2015年6月6日 星期六

工厂化养鱼供水量和供气量的确定

http://www.ysfri.ac.cn/qikan2002/%E5%B7%A5%E5%8E%82%E5%8C%96%E5%85%BB%E9%B1%BC%E4%BE%9B%E6%B0%B4%E9%87%8F%E5%92%8C%E4%BE%9B%E6%B0%94%E9%87%8F%E7%9A%84%E7%A1%AE%E5%AE%9A.PDF


第 23卷 2 0 0 2 第 2期 年 6 月 海 洋 水 产 研 究 M ARINE FISHERIES RESEARCH VO1.23。N O.2 Jun.,2002 文章编号 :1000—7075(2002)一02—0072—07 综述 工厂化养鱼供水量和供气量的确定 梁 翻 鹏 (中国水产科学 研究院黄海 水产研 究所 ,青 岛 266071) 摘要 综合工厂化 养鱼池 内进水 、排水 、供 气、生物代谢、饵料投喂 和有害物质降解的 关系,利 用物 料平衡 原理、微生物降解动力学原理 、生物 能量学原理和养鱼池的水力特性 ,建立供水量、供 气量与 产氮率 、耗氧率、产 BOD率的关系式 ,提 出工厂化养 鱼场供水量和供气量的计算方程式和方法。 关键 词 供 水 量 供 气量 产氮 率 产 BOD 率 耗 氧 率 好 氧 生物 降 解 中图分类号 :$961.2; 文献识别码 :A The determ ination ofwaterand air flow rate in fish culturesystem LIA NG Fan—peng (Yellow SeaFisheriesResearchInsititute,Qingdao 266071) ABSTRACT The relationships am ong water flow rate,drainage,air flow rate,biological m etabolism 、food feeding and biologicaltreatmentin thetank offishrearingsystem aresum ma— rized.Theequationsbetween thewaterflow rate、airflow rateandtheproduction rateofN 、 the production rateofBOD 、theconsum ption rateofoxygen areestablished by using theprinci— piesofmatterbalance、dynamicsofbiologicaltreatment、energy ofbiology and the hydraulic characteristicsoffish tank.Theequationsand them ethod ofcalculating thewaterand airflow rate in fish culture system are setup. KEY W oRDS W aterflow rate Airflow rate Production rate ofN Production rate ofBOD Consum ption rateofoxygen Treatmentofaerobicm icrobe 工厂化养鱼池是一个复杂的生态系 ,其进水 、增氧、饵料投喂的 目的是最大限度地满足鱼的养殖条件 ;由于 饵料投喂和鱼的代谢 ,养鱼池内水体 的氨氮和 BOD浓度将增加、溶解氧降低,不利于所养鱼类的生长 。换水不 仅可以将鱼的排泄物和残饵排 出鱼池 ,而且 可以向池水中补充溶氧;供气 不仅可以补充鱼的耗氧 ,而且 向好氧 微 生物提 供 降 解排 泄 物 和残 饵 所需 的 氧源 。Speece(1973)提 出单 位 鱼重 的 水 流量 为 :q=w/E,式 中 ,q为单 位 鱼重 的 水流 量 ,w 为单 位 鱼 重 的产 氨 量 ,E 为氨 的期 望 出流 浓 度 ;LT.N.Heinsbroek提 出 Q—kp/(c。.m.一C 一 P /V);以上两种计算方法没有考虑池 内微生物 的降解作用及换水和供气 同时进 行的情况 ,不能准确地描述 养鱼池的生态环境 。