在实验室规模海水循环养殖系统下

在实验室规模海水循环养殖系统下评价泡沫分离器的性能摘要在不同的表面流速和泡沫溢出高度条件下，评价泡沫发生器去除总氨氮、二氧化氮、三氧化氮、总悬浮物、蛋白和磷酸盐的能力。实验室养殖韩国石斑鱼的循环水，泡沫的溢出速度随着表面风速的增加而增加，随着泡沫溢出高度的增加而减少。凝集在泡沫中的各水质变量浓度随着泡沫溢出高度的增加而增加，随着表面空气风速的增加而减少，TSS、蛋白、和磷酸盐的富集因子分别在6.4-39.4，1.6-7.3，1.2-3.9范围内。总氨氮、二氧化氮、三氧化氮的富集因子很低，说明泡沫发生器不能有效去除无机氮。TSS和蛋白的最大日去除量分别为10.9和1.4g。关键词：固体去除；泡沫发生器；表面空气流速；泡沫浓缩物；密集型水产养殖迅速发展。循环水处理系统解决密集型养殖中出现的问题。循环系统的成功建立在有效处理系统中的污染物，最主要是氨和固体。可以把氨转化为低毒性的氨，也可以通过生物滤池去除。一般的固体可以分为两类：悬浮固体和非悬浮固体。封闭养殖系统中的固体主要是细悬浮固体和溶解的有机物。循环养殖系统中悬浮固体的95%的直径都在20微米以下。在循环养殖系统中细的，非设置悬浮固体很难控制，引起很严重的问题。在循环养殖系统中细的悬浮固体能引起鱼类死亡。其他报道表明固体对鱼类健康和鱼鳃功能不利。在循环系统中大量固体的集中将阻塞生物滤池。而且不尽快去除悬浮固体将导致氨的产生和氧的消耗。建议的循环系统中的悬浮固体含量是15mg/L。泡沫发生器在水处理系统中被用于去除固体和过量的养分。他是一种气/液界面现象，通过向水体通入空气或气体产生泡沫使固体和过量的养分以从系统中有效去除。影响泡沫发生器效率的主要因素包括水力停留时间、泡沫的大小、空气的流速、扩散深度、泡沫溢出高度和泡沫发生器自身的配置。对于一个配置好的泡沫发生器来说，影响因素是气体流速，水流速和泡沫溢出高度。很多研究评价泡沫发生器的性能，但是这些研究使用人工废水或者只局限于有限的参数。他们的研究对于水产养殖的指导应用很不灵活。Weeksetal.(1992)调查了泡沫发生器去除循环养殖系统中养鱼水中的悬浮物和溶解性固体的灵活性，和基于泡沫分离装置性能的不同操作因素的影响。SuhandLee(2019)在一个模拟的养殖系统中通过持续的泡沫分离器评价TSS,NH3,TP,和TN，去除效率并得出结论泡沫分离器在水产养殖中的应用是可行的。最近，Suhetal.(2019)在一个试点养殖罗非鱼的着重去除蛋白，TSS,和COD的循环养殖系统中评价泡沫分离器的性能。但是这些研究都是在淡水养殖系统中。泡沫分离过程在海洋应用中是有效的（HugueninandColt,1989)。在海水养殖系统中泡沫发生器的性能需要再研究。目前的研究，已经在韩国石斑鱼实验室规模的循环养殖系统中不同的泡沫溢出高度、空气流速、和水流速等方面，评价泡沫发生器在去除固体，蛋白和其他可溶性物质方面的性能（Sebastesschlegeli）。材料与方法1.1循环养殖系统循环养殖系统由一个养殖池（体积，0.8m3)和从养殖池中排出的含少量固体的水在进入水池之前先经过两个磁珠滤波器，流出多余的水在回到池中，水再从池中用泵抽回到养殖池，流回养殖池的流速通过旁路系统控制，旁路系统的出水直接流入泡沫分离器。从养殖池中流出的固体含量高的出水进入沉定池，脱氮沙滤池连接着沉淀池。沉淀池中多余的水流到水池中，通过进料泵向养殖池中加碳酸氢钠以补偿PH。用鼓风机向养殖池中补充氧和启动泡沫发生装置。表1是这套系统的具体参数。这套系统在放养之前不停地用人工合成的废水调控2个月。2019.11.12向养殖池中放养平均鱼重为132.8g的总重量为20Kg（130条）的韩国石斑鱼。每天投饲率为总鱼体重量的1~1.5%。日换水率为整个系统水量的3%。表示了目前试验所用的泡沫发生器的示意图。泡沫发生器是由直径为20厘米，高为120厘米的压克立管组成。出水孔在下，进水孔在上。