工厂化养鱼水体的臭氧处理系统设计及安全性研究.pdf

工厂化养鱼水体的臭氧处理系统设计及安全性研究 * 曹广斌1戚翆战1， 2韩世成1周煊亦1， 2蒋树义1陈忠祥1 1. 中国水产科学研究院黑龙江水产研究所， 哈尔滨 150070; 2. 上海海洋大学工程学院， 上海 201306 摘要 为确定臭氧在鱼类工厂化养殖水处理中的应用方法， 设计了臭氧水处理系统和基于 PLC 水体臭氧浓度在线监 控系统。通过实时监测气源为纯氧和空气产生臭氧在养殖水体的溶解和衰减过程， 进行了纯氧气源产生臭氧设定浓 度的鱼类消毒杀菌试验。结果表明 纯氧产生的臭氧适用于鱼类和水体的消毒杀菌处理， 空气产生的臭氧适宜于氨 氮、 悬浮物和有机物的处理; 水产养殖中利用纯氧为气源的臭氧消毒杀菌处理过程中， 建立精准的控制系统， 可达到需 要的实时检测和控制臭氧浓度， 进行安全可靠的消毒杀菌处理。 关键词 鱼类; 养殖; 臭氧消毒; 安全控制 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406012 STUDY ON DESIGN AND SAFETY CONTＲOL OF OZONE DISINFECTION SYSTEM FOＲ FACTOＲY FISH CULTUＲE WATEＲ Cao Guangbin1Qi Cuizhan1， 2Han Shicheng1Zhou Xuanyi1， 2Jiang Shuyi1Chen Zhongxiang1 1. Heilongjiang Ｒiver Fisheries Ｒesearch Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Harbin 150070，China; 2. Engineering Colloge of Shanghai Ocean University，Shanghai 201306， China AbstractIn order to search the technology of ozone water treatment in cold water fish culture，an ozone concentration online monitoring system was designed based on PLC，and was applied in detecting the process of ozone dissolution and attenuation in aquaculture water． Meanwhile，real- time control of aquaculture ozone disinfection process was tested to insure the ozone disinfection process to be safe． The experiment result showned that pure oxygen generated ozone was efficient in disinfecting fish culture water and air produced ozone was more favorable in treatment of ammonia，suspend substance and organic matter． Under the real- time detection and precise control of ozone concentration，ozone generated by pure oxygen can be utilized in disinfection of aquaculture． The effect of disinfecting was safety and reliable． Keywordsfishes;culture;ozone disinfection;safety control * 国家支撑计划 2012BAD25B10 ; 国家农业行业专项 201003055 。 收稿日期 2013 －09 －10 0引言 在工厂化水产养殖过程中， 对养殖水体进行无害 化处理是确保鱼类健康生长的重要条件。养殖水体 无害化处理主要包括消毒杀菌、 固体物、 悬浮物、 氨 氮、 有机物等方面的处理。