臭氧水处理系统的设计与应用 9页

水产养殖臭氧水处理系统的设计与应用孙广明冯守明王德兴赵二伏李宝华天津市水产研究所前言我所自90年代中期以来，展开了臭氧在水产养殖中的试验与应用，主要进行了“内陆地区河蟹育苗水处理工艺”，“臭氧水处理系统在河蟹育苗生产中的应用”，“臭氧治疗细菌性鱼病试验”，“臭氧水处理技术在温窒养鳖中的应用”，“应用臭氧处理水培育中华绒螯蟹苗的试验”，“臭氧水对斑点叉尾鱼回受精卵孵化及幼苗培育的影响”，“臭氧、光合细菌综合生物效应对提高工业化罗氏沼虾育苗的应用”，“臭氧净化水培育单细胞藻的试验”，“臭氧在河蟹育苗规模化生产上的应用”等项研究与推广应用，取得了显著的经济与社会效益。经过多年的研究应用，其应用技术已趋于成熟。从众多的应用实例中得知，应用的实际效果与臭氧水处理系统的设计配套紧密关联，不同的养殖应用模式应与相应的水处理系统相配合。以求得设备配套的经济性，应用的合理性与优化使用模式。根据以往众多的试验与实际生产应用经验，提出水产养殖水处理系统的设计思路归纳出应用模式，使臭氧在水产养殖中的应用做的科学、合理与经济。图1臭氧水处理系统结构简图图1臭氧水处理设备的系统结构1臭氧水处理设备的系统结构与设备的配置1.1臭氧水处理设备的系统结构最基本的臭氧水处理系统应由臭氧发生装置与气水混合装置两个主要部分与一些辅助设施构成。其系统结构见（图1）所示：1.2臭氧发生器的构成与主要性能指标一台完整的电晕放电臭氧发生器，主要由放电室、高压电源和气源三部分构成。要选择高效适用的臭氧发生器，就必须对其性能指标有明确的了解。要正确选择与使用好臭氧发生器，使臭氧发生器高效运行，必须了解以下几个方面的问题。⑴臭氧发生器的额定臭氧产量与最大臭氧产量g/h；⑵额定臭氧产量下的臭氧浓度mg/l；⑶臭氧发生器的工作频率Hz；⑷臭氧发生器的臭氧产率kg/kW·h；⑸臭氧发生器的工作气源(空气，纯氧，富氧)。\n1.3臭氧水处理装置的构成臭氧水处理装置是完成臭氧对水体净化的重要设备，整个装置至少要包括2个部分，即臭氧气水混合及过渡保留。臭氧处理净化水的过程是在臭氧气体与被处理水的接触中完成的，因此臭氧气体能否与水做到充分的混合与接触直接决定与臭氧水处理的效果。表1臭氧投加量参考表处理水用途水源水质状况设定臭氧投加量mg/l水中臭氧浓度mg/l养殖、育苗好0.6～1.5小于0.01中1.5～2.5差2.5～4治疗鱼病好1.5～2.50.2～0..5中2.5～3.5差3.5～5消毒、净化好2.5～3.50.5～2.5中3.5～5差5～8目前应用比较普遍的臭氧气水混合装置，有鼓泡式接触塔或接触池。这种混合装置结构简单投资较少，有一定的应用优势，但是存在设备体积或占地面极大、混合效率受流程的影响，存在使用与控制不灵活等问题。射流式混合装置体积较小，使用起来灵活方便，但混合效率较低。近年来在国内有些单位采用尼可尼泵（旋涡泵）作为气水混合器，具有体积小混合效率高等特点。但是产品价格高，耗电多，应用范围受到限制，一般气体吸入量大于水量的7%时系统进不能正常运行。总之不同的臭氧气水混合装置都有各自的特点与优势，适用于不同的场合与应用模式，只能结合实际应用情况进行合理选用，才能达到最佳与最经济的应用效果。2臭氧在水产养殖中应用的几种模式2.1开式系统水质的消毒净化众所周知，养殖用水经过臭氧处理后水质得到明显净化。本系统主要由臭氧发生器与高效气水混合器组成，其基本结构如图1。对养殖和育苗的水源水进行消毒净化，该系统组合结构简单使用方便。臭氧水处理系统的进水口与供水水源相连接，作为养殖水源应经过沉降与过滤处理。由臭氧净化后的水可用于水产育苗、水产养殖、生物饵料培养以及用于养殖育苗池和其它器具的消毒，臭氧投加量和水中残余臭氧浓度参考表1数值。