CN106698695A - 用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于封闭循环水养殖***的纯氧增氧方法及设备，具体是一种以有机中空纤维微孔膜材料为核心部件，实现水质净化及增氧双效功能的方法及设备。本发明利用膜技术在水体增氧基础上结合了对固体悬浮物、有机大分子杂质的过滤。在单一***中整合了循环水养殖中的多步操作，有效减少了设备占用空间，简化了管路连接；便于对整个循环水养殖***的管理，提高运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及用于封闭循环水养殖***的纯氧增氧方法及设备，具体是一种以有机中空纤维微孔膜材料为核心部件，实现水质净化及增氧双效功能的方法及设备。
背景技术
近年来随着材料科学的进步，膜技术取得长足发展，人们相继开发了满足不同需求的膜组件，目前已被广泛运用在化工、水处理和医药等领域。
封闭式循环水养殖是一项多学科交汇产生的新型养殖方式，其工艺流程一般可概括为：养殖用水先流出经机械过滤除去固体悬浮物，进入蛋白质分离器，然后进入生物过滤***除去氨氮类化合物，净化水质后采用臭氧等杀菌消毒，最后经增氧重新进入养殖池循环利用。多***协同处理使封闭式循环水养殖具有水利用率高、养殖环境可控、产品质量高等优势，被国际上公认为是现代海水养殖产业的主要发展方向。
国内早在上世纪70年代便开始了对封闭式循环水养殖的研究，但此后发展停滞，近几年才重新起步。目前，国内该技术虽然已在鲆鲽类、鳗鲡等品种的养殖上取得一定成果，但设备尚未完全实现自主化，对整个***缺乏科学有效的管理，仍与世界先进水平存在一定差距。
水中溶解氧浓度（DO）对水产养殖有至关重要的作用。传统增氧方式有化学法、机械法等。机械法增氧中常用的装置有叶轮式、射流式、水车式装置等。但这些装置能耗大、噪音大，还可能发生漏电等安全事故。微孔曝气增氧是目前推广的新型增氧技术，具有噪音小、增氧效率较高等优点。
在循环水养殖的应用中，空气增氧已无法满足其高密度养殖的需要，而采用纯氧增氧是一种保证质量、提高产量的理想方案。纯氧较为昂贵，因此通过减小气泡直径来提升传质效率及提高氧气利用率就显得尤为重要。
微孔曝气气泡直径大、氧利用率低，造成能耗高、效率低等缺陷，不适合用于循环水养殖的纯氧增氧。虽然也有人研发专门用于纯氧增氧的装置，如U型管、锥形氧接触器、射流器等。但它们都存在能耗高、氧气利用率低、氧气传质效率低等问题，这样既浪费了资源也增加了成本，同样不适合用于封闭式循环水养殖增氧。
公开号为CN 1425282 A的中国发明专利通过微孔曝气器向分散后的水流中通入高压纯氧，使其在密闭容器中反复溶解。容器中水积聚到一定体积后外排，并由微孔曝气器再次增氧。该发明的缺陷在于采用微孔曝气器增氧，气泡直径较大、气液接触面积小，难以实现高效率增氧。另外，对装置的调节需要改变其直线段圆柱体的直径和装置的高度等，操作不够简便。
授权公告号为CN 204599010 U的中国实用新型专利利用气体吸入器将氧气、臭氧混合气体吸入并在混合泵中高速运转，充分混合。上浮的气体经气水分离装置可实现循环利用，直至完全溶解完成增氧。该实用新型的缺陷在于采用的液氧、臭氧发生装置能耗大且经济性较差。而且采用的气体吸入装置、气水混合泵等装置氧传质效率低，操作较复杂，难以高效完成增氧。
授权公告号为CN 2465469Y的中国实用新型专利利用聚丙烯膜组件将氧气均匀地混入水中，压缩空气由膜丝内侧渗透到外侧水体中，气体与液体以错流的方式混和，聚丙烯为疏水性材料，气体易于透过，然而当膜孔不断润湿后，气体的透过压力增大，因此***的稳定性无法保证。
另外，现有的技术仅能实现单一的增氧或过滤操作，运用于循环水养殖***时，存在占用空间大、操作管理难、造价昂贵等缺点。
发明内容
本发明的目的是改进现有技术的不足，提供一种用于循环水养殖***的水质净化与增氧双效膜***，其优势在于：（1）封闭式循环水养殖***中两个重要环节，水质净化以及增氧可以集成到膜***中，膜***具有模块化、占地面积小的优点；（2）超滤***可以截留水中的细菌、病毒以及其它固体颗粒，比现有的封闭式循环养殖***的水净化单元更高的截留效果；（3）中空纤维膜组件可以提供较大的气液接触界面，促进氧气完全溶于水中。（4）采用纯氧为气源，可以通过控制气体流量使气体完全溶于水中，没有气泡产生，避免了氧气的流失。
