技術(shù)概述

我國工廠養(yǎng)殖目前受水處理成本的壓力，仍主要以流水養(yǎng)殖、半封閉循環(huán)水養(yǎng)殖為主，真正意義上的全封閉循環(huán)水養(yǎng)殖企業(yè)較少。流水養(yǎng)殖和半封閉養(yǎng)殖方式產(chǎn)量低（單位水體產(chǎn)量10-15千克/平方米?年）、耗能大、效率低，與先進(jìn)國家技術(shù)密集型的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，在設(shè)備、工藝、產(chǎn)量（先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)量達(dá)100千克/平方米?年以上）和效益等方面都存在著相當(dāng)大的差距。

淡水工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)施技術(shù)領(lǐng)域已具有定的應(yīng)用水平，在系統(tǒng)的循環(huán)水率、系統(tǒng)輔助水體的比率等關(guān)鍵性能方面基本接近國際水平，但是在生物凈化系統(tǒng)的構(gòu)建、凈化效率和穩(wěn)定性、系統(tǒng)集成度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面還存在著的差距。

目前已經(jīng)在廣東、新疆、重慶、湖北、上海等地建立了多個(gè)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖示范基地，示范面積達(dá)到6000多m2，并將研究得到的成果成功應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)建中，并取得了良好的收益。

增產(chǎn)增收情況

1.經(jīng)濟(jì)效益

每套水處理系統(tǒng)服務(wù)300m3養(yǎng)殖水體，年產(chǎn)達(dá)100kg/m3以上，可年產(chǎn)30噸優(yōu)質(zhì)商品魚，產(chǎn)值達(dá)180萬元，毛利潤達(dá)40萬元，則100套系統(tǒng)可年產(chǎn)3000噸，年產(chǎn)值18000萬，年利潤4000萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

2.社會、環(huán)境、生態(tài)效益

本項(xiàng)目成果可以使得產(chǎn)出1公斤魚的能耗降低20%以上，每公斤魚的耗電小于2.5度，大幅度降低循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)的運(yùn)行管理成本，達(dá)到可廣泛推廣應(yīng)用水平。同時(shí)，相同規(guī)模的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)施系統(tǒng)與池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)相比可以減少10~20的土地以及8~10倍的養(yǎng)殖用水，并不再對水域生態(tài)環(huán)境造成影響，可以實(shí)現(xiàn)很高的生態(tài)效益。

技術(shù)要點(diǎn)：

1.轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)存在篩網(wǎng)網(wǎng)目大小選擇不合理的問題，顆粒物在接觸細(xì)篩時(shí)，會長時(shí)間翻滾摩擦造成破碎，產(chǎn)生難去除的微小顆粒。同時(shí)存在傳動效率低，反沖洗效果欠佳等問題。我研究室研發(fā)人員根據(jù)養(yǎng)殖水的特點(diǎn)，在對循環(huán)水養(yǎng)殖水體中顆粒物粒徑分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，對浪網(wǎng)網(wǎng)目與去除效率、反沖洗頻率、耗水耗電等關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，200目濾網(wǎng)處于目數(shù)與去除率、電耗關(guān)系曲線的拐點(diǎn)，是技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合效果的最佳點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，轉(zhuǎn)鼓采用低阻力的中軸支撐結(jié)構(gòu)，配置二級擺線針輪減速驅(qū)動。研究開發(fā)出能根據(jù)篩網(wǎng)阻塞程度智能判斷的反沖去污裝置。形成了WL型智能型轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)的系列產(chǎn)品。通過結(jié)構(gòu)升級優(yōu)化，顯著提高了微濾機(jī)的節(jié)水節(jié)點(diǎn)性能，對60微米以上懸浮顆粒物的去除效率達(dá)80%以上，每處理100噸水耗電小于0.3kWh。設(shè)備不僅提高了水處理能力、而且降低了運(yùn)行能耗，與現(xiàn)有設(shè)備相比，去除率提高20%，耗電節(jié)省45%以上。生產(chǎn)應(yīng)用中，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。該設(shè)備已達(dá)國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)水平，并實(shí)現(xiàn)了出口。

2.生物凈化設(shè)備

2.1導(dǎo)流式移動床生物濾器

移動床生物濾器是20世紀(jì)80年代后期，由挪威的 Kaldnesn.和 SINTEF研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)的技術(shù)。該技術(shù)采用生物膜接觸法，通過濾料表面附著生長的硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌群來降解水體中的氨氮、亞氮等有害有毒物質(zhì)，凈化水質(zhì)。由于使用的浮性顆粒濾料，在劇烈鼓風(fēng)曝氣作用下，能夠與水呈完全混合狀態(tài)，微生物生長的環(huán)境為氣、液、固相。養(yǎng)殖回水與載體上的生物膜廣泛而頻繁地接觸，在提高系統(tǒng)傳質(zhì)效率的同時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)靈活性，又具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長、剩余污泥少的特點(diǎn)。

