中国在全球水产领域具有重要地位，其水产产量占据了世界总产量的近70%[1]。联合国粮农组织倡导水产养殖业“蓝色转型”，旨在推动可持续的渔业粮食系统发展，以提升粮食与营养安全[2]。然而，传统的粗放式养殖模式往往以牺牲环境为代价，存在受气候变化影响大、产量低、易造成环境污染等问题[3]。与之相比，陆基工厂化的循环水养殖系统(recirculating aquaculture system，RAS)通过实现高密度养殖、水资源循环利用，显著节约了土地与水资源。与传统养殖模式相比，其水耗可减少90%～99%，土地使用率也降至不足1%，RAS系统的生产过程可控，且能够抵御气候、地理和季节等外部环境的波动[4]，被普遍认为是未来水产养殖的主导模式之一。
据统计，在世界水产养殖产业中，投喂水产养殖产量已超过非投喂产量，投喂水产养殖占水产养殖总产量的 69.5%[2]。这一趋势随着RAS技术的不断进步而日益显著，使得与RAS相关的废物管理与清除问题成为生产关注的焦点。水处理是工厂化循环水持续健康发展的核心问题之一，在工厂化循环水养殖系统中，固体废物管理的关键在于基础设施水动力特性与固体颗粒固有属性的优化。目前，大多数相关研究集中在水处理设备上，如机器过滤器和生物过滤器[5]。然而，这些设备不能完全实现水净化，需要定期维护，这增加了人力物力的消耗，还可能引发二次污染，导致养殖池内废物的持续累积[6]。由于粪便、剩余饲料残饵及饲料粉末在水体湍流、动物活动、水流冲刷和泵送作用下，能迅速分解成细小颗粒，从而增加了细小颗粒物的去除难度[7]。相对而言，养殖池中较大且完整的新鲜粪便更易于捕获，其处理成本也更为经济。因此，有效的固体颗粒管理与快速清除策略，可以有效弥补现有过滤设备的不足。
本文综合评述了养殖池废物的类型与来源，并深入分析了数值模拟在固体废物去除方面的研究进展，总结了有效的废物去除方法，以期为循环水养殖系统(RAS)的稳定运作、系统优化及在更广泛领域的应用提供有益参考。
1 循环水养殖池固体废物的组成
循环水养殖池废物主要有颗粒态固体废物、溶解态代谢废物、抗微生物制剂和药物残留等。水产养殖系统中的固体颗粒物主要来自粪便、生物絮凝体(细菌或死细菌)、未食用的饲料和鱼黏液，这些颗粒的大小差异较大[8]，可将其分类为可沉降性固体颗粒和非沉降性固体颗粒(表1)。水体中的固体废物大部分颗粒粒径为0.01～1.20 mm，密度为1.06～1.19 g/cm3，有机物含量约占80%[9]。此外，工厂化养殖过程中91%的粪便和98%的残饵会集中于池底[10]。
表1 固体颗粒废物分类
Tab.1 Solid particle waste classification
类型type粒径/μmgrainsize沉降速度/(cm·s-1)settlingvelocity沉降性固体颗粒settlingsolidparticles>1002～5非沉降性固体颗粒non-settlingsolidparticles≤100—细微颗粒fineparticle<300.01
养殖池中的固体颗粒控制在允许水平对于废物的排放或回收至关重要。水产养殖过程中，不科学的投喂策略导致饲料过量，使得鱼类无法完全利用所投喂的饵料，进而在池底积累了大量残饵。饵料的特性，包括其组成成分和耐水性，对养殖池中废物的属性具有决定性影响。饲料特性不仅影响鱼类的食用程度，还影响已食用饲料在鱼体内的消化率。高消化率的饲料有助于促进鱼类生长，减少资源浪费，保持水质并提升经济效益。此外，同种鱼类对不同营养成分的饲料消化率存在显著差异，如在海水浮式网箱养殖的大黄鱼中，通过挤压法收集粪便后发现，蛋白质的表观消化率为70.7%～92.4%，其中，棉籽粕的消化率最低，仅为70.7%[11]。这些差异表明，鱼类的食性也会影响其对饲料的消化率(表2)。研究表明，粪便也是养殖池中固体颗粒物的主要来源之一，通常粪便的产生率与摄食率成正比。
