循环水养殖净化装置设计及循环水量影响因素研究

张俊新，李明智，李晓丽，曹淑青，刘 远，刘 靖，潘 强，连 云

(1 大连海洋大学海洋科技与环境学院，近岸海洋环境科学与技术辽宁省高校重点实验室，大连 116023;2 大连海洋大学航海与船舶工程学院，大连 116023;3 大连海洋大学水产与生命学院，大连 116023)

广泛应用于工厂化水产养殖的供氧系统有增氧泵曝气充氧和纯氧气水混合两种方式。前者具有结构简单、建造及运行操作方便等优点，但曝气头或穿孔管都设置在池内，曝气时空气气泡从池底上升到水面，对池内水体产生扰动和噪音，不利于养殖生物生长；池内曝气产生的气泡扰动水体，形成紊流状态，把池内残饵粪便等悬浮物搅碎，形成细小颗粒，导致水质快速恶化；曝气停止时，处于池底的曝气头容易被悬浮物和泥沙等堵塞。高密度养殖时用纯氧曝气可以提高供氧效率，但液氧价格高昂，其制备、运输、储藏复杂，富余氧气溢出和二氧化碳脱气等问题也需要考虑。

循环水养殖系统(RAS)的循环动力是由多个水泵提供能量完成的。为满足养殖生物所需的温度条件，在冬夏两季生产时必须对水体进行升温或制冷。整个系统循环路线越长，进行的热交换量就越多，需要消耗的能量(动力和温控)就越多。国内外现有循环水养殖系统在生产中取得了较好效果[1-10]。系统中曝气充氧单元、残饵粪便固液分离单元、生物过滤单元和提水增压循环单元都是分开设置、独立管理并运行的。曝气充氧单元主要集中在纯氧曝气，以提高养殖密度。近期基于分子筛的空气源纯氧机已经生产并在实际中使用。产生的氧气浓度可达90%以上。但是较低的曝气量会导致水中由于高密度养殖生物代谢而产生的二氧化碳积累。这对于鱼类等养殖生物伤害很大[11]。残饵粪便固液分离主要依靠重力沉降和机械筛分原理进行分离。刘鹰等[12-13]在养殖池底部采用一种双管排污的设计构造，在实际使用中取得了良好的效果。关于气升泵在水产领域的使用和创新研发，国内外仅有为数不多的文献[14-17]。其中包括最近Bukhari等[16]研究的用于水产养殖的气提泵内复杂的两相流优化和Moses等[17]的关于饲料投喂后对气提泵效率影响的试验研究。

循环水养殖净化装置[18]改变了传统循环水养殖水体收集、集中净化的思路，既可使养殖水体达到所需溶氧浓度，也无需额外设备及动力使水体循环流动，并可以收集残饵粪便和净化水质。养殖池中因无直接池底曝气，水流无扰动，残饵粪便及悬浮物很容易沉积到池底随水流排出，便于清理的同时延长了水质恶化时间。

1 气升泵工作原理

气升泵具有无运动部件、结构简单、工作可靠等优点，常应用于气举采油和提升泥浆等。其工作原理：当气体被通入升水管底部后，气泡由于浮力作用会上升并充满整个升水管，管内是气和水的混合物，管外是清水，管外内底部相连通；按连通管原理，因为水气溶液的密度小于水(一般上升的水气溶液相对密度为0.25～0.35)，密度小的液体液面高，在高度为h的水柱压力作用下，根据液体平衡的条件，水气溶液便上升至H高度[19]。其等式如下：

ρ1gh=ρ2gH

(1)

式中：ρ1—水的密度，kg/m3；ρ2—升水管内水气溶液的密度，kg/m3；h—淹没深度，井内水位到曝气头的距离，m；H—水位提升高度与淹没深度之和，m。

只要ρ1gh>ρ2gH(h/H为淹没系数)，水气溶液就能沿升水管上升至管口而溢出，气升泵泵就能正常工作。将上式移项得:

H-h=(ρ1/ρ2-1)h

(2)

