1、海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)杜守恩1, 曲克明2, 桑大賀3( 1 中國(guó)海洋大學(xué), 青島; 2 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所, 青島;3杭州大賀水處理設(shè)備有限公司, 杭州)摘要: 設(shè)計(jì)并建設(shè)了海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程, 研發(fā)出水處理設(shè)施與設(shè)備, 包括: 綜合生物濾池、全自動(dòng)微濾機(jī)、蛋白質(zhì)分離器、渠道式紫外線消毒器、管道溶氧器、多點(diǎn)在線自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等, 并進(jìn)行養(yǎng)殖生產(chǎn)。主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到: COD 3. 5mg/L, TN 8mg/L, 總大腸菌群 3 500個(gè)/L。養(yǎng)殖鲆鰈魚類平均單產(chǎn)30 kg/m2, 高產(chǎn)池35 kg/m2。關(guān)鍵詞: 海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng); 養(yǎng)殖工程; 水處理設(shè)備海水循

2、環(huán)水養(yǎng)殖是工廠化養(yǎng)殖的一種先進(jìn)形式, 它是以工業(yè)化手段主動(dòng)控制水環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)供給, 可以全年連續(xù)生產(chǎn), 具有節(jié)水、節(jié)能、餌料系數(shù)低、高密度健康養(yǎng)殖的特點(diǎn), 并對(duì)海區(qū)環(huán)境不產(chǎn)生污染。項(xiàng)目組通過多年的研究與開發(fā), 優(yōu)化設(shè)計(jì)了取水構(gòu)筑物、循環(huán)水生產(chǎn)工藝、節(jié)能型綜合生物濾池等系統(tǒng)工程, 并開始向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工程主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到: 水質(zhì)COD 3.5 mg /L, SS 7 mg /L, NO22N 8mg/L, TN0.5 mg /L, PO42P 0.1mg/L, 總大腸菌群3500個(gè)/L; 水利用率大于95%; 養(yǎng)殖鲆鰈魚類平均單產(chǎn)30 kg /m2 (池內(nèi)有效水深0.8m),高產(chǎn)

3、試驗(yàn)池達(dá)到35kg/m2。1 養(yǎng)殖場(chǎng)水源取水構(gòu)筑物目前我國(guó)沿海近岸海水一般受到不同程度工農(nóng)業(yè)及淺海超量養(yǎng)殖的污染, 水質(zhì)較差, 病害傳播嚴(yán)重。因此, 在陸基建設(shè)的循環(huán)水養(yǎng)殖場(chǎng), 一般不直接取近岸漲落潮水, 而是設(shè)計(jì)不同類型的取水構(gòu)筑物進(jìn)行初級(jí)水處理。但修筑取水構(gòu)筑物應(yīng)符合當(dāng)?shù)睾Ｋ盟挠嘘P(guān)規(guī)定, 同時(shí)應(yīng)取水樣、土樣化驗(yàn)分析, 水質(zhì)達(dá)到海水養(yǎng)殖用水標(biāo)準(zhǔn), 土質(zhì)適合修建取水構(gòu)筑物的基本條件。然后根據(jù)海區(qū)地形、高程、底質(zhì)、水文、氣象等資料, 設(shè)計(jì)不同類型的取水構(gòu)筑物。1.1 滲水型蓄水池滲水型蓄水池是在潮間帶或潮上帶,底質(zhì)是滲水性的砂土或砂壤土類, 用堤壩圍成的蓄水池,并將池底挖深到大潮低潮位高程以

