泡沫分離器去除養(yǎng)殖循環(huán)水中不同粒徑細(xì)微顆粒物的效果

季明東，李建平，葉章穎，朱松明

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泡沫分離器去除養(yǎng)殖循環(huán)水中不同粒徑細(xì)微顆粒物的效果

季明東，李建平，葉章穎，朱松明※

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

為高效去除循環(huán)水養(yǎng)殖中的細(xì)微顆粒物，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化射流式泡沫分離器的水力停留時(shí)間和進(jìn)氣量，并結(jié)合相關(guān)理論研究分析不同粒徑區(qū)間顆粒物的去除情況。以孔徑125m轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)出水口的水體作為泡沫分離原樣進(jìn)行批處理試驗(yàn)，以顆粒物去除率為指標(biāo)優(yōu)化水力停留時(shí)間和進(jìn)氣量；以4個(gè)粒徑區(qū)間≤10、>10～50、>50～90和>90m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率為指標(biāo)分析各區(qū)間的顆粒物去除情況。養(yǎng)殖水中細(xì)微顆粒物在泡沫分離時(shí)，細(xì)化氣泡和增加水力停留時(shí)間在提高去除率中會(huì)達(dá)到極值，水力停留時(shí)間和進(jìn)氣量對(duì)顆粒物去除率有顯著影響，水力停留時(shí)間為2.0 min和進(jìn)氣量為1.3 L/min時(shí)，去除率較高為（34.06%±4.37%）；泡沫分離對(duì)粒徑≤90m的顆粒物都有較好的去除作用，且對(duì)粒徑≤10和>50～90m的顆粒物去除率相對(duì)較高，而對(duì)粒徑>90m的顆粒物去除較困難。

養(yǎng)殖；顆粒物；循環(huán)水；泡沫分離；水力停留時(shí)間；進(jìn)氣量；粒徑分布

0 引 言

2016年中國(guó)水產(chǎn)品養(yǎng)殖產(chǎn)量5 142萬(wàn)t，占全國(guó)水產(chǎn)品總量的74.5%，人均占有量達(dá)到49.9 kg[1]。近年來(lái)在國(guó)家“節(jié)能減排”政策的指導(dǎo)下，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖（recirculating aquaculture system，RAS）以其占地面積少、養(yǎng)殖周期短、飼料系數(shù)低、水產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展[2-4]。RAS水體中的顆粒物包括殘餌、糞便、魚(yú)體黏液和老化的生物絮體等[5-7]，通常粒徑分布在3～300m，而其中95%以上的顆粒物粒徑小于20m，占顆粒物總質(zhì)量的47%以上[8]。通常顆粒物粒徑100m以上的可通過(guò)沉淀池、旋流分離、弧形篩和轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)等進(jìn)行去除，當(dāng)前對(duì)細(xì)微顆粒物的去除技術(shù)較落后，制約著養(yǎng)殖效益的提高，未去除的細(xì)微顆粒物會(huì)在異養(yǎng)細(xì)菌作用下發(fā)生礦化作用消耗溶解氧并產(chǎn)生氨氮從而加重生物濾池的有機(jī)負(fù)荷，同時(shí)水體中細(xì)微顆粒物積累也會(huì)影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)[9-11]。

泡沫分離是一種簡(jiǎn)單有效、低成本的細(xì)微顆粒物去除方法[12-14]，還有CO2脫氣并增加水體溶解氧的作用，若與臭氧發(fā)生器聯(lián)用，還可起到殺菌消毒的作用[15-17]，目前對(duì)RAS中細(xì)微顆粒物泡沫分離的研究還停留在試驗(yàn)對(duì)比和工藝參數(shù)的優(yōu)化上。RAS中顆粒物去除方法的設(shè)計(jì)和選擇，多依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺乏理論支撐，另外還未有針對(duì)養(yǎng)殖水中細(xì)微顆粒物泡沫分離的理論研究。

