余曉倩

上海市水生野生動植物保護研究中心，上海 202150

中華鱘是長江珍稀瀕危物種，被列為國家一級重點保護野生動物、瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約保護物種，是長江水生生物多樣性的典型代表，也是長江流域生態(tài)環(huán)境健康狀況的指標(biāo)性物種。自黨的十八大以來，國家推進生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略部署，為響應(yīng)習(xí)近平總書記“共抓大保護，不搞大開發(fā)”的指示精神，進一步落實好《中國水生生物資源養(yǎng)護行動綱要》《中華鱘拯救行動計劃》和國家長江經(jīng)濟帶建設(shè)中“江湖和諧、生態(tài)文明”的有關(guān)要求，必須盡快采取有力措施加強中華鱘等珍稀瀕危物種的保護和宣傳。為加大宣傳力度、提高公眾對中華鱘保護的關(guān)注以及更好地研究動物行為學(xué)，某中華鱘保護基地通過新建大型科普展示水體，號召全社會參與到中華鱘等珍稀瀕危物種的保護工作中，并配套新建同等水處理能力的維生系統(tǒng)以確保該科普展示池展示水體的清澈、透明。

1 工程概況

某中華鱘保護基地新建科普展示池2 座，凈尺寸分別為20.2×30 m、16×26.2 m，池深10 m，有效水位為9.8 m，水體量分別約為5 900 m3、4 100 m3，總水體量約為1×104m3，主要用于中華鱘科普展示及中華鱘動物行為學(xué)研究，設(shè)計水體循環(huán)周期為1.5 h/次，即展示水體配套維生系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模為1.6×105m3/d。展示池養(yǎng)殖密度低，飼料、餌料投加量較少，產(chǎn)生的污染物量也較少，但該區(qū)域?qū)ν该鞫鹊人|(zhì)指標(biāo)的要求較高，依據(jù)設(shè)計任務(wù)書，水質(zhì)除滿足《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 11607-1989）外，還需濁度小于0.25 NTU。氨氮的去除是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最核心的問題，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖通常通過硝化作用將系統(tǒng)中的氨氮轉(zhuǎn)化為毒性較低的硝酸鹽，從而降低系統(tǒng)中的總氨氮濃度。養(yǎng)殖系統(tǒng)中每天產(chǎn)生的氨氮估值可以根據(jù)投飼量計算，氨氮和總投飼量之間的轉(zhuǎn)化經(jīng)驗式為[1]：

總水體為10 000 m3，展示池內(nèi)最大養(yǎng)殖密度為1 kg/m3，最大養(yǎng)殖量為10 000 kg。設(shè)計日最大投喂率為1%，日投喂量為100 kg，根據(jù)水池養(yǎng)殖密度及污染物產(chǎn)量分析，每日系統(tǒng)氨氮產(chǎn)生量為：100×40%×0.092=3.68 kg。系統(tǒng)中理論氨氮最大質(zhì)量濃度為：3 680÷10 000=0.368 mg/L。

2 維生系統(tǒng)的工藝選擇

常規(guī)海洋館等展覽水體維生系統(tǒng)通常采用“微過濾—蛋白質(zhì)分離—生物濾池—紫外（臭氧）消毒”的循環(huán)水處理基本工藝，同時需要配合每周20%的換水量。

因水體濁度要求低于0.25 NTU，因此在不加混凝劑的前提下，濾池出水濁度無法達到要求。但是在養(yǎng)殖循環(huán)水處理的系統(tǒng)中，不可不斷地投加混凝劑。目前，國內(nèi)大型水族館通常通過大量投加臭氧氧化的方式保證水體的濁度。而水體中細(xì)小顆粒是由魚的食料、排泄物和分泌物等有機物組成，大劑量投加臭氧氧化可降解細(xì)小顆粒，表面上使水變清了，但也使水中溶解性污染物變得極其復(fù)雜，給中華鱘日常生存環(huán)境帶來潛在風(fēng)險。超濾膜技術(shù)與傳統(tǒng)處理工藝相比，可在無化學(xué)試劑添加、無溫度限制的環(huán)境下進行養(yǎng)殖廢水處理[2]，具有出水水質(zhì)好、達標(biāo)穩(wěn)定、處理設(shè)施自動化程度高、水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)可調(diào)整以滿足科研要求等優(yōu)勢[3]。

本次科普展示水體的維生系統(tǒng)采用先進的“生物活性炭濾池+浸沒式超濾/砂濾”組合的處理工藝，工藝流程如圖1 所示，完全模擬濃縮自然界的生物循環(huán)處理和純物理的精密機械篩濾（精度小于0.01 um），可有效去除水中的顆粒狀物質(zhì)和氨氮等，不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，同時隔離了細(xì)菌和病毒，使中華鱘能生活在更自然的環(huán)境中，確保蓄養(yǎng)保護對象的安全性。

圖1 工藝流程圖

3 工程設(shè)計

3.1 生物活性炭濾池

生物活性炭濾池能有效去除水中的小分子有機物和氨氮，設(shè)計規(guī)模16 萬m3/d，設(shè)置1 座，分為8格，雙排布置，雙排之間設(shè)管廊?；钚蕴繛V池池水深約5.65 m。

