封闭循环水工厂化养鱼系统的基础设计

38水产科学第23卷第23卷第12期2OH年12月水产科学FISHERIES SCIENCEVd.23, No. 12叶 2OM38水产科学第23卷38水产科学第23卷封闭循环水工厂化养鱼系统的基础设计刘鹰，杨红生，张福绥(中国科学院海洋研究所，山东 青岛266071)关键词：封闭循环水；工厂化养殖；设计中图分类号：9969 文厳标识码：A文章编号-1003.1111(2004)12-0036.0338水产科学第23卷38水产科学第23卷理呆豎皺毘7#划lal(SoiOlC4r.国科学院海洋研究所知识创新工程项目(1400223108)资助。 作者简介：刘鹰(1969-),男副研究员；研究方向.水产养殖工程学与养殖生态学。1引言近年来，由于水域环境污染.养殖病害频发，越来越 多的业内人士强调必须摆脱当前粗放经营型.资源依赖性 的水产生产方式.在此背景下.高效、节水、高密度、对 环境污染小的封闭循环水工厂化养殖方式日益引起关注。 封闭式养殖系统的关键技术是水处理.核心是快速去除水 溶性有害物和增氧技术。本文讨论了工厂化养殖系统设计 中氨氮.硝酸盐、溶解氧收支的理论和方法.并用实例给 岀了设计计算方法和步骤。2设计方法2.1系统氨氮的收支养殖水中非离子氨(NW)浓度是水中pH和总氨氮浓 度(TAN = NHj + NHT - N)的函数，在非稳态条件下，循 环系统中TAN的物质平衡式如下：dCr/dtx y二 QxCin- Qx Cout + PTAN- RTAN (1) 式中工=系统中总、氨氨质量浓度(mg/L) du时间间隔(h)Q二系统流量(m/h)Cin=注入水中TAN质量浓度(mg/L)Cout二排出废水中TAN质畳浓度(mg/L)V=系疑体积(n?)Pz=糸蜒TAN的产生阜(mg/h)R*=系疑TAN的去除卓(mg/h)系统养殖生物的新陈代谢和未食饲料的生物降解决定 了 TAN的产fib TAN的产生速率可以表示为喂食速率和饲 料中蛋白质百分比的函数：PTAX = (E4 x PCx 0.092) It(2)式中：E4二每次喂食的饲料总量(kg)PC二饲料中蛋白质含量()& =饲料分解为TAN所需时间(h)公式(2)的推导是基于以下一些假定：饲料妥白质中氨含量约16%;妥白质中80%的氨 被消化；真便中未分解的氨被快速排出养殖系统外； 被消化的氨琳出80%;10%的氨作为尿索排泄，90%的 氨成为TAN;在喂食后的f时间内 枷被完全4泄； 喂食时间间隔不能小于i小时。式(2)中的数值系数0.092是在假定条件下， 养殖生物喂食每单位直量饲料通过代谢产生的TAN (0.16x0.8x0 8x0.9 = 0.092)o 用式(2)对 TAN 产生率 的计算结果与实际相比有些偏大。Rtan可以用下列等式表达：Rg = CjAft x E(3)式中：通过生物滤器的水流最；(mJ/h)E二生物滤器的去除效率；()生物滤器的过滤效率是由生物滤器去除TAN的效率决 定的。由于用数学表达式来计算过滤效率非常复杂.一 般认可的观点是过滤效率是许多运行变量的函数，这些包 括：入水TAN的浓度，水力负敦率.温度.过滤血枳、过 滤介质、生物滤器运行形式(RBC、流化床、上流式砂 滤)。在生产中，要求系统TAN的浓度是相对恒定并且低 于规定值。综合上述讨论.结合式(1)和式(3).可计算出维持 稳态条件的生物滤器流最：Q(= (Q x Cin- Q x Cout + Ptan) / (GxE) (4) 养鱼水质标准规定水源中的TAN浓度很低(Cta-0), 在此条件下，QxCin项可以从等式中去除。2.2系统硝酸盐的收支硝酸盐(NQ/)是生物滤器硝化过程的最终产物，循 环系统中非稳态条件下NO, 的平衡等式为:dcgjdix V = Q. x C书.