页数：42页文件大小：205.2 KB来源： 养殖水环境工程学ppt课件
本课件讲解硝化反应生物滤池的设计方法：先说明氨氮控制要求与过滤器分类，给出鱼类代谢、耗氧率与系统负载等设计参数，再以浸没式、滴流式、生物转盘与砂粒流化床四类装置的完整算例演示从氨氮产量到滤池尺寸的全过程计算。
第八章硝化反应生物滤池的设计氨氮是鱼类排泄物中的一个重要成分，它对鱼的毒性很大。一般鱼类养殖水体中要求总氨氮量不高于1mg／L，或非离子态氨小于0．02mg／L。生物过滤器主要用于去除氨氮，是循环水工厂化养殖系统的重要装置，其主要功能是通过细菌的作用，将氨氮转化为一般不具毒性的硝态氮。同时也有分解有机物的作用。目前水产养殖系统生物滤池的设计还没有非常严格科学的方法，因为水体中的氨氮浓度常常低于1mg/L。本章节主要讲述硝化反应生物滤池的一般设计步骤以及设计中常遇到的一些问题。
第一节生物过滤装置的设计•水处理的生物过滤器主要分为两大类：有机物硝化菌类和氨氮转化菌类。
设计关键点•生物过滤器的设计涉及到与鱼类和硝化菌的代谢有关的物理、生物化学参数，其设计目的是使所设计的过滤器有足够的硝化菌量来去除鱼类排泄的氨氮，维持养殖系统中的氨氮浓度在预定范围以内，确保鱼类的安全与有效生长。
设计步骤
设计参数①鱼类代谢参数：代谢参数是养殖生物滤器设计的基础。鲑鳟鱼新陈代谢过程方程。
②鱼的耗氧量：耗氧量是生物滤器设计第二个必须了解的参数，鳟鱼耗氧率的计算方程如下：
表8.1 耗氧率计算中常数：下表列出相关数据。
| 鱼类 | 温度（℉） | b | a | K2 |
|---|---|---|---|---|
| 鲑鱼 | ≤50 | -0.194 | 3.200 | 7.2×10⁻⁷ |
| 鲑鱼 | >50 | -0.194 | 2.120 | 4.9×10⁻⁵ |
| 鳟鱼 | ≤50 | -0.138 | 3.130 | 1.90×10⁻⁶ |
| 鳟鱼 | >50 | -0.138 | 1.855 | 3.05×10⁻⁴ |
源文本为图片提取文字，数值之间缺少分隔；表内 a、b、K2 与温度档的对应关系依据公式 Oc=K2·T^a·W^b 及本课件第16页算例推定。原表注明常数按重量单位为磅表示（1lb=0.45359kg），摄氏温度=（华氏温度-32）×5/9。建议对照原课件图片核对。
③系统负载能力Lc（养殖容量）式中：Lc——系统负载（kg鱼/L/min）Ce——要求的溶解氧浓度（mg/L）Cm——养殖池中容许的最低溶解氧浓度（mg/L）Oc——耗氧率（kgO2/100kg鱼/min）Lc=
④总水流量：式中：W——养殖系统鱼的总容纳量(kg)Lc——系统负载（kg鱼/L/min）Q =式中：Cz——系统允许氨氮的浓度（mg/L）Ci——氨氮的初始浓度（mg/L）⑤氨浓度系数C的计算：
⑥生物过滤器的氨氮去除效率：式中：R——水循环率C——系统进出口氨氮浓度的比值E——生物滤池的硝化效率⑦硝化效率与水力停留时间的关系：E=(9.8T-21.7)tm式中：tm——水力停留时间（h）T——水温（℃）E——生物滤池的硝化效率
⑧生物滤池的容积Vm:式中：Q——流量tm——水力停留时间ε——滤材的孔隙率⑨滤材的总表面积As：As=（Vm）（Au）式中：Au为滤材的比表面积（m2/m3）
简化设计：每将 1g 的 NH₄⁺ 氧化成 NO₃⁻ 需要消耗 4.18g 氧气和 7.14g 的碳酸离子（如 CaCO₃），并生成 8.59g 碳酸和 0.17g 细胞。按表8.2 所列参考值进行简化设计。
| 设计参数 | 设计参考值 |
|---|---|
| 鱼的总氨氮产出率 | 日投喂率的 3% |
| 鱼的非离子态氨氮浓度最高容许量 | 0.025 mg/L |
| 鱼的总氨氮浓度最高容许量 | 1.0 mg/L |
| 生物滤器的氨氮去除率 | 0.2~0.6 g/(m²·天) |
