養(yǎng)殖砂濾池水力特性初步研究

李訓(xùn)猛，潘昀，桂福坤

（浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山316022）

養(yǎng)殖砂濾池水力特性初步研究

李訓(xùn)猛，潘昀，桂福坤

（浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山316022）

循環(huán)水養(yǎng)殖是漁業(yè)工廠化養(yǎng)殖的重要模式之一，砂濾池運(yùn)行效果對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)起著重要作用。本文采用物理模型試驗(yàn)，針對(duì)石英砂砂濾池的水力學(xué)特性進(jìn)行了研究。探究了不同濾層厚度、不同濾料粒徑、不同水位高度對(duì)濾池中垂向流速的影響。通過處理和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出砂濾池各水力因素與流速的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而為砂濾池設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。研究結(jié)果表明：水位高度增加，流速增大。高水位時(shí)，流速變化快，低水位時(shí)，流速變化慢；濾料粒徑和濾層厚度對(duì)砂濾池中垂向流速的影響同時(shí)受水位高度的影響，模型試驗(yàn)得出水位高度的影響臨界值為50 cm；濾料粒徑為3～4 mm以及濾層厚度為40 cm相比其他組次試驗(yàn)結(jié)果，濾池流速達(dá)到最大，可作為工廠化養(yǎng)殖砂濾池的設(shè)計(jì)參數(shù)。

砂濾池；石英砂；流速

海水過濾技術(shù)是工廠化養(yǎng)殖中最重要環(huán)節(jié)之一。砂濾池作為一種水體凈化裝置，在循環(huán)水養(yǎng)殖中已得到廣泛應(yīng)用，將海水通過石英砂等多孔濾料，利用濾料的截污能力將水中懸浮污染物與海水分離，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。砂濾池的過濾機(jī)理可簡單地表述為，懸浮顆粒通過濾層空隙，從水中運(yùn)動(dòng)，附著到濾料表面。完整的去除機(jī)理包括懸浮顆粒經(jīng)過遷移和附著兩個(gè)過程。目前，國外漁業(yè)發(fā)達(dá)國家已設(shè)計(jì)出的砂濾池能有效去除海水中懸浮雜質(zhì)和膠體顆粒，其過濾效率達(dá)到99%，美國也已研發(fā)出雙層、多層高速砂濾池。

相對(duì)于其他水處理工藝（如：化學(xué)處理、生物處理）而言，砂濾池過濾技術(shù)有著操作簡單、投資少、效率高的優(yōu)點(diǎn)。李亞峰學(xué)者，研究了均質(zhì)濾料池與非均質(zhì)濾料池中的流速對(duì)比情況，得出均粒石英砂中流速較后者提高15%，過濾周期提高13 h以上，均質(zhì)濾料可提高產(chǎn)水量，增加經(jīng)濟(jì)效益。在實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)中，砂濾池多用于養(yǎng)殖污水的處理。很多砂濾池的設(shè)計(jì)流速比較小，而在預(yù)處理時(shí)，海水較為純凈，可適當(dāng)增大濾池的流速。

目前國內(nèi)外關(guān)于砂濾池的水力學(xué)特性研究較少，實(shí)際生產(chǎn)中大多憑借已有經(jīng)驗(yàn)建造，沒有完整的砂濾池科學(xué)理論體系作為參考。所以本文以石英砂濾料為研究對(duì)象，研究不同水位高度，不同濾料粒徑，不同濾層厚度對(duì)砂濾池中流速影響，得出砂濾池流速變化規(guī)律，為砂濾池設(shè)計(jì)和建造提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 濾層材料

試驗(yàn)所用石英砂購買于鄭州鞏義市，經(jīng)篩網(wǎng)（篩網(wǎng)目數(shù)與粒徑對(duì)照見表1）篩濾后，按其平均粒徑大小共分為六種，編號(hào)與粒徑關(guān)系見表2。濾料粒徑的選擇原則，是在保證出水水質(zhì)的前提條件下，盡量選擇大粒徑的濾料以提高砂濾池中的垂向流速。試驗(yàn)前已將石英砂用自來水清洗，去除砂粒污垢和表面吸附的細(xì)小顆粒。

表1 篩網(wǎng)目數(shù)與粒徑對(duì)照Tab.1Sieve mesh number and particle size

表2 試驗(yàn)石英砂編號(hào)與粒徑Tab.2Quartz sand number and particle size

1.2 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)在浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心的砂濾池中進(jìn)行。濾池尺寸為1.45 m× 0.82 m×1.62 m，具有抽水、排水、數(shù)據(jù)采集儀等配套裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。砂濾池由A、B兩個(gè)水槽組成，其中A槽作為試驗(yàn)槽，放置石英砂，過濾。B槽作為儲(chǔ)水槽。在A槽下方，安置鋼板承托層，用于支撐上部的石英砂。承托層上鋪設(shè)24目的網(wǎng)片，底部設(shè)有球閥。浪高儀安置于A槽上方，并外接到數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng)，用于測定不同時(shí)刻水位變化情況。砂濾池模型見圖2。常用的濾網(wǎng)網(wǎng)目一般為30～100 μm，可以過濾掉36%～67%的懸浮物，網(wǎng)目越小，其過濾效果越好。本試驗(yàn)中，濾槽下方使用24目的網(wǎng)膜，而試驗(yàn)測得的流速中，也包含了濾膜的作用效果。

