水产养殖环境工程学生物滤池的设计.ppt

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1、第八章 生物过滤装置的设计,水处理的生物过滤器主要分为两大类：有机物硝化菌类和氨氮转化菌类。按细菌生长的形式，生物过滤器又可分为：悬浮生长式与固定膜式两类。养殖系统中常用的是固定膜式氨氮转化菌类过滤器。特点:氨氮转化菌群依附在某种固体表面上生长，氨氮通过扩散的方式传递到固定生物膜内并被转化掉。与工业污水处理不同，工厂化养殖生物滤池的设计主要考虑的是氨氮去除，通过细菌的作用，将氨氮转化为毒性较小的硝态氮。当然生物过滤器也有分解有机物的作用。养殖污水的主要成分 是鱼类鱼排泄的氨氮，它对鱼的毒性很大，一般要求总氨氮量不高于1mg/L或非离子态氨小于0.025mgL。,生物滤池的设计还没有非常严格科学

2、的方法，特别是在水产养殖系统的设计中，因为水体中的氨氮浓度常常低于1mg/L。合理运用生物、化学、物理的数据量化地去描述鱼类代谢物质在生物过滤装置中被除去的过程。简单讲，就是一定数量转氨细菌转化已知养殖对象排泄的含氮废料的能力。,生物过滤装置设计考虑的因素基于生物过滤设计的数据，特别是养殖的数据非常的有限。废物中氨的含量随着鱼在不同的生长状态及生存环境中有差异，如果没有这些数据那么设计者就只能用其它种的相关数据去尽可能准确的估计和判断，准确性差。废物的产生率和净化率随着时间，投喂策略等变化。不同的过滤装置构造。生物过滤装置的设计数据是变化的，设计时应当充分考虑到细节问题，以使该装置能满足不同环

3、境的需要，特别是一些特殊条件，需要大量的改进以便能满足需要。保证装置经济、可靠、有效的工作能力。,程序设计比较直接，只有很少的情况有充足的数据，而且，数据也许只适应某些阶段废物的排泄与鱼的大小、摄食情况、温度等因素有关。废物的去除受温度、流速、氨氮的负荷等因素影响。依据环境排污的最大值去设计过滤装置 在一定水体中放养一定重量的鱼时，如果个体是小鱼就要充分考虑到鱼对毒性物质的耐受作用，其他情况下还应当计算鱼体最大时的废物量,生物过滤装置的设计步骤,.确定污染物的数量 代谢测定和实际数据.确定鱼类的耐受水平 氨、亚硝酸盐、硝酸盐、固体颗粒.计算鱼类的氧气消耗量 静水法和流水法.计算养殖系统的承载能

4、力 系统能养殖鱼类的最大数量.计算系统的流速 整个系统的水流量,生物过滤装置的设计步骤,.计算水流一次通过后的氨氮浓度 一次去除率.计算多次循环后的氨氮浓度 每天的去除量.计算过滤装置的氨氮净化效率 以百分比、单位体积或单位比表面积表示.确定过滤装置中总的氨氨负荷 每天的氨氮负荷,生物过滤装置的设计步骤,.计算需要过滤装置工作的时间 反冲洗、清理时间.确定过滤装置的容量，特别是它的表面积 水力负荷率.确定装置的尺寸.确定装置的氧气供给量.修改装置以确保氧气供给,生物过滤装置的设计步骤,计算最大氨氮等负荷试验确定滤材的氨氮去除效率确定耗氧量 确定生物滤池构造,生物过滤装置的简单设计步骤,鱼类代谢

5、参数：代谢参数是水产养殖用生物滤器的设计的基础。Liao和Mayo（1974）得到的关于鲑鳟鱼新陈代谢过程方程。NA=0.0289F NN=0.024F P=0.0162F SS=0.52F BOD=0.60F COD=1.89F,生物过滤装置的设计方法,式中：NA氨的生成率（kgNH4-N/100kg鱼天）NN硝酸盐的生成率（kgNO3-N/100kg鱼天）P磷酸盐的生成率（kgPO-P/100kg鱼天）SS固体悬浮物生成率（kgSS/100kg鱼天）BODBOD生成率（kgBOD/100kg鱼天）CODBOD生成率（kgCOD/100kg鱼天）F投饵率（kg饵料/100kg鱼天）以上方程是

