09 第八章 生物过滤装置的设计.pptx

第1页：生物过滤装置的分类

第八章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。按细菌生长的形式，生物过滤器又可分为：悬浮生长式与固定膜式两类。养殖系统中常用的是固定膜式氨氮转化菌类过滤器。特点:氨氮转化菌群依附在某种固体表面上生长，氨氮通过扩散的方式传递到固定生物膜内并被转化掉。与工业污水处理不同，工厂化养殖生物滤池的设计主要考虑的是氨氮去除，通过细菌的作用，将氨氮转化为毒性较小的硝态氮。当然生物过滤器也有分解有机物的作用。养殖污水的主要成分是鱼类鱼排泄的氨氮，它对鱼的毒性很大，一般要求总氨氮量不高于1mg/L或非离子态氨小于0.025mg／L。

第2页：生物滤池设计方法的局限

生物滤池的设计还没有非常严格科学的方法，特别是在水产养殖系统的设计中，因为水体中的氨氮浓度常常低于1mg/L。合理运用生物、化学、物理的数据量化地去描述鱼类代谢物质在生物过滤装置中被除去的过程。简单讲，就是一定数量转氨细菌转化已知养殖对象排泄的含氮废料的能力。

第3页：设计考虑的因素

生物过滤装置设计考虑的因素•基于生物过滤设计的数据，特别是养殖的数据非常的有限。

• 废物中氨的含量随着鱼在不同的生长状态及生存环境中有差异，如果没有这些数据那么设计者就只能用其它种的相关数据去尽可能准确的估计和判断，准确性差。
• 废物的产生率和净化率随着时间，投喂策略等变化。
• 不同的过滤装置构造。
• 生物过滤装置的设计数据是变化的，设计时应当充分考虑到细节问题，以使该装置能满足不同环境的需要，特别是一些特殊条件，需要大量的改进以便能满足需要。
• 保证装置经济、可靠、有效的工作能力。

第4页：废物排泄与去除的影响因素

• 程序设计比较直接，只有很少的情况有充足的数据，而且，数据也许只适应某些阶段
• 废物的排泄与鱼的大小、摄食情况、温度等因素有关。废物的去除受温度、流速、氨氮的负荷等因素影响。
• 依据环境排污的最大值去设计过滤装置在一定水体中放养一定重量的鱼时，如果个体是小鱼就要充分考虑到鱼对毒性物质的耐受作用，其他情况下还应当计算鱼体最大时的废物量生物过滤装置的设计步骤

第5页：设计步骤一至五

Ⅰ.确定污染物的数量代谢测定和实际数据Ⅱ.确定鱼类的耐受水平氨、亚硝酸盐、硝酸盐、固体颗粒Ⅲ.计算鱼类的氧气消耗量静水法和流水法Ⅳ.计算养殖系统的承载能力系统能养殖鱼类的最大数量Ⅴ.计算系统的流速整个系统的水流量生物过滤装置的设计步骤

第6页：设计步骤六至九

Ⅵ.计算水流一次通过后的氨氮浓度一次去除率Ⅶ.计算多次循环后的氨氮浓度每天的去除量Ⅷ.计算过滤装置的氨氮净化效率以百分比、单位体积或单位比表面积表示Ⅸ.确定过滤装置中总的氨氨负荷每天的氨氮负荷生物过滤装置的设计步骤

第7页：设计步骤十至十四

Ⅹ.计算需要过滤装置工作的时间反冲洗、清理时间Ⅺ.确定过滤装置的容量，特别是它的表面积水力负荷率Ⅻ.确定装置的尺寸ⅩⅢ.确定装置的氧气供给量ⅩⅣ.修改装置以确保氧气供给生物过滤装置的设计步骤

第8页：简单设计步骤

• 计算最大氨氮等负荷
• 试验确定滤材的氨氮去除效率
• 确定耗氧量
• 确定生物滤池构造生物过滤装置的简单设计步骤

第9页：鱼类代谢参数

①鱼类代谢参数：代谢参数是水产养殖用生物滤器的设计的基础。Liao和Mayo（1974）得到的关于鲑鳟鱼新陈代谢过程方程。

• NA=0.0289F
• NN=0.024F
• P=0.0162F
• SS=0.52F
• BOD=0.60F
• COD=1.89F生物过滤装置的设计方法

第10页：代谢方程的参数含义

式中：

• NA——氨的生成率（kgNH4-N/100kg鱼
• 天）
• NN——硝酸盐的生成率（kgNO3-N/100kg鱼
• 天）
• P——磷酸盐的生成率（kgPO-P/100kg鱼
• 天）
• SS——固体悬浮物生成率（kgSS/100kg鱼
• 天）
• BOD——BOD生成率（kgBOD/100kg鱼
• 天）
• COD——BOD生成率（kgCOD/100kg鱼
• 天）
• F——投饵率（kg饵料/100kg鱼
• 天）以上方程是在水温10～15℃，放养密度为28.4kg/m3的养殖系统所得出来的结果。

