cstd专业组人鱼自然参赛作品文档格式.docx
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黄继国
孙猛,董莉莉,张宝锋
(吉林大学环境与资源学院环境工程系,长春130026)
内容提要:
本文在对传统水族箱水处理装置研究的基础上,结合污水处理的理论知识,创新性的采用物理拦截并生物降解—→硝化细菌硝化处理—→活性炭吸附的工艺设计并制造了水族箱和水处理装置一体化的设备。
本实验由“国家大学生创新性实验计划项目”支持。
按照项目进度,针对设备的结构设计、安装和调试进行了研究,并对撒入鱼苗后的初期水质进行了监测,实验数据表明水中的有机物含量可以满足微生物生长代谢的需要,为后续实验提供了理论依据。
关键字:
水族箱;
水处理装置;
降解菌
Newwatertreatmentdeviceforaquarium
SunMeng,DongLi-li,ZhangBao-feng
(JilinUniversityenvironmentalengineeringdepartment,Changchun,130026)
Abstract:
Inthispaper,onthebasisofthestudyoftraditionalaquariumwatertreatmentdevice,withthetheoreticalknowledgeofsewagetreatment,wemadetheinnovationoforiginaltechnology,andusedtheprocessincludingphysicalandbiologicaldegradationprocessing—→nitrifyingbacterianitrifyingprocessing—→activatedcarbonadsorptiontodesignandmanufacturetheequipmentintegratingaquariumwithwatertreatmentdevice.Thisexperimentbelongsto“TheInnovativeExperimentProjectofNationalUniversityStudents"
.Inaccordancewiththeprogressoftheproject,thispaperisfocusingonthestudyofequipmentofstructuraldesign,installationanddebugging,testingthequalityofwaterintheearlystagesjustafterInputtingfishes,whichprovidesatheoreticalbasisfortheselectionoforganicwastedegradingbacterium.
Keywords:
aquarium,watertreatmentsystem,degradingbacteria
课题背景
随着我国经济的飞速发展和人民生活水平的提高,水族产业蓬勃发展,水族箱已经成为众多的休闲娱乐场所必不可少的装饰,并逐步走进了千家万户。
与此同时,水族产业飞速的发展,必然带动着一系列水族产品研制的热潮。
如今,国内的一些研制水族设备的企业,比如著名的佳宝集团和创星集团,每年投入的科研经费就达千万,产品收益也很可观。
安装于水族箱内的各式水族箱过滤器(沉水式,内置式,外置式,滴流式)、自动温控加热器、温度计、照明灯、可调流量空气泵等水族设备,能促进水族箱内的水环境长期保持一个良好的状态。
我国大部分水族箱的水处理系统采用的都是物理过滤—→生化过滤—→活性碳吸附过滤的水处理工艺流程[1]。
在这样的水处理系统中,对于水质的改善最为明显的即为物理过滤,此过程需要在过滤器内填装过滤海绵,使其有效的拦截水族箱中的大颗粒食物残渣和鱼类的代谢废物,使水中无明显悬浮物存在,让水变得清澈透明。
但这一物理过程的顺利实施是需要频繁更换或清洗过滤海绵才能够达到的。
因为水中的这些固体废物会很快阻塞海绵,使过滤海绵的渗透能力几乎减弱为零,过滤棉的质量问题也会影响拦截的效果。
这样就严重影响了物理过滤,从而使悬浮物得不到有效去除或水头损失过大,影响整个水族箱的美观及鱼类的生存环境。
本课题研究方向
对于用水族箱养鱼来说,水处理装置是水族箱的重要组成部分,一个良好有效的水处理装置不仅可以净化水质、为鱼类的健康成长提供优质的条件,也可使水族箱保持长久的观赏性。
鉴于传统水处理装置的弊端,于是我小组设计了新型水处理装置,此装置分为以下三部分:
1.物理过滤并生物降解部分。
计划从自然界中筛选一类菌,使其附着生长在物理过滤阶段的滤料上,降解截留在填料中的排泄物、残饵、粪便等,同时又可以将有机颗粒物中多余的有机氮转化为氨氮。
2.硝化作用部分。
计划采用载体截留固定化法固定硝化细菌,利用上一阶段产生的铵氮,经硝化反应转化为水中藻类和水草所需的硝酸盐氮。
3.活性炭吸附过滤部分。
计划利用活性炭的截留、吸附性能进一步净化水质。
如果上述想法能够顺利实现的话,可在水族箱及其水处理装置中实现一个较小的生态循环系统,达到一个“绿色环保”的工艺处理流程。
此工艺优于常规的单纯物理过滤的处理效果,且可以大大减少清洗或更换过滤棉的麻烦,这样就提高了过滤系统的自动化和处理效果。
而且,这些菌株也可推广应用于大型养鱼塘的底泥处理之中。
创新点
1.把污水处理中对有机颗粒物的处理技术应用到水族箱净化系统中,解决生活中的实际问题。
通过改进的净化系统,提高了养鱼的自动化程度。
