養(yǎng)殖池塘增氧機(jī)制與裝備性能比較研究

徐 皓， 田昌鳳， 劉興國(guó)， 顧海濤， 谷 堅(jiān)， 黃一心

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092)

養(yǎng)殖池塘增氧機(jī)制與裝備性能比較研究

徐 皓1,2， 田昌鳳1,2， 劉興國(guó)1,2， 顧海濤1， 谷 堅(jiān)1， 黃一心1

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200092)

水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，池塘生態(tài)系統(tǒng)可分為自成熟期和人工維持期。在養(yǎng)殖容量提高的情況下，養(yǎng)殖生物呼吸需氧量在不斷增加，缺氧條件下有機(jī)物分解成有害物質(zhì)，影響?zhàn)B殖生產(chǎn)。維持池塘生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主要工程機(jī)制為：通過(guò)上下水層交換、平衡營(yíng)養(yǎng)元素等方法，強(qiáng)化光合作用，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)模，提升初級(jí)生產(chǎn)力；形成生態(tài)增氧為主、機(jī)械增氧為輔的高效增氧機(jī)制。以中國(guó)養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析探討?zhàn)B殖池塘生態(tài)機(jī)制、水體溶氧理論、增氧機(jī)作用機(jī)理、不同類(lèi)型增氧機(jī)的機(jī)械性能等，提出了大宗淡水魚(yú)混養(yǎng)池塘及幾種典型單養(yǎng)池塘增氧機(jī)配置方式，從而為池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)增氧機(jī)的配置提供技術(shù)參考。

增氧機(jī); 養(yǎng)殖池塘; 溶氧; 配置方式

1 養(yǎng)殖池塘生態(tài)機(jī)制與溶氧

1.1 養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)

人工構(gòu)建的池塘生態(tài)系統(tǒng)灌水以后，來(lái)自自然水體的組分與池塘土壤的組分進(jìn)行融合，在自然(如光照等)與人為(如增氧、施肥等)因素的干預(yù)下，養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于初始平衡狀態(tài)。由于系統(tǒng)形成的時(shí)間和空間尺度相對(duì)很小，主要以浮游植物、浮游動(dòng)物和細(xì)菌等低生態(tài)位生物為主，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)貧瘠。相對(duì)自然池塘而言，由于種群、生物量、食物鏈等的劣勢(shì)，系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力比較弱。因此，其構(gòu)建以提高初級(jí)生產(chǎn)力為目的，為將要投入的養(yǎng)殖品種提供良好的基礎(chǔ)餌料和有氧環(huán)境。

在養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中，池塘生態(tài)系統(tǒng)可分為自成熟期和人工維持期。自成熟期的生態(tài)系統(tǒng)，伴隨著放養(yǎng)以及飼料的持續(xù)投入，池塘生態(tài)系統(tǒng)以自身的調(diào)節(jié)能力保持系統(tǒng)循環(huán)的穩(wěn)定，并不斷趨于成熟。攝食飼料的養(yǎng)殖生物主體上不在系統(tǒng)循環(huán)中擔(dān)任消費(fèi)者的角色，而系統(tǒng)中能量與物質(zhì)循環(huán)的平衡狀態(tài)則為其提供生長(zhǎng)環(huán)境，包括適宜的水質(zhì)理化性狀、菌相和藻相。其中，充足的溶氧、適宜的pH、不至危害濃度的氨氮和亞硝酸鹽氮等理化指標(biāo)是健康養(yǎng)殖所必須的。但持續(xù)投入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)養(yǎng)殖生物的轉(zhuǎn)化(排泄)，或者直接(殘餌)以生物質(zhì)的方式進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，增加了由飼料→養(yǎng)殖生物排泄物→異養(yǎng)微生物→礦化微生物為主的食物鏈，加速了系統(tǒng)的成熟，但系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力則趨于弱化。為了減緩這一趨勢(shì)，搭配鰱、鳙魚(yú)等混養(yǎng)品種，作為消費(fèi)者參與到系統(tǒng)中，分擔(dān)相當(dāng)部分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并轉(zhuǎn)化成養(yǎng)殖產(chǎn)品，可以使系統(tǒng)成熟期延緩，或者說(shuō)，使系統(tǒng)對(duì)主養(yǎng)生物的承載量更大一些。