6、在水温1015，放养密度为28.4kg/m3的养殖系统所得出来的结果。,鱼的耗氧量：耗氧量是生物滤器设计第二个必须了解的参数，Liao(1972)给出了鳟鱼耗氧率的计算方程如下：Oc=K2TaWb 式中：Oc耗氧率（lbO2/100lb鱼天）K2 速度常数 T 温度（）a、b斜率 W每条鱼的体重（lb）,表8.1 耗氧率计算中常数,注：表中的常数是按照公式8-7中重量单位为磅表示的(1lb=0.45359kg),系统负载能力Lc（养殖容量）按下式进行估算（Liao等，1972）Lc=式中：Lc系统负载（kg鱼/Lmin）Ce要求的溶解氧浓度（mg/L）Cm养殖池中容许的最低溶解氧浓度（mg/L

7、）Oc耗氧率（kgO2/100kg鱼天）,总水流量 Q=式中：W养殖系统鱼的总容纳量(kg)Lc系统负载（kg鱼/Lmin）,氨浓度系数C的计算 式中：Cz系统允许氨氮的浓度（mg/L）Ci氨氮的初始浓度（mg/L）生物过滤器的氨氮去除效率 E=式中：R水循环率 C系统进出口氨氮浓度的比值 E生物滤池的硝化效率,硝化效率与水力停留时间的关系 E=(9.8T-21.7)tm 式中：tm水力停留时间（h）T水温（）E生物滤池的硝化效率 生物滤池的容积Vm:式中：Q流量 tm水力停留时间 滤材的孔隙率 滤材的总表面积As：As=（Vm）（Au）式中：Au为滤材的比表面积（m2/m3）,简化设计方法,

8、根据前面的内容：将每将1g的NH4+氧化成NO3-需要消耗4.18g氧气和7.14g的碳酸离子（如CaCO3）并生成8.59g碳酸和0.17g细胞。按照下表列出了氨氮硝化生物滤池主要设计参数参考值进行简化设计。,表8.2氨氮硝化生物滤池主要设计参数参考值,生物过滤装置实例浸没式生物滤池,系统数据信息 某养殖场养殖规模10000 kg鳟鱼（平均体重1kg），要求采用一个密闭的装置，90%循环，系统温度12，滤材采用塑料环状滤材：直径 2.5cm 空隙率 90%比表面积160/m3 密度 18.5kg/m3每天按体重的2%投喂饵料，装置排出水的最少氧气含量 5mg/l。,方法一1.氨氮产量（AP）

9、AP=0.0289（投喂量/天)AP=0.0289100002%=5.8 kg/天2.氨氮通过装置的去除 在12氨氮的去除(AR)是每天0.60 g/3.需要的表面积(一次通过时）SSA=AP/AR=5800/0.60=9667 m2,生物过滤装置设计实例,方法二1.需氧量Oc=K2TaWbOc,耗氧量K2，速率常数T，温度W，鱼的大小A,b，线性常数Oc=3.0510-4(56）1.885（2.2）-0.138=0.478 公斤氧气/100公斤鱼/天,生物过滤装置设计实例,2.系统负荷 Lc=0.14(Ce-Cm)/Qc Lc,系统负荷 Ce,溶解氧饱和度 Cm,最低需氧量假定 Ce为10，

10、Cm为5 Lc=0.14(10-5)/0.478=1.46公斤鱼/升/分钟,生物过滤装置设计实例,3.需要的水流速率 Q=6849 升/分钟4.初始排水端氨氮浓度 Ci=每天氨氮产量/水流速率=0.59 mg/L 允许最高氨氮浓度为0.75 mg/L,生物过滤装置设计实例,5.循环引起的允许最高氨氮浓度系数 C=C2/Ci=0.75/0.59=1.276.浸没式生物滤池的效率 E=(1+CR-C)/CR R，循环百分比 E=(1+1.270.9-1.27)/1.270.9=0.76 生物滤池必须有76%的效率,生物过滤装置设计实例,7.循环引起的生物滤池最大氨氮负荷 Wa=5.81.27=7.

11、378.生物滤池内的水力停留时间 tm=E/(9.8T-21.7)=0.48 分钟9.生物滤池容积 Vol=Qtm/空隙率=68490.48/0.9=3653 升,10.需要的比表面积总数 SSA=Vol比表面积=3.653160=584 m2,11.生物滤池滤料容积 方法一，Vol=9667/160=60 m3 方法二，Vol=584/160=3.65 m312.复查溶解氧浓度 氨氮耗氧量=5.8/4.18=24.24 公斤/天 水流供氧量=6849（10-5）=49.3 公斤/天 供氧量充足两种方法比较 1.比表面积差别很大 2.容积差别为6倍 3.很多经验公式,方法二借用了其他系统的经验

