高密度船載艙養(yǎng)式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢傳健 張千 黃建偉 朱端祥 張方華 劉亮清 程曉夏

摘 要 為了給養(yǎng)殖工船循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支持，針對(duì)養(yǎng)殖工船的封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，以大西洋鮭為對(duì)象，應(yīng)用一種基于投飼量的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套適用于船載艙養(yǎng)模式的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)確定了船載養(yǎng)殖池、豎流沉淀、轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)、生物過(guò)濾、二氧化碳脫氣、溫控、消毒等高效水處理技術(shù)和設(shè)備的工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞 養(yǎng)殖系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；水質(zhì)；循環(huán)水；船載艙養(yǎng)模式；大西洋鮭

中圖分類(lèi)號(hào)：S969.38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.09.043

當(dāng)今我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，人們生活質(zhì)量節(jié)節(jié)攀升，飲食方面對(duì)高端海洋蛋白的需求也是不斷增加，相關(guān)報(bào)道稱(chēng)，未來(lái)十年全球?qū)⒂? 000萬(wàn)t的水產(chǎn)品缺口。但是，眾所周知的是，受到環(huán)保壓力的影響，我國(guó)近海漁業(yè)資源逐漸萎縮，養(yǎng)殖環(huán)境不斷惡化，水體污染嚴(yán)重，養(yǎng)殖空間不斷被壓縮，發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖已是必然趨勢(shì)[1]。其中，養(yǎng)殖工船以其可游弋養(yǎng)殖的強(qiáng)靈活性、抵抗臺(tái)風(fēng)及其他自然災(zāi)害侵襲的高安全性，成為實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖規(guī)模化生產(chǎn)的重要裝備。最近幾年，我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)聯(lián)合船舶工業(yè)的專(zhuān)家們從提出大型養(yǎng)殖工船的創(chuàng)意想法到2022年5月20日全球首艘10萬(wàn)t級(jí)智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船“國(guó)信1號(hào)”在青島交付運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國(guó)深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖工船產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了由0到1的巨大突破。

而循環(huán)水養(yǎng)殖模式以其特有的高工業(yè)化程度、節(jié)水節(jié)地、節(jié)能減排、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖諸多模式中占有重要的一席之地[2]。對(duì)于陸基循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的技術(shù)探索，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的水產(chǎn)專(zhuān)家早已開(kāi)始了相關(guān)研究，例如Yossi等在研究MBBR生物濾器生物群落和氮物質(zhì)流的文章中稱(chēng)金頭鯛的養(yǎng)殖（gilthead seabream）密度達(dá)到了80 kg·m-3[3]。Ebeling等構(gòu)建的海鱒魚(yú)（sea trout）全封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖密度達(dá)到了112 kg·m-3[4]。本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)陸基循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)快速發(fā)展，尤其是環(huán)保水處理技術(shù)的更新迭代帶動(dòng)了行業(yè)技術(shù)模式的發(fā)展。我國(guó)相關(guān)部委也通過(guò)頂層策劃對(duì)陸基循環(huán)水養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行科研預(yù)研[5]。未來(lái)深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖工船的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)需要結(jié)合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，利用深遠(yuǎn)海優(yōu)勢(shì)水質(zhì)資源，開(kāi)展高經(jīng)濟(jì)附加值魚(yú)類(lèi)的養(yǎng)殖生產(chǎn)活動(dòng)，突破我國(guó)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)瓶頸。雖然目前行業(yè)內(nèi)不乏一些關(guān)于陸基循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料，劉鷹等[6]及劉晃等[7]業(yè)內(nèi)專(zhuān)家通過(guò)物質(zhì)平衡關(guān)系建立了養(yǎng)殖關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)（氨氮、溶解氧）的方程式，對(duì)部分養(yǎng)殖參數(shù)給出了建議，但是至今鮮有關(guān)于高密度船載艙養(yǎng)式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)道。

本文以大西洋鮭為養(yǎng)殖對(duì)象，設(shè)計(jì)的高密度船載艙養(yǎng)式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是為了深入探討循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)在船載艙養(yǎng)模式下的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備選型，目的是為我國(guó)深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖工船的養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒。