根據(jù)移動床生物濾器結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，并結(jié)合近年來的相關(guān)研究成果，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流態(tài)分析，使其充分滿足循環(huán)水養(yǎng)殖的水處理使用要求。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，由于傳統(tǒng)移動床生物濾器存在濾料運(yùn)動不均勻、易出現(xiàn)較大運(yùn)動死角等弊端，項(xiàng)目組在其腔體內(nèi)引入了導(dǎo)流板，將反應(yīng)器分隔成2個(gè)區(qū)：提升區(qū)和回落區(qū)，在提升區(qū)底部安裝有曝氣裝置，從而引導(dǎo)濾器中水體更好的循環(huán)流動，以提升過濾效率。該新型導(dǎo)流式移動床生物濾器的具體尺寸為：長度為1m，高度為1.4m，寬度為0.5m，有效水深為1.2m，升流區(qū)與降流區(qū)面積比為3/4，導(dǎo)流板底隙高度為0.25m，導(dǎo)流板上方液面高度為0.35m，反應(yīng)器四角倒成斜面以方便水體循環(huán)。在結(jié)構(gòu)確定以后，進(jìn)一步對導(dǎo)流式移動床生物濾器的內(nèi)部水流流態(tài)進(jìn)行分析，來取的方式是利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT對其進(jìn)行二維流態(tài)模擬，結(jié)合濾料掛膜最佳水流速度的相關(guān)知識，將模擬曝氣速度優(yōu)化為0.6m/s，此時(shí)反應(yīng)器中最高有效流速為0.3m/s，最低有效流速為0.06m/s，渦流區(qū)域的面積約占10%，可最大化的保證反應(yīng)器的生物處理效率。

濾料選擇帶外脊的空心柱狀PE材質(zhì)生物濾料，比重為0.95，比表面積達(dá)到500m2/m3。結(jié)果顯示：在填充率為40%，進(jìn)水氨氮濃度為2mg/L，水力停留時(shí)間為15min，曝氣速度為0.6m/s的初始條件下，反應(yīng)器運(yùn)行30天后其濾料內(nèi)表面的實(shí)際平均掛膜厚度為80um，氨氮去除率達(dá)到了25%，水質(zhì)凈化效果良好，完全達(dá)到推廣使用要求。

2.2沸騰式移動床生物濾器

沸騰式移動床生物潓器根據(jù)移動床生物過濾技術(shù)基本原理設(shè)計(jì)研發(fā)的另一種新型生物濾器。區(qū)別于導(dǎo)流式移動床生物濾器采用矩形反應(yīng)器單側(cè)曝氣的結(jié)構(gòu)形式，它創(chuàng)新地采用了圓形反應(yīng)器。內(nèi)部設(shè)計(jì)成為2個(gè)反應(yīng)區(qū)，分別為沸騰區(qū)和降流區(qū)。沸騰區(qū)底部設(shè)置環(huán)形布?xì)獠?，在劇烈曝氣條件下濾料上升移動，到達(dá)降流區(qū)后由于在水流的帶動下逐步下沉到反應(yīng)器底部，形成一種相對穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)。此次選用的濾料為PE材質(zhì)的空心柱狀濾料，比重為0.95，比表面積500m2/m3，濾料填充率40%~50%。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)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(dá)到30%以上。

3.低壓溶氧技術(shù)及其設(shè)備

低壓純氧混合裝置主要是根據(jù)氣液傳質(zhì)的雙模理論，通過連續(xù)、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(jīng)過孔板布水并形成一定厚度的布水層，以滴流形式進(jìn)入吸收腔。吸收腔被分割成了數(shù)個(gè)相互串聯(lián)的小腔體，提供了用以進(jìn)行氣液混合的接觸空間。整個(gè)裝置半埋于水下，使吸收腔密，水流從各個(gè)吸收腔底部流出。氣路方面，純氧從側(cè)面注入，并從最后一個(gè)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(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)備試制及性能研究。試驗(yàn)用的低壓純氧混合裝置使用了7個(gè)小腔體作為吸收腔，裝置尺寸為0.20m×0.35mx1.00m 截面積0.07m2，布水板開孔率10%。試驗(yàn)采用單因子試驗(yàn)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(jié)果顯示，在水溫26~27℃，單位處理水流量18m3/h，吸收腔高度38cm條件下，當(dāng)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6.57mg/L上升到10.37mg/L。低壓純氧混合裝置的理想工作點(diǎn)在氣液比0.01：1左右。此時(shí)，出水溶解氧相對于源水增加10mgL左右，氧吸收效率大約為70%，在吸收腔高度40cm，出水溶解氧增量達(dá)到10.9mg/L，低壓純氧混合裝置的動力效率就能達(dá)到6.63kg02/（kW.h）。由此可見，該裝置在節(jié)能效果上的表現(xiàn)是比較突出的，可以滿足循環(huán)水繁育系統(tǒng)節(jié)能、節(jié)本和減低維護(hù)強(qiáng)度的要求。

