06 第六章 养殖环境中固体颗粒的控制.pptx

第1页：第六章固体颗粒的控制

第六章养殖环境中固体颗粒的控制6.1综述固体颗粒对循环水养殖系统的影响：

• （1）直接损害鱼鳃（2）对生物过滤器的堵塞（3）腐化产生氨（4）腐烂而增加氧的需求等。
• （5）固体颗粒的累积会限制循环水系统的容量。在鳟鱼循环水养殖系统中发现，限制容量和生产的一个主要因素是悬浮颗粒。即便在一个放养密度适度的循环系统中，固体颗粒的浓度也经常超过推荐的上限15mg/L。

第2页：固体颗粒的来源与分类

6.1.1循环水系统中的固体颗粒主要来源：残饵，粪便和微生物聚合体。6.1.2水体中的固体颗粒的分类：总悬浮固体颗粒（TSS）和总溶解固体颗粒（TDS）。总悬浮固体颗粒浓度是指在一定容积水中直径超过1微米以上的固体颗粒数量。

• 从化学角度分：有机和无机成分。有机成分：即挥发性悬浮固体颗粒，可导致耗氧增加和生物污染。无机成分：可以形成沉积的淤泥，对生存环境有不利影响。
• 从物理角度分：沉淀的固体颗粒（＞100µm）不沉淀固体颗粒（＜100µm）。TSS在养殖系统中的有害影响研究很少，但是悬浮固体颗粒在养殖循环系统中对鱼的死亡有影响。有研究发现5-10µm的微小固体颗粒在养殖系统中的累积对鱼类有着致命的影响。

第3页：固体颗粒的组成

• 6.2固体颗粒的特征在水产养殖系统中，悬浮固体颗粒的组成主要是鱼的排泄粪便，残饵和微生物聚合体。
• 粪便：粪便的产生又取决于摄食率。鲑鳟鱼的粪便排泄率大约为摄食的25%~30%。鲶鱼粪便排泄率为摄食的18%~43%。甲壳类的粪便排泄率相比较低一些。
• 残饵：循环水系统中，残饵的成分决定了它可以直接导致固体悬浮物的产生。例如：在鲶鱼池中投放三种不同规格的配合饲料，在轻微搅拌的情况下，经过四个小时的分解，仅有15%—25%的配合饲料被溶解，其它的仍以固体的形式存在。

第4页：残饵比例与微生物聚合体

研究表明：在鲑鳟鱼养殖环境下，干饲料、潮湿和鲜饵的残饵比例各分别为1%—5%，5%—10%，10%—30%。

• 微生物聚合体：由于残饵和鱼类粪便中有大量的有机物和养料，使得一个系统中产生了不同种类的细菌群体，这些群体长在水体中、池壁上、水管中和过滤器中，微生物聚合体也是循环水系统中悬浮物的一个重要来源。

第5页：固体颗粒的物理特征

6.2.1固体颗粒的物理特征悬浮固体的两个最主要的物理特征：密度和颗粒大小组成。

• 悬浮固体在水中的悬浮行为主要是由于它自身的密度比水稍高。
• 而固体颗粒的大小组成比例主要取决于固体颗粒的来源、鱼的规格、温度和水流等。饵料是水环境中固体颗粒产生的主要来源，它的颗粒组成和水体中固体颗粒的大小区别很大。

第6页：溶解饲料的固体颗粒重量分配

一定量的饲料颗粒被置于蒸馏水中，轻微搅动4小时到饲料破碎。这些饲料悬浮物经过不同的过滤器，干燥并称重得到TSS。图中的数据显示，大部分固体颗粒的直径大于1000ｕm。溶解饲料的固体颗粒重量分配图5.3%50.9%0.6%1.6%19.7%21.9%

第7页：固体颗粒的去除方法

6.2.2水中固体颗粒的去除方法小的固体颗粒，需几个小时才可能下降0.5 m，沉淀方法不可行。随着固体颗粒变小，需要使用更为细密的格栅或者筛网等物理过滤装置。又存在频繁的清洗和压头损失的问题。