隨著養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)，投入的飼料量越來(lái)越大，系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在微生物和光合作用下，主要積聚在有機(jī)質(zhì)和浮游植物環(huán)節(jié)。微生物分解有機(jī)質(zhì)的壓力增大，需氧量不斷增加，養(yǎng)殖生物呼吸需氧也在增加。當(dāng)光合作用產(chǎn)生的氧不能滿(mǎn)足系統(tǒng)循環(huán)和養(yǎng)殖生物呼吸所需時(shí)，自成熟期的平衡被打破。缺氧條件下有機(jī)質(zhì)分解成有害的氨氮、亞硝酸鹽氮，在池塘底泥的厭氧區(qū)，還會(huì)產(chǎn)生硫化氫等有害物質(zhì)。而此時(shí)養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)期還未結(jié)束，人為的干預(yù)成為必然的選擇。

人工維持期生態(tài)系統(tǒng)(圖1)最初的手段是換水，通過(guò)給水和排水，有機(jī)質(zhì)和浮游植物以及氨氮、亞硝酸鹽氮等有害物質(zhì)被減少和稀釋?zhuān)a(bǔ)水還帶入溶氧。養(yǎng)殖系統(tǒng)一旦有了充足的溶氧，好氧微生物群落可以最大限度地發(fā)揮作用，有機(jī)質(zhì)被充分轉(zhuǎn)化為能被植物吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有害物質(zhì)被控制在安全水平，養(yǎng)殖生物生長(zhǎng)環(huán)境得以維持，呼吸需要得以保障，直至養(yǎng)殖生產(chǎn)周期結(jié)束。

圖1 養(yǎng)殖池塘人工維持期生態(tài)系統(tǒng)主要構(gòu)成

為追求更高的生產(chǎn)規(guī)模，人工維持期逐步成為整個(gè)養(yǎng)殖周期的主要過(guò)程，在一些精養(yǎng)池塘，幾乎從生產(chǎn)伊始便需要換水和開(kāi)啟更多的增氧機(jī)。養(yǎng)殖池塘依靠其自成熟期的調(diào)節(jié)能力，養(yǎng)殖畝產(chǎn)僅100～200 kg/ 667 m2(畝)；在人工維持期，依靠排灌機(jī)械換水，單產(chǎn)最高達(dá)到400～500 kg/667 m2，利用增氧機(jī)，整體單產(chǎn)超過(guò)700 kg/667 m2，最高單產(chǎn)達(dá)2 500 kg/667 m2，甚至更高[1]。

1.2 養(yǎng)殖池塘溶氧

養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)中，影響?zhàn)B殖生產(chǎn)及健康養(yǎng)殖環(huán)境的主要水化學(xué)因素是氧、氮、磷、碳的存在形式，以及pH、鹽度、氧化還原電位(ORP)等綜合反應(yīng)水質(zhì)特性的指標(biāo)[2]。氧是養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)中絕大多數(shù)生物群落生存的必要條件，空氣擴(kuò)散、光合作用是養(yǎng)殖水體溶氧主要來(lái)源。如果供氧不足，養(yǎng)殖生物、浮游動(dòng)物、浮游植物難以呼吸，更多厭氧微生物分解有機(jī)質(zhì)的水化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有害物質(zhì)，產(chǎn)生不利甚至是致命的影響[3-5]。

