华南理工大学博士研究生中期文献综述

华南理工大学博士研究生中期文献综述 文献综述 (水车增氧机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移研究进展) 研 究 生: 吴光林 指导教师: 朱良生 学 号: 200910101426 学 院: 土木与交通学院 专 业: 船舶与海洋结构物设计制造 二零一零年十二月 水车增氧机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移研究进展 吴光林 摘要:较详细地回顾了水车式增氧机应用于水产养殖水域和污水处理池曝气的研究进 展。主要包括下列几方面的内容:水车式增氧机的应用情况和诱导水流研究进展;水车 式增氧机曝气机理研究进展;水气两相流流型及 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 技术研究进展;水车式增氧机曝气 水池悬浮颗粒迁移机理与特性研究进展。结果表明:需要结合现代先进技术对水车增氧 机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移的机理和特性开展研究，以建立精确的数值模型用以模 拟水池的溶解氧含量及悬浮颗粒物的时空演变(分布)。 关键词:输氧;悬浮颗粒迁移;曝气水池;水车式增氧机 Review on Mechanisms and Characteristics of Oxygen Transfer and Suspended Solids transport in a Water Pond Aerated by Paddle-wheel Aerators Wu Guanglin Abstract: Study progress of paddle-wheel aerator used in aquaculture water ponds and aeration wastewater ponds is reviewed in this paper. The main contents of this review are: Application of paddle-wheel aerator and pond circulation induced by aerators; the aeration mechanism and characteristics of paddlewheel; water-air two-phase flow patterns and their measurement; the mechanism and characteristics of suspended solids in the paddlewheel-induced circulation. The result show that it is require to study the mechanisms and characteristics of oxygen transfer and suspended solids transportation with recent technology in order to establish a fixed mathematical model for simulation study on temporal and spatial evolution of dissolved oxygen content and suspended solids in the water pond. Key words: oxygen transfer, suspended solids transportation, aeration pond, paddle-wheel aerator 1. 引言 水产养殖水域的主要类型有天然水域和人工水域;天然水域包括海湾、海洋、湖泊、 江河、水沟、天然池塘等，人工水域包括人工养殖池塘、人工养殖水槽等。人工高密度 养殖已成为水产养殖的主要形式，综合考虑经济效益和社会效益，特别是顾及环境效益， 越来越多地采用封闭式池塘，采用定期换水或循环水系统等方式对和外界进行水体交 换。养殖池塘水环境是一个复杂的物理-化学-生物过程。对于进行高密度养殖封闭式养 殖池塘，必须对其水质进行有效调控，以提供养殖生物的成长所需的水环境。养殖池塘 水环境的研究已有较丰富的研究成果，但较集中于化学过程与生物过程，特别是以水质 指标为主要的研究对象开展的监测与研究是该领域的热点。上述研究大多未深入考虑水 环境中的物理过程及物理过程、化学过程、生物过程的相互作用。在应用增氧设备的养 殖池塘，其曝气过程中的气-水交换原理，形成的水流结构、流型对悬浮颗粒物(特别 是残余饵料和养植物)运动的影响;微生态制剂在动水环境中的性能等问题都涉及养殖 池塘水动力。 增氧机也叫曝气机(aerator)，主要用于池塘、湖泊、江河的曝气增氧，改善水质。 水产养殖增氧机类似于污水处理增氧机。但污水增氧机一般都比较昂贵，水厂养殖增氧 机在污水增氧机的基础上进行改进，价格较便宜。各种形式的机械式增氧机(见图1- - 1 - 图7)在水产养殖池塘都有应用，其中垂直泵式(vertical pumps)、水泵喷雾式(pump sprayers)、涡轮吸气式( propeller-aspirator-pumps)、水车式(paddle wheels)和充气式(diffused-air systems)比较常用;而重力式增氧机(gravity aerators)、管嘴式增氧机(nozzle aerators)、和纯氧增氧系统(pure oxygen contact systems)仅用于鱼类和甲壳类动物精养水沟和精养水槽。 图1-1 垂直泵式增氧机图 1-2 喷雾式增氧机 Fig.1-1 A vertical pump aerator Fig.1-2 A pump sprayer aerator 图1-3 涡轮吸气式增氧机图 1-4 射流式增氧机 Fig.3 A propeller-aspirator-pump aerator Fig.1-4 A jet-flow aerator 图1-5 滑片式微孔增氧系统 图1-6 水车式增氧机 Fig.1-5 A micropore aeration system Fig1-.6 A paddle wheel aerator - 2 - 图1-7 充气式增氧系统 Fig.1-7 A diffused-air aeration system 由于水车式增氧机诱导水流和增氧效果好，在水产养殖池塘中得到广泛应用。本文主要对应用水车式增氧机增氧的人工封闭式养殖池塘水动力研究进行综述。并介绍作者进行的一些数值模拟工作。 2. 