第11页：鱼的耗氧量计算

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，Liao(1972)给出了鳟鱼耗氧率的计算方程如下：Oc=K2TaWb式中：Oc——耗氧率（lbO2/100lb鱼

• 天）
• K2——速度常数
• T——温度（℉）
• a、b——斜率
• W——每条鱼的体重（lb）

第12页：耗氧率计算常数表

耗氧率计算中常数：下表列出相关数据。

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21页算例推定。原表注明常数按重量单位为磅表示（1lb=0.45359kg）。建议对照原课件图片核对。

第13页：系统负载能力

③系统负载能力Lc（养殖容量）按下式进行估算（Liao等，1972）Lc=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
• 天）

第14页：总水流量

④总水流量Q=式中：

• W——养殖系统鱼的总容纳量(kg)
• Lc——系统负载（kg鱼/L
• min）

第15页：氨浓度系数与去除效率

⑤氨浓度系数C的计算式中：

• Cz——系统允许氨氮的浓度（mg/L）
• Ci——氨氮的初始浓度（mg/L）⑥生物过滤器的氨氮去除效率E=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

第16页：硝化效率与滤池容积

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）

第17页：简化设计方法与参数参考值表

简化设计方法：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。

第18页：浸没式生物滤池实例

生物过滤装置实例浸没式生物滤池

第19页：设计实例的系统数据

系统数据信息某养殖场养殖规模10000 kg鳟鱼（平均体重1kg），要求采用一个密闭的装置，90%循环，系统温度12℃，滤材采用塑料环状滤材：直径2.5cm空隙率90%比表面积160㎡/m3密度18.5kg/m3每天按体重的2%投喂饵料，装置排出水的最少氧气含量5mg/l。

第20页：方法一氨氮产量与去除率

方法一1.氨氮产量（AP）AP=0.0289（投喂量/天)AP=0.0289×10000×2%=5.8 kg/天2.氨氮通过装置的去除在12℃氨氮的去除(AR)是每天0.60 g/㎡3.需要的表面积(一次通过时）SSA=AP/AR=5800/0.60=9667 m2生物过滤装置设计实例

第21页：方法二需氧量计算

方法二1.需氧量Oc=K2TaWbOc,耗氧量K2，速率常数T，温度W，鱼的大小A,b，线性常数Oc=3.05×10-4(56）1.885（2.2）-0.138=0.478公斤氧气/100公斤鱼/天生物过滤装置设计实例

第22页：系统负荷计算

2.系统负荷Lc=0.14(Ce-Cm)/QcLc ,系统负荷Ce,溶解氧饱和度Cm,最低需氧量假定Ce为10，Cm为5Lc=0.14(10-5)/0.478=1.46公斤鱼/升/分钟生物过滤装置设计实例

第23页：水流速率与初始氨氮浓度

3.需要的水流速率Q = =6849升/分钟4.初始排水端氨氮浓度Ci =每天氨氮产量/水流速率=0.59 mg/L允许最高氨氮浓度为0.75 mg/L生物过滤装置设计实例

第24页：循环氨氮浓度与滤池效率

5.循环引起的允许最高氨氮浓度系数C = C2/Ci = 0.75/0.59 = 1.276.浸没式生物滤池的效率E = ( 1+CR-C)/CRR，循环百分比E = (1+1.27×0.9-1.27)/1.27×0.9= 0.76生物滤池必须有76%的效率生物过滤装置设计实例

第25页：氨氮负荷与停留时间

7.循环引起的生物滤池最大氨氮负荷Wa = 5.8×1.27 = 7.378.生物滤池内的水力停留时间tm= E/(9.8T-21.7) = 0.48分钟9.生物滤池容积Vol=Qtm/空隙率=6849×0.48/0.9= 3653升10.需要的比表面积总数SSA = Vol×比表面积= 3.653×160 = 584 m2

第26页：滤料容积与溶解氧复查

11.生物滤池滤料容积

• 方法一，Vol = 9667/160 = 60 m3
• 方法二，Vol = 584/160 = 3.65 m312.复查溶解氧浓度氨氮耗氧量= 5.8/4.18 = 24.24公斤/天水流供氧量= 6849×（10-5）= 49.3公斤/天供氧量充足两种方法比较1.比表面积差别很大2.容积差别为6倍3.很多经验公式

第27页：两种方法的差异分析

• 方法二借用了其他系统的经验公式，方法一没有考虑循环和溶解氧的影响
• 不同的滤材，滤池构造也会产生不同的影响
• 当前的设计方法还有很大的误差，没有很确切的实际数据
• 最好借用试验滤池数据，但是系统规模的放大并不代表试验数据可以同步扩大，也有局限性讨论

第28页：滴流式生物滤池的特点

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。滤料可采用随意堆积和固定两种方式。滴流式生物滤池设计

第29页：滴流式设计假定条件

假定给定条件•养殖量10000kg鲑鱼（平均1kg重）。

• 养殖装置是一个密闭的装置，100%循环，每星期换水20%
• 装置温度：12℃
• 投喂：2%鱼体重
• 最大密度：50公斤/m3最大放养比率：150000公斤/m3/秒
• 生物滤材：塑料环，直径2.5 cm；空隙率，0.92；比表面积，220 m2/m3
• 水质要求：见表8.3。