目前消毒杀菌常用药物处 理的方法简单易行、 方便灵活。但是， 药物处理不仅 存在食品安全的隐患， 而且也影响养殖水质、 污染环 境， 受到越来越多的限制。对于悬浮物、 氨氮、 有机物 等物质的处理主要采用过滤、 紫外线消毒、 生物处理。 但是， 有些鱼类的养殖要求温度很低， 生物处理效果 差， 紫外线设备寿命短、 强度小 ［1 ］。臭氧处理技术是 一种可以在水产养殖中进行综合应用的新技术， 研究 其安全可靠的应用方法， 对于发展工厂化水产养殖具 有重要意义。 臭氧作为一种高效且无二次污染的强氧化剂， 在 常用氧化剂中氧化能力是氯的 2 倍， 杀菌能力是氯的 数百倍， 能够迅速地杀灭水中细菌、 藻类、 病原体 等 ［2- 4 ］; 臭氧具有脱色除味， 去除氨氮、 铁、 锰， 氧化分 解有机物和凝聚作用， 且分解后产生氧气， 不会产生 有害物质残留 ［5 ］。资料表明 养殖水体中含有 0. 1 ～ 0. 2 mg/L 的臭氧， 持续1 ～30 min 就可以达到杀菌消 毒的理想效果 ［6- 7 ］。但是水体中的臭氧浓度过高， 会 对养殖鱼类产生毒害作用。臭氧对鱼虾的急性毒性 研究显示 当臭氧浓度为0. 2 ～0. 4 mg/L 时， 经过12 h， 84 环境工程 Environmental Engineering 鱼类存活 65， 24 h 后为 47， 48 h 后为 23; 当浓 度增加到 0. 5 ～0. 8 mg/L 时， 任何时段无一存活［8- 9 ］。 Kenji F 研究发现， 臭氧对鱼类的毒害作用主要是引 起红细胞膜脂质的过氧化， 改变细胞渗透性， 干扰鱼 类正常代谢 ［10 ］。在水产养殖的水处理过程中， 应采 用限定剂量和接触时间的办法， 防止处理过程对鱼类 造成不良影响 ［11 ］。臭氧溶解于水后不稳定， 半衰期 约为 20 min 20 ℃ ［12 ］， 容易分解。不能存储和运 输， 只能现场生产利用。如何产生和控制水体的臭氧 安全浓度是利用臭氧进行水处理的关键技术， 也是臭 氧处理技术没有在水产养殖广泛应用的原因。 目前使用的工业化臭氧生产设备对于臭氧产量和 浓度是开环控制， 很难达到水产养殖水体浓度控制要 求。实际应用中， 处理氨氮、 悬浮物、 有机物和消毒杀 菌对臭氧浓度的要求有很大差异。水体的消毒杀菌需 要高浓度、 短时间处理， 以确保养殖鱼类的安全; 而悬 浮物、 氨氮和有机物处理往往要求浓度低、 反应时间 长。为了满足工厂化水产养殖水体臭氧处理的应用要 求， 在研制高效臭氧溶解设备的基础上 ［ 13 ］， 设计了鱼 类工厂化养殖水体臭氧处理系统和基于PLC 的水体臭 氧浓度在线自动控制方法， 通过试验获得理想效果， 为 工厂化水产养殖中臭氧处理技术的应用奠定了基础。 1鱼类养殖水体臭氧处理系统 1. 1系统组成与原理 图1 是臭氧水处理系统布局。系统主要由三部分 组成 一部分是由8 个规格相同的养殖池 直径2 m， 高 1 m 、 回水槽、 水泵、 过滤机、 臭氧混合设备和进排水管 道组成的水循环系统; 另一部分是由气源泵、 臭氧发生 器、 流量计、 臭氧混合设备、 尾气处理器组成; 第三部分 是基于 PLC 的控制系统， 由温度和臭氧传感器、 PLC 组 件、 调节步进电机和数据输出微机组成。 图 1试验设备布局 Fig．1Layout of the test equipments 系统工作时， 养殖池的水靠水压力进入回水槽， 由水泵压入过滤器， 经过滤后的水进入臭氧混合设备 与来自臭氧发生器的臭氧气体进行混合、 溶解， 溶解 后臭氧水进入养殖池， 对养殖水体进行臭氧处理， 并 反复循环进行， 直到池水臭氧溶解浓度达到所要求的 浓度为止。未溶解的臭氧通过尾气处理器进行无害 化处理。 1. 2臭氧的产生 设计了空气和氧气作为气源产生臭氧的两种方 法。空气是常用的臭氧产生方法， 氧气的使用是为了 提高臭氧的产生效率而采用的方法。氧气由制氧机 从空气中制备， 纯度达95。臭氧发生器采用 XY- 19 型的臭氧发生器， 额定气体流量为 8 m3/h， 额定臭氧 产量为 100 g/h。 1. 3臭氧浓度控制系统 臭氧浓度控制系统如图 2 所示。系统通过设置 在鱼池水中的传感器进行温度和臭氧浓度监测， 监测 数据传输给 PLC 并通过 PLC 的数据线自动记录在电 脑中。