长江珍稀鱼类保育中心(以下简称保育中心)是中国长江三峡集团公司中华鲟研究所在湖北宜昌三峡枢纽区的科研、养殖与办公基地,其基本功能是研究长江流域具有代表性的珍稀和特有鱼类-中华鲟的繁殖与保护技术。

保育中心由科研养殖区与试验工作区组成。科研养殖区为单层大跨度钢结构建筑,总建筑面积35 000 m²,建筑高度21.55 m,建筑分类为单层戊类厂房;试验工作区分为科研试验区及工作区,总建筑面积10 000 m²,建筑高度9 m,建筑分类为多层公共建筑。图1为建筑总平面及建筑主要功能剖面展示。

保育中心周边市政供水水压不低于0.55 MPa。科研养殖区与试验工作区的各用水点均由市政给水管网直接供水,各室内生活用水进水总管上均采用设置调压式减压阀减压的措施,使每个用水点的静压力不超过0.2 MPa;同时在试验工作区的实验室防护区的供水总管上设置防止回流污染的倒流防止器。

室内卫生间采用污、废水合流、伸顶通气的排水系统,污、废水室外汇集后经室外埋地的二级生化处理设备处理并达到国家规定的排放标准后排入场地西侧的湿地公园;科研养殖区与试验工作区的主屋面均采用虹吸式雨水排水系统,其他附属屋面采用重力雨水排水系统。屋面雨水排水设计重现期为10年,同时设置屋面雨水溢流设施,总排水能力不小于设计重现期为50年的降雨量。

科研养殖区内主要为不燃的鱼池及循环水处理设备,符合戊类厂房火灾危险性分类的要求,不设置室内消防系统。对于试验工作区,按多层公共建筑设置室内消火栓及自动喷水灭火系统;考虑到市政供水的流量与压力均满足室内消防的设计要求,2套系统均采用常高压供水系统。

根据试验工艺要求、储存样品或试剂及试验设备的种类等因素确定试验工作区内实验室防护区的各使用房间是否采用气体灭火系统。工程设计中,细胞精子试验区内使用精密仪器的房间、储存不能随消防水流流失的试剂的储藏室、信息化系统区均采用无管网的七氟丙烷气体灭火系统,如流式细胞室、精子处理室、显微成像系统室、危险品存放室及信息化系统机房等。

室外供水管、电缆管、强弱电管、冷水机组供水管及循环冷却水管、鱼池曝气管、原水处理清水池的泄水管等均布置在室外管沟内,便于管道的维护与保养;同时不同的管道分段错开布置在不同的管段,以减小管沟的断面尺寸。除与管沟交叉的通行道路下采用固定盖板外,其他部位均采用活动盖板,避免形成封闭的地下使用空间。

保育中心的科研养殖鱼池采用具有集排污效果较好、水流死水区少、容易清洗等特点并符合中华鲟自身游动的规律、能避免其碰撞受伤的圆形鱼池^[1]1];鱼池的半径按鲟鱼不同生长阶段的外形尺寸确定为4 m及6 m。

圆形鱼池的水深主要通过径深比(直径与深度的比值)来确定,此数值超过合理的范围会导致鱼池内出现水流的“无旋区”,该区域较低的流速和较差的混合能力,导致固体物沉积,造成局部水体的溶氧量降低。国外研究成果推荐圆形池径深比的数值范围为5∶1～10∶1^[2]2]。工程设计中综合考虑鲟鱼的外形尺寸、径深比及养殖用水量等因素,2种半径鱼池的有效水深分别为1.2 m及1.5 m,对应的径深比为6.7∶1及8∶1。

考虑到运行成本,中华鲟的梯队培育主要采用流水养殖,对进水水质主要有水温、DO、pH、浊度和NH₃-N等指标的要求^[3]3]。表1为用作鱼池原水的三峡水库蓄水的水质监测结果及要求水处理系统的出水水质指标。

根据原水与出水各水质指标的对比,处理系统需要降低原水的水温和浊度。系统的设计采用混凝→沉淀→过滤与水冷式冷水机组降温相结合的处理工艺来满足出水的水质要求,其工艺流程见图2;同时对于降温处理设置旁通管,在清水池的出水水温满足科研养殖要求的供水期间,水冷式冷水机组暂停使用。

鱼池的进水方式综合了开放式单管进水有利于增氧^[4]4]、开口均匀的垂直管进水能让水流流态发挥自清洗功能的优点^[2]2],避免了单管进水会造成水体速度分布不均、水体混合能力差、容易产生无旋区导致短流形成死水区、沉积物不能有效集中在鱼池底部中央导致排污能力差及垂直管在流量、流速太大时会形成死水区,不利于排污和水体交换的的缺陷^[2]2]。鱼池进水管见图3,单管、垂直管与供水干管均采用活动接口,便于使用过程中的调节与更换。

鱼池开放式单管给水口与垂直管均匀布置的给水口均以与其所在点的直径约90°的角度,即与池壁近似相切的方向直射式进入水池,使水流形成向心旋流的流态^[1]1],保证换水均匀、水流无分层及死水区域,同时将池底沉淀物高效集中于鱼池底部中央排水口,并随鱼池排水被带出池外。

流水养殖鱼池的进水量按换水次数确定,具体数值与鱼池的进水流速及水中的溶氧量有关。根据已有的养殖经验,全年的日换水次数一般为2～4次,设计中按4次确定总的进水量为1 200 m³/h。

养殖区内各鱼池均由冷冻机房内的输水泵将清水池的来水加压并经水冷式冷水机组降温后供水,输水泵供设置5台(4用1备),单台流量为日换水1次的流量,即300 m³/h,水泵运行数量与进水流速及池水的溶氧量相联动。整套鱼池的供水系统,通过放大各段供水管的管径,以减小管道沿程与局部水头损失,使各鱼池进水管的压力均匀。图4为部分鱼池供水管道平面。

鱼池通过设置于池外并与池底连通的排水站管的管口溢流排水,此排水立管由分段短管采用活动承插接口连接的方式组成,管口高度可自行调整,以满足鱼池在不同水深条件下的排水要求。池外排水采用室外排水管道重力排水替代传统的易长青苔、滋生蚊虫的明渠排水,排水管道设置于管沟内。图5为相邻鱼池平面,图6为不同深度的鱼池及管廊剖面。

溶氧量是鱼池水体的重要水质指标之一,会受水温、气压、有机饵料的分解及池底污物氧化等因素的影响。传统的池底或水面曝气,对池内水体产生扰动和噪音,不利于养殖鱼类的生长;同时气泡和水体形成的紊流搅碎池内残饵、粪便等悬浮物,形成细小颗粒,易导致水质恶化^[5]5]。

工程设计中,鱼池外侧设置曝气增氧区域。鼓风机输送的大量空气通过曝气管与区域内水体充分接触以增加溶氧量,同时利用曝气产生的区域内外水体的液位差,实现池内的水流在此区域的下进上出。流出此区域的池水沿原有的方向继续转动,从而提高整个鱼池池水的溶氧量。曝气增氧区域的内壁预留带有旋转式、柱状结构栅栏的进、出水口,其平面位置见图5,详图见图7。

根据长期养殖的实践,按供气量为1.2～1.5 m³(气)/m³(水)、压力≥45 kPa、供气主管与鱼池供气支管的流速为6～8 m/s等要求确定养殖区鱼池鼓风曝气风机的技术参数及风管管径;同时为协调供气的气压,使供气管流速达到设定的要求,采取了供气主管设排气阀、供气支管安装控制阀的措施。

试验区内除细胞实验室、RNA提取室为二级生物安全实验室,其他均为一级生物安全实验室,防护区主要包括微生物试验区、分子试验区、细胞精子试验区;辅助工作区主要包括水生生物学分析区、试验综合支撑区、鱼类种质资源库及信息化系统区。

试验区采用试验废水与生活污废水相互独立的排水系统,有毒、有害等固液废弃物采用专用容器收集,由指定的废弃物集中处置单位进行处理。试验废水主要来自各实验室用水点的排水,经耐酸碱腐蚀及防有机试剂融析的PPR管道收集后排至试验污水处理设备;生活排水主要来自垃圾房、制水间及卫生间的排水,直接排入室外污水管道,经室外埋地二级生化处理设备处理达标后排入湿地公园。2套排水系统均设置独立的环形通气管。

试验区的结构基础为类似于空腔的中空形式的补偿式基础,通常需采用降低空腔顶部局部板面及梁顶标高的方式以满足传统的一层排水管道埋地铺设的安装要求。实际设计中,将排水管道铺设在补偿式基础空腔的内部,并用检查口替代需设置在试验区地坪上的清扫口;同时在空腔顶板设置人孔,便于物业管理人员进入空腔进行维护与检修。整个排水管道的布置符合《生物安全实验室建筑技术规范》(GB 50346-2011)提出的“应敷设在技术夹层内”的要求。图8为补偿式基础空腔排水管道安装剖面。

生物安全实验室中废水常用的处理方法主要为热力、紫外线和微波消毒灭菌等物理处理方法和臭氧、液氯、次氯酸钠及二氧化氯消毒等化学处理方法^[6]6]。物理灭菌的处理方法具有效果可靠、性能稳定、无环境污染、操作使用方便且易于控制的优点;化学药剂消毒灭菌具有种类多且选择面大、杀菌力强、杀菌谱广的特点,但对环境会再次污染^[7]7]。

针对试验区实验室废水主要含有洗涤剂和常用溶剂等有机物、含酸碱的无机物及鱼类的致病菌等,设计采用安全有效的物理和化学药剂相结合的处理工艺,使处理后的废水符合城市污水三级排放标准,主要工艺流程见图9。

试验区内废弃物回收处理间所在补偿式基础的空腔内预留生物安全实验室废水处理设备的位置,避免采用埋地式一体化废水处理设备所带来的维护与检测的不便;同时在空腔底部设置地面排水用的集水坑及潜水泵。

(1)对于科研珍稀鱼类流水养殖的原水,需考虑采用混凝→沉淀→过滤与水冷式冷水机组降温相结合的处理工艺使其水温、浊度和氨氮等水质指标满足养殖鱼类的用水要求;同时对降温处理可设置旁通管,根据原水的温度确定其使用状态,以节约费用。

(2)用于多只鱼池的供水系统,可通过放大各段供水管的管径,减小管道沿程与局部水头损失,使各鱼池进水管的压力均匀,避免各鱼池的进水流量偏差较大。

(3)养殖鱼池宜在池外设置单独的曝气区域,避免曝气对池内水体产生扰动和噪音,不利于鱼类的生长。池水在曝气区域的进出可通过曝气产生的区域内外水体的液位差来实现。

(4)采用中空形式补偿式基础的建筑,其室内的排水管道及废水处理设备可充分利用补偿式基础的空腔进行布置,同时创造条件以方便空腔的人员进出。

(5)生物安全实验室的试验废水与生活污、废水一般采用2种不同工艺的污水处理系统,各自的排水系统应相互独立。