基于流量控制的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于流量控制的循環(huán)水養(yǎng)殖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 循環(huán)水養(yǎng)殖的核心是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculation aquaculture systems， RAS)，RAS是具有養(yǎng)殖用水凈化處理功能并能夠進(jìn)行循環(huán)利用的式廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，其特 征是通過物理、化學(xué)、生物等方法對養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的各代謝廢物進(jìn)行去除或降解，并循環(huán) 利用。RAS是一種高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過系統(tǒng)各構(gòu)成組件對養(yǎng)殖用水的分別處理，最多可以 使養(yǎng)殖用水的90-99 %被回收利用，這使精確控制養(yǎng)殖環(huán)境和水質(zhì)參數(shù)成為可能，從而達(dá)到 最佳養(yǎng)殖條件。
[0003] 但是，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)也存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、造價(jià)高、運(yùn)營成本高、運(yùn)營管理難度大等 制約因素。此外，水循環(huán)也導(dǎo)致較高的電力成本，并且的水再利用率越高，相應(yīng)成本增加也 越多。
[0004] 一般來說，RAS包括養(yǎng)殖池、機(jī)械過濾器、生物過濾器、水栗系統(tǒng)以及控制病原生物 的消毒設(shè)施等組成部分。由于RAS設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，目前只有少數(shù)國內(nèi)外科研單位及企業(yè)可 以提供全套循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是由于養(yǎng)殖單位人員缺少系統(tǒng)的循環(huán)水養(yǎng)殖理論知 識，用戶難以了解各種設(shè)備和設(shè)施的功能特點(diǎn)，操作維護(hù)難度大，且由于循環(huán)水養(yǎng)殖是高密 度集約化養(yǎng)殖，一旦出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行故障，造成的損失極大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對目前RAS運(yùn)營成本高的問題，本發(fā)明提出基于流量控制的方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè) 計(jì)，最大程度減少水循環(huán)能耗，降低運(yùn)營成本；針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)不易掌握，操作困難，現(xiàn)有設(shè)計(jì) 方法繁瑣等問題，提供一種基于流量控制的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝置及方法，其具有模塊 化設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)簡便，運(yùn)算過程簡潔，便于操作。將循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行模塊化分解，用戶 可以根據(jù)養(yǎng)殖生物特點(diǎn)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)，確定各模塊的參數(shù)，由工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)相應(yīng)模 塊，用戶組裝的方法構(gòu)建循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。由于用戶明確各組成部分功能、特點(diǎn)，也方便其 操作和維護(hù)。
[0006] 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝置采用基于流量控制的選型設(shè)計(jì)方法，計(jì)算裝置包括系統(tǒng) 供氧及流量參數(shù)計(jì)算裝置，機(jī)械過濾器參數(shù)計(jì)算裝置，氣浮池參數(shù)計(jì)算裝置，生物過濾器參 數(shù)計(jì)算裝置；首先根據(jù)養(yǎng)殖特性確定養(yǎng)殖基本參數(shù)，在裝置上輸入基本參數(shù)值，先通過系統(tǒng) 供氧及流量參數(shù)計(jì)算裝置，再通過機(jī)械過濾器裝置，再通過氣浮池參數(shù)計(jì)算裝置，最后通過 生物過濾器參數(shù)計(jì)算裝置，分別計(jì)算出各自的相關(guān)參數(shù)。
