渔业水质调控技术
大连水产学院
Dalian Fisheries University
刘长发
liucf@https://www.doczj.com/doc/733494120.html,
海洋环境工程学院
农业生物环境与能源工程 环境科学 硕士点
第二章 养殖废水处理基本原理
第二章 养殖废水处理基本原理
渔业水质调控技术
第二章 养殖废水处理基本原理
本章教学目的
1、掌握水产养殖废水处理的基本原理 2、重点掌握沉降法、生物膜法处理水产养殖废水的原理 3、了解沉降理论、Stocks定律的推导过程 4、了解化学处理方法
本章重点、难点
1、物理学方法中的过滤、沉降理论 2、生物学方法中的底物降解、废水生物处理的化学 计量学和动力学 3、生物氧化反应、生物还原反应影响因素
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第二章 养殖废水处理基本原理
第二章 养殖废水处理基本原理
水产养殖系统产生的废物主要是养殖生物排泄的含氮化 合物、残饵及粪便中的含氮和含碳有机物。在这些废物 的存在形式包括溶解态和颗粒态，不同存在形式的有机 和无机废物可以采用不同的处理方法。 水产养殖中采用的常见的水质处理方法可分成三大类， 即物理学方法、化学方法和生物学方法。
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第二章 养殖废水处理基本原理
第一节 物理学方法
一、过滤
1、定义 在水处理技术中是指以具有孔隙的粒状滤料填充容器，使其 截留水中杂质从而使水澄清的工艺过程。
滤池通常设置于沉淀池或澄清池之后。其作用不仅可进一步降低 水中悬浮物，而且还可将水中有机物、细菌乃至病毒随悬浮物降 低而被大量去除，或使其裸露而易于被药物杀灭。 过滤滤池的型式有多种多样，一般以石英砂类物质作为滤料的普 通快速滤池历史最悠久。此后，为适应滤层中杂质截留规律，并 充分发挥滤池截留杂质的能力，发展了多种型式的滤池，如滤料 粒径沿水流方向减小的多层滤层滤池，其中包括双层滤料、多层 滤料和溯流过滤等。另外为减少滤池闸阀，便于操作管理，又发 展了虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池及其它自动冲洗滤池 等。但这些滤池的工作原理和工作过程都基本相似。
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2、过滤原理
滤层截留悬浮物的过程可解释为机械过滤、沉淀和接触絮凝作用等。 其主要过滤机理是 将滤料颗粒看作是接触吸附介质，滤料表面与悬浮颗粒间发生粘附吸着作用。
过滤效果取决于悬浮颗粒的表面性质，而无需增大悬浮颗粒的大小。水 在滤层孔隙中曲折流动时，将使悬浮颗粒与滤料之间产生更多的接触吸 附机会。近年来，根据这一理论，发展了采用多层滤料以提高滤速；低 浊度水进行直接过滤，即“接触过滤”或“微絮凝”过滤。当然在过滤过程 中也不能排除筛滤和沉淀作用，尤其是在表层滤料上。
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3、过滤过程描述
以单层砂滤池为例 经反冲洗后的水力分选，从上到下沿水流方向滤料粒径由小到大，滤料颗粒 间的孔隙度亦由小到大。 颗粒物被砂层截留的过程大体是 在悬浮物与滤料接触的同时，还存在着由于水流冲刷而使粘附颗粒从滤料表面 脱落的现象。颗粒与滤料的接触絮凝，主要取决于微絮凝体的表面特性及其强 度，而颗粒物从滤料表面脱落则取决于滤层孔隙中的流速。在过滤开始阶段， 滤层较干净，孔隙较大，孔隙流速较小，水中大量悬浮颗粒物首先被表层5～ 10cm厚的滤料所截留。随着过滤过程的不断进行，表层滤料孔隙逐渐减小， 孔隙流速增大，粘附表面积减小，表层滤料上的粘附颗粒脱落趋势增强，并向 下层推移，下层滤料渐次发挥截留作用。 由于表层滤料最细，表面积最大，截留的颗粒物最多，滤料间孔隙最小，过 滤一定时间后，滤料表层产生孔隙逐渐被悬浮物堵塞，甚至表层滤料产生筛 滤后形成一层滤膜，使过滤阻力剧增。结果，在一定过滤水头下，滤速将急 剧减小，或者滤层表面因受力不均使滤膜产生裂缝，大量水流从裂缝流出， 局部水流流速过大使悬浮物穿过整个滤层，从而不能起到截留悬浮颗粒物的 作用。因而滤池将被迫关闭。
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不同厚度滤层中截留固体废物的量将表现为下图中型式的曲线。
截污量，g/cm3 0 1 2 3 4 5
1 滤层厚度，cm 2 3 4 5
滤层中截留的污物分布示意图