| 溶氧需要量与总氨氮的比值 | 4.18～4.57 |
设计实例•浸没式过滤装置的设计例：设计一个生物过滤装置，适用于养殖10000 kg鲑鱼，养殖系统为封闭循环水养殖系统，其中90%的水进行循环，每条成品鳟鱼平均1kg重（体长43 cm），假设装置有最大的效用。系统工作温度为12℃，滤料采用塑料环状，直径2.5 cm，空隙率0.9，比表面积160 m2/m3,比重18.5 kg/m3，要求系统中溶解氧的浓度达到10 mg/L，排出水的最少氧气含量5mg/L，允许氨氮浓度为0.75mg/L。饲料投喂量：每天按鱼体重的2%。
4、计算耗氧量
6、总水流量（Q）
9、生物滤池的效率系数（E）借用经验公式E = (1+C×R-C)/ (C×R)= (1+1.27×0.9-1.27)/(1.27×0.9)= 0.7610、生物滤池的水力停留时间tm利用经验公式tm= E/(9.8T-21.7)= 0.76/(9.8×12-21.7) = 0.48 min11、生物滤池容积（Vol）Vol = Q×tm/滤材空隙率= 6849 L/min×0.48 min /0.9 = 3653 L12、总滤材表面积(SA)•SA = 3.653m3×160 = 584 m2
13、计算生物滤池构造假定生物滤池深度2米，长度1.8米，宽度应为1.01米。
SSA在第三部分计算出来是9667 m2，是584 m2的16倍，产生这么大差异的原因在于前者没有考虑养殖品种的差异以及水的循环效应和水力停留时间等的影响，而后者在考虑到这一情况的同时,还考虑到滤池的尺寸等因素。还应该注意的是由于计算中的数据大多都是由实验室得出的，与实际生产中存在一定的误差。
滴流式过滤装置的设计滴流式生物过滤装置有许多型式，并且滤料的种类繁多，传统的滴流式生物滤池采用碎石做滤料，滤池为圆筒状，高度低、直径大。水产养殖生物滤池主要采用圆筒状，高度大于直径，滤料采用比重较小的塑料材质，可采用随意堆积和固定两种方式。
一、设计参数依据实验对象参数和上面浸没式过滤装置相同，在对滴流式生物滤池的设计作如下假设：
表8.3 要求水质参数：下表列出相关数据。
| 水质参数 | 指标 |
|---|---|
| DO | ＞5 |
| pH | 6.5-8.0 |
| 碱度 | 10-400 mg/L |
| 温度 | 10-15.6 ℃ |
| NH3-N | 0.0103 mg/L |
| NO2-N | 0.03 mg/L |
| CO2 | ＜10 mg/L |
| N2 | ＜110（总饱和浓度） |
| 浊度 | ＜80 mg/L |
二、设计过程1、水体体积（VW）：VW= 10000 kg fish/50 kg = 200 m32、总水流量（Q）Q= = 0.0667 m3/s3、饲料投喂量（Mf）该数值是由鱼体的密度决定的，在鱼生长的早期一般控制在鱼体重量的6%或者更高一点，当鱼即将进行销售时这个值可以控制在体重的0.75%到3%，设计中这个值假设为2%，也就是，Mf = 10000×0.02 = 200 kg/day
4、代谢废物的产量根据已知数据（每公斤饲料）消耗：0.21 kg O2产生：0.28 kg CO20.30 kg固体颗粒0.03 kg TAN5.需氧量（Or）在已知需氧量0.21 kg O2/ kg feed的基础上增加20%的安全系数，为0.25 kg O2/ kg feed，•Or = 0.25×200 = 50 kg O2/ day
6.总氨氮的排泄量（TAN）由于水中的氨分子是有毒的成分，氨分子的浓度受温度和pH值的影响。假定系统中温度为12℃保持不变。根据鲑鱼的需要（看水质需求而定），如果系统操作在pH值7.5以下进行，氨的浓度就要保证不超过0.0103 mg/L NH3-N。即使在pH值8.0，NH3-N的浓度在密闭系统中通过生物过滤器后也应控制在0.0103 mg/L以下。