12、公式，方法一没有考虑循环和溶解氧的影响不同的滤材，滤池构造也会产生不同的影响当前的设计方法还有很大的误差，没有很确切的实际数据最好借用试验滤池数据，但是系统规模的放大并不代表试验数据可以同步扩大，也有局限性,讨论,滴流式生物过滤装置有许多型式，并且滤料的种类繁多，传统的滴流式生物滤池采用碎石做滤料，滤池为圆筒状，高度低、直径大。水产养殖生物滤池主要采用圆筒状，高度大于直径，滤料采用比重较小的塑料材质。滤料可采用随意堆积和固定两种方式。,滴流式生物滤池设计,假定给定条件养殖量 10000kg鲑鱼（平均1kg重）。养殖装置是一个密闭的装置，100%循环，每星期换水20%装置温度：12投喂：2%鱼体

13、重最大密度：50 公斤/m3 最大放养比率：150000 公斤/m3/秒生物滤材：塑料环，直径2.5 cm；空隙率，0.92；比表面积，220 m2/m3 水质要求：见表8.3。,表8.3 要求水质参数,设计过程1.水体体积（VW）：VW=10000 kg fish/50 kg=200 m32.总水流量（Q）Q=0.0667 m3/s3.饲料投喂量（Mf）该数值由鱼体的密度和个体大小决定，在鱼生长的早期一般控制在鱼体重的6%或者更高一点，当鱼即将销售时控制在体重的0.75%到3%，设计中这个值假设为2%，即：Mf=100000.02=200 kg/day,4.代谢废物的产量根据已知数据：（每公

14、斤饲料）消耗：0.21 kg O2 产生：0.28 kg CO2 0.30 kg 固体颗粒 0.03 kg TAN5.需氧量（Or）在已知需氧量0.21 kg O2/kg feed 的基础上增加20%的安全系数，为0.25 kg O2/kg feed，Or=0.25 200=50 kg O2/day,6.总氨氮的排泄量（TAN）在本例中，总氨氮的排泄量按投饵量的3%计算。TAN=200 kg feed/day 0.03 kg TAN/kg feed=6 kg/day7.系统中氨氮浓度（TANs）TANs=1.25 mg/L,由于水中的氨分子是有毒的成分，氨分子的浓度受温度和pH值的影响。温度和

15、pH值升高，NH3的浓度增加，pH值为6时，NH3的浓度接近0。假定系统中温度为12保持不变。根据鲑鱼的需要（看水质需求而定），NH3的浓度应保证不超过0.0103 mg/L。,8.生物滤池表面积（AF）已知单位面积的氨氮去除率为0.75 g/m2/day,AF=8000 m29.生物滤池的容积（VF）VF=36.4 m 3,整个过滤系统假定有8个生物滤池，每个生物滤池大小的推导如下：每个生物滤池的水流速率(Ff)为：,Ff=720.3 m3/day,每个生物滤池的容积（Vu）：Vu=36.4/8=4.55 m3生物滤池横截面积（Ac）利用最大水力负荷(225 m3/m2/d)计算：,Ac=3

16、.2 m2,单个生物滤池的横截面积最小为3.2 m2。,10.生物滤池的尺寸和数量 流量越大，氨氮去除率越高，氨氮的去除率与水力负荷、流速以及滤池的横截面积等因素有关 1）滤池直径 2）高度 3）滤池数量 4）水流量,假定生物滤池为圆柱形，则圆柱形的直径（Df）为：Df=2.2 m则高度（Hf）为，Hf=1.2 m这样设计出来的生物滤池的尺寸如下：高度：1.2米直径：2.2米容积：4.56 立方米横截面积：3.2 平方米生物滤池的数量：8个,本设计中用到的滤材相对比表面积较大，比表面积小的滤材需要更大的滤池容积滤池设计要考虑到去除氨氮，亚硝酸和有机物的统一本设计方法简单，但是没有考虑到其他的影

17、响因素，实际应用中会有误差 实际应用中，应该使用合适的策略补偿设计中的误差,讨论,膨胀性微珠生物过滤装置,膨胀性微珠生物过滤装置（EGB）过滤装置的过滤床是由微小颗粒的塑料珠组成，它可以通过膨胀和搅动来清洗装置本身,应用生物转盘的优势 1.自我清洗，自我充氧 2.压头损失低 3.无阻塞，硝化反应好 4.运行稳定生物转盘的特殊结构决定了它的设计,生物转盘的设计,理论设计条件1.生物膜的生长和脱落是平衡的2.脱落的生物膜是悬浮的3.附着和脱落的生物膜都可以去除基质，但是悬浮生物膜的作用可以忽略不计4.氧气和其它基质没有浓度上的限制作用5.生物膜的厚度是均匀的6.水流速度是均衡的,生物转盘的理论模型