根据预先设定的臭氧浓度， PLC 对当前臭氧浓 度进行分析后将控制信号传输给步进电机， 步进电机 依照 PLC 的指令控制臭氧发生器的电压变化， 以增 加或者减少臭氧的产量， 从而达到控制臭氧浓度的 目的。 图 2养殖水体处理臭氧浓度控制流程 Fig． 2The flow chart of ozone control of culture water treatment 1. 3. 1臭氧浓度监测 监测传感器采用哈希9185 sc 在线臭氧分析仪检 测探头。检测仪采用选择性膜电极; 不受样品中 pH、 氯、 溴、 二氧化氯或过氧化氢的干扰， 测量范围 0 ～ 20 mg/L， 测量精度 5 μg/L。同时设计了温度补偿 系统， 以消除温度波动的干扰。 1. 3. 2监控系统 监控系统由上位机、 下位机、 模拟量输入模块构 成。模拟量输入模块采用哈希公司 SC100 控制器， 控制器采集 9185sc 传感器信号并将其转换成模拟信 号发送给下位机。下位机采用西门子公司生产的 s7- 200型 PLC 进行数据采集， 通过通信电缆传输给上 位机， 上位机中安装组态王监控软件。组态王监控软 94 水污染防治 Water Pollution Control 件能够实时采集 PLC 传输的数据， 自动画出变化趋 势图表， 通过软件的报表功能可以查询记录历史数据 并导人 Excel 便于以后的处理。根据监控工程的需 要在软件界面中制作 3 个功能窗口， 每个窗口完成特 定的功能。 1. 3. 3功能窗口选择 利用软件的历史趋势曲线控件， 可以将 PLC 采 集到的数据记录下来并自动连成趋势曲线， 横坐标为 采样时间， 纵坐标为溶解臭氧含量， 所有数据存入历 史库以备查询。该窗口有自动打印功能， 可将形成的 历史趋势曲线定时打印， 利于日后查阅。 利用软件中报表功能可以从组态王历史数据库 中查到之前记录的所有数据， 包括 PLC 采集的溶解 臭氧含量和对应的采样时间， 该报表可以自定义所要 查询的变量和时间间隔， 并显示在列表中， 便于试验 中随时掌握数据的变化情况。 1. 3. 4臭氧浓度的控制 采用 MA860H 型两相混合式电机驱动器驱动 86BYG 二相步进电机， 步进电机驱动器采用交流伺 服驱动器的电流环进行超细分控制， 电机的转矩波动 小， 低速运行平稳， 振动和噪音低。高速时可输出相 对较高的力矩， 定位精度高。然后用 PLC 控制步进 电机驱动器， 内置于 S7- 200PLC 的 PTO 能使用一个 脉冲串输出用于步进电机的速度和位置控制。基于 检测到的臭氧浓度， 使用 PLC 编程自动控制步进电 机的位移和方向来控制臭氧发生器的电压大小， 最终 达到对臭氧浓度的 PID 控制。 2臭氧溶解、 衰减与杀菌消毒试验 2. 1材料与方法 试验目的是确定臭氧在处理鱼类养殖水体时产 生所需臭氧浓度的时间和衰减至安全浓度的时间， 从 而确定臭氧处理的安全方法。试验内容为 1 在没 有养殖鱼类， 气源分别为氧气和空气的条件下， 试验 养殖水体臭氧溶解和衰减过程， 以确定不同臭氧浓度 的应用技术和处理过程的控制方法。2 以氧气为气 源的条件下， 分批次对鱼类进行消毒处理， 检验杀菌 消毒水体臭氧浓度稳定控制的准确性， 确保处理过程 可靠与鱼类安全。 根据鱼类对臭氧浓度耐受试验［8- 9 ］， 设定臭氧溶 解浓度测量范围为 0 ～ 0. 5 mg/L。为了满足过程中 臭氧用量的不同需要， 氧气产量在设计能力 60 ～ 100进行调节。在鱼类消毒试验中， 养殖鱼类消毒 杀菌的安全范围为 0. 1 ～ 0. 2 mg/L， 试验中设定 0. 18 mg/L为控制量的给定希望值， 单次消毒时间为 40 min。试验选择 8 个水池中的 1 个为试验池， 养殖 池水 2 m3， 分 4 次对系统养殖鱼类进行消毒; 用水量 包括臭氧混合设备、 回水槽和养殖池水量总计 5 m3。 试验鱼类为冷水性鱼类虹鳟鱼， 平均体重 160 g， 200 尾， 密度为 32 kg/m3; 试验水温为 10 ℃; 循环水泵型 号 50JYWQ25- 10， 流量为 25 m3/h。 试验初始， 打开监控软件， 启动臭氧检测仪半小 时待其稳定之后开启臭氧发生装置并打开自动控制 软件自动记录采样数据， 采样频率为 2 次/s， 待水池 中臭氧浓度稳定之后关闭臭氧发生装置系统导出数 据曲线并打印。 2. 2结果与讨论 2. 2. 