工厂化水产养殖概述

1、工 厂 化 水 产 养 殖 概 述业世纪7(.工厂化水产并殖还处于探索阶段.并未实现真的循环水养殖体系但在育苗方而系了较大啊进展，80弁代,国内开始弓I进些国外的工厂 化循环水葬殖设施小供器设备、但由于这些仪器设施大多E发本较高因此工厂化 水产养殖并未得到广泛的也叫发展、如如代初期,随着经济全球化一体化的发 展进程已经信息和资掘的共享化国内掀起工厂化水产养殖的热湖在道村 甚q城市纷纷涌现门-L化水产弄蓿的突产日卖敦基坦_ |前，：rf/水产养殖 己经趋于标准化、技术成于化-现附段携国的工厂化水产养殖中升始使用大 量的高精尖设备.对整个养婚过程的水质讲行检测、调节，实现JTI幼化控制.一 此水姓

2、理设备如臭氧条菌钠毒设畚、紫外成杀菌箱寿设备、沙演器、蜜白成分 离器 活性最皿附器、增狙链、4物过滤器等跄纷投入使用，其他配套设备也在 不断改进研发中,如I动投机,I动蕤物投放仪等n M观阶段.我国的工厂化 水产弄殖系统依然存在一些问题，如区域发展不平衡、设备的先i3性水平不高、 海水的二厂化水产弄殖系尚未健全水堡理能力较低费氮及苗军值的改善程 度H鼓率较低、运fr岗本较高。木文的主耍研究内容是在-解国内外增氧设备的 发展状况后，设计一种改进的高质纯新帮貌设备一一纯氧增51谁口木文所俩的研究二作概括为以下儿个方而:首先，在明确前的理论基础1-.建立更仃寇、准确的教学模型谖馍型 的I I的在于为

3、纯鸵增氧推提供一种数t if算分析方法并明碰丹个环境变量以及 增氧锥结构参教对增氧督果的影响函数,建立.亢整的增绍锥理论林系.以适应不 同增驱耍求的憎氧锥设计。淅建立的教学模型进行数值分析、数值模抵，由数值模抵方法得门靖氧锥 内部变量在二作时的史时变化情乩 并FI模撩的数据不断格模型进行修订.最终 得到屹善的数学模型 i01过散值模抵分析Z纯氧增氧锥的最佳优化方案,非对增 氧锥的结构尺寸进在优化谴计。设计：儿种辩氧带的结构m局方案、并对每个方案进fl riuetit 真，得到增 氧勒:作时的内部的内度云图和床为斐化云虱逆过对增骚锥的仿真可以直观的 观察到增驱推内部一作的状态，弁由此为依雄确定最

4、佳结，枚布局方案。最后，设计了实验方法fl实物设备、利用基干P*的在线监测系统测试了鲍 率增氧卷的增率性能、并Ftl此与仿真优化结果对比.验旃裁学模型、仿真方法的 推确性。工厂化水产养殖是一种密集型水产养殖方式。是栗用各顼配套设施、各种水 处理设备以及|动控制技术建立起来的水产养殖系统。基于工厂化水产养殖的密 集养殖方式，对循环水中高密度鱼房产生的废物的处理成为主要的考虑因素。另 一方面，在工厂化养殖中，评价系统生产效率的重要指标是单位水体的养殖密度, 而养殖密度越大、相应的鱼的产量:越高，系统的投入产出比就越高，经济效益就 越大，同时系统的设备利用率.单位时间投资回报率也将越大。研宽表明，单

5、位 水体的养殖密度主要取决于系统的增氧技术。使用空气增氧的条件下，工厂化养 殖系统的养殖密度一股在30-50kg/m3l左右：在使用纯氧增氧的条件下，养殖密 度可以达到100kg/m32以上。因此，对于工厂化水产养殖这种密集型水产养殖模 式，高效、能耗低的增氧设备和培氧技术是鱼类正常生长的有力保障，同时也是 提高工厂化水产养殖经济效益和系统效率的有效方式a工厂化水产养殖的其他关 键技术主要有以下儿种：（1）固液分离技术固液分离技术指从养殖水体中分离出鱼类炎便、过投饵料等固休悬浮物或沉 降物的技术。这些污染物是工厂化养殖循环水处理系统的主要处理对象.也是水 体养殖水体污染的主要因素。工厂化水产养

