工廠化養(yǎng)殖循環(huán)水處理系統(tǒng)泡沫分離器的參數(shù)化設(shè)計(jì)

杜小雷，魏茂春，葉江雷，洪文斌

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361012)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖和傳統(tǒng)開放式養(yǎng)殖相比，受自然條件影響較小，且具有節(jié)能、節(jié)水、高產(chǎn)出和生態(tài)保護(hù)等優(yōu)勢(shì)，近年來逐漸受到關(guān)注，有取代傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式的趨勢(shì)。工廠化養(yǎng)殖主要通過循環(huán)水處理系統(tǒng)將養(yǎng)殖池中需要更換的養(yǎng)殖“廢水”(包含殘余餌料、養(yǎng)殖對(duì)象的排泄物及其他水質(zhì)污染物)進(jìn)行處理，成為可循環(huán)使用且符合養(yǎng)殖水質(zhì)要求的“健康水”，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源、高密度養(yǎng)殖的目標(biāo)，最終提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益(張建華等，2013)。因此，循環(huán)水處理系統(tǒng)是工廠化養(yǎng)殖的重要組成部分，其中水處理設(shè)備主要包括泡沫分離器(又稱為蛋白質(zhì)分離器)、弧形篩、沙缸、生化反應(yīng)器等。在循環(huán)水處理系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者主要基于養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)來選擇水處理設(shè)備生產(chǎn)廠家現(xiàn)有的設(shè)備型號(hào)進(jìn)行組合(鄭瑞東等，2005；林海強(qiáng)等，2021；吳小軍等，2020；劉曉蒙等，2019)，以此來構(gòu)建整個(gè)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。通常會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)者選擇高于實(shí)際需求的設(shè)備型號(hào)，造成設(shè)備資源、能效浪費(fèi)，增加了養(yǎng)殖場(chǎng)購(gòu)買和使用設(shè)備的成本，這也是當(dāng)前我國(guó)循環(huán)水養(yǎng)殖模式無法在普通養(yǎng)殖戶中推廣的關(guān)鍵因素。

本文以泡沫分離器設(shè)備為例，通過對(duì)泡沫分離器關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，合理選擇影響設(shè)備外形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而利用NX 軟件創(chuàng)建參數(shù)化的泡沫分離器3D 模型，使該設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用能夠快速適應(yīng)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的需求。運(yùn)用該方法可以根據(jù)養(yǎng)殖戶的不同需求，修改泡沫分離器模型的相關(guān)參數(shù)，以靈活、高效地設(shè)計(jì)出滿足養(yǎng)殖戶要求的產(chǎn)品并進(jìn)行生產(chǎn)，從而能夠大大節(jié)約養(yǎng)殖場(chǎng)的生產(chǎn)投入，這將使更多的養(yǎng)殖戶愿意進(jìn)行工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖，對(duì)我國(guó)大面積推廣工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖有重要意義。

一、泡沫分離器關(guān)鍵參數(shù)分析

1.泡沫分離器工作原理

工廠化循環(huán)水處理系統(tǒng)主要處理的對(duì)象包括餌料殘?jiān)⒓S便、有機(jī)物、細(xì)菌等，其中有機(jī)物處理的主要設(shè)備是泡沫分離器。其工作原理是向水體中通入氣體形成氣泡，使水中的表面活性物質(zhì)(如蛋白質(zhì)等)或疏水性的懸浮物被微氣泡(直徑0.1～0.5毫米)吸附，并借氣泡的浮力上升到水面形成泡沫，最后通過排液口將水中的溶解物和懸浮物排出(Feitosa K等，2006)。典型的泡沫分離器主體為一個(gè)簡(jiǎn)單的圓柱形氣泡液體接觸反應(yīng)器，如圖1所示。

圖1 泡沫分離器工作原理

2.泡沫分離器水處理效率的影響因素分析

泡沬分離技術(shù)主要包括兩個(gè)過程，即通過氣泡吸附待分離的溶質(zhì)以及對(duì)氣泡上所吸附的物質(zhì)進(jìn)行排出或收集，因此泡沫分離效果主要取決于目標(biāo)物質(zhì)的吸附能力和泡沫的排液能力(Fabio Brambilla 等，2008)。關(guān)于提升目標(biāo)物質(zhì)的吸附特性，許多學(xué)者做了不同的研究。羅國(guó)芝等(1999)認(rèn)為泡沫分離法與氣泡大小、廢水黏滯度、表面活性物質(zhì)的濃度、pH、氣泡與廢水接觸的時(shí)間、氣流速度等因素有關(guān)。于向陽(yáng)等(2005)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泡沫分離與氣液比、有機(jī)物濃度以及分離器內(nèi)水體高度有關(guān)。錢少瑜等(2009)認(rèn)為泡沫在塔內(nèi)泡沫相中的停留時(shí)間不是排液速率的決定性因素，氣速對(duì)排液速率的影響很大。季明東等(2018)認(rèn)為減小氣泡直徑和增加水力停留時(shí)間(HRT)可以提高細(xì)微顆粒物的去除率，但會(huì)有極限值，并且氣泡越細(xì)小，要達(dá)到較高去除率時(shí)所需的HRT越長(zhǎng)。

針對(duì)泡沫排液能力的提升，有許多學(xué)者設(shè)計(jì)了不同改進(jìn)型的設(shè)備進(jìn)行研究。Jiang等(2011)利用斜臂塔增加了泡沫相長(zhǎng)度，停留時(shí)間增加，泡沫有更多的排液時(shí)間，提升了大豆蛋白廢水中蛋白質(zhì)的富集比。殷昊等(2013)為了強(qiáng)化泡沫相排液，研究了斜臂塔對(duì)分離效率的影響，認(rèn)為斜臂塔最佳傾斜角度為40。韋殿杰等(2011)為提高BSA的富集比，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)化排液的泡沫分離設(shè)備，在水平的泡沫相部分裝有一個(gè)與水平面夾角為10°的斜板，在最佳條件下，利用該泡沫分離設(shè)備回收BSA，其富集比值為7.9，是傳統(tǒng)泡沫分離設(shè)備的1.8倍。

綜上，筆者認(rèn)為影響泡沫分離的關(guān)鍵因素可分為3類，一是水體本身的特性，如pH、有機(jī)物濃度、溶液中離子濃度等；二是氣體特性，如氣流速度、氣泡大小、泡沫層高度；三是分離器的結(jié)構(gòu)特性，如幾何外形、內(nèi)壁材料潤(rùn)濕性能、水體停留時(shí)間等。其中后兩類是影響泡沫排液能力最為關(guān)鍵的因素，它們都與泡沫分離設(shè)備的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。

對(duì)于以上3類因素在養(yǎng)殖循環(huán)水的泡沫分離處理應(yīng)用中，養(yǎng)殖水的特性一般由養(yǎng)殖類別不同而不同，在泡沫分離處理過程中調(diào)節(jié)范圍有限；氣體的特性可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，如采用文丘里管和離心水泵等；而關(guān)于泡沫分離器的結(jié)構(gòu)，韓娟等(2022)通過對(duì)近幾年的泡沫分離設(shè)備的發(fā)展進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)很多改進(jìn)的泡沫分離設(shè)備在顯著提高目標(biāo)物富集比的同時(shí)降低了回收率；有些添加內(nèi)部構(gòu)件的泡沫分離設(shè)備的機(jī)理較復(fù)雜，某些構(gòu)件的添加機(jī)理未能作合理解釋；某些改進(jìn)泡沫分離設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高，限制了其推廣使用。根據(jù)工廠化養(yǎng)殖工程應(yīng)用的現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為在沒有最優(yōu)設(shè)備的情況下，可以在當(dāng)前應(yīng)用最廣的圓筒型泡沫分離器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在設(shè)計(jì)的過程中通過參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，而生產(chǎn)過程中設(shè)備材質(zhì)則可以根據(jù)養(yǎng)殖水的特性合理選擇，最終確保該設(shè)備的水處理效率與降低養(yǎng)殖成本的需求相統(tǒng)一。

3.泡沫分離器設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

在循環(huán)水處理系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，泡沫分離器設(shè)備的選型主要根據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)的空間大小、養(yǎng)殖水的處理量及處理效率要求來進(jìn)行。綜合上面的分析，在保證泡沫分離器的水處理效率的前提下，滿足單位時(shí)間養(yǎng)殖水處理量的需求是對(duì)該設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。筆者將各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行整合，如表1所示。

表1 泡沫分離器關(guān)鍵參數(shù)

二、泡沫分離器參數(shù)化模型設(shè)計(jì)

工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造離不開功能強(qiáng)大的軟件支撐，本文選擇行業(yè)普遍使用的西門子PLM 的NX軟件，它是集CAD、CAM、CAE于一身的綜合性軟件產(chǎn)品，能全面提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)的靈活性和效率(丁剛等，2016)。NX 軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是利用同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀上的相似性，以相關(guān)參數(shù)為變量，利用軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能(如表達(dá)式)對(duì)模型進(jìn)行定義，設(shè)計(jì)時(shí)賦予參數(shù)不同的值，模型即可快速實(shí)現(xiàn)更新(張勛，2006)。

本設(shè)計(jì)先利用NX創(chuàng)建泡沫分離器的基本3D模型，然后利用表達(dá)式賦予泡沫分離器的關(guān)鍵參數(shù)，最后根據(jù)實(shí)際需求的不同，通過改變參數(shù)的關(guān)鍵值自動(dòng)生成相應(yīng)的泡沫分離器模型。

1.繪制3D模型

在創(chuàng)建參數(shù)化模型時(shí)，先利用NX 軟件的表達(dá)式編輯器將表1中參數(shù)錄入，再創(chuàng)建模型圖，并將特征規(guī)格與定義的參數(shù)關(guān)聯(lián)(圖2)。

圖2 泡沫分離器3D模型

2.創(chuàng)建通用模型并進(jìn)行驗(yàn)證

在完成泡沫分離器外形結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要參數(shù)設(shè)定后，將3D 模型的特征驅(qū)動(dòng)規(guī)格進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為驗(yàn)證參數(shù)化模型，筆者對(duì)關(guān)鍵參數(shù)賦予不同的值，并進(jìn)行比對(duì)，如圖3 所示。由圖3 可以看出，在改變對(duì)應(yīng)的參數(shù)值時(shí)，會(huì)生成不同的泡沫分離器3D模型。

圖3 泡沫分離器不同參數(shù)模型

3.創(chuàng)建常用泡沫分離器部件族

由于養(yǎng)殖對(duì)象、水體情況、處理量的不同，泡沫分離器設(shè)備廠家由于經(jīng)濟(jì)效益因素?zé)o法設(shè)計(jì)生產(chǎn)每一種養(yǎng)殖類型和不同需求的設(shè)備型號(hào)，因此更普遍的情況是設(shè)計(jì)生產(chǎn)幾種不同型號(hào)的設(shè)備以滿足對(duì)應(yīng)類型養(yǎng)殖場(chǎng)的需求，而養(yǎng)殖場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際需要選擇現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行調(diào)適，或者根據(jù)預(yù)算情況進(jìn)行專門定制。為滿足泡沫分離器設(shè)備廠家大批量生產(chǎn)的需求，可通過NX 軟件的部件族功能，將常規(guī)設(shè)備型號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，建立標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，可以在不同循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中隨用隨調(diào)，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，降低制造周期和成本。

筆者在前述泡沫分離器參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，利用部件族電子表格創(chuàng)建泡沫分離器標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)(表2)，在部件族表格中修改和增加相關(guān)參數(shù)值即可驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有模型創(chuàng)建新的模型。

表2 泡沫分離器部件族

三、小結(jié)

本設(shè)計(jì)通過對(duì)影響泡沫分離器的水處理效率的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，合理選擇影響設(shè)備外形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而利用NX 軟件創(chuàng)建參數(shù)化的泡沫分離器3D模型。通過試驗(yàn)表明該方法對(duì)于設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用能夠快速適應(yīng)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的需求(圖4)。這種方法也可適用于其他循環(huán)水設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。因此，本設(shè)計(jì)可提升工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，為節(jié)約用戶設(shè)備的投入提供了切實(shí)可行的路徑，這對(duì)推廣工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高養(yǎng)殖效益具有重要意義。

圖4 泡沫分離器