4、下不少于3m,堤壩頂高程一般取平均高潮位以上1 m, 大風(fēng)浪高潮位海水不能進(jìn)入池內(nèi)。堤壩可設(shè)計(jì)為土質(zhì)壩、石砌壩或混凝土壩, 蓄水量應(yīng)根據(jù)滲水量和一個(gè)養(yǎng)成周期的用水量確定。水的來源是海水通過地下砂土或砂壤土的滲流進(jìn)入池內(nèi), 水通過砂濾、生物過濾在池內(nèi)貯存?zhèn)溆? 同時(shí)池水在貯存過程中具有沉淀作用, 在陽光照射下具有消毒殺菌的作用, 水質(zhì)較好。滲水型蓄水池隔絕外海水直接進(jìn)入蓄水池, 避免了赤潮、周邊環(huán)境的污染與病害的傳播; 并且海水通過地下土壤的滲流, 在冬、夏季還具有調(diào)節(jié)水溫的作用, 節(jié)約能源。1.2 反濾層大口井反濾層大口井是在海區(qū)的潮上帶開挖大口徑土池, 深度在大潮低潮位高程以下不少于3m,用

5、塊石砌成直徑大于1 m的大口井, 井的周圍用碎石、卵石、粗砂及細(xì)砂材料布置反濾層滲水區(qū)。若底質(zhì)土壤滲水性能較差, 可從大口井周圍向外輻射布置48根直徑為150200mm的反濾層滲水管, 管長(zhǎng)根據(jù)需水量和底質(zhì)土壤性質(zhì)而定, 一般不少于10m, 管頭外端封閉, 管道上間隔布置進(jìn)水孔; 進(jìn)水孔周圍布置砂、石反濾層, 或敷設(shè)篩絹,上面回填砂石、泥土, 與地面齊平。反濾層大口井貯水空間大, 反濾層的砂、石可以看成是砂濾層和生物膜的載體,起到物理及生物過濾的作用。另外,反濾層大口井因貯水在大潮低潮位高程以下,冬、夏季具有調(diào)節(jié)水溫的作用, 是一種既能處理海水又節(jié)約能源的取水構(gòu)筑物。2 節(jié)能型養(yǎng)殖車間設(shè)計(jì)養(yǎng)殖

6、車間的作用是防風(fēng)雨、保溫、調(diào)光,為養(yǎng)殖對(duì)象提供最佳生長(zhǎng)繁殖的生態(tài)環(huán)境。一般設(shè)計(jì)為低拱溫室型, 屋面雙層, 外層采用透光率較高的聚脂膜或玻璃鋼材料, 內(nèi)層采用保溫板,光帶采光。車間根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模可設(shè)計(jì)為單跨、雙跨或多跨, 單跨車間寬度一般不大于18m,長(zhǎng)30 50m。車間地面為20 cm厚鋼筋混凝土, 墻體設(shè)計(jì)立柱和圍梁, 魚池建在混凝土基礎(chǔ)的地面上。車間外墻加保溫層, 窗戶裝雙層空心保溫玻璃。鲆鰈魚類養(yǎng)殖池一般采用圓形的機(jī)磚結(jié)構(gòu),池深0.81.0m,水深0.60.8m,面積3540m2,池底為錐形。2 m水深的養(yǎng)殖池應(yīng)設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。3 海水循環(huán)水養(yǎng)殖工藝流程海水循環(huán)水養(yǎng)殖工藝流程一般分外

7、循環(huán)水和內(nèi)循環(huán)水兩部分。外循環(huán)是全場(chǎng)污水處理系統(tǒng), 魚池排污水、車間及其它地方的污水集中流入全場(chǎng)排污水處理系統(tǒng)的微濾機(jī), 過濾水進(jìn)入綜合處理池、生態(tài)處理池, 經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排入海中。外循環(huán)系統(tǒng)微濾機(jī)排污水流進(jìn)沉淀池, 定期排水后取沉淀污泥進(jìn)行干化處理。內(nèi)循環(huán)是指魚池排出的循環(huán)水流入內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的微濾機(jī),水經(jīng)過濾后進(jìn)入低位池,通過循環(huán)泵提水進(jìn)入高位綜合生物濾池，初流出的水應(yīng)首先流入綜合生物濾池，以便有豐富的營(yíng)養(yǎng)，供池內(nèi)生物生長(zhǎng)；然后微濾機(jī)蛋紫溫管道溶氧魚池。經(jīng)生物處理后自流進(jìn)入蛋白質(zhì)分離器、渠道式紫外線消毒器、調(diào)溫池、管道溶氧器及魚池; 同時(shí)水泵從海邊的取水構(gòu)筑物提水到低位水池,補(bǔ)充內(nèi)循環(huán)用水。內(nèi)循