通常用臭氧处理后的水应放置2小时后，再用于养殖、育苗生产，应保证水中不再含有残余臭氧。对于要求严格的育苗生产用水，还有必要进一步进行深度处理，如果使用活性炭过滤后，就不会对生物产生任何有害影响。对于治疗鱼病用水，应使水中含有一定数量的残余臭氧，保证水体具有消毒杀菌能力。但是接受治疗的鱼，在含有残余臭氧的水体中的保留时间应该得到控制，因为不同的鱼类耐受臭氧的能力是不同的。\n对于消毒、净化用水，水中要保持较高的残余臭氧浓度。这样的水具有较强的杀菌净化能力，用于冲刷养殖池壁及需要消毒的器具，可以代替消毒药物，而且无毒无害不会产生二次污染。图2系统组合基本流程2.2闭式系统水质的消毒净化在当今水资源十分匮乏的条件下，工厂化养鱼作为一种新兴产业得到了迅速的发展。工厂化养鱼是在全封闭水循环条件下的高密度养鱼系统，在这样一个系统中能否改善和净化养殖水质，则是工厂化养鱼系统能否正常运行的一个十分重要的问题。在闭式循环水养鱼系统中加入了臭氧水处理环节，对水体进行强化处理，在保证鱼体正常生长，预防病害，提高成活率和鱼品质量等方面，不但是必要的而且是不可缺少的一个重要环节。闭式循环水处理系统的一般结构见图2所示。在闭式循环臭氧水处理系统中，必须增加物理和生物处理环节，曝气、沉降、过滤、生物净化都是必要的处理过程。通过曝气、沉降、过滤去除由养殖池排出的废水中的固体颗粒及悬浮物，再经过生物滤池降解水中的氨氮，最后经臭氧消毒净化后返回养殖池重复使用。在闭式循环臭氧水处理系统中，臭氧的投加量应得到有效的控制，根据实际运行经验臭氧投加量控制在（0.5～1.0）g/m3范围内比较合适。其一次处理臭氧总投加量，应保证将养殖水体完全处理一遍为宜。如工厂化养殖水体为100m3，一次处理的臭氧投加量应控制在（50～100）g。经臭氧处理后的水质一般可保持5～10小时，因此在闭式循环臭氧水处理系统中，每天保持用臭氧处理1～2次，就可以达到净化水质的目的。2.3微量臭氧在水质调控中应用经生产实践和试验中发现，在水产养殖水环境系统中投入微量臭氧，会对水质生态环境产生根本性的改善。经臭氧设备处理后的池水各项水化指标和生物指标明显优于处理前的指标，溶解氧明显增加，氨氮、亚硝酸态氮下降，水中浮游植物、细菌总数及弧菌总数都明显下降。每日经臭氧处理池水量达池总蓄水量6%左右，即按总水体计算当臭氧投加量达到0.04g/m3时，就可以有效降低水中细菌总数、弧菌数和浮游植物总数，增加溶解氧，降低氨氮、亚硝酸态氮。\n微量臭氧再水质调控中的成功应用，为在大面积池塘养殖中应用臭氧奠定了应用基础。本系统设备结构简单，主要由臭氧发生器与高效射流式气水混合器配套。高效射流式气水混合器应安置在池塘的一侧，距堤埝2.5～3m处平行安装。射流器安装在水面以下，距水面1.5m左右。系统工作时，由射流器产生的水流冲力，推动池塘水的对流循环，使处理后的水作到充分混合。微量臭氧在水质调控中应用的射流混合器，应具有大的水流量，和大的空气吸入量。3系统的设计与设备的选配3.1问题的提出与初步论证在水产生产中应用臭氧，首先应该对养殖系统进行论证与确认。要确定养殖生产方式，同时要对环境条件，水源及水源水质等情况有一个清楚的了解，对于臭氧水处理系统的设计和设备选用的人员，应对现场进行认真考察，在进行前期调研的基础上确定养殖模式和养殖规模。3.2初步设计的主要问题以养殖模式与养殖规模为基础依据，由养殖专家根据生产的目标与要求，确定出养殖模式，结合养殖规模计算出每小时臭氧的需求量。因此在初步设计阶段应明确提出以下几个方面的问题。⑴确定养殖规模及水体数量，换水次数，需要处理处理的程度即臭氧投加量g/m3；⑵完成水质处理要求需要的臭氧总量；⑶选择臭氧发生器以及所采用的气源；⑷臭氧气水混合对传质的要求和气水混合器的形式；⑸水的前处理与后处理的工艺要求；⑹水处理系统的费用估算。