藏木鱼类增殖放流站循环水系统及加热技术研究

查 磊，张湘隆

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木鱼类增殖放流站循环水系统及加热技术研究

查 磊，张湘隆

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

我国高海拔地区气候寒冷、空气湿度低,给水电工程鱼类增殖放流站循环水技术在工艺选择、工程建设、技术管理、运行费用控制等诸多方面都带来很大影响,甚至很多问题至今无法解决或达不到理想的效果。根据这种情况,本文对目前水电工程鱼类增殖放流站循环水系统的主要工艺技术进行了研究，分别分析、讨论了几种常见的工艺路线：脱氮生物滤床+脱磷吸附过滤器+紫外消毒路线、臭氧发生器+浮选曝气池+滴流式生物塔+紫外消毒路线、砂缸过滤器+湿式生物球过滤器+紫外消毒过滤器，并对升温保温的热功计算方法进行了探讨。研究提出了在该工程建设地区的循环水系统方案，并提出了相应的升温保温措施方案建议。

高寒高海拔；水电工程；鱼类增殖放流站；循环水系统

0 前 言

研究背景：随着水电开发建设的发展，水电开发在给人们带来经济效益的同时, 也对环境造成了一定的影响。人工增殖放流是一种基于鱼类资源补偿的水电站建设配套环境保护措施。

当前，在已建成和在建中的水电站鱼类增殖放流站中，主要有静水养殖、流水养殖、循环水养殖[1]三种模式。

循环水养殖相对于静水养殖和流水养殖，具有效率高、节水、节地等方面的优势，特别是随着水电开发建设地点向高寒高海拔地区发展的趋势，循环水养殖模式节水、节能、温控方面优势明显。

但是，由于循环水养殖的关键单元循环水系统及加热技术的研究起步较晚，如何优化循环水系统的工艺流程，如何在高寒高海拔地区合理配置加热设施成为了鱼类增殖放流站建设中亟需解决的问题。

研究方法：基于上述研究背景，为探求适用于藏木鱼类增殖放流站循环水及加温技术的方法， 本文结合藏木鱼类增殖放流站在设计、施工及运行过程中积累的数据和经验，对国内外鱼类增殖放流站循环水系统的现状进行了分析；提出了几种可供参考的循环水系统方案，并对方案的边界条件适用性和特点进行了讨论；然后对循环水系统中的关键工艺单元、温控单元进行了工艺参数及选型分析。最后提出了未来在水电站鱼类增殖放流站建设中，特别是对于建设地点为高寒高海拔地区的鱼类增殖放流站提出了循环水系统工艺流程的建议。

1 藏木鱼类增殖放流站循环水系统工艺路线探讨

循环水养殖[1]是指在全人工控制条件下的珍稀鱼类养殖生产，是养殖生产的工业化。目前国外工厂化循环水养殖技术比较发达的国家有北美[2]的加拿大、美国，欧洲[3-4]的法国、德国、丹麦、西班牙，以及日本和以色列等国家；国内，宋奔奔[5]等学者对循环水养殖系统工艺流程进行过探讨。本文将从循环水进出水水质、工艺路线与建设地点的适宜性等方面对循环水工艺路线进行进一步的研究。

1.1 循环水系统进出水水质

在封闭循环水养殖系统中，循环水系统的出水水质意味着增殖放流对象的生存生长环境；循环水系统进水水质意味着增殖放流对象对养殖水体的污染程度。循环水系统进出水水质直接决定着循环水系统设计中各工艺单元的组成和工艺参数。

为了探寻封闭循环水养殖系统中，循环水系统的出水水质情况，研究小组对大渡河瀑布沟、龙头石、泸定以及雅砻江锦屏一、二级和官地鱼类增殖放流站进行了设计回访，并对循环水系统进出水水质进行了相关监测。监测数据表明，增殖放流站生产弃水为微污染水体，CODcr、氨氮、T-P等指标污染程度均较低。

为了考察鱼类增殖放流站生产废水对地表水环境的影响程度，本研究对3个增殖放流站废水总排放口水质与《地表水环境质量标准》(GB3838 -2002)Ⅲ类水域水质(以下简称“标准”)进行了比较(见图1)。其中泸定采用流水养殖;瀑布沟为相对静水养殖;锦屏主要排放相对静水养殖废水，还有10%车间循环水。