由式(2)可知，要使水气溶液上升至某高度，必须有一定的淹没深度h，并需供应一定量的压缩空气，以形成一定的ρ2值。水气溶液的上升高度越大，其密度ρ2越小，需要消耗的气量也越大，而淹没深度也越大。因此，压缩气量和淹没深度是与提升高度直接有关的两个因素[19]。因为淹没水深对于实际水产养殖生产来说改变幅度有限，因此曝气充氧通入的空气量就成为增加升水高度和出水量的关键因素。

本试验通过改变曝气气量、升水管管径、曝气头参数等条件，测定循环水量，研究各个影响因素特点，确定装置的最佳曝气头的形式和循环水量性能，以期为实际生产使用提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验装置

参照已有的研究基础[1,18]，设计装置系统组成如图1所示。

图1 气升泵原理图

试验时，养殖用水及残饵粪便通过吸水口进入具有一定坡度的变径吸水管，流速下降，残饵粪便逐步沉降下来，积累到一定程度后关闭调节阀门，残饵粪便在静水压力作用下由清扫口排出。由离心风机提供系统曝气用空气。空气通过精密针芯调节阀调节气量，并用转子流量计计量后经由空气管道输送到曝气头与清水混合形成气水混合物，再经由升水管提升进入生物滤包。滤包内保持一定的气压，使出水具有足够的能量推动池水形成旋流，多余气体经由气压调节阀排出。经过曝气增氧的水经过出水管沿池壁逆时针流回到养殖池中，完成循环。

设备型号参数：风机型号HG-1100-C2(风量0～135 m3/h，风压24 kPa，真空度-20 kPa)；精密针芯调节阀型号T40H-16C(温度≤250℃，压力1.6 Mpa，通径50 mm)；空气转子流量计型号LZT(M-15)(测量范围≤40 m3/h)；

图2 循环水养殖净化装置示意图

2.1.2 曝气头开孔形式

自制聚氯乙烯(PVC)圆柱形穿孔管曝气头(图3)有3种形式：圆柱形顶端开孔、圆柱形侧面开孔、圆柱形顶端和侧面都开孔。曝气头出气孔孔径尺寸分别为1.0、2.0和3.2 mm。

图3 曝气头形式图

2.2 试验内容

2.2.1 气量、升水管管径对循环水量的影响

在淹没水深1.0 m、提升高度0.6 m的条件下，通过试验装置将试验用水进行循环。升水管管径为75 mm和110 mm，随机改变通入的气量为5、10、20、25、30和35 m3/h，在回流管道出口测得不同气量下的循环水量，分析变化规律。

2.2.2 曝气头结构参数对循环水量的影响

在淹没水深0.6 m、提升高度0.4 m、升水管管径75 mm、空气量5 m3/h的条件下，通过改变出气孔径、曝气头直径和开孔位置等参数随机进行以下试验，测定循环水量。(1)选用曝气头孔径1.0 mm、侧面开孔的曝气头，改变曝气头直径分别为32、40和50 mm，测定循环水量。(2)在曝气头直径为32、40和50 mm，侧面开孔基础上，改变孔径为1.0、2.0和3.2 mm。测定循环水量。(3)在曝气头直径为32、40和50 mm，孔径为1.0、2.0和3.2 mm基础上，改变开孔形式分别为侧面开孔、顶部开孔、全部开孔。

2.3 测定方法

曝气量用精密针芯调节阀调节气量，并用转子流量计计量。循环水流量用体积-秒表法多次测定取平均值。

2.4 数据处理

通过SPSS软件多因素分析中第III类模型分析，确定参数影响是否显著和主要因素[20]。

3 结果与讨论

3.1 气量、升水管管径对循环水量的影响

气量、升水管管径对循环水量的影响试验数据列入表1。由表1试验数据可知，气量为5 m3/h时，即可达到较高流量，而低于5 m3/h时循环运行不稳定，提升水量骤减。可能和本循环系统升水管出口连接有生物填料等阻碍流动的装置有关。跟张成钢等[21]的研究结果有所不同。随着气量的增大，提升水量在一定范围内波动。由此可见，较小气量即可满足提升水的技术要求。这对于选择风机型号是重要的参考条件，当然，同时也要考虑溶氧的动态需求。使用SPSS软件中多因素方差分析工具对数据进行主体间效应检验，结果见表2。

表2结果显示，气量、升水管管径主体间效应显著值均小于0.05，结合III型平方和可知，升水管管径(12.265)、气量(8.398)、气量与升水管管径交互效应(6.003)对水量影响效果均显著。由数据可知，大管径升水管提升水的能力相较小管径的更佳。原因可能在是气泡上升速度一定的情况下，过水横断面较大，可以获得较大的水量。但随着管径增加，有可能出现内环流而导致提升水量减小。较大升水管管径导致提升水量减少的具体情况需要进一步试验研究。

3.2 曝气头结构参数对循环水量的影响

通过改变曝气头几个关键结构参数后，将其置入试验装置中测定循环水量，得出数据列入表3，数据经SPSS软件分析后得到表4结果。

表1 气量、升水管管径对循环水量的影响

表2 气量、升水管管径主体间效应的检验结果

表3 曝气头结构参数对循环水量的影响

注：“顶”表示顶部开孔；“侧”表示侧面开孔；“全”表示顶部和侧面都开孔

表4 曝气头结构参数主体间效应的检验结果

由表4结果可知，孔径(P=0.000 006)、直径(P=0.003)、形式(P=0.009)、直径与孔径(P=0.01)、孔径与形式(P=0.03)、直径与形式(P=0.034)对水量变化影响显著，并且影响程度依次降低。由III型平方和可知，主要影响因子为孔径(13.057)，曝气头孔径对循环水量的影响很大。孔径越大(1～3.2 mm)，循环水量越大。这可能是由于大孔径产生的气泡较大，在水中有较大浮力，因而上升较快。在同样的气水混合物的密度条件下，上升快的气泡对水流的携带作用更强。在工程实际使用中，同样达到最佳溶氧条件下，尽量增大曝气头孔径(1～3.2 mm)，有利于增大循环水量。

由表3分析知，在相同工况下，直径32 mm的曝气头提升水量最大，并且随着曝气头直径增大，提升水量明显减小。原因可能是升水管管径是固定不变的(管径75 mm和110 mm)，当增大曝气头直径时，会减小曝气头与升水管之间过水通道的横断面积，增大局部阻力，使得提升水量减少。但曝气头直径过小，则会导致曝气量在过水断面上分布不均匀而影响效果。

对于曝气头开孔形式对循环水量的影响，由表3数据经处理后可知，相同条件下，侧面开孔的曝气头结构所提升的循环水量比顶部开孔形式更好些(DN32时水量提高18%～45%；DN40时水量提高20%～27%；DN50时水量持平或减少)。这可能是由于侧面开孔形式的曝气头孔眼与曝气头管壁成60°角钻孔，产生的微气泡沿管壁螺旋上升，增加气泡行走路程和停留时间，减小水与升水管管壁的接触面积。因为空气与管壁摩擦阻力远小于水与管壁的摩擦阻力，因此具有减小沿程水头损失的优势。

但是，侧面与顶部同时开孔的曝气头在曝气时效果不理想。这个结果与Ahmed等[22]研究的结论不同，提高轴向注入空气量有利于提高压缩空气的利用率。在Ahmed的试验中，气升泵注气方式虽然是轴向的，但是注入形式为脉冲注气，不是连续风机曝气。充气头在升水管外面，非内部阻挡形式，虽然获得了较高的机械效率，但对脉冲阀要求很高。

4 结论

在本试验条件下，通过改变气量、升水管管径、曝气头结构等参数，得出升水管管径和曝气头孔径对提升水量影响非常显著。在淹没水深1.0 m、提升高度0.6 m、升水管管径为110 mm、空气量5 m3/h的条件下，选用曝气头直径32 mm、曝气头孔径3.2 mm和侧面开孔形式时，该装置最大循环水量可以达到9.5 m3/h；较粗的升水管和较细的曝气头组合，效果较好；曝气头侧面开孔，孔径较大，对设备有较大的性能提升。

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