8、環(huán)系統(tǒng)每級(jí)水處理設(shè)施都在多點(diǎn)在線自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制之下運(yùn)行,確保進(jìn)入魚池水的水質(zhì)(圖1)。若養(yǎng)殖規(guī)模較大, 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)可分為若干個(gè)獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng),有一定靈活性,方便生產(chǎn)管理與水質(zhì)監(jiān)測(cè), 一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生問題不會(huì)影響其它系統(tǒng)。系統(tǒng)水循環(huán)的頻率不能太高或太低, 太高循環(huán)泵耗電較大, 太低魚池水質(zhì)不能保證。系統(tǒng)中的水循環(huán)頻率在一定的水處理設(shè)施、養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖密度下有一個(gè)經(jīng)濟(jì)頻率, 經(jīng)濟(jì)頻率一般通過養(yǎng)殖生產(chǎn)試驗(yàn)確定。在上述水處理設(shè)施下, 鲆鰈魚類養(yǎng)殖密度在3035 kg/m2, 水循環(huán)頻率一般在23 h循環(huán)1次為宜。圖1 內(nèi)循環(huán)水工藝流程圖4 綜合生物濾池設(shè)計(jì)海水循環(huán)水養(yǎng)殖,魚池排出的污水一般總氮(TN)

9、不高于2mg/L, COD不高于15mg/L, 應(yīng)屬于微污染海水。微污染海水中的有機(jī)物含量較低, 提供給微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物含量也較低,形成的生物量相對(duì)減少, 對(duì)水中有機(jī)物的降解作用有所減弱。在微污染海水生物膜處理中, 一般不能按高濃度污染水的處理方法設(shè)計(jì),如何提高對(duì)微污染海水的處理效果是一個(gè)值得研究的問題。因此,項(xiàng)目組對(duì)海水循環(huán)水養(yǎng)殖排出的微污染水,提出了生物膜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的節(jié)能型綜合生物濾池及蛋白質(zhì)分離器加臭氧氧化的處理工藝。4.1 生物膜水處理工藝穩(wěn)態(tài)運(yùn)行從理論上講,生物膜水處理工藝分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種運(yùn)行方式。穩(wěn)態(tài)工藝是生物膜隨時(shí)間變化沒有凈增長(zhǎng)或凈死亡的變化, 而非穩(wěn)態(tài)生物膜正好相反。就穩(wěn)

10、態(tài)工藝而言,水中基質(zhì)含量在一定時(shí)間內(nèi)不變或變化很少,生物膜生長(zhǎng)和自身氧化得到一個(gè)穩(wěn)態(tài)生物厚度, 并維持了一定的出水基質(zhì)含量, 也就是說,在一定的生物量下,不能任意變化處理水的能力。而非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是依靠生物的一種應(yīng)激性反應(yīng),當(dāng)微生物前期處于相對(duì)較高的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中, 生物膜生長(zhǎng)很好；當(dāng)進(jìn)水基質(zhì)含量減少后，微生物為維持自身生長(zhǎng)的需要，就會(huì)發(fā)揮全部潛力, 快速攝取營(yíng)養(yǎng)水中的有機(jī)物，從而被處理微污染水的有機(jī)物含量會(huì)降到較低水平。雖然生物膜水處理非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效果較好，且可深度處理，但生物載體需間斷性的在高含量有機(jī)物水環(huán)境中培養(yǎng)微生物，再運(yùn)到生物濾池處理微污染水，這給生產(chǎn)管理帶來負(fù)擔(dān)，并且修建微生物培養(yǎng)池又加大了