水产养殖池塘水车式增氧机诱导水流研究进展 2.1 概述 采用增氧机增氧是改善虾池水质最为普遍、最有效的措施，常用的增氧机有涡轮式增氧机、射流式增氧机、转筒式增氧机、喷水式增氧机、水车式、推流吸气式、叶轮式等，虽然结构形式各异，但目的都是一样的:通过机械的方法，使缺氧的水体增加溶氧量，为对虾等生物提供有利的生存环境。最为常用的有叶轮式和水车式两种，在我国华南地区水车式增氧机的应用正日趋普遍。 增氧机增氧的基本原理是:增氧机增氧主要是通过物理方法将大气中的氧分带入水体，从而增加水体的溶氧量(DO)，通过池水对流和扩散将氧输送到全池，以满足对虾及其他生物对溶氧量的需求。大量试验表明，最低DO值应为0.3,0.4mg/l。因此，增氧机所消耗的能量不仅用于增氧本身，还要用于形成并维持池水的流动。 水车式增氧机的工作原理:水车式增氧机通过叶片打击水体，一方面将下层水提升，直至水体破碎成水花，抛溅到大气中，增加溶氧量后靠重力作用回落到池水中;另一方面推动池水流动，形成环流，将溶氧充足的水体输送到虾池各处，形成比较均匀的溶氧量分布。 环流与增氧效果:不同增氧机对黑臭河道水体增氧试验表明，无论是河道水体增氧效果、CODcr、NH3-N去除效果，还是河道菌—藻生态系统的建立、自净能力的启动，水车式增氧机均优于其它两种增氧机，而且存在投资少、安装维护方便、运行费用低等优点。而有关水车式增氧机应用于虾池的研究仅仅停留在初期的定性探讨。增氧机的性能指标主要有两个:增氧能力和动力效率。增氧能力是指单位时间对水体增加的氧量;动力效率指单位能耗对水体增加的氧量。 水车式增氧机的最大特点就在于使池水形成了环流，从而在一定时间内可使全池DO值趋于一致。环流的形成与维持都需消耗一定的能量，这是由水的粘性本质决定的。池水的流动是复杂的，主流是环流，在转弯出还会产生回流，这类流动并没有现成的模 - 3 - 型可以采用。 环流促使DO分布均匀化，其压力分布有利于虾池中心集污的实现。在实际应用中，遇到的问题可以简略地归结为:增氧机的布置方式对增氧效果的影响，增氧机的布置方式对中心集污效果的影响;这两个问题都与虾池环流密切相关。 2.2 理论与试验研究进展 Gary L. Rogers(1989)菲克定律(Fick’s Law)计算增氧过程的氧气输运(oxygen transfer)。指出水车式增氧机主要有两方面的作用，即:曝气增氧(aeration)和诱导水流(circulation)，每一方面在水产养殖池塘动力学中都很重要。曝气或增氧提供支持养殖生物生存的充足的有氧条件和改善水质。另一方面，环流虽不直接对水体供氧，但会影响到氧气在水体中的重新分配和传输。对于防止池塘土壤老化和保持水质，两者都是必要的。因此，应协调曝气和环流两个方面，合理分配机械功率，使得池塘水体各成分垂向分布，水平分布都比较均匀，才能提供最佳的养植物生存条件，促进生长，提高产量与质量。 Claude E. Boyd(1998)对水产养殖池塘的机械增氧基本原理、增氧机的类型、增氧机的性能测试并对各种测试结果进行了比较;提出了水车式增氧机的改进思路;对增氧机在养殖池塘中的应用，从养殖产量、增氧机安装、开关机时段进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ;对于水车式增氧机诱导水流(water circulation in ponds induced by paddle wheels)，水产养殖学家们一致认为是有益的:水循环阻止池水产生热分层与化学分层现象(thermal and chemical stratification)，使得全池水体都适合养殖动物栖息生存，消除深水池塘严重变质(overturns)的风险;水循环使水体沿着池底流动，有助于保持泥-水界面处的溶解氧浓度，适合生物生存;池水环流设备产生表面湍流，提高曝气率;水循环还可以使得表层富氧水体(oxygen-enriched surface waters)与深层水体混合，促进水体溶解氧浓度(dissolved oxygen concentration)分布均匀。 很多学者(e.g. Fast et al.,1999; Ahmad and Boyd， 1988; Rogers and Fast, 1988)对不同背景条件的增氧机的复氧功能(reaeration function)进行了研究，而环流功能则没有收到研究者的重视。 增氧机诱导水流(Aerator-driven/induced circulation)的研究概述如下: Price etal. (1973) 应用流量计测量了离水车式增氧机一定距离的水流速度分量; Shell (1979) 测量了涡轮吸气式增氧机诱导水流的流量; Boyd and Martinson (1984) 在试验池中通过染色进行了混合率试验， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了很多采样点的染色平均发散的时间历程。Boyd and Stone(recited in Boyd and Watten， 1989) 在水车式增氧机诱导水流的矩形池中采用塑料瓶做标记，研究增氧机放置的合理位置。水产养殖池塘的水动力性能深入研究主要涉及以下几个方面:相应的流体力学理论方法、沉积物(包括残余饵料)水动力性能、池底剪应力、增氧机诱导流场的流量计算、流场分布对水质及浮游生物的影响。 池水分层会严重恶化池塘底部水质，打破生态平衡，造成养殖生物崩溃;应避免分层现象出现。Oswald (1978) 曾指出阻止池水分层(stratification)所需的最低流速为5 cm/s(0.16 fps)。 废水处理试验结果建议保持沉积物悬浮(keep sediment in suspension)所需的的流速为15.2 cm/s (0.5 fps)。在池塘中，为移除废物和提供氧气扩散以改善池底水质，合适的水流中间值约为7.6 cm/s(0.25 fps) 。 E. L. Peterson(1999，2000)对池塘水动力进行了观测，回顾并详细分析了池底沉积物的种类及其水动力特性。研究表明，环流与混合对于池塘沉积物和水体健康状况比较重要。底部剪应力(Benthic shear stress)是沉积条件的基本控制因素，是底部沉积物 - 4 - -水体界面氧气等易挥发物质传输的控制条件，是固体颗粒物翻滚、跳跃、停顿、结合的基本决定因素。小颗粒的典型剪应力取决于自身密度而非尺寸。过大的剪应力会使得有机物质嵌入低剪应力区域的沉降物中，快速消耗大量的氧气，产生厌氧土壤。池塘曝气增氧和环流的目标应该是优化养殖生物的成长条件，兼顾节约能量和土地资源。通过将有机物质和矿物土壤混合(intermixing)来控制底部剪应力，可以在不改变环境状况的情况下，使有机碎屑再悬浮和氧化(resuspension and oxygenation)。