研究表明養(yǎng)殖水中顆粒物粒徑的數(shù)量分布符合冪定律，但對(duì)顆粒物不同去除方法處理前后粒徑分布的研究較少[18-19]。本文以細(xì)微顆粒物的去除率為試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)化射流式泡沫分離器的水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT）和進(jìn)氣量（air inflow，AI）；在顆粒物粒徑分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)理論研究分析不同HRT和AI組合下各粒徑區(qū)間的顆粒物泡沫分離效果，旨在為RAS中顆粒物的高效去除和泡沫分離裝置的優(yōu)化上提供參考。

1 材料與方法

1.1 RAS及射流式泡沫分離器

如圖1所示，RAS試驗(yàn)系統(tǒng)包括6個(gè)直徑為1.0 m深0.8 m的聚乙烯（polyethylene，PE）養(yǎng)殖桶，水處理量為10 m3/h、濾網(wǎng)孔徑約為125m的轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)，容積為50 L的射流式泡沫分離器，容積為1.35 m3的移動(dòng)床式生物濾池兩級(jí)，以及溶氧池和紫外殺菌桶。單個(gè)養(yǎng)殖桶的水體為0.5 m3，投放珍珠龍膽石斑魚(yú)30尾，養(yǎng)殖水體的水溫維持在25 ℃，鹽度為21‰，溶氧量維持7 mg/L以上，pH值維持在7.0～8.0之間。RAS每日循環(huán)15次，定期補(bǔ)充新水和通過(guò)小蘇打調(diào)節(jié)水體的pH值。每天早上08:00投飼，飼料是由魚(yú)粉、豆粕、魚(yú)油和維生素等組成。在石斑魚(yú)平均每尾達(dá)到300 g時(shí)進(jìn)行泡沫分離試驗(yàn)，此時(shí)養(yǎng)殖密度約為18 kg/m3。

1. PE養(yǎng)殖桶 2. 進(jìn)水管 3. 微濾機(jī) 4. 循環(huán)水泵 5. 射流式泡沫分離器6. 一級(jí)生物濾池 7. 二級(jí)生物濾池 8. 純氧曝氣盤(pán) 9. 紫外殺菌10. 回水管

射流式泡沫分離器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主體結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水口、出水口、泡沫分離容器和泡沫口等。射流水泵為海水射流泵，可有效地減緩海水腐蝕。射流式泡沫分離器是通過(guò)射流水泵引水體經(jīng)過(guò)文丘里管產(chǎn)生大量的氣泡再通入泡沫分離容器中，氣泡在上浮過(guò)程中依靠其表面能吸附水中的生物絮體、纖維素和蛋白質(zhì)（表面活性物質(zhì)）等顆粒物，將這些顆粒物帶到水面并產(chǎn)生大量的泡沫，最后通過(guò)泡沫口排出泡沫廢水，從而實(shí)現(xiàn)顆粒物的去除[20-21]。