1 ?設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

1.1 ?基礎(chǔ)參數(shù)的確定

高密度船載艙養(yǎng)式循環(huán)水養(yǎng)殖試驗(yàn)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為高密度船載艙養(yǎng)系統(tǒng)），如圖1所示。高密度船載艙養(yǎng)系統(tǒng)由5個(gè)3 m3八角形碳鋼噴漆養(yǎng)殖池以及相應(yīng)的水處理系統(tǒng)構(gòu)成，總養(yǎng)殖水體為15 m3。系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)養(yǎng)殖對(duì)象選擇的是極具有代表性的大西洋鮭，考慮到日后工程實(shí)踐的經(jīng)濟(jì)效益，此次設(shè)計(jì)最高的養(yǎng)殖密度定為80 kg·m-3。養(yǎng)殖系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 ?工藝設(shè)計(jì)

高密度船載艙養(yǎng)系統(tǒng)水處理工藝流程如圖2所示。養(yǎng)殖水流出養(yǎng)殖池后，經(jīng)過(guò)一系列水處理工藝，包括物理過(guò)濾、生化處理、消毒殺菌、溶解性氣體控制以及溫度調(diào)控等工藝，最終回到養(yǎng)殖池，實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)利用，其中CO2脫氣與反硝化工藝采用支路形式設(shè)計(jì)。

1.2.2 ?最大氨氮TAN（Total Ammonia Nitrogen）的產(chǎn)生速率（PTAN）計(jì)算

PTAN計(jì)算可用日投飼率與飼料中蛋白質(zhì)含量的函數(shù)表示[8]，即：

PTAN=Ddensity·Vtank·FR·PC·0.092 （1）

（1）式中，PC為飼料中蛋白質(zhì)的含量，本設(shè)計(jì)選用的飼料蛋白含量為43%，其余參數(shù)見(jiàn)表1。因此，該養(yǎng)殖系統(tǒng)的PTAN=19.81 g·h-1。

1.2.3 ?系統(tǒng)新水補(bǔ)充量（Q0）計(jì)算

對(duì)魚(yú)類(lèi)毒性危害極強(qiáng)的氨氮在環(huán)境中會(huì)進(jìn)行硝化反應(yīng)，生成亞硝酸鹽氮（NO2--N）和硝酸鹽氮（NO3--N），其中硝酸鹽氮對(duì)魚(yú)類(lèi)的毒性在科學(xué)界尚未發(fā)現(xiàn)明確規(guī)律，普遍認(rèn)為，硝酸鹽氮對(duì)魚(yú)類(lèi)的毒性較小。為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，一般采用新水補(bǔ)充的方式進(jìn)行濃度調(diào)控，系統(tǒng)新水補(bǔ)充量計(jì)算公式[9]為：

[Q0=PTANCNO3out] ? （2）

（2）式中，CNO3out為NO3--N的允許濃度上限，為了確保魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)環(huán)境，硝酸鹽氮的上限值為300 mg·L-1[10]，而本設(shè)計(jì)對(duì)CNO3out的取值設(shè)定為100 mg·L-1，因此Q0≈0.2 m3·h-1。

1.2.4 ?系統(tǒng)循環(huán)量（Q1）計(jì)算

系統(tǒng)循環(huán)量的計(jì)算設(shè)計(jì)需要綜合考慮總氨氮（TAN）、溶解氧（DO）、溶解性二氧化碳（CO2）、總懸浮顆粒物（TSS）等水質(zhì)指標(biāo)，循環(huán)量需要滿(mǎn)足其中任一指標(biāo)的系統(tǒng)負(fù)荷。而計(jì)算依據(jù)則采用質(zhì)量守恒計(jì)算模型（見(jiàn)圖3）[11]，即：

[Q1?C2+Q0?C0+P=Q0?C1+Q1?C1] （3）

[C2=C1+T100?Cbest?C1] ?（4）

（3）（4）式中，C0、C1、C2和Cbest表示控制量TAN、DO、CO2和TSS的濃度，即分別為新水、流入水處理系統(tǒng)的水質(zhì)濃度、流出水處理系統(tǒng)的水質(zhì)濃度和通過(guò)水處理系統(tǒng)可獲得的最佳濃度，單位mg·L-1；Q0為新水補(bǔ)充及排放的流量，單位m3·d-1；Q1為循環(huán)水的流量，單位m3·d-1；P為控制量（TAN、DO、CO2和TSS）的生產(chǎn)/消耗率，單位kg·d-1；T為水處理裝置處理效率，單位%。該系統(tǒng)的質(zhì)量守恒計(jì)算模型參見(jiàn)圖3[11]。