18、,依据上面的假设，可以得到 Q(So-S)+rsAs=0 Q,水流量 So，进水的基质浓度 S，出水的基质浓度 rs，单位面积的基质去除率 As，滤材的表面积,常用的经验公式 F=(K/N)LaTbScBdAeDfQg F,去除的比例（%）K,去除常数 N，生物转盘的阶段数 L，进水的基质浓度 S，水力停留时间 T，水温 B，生物转盘的转速 A，有效的滤料表面积 D，生物转盘的浸没深度 Q，流速 a,b,c,d,e,f,g,回归常数,生物转盘的经验模型,1.基质浓度较低时，去除效率和基质浓度线性关系 2.试验规模生物转盘的效率为商业生物转盘的2.5倍左右 3.使用不同材质滤材，经验公式需要修正

19、,设计前提和过程 1.尽量采用商业生物转盘的经验参数 2.必要时使用最好的预测值 3.假定生物转盘可以处理掉每天系统中产生的所有氨氮 4.采用放养量最大时的数值 5.pH 设定为7.5，并以此来计算游离氨氮的浓度 6.每天的投喂量为低于1%的鱼体重,生物转盘的设计实例,7.罗非鱼氨氮产生量为每公斤饲料25克 鲈鱼氨氮产生量为每公斤饲料32克 虹鳟鱼氨氮产生量为每公斤饲料34克8.经验公式，生物转盘每天氨氮的去除率为 Y=-16.6+163.3X Y,氨氮去除率 X,进水的氨氮浓度,9.温度补偿 罗非鱼：不用补偿，以上公式30所得 鲈鱼，降低10%（温度25，低了5）虹鳟鱼，降低30%（温度15

20、，低了15）10.滤材的比表面积选择为175 m2/m311.生物转盘的直径为3.66米，接近于商 业生物转盘的直径,生物转盘的设计条件总结,确定养殖品种和规模确定最大污染物的产量确定养殖对象的耐受水平计算氧气消耗量确定生物滤池的种类和滤材种类确定氨氮去除效率和生物滤池的体积复查溶解氧浓度,生物滤池的设计总结,生物流化床的设计,提高生物滤池水处理效率的关键有两个方面，一是提高单位体积内的生物量，特别是活性的生物量，另一方面是强化传质作用，强化有机底物从污水中详细均传质的过程。第一个方面采取的措施是扩大微生物栖息的表面积，增加生物膜量，并相应提高充氧能力。第二方面采取的措施是扩大生物体与污水的接

21、触面积，加强污水与生物膜之间的相对运动。20世纪70年代出现了生物流化床，把生物膜技术推向了一个新的高度。它是以石英砂、焦炭、活性炭等细小的材料（比表面积达20003000m3）为载体，水流由下向上流动，使载体处于流化状态，载体的表面生长、附着生物膜。污水从其下部和左右侧流过，不断和载体上的生物膜相接触，从而强化了传质过程，并能有效地防止生物膜的堵塞。,设计实例：试设计一个砂粒流化床生物过滤器，用于5000公斤规模的罗非鱼越冬循环水系统。设日饵率为3，砂粒的比表面积为3000m2/m3，要求水体离开过滤器时的溶氧浓度不低于3毫克升。,设计计算：（1）氨氮排泄量(P)：根据表8.2，以日投饵率的

22、3计算，则：,（2）过滤器的氨氮去除率（R）由表8.2，取R=0.4克氨氮/(m2天)（3）所需生物膜面积，即砂粒总面积（A）,（4）所需砂粒总体积（V）（5）过滤器正常运行的需氧量（D）根据表8.2，取需氧量与氨氮量的比值为4.3，则：D=4500克氨氮/天4.3克氧/克氨氮=19350克氧/天（6）水流量 设进、出水的溶解氧浓度分别为7mg/L和3mg/L，则过滤器所需水流量为：Q=4837.5m3/天=3.4m3/min,目前水产养殖用生物过滤器的设计往往比较保守，主要是因为许多数据的可变化性很大，并且许多模型的建立依靠的实验数据准确性存在一定的问题。已经有很多关于生物过滤器的设计和配置