目前我国在确定用水量和 用气量时 ,没有考虑水温、鱼的产氨率 、耗氧率和池内微生物的降 解 作 用 ,仅 凭 经验 简 单 地提 出每 天换 几次 水 ,缺 乏 科 学 的 依据 ,造 成 设 计 、施 工 和 日常 管 理 的盲 目性 ,不 利 于 工 厂化养鱼的发展 。利用模拟养鱼池的生态特性 、物料平衡原理 、微生物降解动力学原理 、生物能量学原理和养鱼 收稿 日期 :2001—11-22;接受 日期 :2002—0404 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 梁翻 鹏 :工厂化养 鱼供水量和 供气量 的确定 池的水力特性 ,提出计算工厂化养鱼场供水量和供气量的公式和方法 ,为工 厂化养殖场的设计和管理提供科学 的依 据 。 l 关系式 的建立 1.1 养鱼池生态系统模拟图 鱼池内鱼和残饵的耗 氧及产生的氨氮和 BOD、好氧生物对氨氮和 BOD的降解 、进水 、排水 、增氧是在同一 池子内完成。其生态系统可以用模拟 图 1来表示。 进水 Q C ‘in T 鱼 的耗氧 ,鱼所 产生 的 残饵 的耗 氧 ,残饵 产生 的 Pi — — 排水 Q CIOUI Q 为进 水 量 .Cf为 进 水 中 的 氨 氦 、BOD 浓 度 ,C『。ut为 排 水 中 的 氮 氦 、BOD 浓 度 · t为 鱼 所 产生的氨氮 、BOD量, 为增 氧量 .Ⅳ 为养鱼池 中污染物 的降解量 .眠 为鱼的耗 氧量 , 为残余饵料的耗氧 量,JPj为残余 饵料所产生的氨 氮、BOD量 图 1 养 鱼池 中生态 系统 模拟示意 Fig.1 Theecotypicmodelin fish tank 1.2 关系式的建立 1.2.1 以溶 解氧 为控 制 参数 依据 物 料平 衡 原理 ,可 以得 到下 式 : Qwt(DOi一 DO。 )+ Qot= +0 +P。 (1) 式中,DO。、DO 为进水、排水中的溶解氧浓度,0 为降解池中部分污染物所需的耗 氧量 ,t为水力停 留时 间 。 1.2.2 以氨 氯 、B0D 为控 制参 数 依据 物 料平 衡 原理 ,可 以得 到下 式 : Q t(Co 一 C:)一 +P。一 N (2) 1.2.3 以水 力停 留时 间为控 制 参数 1.2.3.1 水力 停 留 时间 t— L/Vf— /Q (3) 式中,L为池长, 为池体的容积 ,,为水平方向的流速。 1.2.3.2 养鱼 池理 论 停 留时 间 养鱼池的理论停留时间按下列公式计算(Levevspiel 1979): 广∞ 广∞ I(c 一G)df It(c 一c1)dt :=_ ) 。。 (5) 2 一 2(D/ttL)一2(D/ttL)[1-exp ] (6) 式 中 ,D/I~L为扩散和混 合系数 ,△C~ 为浓度的最大差值 (mg/L),C 为进水 的最 小浓度 (mg/L),C 为 时间 t时的 最 小浓 度 (mg/L)。 维普资讯 http://www.cqvip.com 海 洋 水 产 研 究 第 23卷 2 讨论 2.1 鱼所 产 生 氨氮 、BOD 的量 和鱼 的 耗 氧量 Mo 体 长 B0dyh蜘 (cm】 图 2 鳟 鱼的产氮率 与体长和温 度的函数 Fig.2 Thefuction ofnitrogen productionrate of bulhroutwith thelengthand watertemperature 0 5 10 15 2o 25 3o 体 长 aodylength(era) 图 3 鳟鱼的需 氧率与体长和 温度的 函数 Fig.3 Thefunctionofdemand rateofoxygenof bulhroutwith thelength and watertemperature 值与所养鱼的重量及其耗氧率 、氨氮产率有关 ,其关 系式可以用方程式 (7)来表示 。 /t— Y (7) 式 中 , 为养 鱼 的数 量 (kg),Yi为单 位 重 量 鱼在 一 定时 间 内 的氨 氮 、BOD 的产 量 及耗 氧量 (mg/kg·d)。 耗氧率 、产氮率和产 BOD率与水体的温度和鱼的大小、种类有关 ;对于鱼的产氮率 、耗氧率与鱼重量的变 化关系式和图表国外 已有大量报道 ,图 2和图 3为鳟鱼氮的产率、耗氧率 与长度 、温度的函数关 系图(Speece 1973);我 国对于鱼类产氮率的研究资料较少 ,对于耗氧率 ,张中英等 (1982)、周海涛等 (1992)有相关报道 。