[0007] 選型裝置工作程序?yàn)椋?br>[0008] 步驟一、確定基本參數(shù)，首先要根據(jù)養(yǎng)殖品種和能力設(shè)定RAS控制溫度、最大養(yǎng)殖 密度、養(yǎng)殖魚平均體重、養(yǎng)殖池水深，養(yǎng)殖池總面積，然后計(jì)算出養(yǎng)殖水體總體積、最大生物 量，最大生物數(shù)量，最后根據(jù)養(yǎng)殖品種和擬投喂的餌料情況設(shè)定投喂率，計(jì)算出日最大投喂 量；
[0009] 步驟二、計(jì)算系統(tǒng)供氧及流量參數(shù)，通過最大生物量和養(yǎng)殖生物單位呼吸速率參 數(shù)計(jì)算出養(yǎng)殖生物系統(tǒng)耗氧量，再根據(jù)進(jìn)、出水溶氧濃度，計(jì)算出系統(tǒng)總流量；
[0010] 步驟三、計(jì)算機(jī)械過濾器參數(shù)，根據(jù)養(yǎng)殖生物消化率和最大日投喂量可以估算出 日固體廢物產(chǎn)量（P ss)，再根據(jù)系統(tǒng)總流量及日固體廢物產(chǎn)量計(jì)算出固體廢物平均日濃度， 估算出機(jī)械過濾器濃度指標(biāo)及合適的機(jī)械過濾效率，從而對機(jī)械過濾器進(jìn)行選型；
[0011] 步驟四、計(jì)算氣浮池參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)總流量和估算水在氣浮池停留的時(shí)間可計(jì)算 出氣浮池體積，根據(jù)日固體廢物產(chǎn)量以及機(jī)械過濾器的日去除固體廢物產(chǎn)量得到需氣浮池 去除的固體量，得到氣浮池效率參數(shù)，從而對氣浮池體積和效率進(jìn)行選型；
[0012] 步驟五、計(jì)算生物過濾器參數(shù)，根據(jù)餌料日投喂量減去氣浮池和機(jī)械過濾器去 除的固體量再結(jié)合餌料中蛋白質(zhì)含量、蛋白質(zhì)中的氮含量計(jì)算出總氨氮（TAN)的產(chǎn)生量 (P tan)，再根據(jù)估算日最大硝酸氮濃度計(jì)算出日補(bǔ)充水量，再結(jié)合出水總氨氮的濃度得出每 日生物過濾器需要轉(zhuǎn)化的TAN的量，再根據(jù)預(yù)期硝化速率R n計(jì)算出所需的硝化作用面積SN， 再根據(jù)選用的生物濾料比表面積得出生物濾料體積VBlC]fllni，而生物過濾器氧氣消耗量根據(jù) 總氨氮產(chǎn)生量得出，再可根據(jù)這一數(shù)值計(jì)算空氣充入量。
[0013] 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝置，在裝置界面手動輸入基本參數(shù)以及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)值參數(shù)： 養(yǎng)殖品種、養(yǎng)殖水溫、最高養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖魚平均體重、養(yǎng)殖池水深、養(yǎng)殖池總面積、最大養(yǎng) 殖數(shù)量、投喂率、養(yǎng)殖池進(jìn)水溶氧、養(yǎng)殖池出水溶氧、固體廢物估計(jì)百分比、機(jī)械過濾器效 率、氣浮處理時(shí)間、氣浮固體物去除率、飼料中蛋白質(zhì)含量、養(yǎng)殖水TAN濃度、養(yǎng)殖水最大硝 酸氮濃度、預(yù)計(jì)硝化速率、濾料比表面積、濾料深度，輸入裝置后，裝置內(nèi)設(shè)有公式運(yùn)算單 元，經(jīng)運(yùn)算輸出結(jié)果為養(yǎng)殖池水體積、最大生物量、最大養(yǎng)殖數(shù)量、日最大投喂量、養(yǎng)殖生物 耗氧量、系統(tǒng)流量、固體廢物產(chǎn)生量、機(jī)械過濾器過濾能力、總固體物平均流入濃度、總固體 物最高流入濃度、總固體物出水濃度、總固體物機(jī)械過濾器去除量、氣浮池體積、氣浮固體 物去除量、TAN產(chǎn)生量、系統(tǒng)補(bǔ)充水量、TAN生物過濾去除量、所需的硝化面積、濾料體積、濾 料所占面積、生物過濾器耗氧量，根據(jù)這些結(jié)果可對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)完成機(jī)械過濾器、氣浮 池、生物過濾器的選型設(shè)計(jì)。
[0014] 采用基于流量控制的選型方法，即先通過基本參數(shù)來先計(jì)算系統(tǒng)供氧及流量參 數(shù)，通過最大生物量和養(yǎng)殖生物單位呼吸速率參數(shù)計(jì)算出養(yǎng)殖生物系統(tǒng)耗氧量，再根據(jù)進(jìn)、 出水溶氧濃度，機(jī)算出系統(tǒng)總流量，之后根據(jù)系統(tǒng)總流量計(jì)算機(jī)械過濾器、氣浮池、生物過 濾器的參數(shù)而選型。