• 大于100ｕm的固体颗粒采用沉淀法
• 大于60ｕm的固体颗粒采用机械筛网等过滤器
• 大于20ｕm小于60ｕm的固体颗粒采用多孔介质物理过滤装置研究结果表明，微细颗粒在水产养殖系统中占主导地位。在鲑鳟鱼养殖水体中，固形物颗粒的大小主要在6-20ｕm之间。因为长时间的沉淀过程中除去了较大的固体颗粒，但对小的固体颗粒几乎没有什么效果。

第8页：不同系统的颗粒组成

不同水处理方法系统中颗粒组成

• 系统1：圆形池+一系列筛网
• 系统2：圆形池+生物转盘
• 系统3：圆形池+过滤筛网+砂滤装置+臭氧系统1：鲑鱼的平均重量是500 g，系统2：鲑鱼的平均重量是50 g，系统3：鲑鱼的平均重量是100 g。每天投喂量为体重的0.7%-0.8%，每天换水率低于养殖池容量的5%。测量的结果：
• 1、三个系统中有相似的固体颗粒尺寸组成（5~50ｕm）。
• 2、微细固体颗粒占主导地位。
• 3、固体颗粒的数量比例随着固体颗粒大小的增大而降低。
• 4、系统2中的固体颗粒数量比例非常高，但固体颗粒直径要小于另两个。

第9页：

第10页：三个系统的微细颗粒占比

直径小于10ｕm的固体颗粒。系统1：85%，系统2：95%，系统3：60%。三个系统中95%的固体颗粒的直径小于20ｕm。

第11页：系统间微细颗粒容积比

系统2中的微细固体颗粒所占的容积比最高，小于10微米的固体颗粒系统2占了48%，系统1和3中，分别只占20%和10%。小于20ｕm的固体颗粒：系统1，2和3中分别占总容积的48%，72%和58%。

第12页：三个系统的固体颗粒参数表

三个养殖系统中固体颗粒数目、体积、平均直径和浓度：下表列出相关数据。

源文本为图片提取文字，行标签与数值的对应关系按出现顺序录入；其中系统3一行的平均直径与颗粒体积、颗粒数目之间不能相互换算印证，疑似原表或文字提取误差，建议对照原课件图片核对。

第13页：鲈鱼循环水系统的颗粒粒径

在生物转盘的鲈鱼循环水养殖系统中，利用105，70，30和1.5ｕm的滤网过滤水样，同样发现大约67%的固体颗粒直径在1.5--30ｕm之间。

第14页：固体颗粒清除标准

• 6.3固体颗粒清除原理和标准
• 6.3.1固体颗粒清除标准在水产养殖系统中目前还没有最大固体悬浮颗粒浓度的标准。通过对淡水鱼类的研究，固体悬浮物浓度小于25mg/L对鱼类的危害不明显。大于这个浓度，不同的浓度有着不同的影响。在高密度养殖的情况下，建议TSS浓度小于15 mg/L作为循环水系统的安全标准。但是也有人建议限制在20—40 mg/L之间。考虑到微细固体颗粒的影响，只用浓度作标准恐怕不妥。无论何时在可能的情况下都要考虑固体颗粒大小的浓度分布。同时，不同鱼的种类对固体颗粒浓度的承受水平也大不相同。

第15页：固体颗粒清除原理

• 6.3.2固体颗粒清除原理对悬浮固体颗粒的移除是一个固/液分离的过程，主要包括：重力分离、过滤、气浮(flotation，也被认为是另一个重力分离装置)。
• 重力分离：主要靠沉淀的原理，包括沉淀池(sedimentation)和水力旋流器（hydrocyclone）等。
• 过滤：主要包括筛网，粒子介质或多孔粒子介质过滤器。过滤过程是通过固体颗粒从悬浮状态转到过滤介质上完成固液分离。
• 气浮：在气浮过程中，固体颗粒附着在气泡上与水分离开。沉淀池的底部，过滤介质粒子和气泡都可形成与水的接触界面。