-Qg x C闿 PnOj 尺书(5) 式中：=系统中硝班盐质量浹度(mg/L)；C%/新水中硝酸盐质量浓度(mg/L);C科废水中硝酸盐质量浓度(mg/L);P书=硝酸盐产生速率(mg/h);R科二硝酸盐去除率(mg/L);在稳态条件下，Qg二Q+ CfsnO,硝酸盐没有排 岀系统外(R =0),加入系统新水的流量可由下式计算：0八旨冬*(6)硝酸盐的产生速率可通过生物滤器中硝化速率的生化 过程来描述:Pf -张 X344(7)在给定的稳杰条件下，假定系统TAN的损失率是很低 的(如 Q X CtaNoM = 0) 那么 /?TAN = PTAM 即：P 二 Ptax3.44(8)2.3系统溶解氧的收支除了氨氮是限制循环养殖系统负载锻的主要因子外， 保证养殖池和生物滤池中足够的溶氧玻度也是非常乘要的。 在非稳态条件下，DO的物质平術式为：dcoo/dt x V = Q x Cdqm Q * Cg Poo Roo (9) 式中：Cro=系统中DO质量浓度(nig/L)Cgt入水中DO质走浓度(mg/L)Cg二废水中DO质量浓度(mg/L)Pdo = DO的产生速率(mg/h)/?ro = DO的消耗速半(mg/h)氧产生速率是由循环系统中氧气发生系统决定的，添 加氧的速率是由氣源(空气或纯氧)、注入系统的压力、消 耗速率、系统的溶解效率决定的。Roo难于精确计算计.DO的总消耗率可表示为：R(x)=+ RbOD + RnOD( 10)式中：=养殖生物的耗氧量(nig/L)Rboo =含碾废弃物的耗氧量(mg/L)Rm化反应所消耗的氧(mg/L)养殖生物的呼吸速率是温度、代谢、大小、平均规格、 数量和种类的函数。根据基础生化反应.每1 g的TAN氧化成硝酸盐需要耗 费4.57 g的氧气，式(11)可以用来估算系统中要求的氧 补充仮。假设是稳态条件、混合完全并给定一期望的DO 浓度.则系统中DO的浓度(设定Cg为期望值)为：Pg = Q X IXNI Roo Q X C(x)ta(11)要保持生物滤池的DO物质平衡.应使生物滤器有足 够的DO以维持硝化细菌的数就.稳态条件下生物滤器中 DO的平衡等式可写为：( Cdq6r Cdo ) Rbow Rnod(12)式中：Cg二生物漁器废水中DO质量浓度(mg/L)=生物滤券入水流中DO质量浓度(mg/L)=遞券中BOD去除半(mg/3)生物滤器中的DO质量浓度2.0ing/L,才能确保生物滤 器中硝化速率不会因氣耗尽而受到限制。对给定入水和 岀水DO浓度的生物滤器而言，式(13)可用来计算滤器 的设计流量Qc:Qf = (ROD(+RnOD)/ ( Cgf Cgg )(如果计算结果大于式(4)计算值Q则在进行系 统设计时可考虑的方法有：取较高的流速；增加滤器 中DO浓度(CgJ;系统BOD通过预过滤或沉淀处理 先以减少。3设计实例以笔者设计的养殖水面570 m年养两茬.年产8* Utk弊非鱼的某高密度循环水养鱼工程为例.在一生产周 期内系统设计最大生物址(BM)为70 kg/m3 x 570 m3 = 39900 kg,商品鱼平均重量(朋)为500g每次投喂按龟 体1%喂盘.其它规定见表1。表1生产系统的设计参数参数数tfi生物量BM/kg39900色平均重量HF/g500喂食率(占体重)FR/%1饲料蛋白质含量PCI%35每天喂食次数F4TAN去除时间t/h6新水中的DO质量浓度C/mg-L-17.8新水中的TAN质量浓度CTg/mgL0.0新水中的NQ 质量浓度C/mg-L-10.0水温77T28水的pH (pH)7.2系统TAN质量浓度CT/mgl12.0 (0.0T )系统NO,质量诙度Cmr /mg-L-300生物滤池效率E/%35BOD去除率70在28弋和pH为7.2时的非鳥子氨浓度。