预期良好的底部 2剪应力为 0.003–0.03 N/m ，这个区间有机物质可维持好氧状态;低于0.001 N/m2会导 2致淤积，高于0.1 N/m会导致冲刷。过量养殖和过度喂食(excessive stocking and feeding)会降低池塘养殖生产年率，因为这样必须配备较多的增氧设施，导致池塘环流流量过大，池底剪应力过大。 国内对环境水动力与水环境的研究多集中于海湾、污水处理池、河流、湖泊，对尺度相对小的水产养殖池塘水动力的研究报道较少。吴光林等(2005)对虾池中水车式增氧机诱导水流进行了水动力分析，阐述了虾池转角漩涡、沿岸回流及二次流的产生原因，并指出二次流是上下层水流交换与悬浮物向池塘中央汇聚的主要原因。孙大川(2006)研究了循环水养殖系统中悬浮颗粒物的分布、迁移规律。指出:旋转水流产生的向心力对鱼翅内的悬浮颗粒物有良好的聚集效果，并可以随水体交换从中心排水管转移出鱼 333池;在10m养殖实验池中水流量11-12m/h时集污效果最好，流量为7.5-8m/h集污效果下降，为防止悬浮颗粒物积累与碎裂，应及时将残余饵料和粪便排出水池。 2.3 数值模拟研究进展 从文献记录的情况看，增氧机诱导水流的数值试验(numerical test)很少见于报导。 Wood et al. (1995)用商业通用CFD代码对废水氧化池水交换进行模拟，他们首先在忽略底部摩擦效应的情况下，模拟了二维层流问题。Wood et al. (1997)应用标准k-,湍流模式对工业废水池换水进行了三维模拟，采用染色示踪方法(using a tracer dye)进行了试验，对模拟结果的有效性进行验证。 有些文献介绍了养殖池塘中增氧机诱导水流的CFD模拟方法，并考虑到水流对岸与底部沉积物的影响。Peterson (2000)在配备2台水车式增氧机和4台涡轮吸气式增氧机的高密度养殖池塘进行了流速分量的测量，池塘底面积为1亩，平均水深1.2米。Peterson (1999a) 将AUTOPOND 方法应用于对软件包FIDAP(fluid dynamics analysis package)的开发，使其适用于池塘水动力过程模拟;并将模拟结果与实测数据进行比较，表层与底层的流场结构都与实测值吻合良好。方法和计算机源代码详见Peterson (1999a)的学位论文。FIDAP 详见FDI (1993， 1995)。Peterson等(2000)应用三维数值模型对六增氧机虾池的流型(flow structure)进行了模拟;其控制方程基于三维雷诺方程，雷诺应力项采用k-,模式，控制方程采用有限元法进行离散。 Y. H. Kang et al. (2004) 研究了高密度养殖矩形池塘的增氧机诱导水流。由于在韩国的广泛应用和实用高效，他们主要研究水车式增氧机。应用流量计测量流场结构并与分析结果对照。模拟采用了Falconer et al.(1991)的数值模型，在实测的基础上对质量修正因子(mass correction factor)和无量纲涡黏常数(dimensionless eddy viscosity constant)进行了校正。研究结果表明，计算方法效率较高，流场结构与实测值比较符合。 国内对环境水动力与水环境的数值模拟研究也多集中于海湾、污水处理池、河流、湖泊方面，对尺度相对小的水产养殖池塘水动力数值计算鲜见于文献。吴光林等(2005)利用ANSYS软件的FLOTRAN CFD进行数值计算，获得与理论分析一致的结果，与现 - 5 - 场实际情况吻合。并进一步对虾池环流的流动阻力进行分析，指出流动阻力的影响因素，提出了减阻措施。吴光林(2006)对水车式增氧机在虾池中的布置方式对水流影响进行了研究。基于FEPG软件，对N-S方程采用有限元法进行离散，通过算子分裂法开展数值模拟。结果表明:水车式增氧机具有良好的产生环流的作用;正方形虾池增氧机布置方式的对溶氧量分布、中心集污效果影响很小;矩形虾池增氧机布置方式的影响很大;水车式增氧机用于圆形虾池可获得很好的效果;水车式增氧机应用于三角形虾池的效果不理想;复杂形状虾池宜并用两种增氧方式。 2.4 讨论 综上所述，水产养殖水池水车式增氧机诱导水流的研究在国际上已有较多的研究，但也存在需要进一步完善的方面。我国水车式增氧机的应用研究还属于起步阶段，大量工作尚未完成。主要体现在如下领域: 1)理论与试验研究方面 传统的曝气增氧理论关注的大面积气水界面的氧气传输，多应用双膜理论和菲克定律，大气中水雾状态下气水传质问题与大面积气水界面存在差异，这方面的理论与试验研究对增氧效果的理论计算和数值计算都是非常重要的。 诱导水流流量计算。增氧机的有效功率一部分用于垂向的水体提升与雾化，另一部分用于诱导水流流动，由于在自由的气水界面处，流动极其复杂，既不适用于射流理论，也不是一般的明渠流动。因此，增氧效率与诱导水流流量的计算方法需要进一步研究;在此基础上可对曝气增氧和诱导流场在动力效率的匹配问题进行分析，结合大气中水雾状态下的传质理论，进一步探讨氧气传输和水动力耦合的计算方法。 进一步研究悬浮颗粒在动水环境中的物理性能和运动规律，环流对生态环境的优化作用，对生物习性的影响，适当考虑化学过程及生物消长规律，采用合适的水动力理论和较精确的水环境物理-化学-生物机制，建立池塘水质-水动力耦合机制。 对两种或多种增氧机并用开展研究。不同类型的增氧机各具优势，在一个池塘中合理布置不同形式的增氧机可以优化增氧效果和养殖池塘的水流结构，更好地改善水环境。 2)数值模拟研究方面 在养殖池塘水环境数值模拟方面，诱导水流的模拟是基础。CFD研究的进步，为养殖池塘水动力数值模拟奠定了较好的基础，但水车式增氧机诱导水流的边界处理仍然具有特殊性，需在理论与实验研究的基础上进行完善。 养殖池塘水质模型是一个涉及大量参素的问题，随着计算技术的进步，计算机运行速度的提高，存储容量的增加，可以对这一问题进行更为细致的研究。包括考虑更多的因素、进行三维的模拟、考虑边界层以及采用湍流模型，考虑底摩阻对流动的影响等。 事实上，文献中记载的数值计算，都是稳态的，也没有考虑悬浮物、水质和水动力的耦合关系，因此还有大量的研究工作需要开展。 3. 增氧机的增氧机理研究进展 水车式增氧机分为单车式和复车式两种， 单车式增氧机是电机通过传动系统(减速器) 带动一片车叶运转。叶片拍击水面翻水， 发挥车叶的机械击水， 搅水作用。双车 - 6 - 式增氧机是多车叶(三车叶)同时同速转动， 效果单车式优于多车式。车轮直径是300,800mm。电机功率015kW等， 车叶转速90,130 转。动力效率019,1132kg/ kw1h。水车式增氧机的特点: 结构比较简单、造价低， 浅水池塘增氧效果好。只能搅拌水面附近， 能形成直线方向的水流， 适用于养鳗、对虾等水体较浅的池塘。增氧机工作时， 主要是利用空气中的氧和池塘本身的溶解氧进行增氧， 其工作机理主要有下述几个方面。 