循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)氧錐運行參數(shù)設(shè)計

楊 菁,管崇武,宋紅橋,吳 凡

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室,上海 200092)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)以高密度集約化、養(yǎng)殖水環(huán)境可控、產(chǎn)品安全可靠等特點成為當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向[1-3]。增氧環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)主要組成部分是系統(tǒng)有效運行的重要保障[4-5]。純氧增氧能大幅提高養(yǎng)殖密度,促進(jìn)養(yǎng)殖生物生長,降低飼料系數(shù),減少藥物用量[6-8],自20世紀(jì)70年代起,在國內(nèi)外集約化養(yǎng)殖中得以研究與實踐。Rebecca等[9]應(yīng)用純氧增氧技術(shù),羅非魚養(yǎng)殖密度達(dá)到120 kg/m3。高曉田等[10]研究表明純氧增氧有效改善了水質(zhì)環(huán)境,促進(jìn)了大菱鲆生長。禹振軍等[11]試驗證實純氧增氧使養(yǎng)殖水體溶氧質(zhì)量濃度從3.5 mg/L提高至6.4 mg/L,增氧效果好。循環(huán)水養(yǎng)殖純氧增氧系統(tǒng)由液氧罐或制氧機(jī)、氣水混合裝置、水泵等組成。純氧氣體、養(yǎng)殖水體通入氣水混合裝置,氣液充分接觸,使水體溶氧達(dá)到飽和與超飽和[12]。氣水混合裝置包括錐式溶氧器(氧錐)、U管曝氣器、低壓溶氧器、射流曝氣器等,其中氧錐方式溶氧效率高,純氧吸收率可達(dá)95%以上,出水溶氧質(zhì)量濃度可達(dá)30 mg/L及以上,尤其適合于循環(huán)水超高密度養(yǎng)殖的增氧需求[13-14 ]。氧錐工作壓力通常為100 kPa左右[15]。氧錐運行需產(chǎn)生一定氣耗及能耗,因此科學(xué)確立氧錐運行參數(shù),對提高純氧增氧系統(tǒng)技術(shù)性能,降低其運行成本,促進(jìn)其進(jìn)一步推廣具有重要意義。迄今鮮見循環(huán)水養(yǎng)殖高效氧錐運行參數(shù)設(shè)計相關(guān)報道。

本研究對通入氧錐純氧氣體流量、養(yǎng)殖水體流量進(jìn)行科學(xué)設(shè)計,確立其高效運行參數(shù),分析其運行成本,并討論設(shè)計關(guān)鍵問題,為推進(jìn)純氧增氧在高密度循環(huán)水養(yǎng)殖中廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)基本情況

試驗系統(tǒng)位于中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所如東基地溫室內(nèi),由養(yǎng)殖池、純氧增氧系統(tǒng)、物理及生物凈化系統(tǒng)等組成。純氧增氧系統(tǒng)包括氧錐、循環(huán)水泵、液氧罐等。養(yǎng)殖對象為凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei),養(yǎng)殖水體300 m3,養(yǎng)殖密度6 kg/m3,日投飼率2.5%,補水量0.375 m3/h。養(yǎng)殖污水分別流入純氧增氧系統(tǒng)、物理及生物凈化系統(tǒng),經(jīng)歷增氧、去除懸浮物及生物過濾后回至養(yǎng)殖池,實現(xiàn)水體循環(huán)利用。

試驗系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of system

1.2 氧錐結(jié)構(gòu)及工作原理

氧錐為一種利用純氧通過氣液傳質(zhì)方式強制增加水中溶氧的壓力式裝備[16],由密封容器、底座、微孔曝氣器、連接管、閥門等組成,見圖2。密封容器為一呈現(xiàn)上小下大的錐形容器,置于底座上。容器頂部設(shè)有進(jìn)水口,下部設(shè)出水口,其一側(cè)置有取樣口,進(jìn)出水口均采用法蘭與相應(yīng)管道連接。容器底部設(shè)排污口,連通排污管道及排污閥門。容器上部還設(shè)有進(jìn)氣口,引入氣管,其一端連接內(nèi)置于容器上方微孔曝氣器,另一端設(shè)置有單向氣閥。