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一般地，水中悬浮颗粒物在滤层中分布受多种因素影响，这些因素可能包括 进水水质、水温、滤速、滤料粒径及其分布、滤料形状、凝聚微粒的强度等 过滤过程中，由于滤层截留量的不断增加，滤层对水流的阻力将随之增大。
（1）等速过滤 过滤流量或过滤滤速保持不变的过滤过程。如无阀过滤和虹吸过滤。 在这种过滤过程中，滤层对水流阻力增加时，滤层上部水位随之升高，以克 服所增加的阻力，保持过滤流速基本不变。
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水头损失（Headloss） 水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量。 产生原因：边界对水流的阻力——外因； 液体的粘滞性——内因，也是根本原因。 水流阻力是由于固体边界的影响和液体的粘滞性作用，使液体与固体之 间、液体内有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力 必然与水流运动方向相反。 根据边界条件的不同把水头损失分为两类： 对于平顺的边界，水头损失与流程成正比的称为沿程水头损失，用hf 表示； 由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡 区而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。 对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即： hw＝∑hf＋∑hj
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“清洁砂层水头损失”或“起始水头损失”，表示为hO， 是滤器在过滤开始阶段，滤层较干净时的水头损失。 对于均匀滤料，即滤料粒径和形状均一，滤池的起始水头损失可由 Blake-Kozeny公式估算：
5 (1 ? m) 2 ? 6 ? ? l ?υ ? ? h0 = ? γ ? ? g ψ? d ? m3 ?
其中，
2
d——表示滤料粒径； ψ——表示滤料颗粒球形度系数，ψ=d0/di，为某一形状不规则颗粒 的粒径di与同体积球体直径d0的比值，可由下表中查得； γ——表示水的运动粘滞系数； υ——表示滤速； l——表示滤料层厚度； m——表示孔隙率。
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滤料颗粒的球形度系数和孔隙率
颗粒形状 圆球形 圆形 已腐蚀的 较锐利的 有尖角的 球形度系数 1.0 0.98 0.94 0.81 0.78 孔隙率m 0.38 0.38 0.39 0.40 0.43
自高廷耀. 1989. 水污染控制工程（下册）. 北京：高等教育出版社, pp48
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在实际情况下，由于滤料的非均匀性，滤料粒径自上而下逐渐增 大，整个滤池因此而分为若干层，假设层内颗粒粒径大体均匀，则 滤池的水头损失hO为各层的水头损失之和：
hO = ∑ hi
i =1
n
其中， hi——表示第i层的水头损失； n——表示粒径大体均匀的颗粒层数。
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随着过滤时间的推移，滤层的阻力逐渐增大。在恒定滤速下，增大 的阻力将导致水头损失增加，从而使滤池内水位上升，则此时的总 水头损失h为： h=hO+?h 其中， ho——表示起始水头损失； ?h——表示过滤t时间后滤层中水头损失的增加量。 一般地，?h与t之间有线性关系，如下图所示。
水头损失，m
α1 h0
?h
水头损失和滤速、滤池的工作周期有 直接关系。在滤池设计中一般取水头损失 h为1.5-2.0m。当过滤水头损失达到最大 允许水头损失时一个过滤周期即告结束。
0
过滤时间，h
水头损失h与过滤时间t的关系
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H
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等速过滤单层砂滤池中，导致过滤周期缩短的主要 原因 是滤料粒径沿过 滤水流方向逐渐增大。 若滤料粒径沿过滤水流方向逐渐减小，滤层中的水流阻力的增加将会减 缓，从而提高滤池的过滤周期。 由此逐渐发展了溯流过滤、双层过滤和多层过滤等，如下图所示。
水流方向
过滤层 1 过滤层
过滤层 1 过滤层 2