王 芳等(1998)、张继红等 (2000)报道 了海湾扇 贝、太平洋牡蛎和海鞘的耗氧率、产氮率 。其关系式为 ,海湾扇贝:y。 一 0.046W _ ×1.08 ,YN一6.79W ×1.03 ;太 平 洋 牡 蛎 :Y。一 0.085W ·¨。×1.06 ,YN一 2.66W 26 ×1.O1。从以上资料的分析结果推断,水温越高 ,其耗氧率和产氮率就越高 ;因此在计算 用水量 时,应按养殖期 间的最高水温计算 ;而不同的鱼每 日的产氮率与鱼的重量有各 自不同的函数关系 Y,一 w,而养鱼池每 日的总 产氮量与鱼的重量有函数关 系 一 w,对方程式微分 ,令 M i一0,得方程式 w)+ (w)一 0 (8) 从方程式 (8)得出最大 值时的 值 ,求 出最大 Mi/t值。按此方法可以求 出最高温度时每 日的最大Mo/t 值 。 2.2 日变 化 系数 依据 每 日最大产氮率可 以计算 出平均每 日最大供水量和供氧量 ,但不能反映 1d内由于残饵等因素所造 成的变化 ,必须应用平均小时最大用量来表示 1d的最大变化。图 4为北极鲑鱼每隔 12h投喂 1次的产氮率 , 图 5为大西洋鲑鱼连续投 喂的产氮率 ;图 6为大西洋鲑鱼 12h投喂 1次的耗氧率 ,另外 Frederick(1985)提 出 几 种虹 鳟 鱼 的 产 氮率 在投 喂 以后 遵 循下 列 方程 式 的 变 化 : Sun vally:j,一 一 O.181+ O.2O9z一 0.023x ,,.一 0.87(y 一 0.197,x= 4.57h) Pennask:j,一 0.O4O+ O.185z— O.205x ,,.一 0.73(y 一 O.442,z一 3.65 h) 从图 4、图 5、图 6和上述方程式可以看出,在投 喂以后 ,由于鱼的代谢和残余饵料的作用 ,产氮率和耗 氧率 是随时间在变化 ,因此供水量和供气量也应随着变化,但都有一个最大值。 2.2.1 平 均 小时 最 大 用量 平均 每 日最大 用量 Q 只反映平均每天的最大 用量 ,但不能反映当天的变 化,采用平均小时最大用量能 描述 1d水 量 的变 化 ;由于 用水量 是 产率 的 一次 函数 ,平均 小时 最大 用 量 Q 可 以用 式 (9)表 示 : 嘶 缁 缁 撕 啷 8 譬 x0J0 芒 p。写 骞 一 一p.∞】I8 一 爵薜骓 们L n m 钔仉 n 们n 崔 g 0pQIA量 0IZ (p.∞】I8【/蚤 骚 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 梁翻鹏 :工厂化 养鱼供水量 和供气量的 确定 Qh =KQd /24 式 中, 为小时最大值与平均每 日最大值的 比值 ,其反映了鱼的代谢和残饵的影响; — yⅡ扭/y y 为平 均 每 日最 大 值 时 的瞬 间最 大 值 ,y 为平均 每 日的最 大值 。 5 10 15 20 25 30 35 时 间 Time(h) 图 4 北 极鲑 12h投喂 1次产氮率 的变化 Fig.4 Produccationratesofnitroge ofArctic charfeeding onceper 12h 2.3 氧化降解的量 ⅣI和降解所需的耗氧量 D 养鱼池 内鱼在不断地排泄粪便 ,而池 内的好氧微 生 物在不断地降解池中的污染物 ;虽然在开始养鱼时 ,水中 的 好氧 微 生物 含 量 很 少 ;随着 时 间 的推 移 ,好 氧微 生 物 会 在池壁 、池底和水中大量繁殖 ,国内外尚无有关养鱼池内 好气性 微生物浓度 的研究报道 ,但好氧微生物确 实存 在 于养鱼池中,并且有些 好氧微生物 的密度可能随着养 鱼 密度的增加而增大(赵 文等 1998)。因此 ,在计算用水 量和用气量 时,必须考虑好氧微生物对排泄物 的降解量 和降解排泄物的用气量 。 