第16页：固体颗粒的控制方法和设备

• 6.4固体颗粒的控制方法和设备目前水产养殖系统中常用的物理过滤装置都是从污水过滤系统应用的装置演变过来的。在循环水养殖系统中，水要被循环利用，必然会导致循环水系统中固体颗粒的积累。这些微细颗粒只靠重力作用进行分离是不可行的，循环水养殖系统中的固体颗粒去除方式和污水处理不同。循环水养殖系统中悬浮固体颗粒去除装置的要求：
• （1）水力负荷（2）去除微细颗粒的能力（3）水头（Head）损失（4）反冲过程中水的损耗（5）耐生物污泥污染的能力等。

第17页：水力负荷的定义

水力负荷：单位体积滤料或单位面积滤池每天或每小时可以处理的废水水量（如果采用回流系统，则包括回流水量）。单位：立方米（废水）/立方米（滤料）·日或立方米（废水）/平方米（滤池）·日。是沉淀池、生物滤池等设计和运行的重要参数。水力停留时间（Hydraulic Retention Time）简写作HRT水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。因此，如果反应器的有效容积为V（立方米）。则：HRT = V / Q (h)

第18页：沉淀类型与沉降公式

一、沉淀1、沉淀类型：自由沉淀、凝絮沉淀、区域沉淀和压缩沉淀其中：——沉淀速率(m/S)——张力系数——固体颗粒的密度g——重力加速度（m/S2）ρ——水的密度(kg/m3)——颗粒的直径(m)公式表明：固体颗粒密度越大、直径越大，沉淀越快。固体颗粒为球型，沉淀速率的计算公式：

第19页：沉淀池的功能分区

沉淀池的四个功能区域划分2、沉淀池功能分区：进水区，出水区，沉淀区和淤泥区。进水区的主要作用让水流均匀流过沉淀池的横截面。沉淀发生在沉淀区，随着水流移动，固体颗粒在淤泥区积累。清澈的水流在出口区被收集并被排放出去。

第20页：沉淀池的设计原理

3、沉淀池的设计理想的长方形沉淀池中，固体颗粒的沉降轨迹是一条直线，这条直线是水流的水平流速矢量(u)与重力产生的垂直向下速率矢量(Vs)的和。在由中央进水和沿圆周排水的圆形沉淀池中，水平流速矢量为进水口到圆周的水流速率。

第21页：溢流速率与沉淀效果

溢流速率：单位沉淀池面积的水流量Vo=Q/A，Q为流量，A为沉淀池的表面积。溢流速率直接与固体颗粒在水中的沉淀速度有关。

• 当沉淀速度(Vs)高于溢流速率（Vo)时，固体颗粒将沉淀。
• 如果Vs<Vo，不能沉淀的概率是Vs/Vo，这取决于它们在容器入口处的垂直位置。这种部分去除率（Fx）可以用下面的方程定义：固体颗粒的去除率与沉淀池的表面积有关，与沉淀池的深度无关。但是，太浅的沉淀池会由于水流的作用产生扰流，影响沉淀。

第22页：沉淀池效率的修正

理想状态下，理论设计的沉淀池的效率往往高于实际应用的沉淀池的效率，沉淀池的实际面积一般比理论设计要大。运用基于沉降理论的比率，通过调整计算公式中的溢流速率来补偿扰流的影响。这些参数可以帮助设计者选择适宜的溢流速率，确保沉淀池的效率。去除效率（%）沉淀池特点707580859095很好1.31.51.82.22.73.6好1.41.72.02.53.24.8不好1.72.02.53.24.46.9很不好2.33.04.05.91019表6.2沉淀池理论设计和实际应用之间的补偿系数参照补偿系数越小，说明沉淀池性能越好，补偿系数越大，去除率越高，滤池效果越好