第30页：养殖水质参数表

要求水质参数：下表列出相关数据。

第31页：滴流式设计过程

设计过程

• 1.水体体积（VW）：VW= 10000 kg fish/50 kg = 200 m3
• 2.总水流量（Q）Q= = 0.0667 m3/s
• 3.饲料投喂量（Mf）该数值由鱼体的密度和个体大小决定，在鱼生长的早期一般控制在鱼体重的6%或者更高一点，当鱼即将销售时控制在体重的0.75%到3%，设计中这个值假设为2%，即：Mf = 10000×0.02 = 200 kg/day

第32页：代谢废物产量与需氧量

• 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 TAN
• 5.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

第33页：总氨氮的排泄量

• 6.总氨氮的排泄量（TAN）在本例中，总氨氮的排泄量按投饵量的3%计算。TAN = 200 kg feed/day×0.03 kg TAN/kg feed= 6 kg/day
• 7.系统中氨氮浓度（TANs）TANs ==1.25 mg/L

第34页：游离氨与溶解氨浓度表

不同pH条件下游离氨氮与溶解氨氮的浓度：下表列出相关数据。

源文本为图片提取文字，pH 与两组浓度的对应关系按出现顺序录入，随 pH 升高游离氨占比增大的趋势与原表一致。

第35页：生物滤池表面积与容积

• 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,AF = = 8000 m2
• 9.生物滤池的容积（VF）VF = = 36.4 m3

第36页：单个生物滤池的容积

• 整个过滤系统假定有8个生物滤池，每个生物滤池大小的推导如下：
• 每个生物滤池的水流速率(Ff)为：Ff = = 720.3 m3 /day每个生物滤池的容积（Vu）：Vu = 36.4/8 = 4.55 m3生物滤池横截面积（Ac）利用最大水力负荷(225 m3/m2/d)计算：Ac = = 3.2 m2单个生物滤池的横截面积最小为3.2 m2。

第37页：生物滤池尺寸和数量

•10.生物滤池的尺寸和数量流量越大，氨氮去除率越高，氨氮的去除率与水力负荷、流速以及滤池的横截面积等因素有关1）滤池直径2）高度3）滤池数量4）水流量

第38页：生物滤池的直径与高度

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）为，
• Hf = 1.2 m这样设计出来的生物滤池的尺寸如下：
• 高度：1.2米
• 直径：2.2米
• 容积：4.56立方米
• 横截面积：3.2平方米
• 生物滤池的数量：8个

第39页：滴流式设计方法的评价

• 本设计中用到的滤材相对比表面积较大，比表面积小的滤材需要更大的滤池容积
• 滤池设计要考虑到去除氨氮，亚硝酸和有机物的统一
• 本设计方法简单，但是没有考虑到其他的影响因素，实际应用中会有误差
• 实际应用中，应该使用合适的策略补偿设计中的误差讨论

第40页：膨胀性微珠生物过滤装置

膨胀性微珠生物过滤装置膨胀性微珠生物过滤装置（EGB）过滤装置的过滤床是由微小颗粒的塑料珠组成，它可以通过膨胀和搅动来清洗装置本身

第41页：生物转盘的优势与设计

应用生物转盘的优势1.自我清洗，自我充氧2.压头损失低3.无阻塞，硝化反应好4.运行稳定生物转盘的特殊结构决定了它的设计生物转盘的设计

第42页：生物转盘理论设计条件

理论设计条件1.生物膜的生长和脱落是平衡的2.脱落的生物膜是悬浮的3.附着和脱落的生物膜都可以去除基质，但是悬浮生物膜的作用可以忽略不计4.氧气和其它基质没有浓度上的限制作用5.生物膜的厚度是均匀的6.水流速度是均衡的生物转盘的理论模型

第43页：生物转盘理论模型方程

依据上面的假设，可以得到Q(So-S)+rsAs = 0Q,水流量So，进水的基质浓度S，出水的基质浓度rs，单位面积的基质去除率As，滤材的表面积

第44页：常用经验公式

常用的经验公式F=(K/N)LaTbScBdAeDfQgF,去除的比例（%）K ,去除常数N，生物转盘的阶段数L，进水的基质浓度S，水力停留时间T，水温B，生物转盘的转速A，有效的滤料表面积D，生物转盘的浸没深度Q，流速a,b,c,d,e,f,g,回归常数生物转盘的经验模型

第45页：经验公式的适用条件

1.基质浓度较低时，去除效率和基质浓度线性关系2.试验规模生物转盘的效率为商业生物转盘的2.5倍左右3.使用不同材质滤材，经验公式需要修正

第46页：设计前提和过程

设计前提和过程1.尽量采用商业生物转盘的经验参数2.必要时使用最好的预测值3.假定生物转盘可以处理掉每天系统中产生的所有氨氮4.采用放养量最大时的数值5. pH设定为7.5，并以此来计算游离氨氮的浓度6.每天的投喂量为低于1%的鱼体重生物转盘的设计实例