1)水跃 增氧机工作时产生的水跃主要是增加水与空气的接触时间和接触面积， 同时涌水下落时的重力拍打水面， 使得水分子之间增加压力， 从而克服液气界面的阻力， 有利于氧气向水中渗溶。因而提高水跃高度是提高增氧机效率的途径之一， 即所谓重力增氧机理。 2)液面更新 增氧机的提水作用使得气水界面不断更新将底层缺氧水提到液面与空气充分接触， 水面激起的波浪形成水幕裹入空气， 从而扩大气液界面的接触。液面更新的频率越高则增氧效果越好， 因此， 提高增氧机的提水量可有效增加增氧机效率， 即液面更新增氧。 3)负压进气 有的增氧机是靠水体流通内产生负压带入空气， 从而使得空气和水体有效混合， 增加渗溶面积和速度达到增氧的目的。提高进气量和减小气泡粒度是流水养殖用增氧机的主要途径， 即负压渗溶增氧。 4)暴气还债 增氧机工作时搅拌、践飞池塘水体， 把水中的NH3 、H2S、CO2 、SO2 、CH4 等有毒气体逸出， 在暴气作用同时提升底层水体， 使得池底有机物上升到表面分解。把所需长时间有机物分解消耗的氧债迅速补清， 减少池塘有机物耗氧可有效预防池塘水体缺氧。即所谓暴气增氧还债。 5)借氧储备 在夏季晴天昼日池塘中溶解氧有时可达到过饱和， 增氧机提升底层水体， 在不搅动上层水体的条件下， 可把上层富氧水压致底层， 作为水生生物有机物质分解耗氧的储备。这样就可减少增氧机工作时间。 4. 水气两相流流型及检测技术研究进展 根据国内外关于两/多相流参数检测技术的最新研究进展，两相流参数检测技术的发展趋势和今后研究方向可归纳为以下几个方面。 1)成熟的单相流参数检测技术与测量仪表应用于两相流参数检测仍是受到普遍重视的一个重要研究方向。 2)借助于各种新技术(激光技术，光谱技术，微波技术，核磁共振技术，全息技术，新型示踪技术等等)的发展，研制高灵敏度，高准确度和高可靠性的两相流传感器和参数检测仪表。 3)随着计算机技术和图像处理技术的发展，应用过程层析成像技术，获取两相流 - 7 - 体系二维、三维时空分布信息，对两相流局部空间区域进行微观和瞬态的测量。 4)完善与推广目前已有相当基础的相关法和激光多普勒法等检测技术的应用。 5)两相流动过程是一个复杂的多变量随机过程。随着随机过程理论和信息处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、过程辨识、参数估计和模式识别等理论和技术，进行两相流参数估计的软测量方法将成为一个很有前途的研究方向。 6)对两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数的提取、对时变性的自适应能力和动态跟踪能力等的基础理论研究以及两相流参数校验标定手段和误差分析等的基础方法研究正逐步受到关注。 4.1空隙率测量方法 空隙率是气液两相流系统的关键参数之一，它对确定气液两相流系的流型、气液分相流量以及管道中的摩擦压降、重力压降和惯性压降等着重要作用。同时，两相流空隙率的在线测量可为两相流混合物平均密的求取、流量和压力梯度的测量、管内流动状况的分析等提供依据。目测量空隙率的方法主要有两类:一是通过理论推导和实验研究方法得出模型预测法;二是通过快关阀法、射线法、电学法和光学法等各种检测术获得空隙率值。另外，过程层析成像技术也是空隙率侧量的一种新方法。 4.1.1模型预测法 空隙率的模型预测法是一种从理论上求解空隙率的方法，其基本点是利用两相流的基本方程，在一定的假设条件下，通过理论推导和实研究得到空隙率的测量模型。其中比较常用的方法是:假设两相流体的流动符合均相流模型，气相和液相间无局部相对运流通截面上速度分布和空隙率分布在半径上的变化服从指数规律。由于模型预测法往往假设两相流体在某特定理想工况下流动，有各种条件，这些限制条件的不同导致空隙率预测模型及其适用范围的不同时，通常情况下，空隙率预测模型是其他物性参数和流动参数的函而其中有些参数和空隙率一样难以获得。这都导致了空隙率模型预测使用受到一定的制约。 4.1.2快关阀法 快关阀法是最常用的直接测量气液两相流空隙率的方法。在气液两相试验段的两端安装两个同时动作的快关阀，当气液两相流的流动达到稳态，同时关闭这两个阀门，然后，通过气液分离便可求出两阀门间的流体积平均空隙率。关阀法准确、快速，可用于实验室的两相流研究和对空隙率侧量装定。但是，快关阀法在使用时要切断流体的正常流动，因此，不能在线、实时的测量，同时也不易在实际工业生产中应用。 4.1.3电学法 电学法是测量空隙率的重要方法之一。根据侧量元件结构形式同，电学法可分为电阻抗法、电导探针法和电容法。在应用电阻抗法测量空隙率的研究和改进上，许多科研人员做了的工作。Merilo等人用阻抗法测量泡状流空隙率并提出了一种补偿式旋转电场电极。Yang和Kim比较了三种不同的电极结构，并用泡沫聚烯-水和气水两相流分别在方形管道和圆形管道中进行了测试。 电导探针法测量空隙率的原理是基于液相导电率与气相导电率这一特性，经多年的发展己研制出了环形探针和线性探针等结构。 电容法一直是空隙率测量的一种重要方法，这主要是因为:电容感器结构简单，也比较容易加工。另外，电容式传感器还具有动态响灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点。 - 8 - 但是电容式传感器测量空隙及微弱电容检测问题，且传统的2电极传感器易受流型变化的影响。等设计了带有对称边保护电极板的螺旋型电容测量传感器并用有限对测量进行了优化;:57，取得了较好的结果。 整体而言，电学法结构简单、价格低廉、容易实现、能够测量空的瞬态值。但电学法易受流型、温度、流体内杂质等因素的影响，这该方法的适用性受到限制。 4.1.4光学法 随着光学技术的日益发展，用光学方法测量两相流空隙率得到了人的普遍童视。应用光的散射或消光原理铡量油气两相流空隙率的测量原是:当光穿过含有气泡或液滴的两相流体时，根据Beer定律，在入射方向上光强要产生衰减，只要测出光经过两相介质后的衰减大小，即可求相界面面积。如果气泡直径可以通过其它途径确定的话，用光衰减法就测出气泡流的空隙率大小。随着光学技术的发展，采用光纤探针可测量两相流率的研究越来越多，其测量原理是，利用光在两相介质中具有不同的折射率来探测稳流场中两相在某一局部空间的交替存在，某点处两相存在的相对时间比是该点的局部含气率。由于光纤探针响应速度快，信号处理相对较简因而得到广泛研究。由于在测量过程中，光通过介质时会产生多种效应，这导致后续信处理难度较大。同时，该方法对所测量的介质有一定的限制，并要求使场合清洁度较高、光的发射和接收元件不易受污染，这也使得其使用范受到限制。另外，光纤探针很难用于高温系统的测量。如果探针头采用刚石或蓝宝石，其价格就比较昂贵。 4.1.5射线法 射线法测量空隙率所采用的技术主要包括射线吸收技术和射线散技术两种，目前研究和使用较多的是射线吸收技术。