表2 不同种类鱼类的消化率统计[10]
Tab.2 Statistical of digestibility in different species fish[10] %
鱼的种类fishspecies消化率digestibility肉食性鱼类predaciousfishes>90杂食性鱼类omnivorefishes≈80植食和腐食性鱼类phytophagousandsaprophagousfish<80
2 养殖池固体废物的评价方法
在探究养殖池的固体废物输运时，传统方法依赖于以一定比例缩微建立试验模型进行物理试验测量与分析，这种方法虽然直观但存在诸多局限性。物理试验成本高昂，需要改变试验参数和操作专用高精度仪器，费时费力且获得的信息有限，在操作复杂性和成本效益方面存在不足。此外，物理试验也存在时间、空间及试验次数等方面的限制。
随着计算机技术的发展，计算流体动力学(cumputational fluid dynamic，CFD)已成为一种有吸引力的替代方案。CFD是一种数值分析工具，通过离散化方法将连续的物理量场转化为代数方程组，并求解这些方程以获得场变量的近似解。与传统物理试验相比，CFD具有更高的灵活性和成本效益，不受时间和空间的限制，可以无限次进行操作，可有效支持养殖系统的研发设计[12]。目前，CFD已被广泛应用于养殖池流场的数值模拟，如使用FLUNET软件采用DPM和VOF方法进行离散相的数值模拟，评估八角形养殖池的自清洁能力[13]。养殖池中良好的水动力是促进固体废物输运的先决条件，水动力不佳会阻碍固体废物的汇聚，造成固体废物大面积长时间停留，无法快速排出，进而造成水质持续恶化。研究表明，CFD模型能够全面评估和预测养殖池的内部流体动力学特性[14]。数值模拟时，依据研究对象选择二维数值模拟或者三维数值模拟，前者节约计算时间，后者可模拟结构更复杂的养殖系统且获得的流场信息更全面。
尽管CFD技术在养殖池流场模拟方面取得了显著进展，但数值模拟的精度提升仍然是一个挑战。物理过程的复杂性及人们认知的局限，致使数值模拟过程中存在多种不确定性因素，这些因素可能导致模型参数、数值离散、边界条件和模型预测的偏差，从而影响CFD模拟结果的可信度[15]。因此，为了提高数值模拟的准确性，需要将数值模拟与物理试验结果进行验证。此外，要根据研究的流体特征选择适合的模型，在研究流体湍流问题方面常用的模型有大涡模型、RNG k-ε湍流模型等。
综上，结合CFD数值模拟技术和试验技术的优势是开展养殖池固体废物研究的有效手段。
3 影响养殖池固体废物输运性能的因素
在实际养殖过程中，养殖池的固体废物去除主要采用虹吸法、自吸泵吸污法和换水法，但这3种方法的劣势不容忽视：虹吸法无法吸出池底的污染物，自吸泵功耗大，频繁换水造成严重的水资源浪费。这些方法未充分利用养殖池水流，与其协同性不足。养殖池的池型、进排水结构等直接影响着流动模式，在提高流动均匀性和防止颗粒沉积方面有重要作用。良好的水动力可以带动固体废物靠近排水口并快速排出，有效避免了水质持续恶化[16]。同时，水力驱动的方式建设成本更小，有利于节省成本提高经济效益，适用于大型养殖池。
3.1 池型对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响
作为循环水养殖系统中的基础设施，养殖池是鱼类生长的重要空间。养殖池的设计对于鱼类的生长和生产效率至关重要。养殖池的几何结构直接影响水动力特性和固体废物的输运能力，因此选择适宜的池型对于实现高效养殖至关重要。在实际生产中，常见的养殖池类型包括圆形池、矩形池、方形圆弧角池、八角池和跑道池。此外，还有一些创新设计，如单边矩形圆弧角池。