[0015] 其理論計(jì)算方法如下：
[0016] 基本參數(shù)確定，首先要根據(jù)養(yǎng)殖品種設(shè)定RAS控制溫度、最大養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖魚平 均體重、養(yǎng)殖池水深等參數(shù)，根據(jù)養(yǎng)殖能力確定養(yǎng)殖池總面積，然后計(jì)算出養(yǎng)殖水體總體 積、最大生物量（BM)，最大生物數(shù)量等參數(shù)，最后根據(jù)養(yǎng)殖品種和擬投喂的餌料情況設(shè)定投 喂率，計(jì)算出日最大投喂量。
[0017] 系統(tǒng)供氧及流量參數(shù)確定，養(yǎng)殖池內(nèi)的耗氧主要為養(yǎng)殖生物耗氧和水中自發(fā)性硝 化作用耗氧，在忽略養(yǎng)殖池內(nèi)的硝化作用耗氧前提下，為了保證水中溶氧供應(yīng)，系統(tǒng)流量可 以由下式計(jì)算：
[0018]
(I)
[0019] 式中：Qs--系統(tǒng)流量，L/day ;RMfsih--養(yǎng)殖生物氧氣總消耗量，kg/day ;CMirv? 水溶氧濃度，mg/L ; Cmkiut--出水溶氧濃度，mg/L。
[0020] 進(jìn)水口溶氧高低決定了養(yǎng)殖池溶氧供應(yīng)能力，一般情況下，該值設(shè)定在14mg/ L (28°C，200%飽和度），如需要更高的氧氣供應(yīng)量，需要使用純氧作為氧氣供應(yīng)源。CrociutS 養(yǎng)殖魚類呼吸后水中溶氧濃度，理論上，可以設(shè)置成養(yǎng)殖魚類最低要求溶氧濃度，但是為了 保證魚類快速生長，該值不能設(shè)置太低，一般設(shè)在5mg/L (28°C，70%飽和度）以上。
[0021] 養(yǎng)殖生物耗氧量可以簡單通過單位呼吸速率和養(yǎng)殖生物量計(jì)算得出：
[0022] Rnoflsh= RflshXBMX24X 10 6 (2)
[0023] 式中：Rfish--養(yǎng)殖生物單位呼吸速率，mg/ (kg · h) ;BM--系統(tǒng)最大生物量，kg ;
[0024] 其中養(yǎng)殖生物單位耗氧率可根據(jù)養(yǎng)殖生物的生物學(xué)特點(diǎn)確定。
[0025] 機(jī)械過濾器參數(shù)確定，機(jī)械過濾器可以去除RAS中由殘餌和糞便構(gòu)成的固體廢 物，高質(zhì)量的配飼料僅會留下極少的殘餌，而糞便的數(shù)量由養(yǎng)殖生物消化率決定，一般配合 飼料，可以形成20%~40%的固體廢物，根據(jù)這一比例和最大日投喂量可以計(jì)算出日固體 廢物產(chǎn)量（P ss)。進(jìn)入機(jī)械過濾器的總固體物濃度為：
[0026]
(3) Luuz/J χντ ^ssin--機(jī)械過濾器入水平均固體物濃度，mg/L ;PSS--固體物總產(chǎn)量，kg/ day ; Qs--系統(tǒng)流量。
[0028] 由于RAS養(yǎng)殖特點(diǎn)，固體物主要在投餌時(shí)和消化后集中產(chǎn)生，可以認(rèn)為固體物集 中產(chǎn)生時(shí)間為4h，因此在確定機(jī)械過濾器參數(shù)時(shí)，最大進(jìn)水SS濃度不能低于平均濃度的6 倍。根據(jù)上述流量等參數(shù)，進(jìn)行機(jī)械過濾器選型，并根據(jù)機(jī)械過濾器的過濾效率，可以計(jì)算 機(jī)械過濾器的固體物去除量：
[0029] Rmss - P ss ^ Emss (4)
[0030] 式中：Rmss--機(jī)械過濾器固體物去除量，kg/day ;Emss--機(jī)械過濾器效率，％。
[0031] 氣浮池參數(shù)確定，機(jī)械過濾器不能去除的細(xì)小固體物可以通過蛋白質(zhì)分離器、氣 浮池等設(shè)備進(jìn)一步去除，本文主要討論氣浮池。氣浮的效果主要依賴于氣泡的直徑、固氣 液比，固體表面活性物質(zhì)等因素。根據(jù)氣浮池設(shè)計(jì)要求，氣浮池的有效水深一般取2. 0~ 2. 5m，池中水流停留時(shí)間一般為10~20min ;可以計(jì)算出氣浮池所需要的體積：
[0032]
(5)
[0033] 式中：VF_ 氣浮池體積，m 3;t F_ 水在氣浮停留時(shí)間，min。
[0034] 氣浮池一般可以去除30%~80%的固體物，可以根據(jù)氣浮池的效率，計(jì)算出氣浮 池去除固體物的量：
[0035] Rfss - (P ss_Rmss) X Epss (6)
[0036] 式中：Rfss 氣浮固體物去除量，kg/day ;Efss 氣浮池去除效率，％。
[0037] 生物過濾器參數(shù)確定，生物過濾器是RAS的核心部分，其功能是將養(yǎng)殖過程中產(chǎn) 生的總氨氮（TAN)分解，從