第一步：按最大生物载量计算每次喂食的饲料重量和 TAN的产生速率FA = (BMxFR) IF=(39900x 1%) /4 = 99.75 kgPg= (E4x PCx0.092) /t二(99.75x0.35x0.092) /6= 0.54 kgTAN/h第二步：用式(6)计算加入系统新水流扯Qin =卩 /C书g给定条件：= 300 mg/L;P曲 * PTXN x 3.44 * 0.54 x 3.44* 1.86 kgNO)/h0.8 1.86/300x10=6200 L/h = 6.2 m3/h第三步：用式(4)计算维持稳态条件的生物滤器流量Qi = ( Q * C伽- Q * 屯 + P*tan ) /( Cg x E) 给定条件：QxCtah.O;Pg = 0.54 kTAN/h = 540000 mgTAN/h;Gan s 2.0 mg/L；Q x Cg =6200x2 mglAN/L= 12400 mglAN/L;E = 0.35;则：刃】4.29 L/h = 537】 n?/h第四步：用式(8)计算系统中氧气消耗量Boyd等( 1988)推算出了罗非鱼的呼吸量为 0.254 mgO./g鱼/h。39900 kg罗非鱼的耗氧量为： 10.13 kgC/ho在稳态条件下，计算由于硝化作用消耗的DO。Rnoo = ( Ptan Q 翼 ) X 457= 2.41 kgQ/hWimberly (1990)研究了生物滤池中含碳顆粒分解的氧 耗.并计算得岀生物滤器的氧耗约是鱼类BOD的23倍. Wimberly (1990)用玻璃纤维生物滤器进行预过滤能够滅少 系统中约77%的BOD,负载。在开始设计时.先假定系统 中采用沉淀和预过滤后.BOD可减少70% (boo =0.70)o (生产实际检测生物滤池的B0D,去除率约为73.8%)假定在生物滤池中，所有的BOR被去除，则耗氧量 可以用下式计算(Wimberly.1990)：/?box = 2.3x BOD, x (1- Eboo)(15)根据Wimberly (1990)的研究结论，罗非国养殖生产中 侮次按体重】喂食)BOD5平均排放速率是1.45 mgBOD./gfi/do基于以上假设系统中BOD的氧耗为：(23 x 1450 n/kge?dx 39900 kg fex 0.3) /2Ah= 】66kgCVh则：Rm = 10.13 + 2.41 + 1.66= 14.20 kgC/h第五步：利用式(9)计算系统中维持7.0吨儿所需 要的氧气产生量。Pg = Q X OOuM + Roo Q X Coo式中：(?X ()0=： 6200 L/h x 7.0 mgO/L=4.34 x1b mgQ儿= 0.43 kgOj/h/?卄 14.20 kg/hQx Gg = 6200 L7hx7.8 mgO/L*4.84x 101 mgQ/h= 0.(M8 kgQ/hPon =0.043 4-14.20-0.048= 14.20 kg0/h结果显示，系统中呼吸童/?00占总耗氧量的大部分， 进岀水不会对系统氧平衡影响很大。因此，在设计充氧系 统时，须提供不少于14.20 kgO./ho4结论封闭循环水工厂化养殖在国内才刚刚起步，有关工程 设计的理论和方法还很不成熟.快速去除水溶性有害物和 高效增氧是养殖生产的核心问题。本文研究提出的一些假 设还需在生产中进一步检验.生产设计中.有关参数的选 取是比较保守的.在实际应用中还需要根据具体情况加以 调整参考文献：1 TKimas M. Losordo. An introduction to recirculating production systems design L M . 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Ecological Modding. 1983(19): 189-198 38水产科学第23卷38水产科学第23卷Essential Design on Superintensive Recirculating AquacultureLIU Ying, YANG Hong-sheng,ZHANG Fu-sui(Institute of Oceanology Chinese Academy of Science, Qingdao 266071 v Cliiiia)Key words: Superintensive recirculating aquaculture; recirculating; design责任编辑：(小舟)