图1 各增殖放流站水质指标与质量标准对比

由图1可以看出，流水和相对静水养殖的生产废水DO浓度均高于标准；氨氮、总磷、总氮浓度均低于标准浓度；COD除瀑布沟鱼类增殖放流站略高于标准，锦屏鱼类增殖放流站等于标准外，其余指标均低于标准。考虑到瀑布沟鱼类增殖放流站实际亲鱼养殖密度(7 kg/m2)约为《水电工程鱼类增殖放流站设计规范》推荐密度(0.2～0.3 kg/m2)的近30倍，锦屏鱼类增殖放流站实际鱼苗养殖密度(5 500尾/m3)约为《水电工程鱼类增殖放流站设计规范》推荐密度(1 200～1 500 kg/m3)的近4倍，且生产废水含有一定量的循环水，考虑如果按照规范要求密度养殖的情况，COD浓度均应低于标准值。

综上所述，类比同类增殖放流站养殖弃水水质实测数据，推荐循环水系统设计进水水质如下：CODcr=50 mg/L、氨氮=5 mg/L、T-P=0.4 mg/L。根据《地表水水质标准》(GB3838-2002)，Ⅲ类水域水质适用于水产养殖区等渔业水域，参照该标准确定循环水系统出水水质，详见表1。

表1 循环水系统设计进出水水质 mg/L

1.2 循环水系统工艺路线选择

根据进出水水质及处理规模等主要设计参数，并参照国内外相关鱼类养殖循环水设备技术文献资料，主要从下面三种工艺流程中进行循环水工艺比选。

1.2.1 方案一：脱氮生物滤床+脱磷吸附过滤器+紫外消毒方案

该方案主要采用生物床对水体中氨氮进行去除、并配合脱磷吸附和紫外消毒降低总磷、粪大肠杆菌等指标。主要工艺流程如图2所示。

(1) DN脱氮生物滤床：在投加专用脱氮菌剂和专用生物载体条件形成稳定可靠脱氮菌群的生物膜，DN脱氮生物滤床存在一个缺氧/好氧脱氮生物区，同时在载体的外表面和内部面存在缺氧/好氧微生物区，具有两重脱氮环境条件下效果好、技术先进、运行稳定可靠、操作管理方便等优点；DN脱氮生物滤床出水可使COD、氨氮、SS实现达标，同时可使SS达10 mg/l以下，为DP脱磷吸附过滤器减少SS，防止堵塞创造有利条件，也通过生物同化作用去除大部分TP(形成生物体部分，通过反冲排出老化生物膜而除磷)。

(2)DP脱磷吸附过滤器：填装具有吸附过滤除磷的填料，再进一步实现除磷和去除悬浮物，使出水水质得到保障和稳定达标。

(3)出水采用紫外线消毒杀死有害微生物病菌，保证鱼池环境不受影响，稳定可靠，不会有残留药剂，管理方便，操作简单。

(4)通过反冲洗排出老化生物膜和过滤截留悬浮，防止堵塞，反冲洗水排入排水系统。

图2 方案一工艺流程

1.2.2 方案二：臭氧发生器+浮选曝气池+滴流式生物塔+紫外消毒方案(见图3)

该方案主要采用臭氧发生器和浮选曝气池采用物理气浮的方法去除掉水体中的SS。并采用滴流生物塔对水体中氨氮进行去除、并配合紫外消毒降低粪大肠杆菌等指标。

图3 方案二工艺流程

(1)集水池：将培育鱼缸内的水自然溢流到集水池，防止水泵直接对培育鱼缸抽水时产生的循环量不平衡、空抽等不良情况。该水池的有效蓄水能力1.5 m3以上，采用地下砖混结构。靠近池底部设置一套300目的筛网，鱼饵、鱼粪便等杂物可以自然沉淀在池底，能有效的减轻后续设备的负担。

(2)潜污泵：为整个循环水系统提供动力。

(3)臭氧机：用于对集水池中经过养殖后的水进行消毒和杂质的氧化，去除和降低磷化物和部分氨氮含量，减轻后续生化处理的负荷，并可有效防止其他杂菌、病毒对生物膜的影响。