1. 文丘里射流器 2. 射流出水口 3. 泡沫分離容器 4. 泡沫口 5. 進(jìn)水口 6. 射流進(jìn)水口 7. 出水口 8. 射流水泵

在礦業(yè)浮選、水處理等領(lǐng)域，關(guān)于氣浮的理論研究認(rèn)為顆粒物泡沫分離過(guò)程包括氣泡顆粒之間碰撞、黏附，氣泡顆粒絮體在氣液界面產(chǎn)生泡沫（起泡），另外還需確保氣泡顆粒絮體在水體和泡沫層的穩(wěn)定性，氣泡顆粒絮體在水體中可能會(huì)發(fā)生脫附過(guò)程[22]。碰撞過(guò)程是氣泡與顆粒在氣浮區(qū)內(nèi)相互靠近并發(fā)生碰撞接觸的過(guò)程；碰撞效率受顆粒粒徑、氣泡尺寸、遠(yuǎn)程水力學(xué)條件等因素影響[23]。黏附過(guò)程是氣泡顆粒碰撞接觸后，氣泡顆粒間的分離距離在表面力作用的范圍內(nèi)，此時(shí)顆粒在氣泡表面滑動(dòng)，氣泡顆粒間的液膜在表面力作用下變薄，當(dāng)達(dá)到臨界厚度時(shí)液膜破裂，隨后氣泡、顆粒和水體溶液形成三相接觸線，三相接觸線不斷擴(kuò)大至氣泡顆粒表面穩(wěn)定潤(rùn)濕周邊的形成；黏附效率主要受氣泡顆粒的表面化學(xué)特性、液體溶液的化學(xué)特性、表面力的影響[24]。脫附過(guò)程是指顆粒物在外力作用下離開(kāi)氣泡表面回到水體溶液中的過(guò)程；脫附過(guò)程中主要作用力包括由氣泡顆粒液膜產(chǎn)生的毛細(xì)力、顆粒重力和湍流加速度引起的離心力，對(duì)于細(xì)微顆粒物而言，脫附力較小，因此實(shí)際細(xì)微顆粒物泡沫分離的脫附效率較低[25-26]。起泡受水體溶液的表面張力、表面黏度和表面活性劑的影響；泡沫穩(wěn)定性影響因素是泡沫大小、毛細(xì)力，以及由重力、不同泡沫間傳質(zhì)引起的泡沫變大或泡沫合并等[27-28]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為提高細(xì)微顆粒物的去除率，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化射流式泡沫分離器的運(yùn)行參數(shù)，包括水力停留時(shí)間HRT和進(jìn)氣量AI 2個(gè)因素。試驗(yàn)所用的射流式泡沫分離器，設(shè)計(jì)時(shí)的水處理量為1.0～2.0 m3/h，容積為50 L，因此設(shè)計(jì)HRT分別為1.5、2.0和2.5 min；該裝置的最大AI為2.0 L/min，但當(dāng)AI為2.0 L/min時(shí)，泡沫口的出水量較大造成養(yǎng)殖水體浪費(fèi)嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)AI分別為1.0、1.3和1.6 L/min。

引RAS試驗(yàn)系統(tǒng)中微濾機(jī)出水口的養(yǎng)殖水體進(jìn)入儲(chǔ)水箱中，作為泡沫分離的原樣進(jìn)行批處理試驗(yàn)。顆粒物質(zhì)量濃度的測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法（GB17378.4-1998）進(jìn)行，所用的烘干設(shè)備是DGX-9073B-1（上海?，攦x器設(shè)備有限公司）；循環(huán)水式真空泵是SHB-IIIA（上海豫康科教儀器設(shè)備有限公司）；質(zhì)量測(cè)量?jī)x器是Sartorius BAS1245（北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司），精度為0.0001 g；微孔濾膜（上海興亞凈化材料廠）的孔徑為 0.45m。顆粒物粒徑分布是通過(guò)丹東百特儀器有限公司的Bettersizer3000PLUS激光粒度儀測(cè)定。

原樣的顆粒物質(zhì)量濃度為（30.33±4.54）mg/L，顆粒物粒徑的體積和數(shù)量分布如表1所示，顆粒物粒徑劃分為4個(gè)區(qū)間≤10、>10～50、>50～90和>90m。原樣的粒徑分布范圍是1～200m，其中98%以上的顆粒物粒徑小于10m。

表1 原樣中顆粒物粒徑的體積和數(shù)量分布

原樣經(jīng)泡沫分離處理后出水口水樣的顆粒物質(zhì)量濃度為out，單位為mg/L；顆粒物粒徑區(qū)間體積分布為D（為1、2、3和4分別代表粒徑區(qū)間≤10、>10～50、>50～90和>90m），即為各粒徑區(qū)間的顆粒物體積占顆粒物總體積的百分?jǐn)?shù)；認(rèn)為養(yǎng)殖水體經(jīng)過(guò)微濾機(jī)過(guò)濾后的細(xì)微顆粒物密度均勻，則粒徑區(qū)間體積分?jǐn)?shù)D即為該粒徑區(qū)間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)M，從而可計(jì)算得到粒徑區(qū)間的顆粒物質(zhì)量濃度C，如公式（1）所示。

泡沫分離原樣的各粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度分別為（6.56±0.98）、（8.68±1.30）、（7.75±1.16）和（7.35±1.10）mg/L。

