内循环三相好氧生物流化床水产养殖污水净化装备的研究

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改革开放以来，我国水产养殖业发展迅速。从最初的水产养殖产量占水产品总产量的不足5％，到现在水产养殖产量占水产品总产量的74%，我国水产养殖业取得了巨大的发展。2014年，我国水产养殖总产量达到4762万吨，同比增长4.9%，继续保持强劲增长势头，水产养殖产量持续增产高产已成为我国水产养殖业发展的最显著特点。然而，在我国水产养殖业迅速发展得同时，也带来了许多问题，其中环境污染问题最为严重，大量水产养殖污水的肆意任意排放，导致江、河、湖、海等自然水域出现不同程度的水华、赤潮现象。水体富营养化、水质变坏、水产养殖病害扩散等问题已严重阻碍我国水产养殖业的发展。
　　为了解决这些问题，我国水产养殖模式开始不断升级，从最初的池塘养殖、浅滩养殖，到流水型养殖，到现在的网箱养殖、工厂化循环水养殖，我国水产养殖模式正逐步向高密度、集约化方向发展。养殖模式的升级不仅保证我国水产养殖产量持续高产增产，而且极大地缓解了环境污染问题。目前，以工厂化循环水养殖为代表的新型养殖模式正在全国各地推广。工厂化循环水养殖模式，是应用众多学科知识，结合水生生物的生长特点及其对水环境的要求而构建的一种高效、节水、不污染环境的工厂化养殖系统，该系统最大特点就是水产品养殖密度高、水体利用率高，容易利用有限的水域获得巨大的水产品产量。工厂化循环水养殖模式的核心技术是水体净化技术，该技术成功实现了养殖水体的循环利用，并对养殖污水进行净化处理，使其达到安全排放标准，避免了环境污染。工厂化循环水养殖模式虽具有众多优点，但从实际推广反馈来看，却未达到预期的高密度养殖效果，大多数水产品养殖工厂、养殖基地的循环水养殖池中，养殖密度仍停留在中、低养殖密度区间。究其原因，就是水体净化技术在技术发展上还有所限制，虽能达到理想化的养殖污水处理效果，但是运行成本及能耗过高，以高盈利为目的的养殖公司大多不愿花费成本对养殖污水进行循环处理，而是降低放养密度，减少养殖污水污物量，保证系统在低污水浓度下的处理循环使用。
　　生物流化床技术是一种新型的污水处理技术，已广泛应用于石油化工、生物医药、城市污水处理中，其显著特点就是污水处理效果好，成本较低，小型的生物流化床设备水力负荷及有机负荷较高，单位时间污水处理量大，目前，该技术在我国水产养殖领域的相关研究和应用还鲜有报道，但是，对于养殖污水的净化，该技术具有极大的发展潜力，是今后水体净化技术的一个重要发展方向。
　　本研究根据水产养殖污水净化相关要求，借鉴生物流化床技术在其他领域的研究、应用方法，利用CFD技术对气-液两相流化床反应器进行了结构参数分析，得到气液流态、气含率、液体循环流量最佳的反应器结构；以CFD分析结果为基础，试制反应器并构建系统，以GPPS颗粒为固载，进行了气-液-固三相流化床反应器水力特性实验及水产养殖污水净化实验。
　　本研究探究了内循环流化床反应器结构参数、表观气速对反应器液体流场、气含率、液体循环流量的影响规律；探究了操作参数对三相内循环流化床反应器气含率、循环时间、体积氧传质系数的影响规律；探究了操作参数对内循环三相好氧生物流化床养殖污水COD、氨氮去除效果的影响规律。
　　研究表明：内循环流化床反应器的内径比Dr/D是影响其流态的重要因素，Dr/D为0.5时，反应器获完全循环流态；液体循环流量随Dr/D的增大先增加后减少，随导流筒高度与反应器内径比H/D、导流筒到反应器底部距离H1的增大而增加，随导流筒到液面距离H2增大先增加后减少；气含率随Dr/D的增大先增加后减少，随H/D、H1、H2变化而没有影响。
　　气含率、循环时间T、体积氧传质系数Kla是内循环流化床反应器重要的水力特性参数。气含率随气体流量的增大而增大，随固载率的增大而减小；T随气体流量的增大而减小，随载体量的增大而增大，随水力停留时间HRT的增大而增大；KLa随气体流量的增大而增大，随载体量的增大先增大后减小，随HRT的增大而减小，当a=5%时，在最高气体流量和液体流量下，KLa达到0.0068。
　　反应器对养殖污水COD、氨氮的去除效果随a的增大而提高，随气体流量的增大而变化不大，随HRT的增大而增大。
　　当Dr/D为0.5、H/D为6、H1为（D-Dr）/2mm，H2为100mm，固载率在15%左右，水力停留时间0.5~0.75h，表观气速为2.355~4.71L/min时，反应器对养殖污水的净化效率较高且运行能耗较低。实验对于D=200mm的反应器，在该条件下运行，COD的去除率为30%，氨氮的去除率为72.3%，单位时间内水处理量为57.7L/h，运行能耗最低。
　　本研究旨在为今后生物流化床技术在水产养殖污水净化的研究应用提供设计借鉴和经验积累。

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作者
李源;
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作者单位

上海海洋大学;

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授予单位上海海洋大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名杨菁;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类鱼类繁殖设备;
关键词
水产养殖; 污水净化装备; 流化床反应器; 生物膜法;

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