1臭氧溶解和衰减过程 试验结果表明 利用纯氧制备臭氧和利用空气制 备臭氧进行养殖水体处理， 其效果差别较大， 见图 3、 图 4。 图 3纯氧为气源臭氧的溶解与衰减变化曲线 Fig．3The variation curve of dissolution and attenuation of ozone from oxygen supply 图 4空气为气源臭氧的溶解与衰减变化曲线 Fig．4The variation curve of dissolution and attenuation of ozone from air supply 由图 3 可知 在气源为纯氧的条件下， 养殖水体 循环 10 min 就可以达到试验设定的最大臭氧溶解浓 度 0. 5 mg/L。溶解过程中臭氧浓度快速上升， 持续 供气可以保持该浓度; 衰减过程中曲线缓慢下降， 10 ℃水温下， 循环 40 min 后才能衰减到鱼类安全浓 度 0. 06 mg/L［8 ］。在纯氧为气源的条件下， 臭氧发生 05 环境工程 Environmental Engineering 器产生了高纯度臭氧， 溶解过程中没有其他气体分压 的影响， 向液相转移的动力远高于臭氧与其他气体混 合的混合体， 提高了臭氧向水体溶解速度。这一结果 表明， 氧气为气源产生的臭氧在养殖水体处理中， 可 以采用高浓度短时间应用于鱼类和水体的消毒杀菌。 由于可以产生较高浓度的臭氧水， 因此在对养殖水体 和鱼类处理时， 要进行监测与控制， 以实现操作过程 的安全可靠。 由图 4 可知 在气源为空气的条件下， 养殖水体 循环 1. 5 h， 臭氧才能到消毒杀菌处理的最低浓度 0. 1 mg/L。臭氧溶解过程非常缓慢， 且剧烈波动， 不 够稳定， 最大臭氧浓度能达到 0. 14 mg/L; 其衰减过 程也很缓慢， 衰减到鱼类安全浓度 0. 06 mg/L 需要 1 h。由于空气中氧气含量约为 21， 以空气为气源 产生的臭氧不纯， 臭氧向液相转移的过程中， 受其他 气体分压的影响， 其溶解动力明显降低， 溶解过程缓 慢; 同时， 由于溶解过程气体混杂， 干扰了臭氧检测的 精度， 产生了波动不稳定现象。在衰减过程中， 由于 低温及其他溶解气体的影响， 该过程也同样很缓慢。 这一结果表明 利用空气为气源的臭氧水产养殖应用 时， 选择低浓度长时间的处理方法， 适应于养殖水体 的氨氮、 悬浮物、 有机物处理 ［16 ］。由于其浓度低， 难 以形成稳定的状态， 且臭氧浓度在消毒杀菌的范围 内， 不需对其过程进行自动控制， 只要控制处理时间 就可以达到安全可靠的要求。 2. 2. 2纯氧为气源产生臭氧对鱼类消毒杀菌的影响 试验结果表明， 在 40 min 消毒过程中， 试验鱼 类游速加快、 运动剧烈。但是消毒后的各项体表形 态并无损伤现象， 进入养殖水体后可以进行正常的 饲养， 无不适反应。消毒过程中， 系统工作正常， 臭 氧浓度稳定在 0. 18 mg/L。图 5 是臭氧消毒试验过 程中， 控制系统调节下养殖水体臭氧浓度随时间的 变化情况。 图 5纯氧产生臭氧在线监测与控制 Fig．5On- line monitoring and control of ozone produced by pure oxygen 由图 5 可知 系统工作开始后， 臭氧浓度迅速接 近设定的阀值 0. 18 mg/L， 随后在自控系统的控制 下， 溶解过程缓慢， 其浓度在阀值 0. 18 mg/L 附近小 幅波动， 最终趋于稳定， 稳定时臭氧发生器的电压为 104 kV。纯氧为气源产生臭氧的产生效率是使用空 气的2 倍 ～3 倍 ［14 ］。由于自控系统的作用， 臭氧浓度 稳定保持在 0. 18 mg/L 附近， 在操作过程中可以把整 个工厂化养殖系统的鱼类分批次放入进行消毒杀菌。 纯氧产生臭氧的曲线比空气产生臭氧曲线平滑稳定， 有利于控制系统进行准确控制。 建立可靠的臭氧浓度监控系统， 利用纯氧为气源 产生臭氧利用其高纯度、 溶解过程快速的特性进行工 厂化养殖鱼类的消毒杀菌， 高效安全可靠， 是一种清 洁、 无残留和无污染的有效方法， 有利于工厂化养殖 鱼类的健康生长和产品安全。 3结论 通过对鱼类工厂化养殖水体臭氧溶解和衰减过 程的监测与控制， 确定了空气和纯氧产生臭氧在工厂 化水产养殖中的不同应用方式， 为臭氧在工厂化养殖 方面的应用奠定了基础， 并可以得出下述结论 1利用纯氧产生臭氧进行鱼类和水体的消毒杀 菌较为有利， 臭氧产生的浓度大效率高， 而利用空气 产生的臭氧进行氨氮、 悬浮物和有机物处理比较有效 和安全。