6、殖中的常用固液分离技术届物理分离 技术，以机械过滤器居多，如微波机。微德机是采用微孔筛网固定在设备的转鼓 上，波网是允许水、钠离子、氯离子、溶解性有机物、小胶体和病毒通过但不允 许颗粒，泥沙，藻类或大型细菌通过。通过筛滤养殖水体中固体废物，实现固液 分离的装置。LI前使用的过滤机大多具有反冲洗功能，即可通过反接进出水方式, 或增加反冲洗管路实现微孔筛网的自我清洁。2）臭氧消毒技术研咒表明.臭氧可以使细荷细胞失活，其主要原因在于臭氧对细菌细胞膜的 损害，和DNA的损伤目前，臭氧消毒方式己经被证明是水处理灭火病原体使用 最广泛的消毒剂,尤其实在欧洲。因为运营和维护的问题，研究的臭氧消毒的笫一代设施

7、并不是那么吸引水产 养殖业将其用于养殖水休消毒，认为臭氧消毒不足以取代紫外线消毒和氛气消毒。 由于研咒发现臭氧消毒后的水体有臭氧残留，从而导致鱼类等生物的伤害。而臭氧在制备的过程中也遇到了阻碍，起先是专用的臭氧发生仪不尽人意.再者，臭 氧消毒的费用往往较高，经济上的可行性不佳。一个小型臭氧杀菌装置包括能够 产生气体中含有至少约10%的臭氧的发生器，贮水箱和加湿室，用于接收的臭氧 化气体和加湿，至少约60%的湿度下，以形成包括至少约8%的臭氧消毒剂。工 厂化水产养殖中使用臭氧发生器进行臭氧供给，山于臭纸对鱼类也有伤害性，故 供给的浓度要适度，并保证臭氧在颖化逐原半衰期衰减到足够安全的浓度后，再

8、将消毒后的养殖水体注入鱼类生活环境。臭氧还可以使养殖水体中的悬浮物或微 小毒物聚集在一起最后形成沉淀过港掉，因此臭:氧消毒技术在工厂化水产养殖当 中得到了广泛的应用。（3）紫外线消毒技术工厂化水产养殖中的紫外线消毒技术主要是指在养殖水体中放置紫外线消毒 灯管，利用紫外线的杀菌作用迸行养殖水体辑君。紫外线灯管放射出的紫外线可 以摧毁细菌的脱氧核械核酸，彻底摧毁细菌的繁殖再生可能，从而达到灭菌的效 果。紫外线的强度、紫外线灯管安放的方式以及紫外线照射消毒的时间是影响紫 外线消毒能力和效果的主要因素。在使用紫外线消程肘要注意紫外线光的遮蔽措 施，以防止对工作人员造成二次伤害。在工厂化水产养殖当中，紫

9、外线消毒技术 也可用来出去臭氧消毒时残留的臭氧，使工作环境和鱼类生活环境安全性得到保 障。（4）pH和温度控制技术目前，工厂化水产养殖中的问和温度控制技术以经趋于智能化，其系统主要 由pH传感器电极、温度传感器电极、在线检测）仪以及数据显示配套设施组成。在 养殖水体中安置D1I传感器探头和温度传感器探头，在线检测仪连续监测养殖水体 的pH值和水体温度，检测信号输入到PLC中并迥过计算机显示出pH值和温度走 势图，当水体pH值或水体温度发生异常时.系统|1动发出报警信号，可进行人为 调节或自动调节o 5）脱氮技术迪常简称氛匏、亚硝酸盐氮和硝酸盘瓠为“三氮。 “三瓶是养殖水体中 对鱼类伤害较大的污