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(shè)備，主要由六大部分組成，分別為筒體、溢流堰、進(jìn)水管、出水管、排污管和支架等。該設(shè)備采用水力旋流分離技術(shù)，根據(jù)在離心力的作用下根據(jù)兩相或多相之間的密度差來實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離的。由于離心力場的強(qiáng)度較重力場大的多，因此漩渦分離器比重力分離設(shè)備（沉淀池）的分離效率要高的多。其工作原理為：養(yǎng)殖廢水沿切向進(jìn)入分離器時(shí)，在圓柱腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場，混合物中密度大的組分（固體顆粒）在旋轉(zhuǎn)流場的作用下沿軸向向下運(yùn)動，形成外旋流流場，在到達(dá)錐體段后沿器壁向下運(yùn)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(yùn)動，并在軸線方向形成一向上運(yùn)動的內(nèi)旋流，越過溢流堰從出口流向下ー水處理環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)固液分離集污排污的功能。

在養(yǎng)殖中，一般多與魚池雙排水系統(tǒng)相結(jié)合配套使用，作為底部污水的初級過濾處理設(shè)備。具有以下工作特點(diǎn)：占地面積少、結(jié)構(gòu)緊湊，處理能力強(qiáng)易安裝、質(zhì)量輕、操作管理方便；連續(xù)運(yùn)行、無需動力，固體顆粒物去除率最高可達(dá)50%以上；效果好、投資少、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)。

5.C02脫氣塔

在高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，CO2濃度很高，需采用裝置及時(shí)將其從系統(tǒng)中去除。C02去除試驗(yàn)裝置為一直立式圓筒，主要由筒體、出水口、進(jìn)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25X25鮑爾環(huán)，由聚丙烯塑料制成。內(nèi)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(fēng)機(jī)送入，液體在塔頂經(jīng)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(jīng)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(zhì)面。CO2在水中的溶解度符合亨利定律（ Henry'slaw），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C02的分壓很小，水中的C02就會從水中逸出，這一過程稱為解吸?？諝庵蠧02的含量很少，其分壓約為大氣壓的0.03%。因此，常用空氣作為C02去除裝置的介質(zhì)，其經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)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C02的水從塔體上部進(jìn)入經(jīng)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(shí)現(xiàn)C0的去除。

根據(jù)氣體交換原理，設(shè)計(jì)了養(yǎng)殖水體的CO2去除裝置，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）的方法，對C02去除效果進(jìn)行研究。三因子二水平的正交試驗(yàn)結(jié)果表明：G/對C02去除率的影響最顯著，水力負(fù)荷HLR，進(jìn)水CO2濃度，以及因子間的交互作用對C02去除率影響不顯著。因此，在CO2去除裝置的實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)通過調(diào)節(jié)Gル來提高CO2去除率。G/L変化對CO2去除率影響的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)Gル=1~5時(shí)，隨著G/L的增加，CO2去除率増加較快；當(dāng)G/L>8時(shí)，隨著G/兒的增加，去除率增加平緩。綜合考慮系統(tǒng)節(jié)能和CO2的去除效果，本裝置在GL=5~8時(shí)運(yùn)行最佳，去除率為80%~92%。

6.多參數(shù)水質(zhì)在線自動監(jiān)控系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)通過相關(guān)模塊的功能，實(shí)時(shí)將水質(zhì)參數(shù)如氨氮濃度、溶氧濃度、pH值等顯示出來，便于工作人員及時(shí)的了解水質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、調(diào)控一體化，提高設(shè)備的自動化程度，減輕工人勞動強(qiáng)度系統(tǒng)采用手動和自動兩種控制方式進(jìn)行調(diào)控，上位機(jī)采用 mcgstpc嵌入式一體化觸摸屏，作為本監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控工程顯示，通訊連接，參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)曲線顯示和歷史數(shù)據(jù)的保存、查詢和導(dǎo)出、數(shù)據(jù)采集與處理等功能。下位機(jī)選用PLC，用干摔制C02去除菇罟和計(jì)量泵的啟停、上位機(jī)與下位機(jī)采用PPI（ Point to Point）通訊協(xié)議，C02去除裝置和計(jì)量泵的啟?？赏ㄟ^在上位機(jī)監(jiān)控工程窗口中觸發(fā)。pH值傳感器實(shí)時(shí)自動監(jiān)測養(yǎng)殖水體中的pH值，因pH值是模擬量，故采用A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過PPI接口將數(shù)據(jù)送給上位機(jī)，并在上位機(jī)內(nèi)顯示、保存數(shù)據(jù)，由控制算法計(jì)算出控制結(jié)果，再通過PPI接口將數(shù)據(jù)送給D/A轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，自動加堿調(diào)節(jié)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(jī)中編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用能夠無極調(diào)節(jié)流量的計(jì)量泵。

