對循環水量的影響

表2 氣量、升水管管徑主體間效應的檢驗結果

表3 曝氣頭結構參數對循環水量的影響

注：“頂”表示頂部開孔；“側”表示側面開孔；“全”表示頂部和側面都開孔

表4 曝氣頭結構參數主體間效應的檢驗結果

由表4結果可知，孔徑(P=0.000 006)、直徑(P=0.003)、形式(P=0.009)、直徑與孔徑(P=0.01)、孔徑與形式(P=0.03)、直徑與形式(P=0.034)對水量變化影響顯著，并且影響程度依次降低。由III型平方和可知，主要影響因子為孔徑(13.057)，曝氣頭孔徑對循環水量的影響很大。孔徑越大(1～3.2 mm)，循環水量越大。這可能是由于大孔徑產生的氣泡較大，在水中有較大浮力，因而上升較快。在同樣的氣水混合物的密度條件下，上升快的氣泡對水流的攜帶作用更強。在工程實際使用中，同樣達到最佳溶氧條件下，盡量增大曝氣頭孔徑(1～3.2 mm)，有利于增大循環水量。

由表3分析知，在相同工況下，直徑32 mm的曝氣頭提升水量最大，并且隨著曝氣頭直徑增大，提升水量明顯減小。原因可能是升水管管徑是固定不變的(管徑75 mm和110 mm)，當增大曝氣頭直徑時，會減小曝氣頭與升水管之間過水通道的橫斷面積，增大局部阻力，使得提升水量減少。但曝氣頭直徑過小，則會導致曝氣量在過水斷面上分布不均勻而影響效果。

對于曝氣頭開孔形式對循環水量的影響，由表3數據經處理后可知，相同條件下，側面開孔的曝氣頭結構所提升的循環水量比頂部開孔形式更好些(DN32時水量提高18%～45%；DN40時水量提高20%～27%；DN50時水量持平或減少)。這可能是由于側面開孔形式的曝氣頭孔眼與曝氣頭管壁成60°角鉆孔，產生的微氣泡沿管壁螺旋上升，增加氣泡行走路程和停留時間，減小水與升水管管壁的接觸面積。因為空氣與管壁摩擦阻力遠小于水與管壁的摩擦阻力，因此具有減小沿程水頭損失的優勢。

但是，側面與頂部同時開孔的曝氣頭在曝氣時效果不理想。這個結果與Ahmed等[22]研究的結論不同，提高軸向注入空氣量有利于提高壓縮空氣的利用率。在Ahmed的試驗中，氣升泵注氣方式雖然是軸向的，但是注入形式為脈沖注氣，不是連續風機曝氣。充氣頭在升水管外面，非內部阻擋形式，雖然獲得了較高的機械效率，但對脈沖閥要求很高。

4 結論

在本試驗條件下，通過改變氣量、升水管管徑、曝氣頭結構等參數，得出升水管管徑和曝氣頭孔徑對提升水量影響非常顯著。在淹沒水深1.0 m、提升高度0.6 m、升水管管徑為110 mm、空氣量5 m3/h的條件下，選用曝氣頭直徑32 mm、曝氣頭孔徑3.2 mm和側面開孔形式時，該裝置最大循環水量可以達到9.5 m3/h；較粗的升水管和較細的曝氣頭組合，效果較好；曝氣頭側面開孔，孔徑較大，對設備有較大的性能提升。

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