烏龜溫室養殖水中懸浮顆粒物的沉降特性

季明東，李海軍，李建平，葉章穎，朱松明

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烏龜溫室養殖水中懸浮顆粒物的沉降特性

季明東，李海軍，李建平，葉章穎，朱松明※

（浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058）

養殖水體中固體顆粒物的沉降特性對養殖池和沉淀池的優化設計非常重要。在烏龜溫室養殖中期，取距池底 10 cm處的養殖水作為沉淀原樣進行靜態沉淀試驗，測得原樣的懸浮顆粒物質量濃度為(763±15.3) mg/L，粒徑分布范圍是1～300m，其中粒徑>100m的顆粒物體積占20.4%，50～100m的占39.1%，<50m的占40.5%。結果表明：在一定的深度范圍內顆粒物沉淀速率不受沉淀池深度影響，但若沉淀池太淺且顆粒物濃度較高時會發生擁擠和壓縮沉淀；對于烏龜養殖中期的水體，確定了沉淀池的溢流速率和顆粒物去除率之間的關系，當溢流速率為0.0167 cm/s，懸浮顆粒物的去除率為24.9%，且溢流出的水體中總體積90%的顆粒物粒徑<98.4m，50%的顆粒物粒徑<41.9m；在龜鱉溫室養殖池中設置平流式沉淀池可有效地進行懸浮顆粒物的管理和去除，且隨著養殖水體中細微顆粒物的增加，溢流速率可隨之減小。

顆粒物；沉淀；去除率；粒徑分布；烏龜養殖

0 引 言

2016年中國水產品養殖產量5 142萬t，水產品人均占有量達到49.9 kg[1]，已成為人們日常重要的副食之一。養殖過程中產生的殘餌和糞便等廢棄顆粒物的高效去除是養殖水處理首要的也是最為關鍵的環節，對于穩定水質、提高養殖密度和效益具有重要意義[2-4]。養殖水體中的顆粒物粒徑分布（particle size distribution，PSD）和沉降特性對其高效管理和去除具有重要作用。

PSD在市政和工業污水等領域有較多的研究[5-6]，而在水產養殖中的研究相對較少，且部分研究是通過不同孔徑的濾網進行過濾處理得到的，其所得的結果受試驗誤差的影響較大[3-4, 7-8]。Patterson等[9-10]發現水產養殖中顆粒物粒徑的數量分布符合冪定律，通過對數轉換和線性回歸后可得到一條斜率為的直線，值可表征顆粒物數量分布特性，該值越大表明細微顆粒物數量相對越多，并通過試驗得出值的范圍是2.9～4.6，然而針對顆粒物粒徑體積分布的研究較少。顆粒物沉淀有4種類型：自由、絮凝、擁擠和壓縮沉淀。自由沉淀時顆粒物濃度較低，可適用斯托克斯定律；絮凝是部分顆粒物在沉淀過程中凝聚其他顆粒物而加速沉淀；擁擠沉淀時顆粒物濃度較高，沉淀速率較低；壓縮沉淀時顆粒物濃度極高，表現為顆粒群體被壓縮，一般發生在沉淀池底部，進行非常緩慢。養殖水體中的顆粒物在靜止狀態下沉淀，能夠得到沉淀速率分布曲線，其橫坐標為沉淀速率，縱坐標為小于或等于沉淀速率時的顆粒物質量分數[11-12]。另外，溢流速率是指流入沉淀池的水體流量和沉淀池溢流表面積之比，可作為沉淀速率，再根據沉淀速率曲線估算出沉淀池的理論顆粒物去除率[13-15]。顆粒物的沉淀速率可以通過PSD、顆粒物密度和形狀等計算得到，沉淀速率和PSD之間的關系可通過斯托克斯定律相互估算得到[16-17]。Magill等[18]通過圖像處理獲得了糞便顆粒物的粒徑及其體積，給出了糞便顆粒物粒徑和沉淀速率分布圖，該方法存在著測試誤差并且只能測得粒徑較大的顆粒物。也有研究者通過顆粒物沉淀的方法來獲得PSD，然而所需時間較長并且可靠性有待進一步驗證[19-21]。