为了实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下：
一种用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，包括有：
中空纤维膜组件5，其中装填有中空纤维膜丝9；
水池7；
氧气气源1，用于向中空纤维膜丝9的孔道一端中提供氧气；
输送泵6，用于将水池7中的水送入中空纤维膜组件5的壳程中，并使水渗透入中空纤维膜丝9的孔道中；
气液混合出口16，连接于中空纤维膜丝9的孔道另一端，用于将含氧液体返回至水池7。
所述的中空纤维膜丝9是指PVDF膜，单根膜丝内径范围0.1～1.5mm，外径0.2～2.0mm；PVDF膜是超滤膜。
所述的中空纤维膜丝9的材质是亲水性材料，水滴在其表面的接触角范围，接触角在40～100°
所述的中空纤维膜组件5中的膜丝装填密度为35～60%。
还包括有气体调节阀2，用于对从氧气气源1进入中空纤维膜组件5的气体流量和压力进行调节。
还包括有压力表3，用于对从氧气气源1进入中空纤维膜组件5的气体压力进行检测。
还包括有溶氧检测仪8，用于对水池7中的水中氧气含量进行检测。
氧气气源1通过氧气进口15与中空纤维膜丝9相连接，中空纤维膜丝9的孔道另一端通过气液混合出口16与水池7连接。
另外一个实施例中，氧气气源1通过集液槽13与氧气进口15连接，在集液槽13中设置雾化装置18。
另外一个实施例中，中空纤维膜组件5的壳体内设置液体缓冲部件12，用于防止液体进口10中输入的液体冲至远离氧气进口15一侧的中空纤维膜丝上。
另外一个实施例中，气液混合出口16连接于气液分离器19，气液分离器19的液相出口20与水池7相连，气液分离器19的气相出口21通过增加泵22与氧气进口15连接。
用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧方法，包括如下步骤：
i)，将氧气从中空纤维膜组件的膜丝孔道的一端输入；
ii)，将水池中的水压入中空纤维膜组件的壳程，使水从膜丝外部向孔道内渗透；
iii)，将膜丝孔道内部的气体和液体混合后，从膜丝孔道的另一端排出，并返回至水池中。
还包括有：
通过溶氧检测仪监测水池中水中氧含量。
将步骤iii)中从膜丝孔道的另一端排出的气体和液体的混合物经过气液分离后，液相返回至水池，而气相经过加压后再送入步骤i)中的膜丝孔道的一端再次输入中空纤维膜组件中。
步骤i）中，氧气从中空纤维膜组件的膜丝孔道的一端输入的压力是10～50kPa。
步骤ii）中，水压入中空纤维膜组件的壳程时的压力0.01～0.08MPa。
有益效果
本发明是一种高效率、低能耗的增氧***。采用中空纤维超滤膜增大氧气、水两相之间的接触面积，膜***单位体积传质表面积可达1600～6600 m2/m3，而传统体系一般在30~300m2/m3；曝气气泡直径与膜孔径相近（约0.02μm），使其扩散均匀并延长气液接触时间，从而增加氧传质效率。采用纯氧作为气源，结合***的高传质效率，将一般增氧设备所需的100kPa工作压强减少为30 kPa 左右，降低了能耗。采用死端操作方法，可使纯氧利用率理论上达到100%，最大限度减少氧气浪费。另外，循环水在较小的过膜压差下透过膜孔，在膜的中空通道中与氧气混和，实现了水质净化与增氧的双效作用。
本发明是一种操作简便、易于控制的增氧***。采用膜***减少了占用的空间，***的操作、调整步骤简单。另外，通过对出、入水口处溶氧浓度的监测可以轻松实现对增氧的调控，便于***的管理。
本发明利用膜技术在水体增氧基础上结合了对固体悬浮物、有机大分子杂质的过滤。在单一***中整合了循环水养殖中的多步操作，有效减少了设备占用空间，简化了管路连接；便于对整个循环水养殖***的管理，提高运行效率。
附图说明
图1是本发明提供的水质净化及增氧装置的结构示意图；