3.1.1 圆形养殖池 该种池因其能为鱼类提供良好的流场环境，如稳定的流动模式、较高的流速，以及更加均匀的溶解氧和代谢物浓度分布[17]，故而广受青睐。由于圆形池的旋转特性，几乎可以实现完全混合状态，促进池内水流从壁面到中心、从表面到底部的较为均匀地分布。这种均匀性对于溶解氧和代谢物的均匀分布至关重要，同时也有助于通过中心排水口有效清除池底的生物固体，实现养殖池的自我清洁。
圆形池因为二次流现象而产生“茶杯效应”，提高了养殖池的自清洁性能。这种现象发生在水流沿池壁切向进入时，此时形成旋转主流，进而在主流与池底和侧壁之间由于无滑移条件而产生二次流。根据湛含辉等[18]研究，二次流现象在黏性流体的曲线运动中普遍存在，并对底部流场产生显著影响。池底的内径向流动和池侧面的外径向流动有助于将沉积的固体物质有效搬运至中心排水口，这种搬运作用比重力或离心力更为高效，固体废物的输运性能更强。尽管如此，也应避免过高的旋转速度，过高的旋转速度可能导致强烈的中心涡流，进而引发粒子的再悬浮，这可能会对养殖环境产生不利影响。综上所述，圆形养殖池在循环水养殖系统中具有明显的优势，但同时也需要注意控制流速，以避免可能的负面影响。
3.1.2 矩形养殖池 该种池在建造成本和空间利用率方面具有显著优势，但其在水动力特性上存在一些局限性，如流速较低和混合区速度不均匀[19]。这些因素可能会影响养殖池中鱼类的生长环境和水质管理。为解决这些问题，研究人员采取了多种方法来改善矩形养殖池的流场。如为改善矩形养殖池的流场均匀性及提升固体废物的沉降效率，在池中入口处安装挡板，研究表明，安装挡板比不设挡板的养殖池固体废物沉降效率提升8.2%[19]。并且通过研究进一步发现，在合适的位置增加挡板的数量，还可以最小化再循环区域的体积和耗散动能，产生均匀的速度矢量，有助于促进悬浮颗粒的沉积，提高沉淀池的水力效率。相反，如果不设挡板，最大动能的位置可能导致已经沉降的粒子重新悬浮[20]。此外，改变进水口的布局，可在矩形池中形成环流，并且在两个连续进水口之间布置挡板，进而提高了每个单元池的平均速度和速度均匀性[21]，总的来说，通过在矩形养殖池中合理设计挡板和改变进水口的布局，可以显著提高流场的均匀性，从而优化鱼类的生长环境，提高养殖池固体废物的输运效率。
3.1.3 方形圆弧角养殖池 该种池巧妙地结合了圆形池和矩形池的设计优点，兼顾较高空间利用率和优良水流均匀性等特性，排污效果显著[22-23]。与八角形养殖池相比，这种设计在流场均匀性方面表现更为出色[24]，随着弧度的增加，养殖池内部的流场均匀性得到了显著提升[23]。当养殖池的形状更趋近于圆形时，内部的死区减少，低流速区域得到改善，旋转流动变得更加流畅，从而使得流量均匀性指数整体上升[25]。研究表明，矩形圆弧角养殖池具有明显优势，这为其在养殖环境中的应用提供了坚实的基础。
3.1.4 组合单元式跑道池 组合单元式跑道池巧妙地结合了圆形养殖池和线性跑道池的优势，进水口采用切向射流设计，形成反向旋转的水流，旨在实现水质的均匀性、固体的快速去除，以及简化饲养和维护工作[26]。为进一步优化组合式跑道池的水力性能，可引入Cornell型双排水系统，该系统能实现水的部分再利用，并简化固体的分离过程。同时，通过维持适当的高流速，可以高效地冲刷、去除并收集固体，进而将这些固体与回流水分离[27]。Labatut等[28]通过物理试验对该养殖池系统的每个单元进行了速度曲线的测量。通过等值线和矢量速度图的展示，混合单元在中心流场周围形成了明显的旋转模式，这进一步证实了组合单元式跑道养殖池在提高流场均匀性和颗粒去除效率方面的显著效果。
图1 组合式跑道养殖池
Fig.1 Mixed-cell raceway
3.1.5 矩形单侧圆弧角养殖池[29] 该种池以其独特的结构设计，综合了矩形和方形圆弧角养殖池的优势，在水流均匀性、循环特性和自净化性能等方面展现出卓越性能。这种设计可为鱼类提供一个较为理想的养殖环境，有助于促进鱼类福利的提升和健康养殖的实现。
综上所述，养殖池的设计对于循环水养殖系统的成功至关重要。通过优化池型结构，可以有效提高水动力特性和固体废物的输运性能，从而为鱼类创造一个更加健康和高效的生长环境。在养殖生产实践中，根据养殖生物的种类和养殖密度，精心选择和研发适宜的池型结构，对于深入探究养殖池的水动力特性和流场特性具有重要意义，这不仅有助于优化养殖环境，还能为养殖池的科学设计和有效运营提供科学参考。
图2 不同池型的优缺点
Fig.2 Advantages and disadvantages of different tank types
3.2 进水结构对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响
进水管作为养殖池的主要动力驱动装置，是影响水动力性能和废物输运的重要因素。优化进水管设计对于提高颗粒物去除效率至关重要。为在养殖池中形成良好的流态，提高水动力性能，减少集污盲区，提升集污性能，许多学者对进水结构展开了诸多研究。多位学者通过研究进水管的布设方式、射流角度和射流间距等对养殖池水动力的影响，提出优化养殖池的流场情况，以提高养殖池的流场均匀性、循环特性和自洁能力。在布设方式上，进水管的布设位置是影响养殖池水动力的重要因素，优化进径比可有效改善养殖池系统内平均流速，提高能量有效利用率[27]。此外，有研究表明，在矩形圆弧角养殖池的单进水管驱动下，进水管布设于弧壁位置比直壁位置能够更有效提高沉降式固体颗粒物的排出率[30]，在双进水管驱动下进水管布设在弧壁位置为最优，池底部流场分布更加均匀，间隔式双进水管结构的池内平均流速和养殖池阻力系数均优于相邻式双进水管结构[31]。在进水角度上，胡艺萱等[32]在矩形圆弧角养殖池中进一步研究了进水管射流角度对养殖池水动力的影响，发现进径比d/r=0.07～0.09、射流角度为25°时，养殖池的流场特性总体上较好。在射流间距上，优化入射流间距可以有效提高养殖池整体流速、流场分布均匀性及能量有效利用系数，减小入射流的能量损失，提高排污的经济效益[22]。此外，从表3可见，在实际生产中，不同池型进水管的布局方式和射流角度的最佳范围存在差异，因此在设计和应用时应注意根据具体情况灵活调整，以达到最佳的水动力性能和养殖效果。
表3 进水结构对养殖池中水动力及废物排出的相关研究
Tab.3 Studies on inflow structure’s effect on water dynamics and waste discharge in aquaculture tanks
研究内容researchcontent池型type指标indicators结论conclusion 参考文献reference射流角度jetangle圆形池速度分布、阻力系数、能量有效利用率进水角度会影响养殖池流场,提出运用综合指标来评价水动力特征,三排水的水动力性能更好Despres等[33]进水管数量,射流角度numberofintakepipes,jetangle圆形池涡流、二次流、流量均匀性、涡量改变射流角度可获得更均匀的速度Choi等[34]进水管数量numberofintakepipes矩形圆弧角池速度分布、涡度强度、能量利用效率、流量均匀性指数进水管数量增加,流速小,中间低流速区域增加,降低了水力混合均匀性和有效能量利用率Zhang等[35]进水管高度、射流角度、进径比heightoftheinletpipe,jetangle,relativeinflowdistance圆形池平均速度和均匀系数进水角度θ=40°、进径比d/r=0.1、进水高度h=100mm时,养殖池内流场特性处于较优状态李彬涛等[36]射流角度、进径比jetangle,inletdiameterratio圆形池固体颗粒物的排出率θ=0°,d=3/8r时取得最大值95.0%;θ=45°时,d=0时取得最大值94.3胡佳俊等[37]进径比relativeinflowdistance圆形池平均流速和速度均匀系数d=1/4r,α=30°～40°,以期使养殖池内水动力特征有利于固体颗粒物的运动汇聚朱放等[38]