2.从自然界中筛选菌种,经驯化后降解水中有机大颗粒物质,并将多余的氮转化为硝化细菌的养料——铵氮,然后由硝化细菌转化为水中藻类和水草的养料——硝酸盐氮,达到预想的“绿色环保”的流程工艺。
3.打破传统水族箱与水处理装置分离的设计理念,而将两部分合二为一,从而减少不必要的管路连接,降低水头损失和设备造价。
本课题研究现状
本课题于2007年10月份经校内专家初审和复审,最终获得了“国家大学生创新性实验计划”国家级项目支持。
现在本小组正在按项目进度计划进行实验工作。
项目
时间
查阅资料
2007年11—12月
自主设计项目实验装置设计方案
2008年1月
实验设备加工、安装、调试及运行研究
2008年2—6月
实验菌种的筛选、培养与驯化,
同时撰写论文,准备申报专利材料。
2008年6—12月
数据统计、处理与分析
2009年1—3月
填写结题表、撰写总结报告、参加结题答辩
2009年4—6月
表1项目进度日程安排
一水族箱水处理装置的工艺原理
水族箱水处理装置主要由三部分构成:
物理拦截并生物降解部分,硝化细菌处理部分和活性炭吸附部分。
原理示意图如下所示:
图1装置工艺原理示意图
1.1物理拦截并生物降解部分
此过程是装置中最重要的组成部分,也是我们研究和改进的核心。
优质的物理过滤效果,可使水中无明显悬浮物存在,让水变得清澈透明。
以往的物理过滤主要通过过滤海绵的物理拦截作用去除水中鱼类的食物残渣和代谢废物等有机颗粒,这种单纯的物理拦截往往在初期是很有效果的,但几天之后,大量沉积在过滤棉上的废物会降低过滤棉的渗透性,直至使水几乎无法渗透。
研究发现,自然环境中存在一些菌类,可以高效快速的降解水中的有机颗粒废物,并可以在碳氮磷摩尔比小于100:
5:
1的条件下[2],将多余的氮转化为铵氮。
因此,我们设想从自然界中筛选此类菌,使其附着生长在物理过滤阶段的滤料上,降解截留在滤料上的有机颗粒物,同时又可以将颗粒有机物中多余的氮转化为铵氮,使之成为下一阶段生化处理中硝化细菌的代谢氮源,然后由硝化细菌产生水中藻类和水草所需的硝酸盐氮,从而达到一个“绿色环保”的工艺流程。
如果上述想法能够顺利实现的话,经物理拦截并生物细菌降解的共同作用,不仅可以减少清洗和更换过滤棉的麻烦,而且能够增强过滤系统的自动化和处理效果。
1.2硝化细菌处理部分
此处投放硝化细菌。
水中存在的有毒物质主要是NH4+及NO2-,这两种有毒的物质可由硝化细菌所消耗,并生成无毒性的NO3-,NO3-又是藻类的最佳氮肥,能被水族箱中的藻类所吸收及同化。
如果硝化细菌缺乏,水中的NH4+含量将急速增加,使鱼有致死的危险。
这便是大多数鱼类死亡的症结所在。
从池水的生态学观点来说,我们是无法防止NH4+的产生的,但是却可以采用人工强化的方法,设法提高硝化细菌的数量。
硝化细菌是异养需氧菌,可以在有氧的条件下,以水中对鱼类有害的NH4+为氮源,以O2为电子受体,通过亚硝化和硝化反应将NH4+转化为水草和其他水生植物的代谢氮源——NO3-,也同时降低了水中BOD等。
只要这类细菌的数量足够,它们就会很自然地消耗掉每天产生的NH4+,使NH4+不会在水中大量的累积下来[3]。
硝化细菌发挥作用的关键是保证其种群的优势,因此,要为它们塑造一个理想的繁殖场所。
硝化细菌在繁衍过程中,有附着于固定物外表的倾向,若能在水中安置一些表面积大的多空隙固定物质供其附着,它就能迅速地附着在这些固定物的表面上,并开始增殖,形成生物膜。
然而,要在水族箱中安置固定物通常是不可行的,理由是这种方式可能会阻碍鱼类的活动。
比较可行的处理方式是在水处理装置中安置生化培养球(后简称生化球),生化球这种产品是专门为硝化细菌提供一个繁衍场所而设计的,它通常是由黑色的塑料骨架所制成,大小约为3~5公分直径的空心球体,并有很大的表面积可供硝化细菌附着。
硝化细菌依附在这种人造的球体上进行硝化活动,使过滤水中的NH4+及NO2-被硝化细菌所消耗。
此工艺可使水质改善,使鱼类有更好的生存环境。
考虑到如果后续处理能加以反硝化过滤,通过厌氧的反硝化细菌的作用,又可将硝化过程产生的NO3-还原为N2从水中逸出,从而一个稳定的氮循环系统。
但是否能在一个反应器中同时建立有氧和缺氧的反应环境,实现硝化与反硝化的共存,还有待于我们后续装置的研制[4][5]。
1.3活性碳吸附部分
此处填料以活性炭为主,外加一些多孔吸附性物质。
活性炭主要用于除去水中的污染物、脱色、过滤净化液体等。
目前活性炭在水处理在技术中挥着越来越大的作用。
本实验选用以椰子壳为的原料制造的活性炭,因为在同等条件下,它有着最大的比表面,吸附水中一些金属离子和微小悬浮物的效果就更好。
应用活性炭作为装置的末端处理部分,希望能升华装置的处理效果,使水质更加清澈透明。
二水族箱及水处理装置的设计和制作
2.1水族箱及水处理装置的设计要点
水处理装置的设计要点主要有:
(1)水处理装置的体积。
水处理装置直接影响其在实际运行中的可行性,如装置太小则会产生截留的颗粒有机物积累速度大于降解菌的降解速度,造成堵塞,装置太大既不美观又浪费,因此设计出合适的水处理装置变得尤为重要。
同时水处理装置的体积决定了污水的停留时间,基本也是污染物与降解菌的接触时间,直接影响处理的效果。
其意义在于可以得知一定体积的反应器可处理的水量,进而得知实际应用时一定体积的水族箱需配用多大的降解式过滤器,为实际应用提供依据。
(2)水处理装置的结构。
包括进出水方式,污水与填料的接触方式和三部分之间的连接方式等,原则是尽量避免反应区出现死角,加大污水与填料的接触程度,提高去除效率[6]。
同时,装置应易于拆卸,
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