23、可应用于水产养殖。当然，不同的生物过滤器的设计方法都有它们的优点，同时也存在一定的不足。,充气和充氧,充气和充氧部分综述,第一部分 充氧和曝气原理第二部分 各种充氧和曝气设备第三部分 充氧和曝气设备设计,简 介,溶解氧是高密度养殖系统的第一个水质限制指标 水中氧的饱和度低 缺少光合作用 缺少水交换提高的方法 增加水和空气或者氧气的接触面积,高密度养殖条件下溶解气体范围,充气设备简介,重力曝气机风动抽水泵立式泵充气机喷水式充气装置真空叶轮泵式充气机叶轮式曝气机（俗称水车）填充塔充气机 多层滴流式充气设备,风动抽水泵工作原理和应用,立式泵充气机,喷水式充气装置,真空叶轮泵式充气机,叶轮式曝气机（水

24、车）,气泵和气石充气系统,填充塔充气机,多层滴流式充气设备,纯氧接触系统,密封填充塔多阶段低压头纯氧接触器喷射塔测流氧气喷射器U型管纯氧系统低速气泡接触器封闭立式泵充氧机,密封填充塔,多阶段低压头纯氧接触器,喷射塔,测流氧气喷射器,U型管纯氧系统,低速气泡接触器,封闭立式泵充氧机,溶解气体标准,溶解气体的表示单位 mg/L mm Hg 饱和百分比 气体压力：Fi=Ti/Ci 总气体压力：TGP=Ti,TGP和当地的大气压力（BP）之间的差为溶 解气体的饱和度的指标 P=TGP-BP 气体的饱和度，TGP和当地的BP的百分比：%饱和=(TGP/BP)*100 在养殖系统中，涉及到的可溶性的气体

25、氧气 二氧化碳 氮气,溶解气体标准,溶解气体的良性作用,充足的溶解氧可以提高活力，增进生长二氧化碳可能抑制细菌的生长平衡的溶解气体浓度可以维持生态平衡,溶解气体的危害作用,溶解的二氧化碳在一个临界浓度之上时会使磷酸钙的饱和度增大，从而影响肾脏的活动当二氧化碳的浓度较高时会降低血液携带氧的能力较低的溶解氧浓度在可允许的最低值之下时，会降低氧的携带能力,较高的溶氧浓度会促进细胞酶的氧化作用，导致呼吸链的失效溶解氧和溶解氮的浓度达到饱和时会引起气泡病（GBD）气泡病的症状：组织中的气泡增加；血管阻塞；生长和饲养转变系数的降低；导致死亡,溶解气体的危害作用,溶解气体标准,可以接受的P的范围变化 鱼种

26、规格 饲养条件 溶解气体的部分相关压力的变化良好的充气设备的使用不仅仅是基于氧气的供给率，而且和溶解氮（DN），P以及溶解二氧化碳的极限有关,气体渗透原理,一种气体在水中的饱和浓度（C*）将会影响气液界面的气体渗透的方向以及速率一种气体在水中的饱和浓度（C*）是由气体阶段的局部压力，水温以及Henry法则讲到的水的成分决定的：C*=BiKi1000Xi(TP-VP)/760 Vp,蒸汽压力 BiKi,气体溶解系数气体蒸汽压力随温度增加而增加，溶解系数随温度增加而减少，饱和浓度随温度增加而减少,温度的影响,水中的溶解固体及悬浮物的浓度也会降低气体在水中的饱和浓度(C*）。我们采用将气体在水中的饱

27、和浓度（C*）从洁净水(Cw)中转换到浑浊(Fw)的状态=(C*)FW/(C*)CW一种气体在水中的饱和浓度(C*)随着时间或者在一个特殊的接触器中的位置的改变而改变。当空气在水面以下被打散，总压力（TP）将会从流体静压力和此地的大气压力的总和下降到水泡上升到水表面时的大气压力（BP）,气体渗透原理,气体渗透速率,使氧气溶入水中的推动力是水中的主要溶解气体的不足。氧气分子首先从大量的气体状态转移到气液界面。氧气和氮气转移的主要阻力来自于液体交界扩散阶段 气体吸收或者释放的净比率是由渗透系数和溶解气体浓度和饱和浓度(C*)差的乘积所决定的。这个关系可以用微分的形式表述：dC/dt=KLa(C*-

28、C),影响渗透系数的重要的条件包括气体液体接触面，气体液体的紊乱，该系统的几何形状，以及液体的特性温度影响到渗透系数KLa。KLa的值可以通过温度的影响得以纠正：（KLa）t=（KLa）20C(1.024)t-20公式表明水温变化在10-30摄氏度将引起转移系数（KLa）60.7%的增长,气体渗透速率,水面上的活性物质通过改变液体界面扩散阻力来增加或降低渗透系数（KLa）。在自然条件下得到的KLa值可通过纯净水条件下得以校正，反之亦然，校正系数用表示：=（KLa）FW/（KLa）CW进一步来说，在气体的分子直径已知的情况下,一种气体的KLa值可以被用于定义相关的一种气体的KLa值（KLa）N2