1）基于總氨氮（TAN）的系統(tǒng)循環(huán)量Q1計(jì)算

C0為新水中TAN濃度，即C0≈0 mg·L-1；C1為流入水處理系統(tǒng)的TAN濃度，養(yǎng)殖池中的總氨氮對(duì)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)具有極強(qiáng)烈的毒性，其濃度必須控制合理且在安全的范圍內(nèi)，《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB11607-89）中規(guī)定，養(yǎng)殖水體中非離子氨的濃度應(yīng)小于0.02 mg·L-1[12]。而據(jù)氨的水解平衡關(guān)系[13]，在溫度為14 ℃、pH值等于7的養(yǎng)殖水體中，C1為5 mg·L-1。所以，在該水環(huán)境下，養(yǎng)殖池中的總氨氮濃度應(yīng)不大于5 mg·L-1[9]。與此同時(shí)，水體中的氨氮濃度也將極大地抑制魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)，對(duì)于鮭魚(yú)類(lèi)TAN安全濃度應(yīng)小于1 mg·L-1[14]，即C1=1 mg·L-1；本設(shè)計(jì)中生物濾器處理效率（T）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為50%，將數(shù)據(jù)代入式（4），得C2=0.5 mg·L-1。將以上數(shù)據(jù)代入式（3）計(jì)算，得Q1≈39.22 m3·h-1。

2）基于溶解氧（DO）的系統(tǒng)循環(huán)量計(jì)算

工程上，氧氣消耗速率計(jì)算一般以0.5 kg·kg-1（O2）飼料作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

[PO2=Ddensity?Vtank?FR?0.5?-1]=-250 g·h-1（O2）

為保證大西洋鮭的安全健康生長(zhǎng)環(huán)境，C1取8 mg·L-1，而在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的14 ℃、鹽度為30的養(yǎng)殖水體，DO飽和度達(dá)到240%時(shí)，進(jìn)水中DO濃度為14.6 mg·L-1[15]，增氧系統(tǒng)處理效率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取90%，代入式（4），計(jì)算得C2≈13.94 mg·L-1。在水溫為14 ℃，鹽度為30，表面大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，新水溶解氧C0=8.4 mg·L-1，將以上數(shù)據(jù)代入式（3），計(jì)算可得Q1≈42.07 m3·h-1。

3）基于溶解性二氧化碳（CO2）的系統(tǒng)循環(huán)量計(jì)算

CO2產(chǎn)生速率一般以1.375 kg·kg-1（CO2/O2）消耗作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

[PCO2=?PO2?1.375 kgCO2kgO2=343.75gCO2h] （5）

（5）式中，假設(shè)C0≈0.5 mg·L-1，C1≈20 mg·L-1，二氧化碳脫氣塔處理效率設(shè)定為70%[11]，分別代入式（4）、式（3），計(jì)算可得Q1=24.9 m3·h-1。

4）基于總懸浮顆粒物（TSS）的系統(tǒng)循環(huán)量計(jì)算

TSS產(chǎn)生速率一般以0.25 kg·kg-1（TSS）飼料作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)，即：

[PTSS=Ddensity?Vtank?FR?0.25 kgTSS1 kg飼料] =125 g·h-1（TSS） （6）

（6）式中，假設(shè)C0≈0 mg·L-1，C1≈50 mg·L-1，豎流沉淀器、轉(zhuǎn)鼓微濾機(jī)結(jié)合固定床生物濾器對(duì)總懸浮顆粒物的攔截效率T≈90%，分別代入式（4）、式（3），計(jì)算可得Q1=2.56 m3·h-1。

1.2.5 ?系統(tǒng)循環(huán)量的確定

為保證大西洋鮭適應(yīng)水質(zhì)參數(shù)，應(yīng)取最大值作為系統(tǒng)循環(huán)量，即Q1=42.07 m3·h-1。而考慮系統(tǒng)整體綜合能耗設(shè)計(jì)，以及當(dāng)前行業(yè)內(nèi)增氧工藝效率，可對(duì)DO設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以期得到更加合理的系統(tǒng)循環(huán)量，具體過(guò)程如下：通過(guò)增氧工藝將期望溶解氧濃度提高至15.1 mg·L-1，即Cbest=15.1 mg·L-1，代入式（4），可得C2=14.39 mg·L-1，再代入式（3），計(jì)算可得Q1=39.11 m3·h-1＜39.22 m3·h-1。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳循環(huán)量應(yīng)為39.22 m3·h-1。

1.3 ?養(yǎng)殖池設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)3 m3水體的養(yǎng)殖池。由于該系統(tǒng)處于船載工況，為提高船艙的空間利用率，養(yǎng)殖池徑深比設(shè)計(jì)采用1∶1，形狀采用矩形切角設(shè)計(jì)，尺寸規(guī)格為1 540 mm（φ）×1 540 mm（h）。池體材料設(shè)計(jì)同樣匹配船載工況，采用碳鋼制作，并進(jìn)行食品級(jí)環(huán)氧儲(chǔ)罐漆進(jìn)行噴涂，以達(dá)到海水防腐以及食品衛(wèi)生要求。每個(gè)養(yǎng)殖池均設(shè)計(jì)側(cè)排水與底排水，側(cè)排水經(jīng)由養(yǎng)殖池側(cè)壁上的格柵口流出，占系統(tǒng)總循環(huán)量的75%，約29.5 m3·h-1。其中，底排水設(shè)計(jì)不同于常規(guī)陸基工況，考慮到在池體較高的徑深比情況下固體顆粒物將很難快速沉降至養(yǎng)殖池底部，因此采用如圖4所示中心立管設(shè)計(jì)，底排水占總循環(huán)量的25%，約9.8 m3·h-1。

停留時(shí)間演算。養(yǎng)殖池的停留時(shí)間（tHR）可以用養(yǎng)殖池容積（Vtank）和通過(guò)養(yǎng)殖池的流量（Q1）來(lái)計(jì)算：

[tHR=VtankQ1]≈0.38 h=22.9 min[∈20，30]，符合一般設(shè)計(jì)要求。

2 ?工藝參數(shù)的確定

2.1 ?豎流沉淀器設(shè)計(jì)

高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的顆粒廢棄物需要盡量在其降解之前排出系統(tǒng)，否則大大增加系統(tǒng)總氨氮的去除負(fù)荷。因此，本設(shè)計(jì)在微濾機(jī)之前設(shè)置豎流沉淀器，以降低微濾機(jī)去除TSS的壓力。設(shè)計(jì)將養(yǎng)殖池中心排水先通過(guò)豎流沉淀器處理后，將出水與養(yǎng)殖池側(cè)排水相結(jié)合，合并進(jìn)入微濾機(jī)進(jìn)行處理，以期獲得最佳的系統(tǒng)顆粒廢棄物去除效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，豎流沉淀器水力負(fù)荷一般為7.32～12.24 m3·m-2·h-1[11]，本設(shè)計(jì)選取水力負(fù)荷q=9.78 m3·m-2·h-1，故計(jì)算豎流沉淀器截面積為：

[S=Qq=1.00（m2）]

根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)豎流沉淀器進(jìn)行非標(biāo)工程化設(shè)計(jì)，尺寸規(guī)格為1.00 m（φ）×1.00 m（h）。

2.2 ?微濾機(jī)設(shè)計(jì)

微濾機(jī)目前是循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)中針對(duì)固體顆粒物去除最為有效的一種設(shè)備，一般而言，養(yǎng)殖水體單次通過(guò)微濾機(jī)后對(duì)顆粒物的去除率可達(dá)50%以上[16]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)微濾機(jī)進(jìn)水為魚(yú)池側(cè)排水以及豎流沉淀器出水后的合流，根據(jù)上述系統(tǒng)循環(huán)量設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，微濾機(jī)處理流量為Q=39.22 m3·h-1。出于船艙自動(dòng)化要求，選用自動(dòng)化轉(zhuǎn)鼓微濾機(jī)設(shè)備，篩網(wǎng)200目（過(guò)濾孔徑為75 μm），驅(qū)動(dòng)電機(jī)120 W。

2.3 ?蛋白分離器設(shè)計(jì)

蛋白分離器主要用于去除難沉降的水中膠質(zhì)以及微小懸浮顆粒物，但是一般而言，蛋白分離器在系統(tǒng)中的尺寸相對(duì)較大，不適用于船載工況，因此本系統(tǒng)只做設(shè)計(jì)備用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，日投喂每kg飼料（假設(shè)3%的總懸浮顆粒物是通過(guò)蛋白分離器去除的）需要1.2 m3·h-1的氣流，同時(shí)需要水體截面面積為90 cm2[11]，則通過(guò)計(jì)算得到蛋白分離器供氣量為：

[Qair=12 kg飼料1 d?1.2 m31 h?1 d1 kg飼料]=24.2 m3·h-1

蛋白分離器所需截面積為：

[S=12 kg飼料1 d?90 cm2?1 m210 000 cm2?1 d1 kg飼料=0.108 m2]

同時(shí)，設(shè)計(jì)蛋白分離器與補(bǔ)充臭氧工藝聯(lián)動(dòng)，以期改善水質(zhì)。為提高系統(tǒng)安全性，設(shè)計(jì)采用1 kg飼料添加13 g臭氧[11]，計(jì)算得到臭氧添加量為156 g·d-1（O3）。根據(jù)實(shí)際工程需要，選定蛋白分離器規(guī)格為φ0.92 m×h2.51 m；臭氧發(fā)生器選用空氣源10 g·h-1（O3）產(chǎn)量。

2.4 ?生物過(guò)濾器設(shè)計(jì)

養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)雖然對(duì)蛋白質(zhì)有很高的需求，但是其有限的消化能力會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)中一定比例的氮物質(zhì)無(wú)法被吸收利用[17-18]。生物濾器作為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的頭等水處理工藝，其擔(dān)負(fù)著氮元素的轉(zhuǎn)移、脫除等工作[19]。而移動(dòng)床MBBR生物濾器以其不需要反沖洗、無(wú)需清洗濾料等優(yōu)勢(shì)成為不二選擇[20-21]。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“固定床+移動(dòng)床”串聯(lián)工藝，其中固定床生物濾器主要起攔截顆粒物作用，以減輕移動(dòng)床生物濾器壓力，使得后者可以充分發(fā)揮硝化作用，降解總氨氮濃度。

2.4.1 ?移動(dòng)床（MBBR）設(shè)計(jì)

據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)選取氨氮面積負(fù)荷（ATR）為0.1 g·m-2·d-1（TAN）[22-24]，移動(dòng)床填料選擇工程應(yīng)用中常用的Kaldnes 5填料，其由高密度聚乙烯（密度為0.95 g·cm-3）制成比表面積（SSA）為800 m2·m-3，其吸附水體細(xì)菌的能力，以及生物膜上的細(xì)菌種類(lèi)和豐度遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)水體[25]?？筛鶕?jù)下式[11]進(jìn)行計(jì)算：

[Amedia=PTAN?Q0?C1ATR] ?（7）

[Vmedia=AmediaSSA] ? （8）

可得填料體積（Vmedia）為5.87 m3。懸浮填料應(yīng)當(dāng)能夠隨意活動(dòng)，當(dāng)填料所占百分比較高時(shí)，會(huì)影響移動(dòng)床對(duì)氨氮處理效果[26]。本設(shè)計(jì)中填充率（PR）取值50%，則生物濾器體積VMBBR=Vmedia/PR=11.75 m3。停留時(shí)間HRT=VMBBR/Q1=0.3 h＞0.2 h，符合一般設(shè)計(jì)規(guī)律。

設(shè)計(jì)移動(dòng)床高度、直徑之比為1∶1，數(shù)量為2個(gè)，并聯(lián)使用，則濾器直徑dMBBR可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

[dMBBR=4?VMBBRπ?1.03=1.96 m]

實(shí)際選取濾器尺寸為2 m（φ）×2 m（h）。

一般來(lái)說(shuō)，移動(dòng)床生物濾器曝氣和混合的氣體要求約為反應(yīng)器的5倍[11]，則計(jì)算得：

[Qair=5 vol1 h?VMBBR1 vol]=58.75 m3·h-1。實(shí)際選取60 m3·h-1。

2.4.2 ?固定床生物濾器設(shè)計(jì)

考慮到固定床主要起到顆粒污染物攔截作用，并作為后續(xù)移動(dòng)床硝化作用的保險(xiǎn)工藝，以減輕總氨氮處理負(fù)載，同時(shí)考慮到系統(tǒng)整體美觀性，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用1個(gè)與移動(dòng)床尺寸一致的圓筒形固定床濾器，填料選擇K5填料。

