养殖砂滤池水力特性初步研究

李训猛，潘昀，桂福坤

（浙江海洋大学海洋科学与技术学院，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山316022）

养殖砂滤池水力特性初步研究

李训猛，潘昀，桂福坤

（浙江海洋大学海洋科学与技术学院，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山316022）

循环水养殖是渔业工厂化养殖的重要模式之一，砂滤池运行效果对养殖水质起着重要作用。本文采用物理模型试验，针对石英砂砂滤池的水力学特性进行了研究。探究了不同滤层厚度、不同滤料粒径、不同水位高度对滤池中垂向流速的影响。通过处理和分析试验数据，拟合出砂滤池各水力因素与流速的数学表达式，进而为砂滤池设计提供科学参考。研究结果表明：水位高度增加，流速增大。高水位时，流速变化快，低水位时，流速变化慢；滤料粒径和滤层厚度对砂滤池中垂向流速的影响同时受水位高度的影响，模型试验得出水位高度的影响临界值为50 cm；滤料粒径为3～4 mm以及滤层厚度为40 cm相比其他组次试验结果，滤池流速达到最大，可作为工厂化养殖砂滤池的设计参数。

砂滤池；石英砂；流速

海水过滤技术是工厂化养殖中最重要环节之一。砂滤池作为一种水体净化装置，在循环水养殖中已得到广泛应用，将海水通过石英砂等多孔滤料，利用滤料的截污能力将水中悬浮污染物与海水分离，从而达到净化水质的目的。砂滤池的过滤机理可简单地表述为，悬浮颗粒通过滤层空隙，从水中运动，附着到滤料表面。完整的去除机理包括悬浮颗粒经过迁移和附着两个过程。目前，国外渔业发达国家已设计出的砂滤池能有效去除海水中悬浮杂质和胶体颗粒，其过滤效率达到99%，美国也已研发出双层、多层高速砂滤池。

相对于其他水处理工艺（如：化学处理、生物处理）而言，砂滤池过滤技术有着操作简单、投资少、效率高的优点。李亚峰学者，研究了均质滤料池与非均质滤料池中的流速对比情况，得出均粒石英砂中流速较后者提高15%，过滤周期提高13 h以上，均质滤料可提高产水量，增加经济效益。在实际养殖生产中，砂滤池多用于养殖污水的处理。很多砂滤池的设计流速比较小，而在预处理时，海水较为纯净，可适当增大滤池的流速。

目前国内外关于砂滤池的水力学特性研究较少，实际生产中大多凭借已有经验建造，没有完整的砂滤池科学理论体系作为参考。所以本文以石英砂滤料为研究对象，研究不同水位高度，不同滤料粒径，不同滤层厚度对砂滤池中流速影响，得出砂滤池流速变化规律，为砂滤池设计和建造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 滤层材料

试验所用石英砂购买于郑州巩义市，经筛网（筛网目数与粒径对照见表1）筛滤后，按其平均粒径大小共分为六种，编号与粒径关系见表2。滤料粒径的选择原则，是在保证出水水质的前提条件下，尽量选择大粒径的滤料以提高砂滤池中的垂向流速。试验前已将石英砂用自来水清洗，去除砂粒污垢和表面吸附的细小颗粒。

表1 筛网目数与粒径对照Tab.1Sieve mesh number and particle size

表2 试验石英砂编号与粒径Tab.2Quartz sand number and particle size

1.2 试验装置

该试验在浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心的砂滤池中进行。滤池尺寸为1.45 m× 0.82 m×1.62 m，具有抽水、排水、数据采集仪等配套装置，结构如图1所示。砂滤池由A、B两个水槽组成，其中A槽作为试验槽，放置石英砂，过滤。B槽作为储水槽。在A槽下方，安置钢板承托层，用于支撑上部的石英砂。承托层上铺设24目的网片，底部设有球阀。浪高仪安置于A槽上方，并外接到数据采集仪系统，用于测定不同时刻水位变化情况。砂滤池模型见图2。常用的滤网网目一般为30～100 μm，可以过滤掉36%～67%的悬浮物，网目越小，其过滤效果越好。本试验中，滤槽下方使用24目的网膜，而试验测得的流速中，也包含了滤膜的作用效果。

