水產(chǎn)養(yǎng)殖中多層式臭氧混合試驗裝置與系統(tǒng)

 

        2012年，我國水產(chǎn)品總量達(dá)到5906萬t，其中養(yǎng)殖產(chǎn)量4305萬t，已經(jīng)連續(xù)24年居世界第1位。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式作為工業(yè)化水平 很高的養(yǎng)殖模式越來越得到重視和發(fā)展。該模式是以水產(chǎn)養(yǎng)殖用水凈化后循環(huán)利用為核心特征，臭氧在工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理系統(tǒng)創(chuàng)中已經(jīng)被較為廣泛地應(yīng)用。國外關(guān)于養(yǎng)殖水體臭氧消毒的研究早已展開，其中Steven曾提出了利用臭氧對循環(huán)水養(yǎng)殖水體消毒的方法，主要是利用一種增氧的裝置—Speece錐（國內(nèi)稱溶氧錐或曝氣錐）來混合臭氧和水，得到高濃度（大約0.1~0.2mg/L）的臭氧水溶液；消毒使用后的高濃度臭氧水對生物有毒性，研究人員又設(shè)計了紫外線裝置來消除水中的剩余臭氧，使?jié)舛冉档偷?.01mg/L。關(guān)于混合裝置Speece-錐的尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計，Daniel等為Speece-錐建立了動態(tài)模型，方便設(shè)計者進(jìn)行初始尺寸設(shè)計和 很優(yōu)化選擇。
 

        國內(nèi)在養(yǎng)殖水體中使用臭氧消毒的研究很少見，在實際生產(chǎn)中的臭氧混合裝置大部分是鼓泡塔式接觸反應(yīng)器，這種鼓泡塔大部分高3m以上，不適于移動和日常的維護(hù)操作。國內(nèi)也有關(guān)于臭氧消毒的研究，其混合方式摒棄了這種笨重的反應(yīng)器，取而代之的是輕巧的射流混合Q或葉片泵攪動混合方式，取得了較好的效果，但設(shè)備都是購買自國外成熟的產(chǎn)品，沒有自己的設(shè)計方案。填料塔1-0是化工企業(yè)中 很常用的氣、液傳質(zhì)設(shè)備之一，在塔內(nèi)設(shè)置填料使氣液兩相能夠達(dá)到良好傳質(zhì)所需的接觸狀況。近年來，人們對填料塔作了大量的實質(zhì)性研究，并取得了突破性進(jìn)展，主要表現(xiàn)在一些新型高效塔內(nèi)件和塔填料的問世，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本研究主要通過按氣液混合理論設(shè)計的一種多層填料塔開展對臭氧進(jìn)行混合溶解的研究，根據(jù)在不同填料的種類及填料高度的條件下，調(diào)節(jié)氣液比進(jìn)行試驗，得出臭氧在水中溶解效率較高的條件，提高臭氧的溶解效率，研究探索一種水產(chǎn)養(yǎng)殖用的新型臭氧混合方法，以促進(jìn)臭氧能夠更有效和經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。

 

1材料與方法

1.1試驗裝置與系統(tǒng)

圖1是本試驗裝置結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，臭氧混合裝置呈多層塔狀，塔端是進(jìn)水層，底部為出水底座，中間為多層混合層，各層之間設(shè)有布水/導(dǎo)氣支撐板，混合裝置直徑為200mm，高度分別有200mm和300mm兩種規(guī)格。試驗系統(tǒng)主要由臭氧混合裝置、臭氧發(fā)生器、轉(zhuǎn)子流量計、液體流量計、球閥、蓄水池和1臺潛水泵組成。裝置工作方式：水由潛水泵到進(jìn)水層，由上至下逐層下落，通過混合層中設(shè)置的填料使臭氧與水充分混合，將臭氧轉(zhuǎn)移到水體中， 很后下落至出水底座，由出水口排出。為保證各層間水與臭氧的充分混合，各層間均設(shè)有布水/導(dǎo)氣支撐板，其上有42個直徑為5mm的布水孔，開孔率為13%，其中部的通氣管直徑為20mm，高度為60mm。

1.2試驗材料

試驗用水是溫度為20℃的自來水，純氧作為氣源，填料分別為多面空心球、鮑爾環(huán)和改性懸浮生化填料。

3種填料的具體性能參數(shù)如表1所示。

1.3試驗設(shè)計

臭氧混合系統(tǒng)中，混合層中分別選用鮑爾環(huán)、改性懸浮生化填料與多面空心球3種典型的填料。為了減弱單層填料過高而產(chǎn)生的“壁流效應(yīng)”和“放大效應(yīng)”，第1組將試驗填料的高度分為3個層次：0.3m（1層）、0.5m（2層）、0.7m（3層），調(diào)節(jié)水流量為4、5、6m3/h，氣流量為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m3/h等5個梯度進(jìn)行試驗。第2組，氣液比一定，即水流量為6m3/h、氣流量為0.1m3/h時，改變填料高度，研究鮑爾環(huán)作為填料時，對臭氧混合溶解效率的影響。

1.4測定方法及數(shù)據(jù)處理

試驗主要測量臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧的濃度和水中溶解的臭氧濃度。臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧化氣體中臭氧濃度的測量使用碘量法n5-1d，測量時一般采用碘化鉀（Kl）溶液（20%），水中溶解的臭氧與碘化鉀反應(yīng)游離出碘，等該反應(yīng)結(jié)束時應(yīng)首先對該溶液酸化，靜置5min；然后用已經(jīng)標(biāo)定好的硫代硫酸鈉（NazS203）標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，該滴定采用電位滴定儀對游離碘進(jìn)行滴定，滴定結(jié)束后，在電腦上讀出所用硫代硫酸鈉（NazS203）標(biāo)準(zhǔn)溶液體積， 很后根據(jù)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量計算出臭氧濃度。

臭氧濃度按如下公式計算：

 ρ（O3）=（VnaxC×24000）/V

式中， ρ（O）為臭氧濃度（mg/L）；Vm為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液用量（mL）；C為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液中硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量濃度（mol/L）；V為臭氧化氣體取樣體積（mL）。

     水中溶解的臭氧濃度采用美國HACH哈希（25170-25）臭氧試劑，并且使用DR2700分光光度計進(jìn)行檢測。溶解氧和溫度等參數(shù)由YSI（美國賽維儀器公司，型號prODO）數(shù)水質(zhì)分析儀測定。根據(jù)以上測定出的臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的臭氧化氣體中臭氧濃度和水中溶解臭氧的濃度，再根據(jù)氣體流量和水流量，進(jìn)一步計算出臭氧發(fā)生器每分鐘所產(chǎn)臭氧的質(zhì)量以及每分鐘水中所溶解臭氧的質(zhì)量，從而計算出臭氧的溶解效率。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行處理。