29、/（KLa）O2=dO2/dN2,气体渗透速率,增氧系统的性能比较标准 标准条件：DO=0 mg/L,温度=20C,BP=760 mm Hg,=1,=1 标准氧气渗透速率（SOTR)SOTR=（KLa）20C（C*）20C,增氧系统性能指标,标准的充氧效率（SAE），表示相关能量消耗的指标，可以通过SOTR除以功率（PW）的方法得到：SAE=SOTR/PW 由于采用了不标准的温度，溶解氧的浓度，大气压力，以及水的组成，需校对SOTR和SAE：AOTR=SOTR(C*O2-DO)/9.07(1.024t-20)AAE=SAE(C*O2-DO)/9.07(1.024t-20),增氧系统性能指标,周

30、围的溶氧浓度达到饱和时，实际的AOTR和实际的充氧AAE将会趋于零，会限制增氧系统的有效使用当评估充氧设备的性能时，公式中的KLa很少被接受。一般用通过该系统中的溶解氧的改变来表示设备的性能，用溶解的气体的不足的分数来表示：E=（DOout-DOin）/（C*O2-DOin）当设备的效率已知，上面的公式可以重新排列为：DOout=E（C*O2-DOin）+DOin,增氧系统性能指标,综述,对于纯氧接触系统，氧气的渗透速率可以用下面的公式计算 OTR=(DO)ABQL 标准的渗透效率（TE）：TE=OTR/PW充氧效率可以表示为 AE=(DO)ABQL/（MW）O2QM,增氧系统性能指标,吸收氧

31、气和释放氮气的相关比率可以通过DODN的比率来表示：DODN=（DOout-DOin）/（DNout-DNin）这个比率是相当重要的，它表示是出水的TGP（溶解气体的总压力）高于或者低于进水。一个执行中的DODN大约为-2.2，这个值被定义为临界的曝气比率，表示进出水之间没有TGP的变化,增氧系统性能指标,充氧成本，在比较相对的性能时是很有用的指标，它包括设备的分期偿付(AC)，能量消耗(EC)，以及氧气的成本(OC)TC=（AC+EC+OC）/OTR把设备的维护和投资风险考虑进来十分必要,增氧系统性能指标,吸收效率,纯氧接触系统,将纯净的氧气转移至水中的系统包含：氧气的发生装置 控制氧气的流

32、速的控制组件 推动氧气和水接触的设备 纯氧系统应该：使用最少的能源和资金达到较高的氧气利用率,增加进入吸收装置中的氧气用于提升氧气在气体状态下的摩尔分数，从而增加溶解氧的饱和浓度。使流出水中的溶解氧的浓度高于空气中的饱和浓度。在15摄氏度时，饱和浓度为10.17mg/L 纯氧的环境中，饱和浓度达到48.1mg/L将水暴露在富含氧气的环境中，除了可以加速氧气的渗透，还能够降低氮气的饱和浓度。从溶液中脱离出来的氮气，会在接触器中进入气体阶段，降低氮气的转移比率会有利于创造一个纯氧的环境,纯氧吸收装置,水中气体成分的改变范围主要由氧气供给比率决定，水中的溶解气体的浓度、温度、压力和设备的特性决定氮气

33、以气体形式的积累会导致较高的操作成本，必须有排气孔。由于泄出的气体中含有较高含量的氧气，因此也有一定的利用价值。由于二氧化碳在水中的溶解率很高，所以在氧气的吸收装置中使二氧化碳曝气的可能不大,纯氧吸收装置,纯氧接触装置的选择取决于 标准的性能指标 是以当地资源条件 操作条件固体颗粒的存在会抑制填充塔的使用，由于额外的污染会堵塞用于提供气体-液体接触区域的通道在进水和饲养池之间的水压梯度的存在有利于U型管或者其它的低压头接触器的使用,纯氧吸收装置的选择,一个纯净的氧气的U型管系统包括2-3个部分：一个气体扩散装置，一个U型的垂直管道，提供一个接触环路，一个泄出气体的收集装置在应用过程中，氧气及泄