(4)有阀式砂滤系统：纯物理过滤，其过滤精度约30 μm，能定时自动反冲洗,完全取代微滤机。微滤机的精度约为100 μm，微滤机存在以下弊端：鱼粪便在水流的反复冲刷作用下，尤其是在水流冲刷筛网时，由大颗粒物质变为弥散状小颗粒，变小后的杂质会透过筛网进入系统中沉积。而砂滤系统的精度高，小颗粒杂质可以积存到砂滤缸内，自动定时反冲时，可完全清洗干净。

(5)浮选曝气池：用于脱除水体中残留的臭氧，兼具蛋白质分离器的作用，并能有效地为滴流式生物塔提供氧气。

(6)滴流式生物塔：通过生化方法进一步去除和降低磷化物和氨氮含量，使之达到水产育苗用水的水质指标。塔内装填高密度弹性尼龙，生物膜的比表面积大，挂膜快，脱膜容易。采用滴流式生物塔可取代传统的湿式生物滤池。雨淋曝气生物滤池，而且维护方便、能耗小、噪音低，不用定期对湿式生物滤池进行翻料清洗。

(7)5 μm自洁式过滤系统：过滤精度达到5 μm，滤除虫卵和其他悬浮物质，减轻紫外线的清洗周期，并保证其灭菌效果。

(8)过流式紫外线杀菌器：对水质进行消毒杀菌，清除水中的杂菌病毒，为水产育苗提供可靠水质，防止鱼类因病原体感染而死亡。

1.2.3 方案三：砂缸过滤器+湿式生物球过滤器+紫外消毒过滤器方案

该方案主要采用砂缸过滤器去除掉养殖水体中的残饵和粪便，并用湿式生物球过滤器去除水体中的氨氮、总磷等溶解性有机污染物指标，并采用紫外消毒降低粪大肠杆菌等指标。

各养殖车间循环水首先通过给水泵送至砂缸过滤器，由于养殖循环水中的主要污染因子为残饵和粪便贡献，石英砂滤料能够有效地截留去除这些固体悬浮物；循环水通过砂缸过滤器后经过湿式生物球过滤器，降低循环水中的氨氮等污染因子后进入保温水箱，与温控系统实现嵌套并联；最后，循环水经过过流式紫外消毒器，去除细菌、病毒等病原微生物后通过管道泵加压进入各养殖单元。主要工艺流程见图4。

图4 方案三工艺流程

(1)给水泵：为整个循环水系统进水提供动力；

(2)砂缸过滤器：以石英砂为填料，截留去除生产弃水中的养殖残饵和粪便以及悬浮颗粒物；

(3)反洗泵：定期去除掉砂缸过滤器中截留的残饵和粪便。

(4)湿式生物球过滤器：通过水体中微生物的降解作用，利用附着在填料上的微生物、去除水体中的氨氮、总磷等指标。

(5)气泵：为湿式生物球过滤器中的微生物提供氧气，提高微生物降解效率。

(6)过流式紫外消毒器：对水质进行消毒杀菌，清除水中的杂菌病毒，防止鱼类因病原体感染而死亡。

1.2.4 工艺的适用性研究

生产循环水中污染物种类少，生化需氧量、氨氮、总磷浓度较低，是一种微污染水。

方案一采用脱氮生物滤床和脱磷吸附过滤器对水体中的氮磷进行去除，该方案更适用于去除已经溶解到水体中的氮和磷，而本工程循环水中主要氮磷指标贡献物质为残饵和粪便，所以不采用该方案。

方案二采用臭氧发生器和浮选曝气池用物理气浮的方法去除掉水体中的SS，与此同时去除掉水体中氮磷。从原理上看对SS和氮磷有一定的去除效果，但该方案工艺较为复杂，且需要有臭氧发生器参与，建设地点处于高寒高海拔地区，空气中氧含量较低，故不采用该方案。

对于方案三，由于养殖循环水中的污染因子主要为鱼类残饵和粪便，石英砂滤料能够有效地截留去除这些固体悬浮物；循环水通过砂缸过滤器后经过湿式生物球，该单元能有效去除养殖过程中产生的氨氮；经过保温水箱后，通过过流式紫外消毒器去除细菌、病毒等病原微生物。

