工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

趙越，劉鷹，李賢，孫國祥，徐建平，周毅

(1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；4. 青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

2005—2014年，世界上食用魚養(yǎng)殖量以平均每年5.8%的速度增長至7380萬t[1]；2016年，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對中國水產(chǎn)品的供應(yīng)量達(dá)到了73.7%[2]。其中，與傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式比較，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recirculating aquaculture system，RAS)具有環(huán)境可控、高效、環(huán)保和產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，是解決環(huán)境污染、提高水產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑，被認(rèn)為是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要方向之一[3-6]。生物濾器作為RAS的水處理核心，主要承擔(dān)廢物的轉(zhuǎn)化、脫氮等工作[7]。但生物濾器在工作中存在固定床反應(yīng)器需定時(shí)沖洗、流化床需使載體流化、淹沒式生物濾池需清洗濾料等問題，而移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(Moving bed biofilm reactor，MBBR)因可解決該類問題而備受關(guān)注[8-9]，因此，MBBR越來越多地被應(yīng)用于RAS中。

為了更好地發(fā)揮生物濾器的高效性，其設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性、完整性就顯得非常重要。目前，有關(guān)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中MBBR設(shè)計(jì)資料匱乏，Rusten等[10]對其設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了簡單討論；劉鷹等[11]及劉晃等[12]采用物質(zhì)平衡關(guān)系建立了氨氮、溶解氧的平衡方程式，對循環(huán)水系統(tǒng)部分養(yǎng)殖參數(shù)進(jìn)行了確定，但未涉及具體尺寸、流量、構(gòu)筑物等參數(shù)。本研究中，以某一大西洋鮭Salmosalar工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖場為例，對其生物濾器MBBR進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先以物質(zhì)平衡關(guān)系為基礎(chǔ)，結(jié)合MBBR類型特點(diǎn)、實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)規(guī)范對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行補(bǔ)充，對其流量、尺寸、水力停留時(shí)間HRT (Hydraulic retention time)、換水量、循環(huán)次數(shù)及填料、構(gòu)筑物等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行確定，以期為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)MBBR的設(shè)計(jì)提供完整思路，為工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖模式可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支持。

1 MBBR設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

本研究中以一套大西洋鮭工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)MBBR為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證鮭鱒魚類有安全的生長環(huán)境，水質(zhì)需滿足以下條件：溫度10～18 ℃，溶解氧DO≥6 mg/L[13]。根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)與環(huán)境設(shè)定生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)見表1。

1.1 基礎(chǔ)參數(shù)的確定

參考劉鷹等[11]及劉晃等[12]循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)物質(zhì)平衡關(guān)系式對廢物的產(chǎn)生量、養(yǎng)殖生物的呼吸耗氧量、系統(tǒng)補(bǔ)水量等基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行確定。

表1循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)

Tab.1Productionparametersinrecirculatingaquaculturesystem

參數(shù)parameter符號(hào)symbol數(shù)值value目標(biāo)質(zhì)量 target weight/kgFM7養(yǎng)殖池體積 volume of culture pond/m3V200養(yǎng)殖密度 breeding density/(kg·m-3)ρ35最大生物量 maximum biomass/kgBM7000日投飼率 daily feeding rate/%FR1水溫 temperature/℃T14鹽度salinityS30pH7.2

1.1.1 最大氨氮TAN(Total Ammonia Nitrogen)的產(chǎn)生速率(PTAN)PTAN可表示為喂食速率和飼料中蛋白質(zhì)百分比的函數(shù)[14]，即

PTAN=BM×1000×FR×PC×0.092/24。

其中，PC為飼料中蛋白質(zhì)的含量，本設(shè)計(jì)中選用北京漢業(yè)鮭鱒魚專用飼料，PC值為43.09%。因此，該養(yǎng)殖規(guī)模下(表1)養(yǎng)殖目標(biāo)達(dá)到最大生物量時(shí)產(chǎn)生TAN的速率，即PTAN=115.6 g/h。

1.1.2 養(yǎng)殖池內(nèi)允許最大TAN濃度(CTAN) 養(yǎng)殖池中TAN濃度需控制在一定范圍以保證安全的養(yǎng)殖環(huán)境，未解離氨氮在低濃度下對魚類有毒害作用，根據(jù)中華人民共和國《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB11607-89)中規(guī)定，養(yǎng)殖環(huán)境非離子氨的濃度應(yīng)小于0.02 mg/L[15]。根據(jù)氨溶于水的平衡關(guān)系[16]，在養(yǎng)殖水體中pH為7.2、水溫為14 ℃時(shí)，CTAN為5 mg/L。因此，為避免該養(yǎng)殖環(huán)境下大西洋鮭受非離子氨的毒害，養(yǎng)殖池中TAN濃度應(yīng)小于5 mg/L。同時(shí)，養(yǎng)殖品種的生長還受水體內(nèi)氨氮濃度的限制，對于鱒魚類TAN安全濃度應(yīng)小于 1 mg/L[17]。