10、染物之一，主耍是其对鱼类的毒害作用。因此脱氮技术是关 系鱼类生存安全的重要技术。物理脱纵主要是利用设备对水体进行搅动曝气，使 得氛溶解度减小而仃动逸出.另一方而使亚硝酸盐转化为毒性较低的郡酸盐：生 物脱瓶方式即利用硝化细菌和反硝化细菌对水中的“三氮”进行降解=藻类脱氮 即利用藻类在生长时的营养需求，以甑为生长原料.在光合作用下消除水中的氮: 鱼菜共育脱抵指在一个养殖系统中同时养殖鱼类和无土栽培菜，使得系统具有自动脱征的效果。1-2工厂化水产养殖增氧技术溶解在水中的氧称为溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)”,溶解在水中的氧以 分子形式存在于水中。水中的溶解氧量:是水质好坏的重要指

11、标之一。任迎常情况 下地表水中溶解氧量约为5-10mg_/L,在有风浪扰动时，海水中的溶解氧量可达到 14 mg/L在水藻或水生植物旺盛的水体中，由于叶绿体的光合作用使的向水体 中补给的溶氧量增加，可能使得水中的溶氧值达到过饱和的状态,而地下水中的 溶解氧一般比较少.甚至更深层的水中儿乎在完全无氧的状态。养殖水体中的溶解氧是养殖鱼类赖以生存的重要环境因子之一。在水产养殖 生产中，溶解氧含里的高低直接影响水产养殖的养殖密度和鱼类生长的速度。由 于鱼类养殖密度迪常较犬然水体野生鱼类的生活密度大很多，单位水体的有机物 和营养负荷过呈，增加了鱼类养殖过程的环境斥力。当养殖水体中的溶解氧含呈 不足时，会

12、造成水体中有机体、氮氮等鱼会造成物和过投饵料的厌氧分解,从而 产生亚硝酸盐等一系列有每物质，同时，在缺氧环境下，水体很容易滋生细菌， 造成葬殖鱼类的大重感染死亡。随着养殖水体中浴氧含鱼的增加，养殖鱼类的生 长速率加快、饲料转化率提高，生产效率提高。当养殖水体中的溶解氧充分时， 养殖密度可实现成倍增长，鱼类代谢与生长旺盛，产里增加，经济效益提高。可 见，保证养殖水体有充足的溶氧值是提高水产养殖产量和经济效益的关键因素。 在水产养殖领域，增氧技术的先进与否直接影响养殖系统效率。根据增氧方式不同，增氧技术可分为物理增氧技术、化学增氧技术、生物增 氧技术和机械增氧技术等，其中机械增氧技术使用更为广泛。

13、物理增组技术指利 用水位落差，重力作用等物理动力下，使空气和水进行接触实现水体增氧，该方 法使用于水渠式流水养殖方式：化学增氧技术主要是人为向养殖水体中投放一些 化学制剂，化学试剂遇到水后与水发:生化学反应释放出氧气，从而提高养殖水体 中溶解氧含虽。化学增氧主要应用与池塘养殖，尤其是在电力设施困难、水源位 宣不便、没有安装增氧机的池塘使用，或在闷热气压低的犬气环境下紧急使用。 由于化学增氧方式成本过高，这种增氧方式很少在工厂化养殖中使用：生物增氧 指利用水中的藻类、浮游生物、水生植物等的光合作用产生的氧气及大气向水体 中扩畋转移的氧气来对水体进行增领。通过藻类、浮游生物、水生植物等的光合 作用

14、，吸收水体中的二氧化碳，并释放氧气来达到水体增氧的目的。浮游生物、 藻类生长时需要吸收水体中一些营葬物质，可起到改善水体质虽功效，是比较好 的增氧方式。由于没有配套成熟技术，目前还没有应用于工厂化没有养殖:机械 装备增氧指利用机械设备向水体中冲入空气或氧气“使得空气或氧气与水充分接 触实现水体增氧。在工厂化水产养殖中，养殖水体的纯氧增氧技术是关键技术之一。何研咒显 示.利用纯氧对养殖水体进行增氧购，可以大幅度增加养殖密度，提高养殖系统 设施的利用率，降低成本、提高效益。工厂化水产养殖系统的纯氧增氧方式，主 要是迪过机械设备向养殖水体中补充溶解氧含量:高的水体或使水与空气进行充分 接触使得养殖不