8.生物滤池表面积（AF）•已知单位面积的氨氮去除率为0.75 g/m2/day,9.生物滤池的容积（VF）
10.生物滤池的构造生物过滤装置中由于水力负荷的不同会使效率出现较高或较低的值。生物滤池中的最小水力负荷要保证内部装置的湿润，以防止滤料干燥。最高水力负荷要保证不会将滤料冲出过滤器。对任意装满滤料的装置，可设计为最小水力负荷为30m3/m2/d，最大水力负荷为225m3/m2/d。在生物滤池的设计中，为保证系统的平衡，必须对滤池的数量、直径和高度进行合理设计，并通过“旁路”设计来控制水流速度。
每个生物滤池的水流速率(Ff)为：每个生物滤池的容积（Vu）：Vu = 36.4/8 = 4.55 m3生物滤池的横截面积（Ac）可以利用最大水力负荷(225 m3/m2/d)计算：单个生物滤池的横截面积最小为3.2 m2。假定生物滤池为圆柱形，则圆柱形的直径（Df）为：Df = 2.2 m则高度：Hf = 1.2 m
生物滤池的尺寸如下:
生物转盘（RBC）的设计•RBC是通过滤料在废水中搅动来达到过滤的目的。
设计合理的系统中，在鱼成熟之前，投饵量的增加是最大的，水体将达到鱼类所能承受的上限。系统的设计应当满足此情况下的生长要求。
表8.4 三种养殖对象对RBC的设计要求：下表列出相关数据。
| 设计参数 | 真鲷 | 鲈鱼 | 罗非鱼 |
|---|---|---|---|
| 温度℃ | 15 | 25 | 30 |
| pH | 7.5 | 7.5 | 7.5 |
| 设计要求的NH3% | 0.86 | 1.76 | 2.48 |
| 最大NH3 | 0.01 | 0.025 | 0.06 |
| 最大TAN | 1.17 | 1.42 | 2.42 |
| 每天最大投喂量(kg) | 200 | 200 | 200 |
| mg TAN／kg feed | 0.034 | 0.032 | 0.025 |
| kg TAN/day | 6.8 | 6.4 | 5 |
| TAN去除量（mg/m2/day） | 122 | 193 | 379 |
| 总表面积（m2） | 5577 | 3330 | 7613 |
| 比表面积（m2/m³） | 175 | 175 | 175 |
| 滤料体积（m³） | 319 | 189 | 75 |
| 直径（m） | 3.66 | 3.66 | 3.66 |
| 长度（m） | 30.29 | 17.97 | 7.17 |
| 浸没的滤料体积（L） | 127480 | 17603 | 30166 |
| 容器最大容积（L） | 272706 | 16173 | 164532 |
源文本为图片提取文字，各列数值连续排列，此处按表头顺序（真鲷、鲈鱼、罗非鱼）依次对应录入；总表面积与滤料体积、比表面积之间在数值上未能完全换算印证，建议对照原课件图片核对。
生物流化床的设计提高生物滤池水处理效率的关键有两个方面：
（3）所需生物膜面积，即砂粒总面积（A）（4）所需砂粒总体积（V）
根据表8.2，取需氧量与氨氮量的比值为4.3，则：Q==4837.5m3/天=3.4m3/min（5）过滤器正常运行的需氧量（D）设进、出水的溶解氧浓度分别为7mg/L和3mg/L，则过滤器所需水流量为：D=4500克氨氮/天×4.3克氧/克氨氮=19350克氧/天（6）过滤器水流量
目前水产养殖用生物过滤器的设计往往比较保守，主要是因为许多数据的可变性很大，并且许多模型的建立依靠的实验数据准确性存在一定的问题。已经有很多关于生物过滤器的设计和配置可应用于水产养殖。当然，不同的生物过滤器的设计方法都有它们的优点，同时也存在一定的不足。
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