圖1 砂濾池結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure chart of sand filter

圖2 砂濾池模型Fig.2Model of sand filter

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中使用2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)五種不同粒徑的石英砂，分別測定每種砂在厚度為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm五種不同條件下的流速變化規(guī)律。另外，設(shè)置1號(hào)砂（A槽中不放入石英砂）為對(duì)照組。在進(jìn)行試驗(yàn)前，均往A槽中注相同水位（即刻度相同）的水，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值以減少試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

為了更加精確地表達(dá)試驗(yàn)時(shí)測得的水位變化情況，抑制隨機(jī)誤差對(duì)本試驗(yàn)的影響，對(duì)試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理。其表達(dá)式為：

試驗(yàn)中，取N=5個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)為一個(gè)小區(qū)間，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均2次。圖3中散點(diǎn)為4號(hào)砂且濾層厚度10 cm時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)滑動(dòng)平均處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，得到水位與流速關(guān)系曲線和表達(dá)式。其他組次試驗(yàn)結(jié)果均以圖3中4號(hào)砂試驗(yàn)的方法進(jìn)行處理和分析，為了更清楚地展示多種水力因素對(duì)砂濾池流速的影響，其他組次圖中僅顯示擬合曲線和表達(dá)式，如圖5所示。

圖3 4號(hào)砂水位與流速關(guān)系Fig.3The relationship between water level and velocity of 4 sand

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同水位高度對(duì)濾池中水流流速的影響

圖4給出了5號(hào)砂濾料，濾層厚度為40 cm時(shí)的水位高度與流速變化關(guān)系。從圖4可以看出，當(dāng)水位高度為由75～80 cm降低到45～50 cm時(shí)，濾層中流速由1.95～2.0 cm/s減小到1.35～1.40 cm/s；隨著水位高度的降低，濾層中垂向流速逐漸減小。水位高度降低時(shí)，即ΔH減小，濾料中靜水壓力隨即減小，導(dǎo)致濾池中流速減小。

此外，從擬合曲線的斜率可知，當(dāng)水位較高時(shí)，對(duì)應(yīng)的流速減小較快，水位較低時(shí)，流速減小較慢。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營中，為了使砂濾池更加高效地達(dá)到截污效果，可以通過增大水位高度實(shí)現(xiàn)，但需要建造一個(gè)足夠高的濾池，這將極大地增大了其建造成本。

圖4 5號(hào)砂水位與流速關(guān)系Fig.4The relationship between water level and velocity of 5 sand

2.2 不同濾料粒徑對(duì)濾池中水流流速的影響

圖5給出了1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)石英砂10 cm厚度時(shí)對(duì)應(yīng)的流速變化情況。從圖5可以看出，2號(hào)砂的流速明顯小于其他組次流速，1號(hào)與6號(hào)擬合曲線較為接近。當(dāng)水位大于50 cm時(shí)，不同編號(hào)石英砂所對(duì)應(yīng)流速大小關(guān)系為：V4>V5>V6>V1>V3>V2，其中V1-V6表示1-6號(hào)砂的砂濾池中垂向流速。水位低于50 cm時(shí)，流速曲線出現(xiàn)疊加重合。從圖中曲線的變化趨勢可以看出，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)，隨著水位增加，其流速已逐漸達(dá)到最大，最大垂向流速依次約為1.8 cm/s、0.9 cm/s、1.7 cm/s、1.9 cm/s和1.8 cm/s。而4號(hào)砂曲線還可繼續(xù)增大。需特別指出的是，2號(hào)砂數(shù)據(jù)回歸分析的R2較小，原因可能是流速較大時(shí)，B槽的水面震動(dòng)對(duì)A槽影響較小，而當(dāng)流速較小時(shí)，影響較大。當(dāng)濾料粒徑增大，其有效孔隙率、滲透率將增大，故流速增大。石英砂粒徑在1～8 mm范圍且水位高度小于50 cm時(shí)，改變粒徑大小，流速變化較不明顯。當(dāng)水位高度大于50 cm時(shí)，逐漸體現(xiàn)出濾料粒徑的影響，但并非單調(diào)遞增的關(guān)系。粒徑增大到一定范圍，其對(duì)流速影響較不明顯，可能還受水壓的影響。濾料粒徑的微觀水力特性也仍需進(jìn)一步深入研究。