3.3主要设备的性能要求与选配原则根据初步设计的主要问题所提出的设备要求，进行设备的选择与配套。可以根据提出的数据要求选择市场现有的成品设备，也可以根据自身的设计与生产能力，自行设计与制作。不管采取什么方式，都一定要达到要求的质量标准。3.3.1臭氧发生器臭氧发生器是臭氧水处理系统的核心部分，在选购之前必须对其性能有充分的了解。一般来讲臭氧发生器臭氧产量g/h是我们选购是需要考虑的重要问题，但是我们必须要知道臭氧的浓度mg/l、臭氧的产率kg/kW·h、使用的原料气和工作频率Hz等重要参数。\n产量相同的臭氧发生器，臭氧浓度较高的具有较高的经济性能。使用空气为原料气时，最大产量时的浓度应高于20mg/l。使用氧气为原料气时，最大产量时的浓度应高于50mg/l。低于这个指标的臭氧发生器应慎重选用。臭氧发生器有工频（50Hz/60Hz）、中频（100Hz～1000Hz）、高频（大于1000Hz）三种类型，高频臭氧发生器具有较小的体积和较高的臭氧产率。3.3.2原料气与气体的制备常用的原料气体有：氧气、空气、以及含有氮、二氧化碳等惰性气体的含氧混合气体。由于产生臭氧的原料是氧气，一般臭氧发生器都以洁净空气或纯氧气为气源，因此气体中氧的含量、气体流量、气体露点，气体中杂质含量等因素，都直接影响设备的臭氧的产量和运行的经济性能。采用不同的气源，对臭氧发生器的系统结构，运行特性，经济性能以及应用范围都有较大的影响。因此，对原料气的性质进行分析，对合理、经济的使用臭氧发生器是十分必要的。⑴采用空气为气源。需要较大的投资，操作维护复杂，运行时要消耗电能。同时产生的臭氧浓度和臭氧产量较低，容易产生氮氧化物。用于大、中型臭氧发生器的供气。⑵利用富氧机生产氧气为气源。富氧设备需要投资，其费用高于空气除湿净化设备。小型机、中型机规格比较齐全。在中、小型臭氧发生器上应用有一定的优势。应用富氧机产生的臭氧，可以达到较高的浓度，臭氧产量一般是使用空气源的2倍以上。⑶使用商品氧气或液氧为气源。产生的臭氧浓度高，产量大，质量好，不会产生氮氧化物。在运行过程中维护简便，不消耗电能。在一般情况下，小型臭氧发生器采用瓶装氧气为气源，中型臭氧发生器采用液氧更为经济。3.3.3臭氧的传质与气液混合设备由臭氧的基本特性可知，臭氧在水中的溶解度比氧大13倍，但由于臭氧化气体的浓度很低，因此不易溶于水中被充分利用，而且臭氧的生产成本又相当高，所以必须设计高效气水接触装置，提高臭氧向水中传递的效果，以充分发挥出臭氧的效果。接触装置形式繁多，一般常用的有以下几种。⑴鼓泡式臭氧接触器。主要分为鼓泡接触塔和鼓泡接触池两种形式，结构特点是将扩散器装于底部，利用扩散气的微孔将臭氧化气分散成大量微小气泡，处理水可以顺流或逆流形式通过。此种接触器不论采用接触塔或接触池那种形式，水深最好保持在4m以上，以保持传质效率。鼓泡式臭氧接触器可是1级也可以多级串联，一般情况下气体流量应保持在水流量的10%以下。是目前常用的一种接触形式。\n鼓泡式臭氧接触器的臭氧化气体应保持一定的压力，在达到水头压力的基础上还要再增加300～500mmH2O的水头损失压力，否则若将会影响接触器的正常工作。此种接触方式耗电较低，但是微孔板容易堵塞造成布气不均匀。设备占据空间大，建设费用较高。⑵填料塔臭氧接触器。填料塔是立罐内装以填料，用来分散气流和水流，气流与水流逆流通过填料空间，从而完成臭氧的气水混合。填料体有较大的气液接触面积，传质好效率高，在正常运行条件下其效率可达95%～98%。虽然填料塔臭氧接触器有较高的效率，由于运行时耗能高，填料及设备价格昂贵，易堵塞，结垢后清洗维护困难，因此在水产养殖水处理方面很少应用。⑶射流式臭氧混合器。利用高压水通过喷嘴喷射后产生负压，将臭氧化气体吸入，在高速湍流的条件下进行充分的混合，具有较大的传质面积。