1.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

運(yùn)行參數(shù)HRT和AI優(yōu)化的試驗(yàn)指標(biāo)是顆粒物去除率（%），計(jì)算方法如公式（2）所示。原樣的顆粒物質(zhì)量濃度以0表示，out為泡沫分離處理后出水口水樣的顆粒物質(zhì)量濃度。

4個(gè)粒徑區(qū)間顆粒物的去除情況是以各粒徑區(qū)間的顆粒物質(zhì)量濃度變化率為指標(biāo)，單位為%。計(jì)算方法如公式（3）所示。有正負(fù)，正表示該粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度下降，負(fù)為該粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度增加。

式中C-0為泡沫分離原樣的粒徑區(qū)間的顆粒物質(zhì)量濃度，mg/L；C-out為泡沫分離后粒徑區(qū)間的顆粒物質(zhì)量濃度，mg/L。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Excel2016中整理和計(jì)算，在SPSS20.0軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)泡沫分離運(yùn)行參數(shù)HRT和AI的優(yōu)化，以顆粒物去除率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單（雙）因素分析，以LSD法進(jìn)行多重比較；4個(gè)粒徑區(qū)間顆粒物的去除情況，以各粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度變化率為試驗(yàn)指標(biāo)，以HRT和AI的組合為單因素使用Duncan法進(jìn)行多重比較。多重比較的顯著性水平為0.05，>0.05時(shí)無(wú)顯著性差異，<0.05時(shí)有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒物去除情況

運(yùn)行參數(shù)HRT和AI的優(yōu)化，以顆粒物去除率為因變量進(jìn)行雙因素方差分析。表2為HRT和AI影響下的顆粒物去除率。主體間效應(yīng)檢驗(yàn)得出HRT和AI對(duì)顆粒物去除率均有顯著影響（<0.05），且AI的影響極顯著（<0.01），而其交互作用HRT×AI對(duì)顆粒物去除率無(wú)顯著影響（>0.05）?？晒潭ㄟM(jìn)氣量AI，以HRT為單因素進(jìn)行兩兩比較，得出在同一AI下HRT影響的顆粒物去除率之間的差異性。

表2 水力停留時(shí)間和進(jìn)氣量影響下的顆粒物去除率

注：同一列上的不同字母表示差異顯著（0.05）。

Note: The different lowercase letters in the same column represent significant differences (0.05).

在AI為1.0或1.6 L/min時(shí)，各HRT的顆粒物去除率之間無(wú)顯著差異；在AI為1.3 L/min時(shí)，HRT為1.5 min的去除率與2.0、2.5 min之間有顯著差異，而HRT為2.0和2.5 min的去除率之間無(wú)顯著差異。

2.2 4個(gè)粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度變化情況

因?qū)︻w粒物去除率的雙因素分析得出AI的影響極顯著，在以HRT和AI組合為單因素分析各粒徑區(qū)間的顆粒物質(zhì)量濃度變化率時(shí)，兩兩比較的結(jié)果僅給出在同一HRT下AI影響的之間的差異性。表3為4個(gè)粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度變化率。

表3 4個(gè)粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度變化率

注：同一行上的不同字母表示差異顯著（<0.05）。

Note: The different lowercase letters in the same row represent significant differences (<0.05).

對(duì)于粒徑≤10m的顆粒物，隨著HRT的增加AI為1.0和1.3 L/min時(shí)的顆粒物質(zhì)量濃度變化率在增大；HRT為1.5 min時(shí)各AI的變化率之間無(wú)顯著差異；HRT為2.0和2.5 min時(shí)，隨著AI的增大顆粒物質(zhì)量濃度變化率也增大。

對(duì)于粒徑>10～50m的顆粒物，HRT為1.5 min時(shí)各AI的顆粒物質(zhì)量濃度變化率之間有顯著差異；且AI為1.3 L/min時(shí)的變化率均大于AI為1.0和1.6 L/min時(shí)任意HRT下的變化率。

對(duì)于粒徑>50～90m的顆粒物，隨著HRT的增加AI為1.0和1.3 L/min時(shí)的顆粒物質(zhì)量濃度變化率在增大。

對(duì)于粒徑>90m的顆粒物，HRT為2.0 min時(shí)各AI的顆粒物質(zhì)量濃度變化率之間有顯著差異，HRT為2.5 min時(shí)各AI的變化率之間無(wú)顯著差異。