圖2 氧錐結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chart of oxygen cone

水泵提供的壓力水自頂部進(jìn)水口流入,通入氣管的純氧氣體經(jīng)進(jìn)氣口經(jīng)微孔曝氣器后被分散成無數(shù)細(xì)小氣泡,氣液在密封容器內(nèi)充分混合后向下流動。隨著密封容器錐體直徑增加,水流速度逐步下降,氣液接觸時間逐漸增加,當(dāng)漸次下降的水流速度等于氣泡上浮速度時,氣泡懸浮于水體中,最大限度提高了氣液接觸時間,從而有效促進(jìn)了氣泡在水中溶解,達(dá)到強制增氧目的。另外,隨著水體深度增加壓強不斷加大,氣液中的氧氣傳質(zhì)速率相應(yīng)增加,進(jìn)一步提高了增氧效率[17]。增氧后水體通過出水口流出。

1.3 氧錐運行參數(shù)設(shè)計

1.3.1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)需氧量

1)總氨氮產(chǎn)生量PTAN

根據(jù)系統(tǒng)養(yǎng)殖生物量、日投飼率、飼料粗蛋白含量等,有公式(1)[18]:

PTAN=M×1 000×rfeed×Cp×aTAN/24

(1)

式中:PTAN為總氨氮產(chǎn)生量,g/h;rfeed為日投飼率,2.5%;Cp為飼料粗蛋白含量,40%;aTAN為投喂單位質(zhì)量飼料蛋白所產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量,取0.10[18];M為系統(tǒng)養(yǎng)殖生物量,kg。

M=V×D

(2)

式中:V為養(yǎng)殖水體,m3;D為養(yǎng)殖密度,kg/m3。

將V等值代入公式(2),可得M=300×6=1 800 kg。

將M等值代入公式(1),可得PTAN=1 800×1 000×0.025×0.4×0.10/24=75.0 g/h。

2)硝化反應(yīng)耗氧量RNOD

根據(jù)氨氮物質(zhì)平衡相關(guān)原理及基礎(chǔ)生化反應(yīng)方程式,有公式(3)[19]:

RNOD=(PTAN-Qa×CTAN)×4.57

(3)

式中:RNOD為硝化反應(yīng)耗氧量,g/h;Qa為系統(tǒng)補水量,取0.375 m3/h;CTAN為系統(tǒng)氨氮質(zhì)量濃度,mg/L,根據(jù)中國漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[20]中非離子氨閾值,對其在25 ℃水溫及pH為7.0的條件下折算取得系統(tǒng)氨氮質(zhì)量濃度控制在3.5 mg/L以下[21]。

將PTAN等值代入公式(3),可得RNOD=(75.0-0.375×3.5)×4.57=336.8 g/h。

3)溶氧消耗量RDO

根據(jù)養(yǎng)殖生物耗氧量、硝化反應(yīng)耗氧量等,有公式(4)[19]:

RDO=Rresp+RNOD+RBOD

(4)

式中:RDO為溶氧消耗量,g/h;RBOD為生化反應(yīng)耗氧量,g/h,按1/3RNOD估算;Rresp為養(yǎng)殖生物耗氧量,g/h。

Rresp=Rshrimp×M

(5)

式中:Rshrimp為蝦單位呼吸速率,mg/(g·h),取值0.34 mg/(g·h)[22]。

將Rshrimp等值代入公式(5),可得Rresp=0.34×1 800=612.0 g/h。

將Rresp等值代入公式(4),可得RDO=612.0+336.8+336.8/3=1 061.1 g/h。

4)系統(tǒng)需氧量PDO

根據(jù)溶氧物質(zhì)平衡相關(guān)原理,有公式(6)[19]:

PDO=Qa×CDOout+RDO-Qa×CDOin

(6)

式中:PDO為系統(tǒng)需氧量,g/h;CDOout為系統(tǒng)出水溶氧質(zhì)量濃度,mg/L,設(shè)定為7.0 mg/L;CDOin為系統(tǒng)補水溶氧質(zhì)量濃度,mg/L,取為7.0 mg/L。

將RDO等值代入公式(6),可得PDO=0.375×7.0+1 061.1-0.375×7.0=1 061.1 g/h。

1.3.2 氧錐最佳氣液體積比

根據(jù)氧錐最高溶氧效率等,有公式(7)[24]:

θ=ΔCDO×10-3/(1.43×EDOmax)

(7)