空氣—水接觸面積以及所在氣壓、水溫、鹽度等，是影響空氣中氧向池塘水體擴(kuò)散的主要影響因素。在空氣和水中氧分壓差的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)氣—水接觸表面的氣膜和液膜間氣體交換，空氣中的氧向未飽和的水體中擴(kuò)散。但若水體中的氧處于過(guò)飽和狀態(tài)，氧則會(huì)向空氣中擴(kuò)散。海拔越高，氣壓越低；溫度越高，水的吸收系數(shù)下降；鹽度越大，更多的氧形成水合離子，這都導(dǎo)致氧的飽和溶解度下降，其中受溫度變化的影響更為明顯。池塘水面是基本的氣—水接觸面，風(fēng)力造成的浪花和水流會(huì)增加接觸面。與靜止接觸面相比，在風(fēng)力作用下的氧擴(kuò)散效率(氧轉(zhuǎn)移系數(shù))倍增，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是10～24倍，在池塘綜合條件下為5倍[6]。使用動(dòng)力的機(jī)械增氧，通過(guò)增加水與空氣的接觸面積，可達(dá)到高效增氧的目的。池塘生態(tài)系統(tǒng)中浮游植物光合作用的供氧作用十分重要。從養(yǎng)殖池塘氧收支平衡看，不使用增氧機(jī)的池塘，氧收入中光合作用與空氣擴(kuò)散分別占86.0%～95.5%和4.7%～14.0%，氧支出中水呼吸、魚(yú)呼吸和底泥耗氧分別占72.0%～72.6%、13.1%～22.0%和2.9%～5.5%，浮游植物產(chǎn)氧量(P)是其自身呼吸需氧量(R)的1.38倍(P/R)[7-8]。使用增氧機(jī)的池塘，氧收入中光合作用、增氧機(jī)、空氣擴(kuò)散分別占44.7%、42.3%和13%[9]。光合作用是池塘氧供給的主體，既充分利用了養(yǎng)殖過(guò)程的多余營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，又無(wú)需如增氧機(jī)般耗能。機(jī)械增氧只是作為補(bǔ)充，在需要更多的氧或光照、營(yíng)養(yǎng)受限時(shí)發(fā)揮作用。

池塘水體溶氧分布不均，在光照、溫度和水流的影響下，處在動(dòng)態(tài)變化中。光合作用發(fā)生在池塘水體的上層，與變溫層對(duì)應(yīng)。隨著水層深度增加，光合作用不斷衰弱，直到浮游植物產(chǎn)氧量等于自身呼吸量(此時(shí)的光照為光補(bǔ)償點(diǎn)，P/R=1)時(shí)，光合作用對(duì)池塘生態(tài)不再有貢獻(xiàn)。由于懸浮物質(zhì)的遮光作用，養(yǎng)殖池塘的光補(bǔ)償點(diǎn)深度比自然水體淺了許多，一般在0.5～1.5m水層[6]。沒(méi)有光合作用的下層水體對(duì)應(yīng)為均溫層，主要靠水體的流動(dòng)使溫層消失獲取氧。養(yǎng)殖池塘水體相對(duì)較小，由于生物活動(dòng)、增氧以及晝夜溫差等干擾因素，難以形成長(zhǎng)期的溶氧分層現(xiàn)象，但總體上呈上層高、下層低的狀況。水體上層白天溶氧高，以?xún)?chǔ)備夜晚所需的氧。由于死亡的生物不斷下沉、分解，下層的氧常顯不足，往往在后半夜至清晨之間需要補(bǔ)充增氧。夏季池塘光照強(qiáng)烈，水溫上升，光合作用產(chǎn)氧量以及生物的呼吸量都增大，下層水體的溶氧更顯不足。風(fēng)力使池塘下風(fēng)位置浮游生物量增加，溶氧要明顯高于上風(fēng)位置，兩端溶氧差值可達(dá)2 mg/L[7]。