第47页：三种鱼类的氨氮产生量

7.罗非鱼氨氮产生量为每公斤饲料25克鲈鱼氨氮产生量为每公斤饲料32克虹鳟鱼氨氮产生量为每公斤饲料34克8.经验公式，生物转盘每天氨氮的去除率为Y =-16.6+163.3XY,氨氮去除率X,进水的氨氮浓度

第48页：温度补偿与比表面积

9.温度补偿罗非鱼：不用补偿，以上公式30℃所得鲈鱼，降低10%（温度25 ℃，低了5 ℃）虹鳟鱼，降低30%（温度15℃，低了15 ℃）10.滤材的比表面积选择为175 m2/m311.生物转盘的直径为3.66米，接近于商业生物转盘的直径

第49页：生物转盘设计条件总结表

生物转盘的设计条件总结：下表列出相关数据。

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（虹鳟、鲈鱼、罗非鱼）依次对应录入；表面积与滤材体积、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。

第50页：生物滤池的设计总结

• 确定养殖品种和规模
• 确定最大污染物的产量
• 确定养殖对象的耐受水平
• 计算氧气消耗量
• 确定生物滤池的种类和滤材种类
• 确定氨氮去除效率和生物滤池的体积
• 复查溶解氧浓度生物滤池的设计总结

第51页：生物流化床的设计

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，一是提高单位体积内的生物量，特别是活性的生物量，另一方面是强化传质作用，强化有机底物从污水中详细均传质的过程。第一个方面采取的措施是扩大微生物栖息的表面积，增加生物膜量，并相应提高充氧能力。第二方面采取的措施是扩大生物体与污水的接触面积，加强污水与生物膜之间的相对运动。

• 20世纪70年代出现了生物流化床，把生物膜技术推向了一个新的高度。它是以石英砂、焦炭、活性炭等细小的材料（比表面积达2000～3000m3）为载体，水流由下向上流动，使载体处于流化状态，载体的表面生长、附着生物膜。污水从其下部和左右侧流过，不断和载体上的生物膜相接触，从而强化了传质过程，并能有效地防止生物膜的堵塞。

第52页：砂粒流化床设计实例

•设计实例：试设计一个砂粒流化床生物过滤器，用于5000公斤规模的罗非鱼越冬循环水系统。设日饵率为3％，砂粒的比表面积为3000m2/m3，要求水体离开过滤器时的溶氧浓度不低于3毫克／升。

第53页：氨氮排泄量与滤膜面积

设计计算：

• （1）氨氮排泄量(P)：根据表8.2，以日投饵率的3％计算，则：
• （2）过滤器的氨氮去除率（R）由表8.2，取R=0.4克氨氮/(m2•天)
• （3）所需生物膜面积，即砂粒总面积（A）

第54页：砂粒总体积与需氧量

• （4）所需砂粒总体积（V）
• （5）过滤器正常运行的需氧量（D）根据表8.2，取需氧量与氨氮量的比值为4.3，则：D=4500克氨氮/天×4.3克氧/克氨氮=19350克氧/天
• （6）水流量设进、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：Q= =4837.5m3/天=3.4m3/min

第55页：生物过滤器设计的保守性

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化性很大，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。

第56页：充气和充氧

充气和充氧

第57页：充气和充氧部分综述

充气和充氧部分综述，本部分内容包括三个方面：

• 第一部分：充氧和曝气原理
• 第二部分：各种充氧和曝气设备
• 第三部分：充氧和曝气设备设计

第58页：溶解氧与增氧方法

简介

• 溶解氧是高密度养殖系统的第一个水质限制指标水中氧的饱和度低缺少光合作用缺少水交换
• 提高的方法增加水和空气或者氧气的接触面积

第59页：高密度养殖溶解气体范围

高密度养殖条件下溶解气体范围

第60页：充气设备简介

充气设备简介

• 重力曝气机
• 风动抽水泵
• 立式泵充气机
• 喷水式充气装置
• 真空叶轮泵式充气机
• 叶轮式曝气机（俗称水车）
• 填充塔充气机
• 多层滴流式充气设备