所以，在高寒高海拔地区，最冷月平均气温低于-10℃或者污水平均水温低于10℃时，方案三的工艺流程路线在这样的边界条件下更适用。

2 循环水系统升温保温措施及加热设备热功计算研究

目前，高寒高海拔地区鱼类增殖放流站可供选择的升温保温工程措施主要有大棚保温和热水机组升温这两种。

2.1 室外鱼池保温

大棚主要由主体结构和覆盖材料组成，大棚的结构形式决定了其用途，而大棚的覆盖材料是保温效果高低的关键因素。

2.1.1 保温设施结构形式

大棚的结构形式主要有拱圆形和屋脊形两种。

由于养殖设施单体以及整体体积较大，大棚结构宜采用屋脊形大棚。

2.1.2 保温材料

不同的覆盖材料，其保温效果不同，成本不同，使用寿命也不同。大棚覆盖材料有以下几种：

(1)普通膜：以聚乙烯或聚氯乙烯为原料，膜厚0.1 mm，无色透明。使用寿命约为半年。

(2)多功能长寿膜：是在聚乙烯吹塑过程中加入适量的防老化料和表面活性剂制成。

(3)草被、草苫：用稻草纺织而成，保温性能好，是夜间保温材料。

(4)聚乙烯高发泡软片：是白色多气泡的塑料软片，宽1 m、厚0.4～0.5 cm，质轻能卷起，保温性与草被相近。

(5)无纺布：为一种涤纶长丝，不经织纺的布状物。

(6)遮阳网：一种塑料织丝网。

根据高海拔农村地区的特征，宜选用普通膜。为了加强防寒保温，提高大棚内夜间的温度，减少夜间的热辐射,可以采用多层薄膜覆盖。

2.1.3 大棚对温度的影响

塑料薄膜具有保温性。覆盖薄膜后，大棚内的浊度将随着外界气温的升高而升高，随着外界气温下降而下降。并存在明显的季节变化和较大的昼夜温差。越是低温期温差越大。一般在寒季大棚内日 增温可达3～6℃，阴天或夜间增温能力仅1～2℃。春暖时节棚内和露地的温差逐渐加大，增温可达6～15℃。外界气温升高时，棚内增温相对加大，最高可达20℃以上，

因此大棚内存在高温及冰冻危害，需进行人工调整,进行全棚通风，棚外覆盖草帘或搭成“凉棚”，可比露地气温低1～2℃。冬季晴天时，夜间最低温度可比露地高1～3℃，阴天时几乎与露地相同。通过保温及通风降温可使棚温保持在15～30℃的生长适温。

2.2 循环水系统加热设备升温

使用大棚将整个高寒高海拔地区室外养殖设施进行全面覆盖，能有效地调节污水处理设施的水温，大大提高处理效果。当大棚保温措施和养殖车间外墙保温依然不能达到目标养殖水温时，可以考虑采用升温设备对水体进行升温。

2.2.1 冷热泵机组

冷热泵机组是由压缩机—换热器—节流器—吸热器—压缩机等装置构成的一个循环系统。冷媒在压缩机的作用下在系统内循环流动。它在压缩机内完成气态的升压升温过程(温度高达100℃)，并进入换热器后与风进行热量交换，被冷却并转化为流液态，当运行到吸热器后，液态迅速吸热蒸发再次转化为气态，同时温度下降至零下10～20℃，这时吸热器周边的空气就会源源不断地将低温热量传递给冷媒。冷媒不断地循环实现空气中的低温热量转变为高温热量并加热冷水过程。其优点是能量转换效率高,缺点是对环境条件要求高，受环境温度和湿度的制约。该类设备国内主要的品牌有：春兰、格力、美的等，主要品牌的运行环境温度下限为-5℃左右。藏木鱼类增殖放流站建设地点冬季存在-10℃的极端低温。该设备在极端低温条件下运行效率降低，甚至可能停止运转。