一般認(rèn)為，符合池塘健康養(yǎng)殖要求的溶氧邊界在4～5 mg/L。當(dāng)溶氧大于此范圍時(shí)，好氧細(xì)菌發(fā)揮積極的作用，有機(jī)質(zhì)分解和無(wú)機(jī)鹽轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物對(duì)養(yǎng)殖生物無(wú)害，對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的形成有利；低于此值時(shí)，水體及池塘底層的專(zhuān)性厭氧細(xì)菌在分解有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)物對(duì)池塘生態(tài)系統(tǒng)中的生物有毒害作用。參照《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB11607—89)》，池塘養(yǎng)殖水體的溶氧應(yīng)維持在：連續(xù)24 h中，16 h以上必須大于5 mg/L，其余任何時(shí)候不得低于3 mg/L。根據(jù)養(yǎng)殖對(duì)象的生態(tài)學(xué)特性，池塘養(yǎng)殖溶氧適宜范圍為4～8 mg/L。增氧機(jī)的應(yīng)用，就是要在整個(gè)養(yǎng)殖過(guò)程中始終保持適宜的溶氧環(huán)境，防止低氧性應(yīng)激狀況(低氧生長(zhǎng)、浮頭、窒息死亡)的出現(xiàn)。

圖2所示的數(shù)值反映了養(yǎng)殖池塘依靠光合作用溶氧的日變化規(guī)律。7:00—8:00以后，隨著光照度的增加，在光合作用下水體產(chǎn)氧量持續(xù)增加，溶氧不斷上升，至正午達(dá)到高峰時(shí)段；下午至午夜，隨著光照度的減弱，產(chǎn)氧量持續(xù)下降，整個(gè)時(shí)段為生態(tài)增氧時(shí)段。17:00—18:00以后，水體中的氧處于消耗階段，溶氧處于緩減時(shí)段，至午夜以后水體中的溶氧低于4 mg/L，處于低氧時(shí)段[10]。增氧機(jī)的作用，就是以最低的能源消耗，一是使水體在低氧時(shí)段獲得人為的溶氧補(bǔ)充；二是通過(guò)增加水體受光量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增加光合作用，盡可能提高白晝的溶氧儲(chǔ)備。

圖2 自然條件下養(yǎng)殖池塘溶解氧日變化狀況

2 增氧機(jī)的原理、類(lèi)型與增氧效率

池塘增氧機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代現(xiàn)代魚(yú)類(lèi)集約化養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的興起。1950年代后期“四大家魚(yú)”人工繁殖技術(shù)的突破，開(kāi)啟了中國(guó)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的現(xiàn)代化進(jìn)程。為解決當(dāng)時(shí)社會(huì)“吃魚(yú)難”的問(wèn)題，需要發(fā)展集約化池塘養(yǎng)殖，以提高養(yǎng)殖產(chǎn)量與生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)魚(yú)塘中，養(yǎng)魚(yú)量的增加極易造成水體缺氧和“魚(yú)浮頭”，增氧機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。1960年代國(guó)家啟動(dòng)了水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化專(zhuān)項(xiàng)。第一臺(tái)池塘增氧機(jī)誕生于1972年，其創(chuàng)造性地采用倒傘形葉輪在水下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水躍，攪動(dòng)水體，解決養(yǎng)殖池塘增氧問(wèn)題，被命名為“葉輪式增氧機(jī)”。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，葉輪式增氧機(jī)的性能與結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，一直是淡水魚(yú)類(lèi)池塘養(yǎng)殖使用的主要機(jī)型。1980年代以后，水車(chē)式增氧機(jī)從中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)引進(jìn)，用于鰻魚(yú)和對(duì)蝦養(yǎng)殖，同時(shí)期還研發(fā)了射流、噴水、充氣、渦輪等各種形式的增氧機(jī)。2005年以后，微孔增氧機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于蝦、蟹等底棲生物的養(yǎng)殖池塘，并相續(xù)出現(xiàn)了耕水機(jī)、涌浪機(jī)、底質(zhì)調(diào)控機(jī)等增氧設(shè)備。這些增氧設(shè)備成為中國(guó)池塘養(yǎng)殖不可或缺的生產(chǎn)裝備。