由于射线法测得的是管道内某一方向上的空隙率，因此，如果要管道截面上的平均空隙率，就需要采用多束射线。 采用射线法测量空隙率可以不干扰流体流动，测量仪器的标定也相对容易，因此在两相流参数检测中的研究和应用也比较成熟。射线法是目前应用较好的空隙率测量方法，许多工程实际中均采方法实现空隙率的测量。但射线法存在安全性问题，并且需要一个稳放射源，同时放射源的维护成本也很高，这都使得该方法的应用范围的限制。 4.2气液两相流流量测量方法 流量是两相流最重要的参数之一，对于存在两相流的工业应用系统，量核算、自动控制、能量和物料的平衡等往往要依赖于对该参数的准量。同时，流量的准确测量对工程设备运行的经济性和可靠性也十分。 随着工业生产和科学技术的进展，对两相流流量测量的精度和范围来越高，流量测量技术也日新月异。国内外学者对气液两相流流量法进行了大量的研究，其中主要方法有分离计量法、质量流量计法、量计法和相关测量法等。 4.2.1分离计量法 分离计量法在油田现场应用比较广泛。在石油的开采过程中，油田井油计量是一个气液两相流流量测量问题，其中气相为天然气(还包一些油井伴生气)，液相为石油和水的混合物。传统的测量方法是相分离器将油、气、水分开，或采用两相分离器将气、液两相分开，分别进行计量。分离计量方法一般分为全分离法、粗分离法和取样分离法三种。 全分离法是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和液体后，再通单相流量计 - 9 - 进行计量。传统的全分离法采用庞大的分离设备，把体流量测量转化成了单相流体流量测量，具有工作可靠、测量精度量范围宽且不受气液两相流流型变化的影响等优点，是目前陆地油产量计量的主要方法。这种方法的最大缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线，这在很大程度上增加了成本。 粗分离法是近年来出现的多相计量方法，通过把两相流体粗略分离以气相为主和以液相为主的两股流体来进行测量。目前，已有商业化品。粗分离法在一定程度上缩小了设备的体积，但整个设备的体积仍庞大，所需要的测量仪表也较多。 取样分离法一般是在计量两相流总流量和平均密度的基础上，提取样液加以气液分离，测定各相的百分含量，然后通过计算获得各相量。相对于全分离法和粗分离法，取样分离法的分离设备大小。但气液两相流流动过程中的波动性和流型的不断变化使得取样器配器的设计比较困难。 4.2.2质量流量计法 质量流量计也称直接式质量流量计，其特点是能够直接测量出流质量流量而无需测量流体的密度，因而被许多研究者尝试用于直接测量相流体的质量流量，目前研究较多的是角动量式涡轮流量计。在气液两相流中应用的角动量式涡轮流量计由涡轮转子和定子组在测量过程中，流体首先流经转子，转子受到作用力而获得一定的角动量，然后冲击定子，在定子上产生与角动量成比例的扭矩。 质量流量计法是一种比较成熟的方法，测量精度较高，与质量流气率(又称干度)或空隙率等分相含率测量设备相结合，可以满足较测量要求。该方法用于测量低含气率质量流量取得了一定的进展，其缺点是流动阻力大，转子叶轮的工作效率与两相流体的组份有关，结果易受流型和流体组份的影响川。 4.2.3单相流量计法 单相流量计法是将单相流流量测量仪表应用到两相流流量测量方法，由于这些单相流量计在理论研究和实际应用上都比较成熟，使该方法在工业应用中更容易被接受。根据单相流量计组合的不同，该方法分为两个单相流量计组合法、单相流量计与密度计组合法和波动信征值法等。 1)两个单相流量计组合法 与单相流中流量计的输出信号与被测流体流量一一对应不同，在流中流量计的输出信号不仅与被测流体流量有关，而且与被测流体的率(千度或空隙率)有关，因此一般需要两个不同特性的传感器组合进行测量。由于单相流量计廉价、易用、可靠并被广泛接受，因而研究人员种单相流量计组合法在两相流流量测量中的应用进行了大量的研究。 单相流量计组合法的优点是能够直接利用常规流量计进行两相量测量，测量装置简单，缺点是有效测量范围有限，而且测量结果受的影响较大。 2)单相流量计与密度计组合法 该方法应用单相流量计与密度计组合测量两相流流量，该方法的主要体现在与密度计的组合使用上，常用的密度测量方法有阻抗法、探针法和电导探针法等常规方法以及γ射线法。由于这种方法简单易行，因此成为目前研究较多的两相流流量测量方法，具有广阔的应用前景。但常规的相含率测量方法易受流型、流体物性等影响，这使得该方法尚待进一步研究，而γ射线法由于许多应用场合的安全要求而限制了其推广使用。 3)单相流量计测量信号波动特征值法 - 10 - 波动性是两相流的固有特性，一般情况下两相流系统内的测量信号几乎都处于波动状态，在一定的范围内信号波动的特征与两相流的流量和相含率有一定的对应关系，通过对波动信号特征值的分析，可以在统计意义下建立两相流参数与这些特征值的关系。所采用的特征值一般选取统计分析和线性预测分析的一组特征数值，如标准方差、偏倚度、峰度、一组线性预测系数或残差等，或者对波动信号进行频谱分析，提取包含流量和相含率信息的特征值。目前，研究较多的是取自节流元件的差压波动信号。仲朔平等认为孔板在汽水两相流中的差压波动是由于两相流中相密度分布不均匀和孔板的相分离效应引起的，差压波动的方差包含着相含率和质量流量的信息。利用差压波动信号的方根的相对统计误差和孔板的分离流模型，可建立蒸汽的干度测量模型和质量流量测量模型洲。Frreira而从频率域出发，分析了气水两相流通过孔板时的差压波动信号的功率谱密度，以功率谱密度函数的积分值为特征值，并与单相水通过孔板时的特征值作了比较，认为从气液两相流差压波动信号中提取的特征值与气液两相流中液相流量存在线性关系，可用于气液两相流中分相流量的测量。 单相流量计测量信号波动特征值法的测量设备简单，一般使用节流元件就可以实现。然而，该方法通用性差，受管道几何尺寸等条件的影响较大，测量范围有限，在测量原理上尚缺乏坚实的理论基础。 4)相关测量法 相关测量法是20世纪60年代中期发展起来的、以相关技术为基础建立的两相流流量测量方法。理论上该方法可用于测量任何流体系统量，而且测量流速的范围很宽，可从层流到超音速流，因此相关流量为解决两相流量测量提供了一种强有力的技术手段。 应用不同的传感器，研究人员研制出了各种相关流量计，经过多发展，目前已取得大量研究成果，并进行了气液和液固两相流流量测量的现场应用研究。 相关流量测量技术的优点是可以采用不同的传感器来获得流体信号，再配以其他测量手段，可构成各种流体流量测量系统，实现非接触式测量，有很强的适应性。但相关流量测量技术目前仍存在一些问题进一步探讨，例如相关速度的物理意义仍不甚明确、互相关函数峰值确定、相关流量计标定仍有一定难度等，这些方面都需要进一步的研究。 利用小波技术和混沌理论等先进技术，在相关测量法的基础上，可以进行系统的研究。 5)过程层析成像技术 过程层析成像技术是从医学CT技术发展起来的两相流过程参时在线检测技术。