式中:θ為氧錐最佳氣液體積比;ΔCDO為氧錐進(jìn)、出水溶氧質(zhì)量濃度差值,mg/L;1.43為純氧氣體容重,g/L;EDOmax為氧錐最高溶氧效率,%。陳有光等[23]研究了氧錐增氧規(guī)律,結(jié)果表明當(dāng)水流量為65 m3/h,純氧氣體流量為最適值時,該氧錐進(jìn)、出水溶氧質(zhì)量濃度差值達(dá)13.65 mg/L,溶氧效率達(dá)最高84.56%。

將最高溶氧效率及相應(yīng)的進(jìn)、出水溶氧質(zhì)量濃度差值代入公式(7),可得θ=13.65×10-3/(1.43×84.56%)=0.011。

1.3.3 氧錐運行參數(shù)

設(shè)定上述氧錐作為循環(huán)水養(yǎng)蝦系統(tǒng)純氧增氧氣水混合裝置。

1)通入氧錐純氧氣體流量Qg

根據(jù)系統(tǒng)需氧量、氧錐最高溶氧效率等,有公式(8)[24]:

Qg=PDO/[60(1.43×EDOmax)]

(8)

式中:Qg為通入氧錐純氧氣體流量,L/min。

將PDO、最高溶氧效率值代入公式(8),可得Qg=1 061.1/[60(1.43×84.56%)]=14.6 L/min。

2)通入氧錐養(yǎng)殖水體流量Qw

根據(jù)最佳氣液體積比、純氧流量,有公式(9):

Qw=Qg/θ

(9)

式中:Qw為通入氧錐養(yǎng)殖水體流量,L/min。

將Qg、θ值代入公式(9),可得Qw=14.6/0.011=1 327.3 L/min。

1.4 試驗管理及統(tǒng)計分析

統(tǒng)計運行正常的試驗系統(tǒng)對蝦養(yǎng)殖密度,使其保持設(shè)定值。檢測養(yǎng)殖水體水溫27.50 ℃,pH 7.42。按設(shè)計參數(shù)值全程開啟純氧增氧系統(tǒng)、物理及生物凈化系統(tǒng)。定時投喂、補水。運行穩(wěn)定后每天1次定時測定氧錐進(jìn)、出水溶氧并記錄,連續(xù)6 d。采用YSI-Proplus多參數(shù)水質(zhì)測定儀測定溶氧、溫度、pH。使用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。平均值數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)。運用相對偏差法[25]進(jìn)行溶氧效率參數(shù)比較:

Ep=(1-Ptest/Pexp)×100%

(10)

式中:Ep為參數(shù)的相對偏差,%;Ptest為參數(shù)實測值;Pexp為參數(shù)預(yù)期值,84.56%。計算水泵功率[26]:

N=Qw×H×ρ×g/(60×1 000×η)

(11)

式中:N為水泵功率,kW;H為水泵揚程,m,根據(jù)氧錐工作原理,設(shè)為10 m;ρ為介質(zhì)密度,kg/L,介質(zhì)為水則密度為1 kg/L;g為重力加速度,9.81 N/kg;η為水泵效率,設(shè)為0.75。分析動力效率:

ET=Qw×ΔCDO×10-3×60/(1 000×N)

(12)

式中:ET為動力效率,kg/kW·h。

2 結(jié)果

2.1 進(jìn)、出水溶氧變化及計算結(jié)果

氧錐進(jìn)、出水溶氧變化見表1。進(jìn)水溶氧變化范圍5.33～6.12 mg/L,均值(5.69±0.27) mg/L,養(yǎng)殖水體溶氧水平處于對蝦適宜生長范圍;出水溶氧變化范圍18.28～20.13 mg/L,均值(19.14±0.69 ) mg/L。溶氧增量12.88～14.01 mg/L,均值(13.45±0.47) mg/L,出水溶氧較之進(jìn)水溶氧大幅提升。

運用公式(7)計算取得氧錐運行實際溶氧效率,其變化見表1,氧錐在設(shè)計參數(shù)下運行,獲得81.88%～89.07%高溶氧效率,均值(85.53±2.97)%。溶氧效率參數(shù)相對偏差變化見表1,相對偏差范圍-5.33%～+3.17%,實測值與預(yù)期值吻合良好。