2.5 ?脫氣工藝設(shè)計(jì)

高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中由于魚(yú)類(lèi)數(shù)量多，而使得其呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)隨著系統(tǒng)生產(chǎn)而逐漸積聚，甚至有時(shí)會(huì)達(dá)到周?chē)h(huán)境飽和濃度的20～100倍，過(guò)高的濃度會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)缺氧，并且CO2與水反應(yīng)生成的碳酸會(huì)使得水體pH值在短時(shí)間內(nèi)不斷下降，這將對(duì)系統(tǒng)的水質(zhì)調(diào)控不利[27]。

因此，本設(shè)計(jì)采用滴濾塔工藝，采用支路設(shè)計(jì)模式，流量選擇依據(jù)溶解性CO2系統(tǒng)循環(huán)量而定，即為24.9 m3·h-1，液壓負(fù)荷選取20 L·m-2·s-1[11]，高度選擇1 m，氣液質(zhì)量比采用5∶1[28]，則滴濾塔橫截面積可通過(guò)計(jì)算得到為0.35 m2，直徑為0.67 m。針對(duì)脫氣塔進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，實(shí)際尺寸為1.0 m（φ）×2.0 m（h），填料選用Bioblock填料，有效比表面積為350 m2·m-3。

2.6 ?增氧工藝設(shè)計(jì)

在高密度工業(yè)化養(yǎng)殖過(guò)程中，水體中的溶解氧是魚(yú)類(lèi)生存的首要條件，缺氧將造成全部養(yǎng)殖對(duì)象的快速死亡，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)船載艙養(yǎng)模式，本設(shè)計(jì)采用常規(guī)增氧與應(yīng)急增氧的方式進(jìn)行供氧。由于本系統(tǒng)為試驗(yàn)驗(yàn)證的小系統(tǒng)，所以常規(guī)增氧采用制氧機(jī)與增氧錐聯(lián)用工藝，應(yīng)急增氧采用液氧供氧方式。若是針對(duì)實(shí)際工況，需要將更加穩(wěn)定的液氧供氧作為常規(guī)供氧系統(tǒng)，使得養(yǎng)殖系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定。本系統(tǒng)根據(jù)“1.2.4”及“1.2.5”節(jié)所述，系統(tǒng)氧氣消耗量為250 g·h-1，增氧工藝出水要求須達(dá)到14.39 mg·L-1以上。因此，按照此參數(shù)對(duì)制氧機(jī)、增氧錐進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，增氧錐材質(zhì)選用316L不銹鋼，厚度2 mm，尺寸900 mm（φ）×2 130 mm（h）。

2.7 ?加藥工藝設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用投加NaHCO3的方式對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，NaHCO3的投加量為0.25 kg·kg-1飼料。根據(jù)計(jì)算，NaHCO3投加量為3 kg·d-1?；诖?，對(duì)儲(chǔ)藥桶及加藥泵進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，在此不再贅述。

2.8 ?其他

其余工藝還包括紫外消毒處理、溫度調(diào)控等，在此不一一贅述。其中，由于大西洋鮭為冷水性魚(yú)類(lèi)，因此溫控處理必不可少，在針對(duì)全年連續(xù)生產(chǎn)供應(yīng)養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)的經(jīng)濟(jì)模式下，在夏季進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，由于水溫過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致大西洋鮭的食欲不振，從而影響生長(zhǎng)[11]。

3 ?結(jié)論

養(yǎng)殖工船作為未來(lái)我國(guó)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的大型重要裝備，急需對(duì)其系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行全面攻關(guān)。而傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖方式的不環(huán)保性和對(duì)生態(tài)水體的沖擊性，已不再滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求[29]，因此循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)與深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖結(jié)合產(chǎn)生的船載艙養(yǎng)模式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的應(yīng)用符合我國(guó)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求。本研究在Timmos等[11]與張宇雷等[30]對(duì)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，確定系統(tǒng)循環(huán)量以及工藝設(shè)備的具體尺寸等參數(shù)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)匯總見(jiàn)表2。

本文對(duì)高密度船載艙養(yǎng)式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路提出了新的建議，為未來(lái)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船的養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較科學(xué)、完整的思路。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）