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淡水工廠化循環水健康養殖技術介紹

2019-7-23 13:08| 發布者: 御城雪| 查看: 54693| 評論: 0|來自: 農業農村部、中國農技推廣平臺

摘要: 中國水產頻道報道,我國工廠養殖目前受水處理成本的壓力,仍主要以流水養殖、半封閉循環水養殖為主,真正意義上的全封閉循環水養殖企業較少。
  中國水產頻道報道,

  淡水工廠化循環水健康養殖技術介紹


  一、技術概述

  (一)技術基本情況

  我國工廠養殖目前受水處理成本的壓力,仍主要以流水養殖、半封閉循環水養殖為主,真正意義上的全封閉循環水養殖企業較少。流水養殖和半封閉養殖方式產量低(單位水體產量10~15千克/米2·年)、耗能大、效率低,與先進國家技術密集型的循環水養殖系統相比,在設備、工藝、產量(先進技術的產量達100千克/米2·年以上)和效益等方面都存在著相當大的差距。

  淡水工廠化循環水養殖設施技術領域已具有一定的應用水平,在系統的循環水率、系統輔助水體的比率等關鍵性能方面基本接近國際水平,但是在生物凈化系統的構建、凈化效率和穩定性、系統集成度、系統穩定性等方面還存在著的差距。

  目前已經在廣東、新疆、重慶、湖北、上海等地建立了多個工廠化循環水養殖示范基地,示范面積達到6000多平方米,并將研究得到的成果成功應用于循環水養殖系統的構建中,取得了良好的收益。

  (二)增產增收情況

  1. 經濟效益

  每套水處理系統服務300立方米養殖水體,年產達100kg/m3以上,可年產30噸優質商品魚,產值達180萬元,毛利潤達40萬元,則100套系統可年產3000噸,年產值18000萬,年利潤4000萬元,經濟效益十分可觀。

  2. 社會、環境、生態效益

  本項目成果可以使得產出1千克魚的能耗降低20%以上,每千克魚的耗電小于2.5度,大幅度降低循環水工廠化養殖系統的運行管理成本,達到可廣泛推廣應用水平。同時,相同規模的工廠化循環水養殖設施系統與池塘養殖系統相比可以減少10%~20%的土地以及8~10倍的養殖用水,并不再兌水域生態環境造成影響,可以實現很高的生態效益。

  二、技術要點

  1. 轉鼓式微濾機

  傳統的轉鼓式微濾機存在篩網網目大小選擇不合理的問題,顆粒物在接觸細篩時,會長時間翻滾摩擦造成破碎,產生難去除的微小顆粒。同時存在傳動效率低,反沖洗效果欠佳等問題。我研究室研發人員根據養殖水的特點,在對循環水養殖水體中顆粒物粒徑分布規律研究的基礎上,對濾網網目與去除效率、反沖洗頻率、耗水耗電等關系進行了實驗研究。研究表明,200目濾網處于目數與去除率、電耗關系曲線的拐點,是技術經濟綜合效果的最佳點。在結構優化方面,轉鼓采用低阻力的中軸支撐結構,配置二級擺線針輪減速驅動。研究開發出能根據篩網阻塞程度智能判斷的反沖去污裝置。形成了WL型智能型轉鼓式微濾機的系列產品。通過結構升級優化,顯著提高了微濾機的節水節點性能,對60微米以上懸浮顆粒物的去除效率達80%以上,每處理100噸水耗電小于0.3kW?h。設備不僅提高了水處理能力、而且降低了運行能耗,與現有設備相比,去除率提高20%,耗電節省45%以上。生產應用中,該設備運行穩定、可靠。該設備已達國內先進技術水平,并實現了出口。

  圖1 轉鼓式微濾機

  2. 生物凈化設備

  2.1 導流式移動床生物濾器

  移動床生物濾器是20世紀80年代后期,由挪威的M.Kaldnes和SINTEF研究機構合作開發的技術。該技術采用生物膜接觸法,通過濾料表面附著生長的硝化細菌和亞硝化細菌群來降解水體中的氨氮、亞氮等有害有毒物質,凈化水質。由于使用的浮性顆粒濾料,在劇烈鼓風曝氣作用下,能夠與水呈完全混合狀態,微生物生長的環境為氣、液、固三相。養殖回水與載體上的生物膜廣泛而頻繁地接觸,在提高系統傳質效率的同時,加快生物膜微生物的更新,保持和提高生物膜的活性。與活性污泥法和固定填料生物膜法相比,移動床生物過濾器既具有活性污泥法的高效性和運轉靈活性,又具有傳統生物膜法耐沖擊負荷、泥齡長、剩余污泥少的特點。