第61页：风动抽水泵工作原理和应用

风动抽水泵工作原理和应用

第62页：立式泵充气机

立式泵充气机

第63页：喷水式充气装置

喷水式充气装置

第64页：真空叶轮泵式充气机

真空叶轮泵式充气机

第65页：叶轮式曝气机（水车）

叶轮式曝气机（水车）

第66页：气泵和气石充气系统

气泵和气石充气系统

第67页：填充塔充气机

填充塔充气机

第68页：多层滴流式充气设备

多层滴流式充气设备

第69页：纯氧接触系统的类型

纯氧接触系统

• 密封填充塔
• 多阶段低压头纯氧接触器
• 喷射塔测流氧气喷射器U型管纯氧系统低速气泡接触器封闭立式泵充氧机

第70页：密封填充塔

密封填充塔

第71页：多阶段低压头纯氧接触器

多阶段低压头纯氧接触器

第72页：喷射塔

喷射塔

第73页：测流氧气喷射器

测流氧气喷射器

第74页：U型管纯氧系统

U型管纯氧系统

第75页：低速气泡接触器

低速气泡接触器

第76页：封闭立式泵充氧机

封闭立式泵充氧机

第77页：溶解气体标准与表示单位

溶解气体标准溶解气体的表示单位mg/Lmm Hg饱和百分比气体压力：Fi=Ti/Ci总气体压力：TGP=∑Ti

第78页：溶解气体饱和度

TGP和当地的大气压力（BP）之间的差为溶解气体的饱和度的指标△P=TGP-BP气体的饱和度，TGP和当地的BP的百分比：%饱和=(TGP/BP)*100在养殖系统中，涉及到的可溶性的气体氧气二氧化碳氮气溶解气体标准

第79页：溶解气体的良性作用

溶解气体的良性作用充足的溶解氧可以提高活力，增进生长二氧化碳可能抑制细菌的生长平衡的溶解气体浓度可以维持生态平衡

第80页：溶解气体的危害作用

溶解气体的危害作用溶解的二氧化碳在一个临界浓度之上时会使磷酸钙的饱和度增大，从而影响肾脏的活动当二氧化碳的浓度较高时会降低血液携带氧的能力较低的溶解氧浓度在可允许的最低值之下时，会降低氧的携带能力

第81页：气泡病与溶氧过高的危害

较高的溶氧浓度会促进细胞酶的氧化作用，导致呼吸链的失效溶解氧和溶解氮的浓度达到饱和时会引起气泡病（GBD）气泡病的症状：组织中的气泡增加；血管阻塞；生长和饲养转变系数的降低；导致死亡溶解气体的危害作用

第82页：可接受的△P范围

溶解气体标准可以接受的△P的范围变化鱼种规格饲养条件溶解气体的部分相关压力的变化良好的充气设备的使用不仅仅是基于氧气的供给率，而且和溶解氮（DN），△P以及溶解二氧化碳的极限有关

第83页：气体渗透原理

气体渗透原理

• 一种气体在水中的饱和浓度（C*）将会影响气液界面的气体渗透的方向以及速率
• 一种气体在水中的饱和浓度（C*）是由气体阶段的局部压力，水温以及Henry法则讲到的水的成分决定的：C*=BiKi1000[Xi(TP-VP)/760]Vp,蒸汽压力BiKi,,气体溶解系数
• 气体蒸汽压力随温度增加而增加，溶解系数随温度增加而减少，饱和浓度随温度增加而减少

第84页：温度对气体饱和浓度的影响

温度的影响

第85页：浑浊水体的饱和浓度修正

• 水中的溶解固体及悬浮物的浓度也会降低气体在水中的饱和浓度(C*）。我们采用β将气体在水中的饱和浓度（C*）从洁净水(Cw)中转换到浑浊(Fw)的状态β=( C*)FW/ (C*)CW
• 一种气体在水中的饱和浓度(C*)随着时间或者在一个特殊的接触器中的位置的改变而改变。当空气在水面以下被打散，总压力（TP）将会从流体静压力和此地的大气压力的总和下降到水泡上升到水表面时的大气压力（BP）气体渗透原理

第86页：气体渗透速率

气体渗透速率使氧气溶入水中的推动力是水中的主要溶解气体的不足。氧气分子首先从大量的气体状态转移到气液界面。氧气和氮气转移的主要阻力来自于液体交界扩散阶段气体吸收或者释放的净比率是由渗透系数和溶解气体浓度和饱和浓度(C*)差的乘积所决定的。这个关系可以用微分的形式表述：dC/dt=KLa(C*-C)

第87页：温度对KLa的修正

• 影响渗透系数的重要的条件包括气体液体接触面，气体液体的紊乱，该系统的几何形状，以及液体的特性
• 温度影响到渗透系数KLa。KLa的值可以通过温度的影响得以纠正：（KLa）t=（KLa）20°C(1.024)t-20
• 公式表明水温变化在10-30摄氏度将引起转移系数（KLa）60.7%的增长气体渗透速率

第88页：表面活性剂对KLa的修正

• 水面上的活性物质通过改变液体界面扩散阻力来增加或降低渗透系数（KLa）。在自然条件下得到的KLa值可通过纯净水条件下得以校正，反之亦然，校正系数用α表示：α=（KLa）FW/（KLa）CW
• 进一步来说，在气体的分子直径已知的情况下,一种气体的KLa值可以被用于定义相关的一种气体的KLa值（KLa）N2/（KLa）O2=dO2/dN2气体渗透速率

第89页：增氧系统性能比较标准

• 增氧系统的性能比较标准标准条件：DO = 0 mg/L,温度= 20°C,BP=760 mm Hg,α=1,β=1
• 标准氧气渗透速率（SOTR)SOTR=（KLa）20°C（C*）20°C增氧系统性能指标