养殖池中进水管的进水方式与参数的调整对池中流态的影响不可忽视。目前，养殖池的进水方式主要有4种(表4)。进水方式影响养殖池的流速均匀性、二次流强度与水力混合性能，恰当的进水方式有利于形成稳定的流场环境、有效的二次流，提升固体废物的输运性能。通过改变养殖池进水参数，如进水速度和循环次数，提升养殖池的自清洁能力以满足养殖动物生长所需的水质条件。可以通过考虑特定的入水冲击力[20](Ft=Qρ(Vin-Vavg)和阻力系数
，进而实现养殖池中的特定速度。还可以针对不同养殖生物、养殖环境，设计进水流速智能调控策略，李瑞鹏等[40]根据不用时间节点对水流流速进行调控：以大菱鲆养殖为例，进水流速日常采用1.0 m/s，投饵前采用0.2 m/s，进食结束后，采用1.2 m/s。李琦等[41]在对虾高位池循环水养殖系统中研究发现，较高的水循环量可有效改善水质。
表4 4种进水方式汇总[39]
Tab.4 Summary table of four water inlet methods[39]
进水方式inletmode特点feature 主要研究内容researchcontent样式type 单孔单管singleholesinglepipe水体速度不均、水体混合能力差、容易产生无旋区,导致短路流,固体容易重新悬浮,底部废物不易排出进水高度开口均匀横管perforateduniformhorizontalpipe池底混合能力水体交换差,不利于中心排污射流角度、射流孔距离开口均匀竖直管perforateduniformverticalpipe有一定的自清洁能力,流量较大,易造成死区射流角度、射流孔距离开口均匀竖直加横管perforateduniformverticalandhorizontalpipe水体混合均匀,径向和垂直旋转速度均匀,自清洁能力良好射流角度、射流孔距离
综上，由于进水管作为养殖池的主要动力驱动装置，其布设方式、进水方式及参数调控对养殖池的水动力性能和固体颗粒物的排出效率具有重要影响。因此，可通过优化进水管的布设位置、射流角度和数量组合，改善池内的流场特性，提升固体废物排放效率。
3.3 排水结构对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响
改进养殖池的排水结构对于有效促进污物排出至关重要，是促排污的重要手段[42]。底部排水的设计直接影响着养殖池内的水流动态和旋转速度[43]。值得关注的是，排水口附近的流场非常复杂，不仅包括流动方向的变化，还涉及诸如加速流、再循环和涡流分布等动态过程[44]。有研究表明，排水系统的结构、进排水流量及底部排水口的直径对固体颗粒的排出率具有显著影响。在双排水系统中，流入速率和二次排水管直径间存在显著的相互影响，而在单排水系统中则主要受流入速率的影响[45]。养殖池的排水方式一般可分为单排与双排。双排水可以有效去除养殖池中颗粒物，如康奈尔养殖池由于大量水从侧壁排出，不会产生较大的漩涡，这避免了沉降颗粒的再悬浮，同时，可沉积的固体颗粒从池底部排水管排出提升了排污效率[43]。此外，双排水系统的性能也与分流比相关，分流比指流量通过底部中央排水管的比例。Gorle等[44]对双排水系统的分流比进行研究时发现，较大的分流比能促进涡流的形成与流速的提升。
池内排水口的位置对养殖池的水动力特性有重要影响。如在对椭球形养殖池的多入口和出口设计研究中，发现底部中心排水是颗粒去除的首选机制[46]。An等[47]在圆形池研究中发现，中心排水口能提供优于偏置排水口的混合速率和速度特性，特别是在旋转流动情况下。然而，在非旋转流动中，两者的速度特性和混合速率则相似。An等[48]的研究进一步指出，对于切向射流的圆形池，中心排水口具有更大的自清洁性能，而偏心排水会导致池中速度降低，对自清洁能力影响不大，多重排水系统如果未能提高排水速度，则可能对自清洁性能产生负面影响。
综上所述，排水结构的优化设计对于提高养殖池的水动力学性能和固体颗粒的有效排出至关重要，需根据具体池型结构和流场特性进行合理选择和调整。
3.4 池底坡度对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响
底坡在养殖池中对固体颗粒的输运具有显著的积极作用。合适的池底坡度能够促进次级漩涡的形成，这不仅增强了流动中的混合作用，而且有助于防止固体颗粒沉淀，从而确保水质的稳定性。此外，池底坡度还会影响水力性能、颗粒的受力和扩散，进而改变颗粒的运动状态。因此，为提高养殖池的集污排污效率，研究养殖池的底坡显得尤为重要。
倾斜的底部设计在养殖池中发挥着至关重要的作用，它通过增加水流的吸入区域，有效限制了固体颗粒的破裂。这种设计不仅促进了固体颗粒与水流的混合，还显著提高了养殖池的自清洁能力。特别是锥形池设计，其锥形坡度进一步增强了这一效果，使得具有锥形坡度的养殖池展现出更优的自清洁性能[45]。Gorle等[44]在八角池中采用了10°的坡底设计，以促进次级漩涡的形成，从而优化了水力性能和颗粒的输运。孙頔等[49]的研究进一步深化了对固体颗粒输运机制的理解，该研究基于建立的二维养殖池简化模型，运用泥沙运动理论，结合计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)模拟计算与核偏最小二乘(KPLS)建模方法，探究了水中悬移质和推移质颗粒的去除和启动，研究结果表明，坡度不仅影响水流的分布，而且直接改变了推移质颗粒的受力情况，在颗粒起动方面具有显著的优越性。这项研究采用创新性的方式，解决了颗粒的物理属性和多因素影响模拟的难题，突破了传统单一因素研究的局限，为降低悬浮颗粒的沉积率和提高沉底颗粒的起动率提供了新的视角，有利于深入拓展养殖池集污排污的研究。
然而，孙頔等[49]的研究模型局限在二维，可能无法完全反映三维空间中的复杂现象。为了弥补这一不足，张俊等[50]建立了方形切角三维养殖池模型，采用SST k-ω湍流模型，重点研究了底面坡度和水动力条件对水质净化效能的影响，该研究表明，随着养殖池底面坡度的增加，内部流态紊乱程度、流场湍流强度及底部出口附近压力逐渐减小，颗粒物受到的作用力也随之减小，从而促进了固相颗粒物的沉降。这一发现揭示了底面坡度与养殖池水流回转速度之间的密切关系，为提高固体颗粒在中心出口的逃逸率提供了理论依据。
综上所述，底坡对养殖池中固体颗粒的输运具有重要作用。通过优化池底坡度和水动力条件，可以显著提高养殖池的集污排污效率，为养殖池的水质管理和环境保护提供了有效的技术支持。
3.5 饵料对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响
3.5.1 饵料特性对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响 固体废物颗粒的产生与饵料特性密切相关，未食用的饵料直接影响着水质，已经被鱼类食用的饲料通过影响鱼粪便的属性与数量等因素间接影响水质。为提高养殖池中固体废物的输运性能，需要减少养殖过程中固体颗粒的含量。首先减少固体颗粒的产生，其次在不可避免产生颗粒时促进颗粒的去除[51]。由此可知，提高养殖池中固体颗粒输运性能的根本就是改善饵料质量。
在饵料中加入无害的化学成分对于提高固体废物的输运性能至关重要。在饲料中添加日粮黏合剂，如海藻酸盐和瓜尔豆胶，可显著增强鱼粪便的稳定性，从而有利于形成具有高机械去除潜力和显著提升抗浸出性的大废物颗粒[52]。这些黏合剂对鱼类的健康和宏量营养素的消化率不会产生负面影响[53]。黏合剂将增强粪便稳定性并提高抗剪切性，会减缓水湍流导致更大颗粒的粪便分解，由此废物更容易通过过滤去除，且比小颗粒更耐浸出[53]。提高饵料质量可以增加磷和蛋白质的利用效率，减少鱼类排泄量，降低饵料的分解速率，且提高了颗粒的完整性[51]。这可以最大限度地降低废物处理的容量，进而降低投入资本和运营成本。
3.5.2 颗粒特性对养殖池水动力及固体废物输运性能的影响 固体颗粒的输运性能对于维持水质和提高养殖效率至关重要。固体颗粒的物理属性，包括粒径、密度、形状和表面特性，对颗粒在养殖池中的运动和沉积行为有着显著的影响。在物理试验中，颗粒物的聚集分布特征通过图像采集和处理技术进行分析，可以反映出池内流场的分布特性[54]。在数值模拟中，颗粒运动可以采用欧拉法和拉格朗日法进行研究，拉格朗日坐标系中的颗粒由欧拉流场中得到。
颗粒物的粒径对其在流体中的输运性能起着决定性作用。斯托克斯数(Stokes number)的定义揭示了颗粒沉降速度与粒径半径平方成正比的关系，表明较大颗粒由于更大的半径而沉降更快。这种沉降速度的增加导致大颗粒在底部出口的排出速率达到峰值的时间延长，尽管对于特别大的固体颗粒，这种影响并不显著[35]。理论上，粒径大的固体悬浮颗粒物沉降速度大，在同一水力循环水平下，去除率也相对要高。小颗粒由于受重力影响较小，更容易停留在养殖池上部，受到湍流的影响会从上部排水管被冲出。相反，粒径较大(>500 μm)的颗粒由于受重力影响较大会更快地沉降[46]。刘长发等[55]在研究牙鲆养殖系统颗粒物粒径分布与沉降特性中得出结论，沉淀槽对粒径为100～150 μm的颗粒物日去除率可达29.7%，而粒径为50～100 μm的去除率则为21.8%，去除效率随颗粒物粒径变小下降较为明显。在同等水力工况下，随着养殖水体中固体悬浮颗粒物粒径减小，去除率对应呈下降趋势[56]。有学者考虑了颗粒密度比和颗粒直径进行颗粒运动模拟，以研究颗粒密度和直径对颗粒与载体湍流相互作用的影响[57]。此外，研究表明，排出率会随着粒径的增大而呈先降低后增加的趋势[30]，当颗粒的粒径超过一定范围时，颗粒的排出效率可能会降低。
颗粒的沉积模式也受到其粒径和密度的共同影响[58]，密度较大的颗粒因重力作用沉降更快，但更难被水流重新悬浮。在弧壁单管进水模式下，不同密度的固体颗粒物排出率随着密度的增加呈现先增大后减小的趋势，表明存在一个最优密度范围，超过该范围排出效率会降低[30]。有趣的是，当颗粒物的密度接近水的密度时，它们在水体中的停留时间最长[35]，这表明颗粒物的密度对其沉降行为和稳定性具有重要影响。
颗粒形状是颗粒流动行为的决定性参数[59]，颗粒形状影响着其在水中的沉降行为[60]，也会影响其水动力学特性，因为不同形状的颗粒在水流中受到的阻力不同。颗粒形状特征，如形状、圆度和表面纹理，对微观堵塞行为有重要影响，不规则颗粒通过增加滤饼的孔隙率，导致孔口处的流速更高，宏观堵塞的可能性也更高[61]。
研究表明，颗粒的物理属性对养殖池中固体颗粒的输运性能有着显著的影响(表5)。通过理解该类因素如何单独和共同作用，可以为优化固体颗粒的输运和沉积提供控制策略。
表5 不同颗粒属性对排污影响的相关研究
Tab.5 Related research table of the influence of different particle properties on pollutant discharge
池型typeDPM设置DPMsettings指标index结论conclusion 参考文献reference虹鳟跑道式养殖池troutracewayaquaculturetank颗粒粒径(692、532、350、204、61、35μm)颗粒的沉淀率692、532、350μm3种较大粒径颗粒物的沉淀率为100%,204、61、35μm,这3种粒径颗粒物的沉淀率分别54.7%、0.9%和0.1%Huggins等[62]矩形圆弧角养殖池rectangularcircularangleaquaculturetank颗粒密度(1100、1200、1300、1400、1500kg/m3),粒径(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0mm)颗粒排出率颗粒密度为1300kg/m3时排出速率最高,约90%。随着粒径的增加,停留时间缩短,排出率基本保持不变。粒径越大,排出速率在底部出口达到峰值的时间越长,但对大尺寸固体颗粒的排出速率的影响(dp>2.0mm)不显著Zhang等[35]组合单元式跑道养殖池mixed-cellraceway粒径(1、10、100、500、1000、2000、3000μm)颗粒运动路径与停留时间粒径>0.5mm时,快速沉淀并排出;粒径=0.1mm时,较长时间排出Labatut等[63]矩形圆弧角养殖池rectangularcircularangleaquaculturetank密度(1100、1200、1300、1400、1500kg/m3),粒径(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0mm)排出率,排出数量密度为1300kg/m3的颗粒物的排出速率最高。固体颗粒累计排出率随粒径增大呈现先降低后增加的趋势。薛博茹等[30]
4 存在问题与展望
循环水养殖系统(RAS)作为一种高效、环保的养殖模式，其固体废物的管理和去除是保证系统稳定运行的关键。固体颗粒的物理属性与养殖池的水动力学条件共同决定了颗粒的输运性能。但在目前的实际研究和生产中，还存在养殖池内固体输运性能不理想的问题，这会对水质、鱼类健康、系统运行及生态环境产生危害。如诱导水生动物的应激反应，影响鳃的呼吸作用，降低鱼类的抗病能力；为病原微生物提供繁殖空间，增加生物过滤器的负荷，降低其硝化性能；增加后续处理工艺的负荷与经济成本。为了优化养殖池的固体颗粒物输运性能，需综合考虑颗粒的密度、粒径、形状，以及养殖池的水动力学综合设计。通过优化养殖池的结构及改善饵料质量，可以有效提高固体废物的输运性能，促进废物的排出。同时，可以更好地理解和预测固体颗粒在养殖池中的输运行为，并为养殖池的设计和管理提供科学依据。
结合国内外关于循环水养殖池固体颗粒的输运研究现状，建议未来从以下几方面开展深入研究。
1)开展鱼类运动对颗粒输运的影响研究。鱼类运动会影响池中的湍流动能、强度和耗散率，同时会促进固体颗粒物的排出[7]。未来可综合考虑鱼类密度、生长和喂养方式对水质和颗粒物排出的影响，以及鱼类活动在促进颗粒物排出方面的作用机理。
2)开展饲养投喂对固体颗粒输运的影响研究。温度直接影响鱼类废物的产生量[64]，饲料的投喂要注意根据水温进行调整。未来可以探讨温度变化如何影响鱼类废物的产生量，以及如何根据水温调整饲料投喂策略，从而调控水动力条件，确保排污效率的稳定，并实现养殖水质的稳定。
3)开展设施大型化对颗粒输运的影响研究。以减少设施数量和提升养殖效率为目的，养殖池正向大尺度方向快速发展。但对于大尺度的养殖设施和高密度的养殖环境而言，其流场特性和颗粒物输运过程更为复杂，水质更难调控，生产管理更难，失败风险更大。因此，必须对大型化设施开展充分研究，对设施性能进行精准预测分析，以促进设施大型化的发展，同时降低风险、提升效益。
4)开展养殖设施技术创新的研究。探索不同养殖设施、不同养殖条件下颗粒输运机制，研究如何通过技术创新提高养殖系统固体废物的排出效率和稳定性，精准开发性能更优的养殖设施。
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