11、工程投資，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)中不采用生物膜水處理工藝非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。4.2 綜合生物濾池節(jié)能設(shè)計(jì)首先將綜合生物濾池建在太陽能溫室車間，室內(nèi)屋頂安裝調(diào)光天幕。在北方的冬季，太陽能溫室車間生物濾池的水溫, 比較一般車間，一晝夜可升高2左右, 室內(nèi)氣溫高于一般車間58,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能大量節(jié)約能源。若條件允許, 安裝大型太陽能熱水器更佳。綜合生物濾池的標(biāo)高設(shè)計(jì)為內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的高位，濾池的出水自流進(jìn)蛋白質(zhì)分離器、紫外線消毒器、調(diào)溫池、管道溶氧器及魚池。合理設(shè)計(jì)各設(shè)備設(shè)施之間的水頭, 可節(jié)約循環(huán)水泵的動(dòng)能。4.3 生物濾池生物多樣性設(shè)計(jì)一般生物濾池只采用微生物處理海水，而綜合生物濾池采用多種生物共存的生物多樣性水處理

12、工藝。濾池一般設(shè)計(jì)為池深2. 2m，水深2.0m，池寬2.53.0m。長(zhǎng)度分段的流水池,上層吊養(yǎng)大型藻類, 如馬尾藻、江籬、石莼等, 其中粗江籬較好, 是多年生的暖溫帶大型紅藻, 高2050cm。江籬不但能處理和調(diào)控水質(zhì), 而且定期收獲還有一定的經(jīng)濟(jì)效益。下層吊裝或堆放生物載體, 通過生產(chǎn)性試驗(yàn),聚丙烯絲制作的輻射形刷狀生物載體、片狀結(jié)構(gòu)球形生物載體較好。筆者認(rèn)為, 生物載體不能單純追求比表面積, 應(yīng)通過生產(chǎn)性試驗(yàn)進(jìn)行選用, 不但考慮比表面積和水處理效果, 還應(yīng)考慮有利于生物膜的生長(zhǎng)和生產(chǎn)管理的方便。綜合生物濾池養(yǎng)殖大量海水植物,利用植物光合作用吸收水中氨氮等營(yíng)養(yǎng)鹽, 增加水中溶氧,并調(diào)控水質(zhì)

13、。同時(shí)在濾池的生物載體中引入微生物群落,起到養(yǎng)魚水環(huán)境的生物修復(fù)作用, 發(fā)揮多種方式水處理的功能。綜合生物濾池的有效水體數(shù)應(yīng)根據(jù)采用的工藝流程、水處理設(shè)備、養(yǎng)殖的品質(zhì)、密度、水循環(huán)頻率等, 通過試驗(yàn)確定。筆者認(rèn)為, 不能用處理高濃度污水的某方法或計(jì)算設(shè)計(jì)生物載體量來確定有效水體, 并且不取設(shè)計(jì)安全系數(shù)。用上述方法設(shè)計(jì)的有效水體往往偏少,因?yàn)槲⑽廴竞Ｋ蒙锓ㄌ幚碛兴奶厥庑? 必須通過生產(chǎn)性試驗(yàn),全面綜合分析研究確定有效水體。綜合生物濾池的有效水體, 在配備較好水處理設(shè)備的工況下, 一般不少于養(yǎng)殖水體。5 全自動(dòng)微濾機(jī)新型全自動(dòng)微濾機(jī)是根據(jù)海水循環(huán)水養(yǎng)殖特點(diǎn)自行研制的產(chǎn)品,采用120150目不