圖5 粒徑與流速關(guān)系Fig.5The relationship between diameter and velocity

2.3 不同濾層厚度對(duì)濾池中水流流速的影響

圖6給出了5號(hào)砂在不同濾層厚度時(shí)的流速變化情況。從圖6可以看出，水位高度大于50 cm，5號(hào)砂不同厚度時(shí)，其流速關(guān)系為V40>V20>V10>V30>V0>V50，水位低于50 cm時(shí)，流速曲線重現(xiàn)疊加重合，其中V0-V50表示濾層厚度為0～50 cm時(shí)的砂濾池中垂向流速。濾層厚度為50 cm時(shí)，流速曲線明顯低于其他組次。由曲線可得，濾層厚度0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、50 cm曲線在水位約為80 cm時(shí)流速趨于穩(wěn)定并且達(dá)到最大，而40 cm的流速曲線還可繼續(xù)增大。當(dāng)水位高度大于50 cm后，砂濾池中的流速受到濾層厚度的影響逐漸體現(xiàn)，但其變化關(guān)系并非單調(diào)遞減。濾料厚度0～50 cm時(shí)，濾層厚度對(duì)流速影響較不明顯。存在水壓對(duì)流速的影響大于濾料厚度的可能。目前，有關(guān)砂濾池濾層厚度集中在1 m左右，粒徑大小的研究主要為0.8～1.2 mm，主要應(yīng)用于污水處理，而在海水預(yù)處理方面，水中雜質(zhì)較少，可適當(dāng)增大流速。2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃提出改善過濾效果關(guān)鍵之一是L/de（L、de分別表示濾層厚度、當(dāng)量直徑）等于或稍大于800。國外有關(guān)專家建議，快濾池濾層的L/de在1000左右較為合適。

圖6 濾層厚度與流速關(guān)系Fig.6The relationship between the thickness of filter bed and velocity

3 結(jié)論

本文以石英砂砂濾池為研究對(duì)象，探究了水位高度、濾料粒徑、濾層厚度三者對(duì)濾池流速的影響。研究表明：

（1）水位高度增加，流速增加。高水位時(shí)，流速變化快，低水位時(shí)，流速變化慢。

（2）濾料粒徑和濾層厚度對(duì)砂濾池中垂向流速的影響同時(shí)受到池中水位高度的影響，通過物理模型試驗(yàn)得出水位高度以50 cm為臨界值，當(dāng)水位高度小于50 cm時(shí)濾料粒徑和濾層厚度對(duì)砂濾池中垂向流速的影響較不明顯，當(dāng)水位高度大于50 cm后料粒徑和濾層厚度對(duì)砂濾池中垂向流速造成非單調(diào)的影響。

（3）濾料粒徑為3～4 mm以及濾層厚度為40 cm相比其他組次試驗(yàn)結(jié)果，濾池流速達(dá)到最大，可作為工廠化養(yǎng)殖砂濾池的設(shè)計(jì)參數(shù)。

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The Preliminary Study of Hydraulic Characteristics on Breeding Sand Filter

LI Xun-meng，PAN Yun，GUI Fu-kun
(Marine Science and Technology School of Zhejiang Ocean University,National Engineering Research Center of Marine Facilities Aquaculture,Zhoushan316022,China)

Recirculating aquaculture of industrial is one of the important patterns in fishery industrialization,the effect of sand filter is an important factor that affect water quality.This article makes a research to hydraulic characteristics of quartz sand filter by physical model experiment.Explored the influence of vertical velocity of sand filter with different thicknesses of filtration bed,different diameters of the sand granule and different heights of water levels.By processing and analyzing the test data,matched a mathematics relation between the relevant factors and the velocity and then it can be used as technology reference before the design of sand filter.Results showed that with the increase of diameter of the sand granule velocity increased.High water level,velocity changed fast,low water level,velocity changed slowly.The influence of vertical velocity of diameter of the sand granule and thickness of filtration bed,at the same time under the influence of height of water level in the sand filter.With physical model it is concluded that the critical value of water level is 50cm.Compared with other group of test results filter size of 3-4 mm and filter layer thickness of 40 cm velocity maximum in the filter.This can be used as the design parameters of sand filter in factory farming.

sand filter;quartz sand;velocity

S969.38

A

1008－830X(2016)06－0521－04

2016-09-30

浙江省自然科學(xué)重點(diǎn)基金（Z16E090006）；舟山市海洋專項(xiàng)（2015C41001）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃（201410340001）

李訓(xùn)猛（1992-），男，安徽宿州人，碩士研究生，研究方向：設(shè)施漁業(yè)工程裝備.E-mail:1442960054@qq.com

桂福坤（1976-），男，江西鷹潭人，教授，研究方向：海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù).E-mail:gui2237@163.com