34、出气体在进水口以一个混合比率分散。气液混合物从一端进入另一端排出。水流的速度保持在气泡的上升速度之上。当气体-液体混合物移动通过接触环路的同时，流体静力压升高带来溶解氧的增加，促进了氧气的吸收,U 型 管,影响U型管纯氧接触系统效率的因素 氧气接触管的深度 进气速度 水的流速 气泡分散器的深度 进入水中的溶解气体的浓度 排出气体的循环利用比率当氧气接触管的深度在25-60米、进水速度在1.8-3 m/s，操作成本最低,U 型 管,U型管的优点 可以在较低的水压下操作(2-3 m)可以处理水中携带的微粒物质当气液的比率超过25%时，存在断流的可能基础的投资过于庞大。,U 型 管,低速气泡接触器,

35、气泡可以较长时间的保留在接触装置中。但是当溶解氮排出时，有些气体必须被排出气泡接触器的充氧和曝气效率主要决定于 水和空气的流动比率 相应的溶解气体的浓度 气体的排放率 锥体的几何形状 操作压头,操作压力是由锥体的深度决定的。采用较深的或没入水中的锥体可以增大氧气的吸收比率，降低氮气的排放。低速气泡接触器的优点 进水口压力小（1m）结构简单 可以处理水中的固体颗粒,低速气泡接触器,测流氧气喷射器,影响效率的主要因素包括：负压腔构造 气体和水流速率 接触管长度 压力 喷射器构造一般来讲，工作压力为190-860 kpa，水流速为，接触时间6-12s，系统中的溶解氧浓度可以超过100 mg/L,封闭

36、填料塔纯氧接触器,构造和优点 为气体有效地交换降低水层的厚度影响充氧和曝气因素：喷射管的几何形状 分散装置、入水中的溶解气体的浓度 气体液体的流动速率 内部压力 塔的直径,封闭填充塔,影响填充塔效率的影响因素包括 液体分散装置的设计 填料的选择 塔的深度 入水中气体的浓度 操作时的压力可以增加水中的溶解氧，同时去除溶解氮。该装置多用于洁净的水体,封闭立式泵充氧机,影响气体交换的因素：入水中的溶解气体浓度 入水中的氧-水比率 装置的几何形状 推进器的设计 转动速 操作的深度,多阶段低压头纯氧接触器,结合了喷射塔和填充塔的优点，重复的接触扩大了氧气和氮气的溶解比率，促进了气体交换。由于不需要泵，降

37、低了能源成本和系统瘫痪的风险这一装置的效率由很多因素决定：水和气体的流动比率 进入的溶解气体浓度 工作的接触室的数量 接触室中是否存在填充物,氧源,氧源 1.气态纯氧 2.液态纯氧 3.制氧机制氧性价比 1.方便，便宜，基础投资高 2.方便，较贵，基础投资少 3.最为方便，投资高，配套设施多,充氧量检控,监控策略和方法 1.控制气液混合比 通过测定水流量，测定和调节气流量 2.自动化控制系统 首先测定养殖池出水溶氧浓度，反馈给中央控制器，根据设定的溶解氧浓度，通过电磁阀，自动控制供气阀开启的大小。,纯氧接触系统设计流程,基本设计流程 1.确定养殖场基本环境因素 水温，水流，入流溶解气体浓度，气

38、压。2.确定养殖品种对溶解气体的要求 氧气，二氧化碳和氮气 3.根据养殖量和养殖场条件估算需氧量 4.确定适合供氧量的充氧机类型,设计依据 设定一个养殖池为单位，耗氧量为ECOC,平衡式为，(DO)AB=ECOC+(DOout)RV-(DO)AB相应的溶解氮气的平衡方程式为，(DN)=BP+(Pout)-(DOout)(FO2)-VP/FN2-DNin,纯氧接触系统设计流程,纯氧系统选择依据 依据纯氧系统的性能和养殖场的特点,(DO)AB是 由几个不同的应用环境因素决定的，包括 气压，氧气输送速率，渗透系数 设计原则 通盘考虑以上因素，减少费用设计方法 设计软件 利用分压率,纯氧接触系统设计流

39、程,纯氧接触装置主要的操作特性,设计目标 深度 填充类型 横截面积 使用压力 氧气输送速率假定条件 1.所有气体在填充塔内是均匀混合的 2.(DO)AB是正值，(DN)AB是负值,填充塔设计流程,第一步：选择初始层深度和填充类型并计算气体相应的渗透系数（G）20。（G）20用温度t，表面活性剂（当可知时），气体种类来修正：（G）t,i=（G）201.024t-20第二步：应用公式中的(DO)AB 和(DN)AB，并用步骤一中修正后的（G）t,i值来分别计算塔内溶解氧和溶解氮的饱和浓度：（C*O2）AB=(DO)AB/(1-e-(G)t,i)+（DOin）AB（C*N2）AB=(DN)AB/(1