在確定養(yǎng)殖池內(nèi)允許最大TAN濃度時(shí)，應(yīng)綜合各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，選擇最低濃度以減少或預(yù)防TAN對養(yǎng)殖品種的毒害作用。綜上，本設(shè)計(jì)中確定CTAN為1 mg/L。

Qnew=PTAN/CNO3out。

1.1.4 養(yǎng)殖池所需DO量(RDO tank) DO的供應(yīng)往往是工業(yè)化循環(huán)系統(tǒng)提高承載能力及生產(chǎn)力的首要限制因素。Gr?ttum等[19]認(rèn)為，大西洋鮭耗氧率(RDO fish)與體質(zhì)量、溫度等有關(guān)，擬合方程如下：

RDO fish=157.4×FM-0.21×1.03T×1.440.5。

根據(jù)表1養(yǎng)殖規(guī)模，計(jì)算得：

RDO fish=0.190 g O2/(kg·h)，RDO tank=RDO fish×BM=1330 g O2/h。

1.1.5 生物濾器所需DO量(RDO biofilter)RDO biofilter可通過殘餌糞便的生化耗氧量BOD(Biochemical oxygen demand)與硝化反應(yīng)耗氧量NOD(Nitration oxygen demand)來表示,即

RDO biofilter=BOD+NOD=(PTAN-Qnew×CTAN)×4.57+

2.3×CBOD×(1-EBOD)。

其中：CBOD為系統(tǒng)中BOD濃度(mg/L)；EBOD為系統(tǒng)通過沉淀、過濾等操作對BOD的去除率。本設(shè)計(jì)中假設(shè)EBOD為70%[11]。根據(jù)Kelly等[20]的研究，確定大西洋鮭BOD產(chǎn)生量為55.42 g BOD/(t·h)。由此推出CBOD=55.42 g BOD/(t·h)×7 t=387.94 g BOD/h，計(jì)算得到RDO biofilter=790.8 g/h。

1.1.6 養(yǎng)殖池保障DO要求的流量(Qtank) 通過養(yǎng)殖池進(jìn)水DO濃度(DOinlet)、養(yǎng)殖池中DO濃度(DOtank)和養(yǎng)殖目標(biāo)需要的DO量(RDO tank)來計(jì)算系統(tǒng)的水流量Qtank。為保證生物的安全健康DO環(huán)境，DOtank最低定為6 mg/L。在養(yǎng)殖水體鹽度為30、水溫為14 ℃、表面大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，DO飽和度達(dá)到240%時(shí)，進(jìn)水中DO濃度為14.6 mg/L[21]，因此，根據(jù)Qtank=RDO tank/(DOinlet-DOtank)，計(jì)算可得Qtank≈155 m3/h。

1.1.7 生物濾器去除TAN需要的流量(Qbiofilter)其計(jì)算公式為

其中：CTAN in為養(yǎng)殖池中TAN濃度(mg/L)，養(yǎng)殖池內(nèi)進(jìn)水的TAN濃度很低，即CTAN in≈0 mg/L；CTAN為生物濾器進(jìn)水中的TAN濃度(mg/L)；E為生物過濾器TAN的去除效率(%)。本設(shè)計(jì)中E通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為40%，因此，Qbiofilter=(0-1.16×1+115.6)/(1×40%)≈286 (m3/h)。

1.2 MBBR運(yùn)行參數(shù)的確定

1.2.2 MBBR尺寸參數(shù) 表2與圖1列出了3類Kaldnes填料的具體數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中選擇在養(yǎng)殖場中使用較多的Kaldnes K3填料，其比表面積為500 m2/m3。生物填料有富集水體細(xì)菌的能力，其生物膜上的細(xì)菌種類和豐度遠(yuǎn)大于對應(yīng)水體[23]。當(dāng)進(jìn)入MBBR的TAN濃度為0.4～0.6 mg/L、DO約為7 mg/L時(shí)，TAN的表面去除率(Areal TAN Removal Rate，ATR)為0.03～0.25 g TAN/(m2·d)[24]，選擇ATR為0.1 g TAN/(m2·d)，因此，填料單位體積的TAN去除率(Volumetric TAN removal rate，VTR)為50 g TAN/(m3·d)。

根據(jù)填料體積Vmedia=24×(PTAN-Qnew×CTAN)/VTR，得出Vmedia=55 m3。

懸浮填料應(yīng)可自由移動(dòng)，當(dāng)填充材料所占百分比較高時(shí)會(huì)降低攪拌速率[10]。本設(shè)計(jì)中選擇填充率為40%，根據(jù)Vbiofilter=Vmedia/40%，得出Vbiofilter=138 m3。參考《生物接觸氧化法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》[25]中生物接觸氧化池宜采用矩形，長寬比例宜為2∶1～2，有效面積不大于100 m2。故選擇設(shè)置兩組MBBR并聯(lián)，每組有兩個(gè)串聯(lián)，每個(gè)水池規(guī)格為4 m×4 m×2.5 m，池中水位為2.2 m。此外，因填料翻滾，還需要增加一些空板防止攪拌時(shí)填料溢出。