这样在泡沫发生器内形成一个逆流模式。孔径40毫米的聚乙烯膜固定在100厘米高处用于泡沫收集。泡沫溢出高度通过改变连接在膜上的管来控制。收集管顶部溢出的泡沫通过真空泵收集。空气分布状态系统包括鼓风机，一个压力调节器和一个空气流量计。两个直径3.2厘米长9厘米的气石被用作驱散气泡。这种气石通常被用作水产养殖系统中，而且被认为是一种粗空气石。1.2泡沫发生系统和实验过程设置泡沫分离器的水力停留时间为2min，3种不同的表面空气流速0.743、1.114、1.486cm/min，4个不同的泡沫溢出高度1、3、5、7cm。在本研究中没有评价不同水力停留时间下泡沫分离器的性能。Weeksetal.(1992)的研究表明在淡水养殖系统中通过泡沫分离器的水流量不能影响大量固体的去除。此外，水通过旁路系统进入分馏塔，分馏塔主要是调节进入养殖池水流速率的而不是泡沫发生器。1.3采样和分析收集实验室循环养殖系统运行两个月之后的泡沫发生器内的泡沫凝集样本。收集足够分析的泡沫样本，重新调控操作因子为下一次实验做准备。操控因子的每一个组合的样品都收集，分析，重复三次。每一次检测，养殖池内样本也收集。按照Lowryetal.(1951)中的方法进行蛋白质分析，这种测定方法适用于蛋白质浓度低的样品。是把牛血清白蛋白粉末溶解到氯化钠溶液中得到的溶液作为蛋白标准。TSS按照标准方法（APHA,2019)测定。滤纸用20毫升蒸馏水冲洗6次以去除滤纸上的盐分。总氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷酸盐用Strickland和Parsons(1972)描述的方法进行分析。数据被表示为每个参数的富集因子。富集因子被定义为泡沫凝集的值跟在养殖池内相应值的比率。2结果与分析下图表示出了试验期间的养殖系统水质参数的平均值和范围。总氨氮和亚硝态氮浓度低而且在比较完善的循环养殖系统中报道的范围之内。下图表示不同表面流速和泡沫溢出高度下凝集在泡沫内的TSS富集因子。在低的表面空气流速为0.743cm/sec的情况下凝集的泡沫中的TSS的浓度在不同的泡沫溢出高度下的不同是显著的。在每个不同的表面流速下TSS的浓度都是随着泡沫溢出高度的增加而增加。表明泡沫溢出高度对TSS浓度的巨大影响。而且这个影响在低的表面空气流速的作用更大。同样在每一个泡沫溢出高度处，TSS的浓度随着表面空气流速的增加而增加。TSS富集因子的范围是6.4-39.4。Weeksetal.(1992)发现TSS的富集因子在17-40之间，而且证明泡沫凝集中的TSS浓度改变的趋势与表面空气流速（SVA)和泡沫溢出高度改变的趋势是一致的。Chenetal.(1993b)也发现在淡水养殖系统中TSS的富集因子在10以上。这些结果表明凝集在泡沫中的TSS是大量的。图4表示的是不同泡沫溢流高度和SAVs对凝聚在泡沫中的蛋白浓度的影响。蛋白富集因子的范围是1.6-7.3。这些值比TSS富集因子的值低。而且，凝集在泡沫中的蛋白浓度在每个SAVs下随着泡沫溢出高度的增加而增加，通过富集因子可以得出在每一个泡沫溢出高度下高的SAV导致凝集在泡沫中的蛋白浓度较低。溢出高度对富集因子的影响在低水平的SAV下更大。这些低富集因子表明并不是所有的通过此种方法检测到的蛋白都是具有表面活性的。Chenetal.(1993c)报道，一般而言，检测到的总蛋白只有11%具有表面活性。活性P富集因子同TSS和蛋白一样具有相同的趋势（图5)。P富集因子值的范围在1.2-3.9之间。然而在高的泡沫溢出高度处凝集在泡沫中P的浓度的差异没有TSS和蛋白中的显著。Hussenotetal.(2019)也发现泡沫发生器在聚集可溶性矿物质方面是有效的，比如说P。凝集在泡沫中的TSS、蛋白和P随着SAV的增加而减少的原因是在高的SAV条件下泡沫以较快的速度被扫出，这样无法将多余的水分排出泡沫。高的溢出高度增加了泡沫发生器排出泡沫的时间，而且增加了泡沫排水的时间。