2.1 增氧機(jī)的增氧機(jī)理

增氧機(jī)是池塘養(yǎng)殖過(guò)程中為保障適宜的水體溶氧所運(yùn)用的專(zhuān)用設(shè)備，其對(duì)養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)的增氧途徑，一是使用機(jī)械能促進(jìn)空氣與水體的接觸，使更多的氧融入水中；二是促進(jìn)上下水層交換，使下層水體上涌承受光照，利用自然能增加水體溶氧[11-12]。按照雙膜理論，當(dāng)氣、液兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其接觸界面兩側(cè)分別存在氣體邊界層(氣膜)和液體邊界層(液膜)。氧的轉(zhuǎn)移就是在氣、液雙膜間進(jìn)行分子擴(kuò)散和在膜外進(jìn)行對(duì)流擴(kuò)散的過(guò)程。高效地增加氣膜與液膜間的接觸面積，促進(jìn)氧在水中的擴(kuò)散，成為增氧機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

養(yǎng)殖池塘增氧機(jī)的主要功能包括：①水躍增氧：通過(guò)攪水葉輪產(chǎn)生波浪和水珠，增加水—?dú)饨佑|面積，使空氣中的氧分子溶入水中；②曝氣增氧：通過(guò)機(jī)械裝置產(chǎn)出氣—水壓差和氣泡，增加水—?dú)饨佑|面積；③促進(jìn)上下水層交換，使下層缺氧水體上涌，參與增氧機(jī)的水躍、曝氣增氧，以及上層水體的光合作用；④促進(jìn)水體流動(dòng)，使溶氧迅速向四周擴(kuò)散[13-15]。

增氧能力和動(dòng)力效率是評(píng)價(jià)增氧機(jī)機(jī)械性能的主要指標(biāo)。前者是指單位時(shí)間內(nèi)水體中溶氧的質(zhì)量增加值，體現(xiàn)了設(shè)備的能力或者規(guī)格，后者為每千瓦輸入功率的增氧能力，表征著設(shè)備的能效。影響增氧機(jī)增氧能力與動(dòng)力效率評(píng)價(jià)的條件性因素是氧的轉(zhuǎn)移速率，取決于氣膜中氧的分壓梯度、液膜中氧的濃度梯度及其與飽和值的差值。在增氧機(jī)的應(yīng)用中，氣體氧分壓越高、水體溶氧越低，養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)移速率就越大，表現(xiàn)在增氧機(jī)開(kāi)啟初期溶氧上升快，空氣氣壓低的條件下使用增氧機(jī)，增氧效果慢。

2.2 增氧機(jī)械的類(lèi)型

以養(yǎng)殖池塘增氧機(jī)制分，可以將增氧機(jī)械劃分為以機(jī)械能增氧為主、水層交換生態(tài)增氧為輔的增氧機(jī)和以生態(tài)增氧為主的水質(zhì)調(diào)控增氧機(jī)兩大類(lèi)型。前者以葉輪式增氧機(jī)、水車(chē)式增氧機(jī)、微孔曝氣增氧機(jī)為代表，后者主要是指耕水機(jī)、涌浪機(jī)和太陽(yáng)能底質(zhì)調(diào)控機(jī)等。

(1)葉輪式增氧機(jī)

葉輪式增氧機(jī)主要由立式攪水葉輪、球體浮架、減速箱和電動(dòng)機(jī)組成，使用時(shí)由繩索定位，其功能主要表現(xiàn)為水躍增氧和水層交換。增氧機(jī)開(kāi)啟后，在葉輪的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)下產(chǎn)生水躍作用，在水面形成躍向四周的波浪和水珠，迅速增加水體與空氣的接觸，促進(jìn)空氣中的氧向水體中轉(zhuǎn)移并擴(kuò)散。在葉輪的下方水體，擴(kuò)散作用形成負(fù)壓區(qū)，促使底層的水涌向上層，產(chǎn)生水層交換作用。葉輪式增氧機(jī)更適合于魚(yú)池較深的養(yǎng)魚(yú)池塘，其常用規(guī)格為3 kW和1.5 kW，通常的養(yǎng)殖池塘一般每10畝配1臺(tái)3 kW的增氧機(jī)，可多臺(tái)配置。