運用公式(8)計算取得供氧量,其變化見表1,實際供氧量1 026.8～1 116.9 g/h,均值1 072.5±37.3 g/h,完全滿足循環(huán)水養(yǎng)殖1 061.1 g/h溶氧量需求。

表1 進(jìn)、出水溶氧變化及計算結(jié)果Tab.1 Variations of dissolved oxygen and calculation

2.2 系統(tǒng)運行成本

純氧增氧系統(tǒng)運行成本包括耗氧成本、耗電成本。根據(jù)分別為71.09%、51.77%氧錐溶氧效率及相應(yīng)氣液比[23],獲得供氧量為1 061.1 g/h的不同溶氧效率下氧錐運行參數(shù)2、3。一并計算運行參數(shù)1、2、3其運行成本,見表2。

表2 系統(tǒng)運行成本Tab.2 Running cost of system

氧錐在運行參數(shù)1、2、3運行,其運行成本分別為4.2元/h 、5.8元/h 、8.9元/h,后二者運行成本較前者分別上升38.1%、111.9%。氧錐在設(shè)計參數(shù)下運行,在獲得81.88%～89.07%高溶氧效率同時運行成本最低,顯著低于運行參數(shù)2、3。

3 討論

3.1 采用高溶氧效率氧錐

動力效率為裝備每消耗1 kW·h電能轉(zhuǎn)移至養(yǎng)殖水體的氧質(zhì)量,是評價氧錐耗能經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。根據(jù)公式(8)及動力效率定義,對應(yīng)一定的系統(tǒng)溶氧需要量,氧錐效率直接決定其純氧氣體耗量,影響其動力效率。在生產(chǎn)實踐中,應(yīng)采用高溶氧效率氧錐,以發(fā)揮純氧氣源最大功效,降低氣耗,減少能耗,提升動力效率,控制運行成本。根據(jù)試驗結(jié)果計算得該氧錐動力效率為0.37 kg/kW·h。該參數(shù)水平與國外經(jīng)濟(jì)型氧錐0.40～1.06 kg/kW·h動力效率值比較[27-28],還有待提升。

3.2 確立氧錐最佳氣液體積比

氧錐溶氧效率取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)、水環(huán)境參數(shù)等,包括錐體結(jié)構(gòu)尺寸、氣液體積比、工作壓力、進(jìn)水溶氧濃度、水溫等[29-30]。氧錐工作壓力通常為100 kPa左右[15]。當(dāng)不考慮進(jìn)水溶氧濃度、水溫等水環(huán)境參數(shù)影響時,對于一定錐體結(jié)構(gòu)尺寸氧錐,氣液體積比參數(shù)直接決定其溶氧效率。陳有光等[23]研究表明:該既定錐體結(jié)構(gòu)尺寸氧錐,其在不同氣液體積比運行時,溶氧效率范圍17.58%～84.56%。故對一定錐體結(jié)構(gòu)尺寸氧錐確立最佳氣液體積比參數(shù)以獲得其最高溶氧效率尤為重要。

3.3 滿足氧錐運行條件

根據(jù)公式(7),當(dāng)氧錐在最佳氣液體積比參數(shù)運行時可獲得最高溶氧效率。滿足該運行條件并根據(jù)系統(tǒng)溶氧需要量,可取得氧錐運行參數(shù)。但當(dāng)系統(tǒng)溶氧需要量大,使通入氧錐養(yǎng)殖水體流量大于氧錐進(jìn)水量負(fù)荷,則因相應(yīng)配置多臺氧錐,以滿足系統(tǒng)溶氧量需求。

4 結(jié)論

運用物質(zhì)平衡等相關(guān)原理,對通入氧錐純氧氣體流量、養(yǎng)殖水體流量進(jìn)行科學(xué)設(shè)計,確立其高效運行參數(shù)。采用一定錐體結(jié)構(gòu)尺寸氧錐,當(dāng)通入其純氧氣體流量為14.6 L/min、養(yǎng)殖水體流量為1 327.3 L/min時,能充分利用氧錐81.88%～89.07%高溶氧效率,提供1 026.8～1 116.9 g/h養(yǎng)殖系統(tǒng)需氧量,完全滿足養(yǎng)殖水體300 m3、養(yǎng)殖密度6 kg/m3的凡納濱對蝦循環(huán)水養(yǎng)殖溶氧量需求。為提高純氧增氧系統(tǒng)性能降低其運行成本提供了技術(shù)支持。