采用层析成像技术可获得被测流体在流体管道截面实时图像，如果图像的精度足够高，则可依据图像确定两相流体各相在管道中的局部相浓度分布，进一步处理分析可得到各相组份的浓度。 在两相流系统中，许多参数具有空间分布特性，如截面上的相分速度场分布等，而传统的检测手段所得到的一般都是时间和空间上的参数，在某些情况下，采用先进技术可以获得微观上的分布数据，但成本过高。通过层析成像技术可以获得两相流体的二维/三维的时空微观分布信息，这为流动特性复杂多变且常规方法检测参数难度较大相流领域提供了一条十分有效的在线测量和监测途径，对于深入揭示流动的基本规律、推动两相流的理论发展和工程应用具有重要的意义，目前两相流参数检测技术研究发展的前沿和趋势之一。 - 11 - 在两相流参数检测中，研究和应用较多的层析成像技术主要有核辐射成像技术、超声波成像技术和电学成像技术等。 核辐射成像技术主要有X射线、r射线、中子射线、正电子及光儿种，其检测原理是依据放射线穿透被测介质时产生的衰减(被介质作用，是医学CT技术在两相流参数检测领域中的直接延伸，研究和较广。与其它过程层析成像技术相比，核辐射过程层析成像技术的灵敏场硬场，图像重建算法较为简单，成像精度较高，但该技术成本也较高，济性差，实时性也相对较低。同时，由于该技术使用放射源，所以安全差，管理和维护要求条件苛刻。 超声波层析成像技术是运用超声波作为扫描源，利用:被侧介质对入射声波的吸收和散射等效应所引起的入射声波幅值的衰减、声波在不均介质中传播时，其传播速度随介质不同而发生变化、不均匀介质引起散声场的幅值和相位的同时变化等等，从不同角度和方向扫描获得某一截内相分布的图像困难。超声波层析成像系统具有非侵入性、非辐射性等优点，但其传播速度相对于电磁波而言是很慢的，这使得该技术难以适用于高速运动的多相流系统。 电学过程层析成像主要包括电阻层析成像、电容层析成像和电磁感应层析成像三种。有关电磁感应层析成像技术应用的文献报道较少，目一前研究和应用主要集中在电阻和电容层析成像技术上。电阻层析成像技术测量的物理基础是两相流体不同组份具有不同的电导率，通过测量敏感场中的电导率分布来获取两相流体的相分布，目这种过程层析成像技术在两相流参数在线检测方面的应用引人瞩目哑。基于电容传感机理的电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简记为ECT)技术具有测量速度快、非侵入、低成本、安全、适用范围广等特点，是目前广泛研究的两相流过程层析成像技术之一。 6)基于图像法的两相流研究 随着电子科学、计算机技术和数字图像处理技术的发展，基于图像法的两相流研究已成为热点之一。 两相流的图像获取包括过程层析成像和高速摄像法。随着高速动态摄像仪普遍应用及现代图像处理分析技术的迅速发展，利用流动过程可视化技术获取的二维图像信息进行泡体尺寸、分相浓度及流型特征研究近年来取得了一些进展，Gopal等利用数字图像处理技术对气液两相流中段塞流的动力学特征包括局部速度廓形和空隙分布进行了定量研究，并依此建立了该实验条件下段塞流的动力学系统模型。Bui等对图像法在两相流中的应用进行了阶段性总结，并提出了在泡状流和段塞流背景图像中自动检测泡体新方法。周泽魁等利用图像法提取了气液两相流图像中的气泡特征，并结合模糊推理方法对水平管道中的五种流型进行了有效识别。周云龙等提出了基于图像灰度共生矩阵和支持向量机相结合的气液两相流识别新方法，实现了基于流动图像的智能化流型辨识。Chen等利用粒子图像分析系统对固液流化床中鼓泡态的尾流气泡激发形成和衰落机制进行了研究，指出斯特劳哈尔漩涡形成的机制依赖于尾波边界剪切面的稳定特性，而气固流化床中自由空间的不稳定性是由固体颗粒扰动引起的。Lim等对鼓泡态的气泡分布及行为进行了分析，并获取含气率对其流化质量进行了分析。Akiyama等结合数字图像处理技术对垂直振荡的二维粒子床中的固相颗粒混合程度及其对流体运动的分形特性进行了研究，结果表明分形维数时变特征定量地反映了颗粒沿床体高度混合程度的信息。王振亚等采用了灰度共生矩阵法(GLCM)对垂直及倾斜30?气液两相上升管流中的5种典型流型动态图像提取了五种反映不同流型动态图像纹理结构的时变特征参数指标， - 12 - 对流型生长过程中流动结构变化进行了分析，指出了基于图形纹理分析法有助于理解气液两相流流动结构时空演化特征，是气液两相流流型辨识有效方法。 5. 水气两相流输氧理论研究进展 气体通过气液界面传递的问题也就是如何计算通过界面所受阻力的问题。阻力知道了，传质的通量也就能计算出来。但由于气液界面附近的区域难于进行观察与做实验，因此借助于建立数学模型来描述传质过程。1904年Nernst首先提出传质的单膜模型。后来的发展也是以这一模型为基础的，常用的有下列三种模型:1926年由Whitman提出的双膜理论、1935年由Higbie提出的浅渗理论及1951年由Oanckwerts提出的表面更新理论。此外，还有一些在这些基础上发展起来的其它理论。 l)单膜理论 如图5-1所示。假定气体沿水表面流过，水气蒸发进气流内，在气液两相的交界面处，流速应接近于零。这相当于两相界面是一个固定的表面，而在这个表面附近δ的厚度内，可以假定是一层静止的膜。界面处气体的浓度为C，膜边界处人(体的浓度为C，ib由于膜是静止的，膜内只能靠分子扩散来传递物质。这层膜内所存在的浓度差C-C，ib即传质阻力形成的。这就是Nernst提出的膜的概念。因为膜很薄，膜内部浓度变化可以视为线性的。膜内侧液体中气体的浓度C是不变的，称为主体浓度。主体浓度也就是b 实际能够量测出来的浓度。膜内浓度变化是假设存在的，同时也是无法量测的。膜的厚度也只能通过理论公式计算得出。动量及热量在两相界面间的传递理论也都建立了类似的膜的概念，计算这些膜厚度的公式形式虽然相似，但是计算所得的数值是不等的。 图5-1 单膜传质理论示意图 图5-2 双膜传质理论示意图 2) 双膜理论 如图5-2所示。双膜理论是Whitman和Lewis提出的。它假定在气液界面两侧分别存在有层流膜层，在其外侧则分别为气相主体和液相主体，两个主体均处于紊流状态。两相间物质传递借助于膜间的分子扩散来进行，浓度梯度在两膜层中呈线性分布，而在两相主体为零。气态氧传过气膜和水膜的过程服从Fick第一定律。双膜理论认为传质总阻力为气膜阻力与液膜阻力之和。这是双膜理论的基本点。按分压差推求通量公式也可得出同样的结论。双膜理论把复杂问题大大简单化了，与实际中的低流速情况相当符合，但是存在以下缺陷:1，忽略水体中浓度梯度的存在;2，水力学特性影响只是在假想膜的厚度上计入，并假定传递系数与分子扩散系数成正比;3，没有考虑由于气泡的破裂与合并使膜发生变化的情况;4，任何工业吸收设备中，绝对静止的膜是不存在的。该理论实际上是忽略了紊动扩散的影响;5，假定氧传递过程是稳定的，即通过气膜的通量与通过液膜的通量是相等的。 - 13 - 3)溶质渗透理论(浅渗理论) 1935年，Higbie考虑到高流速下的紊动扩散，提出了渗透理论。该理论认为，处于界面的液体，由于流体的扰动常被液流主体所置换，气相和液相都是按重复的短暂接触来操作的，由于接触的时间短，就不可能达到稳定。当液体在界面停留期间，溶解气体将藉不稳定的分子扩散而渗透到液相。该理论有如下的几点基本假定:1，允许气体传递进入它所接触的那部分水中的时间极短，故气体扩散进入水中的深度也必然是很浅的;2，传递的过程是非稳定的，即随时间变化的，因此传递的通量并非一个恒量，与双膜理论中的观点不同。3，该理论还认为传质阻力主要存在于液膜内;4，假设处于界面各液体单元都具有相同的停留时间;，故只存在一个扩散深度。因此，可得不稳定扩散方程。渗透模型考虑了非稳态传质但没有考虑流体微元停留时间分布的随机性，而是将它们简单的视为常数，其结果仍然与实际相去甚远。 4)表面更新理论 1951年Danckwerts在溶质渗透的基础上，提出了界面各单元的停留时间是按概率而分布的，即存在一个界面的寿命分布函数。在考虑流体元年龄分布函数的基础上，他提出了更加广为应用的表面更新理论。该理论认为在紊动水体中，液体不断向气体提供新表面，同时将己在表面暴露一定时间的涡替换回液体内部。因此传递物质的表面不可能是固定不变的，应该是山无数的接触时间不同的面积微元组成的，这些面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和才是真正的传质量。 5)反应器传质模型 反应器按其中所发生的反应类型分为均相反应与多相反应。全部反应物在单一的相内，而反应也发生在这一相内时称为均相反应。当反应物分布在两相或更多的相中，反应部分地或全部地发生在两相之间时，这种反应称为多相反应。一般均相反应器内发生的是均相反应，多相反应器内发生的是多相反应。但是也有反应器和其中的反应类型不符的情况。例如，当反应器内的液体由鼓入气泡以供给溶解氧时，应该是一个多相反应器，而溶解氧与液体内的其它溶解物发生的反应则属于均相反应。在这种情况下，基本的问题仍然是要了解反应的具体情况。多相反应的一个常见情况是反应只发生在连续区内的某些特殊部位。活性污泥絮凝体表面和絮体内所发生的反应是多相反应。絮体是存在于废水中的固相。絮体是一个由生物高聚合物粘结无数微生物所成的集团。传递到絮体表面以及扩散进絮体内部的有机物和氧气才能与微生物接触产生需氧氧化反应。在絮体表面或者絮体内部，也只有那些微生物所在的部位才能发生反应。均相反应与多相反应的数学模型有明显的不同。均相反应的物料衡算方程中包含了反应项，但是在多相反应的物料衡算方程中并不出现反应项，反应速率却在发生反应表面的边界条件中出现。 6)湍流传质理论 基于扩散应考虑分子扩散和湍流扩散的组合，人们提出了湍流传质理论。1972年Lamourelle和Sandall进一步发展了湍流传质理论。他们认为:由于表面张力的影响，涡流扩散系数自液流主体连续降低，直至界面等于零为止。因此在接近界面的情况下，应考虑分子扩散和涡流扩散两方面的因素，建立了二维扩散方程式。 苗容生用二维激光多普勒测速仪对气泡界面的速度场进行测定，表明气泡周围流场有很大差异，据此提出了多尺度局部均匀模型。Pettylao在考虑速度波动对传质产生影响的同时，也考虑浓度波动的影响，提出了一个研究界面质量传递的统计理沦。 - 14 - 7)表面再生理论 一些吸附现象的实验表明小于紊动扩散系数的某一传递率控制着传递过程，据此，M.Kishinevski于1955年提出了表面再生理论，认为吸附过程完全由紊动扩散控制且表层溶解气体饱和，建立了扩散公式。 8)界面热力学和动力学理论 不少研究者从界面的热力学和气体动力学性质出发，提出了许多气液界面传质理论。传统热力学理论认为气体进入液体的吸收过程符合能量的动量方程。 苗容生、马友光利用显微全息干涉技术对界面附近的浓度场定表明，界面存在一个很陡的浓度梯度。他们认为界面不是一个理想的何面，界面附近存在一个极薄的阻力膜层，膜层的厚度与分子尺寸、界结构等因素有关，只有具有足够能量的分子才有可能传过界面进入另相。有关这方面迄今尚无成熟的理论，因此仍将阻力膜层假定为一个儿面，但在这层面的两侧，浓度将不连续。进一步的研究给出了从气相到相的传质过程界面浓度表达式。 9)生物系统中的输氧理论 绝大多数现场研究工作者曾假定，只有微生物周围液体介质中的溶解氧才是有效的氧源。基于这一假定，氧分子从气相传递给细胞的途径如下: A，氧气分子穿过气膜和液膜，被吸收在液体中; B，氧通过围绕在细胞上的液膜，从液流主体传递给细胞; C，在细胞和细胞聚合体内活性酶的部位传递。 传递示意图如图5-3所示。 图5-3 氧传质理论示意图之一 1951年巴塞洛缪(Bartholomew)提出另一观点:氧通过气泡直接传递给细胞。示意图如图5-4所示。 图5-4 氧传质理论示意图之二 许多研究工作者对活性污泥水处理工艺曝气池中的氧传质情况进行研究发现，在有活性生物体存在的情况下，氧传质与清水情况下研究得到的结论不一致。他们对生物反应器中的氧传质测量、机理等方面进行了探讨。B. E. Boumans等人提出了旋转生物接 - 15 - 触反应器中氧传质及其增大量的测量方法川。Rich等人对活性污泥污水处理过程中氧传质的生物增大作用进行了探讨，针对双膜理论对氧传质预测的不足之处进行了研究。Albertson等人的研究发现当活性污泥的氧吸收速率增加时，相应会有氧传质系数K。l的增加。Anand等人对氧传质的诸多影响因素进行了分离研究，给出了针对每一种影响因素的实验测量数据。 对于养殖池的输氧问题，研究成果鲜见于报道。 6. 水池环流中悬浮颗粒对水质的影响及迁移机理与特性研究进展 系统内养殖的水产品会产生废物使水质恶化。对水质有负面影响的成分有:氨氮、残余饵料、粪便有机物、以及其它新陈代谢产生的废物。有机物质会进一步降解产生额外的氨氮、亚硝氮和硝氮。在闭合循环系统中，这些物质使pH降低，耗尽溶解氧，增加混浊度，降低水质对养殖鱼类的可适应性。另外，在一些操作过程中，许多矿物质和微量元素被损失掉。养殖集约化程度越高，这些影响就越大。一个系统中废物产生的量是基于养殖品种及其生长阶段、系统中的生物量以及投喂给鱼的饲料的质和量。水质恶化的速度和程度可以通过适当的水处理手段来进行调控。 目前水质控制中可能用到的手段，包括了物理(回液分离、泡沫分离、温度调控、气液混合等)、化学(臭氧消毒及氧他、紫外消毒、离子交换、物化吸附等)、生物(各种类型硝化,反硝化生物过滤工器、藻类,大型水生植物等)过程。另外，每日的部分补水(换水)是必须的，以控制硝氮，去除污染物质，以及补充矿物质和微量元素。完全100%循环的系统目前还很罕见，因为在接近100%的循环率耐，技术和管理难度都在增加。