(2)水車(chē)式增氧機(jī)

水車(chē)式增氧機(jī)主要由臥式攪水葉輪、船型浮體、減速箱和電動(dòng)機(jī)組成，使用時(shí)由繩索定位，其功能主要為水躍增氧和水體流動(dòng)。水車(chē)式增氧機(jī)在水面攪動(dòng)水體，產(chǎn)生水躍與水流，在旋轉(zhuǎn)葉輪的背面形成一定程度的負(fù)壓區(qū)，使下層的水上涌。水車(chē)式增氧機(jī)往往沿池塘四邊布置，形成環(huán)形水流，有利于水體中氧的擴(kuò)散。水車(chē)式增氧機(jī)往往更適合水深較淺或者需要水流環(huán)境的蝦蟹養(yǎng)殖池塘，對(duì)1.5m以下水層的攪動(dòng)作用顯著降低，其規(guī)格通常為1.5 kW。

(3)微孔曝氣增氧機(jī)

微孔曝氣增氧機(jī)是由設(shè)置在塘埂或浮體上的羅茨風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)和鋪設(shè)在池底的微孔管網(wǎng)所組成。運(yùn)行時(shí)由鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓空氣進(jìn)入管道，透過(guò)管壁上的微孔帶以微小氣泡的形式進(jìn)入水體，其功能主要表現(xiàn)為曝氣增氧。在微小氣泡上升的過(guò)程中，氣泡膜的吸附作用將水中懸浮顆粒帶到水面，形成上升流。微孔管或平行排列，或制成圓形盤(pán)管分布于水底，有利于池塘底層增氧及底泥氧化條件的構(gòu)建。微孔曝氣增氧更適合于蝦、蟹、參等底棲性生物養(yǎng)殖池塘，對(duì)未及時(shí)清淤、底泥淤積較多的老化池塘也有明顯的作用，其常用的規(guī)格為2.2～7.5 kW，適用于20～80畝養(yǎng)殖水面。

(4)涌浪機(jī)

涌浪機(jī)的葉輪由環(huán)形旋轉(zhuǎn)浮體和固定其上的攪水板構(gòu)成，葉輪立式布置并與減速箱、電機(jī)、拉桿連接，使用時(shí)通過(guò)拉桿在水面定位，其功能主要為水層交換，并有一定程度的水躍作用。涌浪機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速較增氧機(jī)小，運(yùn)行時(shí)在水面形成波浪向四周擴(kuò)散，并利用葉輪的旋轉(zhuǎn)在下部水體形成負(fù)壓區(qū)，使下層水體上升，形成循環(huán)水流，其生態(tài)增氧作用大于機(jī)械增氧。涌浪機(jī)常用的規(guī)格為0.75 kW、1.1 kW、1.5 kW，對(duì)應(yīng)的提水能力為1 221 ～2 843 m3/h，造波強(qiáng)度為0.07～0.08 m[16]。

(5)太陽(yáng)能水質(zhì)調(diào)控機(jī)