第23页：沉淀池的入口和出口

沉淀池的入口和出口：在沉淀池的两个末端利用竖管作为进水口和出水口是最简单的设计，也是现在水产养殖中经常使用的。这样，水流会从进水口以相对较快的速度直接流到出水口。尽管沉淀池具有足够长的水力停留时间，大部分的水流只用了几分钟便穿过了沉淀池，沉淀效率降低。

第24页：沉淀池入口结构设计

沉淀池入口结构设计应考虑的因素：

• 1.入水水流应该均衡的流经沉淀区横断面。
• 2.所有流经沉淀区的水流应该是均衡的水平流动。
• 3.入流水流的流速应该足够慢，以防止扰流的发生。沉淀池的入、出水口都要使用堰，堰的表面粗糙，出口锯齿形或者V形表面更利于均衡出水。城市污水处理系统中，设计要求水流速度不要超过186-248m3/天·堰的长度。在水产养殖系统中，推荐的溢流速率设计标准为370 m3/天·堰的长度（Mudark. 1981）。实际应用中，溢流速率应该控制在400-600 m3/天·堰的长度。

第25页：沉淀池的设计要点

沉淀池的设计要点：

• 1．溢流速率（V0），应该是以在理论上可以100%去除最小固体颗粒的速率作为设计的基础。
• 2．水力停留时间虽然在一些工业设计上还是作为设计基础，但并不是沉淀池的设计标准。
• 3．在保证冲刷作用不影响沉淀池效率的情况下，沉淀池的深度应该尽可能浅一些。
• 4．扰流和进出水的影响在设计时应考虑补偿。入口和出口结构应该根据沉淀池的尺寸和水流速度等专门加以设计。

第26页：微筛过滤装置的特点

二、微筛过滤装置微筛过滤装置已经被应用在水产业中。特点：水头损失比较小。工作原理：纯粹的物理过滤，只有大于滤网空隙的固体颗粒可以被除去。当然，一些小的颗粒可以聚合在一起而被过滤掉，或者由于流速过快，一些大的固体颗粒被粉碎可以通过滤网。滤网的空隙大小决定了可被过滤掉的固体颗粒的尺寸。理论上，只要是比滤网空隙大的固体颗粒都可以被过滤掉。所以滤网的空隙越小，过滤的微细颗粒越多。但空隙率小的滤网会产生更大的水头损失，且需要频繁的反冲洗。

第27页：微筛过滤装置的分类

1、微筛过滤装置的分类：静止微筛和转动微筛。

• 静止微筛就是将微筛放置于水流的横断面上拦截固体颗粒的方式，所以需要人工方式的清洗。
• 转动微筛即微滤机，可以实现自动反冲洗。

第28页：微滤机构造

图微滤机构造

第29页：微滤机的设计参数

2、微滤机的设计参数滤网孔径、水力负荷、转速和反冲压力。

• 水产养殖中通常使用的滤网孔径大于60µm。更小的滤网孔径可以增加悬浮固体颗粒的去除率，但是同时也增加了反冲频率和反冲压力，很可能是得不偿失的。
• 水力负荷是由滤网孔径大小和水中固体颗粒的浓度决定的。滤网孔径越小，水中固体颗粒浓度越高，水力负荷就越小。水中固体颗粒浓度和水力负荷之间的关系需要进一步研究。
• 在其他条件给定的情况下，转动速度是由允许的水头损失决定的，一般使用范围在4.6-46m/min。
• 根据EPA(1975)数据，反冲压力从103KPa升高到345KPa，流量增加了30%，反冲回流水中固体颗粒的浓度增加了63%，反冲水的耗水量减少了60%。