纯氧产生的臭氧在应用过程中须进行浓度 的精准控制。 2通过对纯氧产生臭氧进行设定阀值控制试 验， 验证了使用纯氧产生臭氧进行鱼类消毒杀菌安全 控制的可靠性， 在自控设备的保障下臭氧浓度可稳定 保持在安全阀值内。 3在工厂化养殖中应用臭氧处理系统， 通过采 取适当技术措施控制臭氧发生器的产量， 可以达到 控制养殖水体臭氧浓度、 消毒杀菌安全和可靠的 目的。 参考文献 ［1］韩世成， 曹广斌， 蒋树义， 等． 工厂化水产养殖中的水处理技术 ［J］． 水产学杂志， 2009， 22 3 54- 59. ［2］Summerfelt Steven T， Sharrer Mark J，Hollis Jennifer，et al． Dissolved ozone destruction using ultraviolet irradiation in a recirculatingsalmonidculturesystem ［J ］．Aquacultural Engineering， 2004， 32 1 209- 223. ［3］张文忠， 孟莹． 二氧化氯与臭氧在给水处理中的作用分析［J］． 中国新技术新产品， 2005 24 66- 67. 下转第 121 页 15 水污染防治 Water Pollution Control 待提高。 本研究建立了网络结构为 2- 3- 1 的 BP 神经网络 模型， 采用 trainbr 算法进行训练， 具有收敛速度快 只需7 s ， 迭代次数少 34 次迭代即可达到收敛 和 预测性能好 预测集 MSE 7. 32 μg/m3 的特点。因 此本研究网络结构调试和算法选用的过程可为相关 研究提供参考。 BP 人工神经网络应用于环境空气 SO224 小时 平均质量浓度的预测是可行的， 但其能否应用于 SO2 每小时平均浓度的预测， 还有待进一步研究。 参考文献 ［1］王春霞，朱利中，江桂斌，等． 环境化学学科前沿与展望 ［M］． 北京科学出版社， 2011 3- 10. ［2］孙根年，吴晓娟，周立花，等． 西安大气 SO2/ NOX污染时空 变化的分析［J］． 干旱区资源与环境， 2006， 20 5 99- 103. ［3］格丽玛， 冷中笑， 何清， 等． 乌鲁木齐市大气中SO2的灰色预测 ［ J］ ． 湖南环境生物职业技术学院学报， 2006， 12 1 20- 22. ［4］唐旭清， 胡锦滨． 人工神经网络的 BP 算法及其应用［J］ ． 信息 技术， 2004， 28 4 1- 4. ［5］Lisboa P G J．Neural Networks Current Applications［M］． England International Thomson Computer Press， 1992 15- 17． ［6］郭庆春，何振芳，李力． 人工神经网络在大气污染预测中的应 用研究［J］ ． 工业仪表与自动化装置， 2012， 42 4 18- 22. ［7］沈路路，王聿绚，段雷． 神经网络模型在 O3浓度预测中的应 用［ J］ ． 环境科学， 2011， 32 8 2231- 2235. ［8］万显烈，杨凤林，王慧卿． 利用人工神经网络对空气中 O3浓 度进行预测［J］． 中国环境科学， 2003， 23 1 110- 112. ［9］张砺彦，麦永强，张月辉，等． 基于神经网络的大型燃煤电厂 SO2和 NOX的污染物预测模型［J］ ． 热力发电， 2008， 37 10 9- 13. ［ 10］李德志，李朝阳，李峰，等． 大气 SO2含量时间序列的 BP 人 工神经网络预测模型［J］ ． 重型机械， 2010， 31 4 31- 34. ［ 11］Hagan M T，Demuth H B，Beale M H． Neural Network Design ［ M］ ． BostonPWS Publishing， 1996 4- 1. ［ 12］张德丰． Matlab 神经网络应用设计［M］ ． 北京机械工业出版 社， 2010 54- 55. 第一作者 申浩洋 1990 － ， 男， 硕士研究生。hoyhn． shen gmail． com 通讯作者 韦安磊 1981 － ， 男， 博士， 讲师， 主要研究领域为环境系统 模拟理论与方法。