第90页：标准充氧效率SAE

• 标准的充氧效率（SAE），表示相关能量消耗的指标，可以通过SOTR除以功率（PW）的方法得到：SAE=SOTR/PW
• 由于采用了不标准的温度，溶解氧的浓度，大气压力，以及水的组成，需校对SOTR和SAE：AOTR=SOTR[(βC*O2-DO)/9.07](1.024t-20)αAAE=SAE[(βC*O2-DO)/9.07](1.024t-20)α增氧系统性能指标

第91页：实际氧转移速率的校正

• 周围的溶氧浓度达到饱和时，实际的AOTR和实际的充氧AAE将会趋于零，会限制增氧系统的有效使用
• 当评估充氧设备的性能时，公式中的KLa很少被接受。一般用通过该系统中的溶解氧的改变来表示设备的性能，用溶解的气体的不足的分数来表示：E=[（DOout-DOin）/（C*O2-DOin）]
• 当设备的效率已知，上面的公式可以重新排列为：DOout=E（C*O2-DOin）+ DOin增氧系统性能指标

第92页：增氧系统性能综述

综述

第93页：纯氧系统的氧转移速率

• 对于纯氧接触系统，氧气的渗透速率可以用下面的公式计算OTR=(△DO)ABQL
• 标准的渗透效率（TE）：TE=OTR/PW
• 充氧效率可以表示为AE=[(△DO)ABQL]/（MW）O2QM增氧系统性能指标

第94页：氧气吸收与氮气释放比率

• 吸收氧气和释放氮气的相关比率可以通过△DODN的比率来表示：△DODN=（DOout-DOin）/（DNout-DNin）
• 这个比率是相当重要的，它表示是出水的TGP（溶解气体的总压力）高于或者低于进水。一个执行中的△DODN大约为-2.2，这个值被定义为临界的曝气比率，表示进出水之间没有TGP的变化增氧系统性能指标

第95页：充氧成本的构成

• 充氧成本，在比较相对的性能时是很有用的指标，它包括设备的分期偿付(AC)，能量消耗(EC)，以及氧气的成本(OC)TC=（AC+EC+OC）/OTR
• 把设备的维护和投资风险考虑进来十分必要增氧系统性能指标

第96页：吸收效率

吸收效率

第97页：纯氧接触系统的组成

纯氧接触系统

• 将纯净的氧气转移至水中的系统包含：氧气的发生装置控制氧气的流速的控制组件推动氧气和水接触的设备
• 纯氧系统应该：使用最少的能源和资金达到较高的氧气利用率

第98页：提高氧气摩尔分数的作用

• 增加进入吸收装置中的氧气用于提升氧气在气体状态下的摩尔分数，从而增加溶解氧的饱和浓度。使流出水中的溶解氧的浓度高于空气中的饱和浓度。在15摄氏度时，饱和浓度为10.17mg/L纯氧的环境中，饱和浓度达到48.1mg/L
• 将水暴露在富含氧气的环境中，除了可以加速氧气的渗透，还能够降低氮气的饱和浓度。从溶液中脱离出来的氮气，会在接触器中进入气体阶段，降低氮气的转移比率会有利于创造一个纯氧的环境纯氧吸收装置

第99页：氮气积累与排气

• 水中气体成分的改变范围主要由氧气供给比率决定，水中的溶解气体的浓度、温度、压力和设备的特性决定
• 氮气以气体形式的积累会导致较高的操作成本，必须有排气孔。由于泄出的气体中含有较高含量的氧气，因此也有一定的利用价值。由于二氧化碳在水中的溶解率很高，所以在氧气的吸收装置中使二氧化碳曝气的可能不大纯氧吸收装置

第100页：纯氧接触装置的选择依据

• 纯氧接触装置的选择取决于标准的性能指标是以当地资源条件操作条件
• 固体颗粒的存在会抑制填充塔的使用，由于额外的污染会堵塞用于提供气体-液体接触区域的通道
• 在进水和饲养池之间的水压梯度的存在有利于U型管或者其它的低压头接触器的使用纯氧吸收装置的选择

第101页：U型管系统的组成

• 一个纯净的氧气的U型管系统包括2-3个部分：一个气体扩散装置，一个U型的垂直管道，提供一个接触环路，一个泄出气体的收集装置
• 在应用过程中，氧气及泄出气体在进水口以一个混合比率分散。气液混合物从一端进入另一端排出。水流的速度保持在气泡的上升速度之上。当气体-液体混合物移动通过接触环路的同时，流体静力压升高带来溶解氧的增加，促进了氧气的吸收U型管

第102页：U型管效率的影响因素

• 影响U型管纯氧接触系统效率的因素氧气接触管的深度进气速度水的流速气泡分散器的深度进入水中的溶解气体的浓度排出气体的循环利用比率
• 当氧气接触管的深度在25-60米、进水速度在1.8-3m/s，操作成本最低U型管