3 討 論

3.1 HRT和AI對(duì)顆粒物去除率的影響

水力停留時(shí)間（HRT）通常是所有水處理設(shè)施設(shè)備在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)的重要參數(shù)[29]，如沉淀池和生物濾池等的HRT越長(zhǎng)，水處理效果越好。但在實(shí)際生產(chǎn)中，HRT越長(zhǎng)意味著設(shè)施設(shè)備龐大、占地和成本較高，這對(duì)投資高和以節(jié)水節(jié)地為目的的RAS來(lái)說(shuō)無(wú)疑是不利的[7]。泡沫分離器在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保證細(xì)微顆粒物去除率的前提下盡量縮短HRT。進(jìn)氣量AI影響著文丘里管射流時(shí)產(chǎn)生的氣泡大小，有研究得出當(dāng)射流器和射流水泵相同時(shí)AI越大射流形成的氣泡直徑越大[30]。Shahbazi等[31]和Tatu等[32]對(duì)泡沫分離理論上的研究表明，細(xì)微顆粒物泡沫分離效率主要取決于氣泡和顆粒之間的碰撞效率，并提出細(xì)化氣泡可以提高泡沫分離效率。另外在對(duì)養(yǎng)殖水中顆粒物泡沫分離的研究也表明，細(xì)化氣泡能提高泡沫分離效率[15, 20-21]。

由表2顯示，在AI為1.0 L/min時(shí)，隨著HRT的增加顆粒物去除率也在增大，當(dāng)AI較小時(shí)氣泡尺寸小，氣泡浮力也較小，吸附了顆粒物的氣泡在泡沫分離容器內(nèi)上升所需的時(shí)間也越長(zhǎng)，當(dāng)小氣泡與顆粒物有充分的碰撞接觸和上升時(shí)間時(shí)能夠有效地提高顆粒物去除率。在AI為1.3 L/min時(shí)，隨著HRT的增加，顆粒物去除率也增大，且HRT為2.0和2.5 min的去除率無(wú)差異，此時(shí)氣泡尺寸中等，認(rèn)為隨著HRT的增加，顆粒物去除率會(huì)達(dá)到一個(gè)極值。在AI為1.6 L/min時(shí)，顆粒物去除率波動(dòng)較大，可能的原因是此時(shí)氣泡尺寸大，界面能小，氣泡和顆粒物碰撞接觸后形成的氣泡顆粒絮體穩(wěn)定性較差。

HRT的增加在一定程度上能夠提高細(xì)微顆粒物去除率，尤其是在氣泡尺寸較小的情況下，但是去除率會(huì)達(dá)到一個(gè)極值，這個(gè)極值和所處理水體中的顆粒物性質(zhì)密切相關(guān)。Suzuki等[14]、Lei等[21]和Chen等[33]通過(guò)泡沫分離試驗(yàn)研究表明養(yǎng)殖水中的顆粒物去除率與顆粒有機(jī)物即表面活性物質(zhì)有關(guān)，養(yǎng)殖水體中顆粒有機(jī)物的比例越高，越有利于顆粒物的去除。表面活性物質(zhì)也是氣泡和顆粒物碰撞黏附后形成的氣泡顆粒絮體在氣液界面形成穩(wěn)定的泡沫并實(shí)現(xiàn)顆粒物去除的基本條件[25]。這也說(shuō)明養(yǎng)殖水中的顆粒物能夠進(jìn)行泡沫分離的絕大多數(shù)是有機(jī)物，并且去除率存在極值。在本試驗(yàn)條件下，射流式泡沫分離器的運(yùn)行參數(shù)HRT為2.0 min和AI為1.3 L/min時(shí)，去除率較高為（34.06%±4.37%）。認(rèn)為養(yǎng)殖水中細(xì)微顆粒物泡沫分離時(shí)，細(xì)化氣泡和增加HRT在提高去除率中會(huì)達(dá)到極值，另外氣泡越細(xì)小達(dá)到較高去除率的情況下所需HRT較長(zhǎng)。