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 alwei nwu． edu． cn 上接第 51 页 ［4］Camel V，Bermond A． The use of ozone and associated oxidation processes in drinking water treatment ［J］．Water Ｒes， 1988， 32 11 3208- 3222. ［5］刘海龙， 王东升， 王敏， 等． 臭氧对有机物混凝的影响［J］ ． 环 境科学， 2006， 27 3 456- 460. ［6］StevenT， Summerfelt．OzonationandUVirradiation/an introduction and examples of current applications［J］． Aquaculture Engineering， 2003 28 21- 36. ［7］Mohammad Ｒ Ghomi， Abbas Esmaili， Gholamhosein Vossoughi， et al．Comparison of ozone， hydrogen peroxide and removal of infected eggs for prevention of fungal infection in sturgeon hatchery ［ J］． Fisheries Science， 2007， 73 1332- 1337. ［8］Bullock G L，Summerfelt S T，Noble A， et al． Ozonation of a recirculating rainbow trout culture systemEffects on bacterial gill disease and heterotrophic bacteria ［J］ ．Aquaculture，1997， 158 1 43- 55. ［9］吴小军， 杨艳华． 臭氧对淡水鱼虾毒性的研究［J］ ． 河南水产， 2007 5 32- 33. ［ 10］Kenji F，Naoki N，Tetsuya S，et al．Mechanism of oxidative damage to fish red blood cells by ozone［J］ ． IUBMB Life，1999， 48 631- 634. ［ 11］Ｒeid B， Arnold C Ｒ．Use of ozone for water- treatment in recirculating water raceway system［J］． Progressive Fish Culturist， 1994， 56 1 47- 50. ［ 12］姜国良， 刘云， 杨栋， 等． 用臭氧处理海水对鱼虾的急性毒性效 应研究［ J］ ． 海洋科学， 2001 3 11- 13. ［ 13］曹广斌， 贾慧文， 蒋树义， 等． 循环水养殖系统中臭氧混合设备 设计与性能测试［ J］ ． 农业工程学报， 2011， 27 10 73- 78. ［ 14］Masschelein W J． Ozone generationUse of air，oxygen，or air symphonized with oxygen ［J］． Ozone Science and Engineering， 1998， 20 191- 203. ［ 15］王华然， 王尚， 李昀桥， 等． 臭氧在水中的溶解特性及其影响因 素研究［ J］ ． 水产学杂志， 2009， 5 2 99- 104. ［ 16］ValdisKrumins， JamesEbeling， FredWheaton．Part- day ozonation for nitrogen and organic carbon control in recirculating aquaculture systems［J］ ． Aquacultural Engineering，2001 24 231- 241. 第一作者 曹广斌 1957 － ， 男， 研究员， 主要从事渔业工程研究。 laocao hotmail． com 121 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment