潜水推流器作用下八边形养殖池的集污性能

吴彦飞， 张清靖， 桂福坤， 张泽坤， 陈庆龙， 冯德军*

(1. 浙江海洋大学，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江 舟山 316022；2. 北京市农林科学院水产科学研究所，渔业生物技术北京市重点实验室，北京 100068；3. 浙江海洋大学水产学院，浙江 舟山 316022；4. 广东海洋大学海洋工程学院，广东 湛江 524088)

池塘养殖是中国重要的水产养殖模式，根据2020年渔业统计年鉴，中国池塘养殖面积达到2.645×103hm2，占淡水养殖总面积比重的51.69%[1]。近年来，我国的池塘养殖产业有了较大的发展，对我国水产养殖业产生了促进作用[2-3]。但是，由于缺乏统一规划，水域养殖水环境容量、污染负荷缺乏科学研究，投饵养殖过程中产生的残饵、粪便等固态污染物累积造成的池塘养殖水质恶化等问题亟待解决[4]。饲料残饵和动物粪便是养殖水质污染的主要来源，如果不及时处理将会严重影响养殖对象的生长[5]。目前，池塘养殖集排污方式比较粗糙，通过水车式增氧机驱动养殖池内的污物聚集至养殖池的中央，然后拔管进行底部排污是主要的集排污方式。但是，水车式增氧机的主要作用是增氧，而且其动力有限，只能驱动小范围内的水体。潜水推流器作为一种重要的污水处理设备[6-7]，被广泛地应用于生物法污水处理工艺中，其主要作用是防止生物池内产生活性污泥沉积。潜水推流器的工作原理是通过潜水电机经过减速装置带动叶轮低速旋转[8]，从而推动水体混合流动，因此具有混合水体和推流的双重作用。目前，已有养殖企业将潜水推流器应用于大型室外养殖池内，是驱动池塘养殖池水体并将污物聚集至养殖池中央的一种尝试。然而，养殖池内潜水推流器的布置方式尚没有理论依据，大多仅凭水产养殖者的主观经验，缺乏专业的科学指导。因此，如何设置潜水推流器实现水体混合搅拌的同时还能增强池塘养殖池的集污能力是亟待解决的问题。

目前，潜水推流器的研究主要集中在污水处理方面。李正勇[9]在研究潜水推流器对于炼油污水的作用中发现氧化沟的充氧和推流之间必须通过潜水推流器实现，潜水推流器的投入使用，起到混合污物，提供足够的水平流速作用。陈云峰等[10]通过数值模拟研究了推流器布置对实验池水流速度场的影响，提出三推流器方案，并通过加设导流板和调节潜水推流器的角度得到了较为理想的环流速度场。但针对潜水推流器布设方式对养殖池内残饵粪便等污物运动聚集方面还未见研究报道，很难为潜水推流器布设方式提供科学全面的指导。目前常用的养殖池塘集排驱动设备是射流管和水车式增氧机。于林平等[11]在单进水管结构对单通道矩形圆弧角养殖池进行了水动力特性研究，通过流体动力学仿真技术，基于有限体积法和有限差分法进行三维数值计算模拟，结果显示，进水管采用圆弧角位置布设，同一日循环次数(射流孔数恒定)工况下，弧壁单管布设位置的养殖池底部速度分布均匀性明显优于直壁单管布设位置。赵乐等[12]研究了循环水养殖系统管式射流池内的集污效果。桂福坤等[13]通过水车式增氧机驱动下方形圆切角养殖池集污水动力试验，研究了水车式增氧机在不同的布设角度、布设距离比、驱动流速对方形圆切角养殖池内污物聚集和流场特性的影响。这些研究之间虽然不直接相关，但可以为在室外大型养殖池中潜水推流器的布设方式提供参考依据。