第103页：U型管的优点与局限

• U型管的优点可以在较低的水压下操作(2-3 m)可以处理水中携带的微粒物质
• 当气液的比率超过25%时，存在断流的可能
• 基础的投资过于庞大。U型管

第104页：低速气泡接触器

低速气泡接触器

• 气泡可以较长时间的保留在接触装置中。但是当溶解氮排出时，有些气体必须被排出
• 气泡接触器的充氧和曝气效率主要决定于水和空气的流动比率相应的溶解气体的浓度气体的排放率锥体的几何形状操作压头

第105页：低速气泡接触器的优点

• 操作压力是由锥体的深度决定的。采用较深的或没入水中的锥体可以增大氧气的吸收比率，降低氮气的排放。
• 低速气泡接触器的优点进水口压力小（1m）结构简单可以处理水中的固体颗粒低速气泡接触器

第106页：测流氧气喷射器

测流氧气喷射器

• 影响效率的主要因素包括：负压腔构造气体和水流速率接触管长度压力喷射器构造
• 一般来讲，工作压力为190-860 kpa，水流速为3.5-4.5m/s，接触时间6-12s，系统中的溶解氧浓度可以超过100 mg/L

第107页：封闭填料塔纯氧接触器

封闭填料塔纯氧接触器

• 构造和优点为气体有效地交换降低水层的厚度
• 影响充氧和曝气因素：喷射管的几何形状分散装置、入水中的溶解气体的浓度气体液体的流动速率内部压力塔的直径

第108页：封闭填充塔的影响因素

封闭填充塔

• 影响填充塔效率的影响因素包括液体分散装置的设计填料的选择塔的深度入水中气体的浓度操作时的压力
• 可以增加水中的溶解氧，同时去除溶解氮。该装置多用于洁净的水体

第109页：封闭立式泵充氧机

封闭立式泵充氧机•影响气体交换的因素：入水中的溶解气体浓度入水中的氧-水比率装置的几何形状推进器的设计转动速操作的深度

第110页：多阶段低压头纯氧接触器

多阶段低压头纯氧接触器

• 结合了喷射塔和填充塔的优点，重复的接触扩大了氧气和氮气的溶解比率，促进了气体交换。由于不需要泵，降低了能源成本和系统瘫痪的风险
• 这一装置的效率由很多因素决定：水和气体的流动比率进入的溶解气体浓度工作的接触室的数量接触室中是否存在填充物

第111页：氧源的类型与性价比

氧源

• 氧源1.气态纯氧2.液态纯氧3.制氧机制氧
• 性价比1.方便，便宜，基础投资高2.方便，较贵，基础投资少3.最为方便，投资高，配套设施多

第112页：充氧量检控

充氧量检控•监控策略和方法1.控制气液混合比通过测定水流量，测定和调节气流量2.自动化控制系统首先测定养殖池出水溶氧浓度，反馈给中央控制器，根据设定的溶解氧浓度，通过电磁阀，自动控制供气阀开启的大小。

第113页：纯氧接触系统设计流程

纯氧接触系统设计流程•基本设计流程1.确定养殖场基本环境因素水温，水流，入流溶解气体浓度，气压。

• 2.确定养殖品种对溶解气体的要求氧气，二氧化碳和氮气3.根据养殖量和养殖场条件估算需氧量4.确定适合供氧量的充氧机类型

第114页：纯氧系统的设计依据

• 设计依据设定一个养殖池为单位，耗氧量为ECOC,平衡式为，(△DO)AB=ECOC+(DOout)RV-(DO)AB
• 相应的溶解氮气的平衡方程式为，(△DN)=[BP+(△Pout)-(DOout)(FO2)-VP]/FN2-DNin纯氧接触系统设计流程

第115页：纯氧系统选择与设计原则

• 纯氧系统选择依据依据纯氧系统的性能和养殖场的特点, (△DO)AB是由几个不同的应用环境因素决定的，包括气压，氧气输送速率，渗透系数
• 设计原则通盘考虑以上因素，减少费用
• 设计方法设计软件利用分压率纯氧接触系统设计流程

第116页：纯氧接触装置的操作特性

纯氧接触装置主要的操作特性

第117页：填充塔设计流程

• 设计目标深度填充类型横截面积使用压力氧气输送速率
• 假定条件1.所有气体在填充塔内是均匀混合的2.(△DO)AB是正值，(△DN)AB是负值填充塔设计流程

第118页：气体渗透系数的修正

• 第一步：选择初始层深度和填充类型并计算气体相应的渗透系数（G）20℃。（G）20℃用温度t，表面活性剂（当α可知时），气体种类Φ来修正：（G）t,i= Φα（G）20℃1.024t-20
• 第二步：应用公式中的(△DO)AB和(△DN)AB，并用步骤一中修正后的（G）t,i值来分别计算塔内溶解氧和溶解氮的饱和浓度：（C*O2）AB=(△DO)AB/ (1-e-(G)t,i)+（DOin）AB（C*N2）AB=(△DN)AB/ (1-e-(G)t,i)+（DNin）AB填充塔设计流程