一般地，双层过滤的滤料组成是： 上层滤料的粒径大于下层滤料， 但比重小于下层滤料。上层滤料 层厚为30-50cm，下层滤料层厚 40-50cm。多层过滤通常为三层 过滤。同样，在三层滤料滤池 中，沿水流方向滤料粒径随之减 小，而比重随之增大。上层滤料 层厚40-50cm，中层滤料层厚约 30cm，下层滤料层厚约10cm左 右。 渔业水质调控技术
过滤层 2 承托层 溯流过滤 承托层 双层过滤
过滤层 3 承托层 三层过滤
反粒度水流过滤方式
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（2）变速过滤 过滤流量或过滤滤速随过滤时间增长而逐渐减小的过滤过程。如普通快速滤池 在这种类型的滤池中过滤水头（H）基本保持不变，只有滤速随时间的推移而 逐渐下降，单位时间进入滤池是水量亦随之减小。当滤速降低至允许限度时一 个过滤周期即告结束。
12
在实际生产中保持一定的过 滤水头是很难做到的，多数情 况下是水头既发生变化，滤速 又发生变化。
滤速，m/h
10
8
6
0
5
10
15 过滤时间，h
20
25
变速过滤过程中滤速随过滤时间的变化
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随着过滤时间的推移，滤层的阻力逐渐增大。在恒定滤速下，增大 的阻力将导致水头损失增加，从而使滤池内水位上升，则此时的总 水头损失h为： h=hO+?h 其中， ho——表示起始水头损失； ?h——表示过滤t时间后滤层中水头损失的增加量。 一般地，?h与t之间有线性关系，如右图所示。
水头损失，m
α1 h0
?h
水头损失和滤速、滤池的工作周期有 直接关系。在滤池设计中一般取水头损失 h为1.5-2.0m。当过滤水头损失达到最大 允许水头损失时一个过滤周期即告结束。
0
过滤时间，h
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水头损失h与过滤时间t的关系
H
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4、滤料和承托层
养殖系统中设置过滤池的主要目的是去除水中的悬浮颗粒物。 选择滤料应首先考虑以下要求： ①，足够的机械强度，以防止反冲时产生滤料的磨损和破碎现象； ②，足够的化学稳定性，以防止滤料与水或水中所含有的物质发生化学反应 产生有害物质； ③，适当的孔隙率和粒径分布。 （1）滤料粒度分级 表示滤料粒度分级的方法一般是：最大粒径、最小粒径和不均匀度系数K80：
K 80 =
d 80 d10
d80——筛分过程中通过80%重量滤料的筛孔大小； d10——筛分过程中通过10%重量滤料的筛孔大小， 亦称有效直径，一般为0.5-0.6mm。
一般地，K80≤2。这种粒度分级方法仅能用于生产，很少用于科学研究，其原 因一是分样筛孔径不均匀甚至不准确，二是未反映出滤料的颗粒形状。
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（2）滤料孔隙率的测定 方法是：取一定重量的滤料，在105°C下烘干称重后于过滤筒中用清水过滤 一段时间，量出滤层体积，然后用下式计算滤料的孔隙率m：
m = 1?
G ν ?V
G——表示滤料干重，g； V——表示滤料层体积，cm3； ν——表示滤料比重，g/cm3。
滤料层的孔隙率与滤料颗粒的形状、均匀程度和压实程度等因素有关。 粒径均匀和形状不规则滤料的孔隙率大。 （3）承托层 承托层的主要作用： 一是防止过滤时滤料流失； 二是在冲洗时起到一定的均匀布水作用。
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5、滤池反冲
反冲的目的是使过滤池在短时间内重新恢复过滤能力。一般采用的反冲方法是 冲洗水流方向与过滤水流方向相反，即自下而上的水流方向。在反冲过程中， 悬浮于上升水流中的滤料颗粒通过相互碰撞、摩擦及水流剪切力的作用洗去表 面的污泥，从而达到反冲目的。 （1）反冲强度 反冲强度是指单位面积滤层上所通过的冲洗水流流量或水流流速。 滤层膨胀率是指反冲时，滤料层膨胀后增加的厚度与膨胀前厚度的比值：
e=
L ? LO L
e——表示滤层膨胀率，%； LO——表示滤层膨胀前的厚度，mm； L——表示滤层膨胀后的厚度，mm。
滤层膨胀率对反冲效果的影响很大。膨胀率过下，滤料难以悬浮起来；膨胀 率过大，则不仅会增加反冲强度，而且会使上层滤料流失。膨胀率大小以截留杂 质的那部分滤料能够完全膨胀为最佳。根据经验，一般单层砂滤的滤料膨胀率 45%左右、双层过滤的滤料膨胀率50%左右最好。
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