海水循环水养殖系统中微细颗粒去除技术的研究

摘要

21世纪以来，水资源短缺威胁着全球不少地区的生产和生活。传统的粗放型水产养殖生产方式不但与人类争夺水资源，而且养殖废水中包含的颗粒态固体废物、溶解态代谢废物、营养盐、抗微生物制剂和药物残留会造成对自身水体和周边环境的污染；因此改变水产养殖模式势在必行。循环水养殖是实现高效、绿色和清洁水产品生产的重要途径，工厂化循环水养殖是水产养殖业的发展方向之一，是未来水产养殖业的支柱产业技术，这种趋势对循环水过程的水处理提出了更严格的要求。近年来，在十五、十一五期间多个国家项目的支持下，海水工厂化循环水养殖得到了较大规模地推广和应用，在山东、辽宁等地已经逐步呈现出一种取代传统养殖模式的趋势。但是，从目前的实际应用情况来看，大部分系统的实际生产能力并没有达到最初的设计指标，仍停留在中低密度养殖工况条件下。分析其原因，微细颗粒物（≤60μm）没有得到良好的控制和去除是其中的主要问题之一。为此从不同的角度对海水循环水养殖系统中微细颗粒去除技术的研究将会为水产养殖产业的进一步发展提供技术与理论支持。
　　该论文，在实验室实际的养殖环境下进行设计两种装置：一种叶轮式（又称转子碎气式）气浮装置和气提式砂过滤装置，针对海水循环水养殖车间的养殖水进行物理过滤处理，得到实际的处理效果，进行水质取样、数据采集、最终进行数据分析得到两种装置的处理效果，并和前辈们的装置处理效果进行对比，得出了一些结论，并提出了自己的看法，以期为养殖产业做出一定的贡献。
　　叶轮式气浮装置包含电动机、主轴、支撑筒、气泡发生头，上下端盖、电机支撑座等几部分装配而成，本论文对部分零部件的选取和设计有着严谨的计算和选择。样机设计制作完成后，在海水循环水养殖车间进行了2个多月的试验和系统修正，得到大量的水质处理数据。试验表明，这种叶轮式气浮装置结构简单、能耗小、系统运行平稳、电机噪声小，改善养殖环境；经过数据分析后可知，这种叶轮式气浮净水装置对海水循环水养殖系统水体中的颗粒悬浮物(SS)在压力进气阀控制进气量为10m3/h、HRT为25min条件下处理效果最好，平均去除率为42.13％，系统利用YSI水质参数测试仪对水中溶氧(DO)进行数据采集分析，得出结论为叶轮式气浮装置将水池的溶氧从6.18mg/L增加到6.83mg/L，可见装置在去除SS的同时还可以有效的增加溶氧。叶轮式气浮装置对色度、总氮(TN)、COD均有一定的去除效果，平均去除率可分别达到16.93%、32.64%、32.69%，但对于养殖水体中的氨氮、亚硝酸盐去除效果不明显。该论文所设计的叶轮式气浮装置通过实验的检验，有较好的应用价值，相信会为工厂化海水养殖车间水处理的方面研究提供一定的帮助。
　　为解决传统压力式砂滤装置长时间工作后截留大量固体颗粒物而导致的难以反冲洗的问题，结合气提技术，创造性的研发了一种具备自清洗功能的砂滤装置，气提式砂滤器集过滤、分离、气浮、自动清洗等功能于一体，可以替代传统用于养殖车间的砂滤装置、无阀滤池、微滤机、机械式气浮等物理过滤装置；试验用1～2mm石英砂作为过滤介质，过滤水以向上流方向从气提式砂滤器底部慢慢上升，污物被石英砂截留，同时，从底部流入定流量气体，使得污物和砂粒同时被提起，最终在顶端的洗砂装置中石英砂被清洗干净并由于重力作用而落回系统，污物和废水从排污口流出；试验表明，气提式砂滤器设备简单、操作简便，不需停机反冲洗，系统运行连续平稳，能耗小并且易于日常维护和检修；数据表明，这种砂滤器对海水循环水养殖系统中的颗粒悬浮物（SS）和化学需氧量（COD）去除率分别为41.31%、34.04%，同时也降低了氨氮、亚硝酸盐含量，过滤后养殖水颗粒悬浮物质量分数≤67.33㎎／L，满足了海水循环水养殖车间的水处理要求。
　　该研究旨在利用气浮和砂滤两种技术手段，研究适合于海水工厂化循环水养殖系统的微细颗粒物去除工艺，设计专用的养殖水处理设备，突破传统砂滤工艺定时反冲存在的结构复杂、能耗大等技术瓶颈，以期为国内循环水养殖技术的进一步发展提升提供参考和借鉴。

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第一章 绪 论

1.1循环水养殖系统（Recirculating aquaculture system，RAS）发展概况

1.2 课题的研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题来源、研究内容、解决的关键问题和研究方法

1.5 本章小结

第二章 气浮净水技术实验方案的确定

2.1 气浮法概述

2.2 基本原理

2.3 研究背景

2.4 实验目标和意义

2.5 试验对象、试验内容、方法，实验数据的记录与分析

2.6 实验过程

2.7 本章小结

第三章 机械式气浮设备参数确定以及在海水RAS中的水质净化效果

3.1 气浮净水法技术鉴别和类型确定

3.2 机械式气浮装置（泡沫分离法）的基本原理

3.3 多功能气浮机的主要零部件设计计算

3.4 装置在海水循环水养殖系统的水质净化效果

3.5 讨论与结论

第四章 气提式砂滤器在海水RAS的水质净化效果

4.1 前言

4.2 理论基础

4.3 实验装置与方法

4.4 试验设计与方法

4.5 测定方法与数据处理

4.6 结果与分析

4.7 讨论

4.8 结论

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间申请的专利与发表的论文