本監(jiān)控系統(tǒng)還具有pH值上下限報(bào)警功能，由于設(shè)備具有長期連續(xù)運(yùn)行的特殊性，在無人值班看管設(shè)備期間，若設(shè)備發(fā)生故障，可以第一時(shí)間內(nèi)通過短信報(bào)警方式通知相關(guān)的責(zé)任人，從而避免不必要的損失。在上位機(jī)監(jiān)控工程窗口內(nèi)，可以自由設(shè)定pH值上下限報(bào)警值，報(bào)警手機(jī)號碼以及超時(shí)時(shí)間。方案流程見圖

pH在線調(diào)控系統(tǒng)流程圖

在農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室淡水高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)對循環(huán)水養(yǎng)殖水體pH值實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和試運(yùn)行。調(diào)試結(jié)果表明：C02去除裝置的應(yīng)用能夠有效的去除養(yǎng)殖水體中的C02氣體積累，使養(yǎng)殖池的C02保持在較低水平，此時(shí)的C02濃度對pH值的影響極小，可忽略不計(jì)；PID參數(shù)的整定結(jié)果為Kp=120、Ti=150、Td=37.5，系統(tǒng)在此參數(shù)下能夠很快調(diào)節(jié)pH值至目標(biāo)值，且保持穩(wěn)定，控制效果顯著；不同濃度 Nahco3對控制效果影響不同，當(dāng)NaHC03=37.319/L，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度和魯棒性都較好；采用PID控制算法的系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性，與計(jì)量泵恒定加藥的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果都較好。試運(yùn)行結(jié)果表明：該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制效果顯著，人機(jī)界面良好，操作簡單靈活，實(shí)用性強(qiáng)，有效的實(shí)現(xiàn)了pH值的恒定控制，滿足了循環(huán)水養(yǎng)殖對pH值的要求，具有較高的推廣價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

pH在線調(diào)控系統(tǒng)控制界面圖

7.系統(tǒng)集成

通過物理、生物等手段和設(shè)備把養(yǎng)殖水體中的有害固體物、懸浮物、可溶性物質(zhì)和氣體從水體中排出或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，并補(bǔ)充溶氧，使水質(zhì)滿足魚類正常生長需要，并實(shí)現(xiàn)高密度養(yǎng)殖條件下水體的循環(huán)利用的一個(gè)適用性強(qiáng)、通用性好、節(jié)能高效的高密度工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。

總體技術(shù)路線如上圖

適宜區(qū)域：

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是一種現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)方式，基本上不受自然條件的限制，可以根據(jù)需要在任何地點(diǎn)建立海水或淡水的養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)，達(dá)到生產(chǎn)過程程序化、機(jī)械化的要求。一般來說，此技術(shù)更適宜在水資源匱乏，氣候條件惡劣的情況進(jìn)行推廣，因?yàn)樵谶@種條件下傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式無法進(jìn)行正式運(yùn)作，構(gòu)建循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，這也體現(xiàn)了此技術(shù)的優(yōu)越性。

注意事項(xiàng)：

此技術(shù)匯集了水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、微生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息與計(jì)算機(jī)學(xué)等學(xué)科知識于一體，本身科技含量較高，企業(yè)需配有掌握一定此方面技術(shù)的養(yǎng)殖人員，以便科學(xué)，高效地管理構(gòu)建的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)?？傮w來說，最需注意的有以下幾點(diǎn)：

1.確保電力充足。此技術(shù)最怕停電，一旦突然停電，需進(jìn)行及時(shí)處理。

2.定期查看設(shè)備運(yùn)行情況。如水泵是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，管路是有漏水地方，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理確保pH穩(wěn)定。由于生物濾器硝化反應(yīng)耗堿及魚類的呼吸作用，養(yǎng)殖水體中的pH會持續(xù)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(wěn)定。

4.定期檢測水質(zhì)。養(yǎng)殖水質(zhì)的好壞直接影響魚類的生長，需定期檢測養(yǎng)殖水體的水質(zhì)如發(fā)現(xiàn)問題以便及時(shí)作出調(diào)整。

5.定期排污。由于是高密度封閉養(yǎng)殖，投飼量較大，養(yǎng)殖對象排泄物較多，需及時(shí)排出系統(tǒng)。（本文轉(zhuǎn)自【農(nóng)業(yè)農(nóng)村部】。如有版權(quán)問題，敬請聯(lián)系wx@fishfirst.cn。）

【關(guān)鍵字】：循環(huán)水全封閉工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