2.2.2 电热水锅炉

电锅炉是一种以动力电为加热源，通过锅炉的换热部位把热媒水加热到一定温度参数并向外输出额定热量的热能机械设备。该设备国内主要的品牌有：恒热、方块、韩国大宇等。电热水锅炉通过电加热管对水加热，实现供暖和提供热水。其优点是运行稳定，受环境条件影响小;缺点是耗电量大。

2.2.3 燃煤锅炉

燃煤锅炉是指燃料燃烧的煤，煤炭热量经转化后，产生蒸汽或者变成热水。但燃煤锅炉并不是所有的热量全部有效转化，有一部分无功消耗，这样就存在效率问题，一般大些的锅炉效率高些，60% ～ 80%之间。而且，燃煤锅炉污染大，一般新建燃煤锅炉需要一定的环评手续，同时需要配套相应的除尘、脱硫、脱氮设施，手续工艺复杂，设备安装调试时间长。

综上，高寒高海拔地区鱼类增殖放流站温控设备的选择以电热水锅炉为宜。

2.3 热功计算

2.3.1 升温机组功率的确定

下面介绍根据相关工程经验，热水机组的计算选型以及热交换方式的方法。

(1)确定平均水温T1，并确定经济性最适合温度T2。

(2)确定日进出水水量V。

(3)计算进出水升温热量:

Q1=cm(t2-t1)

(4)进出水需求功率计算,COP(Coefficient of Performance)为热机性能系数:

(5)计算水面散失热量补充功率，按养殖池水表面蒸发损失的热量与管道散热进行计算。

养殖池水表面蒸发损失的热量。按下式计算：

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

式中Qx——养殖池水表面蒸发损失的热量,kJ/h；

α——热量换算系数，α=4.186 8 kJ/kcal；

y——与养殖池水温相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热,kcal/kg；

vf——养殖池水面上的风速,m/s，一般按室内养殖池vf=0.2～0.5 m/s；室外养殖池vf=2～3 m/s；

Pb——与养殖池水温相等的饱和空气的水蒸汽分压力,mmHg；

Pq——养殖池的环境空气的水蒸汽压力,mmHg；

A——养殖池的水表面面积,m2；

B——当地的大气压力,mmHg。

养殖池的池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量按养殖池水表面蒸发损失热量的20%计算确定，即：

Q=Qx×(1+20%)

W2=Q/(3.6×106)

(6)总功率的确定:

W=W1+W=2

通过升温设备机组的功率计算，可以参考厂家设备型号进行选型，确定最后的设备型号。

2.3.2 热交换方式

加热机组热交换有直供热水和铜管散热两种。由于在养殖设施内安装铜管进行散热的方式易影响鱼类的正常生长发育，所以，采用循环水管直供热水的方式完成热交换较为适宜。

3 结 论

(1)在高寒高海拔地区，砂缸过滤器+湿式生物球过滤器+紫外消毒过滤器的工艺路线、并嵌入温控系统的措施较为适宜。

(2)建设地点为高寒高海拔地区的鱼类增殖放流站宜采用循环水养殖模式，并配备温控系统，设定目标养殖温度，人工协助珍稀鱼类越冬以及促进性腺发育。

(3)高寒高海拔地区鱼类增殖放流站温控设备的选择以电热水锅炉为宜，升温设备的功率需进行相关理论计算，散热方式以采用循环水管直供热水的方式完成热交换较为适宜。

[1] 雷霁霖. 中国海水养殖大产业架构的战略思考[J].中国水产科学，2010，17(3)：600-609.

[2] TAL Y，SCHREIER J H，SOWERS K R，et al． Environmentally sustainable land-based marine aquaculture [J]． Aquaculture，2009，286(1-2): 28-35.

[3] MARTINS C I M，EDING E H，VERDEGEM M C J，et al．New developments in recirculating aquaculture systems in Europe:A perspective on environmental sustainability[J]．Aquacultural Engineering，2010，43(3): 83-93.

[4] 刘伟明. 挪威的海水养殖[J]. 世界农业,2003(8)：40-41.

[5] 宋奔奔. 国外封闭循环水养殖系统工艺流程设计现状与展望[J].渔业现代化，2012，39(3)：13-17.

2016-08-23

查磊(1986-)，男，四川仁寿人，硕士，工程师，从事环保设计工作。

S931.5

B

1003-9805(2017)01-0046-06