在低的泡沫溢出高度下凝集泡沫中的TSS、蛋白和P的浓度是显著较低的，这就意味着在低的泡沫溢出高度下产生的泡沫浓度稀释了。图6-8表示总氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮富集因子。对于所有的处理，总氨氮富集因子没有显著的差异。相对而言在每个SAV条件下，不同泡沫溢出高度的亚硝态氮富集因子具很大的不同。而且高的SAV条件下亚硝态氮富集因子低。硝态氮富集因子的变化趋势和亚硝态氮富集因子的变化趋势相同。然而，和TSS的富集因子相比较总氨氮、亚硝态氮和硝态氮的富集因子较低。结果表明泡沫发生器不是去除溶解性无机物质的有效方式。Spotte(1979)报道说在常见的PH范围内泡沫发生器不能减少水族箱中的氨。Hussenotetal.92019）也发现在海洋水产养殖系统中总氨氮、亚硝态氮、硝态氮的富集因子很低。然而Suh和Lee(2019)在模拟的水产养殖系统中泡沫发生器对总氨氮和亚硝态氮有较高的去除率而且泡沫发生器是去除总氨氮和亚硝态氮的有效方式。这主要是因为他们试验中的不同的操作因子，特别是在他们的试验中使用小尺寸的泡沫分馏和高的水力停留时间和SAV。有迹象表明小尺寸变化和操作参数的不同对性能有很大的影响（Know，1971；HugueninandColt,1989).。表3总结了泡沫溢出率，计算出泡沫发生器中每天TSS、蛋白的去除量。总氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷的每天去除量没有在表中显示出来因为检测值很低。这表明泡沫发生器对这些物质的去除是低效的。在每个SAV下泡沫溢出率随着泡沫溢出高度的增加而减少。当比较相同的溢出高度时高的SAV处理比低的SAV处理的泡沫溢出率高。高的SAV处理中泡沫溢出高度对泡沫溢出率的影响比低的SAV处理中的影响大。较低泡沫溢出高度处理的泡沫溢出率比较高溢出高度处理的高而且在高的SAV处理中也是特别明显的。Weeksetal.(1992)在淡水养殖系统中也发现相同的趋势。尽管在高泡沫溢出高度条件下凝集泡沫中TSS的浓度和蛋白的浓度较高，计算的这些变量的日去除率很大程度上受泡沫溢出率的影响。和高的泡沫溢出高度处理相比，这些变量在低的泡沫溢出高度处理条件下有更好的去除率。结果表明与养殖水相比泡沫凝集中使用最小溢出高度的数据变量只会引起轻微的泡沫集中，高的泡沫溢出高度可能产生极大地泡沫集中，但是泡沫的产生率极低。对于泡沫发生器应用于水产养殖的生产实践，为减少废水的排放不应该使用极低的泡沫溢出高度（比如1cm高度）和高的SAV结合。然而，应该选择操作因子以满足其结果的需求，比如小的废水处理体积或者变量的最大去除率。总结，评价实验室循环养殖韩国石斑鱼系统中不同表面空气流速和泡沫溢出高度下泡沫发生器去除总氨氮、亚硝态氮、硝态氮、TSS、蛋白和p的性能。泡沫溢出率随着表面空气流速的增加而增加，随着泡沫溢出高度的增加而减少。这种趋势在高的表面空气流速试验条件下更显著。凝集在泡沫中的各水质变量的浓度随着表面空气流速和泡沫溢出高度的增加而增加。低的泡沫溢出高度导致凝集泡沫稀释。TSS、蛋白、P的富集因子分别在6.4-39.4、1.6-7.3、1.2-3.9之间。获得的总氨氮、亚硝态氮、硝态氮的富集因子较低，这表明泡沫发生器在去除可溶性的无机营养素方面不是有效地方式。计算得出的TSS和蛋白的日最大去除率分别为10.9和1.4g。因此泡沫发生器对处理凝集在泡沫内的固体是有效的。然而根据作者的观察，尽管通过0.45微米的滤纸过滤，固体仍然留在滤液里。因此详细分析凝集在泡沫中固体的粒径分布有助于准确评价泡沫发生器可以去除的固体的种类。而且海水循环养殖系统中泡沫发生器性能数据的缺乏使得很难解释目前试验得到的数据，而且由于泡沫发生器的管理和尺寸的不同会造成在本实验的实践数据不能应用于其他的水产养殖系统。Thankyou!