本研究以典型的八边形养殖池为对象，通过物理模型试验的方法，尝试探究潜水推流器的布设角度θ(叶轮轴线与养殖池池壁方向组成的锐角)，布设距离比d/a(中垂线模式：d1为推流器叶轮轴线中点与最近的池壁之间的距离，a1为八边形养殖池长边边长；对角线模式：d2为推流器叶轮轴线中点与最近的短边边长之间的距离，a2为八边形养殖池排污口与最近的短边边长之间的距离)、潜水推流器数量n以及布设模式(潜水推流器在八边形养殖池的布设模式，分为对角线模式和中垂线模式两种)等布设参数对池内污物聚集特性的影响规律，研究结果可为八边形养殖池内潜水推流器的布设方式提供参考与依据。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验在浙江海洋大学国家海洋设施养殖工程技术研究中心设施养殖实验室进行，实验装置如图1所示，养殖池为八边形(图1-a)，池壁长a=120 cm，切角边b=30 cm，内壁高40 cm (图1-b)，池底中心设有半径为1 cm的圆形排污口。按照1∶10的几何比例制作潜水推流器模型，模型主要由电机(常州市丽控机电有限公司，转速400 r/min)、叶轮(图1-c，半径6.9 cm)、固定装置等组成(图1-d)。试验中使用自来水，中心水深25 cm，边长∶水深=24∶5。根据物理模型试验中的模型相似原则，在潜水推流器模型缩放比为1∶10时，污物模拟物也应该缩小10倍，但实际中难以获得此尺寸的污物替代物，考虑到污物尺寸对试验结果影响较小并且参照已有的研究[14]，使用直径1.6 mm，长度3.0 mm的柱形沉性对虾饲料替代养殖池内的残饵等固体颗粒污物。通过养殖池集污试验照片(图1-b)可以看出，不锈钢板上固定量角器，在量角器上用指针规定起始方向和角度，通过转动不锈钢棒调节潜水推流器与池壁的角度，通过调节推流器在铝型材轨道上的位置调节潜水推流器的布设距离。使用固定在养殖池正上方的高清相机(aoni奥尼C95)拍摄池内污物的分布情况。

1.2 实验设计

实验方案 本研究通过物理模型试验的方法研究潜水推流器布设角度θ、布设距离比d/a、数量n以及布设模式对八边形养殖池内污物聚集特性的影响。具体实验方案及试验工况如下。

①布设角度θ对池内污物分布特性的影响：在潜水推流器数量为2，布设模式为对角线模式，布设距离比为1/4的设置工况下，分别将布设角度θ依次调整为0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°，观察八边形养殖池内污物运动及聚集情况。

②布设距离比d/a对池内污物分布特性的影响：在上一步的基础上选取试验效果较好的布设角度：30°、40°、45°、50°，分别选取2个潜水推流器中垂线放置、对角线放置，然后将布设距离比d/a依次调整为0、1/2 (1/4工况在试验方案①做过)，研究2个推流器作用下中垂线及对角线两种布设模式情况下布设距离比对养殖池内污物聚集效果的影响。

③潜水推流器数量n对池内污物分布特性的影响。依据①②的研究结果，选取推流器推流角度θ为40°、45°、50°，布设距离比为1/4中垂线放置，将推流器数量分别调整为1、2、3、4个，研究潜水推流器数量对八边形养殖池集污性能的影响。①、②中已经做过的工况，不再重复。

④潜水推流器布设模式对池内污物分布特性的影响。在上述实验的基础上选取2个潜水推流器，选择试验聚污效果较好的推流角度20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°，布设距离比为1/4，研究2个推流器作用下中垂线及对角线两种布设模式情况下养殖池污物聚集情况。①、②、③中已经做过的工况，不再重复。

实验流程 ①检查潜水推流器能否正常运行，按照试验方案依次调节潜水推流器数量n、布设角度θ、布设距离比d/a以及布设模式，为了模拟养殖池的实际养殖情况，将1根亚克力管插在排水口处，防止污物从中心的排污口流出。②开启潜水推流器直至养殖池内水体运动稳定(约需5 min)，然后开启相机。③称取30 g沉性固体颗粒饲料均匀撒于养殖池内，观察并记录养殖池内污物的运动聚集过程。④ 30 min后关闭潜水推流器和相机，拔掉排污口处的亚克力管，排净池内的污物，然后进行下一组试验。