水质控制所要面对的第一个问题就是如何有效地去除水体中的固体悬浮颗粒物(Suspended solids，SS)。SS包括鱼类养殖过程中产生的粪便、残饵、死鱼以及生物滤器脱落下来的生物膜碎片、原生动物，另外，还包括悬浮于水体中的微生物、病原体。 SS过长地停留在系统里，会对败坏水质起到贡献，并对系统和养殖对象产生其它一些不良影响。研究发现，固体颗粒物中携带的营养物质包括7-32%的TN，30-84%的TP，并有在水体中停留的时间越长，越会碎裂成更小颗粒，向水体溶解出更多污染物质的趋势，这样就更加难以从系统中去除。它们对鱼类及养殖系统的主要影响包括:对鱼鳃功能的危害，降低鱼类生长速率;为致病微生物提供生活及隐蔽场所，增加鱼致病的敏感性;堵塞生物滤器，降低生物处理的有效性;还有可能堵塞水路管道、水泵，造成水流不畅等;此外，还有很重要的就是，当它们降解时，有机颗粒要消耗氧气，产生氨氮，给生物滤器带来氧化负载。 图6-1 养殖系统中悬浮颗粒物粒径划分 有研究表明，养殖系统中绝大多数SS粒径大小范围在0.4-900μ,之间。尽管大多数SS都小于30μ,，但这些小SS的总量却小于那些出现几率不高的30pm。二十世纪八十年代的数据显示，一般未处理的养殖废水中固体颗粒物含量大约5-50 mg/L，但二 - 16 - 十年来，随着集约化程度的不断提高，SS含量在养殖水体中的变化却不大。 在循环水养殖系统中，SS的处理目的是保证养殖所需的基本水质，因此被设计得与其它水处理单元相结合，来控制水中溶解含N营养物质、BOD、DO、CO、pH以及2病原微生物。系统中SS的控制手段主要包括:饲料及投喂方式管理、物理方法以及化学方法。 大型商业化生产中，常用的颗粒物物理分离方法包括:机械方法和重力方法。 机械方法中最常用的就是周液分离装置(网筛)。在欧洲，固液分离装置被广泛应用于循环水养殖系统，网的孔径一般为60-200pm，如果应用的网筛孔径小于60pm，则效果不会很好。 重力方法中又分沉淀和旋转水流。 沉淀就是让废水中悬浮的可沉降颗粒在重力作用下发生沉降的过程，一般在没有使用网筛的情况下作为废水处理的预处理。RAS中一般运用沉淀的目的包括:A(沉降去除颗粒物，胶体颗粒，以及絮凝颗粒;B(沉降生物滤器介质上脱落的生物絮凝物。沉淀一般只用于水力负荷小，停留时间长的水体预处理，也可以用来沉淀固液分离器的出水，但不适于集约化程度高的养殖系统废水预处理。 旋转水流可以通过使颗粒物做旋转运动增加其向心力以增加沉淀速率。不同程度的旋转水流提供不同范围的重力加速度g值。海水系统要求更高的旋转速度，因为许多有机颗粒物的密度和海水比较接近。 另外用于循环水养殖系统中SS控制的手段还有各种压力式砂滤器、吸附材料滤器、人工湿地等，它们都有各自的优缺点及适宜应用的范围。 以上只是对国内循环水养殖系统中关于SS的报道以及常用的SS控制方法加以简单总结。 氨氮转化成硝氮是一个好氧过程。如果厌氧环境维持，反硝化就会发生，硝氮会转化成分子氦，也就是反硝化会使硝氦以氮气形式从养殖水体中逸出，因此，已经建议反硝化过程在养殖系统除氮氮时尽量选用。然而，由于建设和运行成本的考虑，大多数养殖系统都没有重视反硝化作用过程H铂，但随着循环水养殖系统集约化程度的提高，反硝化系统将会在以后的养殖生产中起到重要作用。 固体悬浮颗粒物是指运行系统在养殖过程中所产生的水体悬浮颗粒物质。它们在循环水养殖系统内广泛存在，来源主要是水产养殖活动过程中产生的残饵、养殖动物排泄物、水处理系统中生物膜新陈代谢脱落物质以及悬浮在水中的微小生物(如死的或活的细菌)。固体颗粒物中携带的营养物质包括7-32%的TN，30-84%的TP，并在水体中停留的时间越长，越有碎裂成更小颗粒，向水体溶解越多污染物质的趋势]，这样就更加难以从系统中去除。 国外相关水池中SS研究的文章较多。但都主要是对SS在系统内的分布情况做了简单测试，相关生产条件下鱼池中SS产生规律、迁移规律以及去除效果的研究还不多见。目前各种RAS配备的水处理设备没有统一标准，所以不同配置的系统对水体中SS的处理效率就会不同，SS在系统内的分布也不同。孙大川针对上海水产大学设施渔业研究所设计的RAS进行SS产生、迁移、分布的研究。试验首先对日常管理条件下鱼池中SS的产生、存量随投饵时间的变化进行了研究，之后对不同转速的旋转水流对SS的集污去除效果以及SS在系统中的分布进行测试，旨在发现鱼池中固体颗粒物的产生及累 - 17 - 积规律，找出生产中旋转水流对SS聚集、置换的特点以及各水处理单元对SS去除效果，为生产中有效控制系统内SS提供理论依据，为水处理第一步提供技术参数。 7. 结语 由于水车式增氧机具有的优点，广泛应用于沿海地区人工高位养殖池塘，是养殖期间改善水质的主要设施。需要结合现代先进技术对水车增氧机曝气水池输氧与悬浮颗粒迁移的机理和特性开展研究，以建立合适的数值模型模拟水池的溶解氧含量及悬浮颗粒物的时空演变(分布)。水车式增氧机作用下养殖池塘的环流和输氧特性研究具有重大学术意义、经济意义和社会意义。 水车式增氧机的工作区间穿越水气自由界面，曝气增氧是一个复杂的水气两相流传质过程，影响因素较多，是一类特殊的两相流问题，理论研究和数值模拟都有一定难度。自由液面附近水气界面的处理，在数值模拟中大多采用参数化方法，数据同化需要大量的现场数据，方法并不成熟。对这一问题开展研究，阐明水流结构与影响因素，对水气交换研究有重要的意义。池水环流虽不直接对水体供氧，但会影响氧气在水体中的重新分配和传输，以及悬浮物的起动、悬浮和沉降，改变物理环境;过大的流速会造成池底的冲刷。残余饵料是人工高密度养殖池塘的主要内源污染物，增氧机曝气诱导的池水环流可以使残余饵料等悬浮物向中心汇聚，这一过程是液-固两相流问题。研究悬浮颗粒在池水环流时的迁移特性，对水质研究有重要意义。因此，水车式增氧机作用下水产养殖池塘的环流和输氧特性研究，对于池塘水质的研究是非常重要的;可为曝气期间池塘溶解氧含量分布预测，增氧机设计、安装、布置的优化提供依据和指导。也可供污水处理池和其他水域相关问题的解决提供借鉴。 溶解氧含量是水产养殖池的重要指标;对于高密度人工养殖，溶解氧含量是最重要的指标之一，因此，人工增氧也是必要的环节。人工增氧可以解决高密度循环水养殖的溶解氧补充问题，提高生产率。研究曝气水池输氧和悬浮颗粒物迁移的机理和特性将为水车式增氧机的优化设计和合理使用提供依据，提高使用效率，节约能源，为用户节约使用成本。 随着经济全球化深入发展，国际贸易日趋频繁，高品质鱼虾需求量上升，海岸带高位池海水养殖面积不断增加，单位养殖密度也在增加。同时，养殖的病害风险加剧，近海水质的污染趋于严重，池水水质调控要求提高。研究曝气水池输氧和悬浮颗粒物迁移的机理和特性可为绿色养殖、节能环保提供支持。 参考文献 Bolt, J., Nath, S.S., 1997. 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