图1 砂滤池结构图Fig.1Structure chart of sand filter

图2 砂滤池模型Fig.2Model of sand filter

1.3 试验工况

试验中使用2号、3号、4号、5号、6号五种不同粒径的石英砂，分别测定每种砂在厚度为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm五种不同条件下的流速变化规律。另外，设置1号砂（A槽中不放入石英砂）为对照组。在进行试验前，均往A槽中注相同水位（即刻度相同）的水，每组试验重复3次，取其平均值以减少试验的系统误差。

1.4 数据处理和分析

为了更加精确地表达试验时测得的水位变化情况，抑制随机误差对本试验的影响，对试验测得的数据进行滑动平均滤波处理。其表达式为：

试验中，取N=5个连续的数据为一个小区间，并对试验数据滑动平均2次。图3中散点为4号砂且滤层厚度10 cm时的试验结果，对滑动平均处理后的试验数据散点进行回归分析，得到水位与流速关系曲线和表达式。其他组次试验结果均以图3中4号砂试验的方法进行处理和分析，为了更清楚地展示多种水力因素对砂滤池流速的影响，其他组次图中仅显示拟合曲线和表达式，如图5所示。

图3 4号砂水位与流速关系Fig.3The relationship between water level and velocity of 4 sand

2 试验结果与讨论

2.1 不同水位高度对滤池中水流流速的影响

图4给出了5号砂滤料，滤层厚度为40 cm时的水位高度与流速变化关系。从图4可以看出，当水位高度为由75～80 cm降低到45～50 cm时，滤层中流速由1.95～2.0 cm/s减小到1.35～1.40 cm/s；随着水位高度的降低，滤层中垂向流速逐渐减小。水位高度降低时，即ΔH减小，滤料中静水压力随即减小，导致滤池中流速减小。

此外，从拟合曲线的斜率可知，当水位较高时，对应的流速减小较快，水位较低时，流速减小较慢。

在实际生产运营中，为了使砂滤池更加高效地达到截污效果，可以通过增大水位高度实现，但需要建造一个足够高的滤池，这将极大地增大了其建造成本。

图4 5号砂水位与流速关系Fig.4The relationship between water level and velocity of 5 sand

2.2 不同滤料粒径对滤池中水流流速的影响

图5给出了1号、2号、3号、4号、5号、6号石英砂10 cm厚度时对应的流速变化情况。从图5可以看出，2号砂的流速明显小于其他组次流速，1号与6号拟合曲线较为接近。当水位大于50 cm时，不同编号石英砂所对应流速大小关系为：V4>V5>V6>V1>V3>V2，其中V1-V6表示1-6号砂的砂滤池中垂向流速。水位低于50 cm时，流速曲线出现叠加重合。从图中曲线的变化趋势可以看出，1号、2号、3号、5号、6号，随着水位增加，其流速已逐渐达到最大，最大垂向流速依次约为1.8 cm/s、0.9 cm/s、1.7 cm/s、1.9 cm/s和1.8 cm/s。而4号砂曲线还可继续增大。需特别指出的是，2号砂数据回归分析的R2较小，原因可能是流速较大时，B槽的水面震动对A槽影响较小，而当流速较小时，影响较大。当滤料粒径增大，其有效孔隙率、渗透率将增大，故流速增大。石英砂粒径在1～8 mm范围且水位高度小于50 cm时，改变粒径大小，流速变化较不明显。当水位高度大于50 cm时，逐渐体现出滤料粒径的影响，但并非单调递增的关系。粒径增大到一定范围，其对流速影响较不明显，可能还受水压的影响。滤料粒径的微观水力特性也仍需进一步深入研究。

图5 粒径与流速关系Fig.5The relationship between diameter and velocity

2.3 不同滤层厚度对滤池中水流流速的影响

图6给出了5号砂在不同滤层厚度时的流速变化情况。从图6可以看出，水位高度大于50 cm，5号砂不同厚度时，其流速关系为V40>V20>V10>V30>V0>V50，水位低于50 cm时，流速曲线重现叠加重合，其中V0-V50表示滤层厚度为0～50 cm时的砂滤池中垂向流速。滤层厚度为50 cm时，流速曲线明显低于其他组次。由曲线可得，滤层厚度0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、50 cm曲线在水位约为80 cm时流速趋于稳定并且达到最大，而40 cm的流速曲线还可继续增大。当水位高度大于50 cm后，砂滤池中的流速受到滤层厚度的影响逐渐体现，但其变化关系并非单调递减。滤料厚度0～50 cm时，滤层厚度对流速影响较不明显。存在水压对流速的影响大于滤料厚度的可能。目前，有关砂滤池滤层厚度集中在1 m左右，粒径大小的研究主要为0.8～1.2 mm，主要应用于污水处理，而在海水预处理方面，水中杂质较少，可适当增大流速。2000年技术进步发展规划提出改善过滤效果关键之一是L/de（L、de分别表示滤层厚度、当量直径）等于或稍大于800。国外有关专家建议，快滤池滤层的L/de在1000左右较为合适。

图6 滤层厚度与流速关系Fig.6The relationship between the thickness of filter bed and velocity

3 结论

本文以石英砂砂滤池为研究对象，探究了水位高度、滤料粒径、滤层厚度三者对滤池流速的影响。研究表明：

（1）水位高度增加，流速增加。高水位时，流速变化快，低水位时，流速变化慢。

（2）滤料粒径和滤层厚度对砂滤池中垂向流速的影响同时受到池中水位高度的影响，通过物理模型试验得出水位高度以50 cm为临界值，当水位高度小于50 cm时滤料粒径和滤层厚度对砂滤池中垂向流速的影响较不明显，当水位高度大于50 cm后料粒径和滤层厚度对砂滤池中垂向流速造成非单调的影响。

（3）滤料粒径为3～4 mm以及滤层厚度为40 cm相比其他组次试验结果，滤池流速达到最大，可作为工厂化养殖砂滤池的设计参数。

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The Preliminary Study of Hydraulic Characteristics on Breeding Sand Filter

LI Xun-meng，PAN Yun，GUI Fu-kun
(Marine Science and Technology School of Zhejiang Ocean University,National Engineering Research Center of Marine Facilities Aquaculture,Zhoushan316022,China)

Recirculating aquaculture of industrial is one of the important patterns in fishery industrialization,the effect of sand filter is an important factor that affect water quality.This article makes a research to hydraulic characteristics of quartz sand filter by physical model experiment.Explored the influence of vertical velocity of sand filter with different thicknesses of filtration bed,different diameters of the sand granule and different heights of water levels.By processing and analyzing the test data,matched a mathematics relation between the relevant factors and the velocity and then it can be used as technology reference before the design of sand filter.Results showed that with the increase of diameter of the sand granule velocity increased.High water level,velocity changed fast,low water level,velocity changed slowly.The influence of vertical velocity of diameter of the sand granule and thickness of filtration bed,at the same time under the influence of height of water level in the sand filter.With physical model it is concluded that the critical value of water level is 50cm.Compared with other group of test results filter size of 3-4 mm and filter layer thickness of 40 cm velocity maximum in the filter.This can be used as the design parameters of sand filter in factory farming.

sand filter;quartz sand;velocity

S969.38

A

1008－830X(2016)06－0521－04

2016-09-30

浙江省自然科学重点基金（Z16E090006）；舟山市海洋专项（2015C41001）；国家级大学生创新创业计划（201410340001）

李训猛（1992-），男，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向：设施渔业工程装备.E-mail:1442960054@qq.com

桂福坤（1976-），男，江西鹰潭人，教授，研究方向：海洋设施养殖工程技术.E-mail:gui2237@163.com