射流式臭氧混合器具有结构简单，价格便宜，安装使用方便等特点。但是射流式臭氧混合器的工作状态不能改变，保留时间短，单独使用时尾气回收困难。此种方式适用于微量臭氧在水质调控中应用。⑷循环混合式臭氧气水混合器。根据水处理应用的实际要求设计出的高效率，使用方便的臭氧气水混合器，设备应具有较小的体积与有效的气水混合功能；在不影响混合效果的条件下水流量连续可调，臭氧投加量连续可调；在一定的条件下具有水渣分离功能。鉴于上述要求，整个系统的设计采用循环混合双作用结构形式，并获得了国家专利授权。几年来应用循环混合式臭氧气水混合器取得很好的使用效果，适用于中、小规模水产工厂化养殖和育苗生产，生物而料培养中应用，在观赏鱼水处理应用中也取得很好的效果。3.3.4臭氧的尾气处理臭氧在水处理应用过程中，不能做到百分之百的被水吸收利用，臭氧与水接触后排出的尾气含有一定量的剩余臭氧，若尾气中的臭氧浓度过高排入大气，有可能对环境与人员造成影响，有必要的话应该对尾气进行如下处理。⑴预臭氧化处理。将臭氧气液混合设备中排出的气体，重新投加到尚未用臭氧处理过的水中，即对水源水进行预处理，使排出的臭氧废气得到进一步的利用。这种方法应在水处理系统的设计时加以考虑，应增加一套臭氧的吸收混合设备。在水产养殖水处理系统应用时，可将射流式臭氧混合器安装水源蓄水池中，对水源水进行预净化处理，预臭氧化处理时水产养殖水处理系统中比较经济合理的处理方法。⑵稀释法处理。这是一种方便实用的处理方法，使用通风机产生的新鲜空气将含臭氧的尾气进行稀释。由于通风机工作时噪音较大，此种方法应用并不普遍。⑶\n热分解法处理。这种方法是通过加热来加速臭氧的分解处理臭氧尾气，这种技术实用比较广泛，但是尾气没有得到充分利用。⑷其他的处理方法。另外还有洗涤法、吸附法、催化分解法、吸附分解等多种尾气处理方法，不同的处理方法各有特点，可根据实际需要选择使用。3.3.5前处理与后处理的设备与设施一般的情况下臭氧水处理系统都要考虑前处理与后处理的设施与设备，开式系统水质的消毒净化的前后处理设施比较简单，前处理应对水源进行常规的沉降与过滤，保证有充足的水源供应。后处理应设置一定容积的水槽，其容积的大小应使处理后的水能有最少30分钟的保留时间。对于闭式循环臭氧水处理系统，结构与配置相对复杂。由于养殖用水需要循环使用，对于养殖池排出的水必须经过前处理。因此沉降、过滤、生物滤池和调温等设施必须配置。上述设施与设备技术基本成熟，可参考相关规范进行设计并选购。4臭氧水处理设备运行与控制臭氧水处理设备在水产养殖中应用是一个复杂的操作过程，在熟练操作设备正常运行的同时，还要根据水产养殖过程中的工艺要求，水化生物指标的变化对设备的运行状态进行调整。4.1臭氧对水质影响的前期试验在臭氧水处理设备正式运行之前，应进行设备运行状态与水质处理效果的运行试验。首先对水源水质的水化、生物指标进行检验，找出本底值。并检测出在不同臭氧投加时水质净化程度的一组数据，作为设备运行状态调整的依据。4.2人工控制与调整4.2.1臭氧发生器的控制。臭氧发生器一般由气源、高频电源、及放电室组成，氧气源供应恒定压力，流量可调节的纯氧气体。由高频电源向放电室供电，氧气经过放电室产生臭氧气体。臭氧发生器工作时，电源电压、工作电流、冷却水是否开启、冷却水温是否过热、氧气供气压力及氧气流量都是应该控制的工作指标，由人工按工况设定控制与调整。4.2.2气水混合器的控制。根据养殖工艺要求，事先设定好水体中的臭氧投加量，根据生产或试验的用水量调整水流量，根据水流量和臭氧投加量的大小计算出每小时投加臭氧的总量，以此为依据调整臭氧发生器的气体流量到合适位置。4.3智能化控制与调整\n智能化控制与调整以PLC可编程控制器为控制核心，一方面对臭氧发生器的工作状态参数进行监控，在非正常工作时报警提示，对设备进行有效的保护。