前瞻性研究

3　前瞻性研究

3．1　自动投饵关键技术装备研发现状

在自动投饵装备的研制和使用方面，国外如挪威、美国、加拿大、丹麦、日本、爱尔兰、德国、意大利、智利等国普遍使用自动投饵装备，从饵料的运输、储存、输送以及投放都有精确的数量控制。值得一提的是，早在1986年挪威就有将自动投饵系统和音响集鱼系统结合使用在鳕鱼幼鱼养殖上的生产实践。加拿大Feeding Systems公司成功研制了适用于陆基养殖工厂和鱼苗孵化场的自动投饵系统，并为各种不同的养殖对象（如虾类、鳕、虹鳟、比目鱼、罗非鱼和鲇鱼等）分别开发出了不同的投饵控制软件。在自动投饵机和专用软件的配合下很好地提高了饵料的利用率。美国ETI公司生产的FEEDMASTER自动投饵系统在许多国家得到了推广使用。该系统的特点是对饲料颗粒基本没有机械损伤和热损伤，且具有很高的投饵精确性、可靠性和很大的饲料储存容量。FEEDMASTER自动投饵系统的投饵能力平均达到了100kg／min，最高可达250kg／min。该投饵系统的自动控制系统是基于PLC的，在PLC的基础上使用了PC作为人机交流的媒介，在PC上安装专业的投饵软件，可在软件操作界面上直接设置投饵参数，操作简便。每套系统可以附带2个以上的储料仓，以便为不同的养殖对象供应不同的饵料。

3．2　移动床生物滤器流态模拟试验研究

移动床生物滤器是目前国外循环水养殖学科领域的热点研究内容之一。其良好的氨氮处理能力、较低的能耗和简便的操作管理要求使得其在国内外都具有广泛的应用前景。2011年我岗位在移动床生物滤器方面的研究重点针对2个方面的内容：

（1）流速对于生物滤料挂膜效果的影响。

实验分别用0．15，0．25，0．35m／s的水流流速对内径为44mm的管状生物膜反应器进行水力冲击，观察4种不同生物滤料（图10）的挂膜情况。

图10　4种不同生物滤料

结果显示：4组对照中不同类型生物滤料上生物膜的附着厚度在同一水力条件下基本相同，但同种生物滤料的生物膜厚度则随着水力条件的变化而变化。以L1生物滤料为例，在反应器内流速为0．15m／s时，其附着生物膜厚度达到65μm，而当流速为0．25m／s和0．35m／s时，生物膜厚度则分别为32μm和20μm（具体数据详见表5）。实验结果表明，生物膜的生长情况与生物滤料的类型无关，但与滤料所处的水力情况有关，膜厚度随着水流速度的增大而减小。

表5　不同速度下滤料挂膜厚度对照

图11　滤料表面生物膜附着情况

（2）移动床生物膜反应器二维流态模拟。利用计算流体力学软件FLUENT对导流式移动床生物膜反应器流态进行平面二维模拟，在初始速度大小的选择上进行了多次模拟。结果显示：当曝气速度低于0．5m／s时，降流区的生物滤料移动速度仅为0．025～0．075m／s基本处于静止状态，严重影响该区域的自清洗效果；当曝气速度高于1．2m／s时，反应器中运动死角及滤料相对静止区域面积减小，但过快的流速会抑制生物滤料的挂膜。由此，结合前文流速实验的相关结果将模拟曝气速度优化为0．6m／s。此时反应器中最高有效流速0．3 m／s，最低有效流速为0．06m／s，涡流区域面积约占10%，可最大化的保证反应器的生物处理效率。

为验证模拟结果的准确性，本实验同时进行导流式移动床生物膜反应器的实际运行效果测试，填充率选择40%，在进水氨氮浓度为2mg／L，水力停留时间为15min，曝气速度为0．6m／s的初始条件下运行30天后反应器中L1型滤料内表面的实际平均挂膜厚度约为80μm，氨氮去除率达到了45%，水质净化效果良好。

图12　模拟速度矢量图

　　　　图13　模拟速度等值线图

3．3　旋涡式流化沙床生物滤器水动力特性试验分析研究

根据2010年在流化床实验过程中反映出来的一些问题，包括石英砂颗粒的筛选、环形布水腔结构的设计等等，2011年岗位依托所内的水体净化技术实验室的硬件设施重新构建了一套旋涡式流化沙床生物滤器水动力特性试验系统（如图14所示）。实验设置3组不同

图14　流化床水动力特性试验平台

粒径范围的石英砂，分别为30～40目，40～60目，60～80目，每组设置5个砂床厚度，分别为40cm、50cm、60cm、70cm、80cm和90cm。每个工况设置5个膨胀比，即50%，75%，100%，125%，150%，观察其流化状态，记录压降和流量的变化。初步试验研究结果如下：

（1）不同粒径、不同起始砂床厚度对流化床运行的影响。

在同一膨胀比下，随着石英砂粒径的增加，进水流速是逐渐增加的。当石英砂粒径在0．18～0．25mm时，砂床厚度高于40cm即能达到良好的流化状态，这可由肉眼直接观察得知，即在此工况下长径比要高于1．43。当石英砂粒径在0．25～0．425mm时，砂床厚度达到60cm时才能使膨胀比达到2．5，当低于此厚度时，随着流速的增加，砂床上下波动很大，即很难稳定下来，而且上升流中出现很多的漩涡，图15b中缺失的点代表无法达到此膨胀比，说明此工况下长径比要高于1．78。在某一设定的膨胀比下，当砂床厚度增加时，进水流速基本保持不变，说明进水流

速与砂床厚度是没有关系的。在同一砂床厚度下，随着膨胀比的增加，流速在逐渐增大，而且由图17a可以看出，当膨胀比在1．5～2．5时，流速与膨胀比是呈线性的。

a．石英砂粒径0．18～0．25mm

b．石英砂粒径0．25～0．425mm

图15　2种粒径范围下不同膨胀比时砂床厚度—流量曲线

（2）粒径和床层厚度对于压降的影响。

目前仅试验完成了60～80目颗粒在床层厚度40至120cm范围内对压降的影响试验。试验结果（图16）显示，流化床的压降和床层厚度呈线性相关，随着床层厚度从40cm增加到90cm，压降也从平均（2　532．64±211．5）Pa上升到了8　600Pa。从不同膨胀率的试验结果可以明显的看出，通过流化床的床层压降和膨胀率也就是和流速没有关系，仅和床层厚度以及颗粒直径相关。这一点从对于颗粒床层的受力分析中也可以加以印证。以整个床层作为研究对象，流化床流态化过程中的受力情况为，液体对颗粒的曳力＋液体对颗粒的浮力＝颗粒受到的重力，随着颗粒粒径的增加其所受的相对密度也相应增加，而浮力在床层厚度和膨胀率不变的情况下不会发生变化，因此要想使颗粒流化起来，液体对床层的曳力必须增加，即床层上下面所受的压差ΔP必须相应提高。其理论计算公式如下：

ΔpS＝HfS（1－ε_f）（ρs－ρ）g

式中，S为床层的横截面积，m²；Hf为床层的高度，m；ε_f为床层的空隙率；ρs为固体颗粒的密度，kg·m－3；ρ为流体的密度，kg·m－3。

图16　60～80目石英砂床层厚度对于压降的影响

（岗位专家　倪琦）