  根據移動床生物濾器結構及工作特點,并結合近年來的相關研究成果,對其進行結構優化和流態分析,使其充分滿足循環水養殖的水處理使用要求。在結構優化方面,由于傳統移動床生物濾器存在濾料運動不均勻、易出現較大運動死角等弊端,項目組在其腔體內引入了導流板,將反應器分隔成2個區:提升區和回落區,在提升區底部安裝有曝氣裝置,從而引導濾器中水體更好的循環流動,以提升過濾效率。該新型導流式移動床生物濾器的具體尺寸為:長度為1米,高度為1.4米,寬度為0.5 米,有效水深為1.2米,升流區與降流區面積比為3/4,導流板底隙高度為0.25米,導流板上方液面高度為0.35米,反應器四角倒成斜面以方便水體循環。在結構確定以后,進一步對導流式移動床生物濾器的內部水流流態進行分析,采取的方式是利用計算流體力學軟件FLUENT對其進行二維流態模擬,結合濾料掛膜最佳水流速度的相關知識,將模擬曝氣速度優化為0.6 米/秒,此時反應器中最高有效流速為0.3 米/秒,最低有效流速為0.06 米/秒,渦流區域的面積約占10 %,可最大化的保證反應器的生物處理效率。

  濾料選擇帶外脊的空心柱狀PE材質生物濾料,比重為0.95。結果顯示:在填充率為40%,進水氨氮濃度為2 毫克/升,水力停留時間為15分鐘,曝氣速度為0.6 米/秒的初始條件下,反應器運行30天后其濾料內表面的實際平均掛膜厚度為80微米,氨氮去除率達到了25%,水質凈化效果良好,完全達到推廣使用要求。

  圖2 導流式移動床生物濾器

  2.2 沸騰式移動床生物濾器

  沸騰式移動床生物濾器根據移動床生物過濾技術基本原理設計研發的另一種新型生物濾器。區別于導流式移動床生物濾器采用矩形反應器單側曝氣的結構形式,它創新地采用了圓形反應器。內部設計成為2個反應區,分別為沸騰區和降流區。沸騰區底部設置環形布氣槽,在劇烈曝氣條件下濾料上升移動,到達降流區后由于在水流的帶動下逐步下沉到反應器底部,形成一種相對穩定的運動狀態。此次選用的濾料為PE材質的空心柱狀濾料,比重為0.95,比表面積500㎡/m3,濾料填充率40-50%。實驗研究結果表明,在氣水比(氣體流量和水流量的比值)1:2條件下,沸騰式移動床生物濾器的氨氮處理效率能夠達到30%以上。

  圖3 沸騰式移動床生物濾器

  3. 低壓溶氧技術及設備

  低壓純氧混合裝置主要是根據氣液傳質的雙模理論,通過連續、多次吸收來提高氧氣的吸收效率。該裝置的工作流程為:水流經過孔板布水并形成一定厚度的布水層,以滴流形式進入吸收腔。吸收腔被分割成了數個相互串聯的小腔體,提供了用以進行氣液混合的接觸空間。整個裝置半埋于水下,使吸收腔密閉,水流從各個吸收腔底部流出。氣路方面,純氧從側面注入,并從最后一個吸收腔通過尾氣管排出吸收腔。

  在基于上述理論研究的基礎上,進行設備試制及性能研究。試驗用的低壓純氧混合裝置使用了7個小腔體作為吸收腔,裝置尺寸為0.20 米×0.35 米×1.00 米,截面積0.07平方米,布水板開孔率10%。試驗采用單因子試驗方法分別研究氣液體積比、布水孔徑、吸收腔高度等對溶解氧增量、氧吸收效率、裝置動力效率的影響。結果顯示,在水溫26-27 ℃,單位處理水流量18 m3/h,吸收腔高度38厘米條件下,當氣液體積比從0.0067:1上升到0.0133:1后,平均氧吸收率從72.62 %下降到了57.27 %,而平均出水溶解氧增量從6.57 mg/L,上升到10.37 mg/L。低壓純氧混合裝置的理想工作點在氣液比0.01:1左右。此時,出水溶解氧相對于源水增加10 mg/L左右,氧吸收效率大約為70 %,在吸收腔高度40 厘米,出水溶解氧增量達到10.9 mg/L,低壓純氧混合裝置的動力效率就能達到6.63 千克 O2/(kW·h) 。由此可見,該裝置在節能效果上的表現是比較突出的,可以滿足循環水繁育系統節能、節本和減低維護強度的要求。