第30页：微筛在循环系统中的应用

• 在循环水养殖系统中，微筛最好应用在砂滤池之前。应用65µm三角形微筛可以降低70%-80%的总磷。可以通过改变滤网孔径使过滤水满足不同的要求。考虑到循环水养殖系统中水是不断循环利用的特性，微筛的尺寸大小的设计和污水处理中应用的微筛设计有区别。
• 尽管微筛应用于水产养殖中已经很久了，仍然没有设计标准。城市污水处理的标准。在最好的工作条件下，微筛能够把固体颗粒浓度降低到5mg/L。尽管悬浮固体颗粒的移动通常是不规则的，但是在低水力负荷下处理效果更好。微筛比较适宜固体颗粒凝絮性好和浓度低的污水。

第31页：固体颗粒去除的机理

固体颗粒去除的过程包括沉淀、滤出、拦截和扩散过程。但水流不能通畅地流过滤层时，需要反冲。

• 效率主要取决于固体颗粒的大小、介质的大小及水流速度等。
• 大于40 µm的固体颗粒，滤出是主要的作用机理；
• 小于20 µm的固体颗粒，扩散是主要的作用机理；
• 介于这两者之间时，拦截和沉淀是主要的作用机理

第32页：拦截机理

2.1拦截(Interception)拦截是过滤过程中的一个重要手段。也是筛网过滤的主要方式。拦截的效率可用下面的公式估算:其中：η——拦截效率Ds——接触面的直径。Dp——固体颗粒的直径从公式可以看出，界面越小和固体颗粒的直径越大，拦截效率也越高。

第33页：扩散机理

2.2扩散扩散也是过滤过程中一个重要的传输机理。如果固体颗粒小于几微米，这个过程就显得尤为重要。扩散效率可用下面的公式估算出：其中：ηd——扩散效率K——玻耳兹曼常数（1.38×10-23JK-1）T——绝对温度公式显示在特定温度下，扩散效率和固体颗粒以及界面的尺寸成反比。在扩散过程中，最终的分离效率与固体颗粒和界面之间的吸附能力有很大的关系.吸附过程十分复杂，它受固体颗粒大小、密度、雷诺数、表面特性等影响。

第34页：水力旋流器的原理

三、水力旋流器旋流器利用的是离心沉降原理。它的工作方式为水流沿切向进入旋流器，在圆柱内产生高速旋转流场，混合物中密度大的成分在旋转流场的作用下同时沿轴向向下运动、沿径向向外运动，在到达锥体段沿器壁向下运动，并由底流口排出，这就形成了外旋涡流场，密度小的组分向中心轴线调和运动，并在轴线中心形成一向上运动的内旋涡，然后由溢流口排出，这就达到了两相分离的目的。它的优点是：

• 1．结构简单，成本低廉，易于安装和操作；
• 2.体积小，占地面积小，处理能力大，运行费用低；
• 3.工艺简单，运行参数确定后可长期稳定运行，管理便利；
• 4.用途广泛，适应性好；
• 5.旋流中存在较高的剪切力，有利于固体颗粒的分级。