3.2 HRT和AI對(duì)各粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度變化率的 影響

Timmons[13]根據(jù)泡沫分離與表面活性劑理論，預(yù)測(cè)泡沫分離能夠去除的顆粒物粒徑小于30m，Chen等[34]表明未經(jīng)泡沫分離的養(yǎng)殖水中顆粒物的平均粒徑與泡沫分離后泡沫水中的相同為10.6m，這說(shuō)明能通過(guò)泡沫分離去除的顆粒物粒徑分布范圍較寬。Brambilla等[6]對(duì)攪拌混合式泡沫分離器的研究發(fā)現(xiàn)顆粒物粒徑大于60m和小于1.2m的去除率較高，對(duì)粒徑1.2～60m之間的顆粒物去除率較低，表明養(yǎng)殖水中顆粒物泡沫分離的去除率與顆粒粒徑密切相關(guān)。

3.2.1 粒徑≤10m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率

對(duì)于粒徑≤10m的顆粒物，各HRT和AI組合下的顆粒物質(zhì)量濃度變化率均為正。多重比較結(jié)果表明對(duì)于粒徑≤10m的顆粒物，AI影響的氣泡尺寸是該粒徑區(qū)間顆粒物去除率高低的關(guān)鍵因素。粒徑≤10m的顆粒物因重力較小容易吸附在大氣泡的表面，并且在AI較大時(shí)泡沫分離容器內(nèi)的湍動(dòng)能較大也有利于提高氣泡和顆粒物之間碰撞效率[22]。因此認(rèn)為AI為1.6 L/min時(shí)的大氣泡對(duì)粒徑≤10m的顆粒物去除效果較好。

3.2.2 粒徑>10～50m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率

對(duì)于粒徑>10～50m的顆粒物，HRT為1.5 min和AI為1.0 L/min時(shí)顆粒物質(zhì)量濃度變化率為負(fù)，可能的原因是吸附了10～50m顆粒物的小氣泡在HRT較小時(shí)，因浮力小無(wú)法上升到氣液界面形成泡沫并去除。在同一HRT下，AI為1.3 L/min時(shí)粒徑>10～50m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率均較大，表明此時(shí)中等尺寸氣泡對(duì)該粒徑區(qū)間顆粒物的去除效果較好；而AI為1.6 L/min時(shí)的大氣泡去除效果較差。

3.2.3 粒徑>50～90m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率

對(duì)于粒徑>50～90m的顆粒物，各HRT和AI組合下的顆粒物質(zhì)量濃度變化率也均為正值。AI為1.0和1.3 L/min時(shí)，粒徑>50～90m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率隨著HRT的增加而增大，并且AI為1.0 L/min時(shí)粒徑>50～90m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率增加明顯。AI為1.3和1.6 L/min時(shí)，粒徑>50～90m的顆粒物在較小的HRT下就有較好的去除效果?？傮w上泡沫分離對(duì)粒徑>50～90m的顆粒物去除較好。

3.2.4 粒徑>90m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率

粒徑>90m的顆粒物質(zhì)量濃度變化率波動(dòng)較大，并且多個(gè)HRT和AI組合下的顆粒物質(zhì)量濃度變化率出現(xiàn)負(fù)值。可能的原因有：氣泡難以吸附粒徑>90m的顆粒物以形成穩(wěn)定的氣泡顆粒絮體；即使形成了氣泡顆粒絮體，在上升過(guò)程中，由于顆粒物重力較大，顆粒易從氣泡表面脫附；另外氣泡顆粒絮體在泡沫分離容器內(nèi)的氣液界面上難以形成穩(wěn)定的泡沫并進(jìn)行去除。因此表現(xiàn)為粒徑>90m的顆粒物在泡沫分離容器內(nèi)上下移動(dòng)，從而使得顆粒物質(zhì)量濃度變化率出現(xiàn)負(fù)值且波動(dòng)較大。AI為 1.6 L/min時(shí)顆粒物質(zhì)量濃度變化率均為負(fù)值且波動(dòng)最大，這說(shuō)明大氣泡對(duì)粒徑>90m的顆粒物去除效果較差，可能是由于大氣泡界面能小，大氣泡和粒徑>90m的顆粒物之間碰撞黏附效率極低?？傮w上泡沫分離對(duì)粒徑>90m的顆粒物去除難度較大。