15、断补充氧气以实现溶氧值的补充。不同的增氧方式，在动力效率、 氧气利用率、增氧速率、水体流态等谱多方面均有很大差异.对养殖鱼类的生活 习性的适应性、排污的方便性，以及单位水体养殖密度等都会带来很大影响。研 充养殖水体的纯氧增氧技术，提高增氧设备的增觎效率和氧气利用率，使工厂化 水产养殖的增氧设备能够实现适应范围广、易于排污、便于维修，高效可靠、成 本低廉是目前工厂化水产养殖增氧技术和设备研究的主要方向0增氧技术发展史我国增氧设备的研究开发始于二十世纪七十年代阮气目前我国的增氧机总产 量中叶轮式增氧机约占65%,水车式约占20%,射流式增氧机等其他类型的增氧机 约占15%，u，o增氧机的增氧速度和

16、效率一般不高，且由于增氧机的结构特点决定 其主要应用于池塘养殖，很少在工厂化养殖系统应用。为适应工厂化水产养殖的 需要，一些新的增氧技术越来越受到重视，陈友光等研咒实验了纯氧曝气锥的增 氧规律，并证明使用纯氧增氧的氧气利用率较高凹；张宇宙等研究了低压纯氧增氧 装置的工作性能，影响因素及试验条件“二这些研究为开发新型增氧设备奠定了基 础。国外增组技术的研究主要集中在纯氧或富氧增氧技术在对水库、湖、河等 养殖水体进行增氧的过程中，使用这种增氧方式取得了良好的效果。纯氧或富氧 增氧的氧源由高压氧气、液氧以及设备提纯空气中的氧气或产生的富氧提供，池 过改变氧气的气源，提高了氧气的纯度和增氧效率“设备使

17、用率也相应提高，同 时提高了经济效益。使用纯氧增氧，鱼类能更好地吸收和消化，从而提高了饲料 转化率：生长速度得到相应的提高：缩短了养殖周期气氧气含量的提高也使得细 菌不易滋生，疾病和死亡率得到相应降低，因而药物使用量少，药物残留量降低. 产品质量得以提高。国内外工厂化水产养殖系统中的增氧设备黄泡塔鼓泡塔常用于化学反应吸收过程，也可用于向养殖水体供给氧气。塔内预装 满养殖水体“空气或纯氧从鼓泡塔底部进入，分散成气泡沿着塔身上升，上升过 程中气泡与养殖水体接触从而实现氧气的传质。鼓泡塔具何结构简单、成本低、 易于控制、易于维修、易于防腐维护的优点，同时适用于高压环境。其不足之处 在于鼓泡塔内液体湍

18、流严重，经京产生返混现象，气泡易发生聚集和合并使得 气液接触而枳减小，故增氧效率较低。柱式填充气液接触器上世纪九卜年代初，Waiicn和Boyd等人质基于对工业上填料吸收塔的研究和 借鉴，改进并研制了柱式填充气液接触器。柱式填充气液接触系统由柱体和表面 积比例较大的填料组成。养殖水体流入装满填料的压缩室，随后由压缩式缓慢滴 下。氧气从柱体底部进入.并在上升过程中与下滴的养殖水体相遇实现气液接触， 从而使水中的溶氧值增加，达到增氧的目的。接触后的富氧水由封闭柱体的底部 流出。封闭柱填充气液接触系统的设计要考虑水路布置方式、填料性能、柱体高 度、气液比、氧气浓度和进水速度等多个因素。所用的填料一股

19、为表而积 8()-360m2/m3的塑料多空珠。填料的高度一般可设计在在b2m0柱式填充气液接 触系统主要的优点是结构简单“氧气的吸收效率可以达到50%以上，其主要缺点 是填料表而容易滋生细菌和微生物.需要定期清洗。因此，这种系统适用于水质 污染物不是十分严重的养殖水体增氧。U型管U型管曝气系统迥常由一个U型管组件，泵送设备，氧气储辟位于水而上方, 微气泡曝气扩散器，含氧水排放扩散器或排污口位于水表而下方。目前较为常用 的U型管有两种形式.一种是但单型管，即水的流经路线为二维空何上的U型， 水由一侧管进入，富氧水由另一恻管路流出：另一种为复合U型管.在原有U型 管基础上增加一个内心，使水的流经

20、路线不在是二维上的U型，而是空何上的U 型。氧气通过曝气头形成气泡并和水一起由内心管顶部向下泵送，富氧水从内心 外的管路流出-其增氧原理是随着液体向下流动，水的静压力逐渐增加，氧气传 质系数不断加大，从而提高溶氧值 U型管增氧方式的优点在于能耗较低.氧气 利用率较高。增氧锥增氧锥(Speech Cone),由Dr. Richard Speece于1969年发明“七 井于上世纪 九卜年代初应用于水产养殖增氧。主要由水泵、锥形气液接触罐、进水口、出水 口、进气口和气体回收口组成。由于增氧锥的横截而积由顶至底逐渐增加.因此 水流经增氧锥时的速度逐渐减小。水流速度逐渐减小的同时，气液接触时何在逐 渐增

21、加。在增氧锥的进口横截而处,水流的速度应大于气泡上浮的速度：而在出 口横截面处.水流的速度要小于气泡上升的速度。增氧锥的增氧能力以决于锥体 的进出LJ直径、椎体高度、进水速度、进气速度、曝气气泡直径以及水体温度等 多个参数。增氧锥的氧气转移效率可达到为80%以上，甚至99%l，ao增氧锥在增 氧的同时可以脱去水中的艇气，因此也长用于工业上对水中艇气的去除。5）低压气液接触器这种多级低压设备气液设备在水产养殖气液接触方法中是一个相对较新的 方法。该设备可向注水高度和水面高度差很小的鱼池增氧。其突出特点是不需要 水泵.零耗能并且易于维护。该设备经常用在流水养鱼中.流水养鱼由一系列高 度差很小的池塘

22、组成（即一个池塘的出口仅比下一个池塘的入口高3 （）-90cm左右）。 低压气液接触器期初的发明目的是在于希望为工厂化水产养殖提供一种高效简 单的向水体增氧并去除额气的设备。后来实践证实，该接触器同样可以实现向水 中增加纯骚或臭氧。低压气液接触器结构上不尽一致，但是原理上基本相同。低 压气液接触器整体上是一个分为上下两层的长方体，中间由一个带有许多小孔的 铁板隔开。上层为集水槽，下层为接触室。接触室由挡板隔成5-10个彼此独立的 长方体恪子空间，在接触室的侧面和每个挡板上部均有小孔供气体通过。低压气 液接触器的工作原理是低溶氧的水流进其上部的集水槽，均匀分布在多孔板上. 由于重力的作用,水自然

23、的从多孔板的小孔中滴下进入到接蔽中.与此同时氧气 （或空气）从接触室侧而的进气孔注入.并充满每个格子空间。气体与滴下的水 滴接触溶于水中，从而增加水中的溶氧值.同时觥气被迫外逸出来，多余的气体 从接触室另一侧的出气孔流出。接触后的高溶氧水从接触室下部流出，并通过水 泵注入到鱼槽内。该设备在工厂化水厂养殖中也得到了广泛应用。安装时需注意 出水液而距离多孔板6km左右，集水槽内水位保持在10cm以上。（6射流器射流器又称水射器，它主要由进水口、喷嘴、吸入室、扩压管等部分组成， 由于射流时水体运动速度较快，从而对周围水体的静压力发生了改变，产生了负 压，根据该原理研制处理射流器增氧技术。高速水流将空

24、气击碎成小气泡，并充 分混合射出。射流器产生的气泡直径较小.有些射流器的气泡直径可在微米级以 下。采用射流器形式的增氧设备，氧气的转化率可达25%以上。其工作原理在于 高压水泵为射流器给水.具有-高速度的水由喷嘴射出，当高速水进入时使得周围 环境变为真空状态，由于真空产生的负压使得吸入室吸迸大量空气，空气与水发 生了混合和气液接触并最后由扩散管流出。射流器结构简单、加工工之易实现. 增氧效果R好，在工厂化水产养殖中有广泛的应用。（7空气浮力泵空气浮力泵是增氧设备设计的最早的尝试之一。其结构组成主要由垂直提控 管、扩畋器上升管、一个或两个回流管和出水冒口构成。利用大气压强原理，产 生的负压诱导的

25、水流鱼迪过曝气装置。其增氧性能主要取决于曝气装置的尺寸， 体积的空气流率，扩散器的深度，水和环境条件下。空气浮力泵在使用时安装在 鱼池外表面以下，延伸到水面是冒口是直接向大气升放的。随着水和空气被提拉 混合，空气被分离成气泡，增大了气液接触而枳，富氧水最口由冒口流入鱼类养 殖环境。根据流体动力学原理”空气浮力泉比Specce锥更复杂“因为水的流速是 注入空气的体枳和流速的更为复杂的高阶函数。空气浮力泵的特点在于能耗低、 安装空间小、制造成本低廉、制造工艺简单。空气浮力泵是一种常用的工厂化水 产养殖增氧设备。（8）水底气泡束增氧水底气泡束增氧主要是应用在池塘底部或水库湖泊的增氧技术。其增甄LI的

26、 是向低溶氧值的底层水体进行增氧，弥补底层水体由于光晾不足、藻类等生物光 合作用减少，利水体的氧气补给减少等问题。一个水底气泡束增组系统主要由鼓 风机、水底气体管路以及曝气头组成。其增氧原理是鼓风机向管路中不断被入空 气或氧气，气体辿过管路并由曝气头射出形成气泡束，气泡束因自身浮力缓缓上 升，在此过:程中与水体接触实现气液接触进而增加水中溶氧值。增氧技术的发展趋势近儿年，水产养殖业渔业呈现出有种冬元化、地域广泛化、技术高新化、养 殖而枳和产虽不断扩大的发展趋势。在这样的背景下，水产养殖业对养殖水体的 增氧技术提出了新的要求： 1）增氧设备能耗低、高效和实现自动控制的要求现有的工厂化水产养殖增组

27、装备在使用中仍存在一些问题，如培氧机设备的 耗能较高，效率较低“需要人工操作等，上述因素使得现有增氧设备仍然不能完 全满足人们对工厂化水产养殖增氧能力的需要。因此，增氧设备技术水平的提升、 性能的改善，以及能耗的降低和增氧液率的提高将成为未来增氧技术设备研咒的 主要方向。E1前增氧技术设备以及初步由人工控制向白动控制、智能控制方向发 展,在未来高效节能低耗的增氧设备将成为增氧设备的必然发展趋势。（2）增氧技术向微孔眼气方向发展的要求微孔曝气增氧技术是与传统增氧技术完全不同的新型增氧技术。它改变了传 统增氧技术的理念，不再由机械方式搅动水体以求得气液接触而枳。微孔嗥气头 产生的微小气泡的表而和比

28、更大，故增加了气体与水的接触而枳，氧的传质效率 也就得到相应的提高越高。微孔曝气得到的气泡甚至可达到微米级一下。因此， 该技术的成熟发展史人们对工厂化水产养殖增氧技术要求的必然走向（3）增氧技术中使用的气源向纯氧方向发展的要求近年来，人们研究发现，使用富氧或纯氧作为气源对养殖水体进行增氧的方 式，校空气为气源的增氧方式裕氧值提高至少在3倍以上。裕氧值的增加可提高 养殖密度增加经济兹益。因此配合纯氧增氧方式的配套设备的完善成为人们对工 厂化水产养殖增氧技术的新要求。在使用纯钗的同时，如何做到合理有-效的回收 多余的氧气成为该技术的主要关注点o因此.探讨工厂化高密度尊殖模式下的增氧技术，研宽先进的增氧技术、设 计创新增氧设备.对促进工厂化水产养殖的发展、提高工厂化设施养殖系统的利 用效率都具有十分重要的意义。124探索中的增氧技术（1）磁化增氧磋化增级是利用磁化水能增加水中溶氧量。并使之诂应多种动力，降低能耗,