另一方面，将不同的养殖模式工作状态经过判定与计算，将其数据编写成程序输入控制器。智能控制器为使用者提供一个旋钮为人机对话界面，只要使用者旋转旋钮指向需要的用途，编程器就会自动计算出优化的运行数据，并发出控制信号自动调整水流量与氧气流量，使水处理器在最佳状态下进行工作。5臭氧在水产养殖中的应用模式5.1开式系统水质的消毒净化的应用选用SB13—1型臭氧发生器与QT—15型气水混合器各1台，组成开式臭氧水处理系统，水处理器的进水端由室外储水池供水，在水处理器的出水口设置容积为10m3的储水槽，一般情况下处理过的水可以在储水槽中停留30分钟以上。使用者可在水槽中直接观察到处理过的水质状况，以随时调整设备的工作参数。该系统在热带观赏鱼养殖中应用效果十分显著，经养殖者的对比试验整个养殖期没有鱼病发生，鱼的成活率大幅度提高，同时还节约了大量的化学药物。5.2闭式系统水质的消毒净化的应用选用YN—10型臭氧发生器1台，XF—40型气水混合器各3台，组成闭式臭氧水处理系统，循环水处理系统的工艺结构由图2所示。系统配置与组合按照生产工艺的要求，配用3套射流装置用于臭氧混合与曝气，三组混合器总吸气量预计可达100m3/h，其混合水量为120m3/h。占总循环水量的1/3~1/5，基本满足净化水要求。采用我所YM10型臭氧发生器，具有体积小，结构紧凑合理，有较高的集程度和较大的功率密度。整个系统的前处理由过滤、沉降于生物滤池组成，由生物滤池排出的水经XF—40型气水混合器混合净化后，输送到高密度养殖池中循环使用。这套系统在工厂化养殖罗非鱼，南美百对虾工厂化育苗生产中应用都取得了显著的效益。5.3微量臭氧在水质调控中应用臭氧水处理设施的安装，采用原池水注入法进行池水处理，利用潜水泵将池水泵入气水混合器，进行臭氧和池水的混合，臭氧对池水产生的作用，然后将处理后的水再注入原池塘。2台射流式混合器出口朝同一方向，在局部可使池水朝一个方向流动，推动池水对流旋转。该系统应用在面积4242.12米2，平均水深1.8米，总蓄水量7635.82米3，石护坡，为锦鲤产后培育池，采用间断式开机法，控制开机时间及设备使用数量，从而控制处理池水的数量，对生物、水化指标进行比较。本试验证明，采用的臭氧水处理设备和处理方法对室外鱼池池水水质的改善具有明显的作用，当臭氧在水中添加量为0.67g/m3.h，池水日处理量占池总蓄水量6.3%左右时，可有效的降低水中细菌总数、弧菌数和浮游植物总数，增加溶解氧，降低氨氮、亚硝酸态氮。\n参考资料[1]王博君孙广明,,内陆地区河蟹育苗水处理工艺，《淡水渔业》，1998.28.5[2]刘颖刘国勇艾桃山,臭氧水处理技术在温室养鳖中的应用，《渔业致富指南》，1998.24[3]李宝华张素青叶红梅,臭氧对海水育苗中水质理化指标的影响，《现代渔业信息》，1999.5[4]陈惠彬等,臭氧、光合细菌综合生物效应对提高工业化罗氏沼虾育苗的应用，《现代渔业信息》，1997.12[5]朱福庆冯守明等,河蟹臭氧水育苗正交试验，《海洋科学》，1999.7[6]李宝华等,臭氧水对单胞藻的培育试验，《内陆水产》，1999.8[7]王博君等,臭氧在河蟹规模化育苗生产上的应用，《内陆水产》，2000.2.25[8]朱福庆等，利用臭氧处理水培育中华绒螯蟹苗的试验，《天津农学院学报》2000.3[9]冯守明等，QT—20型臭氧水处理系统在河蟹育苗生产中的应用试验报告，《天津水产》，1999.4[10]李宝华等，臭氧水对斑点叉尾鱼回受精卵孵化幼苗培育的影响试验，《天津水产》，2000.1[11]孙广明李宝华李汉忠，臭氧特性及对水质的净化作用，《渔业现代化》，2000.8[12]孙广明王德兴赵二伏，臭氧发生器原料气选用及应用效果分析，《天津水产》，2004.1