對(duì)各粒徑區(qū)間顆粒物質(zhì)量濃度變化率的分析，認(rèn)為HRT為2.5 min時(shí)顆粒物去除率波動(dòng)較大（標(biāo)準(zhǔn)差大），可能的原因是泡沫分離對(duì)粒徑>90m的顆粒物去除難度較大。對(duì)于養(yǎng)殖水中細(xì)微顆粒物的泡沫分離，氣泡尺寸遠(yuǎn)大于顆粒物粒徑，形成的氣泡顆粒絮體可能為包裹形（顆粒物在氣泡內(nèi)）或附著形（顆粒物附著在氣泡表面形成穩(wěn)定的三相接觸線）[28-29]，并且氣泡尺寸和顆粒粒徑的相對(duì)大小決定了氣泡、顆粒之間的碰撞效率，這也是不同AI下顆粒物去除率差異較大的主要原因。另外泡沫分離對(duì)粒徑≤10和>50～90m的顆粒物相對(duì)于粒徑>10～50m的去除效果較好（表3可得出粒徑≤10和>50～90m的顆粒物質(zhì)量濃度平均變化率大于粒徑>10～50m的顆粒物），這與Brambilla等[6]研究結(jié)果相似。

3.3 泡沫水中顆粒物粒徑分布

在HRT為2.0 min和AI為1.3 L/min時(shí)，射流式泡沫分離器泡沫口排出的泡沫水中，顆粒物粒徑分布范圍在1～300m，且95%以上的顆粒物粒徑小于10m。Chen等[34]表明未經(jīng)泡沫分離的養(yǎng)殖水中顆粒物平均粒徑與泡沫分離后泡沫水中的顆粒物平均粒徑相同為10.6m。與Chen等[33]研究結(jié)論不同的是，泡沫水中存在部分顆粒物的粒徑大于從原樣中分離出的顆粒物粒徑，其原因是氣泡顆粒絮體起泡后的泡沫在破裂合并時(shí)引起了顆粒物凝聚。

4 結(jié) 論

在循環(huán)水養(yǎng)殖（RAS）中轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)和泡沫分離器聯(lián)用對(duì)養(yǎng)殖水中的顆粒物進(jìn)行去除是當(dāng)前常用的方法，細(xì)微顆粒物的泡沫分離去除對(duì)穩(wěn)定水質(zhì)和提高養(yǎng)殖效益具有重要作用。本試驗(yàn)得出：

1）細(xì)化氣泡和增加水力停留時(shí)間（HRT）在提高細(xì)微顆粒物的去除率中會(huì)達(dá)到極值，并且氣泡越細(xì)小要達(dá)到較高去除率時(shí)所需的HRT較長(zhǎng)，需結(jié)合顆粒物性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)泡沫分離參數(shù)。

2）運(yùn)行參數(shù)HRT和進(jìn)氣量（AI）對(duì)顆粒物去除率有顯著影響，在HRT為2.0 min和AI為1.3 L/min時(shí)，對(duì)孔徑125m的微濾機(jī)過(guò)濾后的養(yǎng)殖水進(jìn)行泡沫分離時(shí)，去除率較高為（34.06%±4.37%）。

3）泡沫分離對(duì)粒徑≤90m的顆粒物有較好的去除效果，尤其是對(duì)粒徑≤10m和>50～90m的顆粒物去除率較高，而對(duì)粒徑>90m的顆粒物去除較困難。

為提高RAS中細(xì)微顆粒物泡沫分離的去除率，應(yīng)當(dāng)從機(jī)理上深入，尤其是對(duì)氣泡特性和顆粒物性質(zhì)的研究。如何針對(duì)顆粒物性質(zhì)和粒徑分布來(lái)選定氣泡尺寸，以及在保證養(yǎng)殖安全的前提下如何添加臭氧達(dá)到既能提高顆粒物去除效率又有殺菌消毒作用，是下一步研究的重點(diǎn)。

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Removing effect of fine particles with different sizes by foam fractionator in recirculating aquaculture system

Ji Mingdong, Li Jianping, Ye Zhangying, Zhu Songming※

(310058,)

In recirculating aquaculture system (RAS), the main solid wastes are uneaten feed, faeces and bacterial flocs. Solid wastes can decrease water quality and aquacultural benefit if without removed effectively. A higher removal efficiency of solid wastes is the guarantee for improving the environmental sustainability of RAS, and it will promote the development and utilization of RAS in China. The larger particles can be removed by settling basin, drum filter, swirl separator, and so on. But it’s difficult to remove fine particles accounting for 95% of total solid wastes smaller than 20m and the heterotrophic bacteria can use particulate organic matter for mineralization process. This process not only consumes oxygen, but also produces ammonia, which may aggravate the burden of biofilter for autotrophic nitrifying bacteria to remove ammonia and nitrite. For removing fine particles efficiently, Venturi type of foam separator was optimized by the testing of hydraulic retention time and the air inflow, and combined with relevant theory research, the removal situation of particles with different size ranges was analyzed. In this experiment, the water as original sample from the outlet of drum filter with microscreen mesh size of 125m was introduced for batch foam fractionation. The mass concentration of particles in the original sample was (30.33±4.54) mg/L, and the size of more than 98% of them was smaller than 10m. The removal efficiency of fine particles was applied as the index for optimization of hydraulic retention time and the airinflow. According to the particle size distribution of the original sample, all particles were divided to 4 size ranges, i.e. ≤10, >10-50, >50-90 and >90m, and their concentrations in original sample were (6.56±0.98), (8.68±1.30), (7.75±1.16) and (7.35±1.10) mg/L respectively. And the changing rate of fine particles’ concentration for each interval was applied as the index for analyzing the removal situation of particles with different size ranges. The results showed that the hydraulic retention time and air inflow had significant influences on the removal efficiency of fine particles. When the hydraulic retention time was 2.0 min and the air inflow was 1.3 L/min, the removal efficiency of fine particles was the highest, which was 34.06%±4.37%, and particles size range of the foam wastewater discharged from the foam separator was 1-300m, more than 95% of which was smaller than 10m. Foam fractionation had a good effect on removing the particles whose size was ≤90m, and the removal efficiency of the particles with the size of ≤10 and >50-90m was relatively higher than that of >10-50m, while it was difficult to remove the particles with the size of >90m. Removal efficiency can be increased to some extent with the decreasing of bubbles size and the increasing of hydraulic retention time, but there exists an extreme value, and it suggests that the design and operation of foam fractionation is determined by the nature of the particles and size distribution in the aquaculture water. For the sake of improving the fine particles removal efficiency of foam fractionation in RAS, the fractionation mechanism should be further studied, especially the properties of bubbles and particles, such as how to select the bubble size according to the properties and size distribution of particles in different operating conditions of RAS, and how to apply ozone, a kind of strong oxidizer that has been proved to be efficient for improving the removal of solids in actual RAS.

aquaculture; particles; recirculating water; foam fractionation; hydraulic retention time; air inflow; particle size distribution

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.026

S238

A

1002-6819(2018)-19-0202-06

2018-04-10

2018-08-13

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題（2014ZX07101）；浙江省重大科技專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目（2015C02010）

季明東，博士生，主要從事設(shè)施水產(chǎn)裝備研究。 Email：mingdongji_zju@163.com

朱松明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程與食品非熱加工新技術(shù)研究。Email：zhusm@zju.edu.cn

季明東，李建平，葉章穎，朱松明.泡沫分離器去除養(yǎng)殖循環(huán)水中不同粒徑細(xì)微顆粒物的效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：202－207. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.026 http://www.tcsae.org

Ji Mingdong, Li Jianping, Ye Zhangying, Zhu Songming. Removing effect of fine particles with different sizes by foam fractionator in recirculating aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 202－207. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.026 http://www.tcsae.org