本文針對龜鱉溫室大棚養殖中后期水體中懸浮顆粒物濃度高和水質難控，取烏龜溫室養殖池中底層的水樣進行靜態沉淀試驗，通過采用米氏散射原理的激光粒度儀測得懸浮顆粒物粒徑的體積分布，并測定顆粒物質量濃度，從而得到懸浮顆粒物的沉降特性。

1 龜鱉溫室大棚養殖情況

龜鱉養殖業是中國長三角地區村鎮經濟的重要產業。龜鱉溫室大棚養殖，因效益高、成長快和易控制等優勢是當前普遍采用的養殖方式。在養殖過程中，由于廢棄顆粒物去除率低造成的換水量大和養殖廢水排放多等問題，嚴重制約了產業的可持續發展。溫室龜鱉的養殖密度一般為每平方25～30只，養殖池水深為1.0 m，養殖水溫為25～28 ℃，養殖過程中產生的糞便殘餌等顆粒物受龜鱉頻繁活動影響會迅速破碎分解，由此惡化了養殖池生態環境，造成氨氮濃度增加、曝氣溶氧困難[22]。目前在養殖池中頻繁的添加硝化細菌以及時去除氨氮和亞硝酸鹽，造成養殖成本增加，并且仍需定期換水，由此也引起了養殖能耗增加。溫室龜鱉養殖池顆粒物排出原理如圖1所示，養殖池底部為斜坡結構，高于位置，養殖產生的顆粒物會在處的集污槽內聚集，通過定期打開管道閥門以排出廢棄顆粒物。該方法在顆粒物從向聚集時由于龜鱉行為活動和曝氣等原因，使得大粒徑顆粒物極易破碎成懸浮顆粒物，只有部分大粒徑顆粒物能夠在集污槽內聚集；在養殖中后期，養殖池中懸浮顆粒物濃度極高，造成顆粒物排出困難，換水量大且養殖廢水排放多。另外，研究認為養殖水體中的細微懸浮顆粒物也是制約養殖密度增加的主要因素[23-24]。

圖1 溫室龜鱉養殖池顆粒物排出原理

龜鱉溫室大棚養殖產生的顆粒物及時高效去除對提高養殖密度和節約養殖成本具有重要作用，尤其是在龜鱉頻繁活動下產生的懸浮顆粒物。在當前大粒徑顆粒物通過集污槽去除的基礎上，添加平流式沉淀池來去除懸浮顆粒物以期綜合管理養殖過程中產生的固體顆粒物，降低養殖中后期的懸浮顆粒物濃度，從而改善水質和提高養殖效益。另外，受龜鱉活動產生的懸浮顆粒物的沉降特性對沉淀池設計有重要的參考價值。

2 材料與方法

2.1 靜態沉淀試驗裝置

沉淀裝置和采樣器如圖2所示。靜態沉淀試驗裝置為圓柱形，總高為100 cm，直徑為20 cm，通過采樣器取烏龜溫室養殖中期時距養殖池底部10 cm處的養殖水體（沉淀原樣）放入該沉淀裝置內使得水深為80 cm，取樣點設A和B兩點（A點靠近沉淀裝置的中心，B點靠近沉淀裝置的底部，取樣點A和B可表征出懸浮顆粒物在沉淀過程中不同深度上的差異），通過打開球閥可取得A和B層的水樣，OA和AB的距離為30 cm。

圖2 沉淀裝置和采樣器

沉淀開始前，輕輕攪動水體使得顆粒物在整個沉淀裝置內均勻分布。采樣器的原理是當其放入養殖池水體中時，底部的進水擋板（向上滑動）打開進水，在下沉過程中頂部的出水擋板（繞中心旋轉）打開此時底部進水、頂部出水，當采樣器停在養殖池的某深度時可取得對應深度的水體。設A層以上30 cm高度內的沉降區域為ZA，B層以上30 cm高度內的沉降區域為ZB。

2.2 取樣和測試方法

設置靜態沉淀時間：5、10、15、20、30、40、50和60 min共8組。取養殖池底層的水體放入沉淀試驗裝置，經時沉淀后取A和B層水樣（采樣器所取的沉淀原樣應盡量均勻一致；每個沉淀時間重復3次）。水樣通過Bettersize3000plus激光粒度儀（丹東百特儀器有限公司）測定其顆粒物粒徑的體積分布。固體懸浮顆粒物質量濃度的測定按照國家標準方法（GB17378.4-1998）進行，所用的烘干設備是DGX-9073B-1（上海福瑪儀器設備有限公司）；循環水式真空泵是SHB-IIIA（上海豫康科教儀器設備有限公司）；質量儀器是Sartorius BAS1245（北京賽多利斯科學儀器有限公司），精度為0.0001 g；微孔濾膜（上海興亞凈化材料廠）的孔徑為0.45m。

2.3 分析方法

顆粒物粒徑體積分布的表示方法有累積體積分布和區間體積分布，2種之間可以計算轉化得到。區間體積分布是指各粒徑區間的顆粒物體積占總體積的百分比，粒徑區間是在激光粒度儀中將1～300m劃分為68個區間，并且各個區間呈對數增長。顆粒物累積體積達到10%、25%、50%、75%和90%時的顆粒粒徑值（10、25、50、75和90，在激光粒度儀的操作軟件中已取均值，因此以下累積分布粒徑值直接以均值表示）也可表征樣品的粒徑分布特征（累積體積分布），通過獨立樣本檢驗分析A和B層顆粒物累積分布粒徑值以及質量濃度之間的差異，顯著性水平為0.05。

根據顆粒物粒徑分布和顆粒物質量濃度的變化，分析計算得出烏龜溫室養殖水中的懸浮顆粒物在不同沉淀速率下的顆粒物去除率，單位為%，如公式（1）所示。

式中C為沉淀原樣的顆粒物質量濃度，C為靜態沉淀時A層的顆粒物質量濃度，單位為mg/L。

3 結果與分析

3.1 沉淀原樣的顆粒分布

烏龜溫室養殖過程中產生的大粒徑顆粒物在養殖池內沉淀，并通過養殖池底部的斜坡進入集污槽內，然而部分顆粒物未及時到達集污槽內便受烏龜活動影響破碎成粒徑較小的懸浮顆粒物。在養殖中期取養殖池底部沉淀的顆粒物進行粒徑測試發現絕大多數顆粒物粒徑在0.2～1.02 mm之間，而養殖池上層水體中的顆粒物粒徑分布在0.5～200m之間。

通過采樣器取得的沉淀原樣，其懸浮顆粒物質量濃度為(763±15.3) mg/L，粒徑分布范圍是1～300m，其中粒徑>100m的顆粒物體積占顆粒物總體積的20.4%，粒徑50～100m的占39.1%，粒徑<50m的占40.5%；另外，沉淀原樣的顆粒物累積體積分布10、25、50、75和90粒徑值分別是12.4、33.7、59.7、91.7和127.4m。受烏龜活動影響產生的懸浮顆粒物如果不能及時去除，會進一步分解成細微顆粒物（養殖中期時養殖池底層的沉淀原樣中粒徑<50m顆粒物體積已占40.5%），從而造成細微顆粒物濃度高、水質惡化，使得養殖密度難以提高和養殖成本增加。養殖池底層的懸浮顆粒物可通過平流式沉淀池進行去除以穩定水質。

3.2 沉淀時間5～20 min的顆粒分布

沉淀時間5～20 min下A、B層和沉淀原樣的顆粒物粒徑區間分布之間的比較如圖3所示。表1為沉淀時間5～20 min下A和B層的顆粒物累積分布10、25、50、75和90的粒徑值。

圖3 沉淀時間5~20 min下A、B層和沉淀原樣的顆粒粒徑區間分布

在靜態沉淀時間為5 min時，A和B層的顆粒物粒徑區間分布規律相似，且與沉淀原樣的顆粒物粒徑區間分布相差較小，另外A和B層累積分布90的粒徑值有顯著性差異，其余累積分布的粒徑值均無顯著性差異；在沉淀時間10 min時，A和B層的顆粒物粒徑區間分布相差較小，此時累積分布75和90的粒徑值有顯著性差異（<0.05），其余累積分布粒徑值無顯著性差異；在沉淀時間15 min時，A和B層的顆粒物粒徑區間分布相差也較小，但是A和B層的顆粒物各累積分布粒徑值均有顯著性差異（<0.05）；在沉淀時間20 min時，A和B層的顆粒物粒徑區間分布差異較大，但是B層的顆粒物粒徑區間分布和累積分布粒徑值與沉淀原樣相似，此時A和B層的各累積分布粒徑值均有顯著性差異（<0.05）。此外A和B層的顆粒物濃度在沉淀時間5和10 min時無顯著差異，在15和20 min時有顯著性差異（<0.05）。

表1 沉淀時間5～20 min下A和B層顆粒物累積分布粒徑值

注：*表示該分類下A和B層累積分布粒徑值（顆粒物質量濃度）之間差異顯著（<0.05）。

Note: The superscript * represents significant differences between layer A and B at the same settling time (<0.05).

在沉淀時間5和10 min時，沉降區域ZA中的顆粒物下降到ZB區域中但未影響ZB區域中絕大多數顆粒物的沉降，表現為A和B層的顆粒物粒徑分布和顆粒物濃度相差較小，這也說明了沉淀裝置的深度不影響顆粒物的沉淀速率。但在沉淀時間10 min時，區間分布表明A層粒徑>100m的顆粒物所占的百分比略小于B層，是由于受沉降區域ZA和ZB中顆粒物濃度差異的影響（此時差異較?。珹層粒徑>100m的顆粒物沉降相對于B層的較容易；在沉淀時間15 min時，區間分布表明A層粒徑>50m的顆粒物所占的百分比略大于B層，累積分布表明A層的顆粒物各累積分布粒徑值均大于B層，原因也是受沉降區域ZA和ZB中顆粒物濃度差異的影響（此時差異較大），沉降區域ZA中顆粒物濃度降低使得粒徑>50m的顆粒物沉降加快并沉降到A層，而ZB中由于顆粒物濃度增大阻礙了粒徑>50m的顆粒物沉降到B層。

隨著沉淀的進行，沉降區域ZA中的顆粒物逐漸下降到ZB區域中，ZA和ZB中的顆粒物濃度差異逐漸增大，從而引起沉淀時間5～15 min內A、B層顆粒物粒徑分布和顆粒物濃度的波動。在沉淀時間20 min時，區間分布表明A層粒徑>50m的顆粒物所占的百分比小于B層，且B層的顆粒物粒徑區間分布與沉淀原樣相似，另外B層顆粒物濃度突變且大于原樣的顆粒物濃度，認為此時由沉降區域ZA中下降的顆粒物已經影響到B層顆粒物的粒徑分布即由ZA中沉降的顆粒物已下降到B層。

3.3 沉淀時間30～60 min的顆粒分布

沉淀時間30～60 min下A、B層和沉淀原樣的顆粒物粒徑區間分布之間的比較如圖4所示。表2為沉淀時間30～60 min下A和B層的顆粒物累積分布10、25、50、75和90的粒徑值。

圖4 沉淀時間30~60 min下A、B層和沉淀原樣的顆粒粒徑區間分布

表2 沉淀時間30~60 min下A和B層顆粒物累積分布粒徑值

注：A和B層累積分布粒徑值（顆粒物質量濃度）之間差異均顯著（<0.05）。

Note: There were significant differences between layer A and B at the same settling time (<0.05).

在靜態沉淀時間30～60 min下，區間分布表明A層粒徑>50m的顆粒物所占的百分比小于B層，并且隨著沉淀時間的增加，A和B層粒徑>50m的顆粒物所占百分比之間的差異越明顯；A層粒徑<25m的顆粒物所占百分比隨著沉淀時間增加而增大，甚至在粒徑5～10m的范圍內出現了百分比的另一個峰值；累積分布表明A和B層的顆粒物各累積分布粒徑值均有顯著差異；A層的顆粒物濃度穩定下降中，而B層的顆粒物濃度處于波動中。另外，A層各累積分布粒徑值在沉淀時間30和40 min時相差較小，且50和60 min時A層的各累積分布粒徑值也相差較??；在30～60 min下B層的各累積分布粒徑值在波動中。

在沉淀時間30～60 min下，認為由沉降區域ZA中粒徑>50m的顆粒物下降到ZB中，因此A層的顆粒物濃度穩定下降，且粒徑>50m的顆粒物所占百分比也逐漸減小，而沉降區域ZB中顆粒物濃度的變化引起了B層顆粒物粒徑分布和濃度的波動。由于粒徑<25m的顆粒物在顆粒物濃度較高時難以通過自身重力進行沉降，因此隨著粒徑>50m的顆粒物所占百分比的降低，粒徑 <25m的顆粒物所占百分比逐漸增大，并且在5～10m的粒徑范圍內出現了峰值。

3.4 顆粒物沉淀速率與去除率

在20 min時由沉降區域ZA中下降的顆粒物已經影響到B層的顆粒物粒徑分布，同時也表明了沉降區域ZA中各深度上均有顆粒物通過A層到達沉降區域ZB中，也說明了ZA中各位置上的顆粒物濃度均已降低，且在20～ 60 min內A層的顆粒物濃度一直在減小。在沉淀時間20～60 min內，可認為顆粒物在沉降區域ZA內的平均沉降速率為/（即沉淀裝置中OA的距離和沉淀時間之比），而時A層顆粒物濃度和沉淀原樣顆粒物濃度的差值即為該沉淀速率下的顆粒物去除量，并可計算得到去除率（可認為A層為平流式沉淀池的溢流液面，沉淀速率/為沉淀池的溢流速率）。

對于烏龜溫室養殖中期的沉淀原樣，顆粒物的沉淀速率與去除率對應關系如表3所示。平流式沉淀池的溢流速率可選為0.0167 cm/s，此時懸浮顆粒物的理論去除率為24.9%，且溢流出的水體中總體積90%的顆粒物粒徑<98.4m，50%的顆粒物粒徑<41.9m。在相同去除率下若采用微濾機去除該水體中的懸浮顆粒物，根據沉淀原樣的粒徑體積分布，微濾機濾網的孔徑需小于90m，且無法避免由濾網過濾和反沖洗引起的顆粒物破碎，并對粒徑小于濾網孔徑的細微顆粒物幾乎無去除作用。

表3 顆粒物沉淀速率與去除率

在龜鱉溫室養殖池中，利用微水體流動設置平流式沉淀池，在養殖前期由于水體中細微顆粒物較少，沉淀池可選用較大的溢流速率；在養殖中后期隨著養殖水體中細微顆粒物增加，沉淀池的溢流速率可隨之減小。

4 結 論

對受烏龜行為活動影響下產生的懸浮顆粒物進行靜態沉淀試驗，沉淀原樣中的懸浮顆粒物質量濃度為(763±15.3) mg/L，粒徑分布范圍是1～300m，其中粒徑>100m的顆粒物體積占20.4%，粒徑50～100m的占39.1%，粒徑<50m的占40.5%。沉淀試驗表明：

1）在沉淀時間10 min內，A和B層顆粒分布相似，說明沉淀池的深度不影響顆粒物沉淀速率；但在沉淀時間10～60 min內，從 A和B層的顆粒分布變化中說明了沉淀池必須要有一定的深度，尤其是對于顆粒物濃度較高的情況下，顆粒物的沉降為擁擠沉淀，且顆粒物濃度越高沉淀速率會降低，若沉淀池深度不夠甚至會發生壓縮沉淀，這會大大降低顆粒物的沉淀去除率。

2）對于烏龜養殖中期的水體，在顆粒物粒徑體積分布變化的基礎上，確定了沉淀池的溢流速率和顆粒物去除率之間的關系，當溢流速率為0.0167 cm/s時，懸浮顆粒物的去除率為24.9%，且溢流出的水體中總體積90%的顆粒物粒徑<98.4m，50%的顆粒物粒徑<41.9m。

3）利用微水體流動設置平流式沉淀池可有效地進行懸浮顆粒物的管理和去除，避免顆粒物破碎而進一步惡化水質，且隨著養殖水體中細微顆粒物的增加，沉淀池的溢流速率可隨之減小。

沉淀可作為龜鱉溫室養殖水質管理的重要環節，是懸浮顆粒物去除行之有效的方法，對穩定水質、減小換水量和提高養殖效益具有重要作用。

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Settling characteristics of suspended solids in greenhouse turtle aquaculture water

Ji Mingdong, Li Haijun, Li Jianping, Ye Zhangying, Zhu Songming※

(310058,)

The settling characteristics and size distribution of solid wastes in aquaculture water play a critical role in designing rearing tank and sedimentation basin. The greenhouse turtle culture is a widely used farming mode, due to its high efficiency and easy to control. The main solid wastes are uneaten feed, faeces and bacterial flocs. Solid wastes can lead to poor water quality and aquacultural benefit if without effectively removed. Research showed that the heterotrophic bacteria can use particulate organic matter for mineralization process. This process not only consumes oxygen, but also produces ammonia. The metabolism of reared organisms also produces ammonia, which lead to a rapid deterioration of water quality. Solids management and removal is the basis for maintaining the aquaculture system operating stably, it is also of great significance for increasing density and ensuring the safety of reared organisms, especially the suspended particles with long contact time and large contact area. Turtle culture is an important economic industry in Yangtze river delta region. In the rearing process, the low removal efficiency of solids, a lot of water exchange and sewage discharge restrict the development of this economic industry. In the middle and later stage of turtle culture, the accumulation of suspended particles caused the water quality to deteriorate and a frequent water exchange, resulting in the increase of rearing cost. The particles under the influence of turtle frequent activities, those large particles are easily broken into suspended particles which is very terrible for the turtle culture. This research took the turtle culture water near the bottom of rearing tank for a simple static sedimentation experiment. The water depth of settling device was 80 cm, the length of two sampling points was 30 cm and the shallow one away from liquid level was also 30 cm. The two sampling points can characterize the difference of suspended particles at different depths in the settling process. The 8 groups of static settling time were 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 and 60 min, respectively. Each group of settling time for static settling experiment was repeated for 3 times. The particle size-volume distribution of water samples was measured by a non-invasive laser scatter instrument. The presentation method of particle size-volume distribution includes interval volume distribution and cumulative volume distribution which can reflect the characteristics of particles size-volume distribution in different aspects and can also be converted to each other. The mass concentration of suspended particles in the original sample was (763±15.3) mg/L and the particles size ranged from 1 to 300m. The particles size >100m in total volume accounted for 20.4%, the particles size 50-100m in total volume accounted for 39.1%, and particles size <50m in total volume accounted for 40.5%. The results of static sedimentation experiment showed that the depth of the sedimentation will not affect the settling velocity, but it must ensure a certain depth to avoid higher concentration of particles accumulating in the settling zone which will occur hindered and compression settling. For the water in the middle stage of turtle culture, when the overflow rate was 0.0167 cm/s in the sedimentation basin, the removal efficiency of suspended particles was 24.9%. 90% in total volume of the particles in the outflow water was less than 98.4m, and 50% in total volume was less than 41.9m. For greenhouse turtle culture, the flat flow sedimentation basin can effectively remove suspended particles, and with the increase of fine particles in the aquaculture water, the overflow rate of sedimentation basin can be reduced accordingly.

particles; sedimentation; removal efficiency; particle size distribution; turtle culture

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.027

S238

A

1002-6819(2018)-21-0222-06

2018-06-19

2018-08-14

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題“溫室甲魚清潔生產與廢水生態凈化處理成套技術研究及示范”（編號：2014ZX07101-012）；杭州市科技計劃項目“基于環境友好型池塘內循環流水養殖技術的示范與推廣”（編號20172015A05）。

季明東，博士生，主要從事設施水產備裝備研究。 Email：mingdongji_zju@163.com

朱松明，教授，博士生導師，主要從事農業生物環境工程與食品非熱加工新技術研究。Email：zhusm@zju.edu.cn

季明東，李海軍，李建平，葉章穎，朱松明. 烏龜溫室養殖水中懸浮顆粒物的沉降特性[J]. 農業工程學報，2018，34(21)：222－227. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.027 http://www.tcsae.org

Ji Mingdong, Li Haijun, Li Jianping, Ye Zhangying, Zhu Songming.Settling characteristics of suspended solids in greenhouse turtle aquaculture water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 222－227. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.027 http://www.tcsae.org