40、-e-(G)t,i)+（DNin）AB,填充塔设计流程,填充塔设计流程,第三步：用亨利定律并结合步骤二得出的气体饱和浓度，计算氧气和氮气相位的局部分压PP：PPO2=(C*O2/BO2 KO21000)AB PPN2=(C*N2/BN2 KN21000)AB（Bi Ki1000由表6.1种的温度公式给出）第四步：现在，塔内的总压力可用PPO2，PPN2计算得出（水蒸气的压力VP由表6.1给出）CP=760(PPO2+PPN2)+VP,填充塔设计流程,第五步：计算氮氧的气相摩尔系数(Xi),X O2=（C*O2）AB/（(CP-VP)/760）(BO2 KO21000)XN2=1-X O2第六步

41、：塔内氧的摩尔流速度(QM)O2:(QM)O2=(X O2/XN2)|(DN)AB|QL/MWN2+(DO)AB QL/MWO2第七步：将氧气的摩尔流速度转变为标准的容量流速度（21.1；760mmHg）,用理想气体定律：（QV）O2=0.0821（QM）O2(273.15+21.1),填充塔设计流程,第八步：计算有效气液比（G/L）:G/L=(QV)O2/QL第九步：根据水力负荷率和QL符合决定填料塔的横截面积 A=QL/(HL60)第十步：建立一个包含AE（氧气渗透效率）和TE（氧气吸收效率）的标准执行指数 AE=(DO)ABQL/(MW)O2（QM）O2 TE=(DO)ABQL/PW,填

42、充塔设计流程,设计的出发点是要知道填料的性能。如果AE 和TE不够合理，可以通过改变深度等重复设计计算。,填充塔设计流程讨论,空气接触系统设计,空气接触系统的特性 空气和水接触设备中高气液比确保了气液接触面的氧气含量近似于标准空气（20.946%）。这一特性简化了曝气计算。但也限制了水的溶氧量或饱和浓度。像之前提到的，溶解超饱和气体的水处理将导致气体向周围大气扩散。有意释放可控制TGP过量或个别气体的压力。空气水接触装置包括：气液接触器，空气源，控制水流或空气流速度的设备。,空气来源 1.水表下空气接触系统要求无油压缩空气。空气压缩需要用到各种设备，包括横膈膜，活塞，旋转叶片，离心机等。虽然设

43、备的选择主要基于空气流和排放压，也要考虑资金成本，维护要求和噪声问题。在压缩过程中空气的温度会增加。同时，水中气体的释放或吸收会改变空气组成。2.空气压缩机排放压由空气排放系统的布局，压力差和空气排放深度等决定的，系统的排放压标准度量很少超过2米水柱。3.空气压缩机的类型包括活塞式和叶轮式等。,空气接触系统设计,监示与控制 为了与不同的氧气需求相匹配，通过控制设备功率输入（水面搅动设备），水流速度（重力和喷射器）或空气流速（水面下设备）来改变氧气渗透率。目的是节省能源，延长设备寿命。水面搅动设备通过独立的开关来控制。可手动控制，也可通过设定时间或溶氧量用程序控制。循环系统中的水流依整个系统中交

44、换率而定。因此，不提倡通过调节水流速度来控制重力和喷射器性能，除非由独立或侧流泵提供。,空气接触系统设计,应用空气接触器的合理方法的设计步骤包括：设定地理条件，明确溶解气体标准，测算气体渗透需求，选择仪器类型和构造。与纯氧接触系统系统设计上的不同 1.排水的溶氧浓度应低于标准状况下的溶氧浓度C*O2，避免 排出的溶氧浓度接近C*O2,因为会导致AOTR和AAE过低。2.通常空气接触设备以很高的气液比运转，对空气进出水体造 成的氮氧组成影响可忽略不计。可以简化设计。,空气接触系统设计流程,第一步：明确反应器送出的水流在排水道的溶氧，内部的溶氧浓度，需要的氧气转移率，DOout=DOin+（(OTR16,666)/QL）第二步：用亨利定律建立当地的氧的C*值，水温，当地的大气压,表6.1给的VP，Bi Ki1000值 C*o2=Bi Ki1000Xi(TP-VP)/760,立式泵设计流程,第三步：计算标准的氧气转移率 STOR=AOTR/(C*o2-DOout/9.07)1.024(t-20)第四步：再选好的混合池中，用搅拌器提供第三步计算出的STOR。第五步：用公式6.12计算搅拌器反应器联合装置的标准曝气效率（SAE）(Kla)20=STOR/(C*o2)20V10-3,立式泵设计流程,喷水式曝气机效率比较,第二部分 曝气系统,