1.2.3 水力停留時(shí)間(HRT) 根據(jù)HRT=Vbiofilter/Q得到HRT≈29 min。HRT值一般為0.2 h以上，若計(jì)算過程中得到的HRT較小，應(yīng)適當(dāng)增加生物濾池的體積來增加該值以保障處理效率。

1.2.4 換水率(Rwater)和循環(huán)次數(shù)(n) 換水率Rwater為新水量占系統(tǒng)(養(yǎng)殖池+生物濾器)全部水量的比率，即Rwater=Qnew×24/(V+Vbiofilter)≈8.2%；循環(huán)次數(shù)n為所有水體每天在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的次數(shù)，即n=Q×24/(V+Vbiofilter)≈20次/d。

2 MBBR構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

2.1 池體

生物濾池墻體材料為混凝土結(jié)構(gòu)，其受力壁板與底板厚度不宜小于20 cm，預(yù)制壁板的厚度可采用15 cm[26]。參考《生物接觸氧化法設(shè)計(jì)規(guī)程》[27]：生物接觸氧化池在底部連續(xù)曝氣時(shí)填料保持恒定運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生洗滌作用，池底一般不會(huì)有污泥沉積，因此,不需在池底設(shè)置污泥斗。

2.2 供水與布水設(shè)備

水泵的選擇須知揚(yáng)程，這需根據(jù)養(yǎng)殖場的地勢與其他水處理設(shè)施的地勢高度確定，因此，目前無法對泵進(jìn)行選擇，但可對進(jìn)水管進(jìn)行確定。參考《給水排水設(shè)計(jì)手冊(第3冊)，城鎮(zhèn)給水(第2版)》[28]，待處理水進(jìn)水流速v=1.0～1.2 m/s。根據(jù)公式Q/(3600×v)=πD2/4,MBBR并聯(lián)兩組生物濾器的流量Q分別為143 m3/h，代入公式可得到總進(jìn)水管管徑D1=290～318 mm，MBBR分支進(jìn)水管管徑D2=205～225 mm。因此，MBBR總進(jìn)水管定為DN300 mm聚乙烯管；在205～225 mm范圍內(nèi)無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格聚乙烯管，故選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的DN200 mm聚乙烯管。同理新水給水管的管徑定為DN20 mm聚乙烯管。

2.3 填料

工程應(yīng)用中常用的Kaldnes填料多由高密度聚乙烯(密度為0.95 g/cm3)制成，3種最常用的填料見表2與圖1[10], 本設(shè)計(jì)中采用市面上出售的K3懸浮填料，填充率為40%。

表2 部分Kaldnes填料數(shù)據(jù)Tab.2 Data of some Kaldnes carriers

2.4 曝氣設(shè)備

圖1 Kaldnes K1、K2、K3填料(從左到右)Fig.1 The biofilm carriers of Kaldnes types K1, K2 and K3 (from left to right)

在MBBR中需曝氣使填料與廢水充分混合，池外安裝曝氣裝置進(jìn)氣，曝氣管布置在池底。選擇曝氣裝置最關(guān)鍵的因素是氧氣轉(zhuǎn)移效率，同時(shí)穩(wěn)定性、成本、系統(tǒng)附件、保養(yǎng)維修費(fèi)等也是需要考慮的因素，本設(shè)計(jì)中選擇大氣泡擴(kuò)散羅茨鼓風(fēng)曝氣裝置。鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)主管采用一字型，單根穿孔管在池底中央位置，長度不大于5 m。每根穿孔曝氣管立管上設(shè)置閘門和活接頭，方便調(diào)節(jié)氣量與拆卸[27]。氣水比采用6∶1[29]，因此，鼓風(fēng)機(jī)曝氣量為1716 m3/h。根據(jù)羅茨風(fēng)機(jī)型號(hào)、規(guī)格、參數(shù)，選擇JGR150型羅茨鼓風(fēng)機(jī)(章丘市錦工機(jī)械有限公司)。該風(fēng)機(jī)參數(shù)如下:風(fēng)機(jī)口徑為150 mm，進(jìn)風(fēng)量為29.03 m3/min，升壓為34.3 kPa。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖方式易造成水體污染和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[30]，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的應(yīng)用符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，生物濾器作為其廢水處理核心單元受到越來越多的關(guān)注。

本研究在劉鷹等[11]及劉晃等[12]對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)物質(zhì)平衡關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際規(guī)模與理論目標(biāo)負(fù)載，確定MBBR具體運(yùn)行尺寸、流量、水力停留時(shí)間、構(gòu)筑物等參數(shù)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)匯總見表3。

表3 MBBR主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Main design parameters of MBBR

本文對生物濾器的設(shè)計(jì)思路提出了新的建議，為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)MBBR的完成設(shè)計(jì)提供了較科學(xué)、完整的思路。