图2是另外一种水质净化及增氧装置的结构示意图；
图3是一种中空纤维膜组件及其附属结构示意图；
图4是另一种中空纤维膜组件及其附属结构示意图；
其中，1、氧气气源；2、气体调节阀；3、压力表；4、流量计；5、中空纤维膜组件；6、输送泵；7、水池；8、溶氧检测仪；9、中空纤维膜丝；10、液体进口；11、液体出口；12、液体缓冲部件；13、集液槽；14、密封；15、氧气进口；16、气液混合出口；17、脉冲泵；18、雾化装置；19、气液分离器；20、液相出口；21、气相出口；22、增压泵。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应理解的是，当一个元件被提及与另一个元件“连接”时，它可以与其他元件直接相连或者与其他元件间接相连，而它们之间***有元件。除非有明确相反的说明，否则术语“包括”和“具有”应理解为表述包含所列出的元件，而非排除任意其他元件。
本发明提供的水质净化及增氧装置的结构如图1所示，其中，包括有整套装置构成如下：氧气气源1、气体调节阀2和气压表3之间采用钢管连接，氧气气源1用于向装置中提供含氧气的气体，可以是纯氧也可以是空气等；经过气体流量计4后采用橡胶软管连接后续的中空纤维膜组件5，进行增氧操作。氧气气体从氧气气源1出发，以气体调节阀2控制，由钢管流经气压表3，在气体流量计4调节后通过软管流入中空纤维膜组件5。
同时，输送泵6将封闭的水池7中的水供至中空纤维膜组件5，输送泵6通过塑料水管与水池连接。
在增氧操作中，中空纤维膜组件5的具体结构如图3所示，中空纤维膜组件5的外部是为膜壳，组件中内部装有许多根束状的中空纤维膜丝9，在组件的两端设置有密封14，使膜丝的丝孔道与丝外部相隔，以上都为现有技术，已经为本领域技术人员所熟知。另外，在膜壳上设置有液体进口10和液体出口11，液体进口10与输送泵6相连接，将养殖水送入膜壳中，而液体出口11可以与水池7连接，也可以封闭，当它与水池7连接时，使膜壳中的水形成错流循环，未透过中空纤维膜的多余的水返回至水池，当采用错流操作时，其结构如图2所示；当它封闭时，壳程构成死端渗透，养殖水进入壳程之后，全部透过中空纤维膜的过滤进入内部膜丝孔道，当采用死端操作时，其结构如图1所示。在中空纤维膜组件5上还设置有氧气进口15、气液混合出口16，中空纤维膜丝的孔道一端与氧气进口15相连，孔道另一端与气液混合出口16相连，氧气进口15与氧气气源1相连，而气流混合出口16与水池7相连，当养殖水从液体进口10进入壳程之后，在压力的作用下会透过中空纤维膜丝9，进入至内部孔道，由于氧气与透过液是不断在孔道内部流动，随着流动的进行实现了气液的混合，使氧气溶解于渗透水中，实现了过滤、增氧集合过程后，就可以将过滤后的水体中富氧化之后，返回至水池7中，在泵的作用下实现水体循环。
在一个实施例中，可以将中空纤维膜组件5竖直放置，使氧气进口15在下方，气液混合出口16在上方，一方面可以使氧气在进入孔道之后不断上浮，逐步进行气液混合。
在另外的一个实施例中，在液体进口10上还连接有脉冲泵7，脉冲泵7向液体进口10中供入脉冲的液体流，由于流体进入壳程之后具有一定压力，而当采用脉冲输送时，其压力也呈周期性变化，可以使得透过膜丝的渗透液也出现周期性变化，这种变化能够提高与氧气气泡之间的湍动，提高氧气的溶解速度和溶解量。
如图3，在另外的一个实施例中，在膜壳的内部还设置有液体缓冲部件12，其作用是防止液体进口10中输入的液体冲至远离氧气进口15一侧的中空纤维膜丝上；在一个实施例中，液体缓冲部件12设置于中空纤维膜组件5的壳体的内壁上，液体缓冲部件12所处的位置相对于液体进口10的位置更远离于氧气进口15。由于在氧气进口15一侧的膜丝中的气体压力相对偏高，并且膜丝的孔径相对较细，因此刚进入的气体通常会占据了整个孔道，不仅影响了液体的向内渗透，而且也会影响了与液体之间的传质混合，当通过脉冲进料后，可以使这个位置上加快液体渗透，破坏气泡所占据的体积，提高混合效率；但是，当远离氧气进口10的位置上的膜丝中的气体占据的空间较小，并且这一位置上的气液流动相对平缓，当采用脉冲进料时，会由于液体的压力将聚合物膜丝压紧，影响到气液继续向出口的流动，因此，采用了缓冲部件之后，将靠近与远离氧气进口15的膜丝分隔开，使近端实现脉冲促进传质效果，而远端保持膜丝的形状和内部气液的正常平稳流动。
在另外的一个实施例中，如图3所示，在氧气进口15上还可以设置集液槽13，由于氧气进口15的位置在膜组件的下方，因此会有部分渗透液流下，因此可以将流下的渗透液存于集液槽13中，进入的氧气可以与集液槽13中的液体进行一次预混合，再进入膜丝，可以实现氧气气泡与液体的初步混合，避免气泡占据整个膜丝孔道，影响到气液传质。
在另外的一个实施例中，在集液槽13中安装有雾化装置18，可以对液体进行雾化操作，使液滴被分散雾化为微小水珠，使进入膜孔道之后的传质效果更好。
在另外的一个实施例中，如图4所示，可以将中空纤维膜丝9在组件中弯折，使进口与出口端都在组件的同一端。由于中空纤维膜丝的特点是内部孔道十分细小，通常采用的氧气进口压力范围是20～50kPa，因此，氧气在进入膜丝入口之后，通过会具有较大的压力，而水压从膜壳压入组件时的进口压力一般在0.01～0.08MPa范围，容易导致气体产生一定的透过膜层而进入膜丝外部的作用，当发生这种情况时，会阻止膜丝外部的液体的向内渗透，产生的结果就是在膜丝入口端的气体压力和液体压力达到一定的对抗，影响到这一部位的相互混合渗透；在遇到这种问题时，通常的作法并不能减小气体分压，否则容易导致进入膜丝的气体的气体量减小，使膜丝出口的液体氧气含量偏低。为解决这一问题，只能通过以低压方法供入流量较大的氧气，但是这种操作时，虽然实现了靠近氧气进口15处的膜丝内部不会受到气体压力偏高的影响，但是气体流量偏大会导致一部分氧气未经过完全吸收后就排出，造成浪费。因此，通过在气流混合出口16处通过设置一个气液分离器19，实现气体与液体的分离，液体中载有溶解氧通过液相出口20再进入水池7，而分离出的气体再通过气相出口21和增压泵22再返回至氧气进口15，实现多余的氧气的回用。通过这种改进的方式，可以使实现低压、高流量方式的气体进入膜丝，避免了气体压力过高造成的膜丝内部外部液体不能较好向内渗透和气体有向膜丝外部渗出的问题，在优选的实施方式中，可以采用10～15kPa氧气进气压力。
为了进一步减小污染，以一定的时间间隔在循环水侧通入空气，促使膜丝摆动并擦洗中空纤维的外表面。空气的压力为1～2bar。在通入空气的同时，组件上侧的液体出口打开。
当过膜压差较高（大于0.5bar）,组件长度小于1m时，透过的水量较大，水与氧气的接触时间短，出水侧的溶解氧浓度无法达到理想值（10mg/L左右）, 因此，对于较短的组件，膜在较低的过膜压差下运行。
实施例1
如图1和图3所示，中空纤维膜组件直径2寸，长度600mm，膜过滤面积1.2 m2。膜丝由高分子材料PVDF采用扩散致相转化法制备，拥有良好的过滤性能和机械强度。单根膜丝内径为0.7mm，外径为1.3mm, 最可几孔径为25±2nm, 占比大于80%，最大孔小于50nm。此孔径的膜可以较好的分布氧气，提高氧传质效率。
增氧过程中，中空纤维膜组件5采用外压式死端操作方式，提高氧气利用率。水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，在压力推动下渗透进入膜丝内部，进入膜内的流动水体与通入的氧气充分混合，增氧后的水体从出水口排出重新进入水池7。
本***的水源采用清水，氧气气源1采用工业用纯氧，能有效提高增氧效率。为实现对增氧的检测、调控，提高整体***的效能，配有气体监控装置，包括气体调节阀2、气压表3和气体流量计4。主要通过调节气体调节阀，观察气压表、气体流量计示数实现调节。
通过气体调节阀2、气体流量计4的调节，使增氧气压控制在30～40 kPa 之间，氧气流速控制在 0.1 L/min左右，循环水流速约 2 L/min。本***采用上述的操作条件，既能保证有效增氧又能避免过大能耗。
原水的溶氧浓度为5.4mg/L（温度约15℃）。在上述实验条件下，运行过程中测得组件出水口水体溶氧量可达12 mg/L左右；经过10 min的循环，产水箱内水体（约10L）总溶氧量为10 mg/L。
实施例2
如图1和图3所示的装置，中空纤维膜组件5直径2寸，长度600mm，膜过滤面积1.2 m2。膜丝由高分子材料PVDF采用扩散致相转化法制备，拥有良好的过滤性能和机械强度。单根膜丝内径为0.7mm，外径为1.3mm, 最可几孔径为25±2nm, 占比大于80%，最大孔小于50nm。此孔径的膜可以完全截留水中的固体污染物和部分大分子杂质。
过滤过程中，水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，进入压力约0.05MPa，在压力推动下渗透进入膜丝内部，而固体悬浮物及大分子杂质则被截留，完成对水体的过滤。过滤后的水体从出水口排出重新进入水池7。通过气体调节阀2、气体流量计4的调节，使增氧气压控制在20～25 kPa 之间，氧气流速控制在 0.1 L/min左右，循环水流速约 2 L/min。
本***的水源采用微污染水，主要加入污染物为CODMn、氨氮，细菌菌落级固体悬浮物。
水体经由塑料水管进入输送泵6中，流出后通过橡胶软管进入中空纤维膜组件5。水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，在压力推动下渗透进入膜丝内部，过滤后的水体从出水口排出重新进入水池7。
检测过滤效果，进水CODMn浓度为8.6～10.1mg/L，出水CODMn浓度为1.82～2.18mg/L，进水氨氮浓度为1.5～3.2mg/L，出水氨氮浓度为0.1～0.4mg/L，进水菌落总数为460CFU/mL，出水中检测不出活细菌菌落。原水的溶氧浓度为3.4mg/L（温度约15℃）。在上述实验条件下，运行过程中测得组件出水口水体溶氧量可达11 mg/L左右；经过10 min的循环，产水箱内水体（约10L）总溶氧量为9 mg/L。
实施例3
如图1和图3所示的装置，水源采用清水，装置构成如下：氧气气源1，气体调节阀2和气压表3之间采用钢管连接；经过气体流量计4后采用橡胶软管连接后续的中空纤维膜组件5。输送泵6（离心泵）的通过塑料水管与水池连接；中空纤维膜组件5通过橡胶管与水池7相连，在泵的作用下实现水体循环。另外，配有溶氧检测仪8对增氧效果进行检测。
工作流程分为水、气两大部分。氧气气体从氧气气源1出发，利用气体调节阀2控制，由钢管流经气压表3，在气体流量计4调节后通过软管流入膜组件。水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，在压力推动下渗透进入膜丝内部，进入膜内的流动水体与通入的氧气充分混合，增氧后的水体从出水口排出重新进入水池7。所采用的中空纤维膜组件如附图3所示，所用组件长度约为50 cm, 以50%的装填密度装填有500根左右膜丝。
所采用的膜丝由高分子材料PVDF采用相转化法制备，膜丝内径为0.7mm，孔径分布在0.02～0.1μm，属于超微滤范畴。此孔径的膜可以截留水中大部分的大分子杂质，而且氧气可由进气端进入膜内部，与水体充分混合完成增氧，再从出水口排出。
为达到最佳使用效果，正式开始增氧前应该对中空纤维膜组件5进行润湿、排气的预备工作。具体操作方法如下：将组件竖直放置，由进水口进水并保持出水口畅通。等出水口有稳定水流排出后即可正常开始增氧流程。
增氧过程中，中空纤维膜组件5采用外压式死端操作方式，提高氧气利用率。水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，在压力推动下渗透进入膜丝内部，而固体悬浮物及大分子杂质则被截留，完成对水体的过滤。进入膜内的流动水体与通入的氧气充分混合，增氧后的水体从出水口排出重新进入水池7。
本***的水源采用微污染水，主要加入污染物为有机物、氨氮，细菌菌落级固体悬浮物，氧气气源1采用工业用纯氧，能有效提高增氧效率。为实现对增氧的检测、调控，提高整体***的效能，配有气体监控装置，包括气体调节阀2、气压表3和气体流量计4。主要通过调节气体调节阀，观察气压表、气体流量计示数实现调节。
通过气体调节阀2、气体流量计4的调节，使增氧气压控制在30～40 kPa 之间，氧气流速控制在 0.1 L/min左右，循环水流速约 2 L/min。本***采用上述的操作条件，既能保证有效增氧又能避免过大能耗。
原水的溶氧浓度为4.7mg/L（温度约15℃）。在上述实验条件下，运行过程中测得组件出水口水体溶氧量可达12 mg/L左右；经过10 min的循环，产水箱内水体（约10L）总溶氧量为10 mg/L。检测过滤效果，进水CODMn浓度为8.7～10.5 mg/L，出水CODMn浓度为1.95～2.21mg/L，进水氨氮浓度为1.6～3.1mg/L，出水氨氮浓度为0.2～0.4mg/L，进水菌落总数为520CFU/mL，出水中检测不出活细菌菌落。
实施例4
如图1和图3所示的装置，中空纤维膜组件5直径2寸，长度600mm，膜过滤面积1.2 m2。膜丝由高分子材料PVDF采用扩散致相转化法制备，拥有良好的过滤性能和机械强度。单根膜丝内径为0.7mm，外径为1.3mm, 最可几孔径为25±2nm, 占比大于80%，最大孔小于50nm。此孔径的膜可以完全截留水中的固体污染物和部分大分子杂质。
过滤过程中，水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，液体进口在膜壳的下方，并且液体通过脉冲泵加压之后，压力以约2Hz的频率在0.05～0.08Mpa之间变动，在压力推动下渗透进入膜丝内部，而固体悬浮物及大分子杂质则被截留，完成对水体的过滤。过滤后的水体从出水口排出重新进入水池7。通过气体调节阀2、气体流量计4的调节，使增氧气压控制在20～25 kPa 之间，氧气流速控制在 0.1 L/min左右，循环水流速约 2 L/min。
本***的水源采用微污染水，主要加入污染物为CODMn、氨氮，细菌菌落级固体悬浮物。
水体经由塑料水管进入输送泵6中，流出后通过橡胶软管进入中空纤维膜组件5。水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，在压力推动下渗透进入膜丝内部，过滤后的水体从出水口排出重新进入水池7。
检测过滤效果，进水CODMn浓度为8.6～10.1mg/L，出水CODMn浓度为1.75～2.02mg/L，进水氨氮浓度为1.9mg/L，出水氨氮浓度为0.25mg/L，进水菌落总数为480CFU/mL，出水中检测不出活细菌菌落。原水的溶氧浓度为3.4mg/L（温度约15℃）。在上述实验条件下，运行过程中测得组件出水口水体溶氧量可达9 mg/L左右；经过10 min的循环，产水箱内水体（约10L）总溶氧量为7.5mg/L。
实施例5
如图1和图3所示的装置，中空纤维膜组件5直径2寸，长度600mm，在膜组件内壁的一半高度上设置有一圈隔板作为液体缓冲部件12，隔板宽度20mm，膜过滤面积1.2 m2。膜丝由高分子材料PVDF采用扩散致相转化法制备，拥有良好的过滤性能和机械强度。单根膜丝内径为0.7mm，外径为1.3mm, 最可几孔径为25±2nm, 占比大于80%，最大孔小于50nm。此孔径的膜可以完全截留水中的固体污染物和部分大分子杂质。
过滤过程中，水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，液体进口在膜壳的下方，并且液体通过脉冲泵加压之后，压力以约2Hz的频率在0.05～0.08Mpa之间变动，在压力推动下渗透进入膜丝内部，而固体悬浮物及大分子杂质则被截留，完成对水体的过滤。过滤后的水体从出水口排出重新进入水池7。通过气体调节阀2、气体流量计4的调节，使增氧气压控制在20～25 kPa 之间，氧气流速控制在 0.1 L/min左右，循环水流速约 2 L/min。
本***的水源采用微污染水，主要加入污染物为CODMn、氨氮、细菌菌落级固体悬浮物。
水体经由塑料水管进入输送泵6中，流出后通过橡胶软管进入中空纤维膜组件5。水体在泵的作用下经进水口进入膜组件的壳层，在压力推动下渗透进入膜丝内部，过滤后的水体从出水口排出重新进入水池7。
检测过滤效果，进水CODMn浓度为8.6～10.1mg/L，出水CODMn浓度为1.75～2.02mg/L，进水氨氮浓度为1.8mg/L，出水氨氮浓度为0.25mg/L，进水菌落总数为450CFU/mL，出水中检测不出活细菌菌落。原水的溶氧浓度为3.4mg/L（温度约15℃）。在上述实验条件下，运行过程中测得组件出水口水体溶氧量可达11.5mg/L左右；经过10 min的循环，产水箱内水体（约10L）总溶氧量为13.6mg/L。通过实施例4和实施例5可以看出，通过中间隔板可以有效防止脉冲流对膜丝的冲击。