2.3.1 当控 制 参数 为 BoD 时 l5 25 时间 Time(h) 图 5 大西洋鲑 鱼在连续 投喂时 的产氮率 Fig.5 Produccation ratesofnitrogenof Atlanticsalmon atintervalfeeding 量大值 M aximum value (9) (10) 占0.7 L — L ~ 一 … 』 , 7 12 17 2.2 27 32 时 问 TimeCa) 图 6 大 西洋鲑 鱼 12h投 喂 1次耗 氧率 Fig.6 Oxygen consum ptionratesofAtlantic salmon feeding once pen 12 h 2.3.1.1 BOD的降解 我们可 以将养鱼池看成一个好氧氧化塘 ,依据生物降解动力学和物料平衡原理得出 下列 方 程式 (11): S0- S 一 K TS Xt (11) 式中 ,。为进入 养鱼池 的 BOD浓度 , 为流 出养鱼池的 BOD浓度 , 为接受 曝气的好气性微生物浓度 (rag/L), 为除去 BOD的速度常数 ,它随温度的升高而增大 ,其关 系式 为:K 一K 。1.065盯 ,式 中, 为 TC时除去 BOD的速度常数 ; 。为 20’C时除去 BOD的速度常数 ,一般取 60×10 (L/mg·d);丁 为养鱼池水 温 。 由于进 入 养 鱼池 的 BOD 沿 池长 在 不 断增 加 ,而 好 氧微 生 物 的处 理 时 间沿 池长 在 不 断减 少 ,出水 浓度 为 流出养鱼池的 BOD浓度 CB0o,则总的降解量应按下式计算 : N B0。一Qw cB0。 £出 得 方 程式 : NmD一 0.5Q KTCB0DXt一 0.5VKTCB0DXt (12) 2.3.1.2 微生物降解所需的耗 氧量 耗 氧量 由降解 BOD所需的氧量和微生物 内源呼吸所需的氧量。 (1)降解 BOD所需的氧量 依据微生物降解动力学原理 ,微生物降解 BOD所需的氧量可由下式表示 : 降解 BOD的需氧速率(氧量/时间)一口 (。一 )Q— aQK XtS,式中 ,a 为每除去单位重量 BOD 的氧 ¨nmnm¨¨∞叭仉∞昕n c0柚呈 鼍Jo 量 兰 。丑 言!lII.∞盖 Ev辞i ¨ 8 鼬弓 .|0嚣_暑 暑 霉譬々口王d 雪 Ⅲ. 邑 辞 ¨ 。 8甚 a宴IdEj∞§ 口矗 一口!lII.∞芒∞曼 辞幂蜒 维普资讯 http://www.cqvip.com 海 洋 水 产 研 究 第23卷 气消 耗 系数 (kgO /kg去 除的 BOD),一 般取 0.42~O.53。 则总降解 BOD的需氧量 O 按式(13)计算 : r 1 1 Ol—Jo SQKTXtdt=寺 QKTXS。t一 1 KTXCsoDVt (13) (2)微生 物 内源 呼 吸所 需 的氧 量 微 生物 内源 呼 吸的 需 氧量 O 与 好 氧微 生物 量 成 正 比 ,其关 系式 可 由式 (14)表 示 : O2— 6 XVt (14) 式中 ,b为微生物的内源呼吸速度 (1/d,即 kgO /kgMLVSSd),一般取 0.11~O.188。 (3)微生物降解总需氧量 微生物降解总需氧量等 于降解 BOD所需的氧量加上微生物 内源呼吸所需 的 氧量 ,即 O 一O。+O ,将 (13)和 (14)代入得方程式(15) O = (O.5a ,K TCBoD+ b)X t (15) (4)在不考虑残饵的影响(残饵的影响按 2.2所述解决),将 (7),(12),(15)代入 (1)和 (2)得方程式(16)和 (17)。 Qw(IX3。一 D0 )+Q。一WY。+ X(0.5a ,KTCBoD+6 ) (16) ‘ Q ( — C。)一 YBoD一 0.5KTCBoDXV (17) 解方程式(16)和 (17)可以求出平均每 日最大量 Q 和 Q。的值。 2.3.2 当氨 氮 为控 制参 数 时 由于养鱼池的水力停留时间较 短(一般不大于 1d),远 不能达到硝化的要求 ,故不考 虑硝 化反应 ,然而 ,必 需考虑降解 BOD所需的氧量 ,(17)式将变成(18)式 : Q ( — Co)=IVYN (18) 解方程式(16)和 (18)可以求出平均每 日最大量 Q 和 Q。的值 。 2.4 进、排水浓度的确定 2.4.1 进 水 浓 度 根 据 进 水水 源 的 最不 利情 况 来 确定 进 水 的各 种浓 度 。 2.4.2 排水 浓 度 BOD、氨氮应低于鱼生长的最高浓度 ,溶氧应高于鱼生长的最低浓度。 2.5 水力停留时间 为了保证养鱼池的水质和残余饵料的及时排出,在设计中用水力停留时间校核设计流量的合理性 ,应控制 实际 水 力停 留时 间要 小 于理 论 水力 停 留 时 间 。 2.6 氧气量 的确定 供气量的大小与总的需氧量 、水温 、水深、水质、水中氧的浓度及充氧设备等有关 。 2.6.1 水 温 、水 质 、水 中氧 的含 量 对 氧传 递速 度 的 影响 氧在 水 中 的传 递速 度 可按 式 (19)计 算 : Ⅳ 一N oa1.024门 ∞( 一 C)/ (19) 式 中 ,Ⅳo为 2OC清水 中的 氧 的 传递 速 度 (kgO /d);Ⅳ 为水 中 氧 的传 递 速 度 ;a为 修 正 系 数 ,一 般 为 0.8~ 0.85;p为氧 饱 和 浓 度 的 修 正 系 数 ,一般 为 0.9~ 0.97;r,为 水 温 (C); 为 温 度 r,(C)时清 水 中 氧 的 饱和 浓 度 ;C为水中的溶解氧浓度(rag/L);e 为温度为 r,(C)、增氧位置水深为 H 时氧的饱和浓度。 2.6.2 水 深 对氧 传递 速 度 的影 响 氧在 水 中的 饱和 浓度 受 水深 的 影 响 ;水越 深 ,饱 和 浓度 就 越高 ;该 关 系式 可 用式 (2O)来 表示 : 一 C (Pb/2.066+O /42) (20) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 梁翻鹏 :工厂化 养鱼供水 量和供气 量的确定 77 式 中,C 为在 1个 大 气 压、氧 为 21%的 气 相平 衡状 态 下 的 氧 浓 度 (rag/L); (9.8N/cmz);O 为逸出气体中氧的分压(%),按式(21)计算 : O 一 21(而1-二EA) ×1OO 式中 ,E 为氧的利 用效率 ( ),一般取 6%~12 。 2.6.3 供 风量 的计 算 供风量可按式(22)计算 : P 为增 氧 位 置 的 气 压 (21) Q。i= N。/o.21EApo (22) 式 中, 为氧气密度(1.429kg/标准 m。);Q 为供风量(m。/d)。 3 算 例 建 1O00m。水体 的虹鳟鱼养鱼场 ,每立方米计划养鱼 40kg,计算该养鱼场 的用水量和用气量 。 3.I 参 数选 定 在养殖期间每 日平均最大产氮率、BOD产率 、耗氧率根据计算确定 为 0.012(kgNH—N/lOOkg·Fish·d)、 0.26(kgBOD/1oOkg·Fish·d)、o.48(kgO/lOOkg·d);水 温 为 15C;进 水 浓 度 :BOD= 2mg/L,氨 氮 一 0.05 mg/L,DO=10.2mg/L;出 水 浓度 :BOD= 2Omg/L,氨 氮 一O.85mg/L,DO = 6.00mg/L;水 中 好 氧 微 生 物浓 度 为 20mg/L,每 El最高产氮率 、产 BOD率 ,好氧率为 0.015、0.32、0.58(kg/lOOkg·Fish·d)。 3.2 以 BOD 为控 制 参数 (1)用水量 将 yB0D一0.26(kgBOD/1OOkg·Fish·d),C.一2mg/L,Co一2Omg/L, 二=:40000kg, 一 2Omg/L,cBod一 2Omg/L, 一1000m。,K一 60×10 ×1.065 一43.8×10 L/(mg·d)代 入方 程式 (17) 得 :Q :5300rn。/d (2)用氧量 将 Q=5300m。/d,DO 。一10.2mg/L,DO 一6mg/L,y0—0.48(kgO/lOOkg·d),a :0.46, b一0.14代入方程式 (16)得:Q。=165.81(kgO2/d)。 3.3 以氨氮为控制参数 (1)用水 量 将 YN一0.012(kgNH—N/lOOkg·Fish·d),Co—o.05mg/L, 一0.85mg/L,W 一4O000 (kg),代入方程式 (18)得 :Q 一6000m。/d。 (2)用氧量 将 Q一6000m。/d,DO 。一10.2mg/L,DO 一6mg/L,Yo 0.48(kgO/100kg·d),a 一0.46, b 一0.14代入 方 程式 (16)得 :Q。一 163.26(kgO2/d)。 3.4 用水量 、用氧量 的确定 由于以氨氮为控制参数时 Q :6000m。/d大于以 BOD为控制参数 Q 一5300m。/d,故平均 每 日最大用 水量取 Q 一6000m。/d;同理平均每 Et最大 用氧量取 Qoa 一165.81(kgO /d)。则平均小时最大 用水量 Q h 一 6000×0.015/0.012×24=312.5rn。/h;平 均 小 时 最 大 用 氧 量 Q。h 一 165.81×0.62/0.48×24— 8.92(kgO2/h)。 3.5 用气量的计算 (1)逸 出气体 中氧的分压 (%)O 按式(21)计算;当 E 一8%得 O一19.65%。 (2)水 深 为 1.8m,Pb:1.034+0.18一 1.214,则 2OC清水 中 氧 的 饱和 浓 度 按 式 (20)计 算 ,得 Cs: 10.77。 (3)20C清 水 中的 氧 的传递 速 度 (kgO2/d)N。按 式 (19)计 算 ,口一0.85,B一0.95,T一15C,N1)d巾 : 维普资讯 http://www.cqvip.com 78 海 洋 水 产 研 究 第23卷 478.92(kgO2/d),N。hma一 25.78(kgO2/h)。 (4)按 式 (22)得 平均 每 日最 大 用 气 量 Q = 19949.021TI。/d,平 均 小 时最 大 用 气 量 QaIrh = l073.65 1Tl。/h。 参 考 文 献 张继红 ,方 建光 ,等.2000.4种海 鞘排泄的初步研 究.海洋水产研究 ,21(1);31~36 赵 文 、董双林 ,等.1998.罗非鱼 放养量对盐碱水 微型生态系统浮游 生物 群落的影响.青 岛海洋大学学报 ,30(3):435~440 井 出哲 夫.(李培元等译 ).1989.水处理工艺 学.武汉 :华 中理工大 学出版社 R.S.Ramalho.(严 中琪等译 ).1982.废水处理概 论.北 京 :中国建筑工业 出版社 BarnabyJ.W atten,L.Todd Beck. 1987.Com partive hydraulicsofarectangularCross—flOW rearing unit. AquaculturalEngineering,6:127~ 140 Be rnabyJ.W atten. 2000. Hydrauticcharacteristicsofa rectangularmixed- cettrearing unit. AquaculturalEngineering, 24:59~ 73 FredrickW.Wheaten.1988.中国水产科学 研究院东海水产研 究所等译.水产 养殖工程.北京 :农业 出版社 Frederick W .M ing. 1985. Ammonlaexcretion rateasaindex forcomparing efficiencyofdietary proteinutilizationamong rainbow troutofdiffer— entstrain .Aquaculture,46:27~ 35 M .G.Poxton,S.B.A llouse. 1987.Cyclicalfluctuationsinammoniaand nitrite— nitrogen resulting from thefeeding ofturbot.inrecirculating sys— tems.AquaculturalEngineering,6:301~ 322 OseniM .millamena.1990.O rganicpollution resulting from excessfeed and metabolitebuild—up:EffectonPenaeusmonodon postlarvae Aquacul turalEngineer ing ,9:134~ 150 Pascalpagand.2000.A modelforpredicting thequantitiesofdissolvedinorganicnitrogen released ineffluents from asea bassrecirculating water system. AquaculturalEngineer ing,22:137~ 153 Sveinung Fivelstad ela1.. 1990. 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