第35页：水力旋流器构造和工作原理

水力旋流器构造和工作原理图

第36页：粒状介质过滤器

四、粒状介质过滤器滤料为颗粒状•水产养殖中常用的粒状介质过滤器。下流压力砂滤罐；上流式砂滤罐；念珠状滤器。

• 有报道称，利用砂子作为过滤介质时，粒状介质过滤器可以去除水体中70-90%的固体颗粒。同时，粒状介质过滤器还可以有效地去除水体中的微小颗粒。

第37页：多孔介质滤器

五、多孔介质滤器多孔介质滤器通常具有比微孔筛网更厚的过滤层和比粒状介质滤器更细小的空隙，对固体颗粒的去除机理主要是滤出。种类：包括硅藻土滤器和过滤棒等。特点：

• 通常水力负荷比较低，压头损失比较大，
• 但是可以滤掉微小的颗粒。鉴于这种滤器的特点，通常是用来处理小流量，需要过滤非常干净的水流。

第38页：物理过滤装置的效率比较

表6.4 各种物理过滤装置的效率比较：原表按技术列出参考文献、去除的 SS%、水力负荷（m³/m²·天）、水头损失（m）与适用颗粒大小（µm），主要数据如下。

• 沉淀作用（EPA，1975）：去除 SS 40-60%，水力负荷 24-9 m³/m²·天
• 斜管沉淀池（Muir，1978）：去除 SS 30-90%
• 粒状介质滤器（Muir，1982；EPA，1975）：去除 SS 20-60%，水力负荷 176-429 m³/m²·天，适用颗粒 0.1-3µm
• 快速砂滤罐（EPA，1975）：去除 SS 67-91%，水力负荷 94-351 m³/m²·天
• 压力砂滤罐（Muir，1982；EPA，1975）：去除 SS 50-95%，水力负荷 117-704 m³/m²·天，适用颗粒 2-20µm
• 筛网过滤（Huguenin & Colt，1989）：水力负荷 1-1000 m³/m²·天，水头损失可忽略，适用颗粒 >75µm
• 拦污栅（EPA，1975）：去除 SS 5-25%，水力负荷 587-1760 m³/m²·天
• 微孔筛网（EPA，1975）：去除 SS 17-50%，水力负荷 176-587 m³/m²·天
• 微滤机（Zeigler Bros）：水力负荷 840-2180 m³/m²·天
• 多孔介质滤器（Muir，1982）：去除 SS >90%，水力负荷 43-130 m³/m²·天，适用颗粒 >0.1µm
• 硅藻土滤器（Muir，1982；EPA，1975）：去除 SS 29-59%，适用颗粒 >0.1µm
• 桶式滤器（Huguenin & Colt，1989）：去除 SS 1-10%，水力负荷约 5 m³/m²·天，适用颗粒 1-10µm
• 水力旋流器（Chen，1991）：水力负荷 280-288 m³/m²·天，适用颗粒 <30µm
• 泡沫分离器：原表对应数值未提取到

说明：源文本为图片提取文字，各单元格之间缺少分隔且部分数值缺失（如漂浮微珠滤器一行），无法确保在列数上安全对齐，故按可读数据分段列出，未强行还原为完整表格，建议对照原课件图片核对。

第39页：过滤装置的缺点与适用场所

表6.5 各种物理过滤装置及其各种组合的缺点以及实际应用：原表列出各装置的主要缺点与可能的应用场所，整理如下。

• 沉淀池：占用空间大，不能去除微小颗粒，浪费水；适用于耐受力强的鱼种的养殖场
• 斜管沉淀池：去除微小颗粒的能力差，易生物污染；适用于耐受力强的鱼种的养殖场
• 粒状介质过滤器：压头损失大，浪费水；适用于各种养殖场
• 沉淀池＋粒状介质过滤器：占用空间较大，压头损失大；适用于高密度养殖场
• 粒状介质过滤器＋过滤棒：压头损失大、维护频繁、过滤棒投资大；适用于育苗场、展示场与观赏鱼养殖场

说明：源文本为图片提取文字，装置名称与适用场所分列粘连，此处按语义整理，建议对照原课件图片核对。

第40页：渔业水质标准（一）

中华人民共和国渔业水质标准（一）：下表列出相关数据。

标准值单位除注明外均为 mg/L，按《中华人民共和国渔业水质标准》原表录入。

第41页：渔业水质标准（续）

中华人民共和国渔业水质标准（续，第15—33项）：下表列出相关数据。

本页为上一页渔业水质标准表的续表，标准值单位除注明外均为 mg/L。

第42页：凯氏氮的定义

• 凯氏氮是指以基耶达（Kjeldahl)法测得的含氮量。它包括氨氮和在此条件下能转化为铵盐而被测定的有机氮化合物。
• 此类有机氮化合物主要有蛋白质、氨基酸、肽、胨、核酸、尿素以及合成的氮为负三价形态的有机氮化合物，但不包括叠氮化合物，硝基化合物等。
• 在水处理领域，一般认为:总氮=总凯氏氮+硝氮+亚硝氮。凯氏氮=有机氮+氨氮