1.3 数据分析

利用MATLAB软件处理相机采集到的污物分布图像[15-17]：①利用rgb2gray函数将原始图像转化成灰度图[18]。②将灰度化的图像进行二值化处理，通过设定阈值将污物与池底面分离。该研究中将灰度索引值阈值设置为140，即像素点的灰度索引值大于140时，将像素点的颜色设为白色，像素点的灰度索引值小于140时，将像素点的颜色设为黑色，进而确定污物的位置[19]。③根据每个污物点的坐标计算出其到养殖池中心(排污口)的距离，找出所有污物距离中的最大值。为了后续表达简洁，本研究将污物分布距离的最大值记为Lmax。每种工况下，Lmax数值越大，表明污物距离池中心越远，排污时越不容易排出。因此，通过比较不同试验工况下污物的Lmax可以衡量潜水推流器的设置对八边形养殖池集污性能的影响。

2 结果

2.1 布设角度对污物聚集的影响

2个潜水推流器形成的水流方向为逆时针，除80°和90°之外，其余布设角度下养殖池内的饲料均聚集在养殖池的中心排水口附近，饲料总体倾向于集中分布在排污口附近，随着推流角度θ增大，污物聚集度明显升高，当推流器角度θ为45°时聚集度最高，之后，污物聚集度随着推流角度逐渐增大而降低，当推流角度超过70°时污物聚集度明显降低，饲料的离散度也较大(图2)。

图2 不同推流角度(θ)下污物分布原图水流方向为逆时针，下同。Fig. 2 Original photo of waste distribution under different deployment angles (θ)Water flow direction is counterclockwise, the same below. d/a=1/4, (a) θ=0°, (b) θ=10°, (c) θ=20°, (d) θ=30°, (e) θ=40°, (f) θ=45°, (g) θ=50°, (h) θ=60°,(i) θ=70°, (j) θ=80°, (k) θ=90°.

进一步利用MATLAB图像分析量化不同布设角度θ条件下的污物聚集情况(图3)，x轴代表潜水推流器的布设角度，单位(°)，y轴代表各工况下污物分布距离的最大值Lmax，单位cm。不同布设工况下的污物距离(最大相对距离)随着推流角度从0°～45°的增大而逐渐减小，之后污物距离随着推流角度从45°～70°的增大而逐渐增大，污物的聚集度开始降低(图3)。当推流角度θ为45°时，Lmax在10 cm附近，此时污物距离最短。当推流角度θ为0°时，最大相对距离Lmax为17.78 cm，此时污物距离最长。而80°、90°集污效果极差且养殖池边缘存在集污死角，因此不再对其进行定量分析(图2)。综上所述，2个潜水推流器对角线放置，布设距离比1/4，当推流角度θ为45°时，污物距离最小，集污效果最好。

图3 不同推流角度(θ)下污物距池心的最大相对距离Fig. 3 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different deployment angles (θ)

2.2 布设距离比对污物聚集的影响

图4为中垂线模式下不同布设距离比工况下的污物分布原图，图中3行4列分别代表3种布设距离比和4种布设角度。分析图中的4列可以清晰地发现，在布设角度θ为30°、40°、45°和50°工况下，污物距离排污口最大相对距离Lmax均随潜水推流器布设距离比的增加(0、1/4、1/2)而逐渐减小，污物的聚集效果也逐渐变好。当潜水推流器布设距离比为0时，此时污物及其饲料聚集呈椭圆形，而且随着布设距离比的增加，污物的聚集形状也在发生变化，八边形养殖池内污物的聚集效果较差。当潜水推流器布设距离比为1/2时，污物距离最小，污物形状变成了圆，更有利于八边形养殖池集污，因此，在此布设工况下八边形养殖池集污效果最好。进一步利用MATLAB图像分析量化不同布设距离比工况下污物距池心的最大相对距离，当布设距离比为0时，污物分布最大相对距离随着推流角度θ在30°～50°区间内的增大而减小；当布设距离比为1/4或1/2时，污物分布最大相对距离随着推流角度θ在30°～45°区间内的增大而减小，随着推流角度θ在45°～50°的增大而逐渐增大。当布设距离比为较小值(近似取0)，推流角度θ为30°时，污物最大相对距离为28.23 cm；相同的推流角度θ下，当布设距离比为1/2时集污效果最好，各推流角度工况下污物距离整体在10 cm附近，推流角度θ为45°时，污物最大相对距离最小，Lmax仅为6.39 cm。在中垂线模式下研究的30°、40°、45°、50°工况范围内，潜水推流器布设距离比为1/2时，污物聚集效果最好(图5)。

图4 中垂线模式下不同布设距离比(d/a)工况下污物分布原图Fig. 4 Original photo of waste distribution under different installation distance ratios (d/a) in the perpendicular bisector pattern(a) θ=30°, d/a=0; (b) θ=40°, d/a=0; (c) θ=45°, d/a=0; (d) θ=50°, d/a=0; (e) θ=30°, d/a=1/4; (f) θ=40°, d/a=1/4; (g) θ=45°, d/a=1/4; (h) θ=50°, d/a=1/4;(i) θ=30°, d/a=1/2; (j) θ=40°, d/a=1/2; (k) θ=45°, d/a=1/2; (l) θ=50°, d/a=1/2, the same as Fig. 6.

图5 中垂线模式下不同布设距离比(d/a)工况下污物距池心的最大相对距离Fig. 5 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different installation distance ratios (d/a) in the perpendicular bisector pattern

图6为对角线模式下不同布设距离比工况下的污物分布原图，图中3行4列分别代表3种布设距离比和4种布设角度。分析图中的4列可以清晰地发现，推流角度在布设角度θ为30°、40°、45°和50°工况下，污物距离排污口最大相对距离Lmax均随潜水推流器布设距离比的增加(0、1/4、1/2)而逐渐减小，污物的聚集效果逐渐变好。当潜水推流器布设距离比为0时，污物及其饲料聚集呈椭圆形，而且随着布设距离比的增加，污物的形状也在发生变化，八边形养殖池内污物的聚集效果较差。当潜水推流器布设距离比为1/2时，污物距离最小，污物形状变成了圆，更有利于八边形养殖池集污，因此，在此布设工况下八边形养殖池集污效果最好。进一步利用MATLAB图像分析量化不同布设距离比工况下污物距池心的最大相对距离(图7)，无论布设距离比为0、1/4还是1/2，污物分布最大相对距离随着推流角度θ在30°～45°区间内的增大而减小，随着推流角度θ在45°～50°的增大而逐渐增大；当布设距离比为较小值(近似取0)，推流角度θ为30°时，污物最大相对距离为22.80 cm。相同的推流角度θ下，当布设距离比为1/2时集污效果最好，各推流角度工况下污物距离整体在10 cm附近，推流角度θ为45°时，污物最大相对距离最小，Lmax仅为6.07 cm。在对角线模式下研究的30°、40°、45°、50°工况范围内，潜水推流器布设距离比为1/2时，污物聚集效果最好。

图6 对角线模式下不同布设距离比(d/a)工况下污物分布原图Fig. 6 Original photo of waste distribution under different installation distance ratios (d/a) in the diagonal pattern

图7 对角线模式下不同布设距离比(d/a)工况下污物距池心的最大相对距离Fig. 7 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different installation distance ratios (d/a) in the diagonal pattern

2.3 推流器数量对污物聚集的影响

潜水推流器数量对集污性能的影响见图8和图9。图8中n代表此时运转的推流器数量，图9给出了不同潜水推流器数量下污物距池心的最大相对距离。综合图9可以发现，在推流角度θ为40°、45°和50°工况下，只使用1个推流器时污物分布距离最大，污物聚集效果最差；各推流角度工况下的污物分布最大相对距离随着潜水推流器数量从1～2的增大而减小。当布设角度为40°时，污物最大相对距离随着推流器数量从2～4区间的增加而逐渐减小；当布设角度为45°时，污物最大相对距离随着推流器数量从2～4区间内的增大而逐渐增大且污物距离增加较平缓；当布设角度为50°时，污物最大相对距离随着推流器数量从2～4区间内的增大而先增大后减小，且推流器数量为4个时污物最大相对距离最小，Lmax为11.13 cm，此时聚污效果最好。但是当4个潜水推流器同时工作的时候，八边形养殖池右上角出现了污物的残留。当推流器数量为2～4个时，各推流角度工况下污物最大相对距离在10 cm上下波动，此时养殖池聚集效果较好，污物最大相对距离较为接近(图9)。

图8 不同推流器数量下污物分布原图n. 此时运转的推流器数量。Fig. 8 Original photo of waste distribution under different numbers of flow propellersn. the number of flow propellers. (a) θ=40°, n=1; (b) θ=40°, n=2; (c) θ=40°, n=3; (d) θ=40°, n=4; (e) θ=45°, n=1; (f) θ=45°, n=2; (g) θ=45°, n=3; (h)θ=45°, n=4; (i) θ=50°, n=1; (j) θ=50°, n=2; (k) θ=50°, n=3; (l) θ=50°, n=4.

2.4 布设模式对污物聚集的影响

潜水推流器中垂线和对角线两种不同布设模式下污物聚集情况如图10和图11所示。两个中垂线潜水推流器不同布设角度工况下的污物距离(最大相对距离)随着推流角度在20°～45°区间的增大而逐渐减小，在45°～60°区间内的增大而逐渐增大；当推流角度为70°时，污物没有在排污口附近聚集且饲料分散程度较大；当推流角度θ为45°时，此时污物距离排污口最大相对距离最小，集污效果最好(图10)。当两个对角线潜水推流器推流角度θ为45°时，污物距离排污口最大相对距离最小，池心附近出现了最佳的污物聚集效果(图11)。两个对角线推流器不同布设角度工况下的污物距离也随着推流角度在20°～45°区间内的增大而逐渐减小，在45°～60°区间内的增大而逐渐增大，所有推流角度也会出现一定污物的聚集，且对角线放置的潜水推流器污物聚集离散度相对中垂线放置潜水推流器较小。无论潜水推流器中垂线放置，还是对角线放置，在20°～60°范围内，角度的改变对Lmax影响不大(图12)。中垂线放置最大相对距离在20～25 cm范围内，对角线放置最大相对距离在10～15 cm范围内。相对而言，当布设角度为45°时，对角线模式优于中垂线模式。因此此时潜水推流器选择对角线布设集污效果较好。

图11 对角线模式下两个推流器不同推流角度污物分布原图Fig. 11 Original photo of waste distribution of two propellers with different deployment angles in the diagonal pattern

图12 不同布设模式下污物距池心的最大相对距离Fig. 12 Maximum relative distance of waste from the centre of tank under different position

3 讨论

八边形养殖池内集污效果的好坏直接关系到养殖池内水质的优劣，是池塘养殖过程中的核心问题。潜水推流器是氧化沟内常见的推流器械，潜水推流器作为污水处理中的一项重要设备，具有搅拌和推流的双重功能[20-21]。将潜水推流器应用在户外养殖池塘，具有很大的应用前景，其工作原理与射流管和水车式增氧机相同，都是通过推动水流运动从而起到污物聚集的效果。与其他推流设备类似，如果潜水推流器布设不合适，将会在养殖池边壁附近产生集污死角，此区域流速低，污物容易沉积，且溶解氧也较低。因此，系统地研究潜水推流器的设置方式对养殖池内污物运动汇集的影响，获取合适的推流器设置参数，对提高养殖池的集污性能，提升养殖池的养殖效益具有明显的实际应用价值。

本研究结果表明，当潜水推流器沿着八边形养殖池对角线布设，推流角度为45°时，可以在养殖池内形成良好的水平环流，污物沿池中心扩散半径取得最小值，具有较好的污物聚集效果。这与赵乐等[12]通过控制变量法研究射流管的射流速度、射流角度对方形圆弧角养殖池流场特性和底部污物聚集影响的研究结果一致。研究发现，在双射流管驱动模式下，当管式射流管的射流角度约为40°时，污物的聚集度最高，养殖池集污效果最好。Venegas等[22]通过现场试验研究了射流混合喷射器对圆形养殖池水动力的影响，结果表明当喷射器的射流方向设置为45°时，养殖池的切向速度、均匀性、混合时间和从槽中去除固相的时间等均具有良好效果。这与本研究结果高度一致，验证了实验结果的准确性。

在潜水推流器推流角度为45°工况下，布设距离比设置为1/2时，可以获得良好的集污效果。薛博茹等[23]通过数值模拟研究了单射流管模式下，射流管的布设距离比对养殖池内流场分布的影响，此时养殖池进径比(参数C/B，C为射流孔位置到养殖池池壁的水平距离，B为养殖池短边边长)设置在0.02～0.04有利于方形圆切角养殖池系统获得最佳的流场条件。薛博茹等[23]研究了中垂线模式下的布设距离比养殖池内流场分布特性，但在对角线模式下射流管布设距离比缺少进一步研究。合理的水力驱动设备能驱动水体在养殖池内形成较好的环流形态[24]，获得最优的污物聚集效果。因此，综合考虑潜水推流器布设时的实际作业难度等，建议在实际养殖过程中，将潜水推流器布设角度设为45°，布设距离比保持在1/2池壁边长范围左右，从而确保八边形养殖池获得较好的污物聚集效果。

桂福坤等[13]通过水车式增氧机驱动下方形圆切角养殖池集污水动力试验，研究了水车式增氧机在不同的布设角度、布设距离比、驱动流速对方形圆切角养殖池内污物聚集和流场特性的影响。研究结果表明，在45°工况下，随着布设距离比的增加，污物的整体聚集效果逐渐增强。其结果与本研究潜水推流器数量基本吻合，当推流器数量大于2时，各推流角度工况下污物最大相对距离在10 cm处波动，此时养殖池内污物聚集效果较好，污物最大相对距离相差不大。考虑到潜水推流器布设时经济效益以及实际作业等情况，建议在八边形养殖池内布设2个潜水推流器。由图12可以发现，中垂线放置模式下最大相对距离Lmax为20～25 cm，对角线放置模式下Lmax为10～15 cm。相对而言，当布设角度为45°时，对角线模式优于中垂线模式。因此潜水推流器建议按照对角线模式安装，以期获得较好的污物聚集效果。

4 结论

本研究探讨了八边形养殖池中，潜水推流器在不同推流角度、布设距离比、潜水推流器数量和布设模式工况下，八边形养殖池底部污物聚集情况，结论如下：

①在2个潜水推流器对角线放置，布设距离比1/4的设置模式下，布设角度为45°附近时，最有利于池内污物聚集；当布设角度大于70°时，随着布设角度的增大，八边形养殖池逐渐出现集污死角，且饲料离散程度变大。

②在2个潜水推流器对角线放置，布设角度为30°、40°、45°、50°工况下，污物聚集效果随着布设距离比的增大而逐渐增强，当布设距离比为1/2时，此时污物聚集效果最好。

③考虑潜水推流器布设时的经济效益情况和实际作业情况等，潜水推流器布设时不少于2个，因此在实际养殖过程中，潜水推流器按照布设角度45°附近布设，并按照本试验的结果调节潜水推流器与池壁的相对距离(约1/2池长处)以提高污物聚集效果。

本研究针对实验室八边形养殖池在潜水推流器作用下的污物聚集特性进行了试验，研究结果不仅可以为养殖者在布置潜水推流器时提供科学参考，也可以为后续研究提供对比和模型验证数据。由于本研究的主要目的是直观地比较不同工况下的污物运动聚集特性，因此并没有测量养殖池内的流场分布状况。接下来将开展不同工况下养殖池内的流场测量工作，以期从水动力层面阐释污物聚集的机制。实际生产中养殖池的形状较多，且模型试验工况布置具有局限性，需要通过开展数值模拟系统全面研究潜水推流器作用下养殖池水动力特性和污物聚集特性，为生产实际提供可靠的技术支撑。