生物活性炭濾池采用上向流形式，單格有效面積72 m2，設(shè)計空床流速11.6 m/h，活性炭層厚2.5 m，炭層接觸時間10.8 min。同側(cè)活性炭池通過渠道及進水堰進行配水，每格設(shè)DN600 進水電動蝶閥將水引入池底配水配氣渠，并通過配水配氣系統(tǒng)均勻配水至整格活性炭池。出水通過出水槽收集后進入出水渠道，初濾水排放閥門為DN400。另外，每格活性炭濾池各設(shè)DN300 手動放空蝶閥1 只。生物活性炭濾池反洗采用單氣洗方式，氣洗強度15 L/(m2·s)，配套風(fēng)機為3 960 m3/h，風(fēng)壓5 m，功率為90 kW。

3.2 浸沒式超濾膜池

浸沒式超濾膜池為精密的機械過濾，大于膜孔徑的物質(zhì)均被有效截留，幾乎能將細(xì)菌、病毒、兩蟲、藻類及水生生物等全部去除。設(shè)計遠(yuǎn)期規(guī)模12 萬m3/d，近期規(guī)模8 萬m3/d。浸沒式超濾膜系統(tǒng)分為進水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、產(chǎn)水系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)及完整性檢測系統(tǒng)等幾個系統(tǒng)。

3.2.1 超濾膜池

超濾膜池設(shè)1 排，雙排對稱布置，每排6 格，近期投產(chǎn)4 格，膜材質(zhì)為PVDF，采用簾式膜元件組成浸沒式超濾膜設(shè)備，單格膜池尺寸11.2×5.1×4.5 m。工程設(shè)計膜通量為28.1 L/（m2·h），單格膜池內(nèi)設(shè)置膜組器11 組，單個膜組器面積為3 055 m2，對應(yīng)單格膜池膜面積為3.36 萬m2。

膜架浸沒在池內(nèi)水中，淹沒深度為0.90 m。單格膜池上方設(shè)置不銹鋼活動蓋板，避光的同時也可保溫。為便于膜架維修拆卸和封堵，膜架出水管路連接接頭采用活接形式。每池設(shè)統(tǒng)一的反沖洗水管、出水管和氣沖管。

3.2.2 進水系統(tǒng)

膜池設(shè)2 條進水渠道，進水總渠寬1.90 m，負(fù)責(zé)6 格膜池總進水，進水分配渠寬1.2 m，負(fù)責(zé)單格膜池進水量分配。單格膜池設(shè)進水堰及進水閘板閥。

3.2.3 產(chǎn)水系統(tǒng)

浸沒式超濾膜通過負(fù)壓抽吸使膜絲內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，在壓差作用下，水透過膜絲的孔隙進入膜絲內(nèi)側(cè)，最終匯集到各個膜元件產(chǎn)水管中，每格膜池產(chǎn)水進入中央產(chǎn)水渠，通過中央產(chǎn)水渠內(nèi)與膜過濾池的液位差值，利用虹吸產(chǎn)生負(fù)壓，將產(chǎn)水送入清水池中。

3.2.4 排水及回用系統(tǒng)

膜池排水通過底部4 根DN200 排泥管收集匯總至DN400 排水管道中，再在DN400 管兩端設(shè)置啟動切換閥門，控制排水出路，一路跌水進入排水池，另一路跌水進入中和池。

膜池反沖洗廢水排入下疊排水池，采用單級單吸離心泵提升并均勻回用至進廠原水管道上或排放。膜池化學(xué)洗廢水進入下疊的中和池，經(jīng)中和達標(biāo)后排放。

3.2.5 氣水反沖洗泵房

氣水反沖洗水泵和鼓風(fēng)機均設(shè)置于膜濾池旁，與膜池輔助車間合建，主要用于浸沒式超濾膜及砂濾池的水反洗及氣擦洗。膜反洗強度為30 L/m2/h，設(shè)置可變頻臥式離心泵3 臺，互為備用，單臺泵流量為1017 m3/h，揚程為15 m。為防止水泵氣蝕，水泵最低吸水水位低于中央產(chǎn)水渠的最低運行水位。

空氣擦洗系統(tǒng)采用羅茨風(fēng)機供氣，共設(shè)3 臺風(fēng)機，互為備用，單臺風(fēng)量3 360 m3/h（對應(yīng)氣擦洗強度為100 L/m2/h），風(fēng)壓5.0 m，90 kw，變頻設(shè)置。

3.2.6 膜池輔助車間

膜池輔助車間設(shè)置于膜濾池旁，與膜池氣水反沖洗泵房合建，包括膜池化學(xué)清洗抽吸循環(huán)泵、真空設(shè)備、空壓機等部分。

除日常水沖洗和空氣擦洗之外，浸沒式超濾膜組件運行一段時間后，還需進行周期性化學(xué)清洗。周期性化學(xué)清洗一般包括維護性清洗和恢復(fù)性清洗兩種。浸沒式超濾膜配置化學(xué)藥劑種類為檸檬酸、NaClO 等，藥洗后的廢水經(jīng)亞硫酸氫鈉、NaOH 還原中和。藥劑貯存于綜合加藥間，分別儲存檸檬酸、NaOH、亞硫酸氫鈉和NaClO 等藥劑。維護性清洗周期30 d（可調(diào)），維護性清洗膜浸泡時間30 min，設(shè)計采用200 mg/L 的NaClO?；謴?fù)性清洗周期12～24個月（可調(diào)），恢復(fù)性清洗膜浸泡時間4～6 h，設(shè)計采用0.1%的NaClO 和0.5%的檸檬酸洗依次對膜進行化學(xué)恢復(fù)性清洗。

3.3 砂濾池（與浸沒式超濾膜池合建）

砂濾池主要去除脫穩(wěn)的細(xì)小懸浮顆粒，與超濾膜濾池統(tǒng)一布置（超濾膜池及砂濾池組合剖面見圖2），規(guī)模8 萬m3/d，共6 格，單排布置。單格過濾面積72.6 m2。設(shè)計濾速11.48 m/h，濾層上水深1.8 m。濾料采用石英砂，有效粒徑0.9～1.00 mm，厚度1.5 m，承托層砂粒徑2.0～16.0 mm，厚度0.45 m。

圖2 超濾膜池及砂濾池組合剖面圖

3.4 提升泵房（與浸沒式超濾膜池合建）

結(jié)合超濾膜池的中央產(chǎn)水總渠布置提升泵房，將超濾膜池出水和砂濾池出水提升至科普展陳池。設(shè)置潛水軸流泵6 臺，4 用2 備，單泵流量2 500 m3/h，揚程8.2 m，功率110 kW。

3.5 水力高程設(shè)計

廠區(qū)道路標(biāo)高以0.00 m 計，科普展示水池設(shè)計水位7.50 m，生物活性炭接觸氧化池進水水位6.50 m，出水水位4.80 m，超濾膜池進水水位4.25 m，產(chǎn)水水位0.00 m，通過潛水軸流泵提升至科普展示水池中。

3.6 平面設(shè)計

生物活性炭接觸氧化池平面尺寸為34.9×34.8 m；浸沒式超濾膜/砂濾組合濾池平面尺寸為47.58×40 m；提升泵房平面尺寸20.43×40 m，提升泵房與浸沒式超濾膜池反沖洗泵房合建，提升泵房水池上部為配電間和輔助車間。

3.7 系統(tǒng)特點分析

構(gòu)筑物集約化布置，占地面積小。超濾膜池和砂濾池組合布置，中和池、排水池疊于組合池下方。輔助用房設(shè)置于組合濾池旁，最大程度地集約化布置，減少構(gòu)筑物占地面積。

系統(tǒng)獨立，便于管理。超濾膜池和砂濾池反洗系統(tǒng)獨立，膜池、砂濾池均為獨立系統(tǒng)，按順序反洗，互不干擾。此外，系統(tǒng)還預(yù)留2 格膜池，遠(yuǎn)期僅需安裝膜箱，即可接入系統(tǒng)，便于實施系統(tǒng)水質(zhì)的調(diào)控。

國內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝多采用“微過濾—蛋白質(zhì)分離—生物濾池—紫外（臭氧）消毒”的循環(huán)水處理工藝。本工程創(chuàng)造性地采用“生物活性炭濾池+浸沒式超濾膜/砂濾池”組合工藝，解決了化學(xué)試劑添加的問題，設(shè)計規(guī)模為16 萬t/d，是國內(nèi)科普展示水體維生系統(tǒng)中應(yīng)用浸沒式超濾膜最大的工程實例。

合理化布置進、出水管線。科普展示池的進、出水管線較大，通過集、分水器將DN1200 和DN1400的管線分為多個DN400 的小管線，接入科普展示水體中，多點進水，以實現(xiàn)展示池內(nèi)合理布水。

4 工程投資

維生系統(tǒng)占地面積約6 500 m2，其中構(gòu)筑物總占地3 827 m2。土建工程費用估算約為1 244 萬元，工藝設(shè)備及安裝部分工程估算約為6 419 萬元，合計總投資約為7 663 萬元，噸水投資成本約為480元/t 水。

5 結(jié)語

國內(nèi)首次將“生物活性炭濾池+浸沒式超濾膜/砂濾池”組合工藝應(yīng)用于中華鱘等珍稀瀕危物種的大型科普展示水體維生系統(tǒng)中。調(diào)試階段顯示，該工藝可有效去除水中細(xì)菌等微生物、降低水體濁度至0.1 NTU 以下，達到展示水體所需的視覺上清澈、透明及維生系統(tǒng)穩(wěn)定運行的效果。該工程是浸沒式超濾膜等工藝在大型循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用的一次突破，為行業(yè)提供了工程案例數(shù)據(jù)支持。該工藝可確保出水水質(zhì)的穩(wěn)定性和安全性，這一結(jié)論也早已在多個水廠運行中得到證實[4-5]。