Claims (10)
1.一种用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，包括有：
中空纤维膜组件（5），其中装填有中空纤维膜丝（9）；
水池（7）；
氧气气源（1，用于向中空纤维膜丝（9）的孔道一端中提供氧气；
输送泵（6），用于将水池（7）中的水送入中空纤维膜组件（5）的壳程中，并使水渗透入中空纤维膜丝（9）的孔道中；
气液混合出口（16），连接于中空纤维膜丝（9）的孔道另一端，用于将含氧液体返回至水池（7）。
2.根据权利要求1所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，所述的中空纤维膜丝（9）是指PVDF膜，单根膜丝内径范围0.1～1.5mm，外径0.2～2.0mm；PVDF膜是超滤膜。
3.根据权利要求1所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，所述的中空纤维膜丝（9）的材质是亲水性材料，水滴在其表面的接触角范围，接触角在40～100°；所述的中空纤维膜组件（5）中的膜丝装填密度为35～60%。
4.根据权利要求1所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，还包括有气体调节阀（2），用于对从氧气气源（1）进入中空纤维膜组件（5）的气体流量和压力进行调节。
5.根据权利要求1所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，还包括有压力表（3），用于对从氧气气源（1）进入中空纤维膜组件（5）的气体压力进行检测；还包括有溶氧检测仪（8），用于对水池（7）中的水中氧气含量进行检测。
6.根据权利要求1所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，氧气气源（1）通过氧气进口（15）与中空纤维膜丝（9）相连接，中空纤维膜丝（9）的孔道另一端通过气液混合出口（16）与水池（7）连接。
7.根据权利要求1所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧装置，其特征在于，氧气气源（1）通过集液槽（13）与氧气进口（15）连接，在集液槽（13）中设置雾化装置（18）；气液混合出口（16）连接于气液分离器（19），气液分离器（19）的液相出口（20）与水池（7）相连，气液分离器（19）的气相出口（21）通过增加泵（22）与氧气进口（15）连接。
8.一种用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧方法，其特征在于，包括如下步骤：
i)，将氧气从中空纤维膜组件的膜丝孔道的一端输入；
ii)，将水池中的水压入中空纤维膜组件的壳程，使水从膜丝外部向孔道内渗透；
iii)，将膜丝孔道内部的气体和液体混合后，从膜丝孔道的另一端排出，并返回至水池中。
9.根据权利要求8所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧方法，其特征在于，还包括有：通过溶氧检测仪监测水池中水中氧含量。
10.根据权利要求8所述的用于封闭循环水养殖***的水质净化及增氧方法，其特征在于，将步骤iii)中从膜丝孔道的另一端排出的气体和液体的混合物经过气液分离后，液相返回至水池，而气相经过加压后再送入步骤i)中的膜丝孔道的一端再次输入中空纤维膜组件中；步骤i）中，氧气从中空纤维膜组件的膜丝孔道的一端输入的压力是10～50kPa；步骤ii）中，水压入中空纤维膜组件的壳程时的压力0.01～0.08MPa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |