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海水循环水养殖系统工程优化设计


海水循环水养殖系统工程优化设计
杜守恩1, 曲克明2, 桑大贺3
( 1 中国海洋大学, 青岛266003; 2 中国水产科学研究院黄海水产研究所, 青岛266071; 3杭州大贺水处理设备有限公司, 杭州310001)

摘要: 设计并建设了海水循环水养殖系统工程, 研发出水处理设施与设备, 包 括: 综合生物滤池、全自动微滤机、蛋白质分

离器、渠道式紫外线消毒器、管道 溶氧器、多点在线自动水质监测系统等, 并进行养殖生产。主要水质指标达到: COD< 3. 5mg/L, TN < 0. 5mg/L, DO> 8mg/L, 总大肠菌群< 3 500个/L。养殖鲆 鲽鱼类平均单产30 kg/m2, 高产池35 kg/m2。 关键词: 海水循环水养殖系统; 养殖工程; 水处理设备

海水循环水养殖是工厂化养殖的一种先进形式, 它是以工 业化手段主动控制水环境和营养供给, 可以全年连续生产, 具 有节水、节能、饵料系数低、高密度健康养殖的特点, 并对海区 环境不产生污染。 项目组通过多年的研究与开发, 优化设计了取 水构筑物、循环水生产工艺、节能型综合生物滤池等系统工程, 并开始向产业化发展。 海水循环水养殖系统工程主要技术指标达 到: 水质COD< 3.5 mg /L, SS< 7 mg /L, NO22N <0.1mg/L, DO> 8mg/L, TN<0.5 mg /L, PO42P <0.1mg/L, 总大肠菌群<3500个/L; 水利用率大于95%; 养殖鲆鲽鱼类平均单产30 kg /m2 (池内有效 水深0.8m),高产试验池达到35kg/m2。

1 养殖场水源取水构筑物
目前我国沿海近岸海水一般受到不同程度工农业及浅海超 量养殖的污染, 水质较差, 病害传播严重。 因此, 在陆基建设的 循环水养殖场, 一般不直接取近岸涨落潮水, 而是设计不同类 型的取水构筑物进行初级水处理。 但修筑取水构筑物应符合当地
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海水用水的有关规定, 同时应取水样、 土样化验分析, 水质达到 海水养殖用水标准, 土质适合修建取水构筑物的基本条件。 然后 根据海区地形、高程、底质、水文、气象等资料, 设计不同类型 的取水构筑物。 1.1 渗水型蓄水池 渗水型蓄水池是在潮间带或潮上带,底质是渗水性的砂土或 砂壤土类, 用堤坝围成的蓄水池,并将池底挖深到大潮低潮位高 程以下不少于3m,堤坝顶高程一般取平均高潮位以上1 m, 大风 浪高潮位海水不能进入池内。堤坝可设计为土质坝、石砌坝或混 凝土坝, 蓄水量应根据渗水量和一个养成周期的用水量确定。 水 的来源是海水通过地下砂土或砂壤土的渗流进入池内, 水通过 砂滤、 生物过滤在池内贮存备用, 同时池水在贮存过程中具有沉 淀作用, 在阳光照射下具有消毒杀菌的作用, 水质较好。 渗水型 蓄水池隔绝外海水直接进入蓄水池, 避免了赤潮、 周边环境的污 染与病害的传播; 并且海水通过地下土壤的渗流, 在冬、 夏季还 具有调节水温的作用, 节约能源。 1.2 反滤层大口井 反滤层大口井是在海区的潮上带开挖大口径土池, 深度在 大潮低潮位高程以下不少于3m,用块石砌成直径大于1 m的大口 井, 井的周围用碎石、 卵石、 粗砂及细砂材料布置反滤层渗水区。 若底质土壤渗水性能较差, 可从大口井周围向外辐射布置4~8 根直径为150~200mm的反滤层渗水管, 管长根据需水量和底质
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土壤性质而定, 一般不少于10m, 管头外端封闭, 管道上间隔布 置进水孔; 进水孔周围布置砂、石反滤层, 或敷设筛绢,上面回 填砂石、泥土, 与地面齐平。反滤层大口井贮水空间大, 反滤层 的砂、石可以看成是砂滤层和生物膜的载体,起到物理及生物过 滤的作用。另外,反滤层大口井因贮水在大潮低潮位高程以下, 冬、 夏季具有调节水温的作用, 是一种既能处理海水又节约能源 的取水构筑物。

2 节能型养殖车间设计
养殖车间的作用是防风雨、保温、调光,为养殖对象提供最 佳生长繁殖的生态环境。 一般设计为低拱温室型, 屋面双层, 外 层采用透光率较高的聚脂膜或玻璃钢材料, 内层采用保温板,光 带采光。车间根据养殖规模可设计为单跨、双跨或多跨, 单跨车 间宽度一般不大于18m,长30~ 50m。车间地面为20 cm厚钢筋混凝 土, 墙体设计立柱和围梁, 鱼池建在混凝土基础的地面上。 车间 外墙加保温层, 窗户装双层空心保温玻璃。 鲆鲽鱼类养殖池一般 采用圆形的机砖结构,池深0.8~1.0m,水深0.6~0.8m,面积35~ 40m2,池底为锥形。2 m水深的养殖池应设计为钢筋混凝土结构。

3 海水循环水养殖工艺流程
海水循环水养殖工艺流程一般分外循环水和内循环水两部 分。外循环是全场污水处理系统, 鱼池排污水、车间及其它地方 的污水集中流入全场排污水处理系统的微滤机, 过滤水进入综 合处理池、生态处理池, 经处理达标后排入海中。外循环系统微
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滤机排污水流进沉淀池, 定期排水后取沉淀污泥进行干化处理。 内循环是指鱼池排出的循环水流入内循环系统的微滤机,水经过 滤后进入低位池,通过循环泵提水进入高位综合生物滤池,经生 物处理后自流进入蛋白质分离器、渠道式紫外线消毒器、调温 池、 管道溶氧器及鱼池; 同时水泵从海边的取水构筑物提水到低 位水池,补充内循环用水。内循环系统每级水处理设施都在多点 在线自动水质监测系统控制之下运行,确保进入鱼池水的水质 (图1)。若养殖规模较大, 内循环系统可分为若干个独立循环系 统,有一定灵活性,方便生产管理与水质监测, 一个系统发生问 题不会影响其它系统。 系统水循环的频率不能太高或太低, 太高 循环泵耗电较大, 太低鱼池水质不能保证。 系统中的水循环频率 在一定的水处理设施、养殖品种和养殖密度下有一个经济频率, 经济频率一般通过养殖生产试验确定。 在上述水处理设施下, 鲆 鲽鱼类养殖密度在30~35 kg/m2, 水循环频率一般在2~3 h循环 1次为宜。
图1 内循环水工艺流程图

4 综合生物滤池设计
海水循环水养殖,鱼池排出的污水一般总氮(TN)不高于2mg/L, COD不高于15mg/L, 应属于微污染海水。微污染海水中的有机物
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含量较低, 提供给微生物生长的营养物含量也较低,形成的生物 量相对减少, 对水中有机物的降解作用有所减弱。 在微污染海水 生物膜处理中, 一般不能按高浓度污染水的处理方法设计,如何 提高对微污染海水的处理效果是一个值得研究的问题。因此,项 目组对海水循环水养殖排出的微污染水,提出了生物膜稳态运行 的节能型综合生物滤池及蛋白质分离器加臭氧氧化的处理工艺。 4.1 生物膜水处理工艺稳态运行 从理论上讲,生物膜水处理工艺分为稳态和非稳态两种运行 方式。 稳态工艺是生物膜随时间变化没有净增长或净死亡的变化, 而非稳态生物膜正好相反。就稳态工艺而言,水中基质含量在一 定时间内不变或变化很少,生物膜生长和自身氧化得到一个稳态 生物厚度, 并维持了一定的出水基质含量, 也就是说,在一定的 生物量下,不能任意变化处理水的能力。而非稳态运行是依靠生 物的一种应激性反应,当微生物前期处于相对较高的营养环境中, 生物膜生长很好;当进水基质含量减少后,微生物为维持自身生 长的需要,就会发挥全部潜力, 快速摄取营养水中的有机物,从 而被处理微污染水的有机物含量会降到较低水平。 虽然生物膜水 处理非稳态运行效果较好,且可深度处理,但生物载体需间断性 的在高含量有机物水环境中培养微生物, 再运到生物滤池处理微 污染水,这给生产管理带来负担,并且修建微生物培养池又加大 了工程投资, 所以在优化设计中不采用生物膜水处理工艺非稳态 运行。
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4.2 综合生物滤池节能设计 首先将综合生物滤池建在太阳能温室车间, 室内屋顶安装调 光天幕。在北方的冬季,太阳能温室车间生物滤池的水温, 比较 一般车间,一昼夜可升高2℃左右, 室内气温高于一般车间5~ 8℃,长时间运行能大量节约能源。 若条件允许, 安装大型太阳能 热水器更佳。综合生物滤池的标高设计为内循环系统的高位,滤 池的出水自流进蛋白质分离器、紫外线消毒器、调温池、管道溶 氧器及鱼池。 合理设计各设备设施之间的水头, 可节约循环水泵 的动能。 4.3 生物滤池生物多样性设计 一般生物滤池只采用微生物处理海水, 而综合生物滤池采用 多种生物共存的生物多样性水处理工艺。 滤池一般设计为池深2. 2m,水深2.0m,池宽2.5~3.0m。长度分段的流水池,上层吊养大 型藻类, 如马尾藻、江篱、石莼等, 其中粗江篱较好, 是多年生 的暖温带大型红藻, 高20~50cm。江篱不但能处理和调控水质, 而且定期收获还有一定的经济效益。下层吊装或堆放生物载体, 通过生产性试验,聚丙烯丝制作的辐射形刷状生物载体、片状结 构球形生物载体较好。 笔者认为, 生物载体不能单纯追求比表面 积, 应通过生产性试验进行选用, 不但考虑比表面积和水处理 效果, 还应考虑有利于生物膜的生长和生产管理的方便。 综合生物滤池养殖大量海水植物,利用植物光合作用吸收水 中氨氮等营养盐, 增加水中溶氧,并调控水质。同时在滤池的生
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物载体中引入微生物群落,起到养鱼水环境的生物修复作用, 发 挥多种方式水处理的功能。 综合生物滤池的有效水体数应根据采 用的工艺流程、水处理设备、养殖的品质、密度、水循环频率等, 通过试验确定。 笔者认为, 不能用处理高浓度污水的某方法或计 算设计生物载体量来确定有效水体, 并且不取设计安全系数。 用 上述方法设计的有效水体往往偏少,因为微污染海水用生物法处 理有它的特殊性, 必须通过生产性试验,全面综合分析研究确定 有效水体。 综合生物滤池的有效水体, 在配备较好水处理设备的 工况下, 一般不少于养殖水体。

5 全自动微滤机
新型全自动微滤机是根据海水循环水养殖特点自行研制的 产品,采用120~150目不锈钢筛网过滤, 去除水中悬浮物, 包括 浮游动植物、 残渣碎饵等。 主要技术指标: 滤鼓直径1400 mm, 滤 鼓长度1700mm,电机功率0.9kW,处理水量400m3 /h。微滤机的主 要特点:重量轻,噪声低,耐海水腐蚀,使用寿命长,消耗电少, 价 格低廉, 水位和反冲洗自动控制。 该微滤机在不锈钢结构的基础 上, 通过试验采用工程塑料构件, 并设计了新型气、 水反冲洗装 置和自动控制系统, 使整机重量大大减轻, 耐海水腐蚀能力增 强, 使用寿命是传统微滤机的2~3倍,价格是国外同类产品的三 分之一。

6 蛋白质分离器
蛋白质分离器是自行研制的新型水处理设备,适用于海水循
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环水养殖, 系列产品有50, 100,150m3 /h。蛋白质分离器去除氨 氮和有机物质,主要是利用泡沫分离和臭氧氧化反应原理。泡沫 分离是将水中的有机物在未分解成氨氮之前, 从水中分离出去; 臭氧氧化是向蛋白质分离器中加入臭氧,通过臭氧的强氧化作用, 去除有机物质。(????) 与蛋白质分离器配套的臭氧发生器选用以纯氧为气源的发 生器为宜, 纯氧可来自液氧罐或制氧机。经过反复试验证明,向 蛋白质分离器加入臭氧杀菌效果较理想, 同时又能增加水体的 溶解氧,是既经济又安全的新技术。由于新型蛋白质分离器装有 臭氧尾气回收装置, 残余臭氧不会影响养殖鱼类的正常生长,因 而不需要附加设备处理残余臭氧。

7 渠道式紫外线消毒器
渠道式紫外线消毒器是将数支高强度紫外线杀菌灯管(德国 产)设计成模块, 配套相应高位、低位进出水的分段渠道, 将灯 管模块直接安装在渠道的水流中, 渠道顶部安装特制的反光板, 水流在渠道(暗沟)中呈波浪式的起伏运动, 使水体与灯管充分接 触,从而提高了消毒能力。灯管模块的数量可根据循环水量的大 小、渠道的长短、水处理效果等综合分析确定。渠道式紫外线消 毒器比传统封闭式消毒器效率高, 成本低, 流量大, 维修方便, 细菌去除率为95% ~ 99%。渠道式紫外线消毒器安装在蛋白质分 离器之后, 根据水中有害细菌量的多少可间断开启。 (频繁开关

会影响灯管的寿命)
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8 管道溶氧器
管道溶氧器是在溶氧罐的基础上自行研制的大型溶氧设备, 比溶氧罐效率高,氧气利用率为99%,水中溶解氧可达10~20mg/L。 设备直径500mm,单台流量为150m3/h。从制氧机或液氧罐输出的 氧气,通过安装在管道溶氧器端部的文丘里射流器, 进入溶氧器 的气水混合室进行混合增氧,混合气水再经螺旋式混合器充分混 合。 在溶氧器的顶部设有尾气回收装置, 对未溶解的氧气进行回 收利用。

9 结



目前海水工厂化养殖大多数是流水开放式的, 按十一五海 水工厂化养殖规划,今后工厂化养殖的发展应向提高单产与效益, 节水、节能、无公害健康养殖模式发展。优化设计的循环水无公 害健康养殖模式,能从单产10 kg/m2左右提高到30kg/m2以上,所 带来的经济效益是显而易见的,并对循环水到排放污水都进行有 效处理, 对海区生态环境不产生污染,有效地推进海水养殖模式 的转变。 循环水与流水开放式养殖相比, 不但单产提高到3倍多, 而且节水、节能、环保。因此, 循环水无公害健康养殖具有广阔 的发展前景和推广价值。

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