海水循环水养殖系统工程优化设计

1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:COD3.5mg/L,TN0.5mg/L,DO8mg/L,总大肠菌群3500个/L。养殖鲆鲽鱼类平均单产30kg/m2,高产池35kg/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COD3.5mg/L,SS7mg/L,NO22N0.1mg/L,DO8mg/L,TN0.5mg/L,PO42P0.1mg/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30kg/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2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1m,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1m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3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20cm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。2m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4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30～35kg/m2,水循环频率一般在2～3h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5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。64.2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7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1400mm,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8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）98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结论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10kg/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