  圖4 低壓純氧混合裝置

  4. XW系列漩渦分離器

  XW系列漩渦分離器是一種分離非均相液體混合物的設備,主要由六大部分組成,分別為筒體、溢流堰、進水管、出水管、排污管和支架等。該設備采用水力旋流分離技術,根據在離心力的作用下根據兩相或多相之間的密度差來實現兩相或多相分離的。由于離心力場的強度較重力場大的多,因此漩渦分離器比重力分離設備(沉淀池)的分離效率要高的多。其工作原理為:養殖廢水沿切向進入分離器時,在圓柱腔內產生高速旋轉流場,混合物中密度大的組分(固體顆粒)在旋轉流場的作用下沿軸向向下運動,形成外旋流流場,在到達錐體段后沿器壁向下運動,最終沉淀在錐體底部(定期排污),密度小的組分(水)沿中心軸向運動,并在軸線方向形成一向上運動的內旋流,越過溢流堰從出口流向下一水處理環節,從而實現固液分離集污排污的功能。

  在養殖中,一般多與魚池雙排水系統相結合配套使用,作為底部污水的初級過濾處理設備。具有以下工作特點:占地面積少、結構緊湊,處理能力強;易安裝、質量輕、操作管理方便;連續運行、無需動力,固體顆粒物去除率最高可達50%以上;效果好、投資少、不易堵塞等優點。

  5.CO2脫氣塔

  在高密度循環水養殖系統中,CO2濃度很高,需采用裝置及時將其從系統中去除。CO2去除試驗裝置為一直立式圓筒,主要由筒體、出水口、進氣口、液體分布器、填料支撐板和填料等組成。液體分布器的開孔率為15.6%,填料高度為1m,填料種類選擇為直徑25×25鮑爾環,由聚丙烯塑料制成。內有填料亂堆或整砌在靠近塔底部的支撐板上,氣體從塔底部被風機送入,液體在塔頂經過分布器被淋灑到填料層表面上,在填料表面分散成薄膜,經填料間的縫隙流下,亦可能成液滴落下,填料層的表面就成為氣、液兩相接觸的傳質面。CO2在水中的溶解度符合亨利定律(Henry’s law),即在一定的溫度下,氣體在水中的溶解度與液面上該氣體的分壓成正比,因此只要水面上氣體中CO2的分壓很小,水中的CO2就會從水中逸出,這一過程稱為解吸。空氣中CO2的含量很少,其分壓約為大氣壓的0.03%。因此,常用空氣作為CO2去除裝置的介質,其經鼓風機被送入CO2去除裝置的底部,在填料表面與水充分接觸后,連同逸出的CO2一起從塔頂排除,含有CO2的水從塔體上部進入經液體分布器淋下,在填料表面與空氣充分接觸逸出CO2后,從下部的出水口流出,從而實現CO2的去除。

  根據氣體交換原理,設計了養殖水體的CO2去除裝置,采用試驗設計(DOE)的方法,對CO2去除效果進行研究。三因子二水平的正交試驗結果表明:G/L對CO2去除率的影響最顯著,水力負荷HLR,進水CO2濃度,以及因子間的交互作用對CO2去除率影響不顯著。因此,在CO2去除裝置的實際運行過程中,應通過調節G/L來提高CO2去除率。G/L變化對CO2去除率影響的試驗結果表明:當G/L=1~5時,隨著G/L的增加,CO2去除率增加較快;當G/L > 8時,隨著G/L的增加,去除率增加平緩。綜合考慮系統節能和CO2的去除效果,本裝置在G/L=5~8時運行最佳,去除率為80~92%。

  6. 多參數水質在線自動監控系統

  水質自動監測系統通過相關模塊的功能,實時將水質參數如氨氮濃度、溶氧量、pH值等顯示出來,便于工作人員及時的了解水質情況,實現監測、調控一體化,提高設備的自動化程度,減輕工人勞動強度。

  系統采用手動和自動兩種控制方式進行調控,上位機采用mcgsTpc嵌入式一體化觸摸屏,作為本監控系統的人機交互界面,實現監控工程顯示,通訊連接,參數設置,實時曲線顯示和歷史數據的保存、查詢和導出、數據采集與處理等功能。下位機選用PLC,用于控制CO2去除裝置和計量泵的啟停,上位機與下位機采用PPI(Point to Point)通訊協議,CO2去除裝置和計量泵的啟停可通過在上位機監控工程窗口中觸發。pH值傳感器實時自動監測養殖水體中的pH值,因pH值是模擬量,故采用A/D轉換模塊進行轉換,然后通過PPI接口將數據送給上位機,并在上位機內顯示、保存數據,由控制算法計算出控制結果,再通過PPI接口將數據送給D/A轉換模塊,驅動執行機構動作,自動加堿調節pH值,使其與期望值一致。pH值控制算法采用的是增量式PID控制算法,通過在上位機中編寫腳本程序實現,執行機構采用能夠無極調節流量的計量泵。

  本監控系統還具有pH值上下限報警功能,由于設備具有長期連續運行的特殊性,在無人值班看管設備期間,若設備發生故障,可以第一時間內通過短信報警方式通知相關的責任人,從而避免不必要的損失。在上位機監控工程窗口內,可以自由設定pH值上下限報警值,報警手機號碼以及超時時間。

  pH在線調控系統流程圖在農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室淡水高密度循環水養殖系統對循環水養殖水體pH值實時監控系統進行現場調試和試運行。調試結果表明:CO2去除裝置的應用能夠有效的去除養殖水體中的CO2氣體積累,使養殖池的CO2保持在較低水平,此時的CO2濃度對pH值的影響極小,可忽略不計;PID參數的整定結果為Kp=120、Ti=150、Td=37.5,系統在此參數下能夠很快調節pH值至目標值,且保持穩定,控制效果顯著;不同濃度NaHCO3對控制效果影響不同,當NaHCO3=37.31克/升,系統的穩定性、精度和魯棒性都較好;采用PID控制算法的系統具有明顯的優越性,與計量泵恒定加藥的系統相比,系統的穩定性和控制效果都較好。試運行結果表明:該監控系統運行穩定可靠,控制效果顯著,人機界面良好,操作簡單靈活,實用性強,有效的實現了pH值的恒定控制,滿足了循環水養殖對pH值的要求,具有較高的推廣價值和實用價值。

  通過物理、生物等手段和設備把養殖水體中的有害固體物、懸浮物、可溶性物質和氣體從水體中排出或轉化為無害物質,并補充溶氧,使水質滿足魚類正常生長需要,并實現高密度養殖條件下水體的循環利用的一個適用性強、通用性好、節能高效的高密度工廠化循環水養殖系統。

  總體技術路線如下圖:


  三、適宜區域

  工廠化循環水養殖是一種現代工業化生產方式,基本上不受自然條件的限制,可以根據需要在任何地點建立海水或淡水的養殖生產系統,達到生產過程程序化、機械化的要求。一般來說,此技術更適宜在水資源匱乏,氣候條件惡劣的情況進行推廣,因為在這種條件下傳統養殖模式無法進行正式運作,構建循環水養殖系統進行生產必將帶來巨大的經濟效益,這也體現了此技術的優越性。

  四、注意事項

  此技術匯集了水產養殖學、微生物學、環境科學、信息與計算機學等學科知識于一體,本身科技含量較高,企業需配有掌握一定此方面技術的養殖人員,以便科學,高效地管理構建的循環水養殖系統。總體來說,最需注意的有以下幾點:

  1. 確保電力充足。此技術最怕停電,一旦突然停電,需進行及時處理。

  2. 定期查看設備運行情況。如水泵是否正常運轉,管路是有漏水地方,發現問題及時處理。

  3. 確保pH穩定。由于生物濾器硝化反應耗堿及魚類的呼吸作用,養殖水體中的pH會持續下降,pH的下降會影響生物濾器的性能及魚類的生長,因此需確保pH的穩定。

  4. 定期檢測水質。養殖水質的好壞直接影響魚類的生長,需定期檢測養殖水體的水質,如發現問題以便及時作出調整。

  5. 定期排污。由于是高密度封閉養殖,投飼量較大,養殖對象排泄物較多,需及時排出系統。

  依托單位

  1.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所
  聯系地址:上海市楊浦區赤峰路63號
  郵政編碼:200092
  聯 系 人:吳  凡
  聯系電話:021-65975955
  電子郵箱:[email protected]

  2.黑龍江水產研究所
  聯系地址:哈爾濱市道里區松發街43號
  郵政編碼:150070
  聯 系 人:陳  惠
  聯系電話:0451-84602266
  電子郵箱:[email protected]本文轉自【農業農村部、中國農技推廣平臺】。如有版權問題,敬請聯系[email protected]
  


  【關鍵字】:淡水  循環水  健康  水產養殖
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