14、銹鋼篩網(wǎng)過濾, 去除水中懸浮物, 包括浮游動(dòng)植物、殘?jiān)轲D等。主要技術(shù)指標(biāo): 濾鼓直徑1400 mm, 濾鼓長(zhǎng)度1700mm,電機(jī)功率0.9kW,處理水量400m3 /h。微濾機(jī)的主要特點(diǎn):重量輕,噪聲低,耐海水腐蝕,使用壽命長(zhǎng),消耗電少, 價(jià)格低廉, 水位和反沖洗自動(dòng)控制。該微濾機(jī)在不銹鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 通過試驗(yàn)采用工程塑料構(gòu)件, 并設(shè)計(jì)了新型氣、水反沖洗裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng), 使整機(jī)重量大大減輕, 耐海水腐蝕能力增強(qiáng), 使用壽命是傳統(tǒng)微濾機(jī)的23倍,價(jià)格是國(guó)外同類產(chǎn)品的三分之一。6 蛋白質(zhì)分離器蛋白質(zhì)分離器是自行研制的新型水處理設(shè)備,適用于海水循環(huán)水養(yǎng)殖, 系列產(chǎn)品有50, 100,150m

15、3 /h。蛋白質(zhì)分離器去除氨氮和有機(jī)物質(zhì),主要是利用泡沫分離和臭氧氧化反應(yīng)原理。泡沫分離是將水中的有機(jī)物在未分解成氨氮之前, 從水中分離出去; 臭氧氧化是向蛋白質(zhì)分離器中加入臭氧,通過臭氧的強(qiáng)氧化作用, 去除有機(jī)物質(zhì)。（？）與蛋白質(zhì)分離器配套的臭氧發(fā)生器選用以純氧為氣源的發(fā)生器為宜, 純氧可來自液氧罐或制氧機(jī)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)證明,向蛋白質(zhì)分離器加入臭氧殺菌效果較理想, 同時(shí)又能增加水體的溶解氧,是既經(jīng)濟(jì)又安全的新技術(shù)。由于新型蛋白質(zhì)分離器裝有臭氧尾氣回收裝置, 殘余臭氧不會(huì)影響?zhàn)B殖魚類的正常生長(zhǎng),因而不需要附加設(shè)備處理殘余臭氧。7 渠道式紫外線消毒器渠道式紫外線消毒器是將數(shù)支高強(qiáng)度紫外線殺菌燈管

16、(德國(guó)產(chǎn))設(shè)計(jì)成模塊, 配套相應(yīng)高位、低位進(jìn)出水的分段渠道, 將燈管模塊直接安裝在渠道的水流中, 渠道頂部安裝特制的反光板, 水流在渠道(暗溝)中呈波浪式的起伏運(yùn)動(dòng)，使水體與燈管充分接觸,從而提高了消毒能力。燈管模塊的數(shù)量可根據(jù)循環(huán)水量的大小、渠道的長(zhǎng)短、水處理效果等綜合分析確定。渠道式紫外線消毒器比傳統(tǒng)封閉式消毒器效率高, 成本低, 流量大, 維修方便, 細(xì)菌去除率為95% 99%。渠道式紫外線消毒器安裝在蛋白質(zhì)分離器之后, 根據(jù)水中有害細(xì)菌量的多少可間斷開啟。（頻繁開關(guān)會(huì)影響燈管的壽命）8 管道溶氧器管道溶氧器是在溶氧罐的基礎(chǔ)上自行研制的大型溶氧設(shè)備, 比溶氧罐效率高,氧氣利用率為99%,水中溶解氧可達(dá)1020mg/L。設(shè)備直徑500mm,單臺(tái)流量為150m3/h。從制氧機(jī)或液氧罐輸出的氧氣,通過安裝在管道溶氧器端部的文丘里射流器, 進(jìn)入溶氧器的氣水混合室進(jìn)行混合增氧,混合氣水再經(jīng)螺旋式混合器充分混合。在溶氧器的頂部設(shè)有尾氣回收裝置, 對(duì)未溶解的氧氣進(jìn)