第119页：填充塔设计流程

填充塔设计流程

第120页：气体局部分压计算

• 第三步：用亨利定律并结合步骤二得出的气体饱和浓度，计算氧气和氮气相位的局部分压PP：PPO2= (C*O2/ BO2KO21000)ABPPN2= (C*N2/ BN2KN21000)AB（Bi Ki1000由表6.1种的温度公式给出）
• 第四步：现在，塔内的总压力可用PPO2，PPN2计算得出（水蒸气的压力VP由表6.1给出）CP = 760 ( PPO2 + PPN2 ) + VP填充塔设计流程

第121页：气相摩尔系数与摩尔流量

• 第五步：计算氮氧的气相摩尔系数(Xi),XO2=（C*O2）AB/（(CP-VP)/760）(BO2KO21000)XN2= 1-XO2
• 第六步：塔内氧的摩尔流速度(QM)O2:(QM)O2=( XO2/ XN2)〔|(△DN)AB|QL/MWN2〕+(△DO)ABQL /MWO2
• 第七步：将氧气的摩尔流速度转变为标准的容量流速度（21.1℃；760mmHg）,用理想气体定律：（QV）O2= 0.0821（QM）O2(273.15°+21.1°)填充塔设计流程

第122页：气液比与塔横截面积

• 第八步：计算有效气液比（G/L）:G/L= (QV)O2/QL
• 第九步：根据水力负荷率和QL符合决定填料塔的横截面积A = QL/(HL60)
• 第十步：建立一个包含AE（氧气渗透效率）和TE（氧气吸收效率）的标准执行指数AE = (△DO)ABQL/ (MW)O2（QM）O2TE = (△DO)ABQL/PW填充塔设计流程

第123页：填充塔设计流程讨论

• 设计的出发点是要知道填料的性能。
• 如果AE和TE不够合理，可以通过改变深度等重复设计计算。填充塔设计流程讨论

第124页：空气接触系统的特性

空气接触系统设计•空气接触系统的特性空气和水接触设备中高气液比确保了气液接触面的氧气含量近似于标准空气（20.946%）。这一特性简化了曝气计算。但也限制了水的溶氧量或饱和浓度。像之前提到的，溶解超饱和气体的水处理将导致气体向周围大气扩散。有意释放可控制TGP过量或个别气体的压力。

• 空气—水接触装置包括：气液接触器，空气源，控制水流或空气流速度的设备。

第125页：空气来源与设备选择

• 空气来源1.水表下空气接触系统要求无油压缩空气。空气压缩需要用到各种设备，包括横膈膜，活塞，旋转叶片，离心机等。虽然设备的选择主要基于空气流和排放压，也要考虑资金成本，维护要求和噪声问题。在压缩过程中空气的温度会增加。同时，水中气体的释放或吸收会改变空气组成。
• 2.空气压缩机排放压由空气排放系统的布局，压力差和空气排放深度等决定的，系统的排放压标准度量很少超过2米水柱。
• 3.空气压缩机的类型包括活塞式和叶轮式等。空气接触系统设计

第126页：监视与控制

• 监示与控制为了与不同的氧气需求相匹配，通过控制设备功率输入（水面搅动设备），水流速度（重力和喷射器）或空气流速（水面下设备）来改变氧气渗透率。目的是节省能源，延长设备寿命。
• 水面搅动设备通过独立的开关来控制。可手动控制，也可通过设定时间或溶氧量用程序控制。
• 循环系统中的水流依整个系统中交换率而定。因此，不提倡通过调节水流速度来控制重力和喷射器性能，除非由独立或侧流泵提供。空气接触系统设计

第127页：空气接触器设计步骤

应用空气接触器的合理方法的设计步骤包括：设定地理条件，明确溶解气体标准，测算气体渗透需求，选择仪器类型和构造。与纯氧接触系统系统设计上的不同1.排水的溶氧浓度应低于标准状况下的溶氧浓度C*O2，避免排出的溶氧浓度接近C*O2,因为会导致AOTR和AAE过低。

• 2.通常空气接触设备以很高的气液比运转，对空气进出水体造成的氮氧组成影响可忽略不计。可以简化设计。空气接触系统设计流程

第128页：排水溶氧浓度的计算

• 第一步：明确反应器送出的水流在排水道的溶氧，内部的溶氧浓度，需要的氧气转移率，DOout = DOin +（(OTR·16,666)/QL）
• 第二步：用亨利定律建立当地的氧的C*值，水温，当地的大气压,β,表6.1给的VP，Bi Ki1000值C*o2 =β{Bi Ki1000[Xi(TP-VP)/760]}立式泵设计流程

第129页：当地氧饱和浓度与标准氧转移率

• 第三步：计算标准的氧气转移率STOR = AOTR/[(βC*o2-DOout/9.07)1.024^(t-20)α]
• 第四步：再选好的混合池中，用搅拌器提供第三步计算出的STOR。
• 第五步：用公式6.12计算搅拌器反应器联合装置的标准曝气效率（SAE）( Kla)20℃ = STOR/ (C*o2) 20℃V10^-3立式泵设计流程

第130页：喷水式曝气机效率比较

喷水式曝气机效率比较

第131页：第二部分曝气系统

第二部分曝气系统

第132页：