太陽(yáng)能水質(zhì)調(diào)控設(shè)備主要由移動(dòng)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)提水平臺(tái)組成。移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)連桿與旋轉(zhuǎn)提水平臺(tái)連接，向提水電機(jī)供電，并沿繩索往復(fù)行走，其功能主要為水層交換，可使底層的水及底泥表層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提升至水面，進(jìn)行生態(tài)增氧。移動(dòng)平臺(tái)由船型浮體、太陽(yáng)能光伏板及供電系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)繩索構(gòu)成，并通過(guò)連桿與旋轉(zhuǎn)提水平臺(tái)相連接。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)由船型浮體及設(shè)置其上的電機(jī)、提水葉輪和提水管組成，提水管通過(guò)調(diào)節(jié)裝置與池塘底部保持接觸或非接觸高度。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定值時(shí)設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行，在移動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將底層富營(yíng)養(yǎng)水體提至上層，參與光合作用，光照度越大，發(fā)電量增加，提水量愈大。測(cè)試表明，當(dāng)光照度為52 500 Lx時(shí)，輸出功率為170 W(20 V×8.5A)，提水量達(dá)208 m3/h[17]。

2.3 增氧機(jī)的效率

生產(chǎn)者評(píng)價(jià)增氧機(jī)的使用效果，往往依據(jù)設(shè)備的投入經(jīng)費(fèi)、一個(gè)生產(chǎn)周期的運(yùn)行能耗為依據(jù)以及養(yǎng)殖對(duì)象的生長(zhǎng)情況做出判斷，這是綜合性并有些籠統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式。實(shí)際上，影響池塘增氧機(jī)運(yùn)行效果的因素很多。利用機(jī)械能增加氣—液接觸面積的增氧，如水躍與曝氣，是物理性的過(guò)程，相對(duì)容易測(cè)試比較。利用水層交換促進(jìn)生態(tài)增氧的效果，受即時(shí)的光照度和水體中碳、氮、磷的營(yíng)養(yǎng)水平及比例的影響，往往難以進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。增氧機(jī)開(kāi)啟時(shí)水體各部分的溶氧水平關(guān)系到氧的擴(kuò)散速率，對(duì)增氧效果產(chǎn)生影響。

對(duì)增氧機(jī)實(shí)施性能檢測(cè)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的方法，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)為《增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法(SC/T6009—1999)》，規(guī)定了增氧機(jī)的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法及計(jì)算方法。在清水(消氧)的條件下對(duì)增氧機(jī)進(jìn)行增氧能力和動(dòng)力效率的測(cè)試，反映的是水躍、曝氣等功能為主的機(jī)械增氧。增氧機(jī)生態(tài)增氧效果的分析多見(jiàn)述于基于特定養(yǎng)殖池塘的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心歷年來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析[14]，葉輪式、水車(chē)式、曝氣式增氧機(jī)的增氧能力與動(dòng)力效率比較見(jiàn)表1。可以看出，葉輪式與水車(chē)式增氧機(jī)相比，單位裝機(jī)功率(kW)增氧能力的差異較小，動(dòng)力效率相對(duì)高12%。曝氣式與葉輪式增氧機(jī)相比，單位裝機(jī)功率(kW)增氧能力要高出9.8%，動(dòng)力效率則高出20%。數(shù)據(jù)分析表明，3種增氧機(jī)在清水條件測(cè)試性能綜合比較為：曝氣式>葉輪式>水車(chē)式>螺旋槳式。在池塘中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉輪式增氧機(jī)攪動(dòng)作用大，比水車(chē)式和曝氣式快40%和94%，可使水體迅速混合[14,18]；曝氣式增氧機(jī)由于沒(méi)有形成水流，開(kāi)啟以后的增氧速率明顯低于葉輪式、水車(chē)式，不適于應(yīng)急性增氧[19]。

表1 葉輪式、水車(chē)式、曝氣式增氧機(jī)的增氧能力與動(dòng)力效率比較

注：1.螺旋槳式射流增氧機(jī)作為其他類(lèi)型增氧機(jī)的一種，參與本對(duì)照分析；2.曝氣式增氧機(jī)同為該實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)數(shù)據(jù)，為1臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

涌浪機(jī)效能表現(xiàn)在以生態(tài)增氧為主，兼具機(jī)械增氧的作用。在水深1.6 m、養(yǎng)殖密度達(dá)800 kg/667m2主養(yǎng)團(tuán)頭魴池塘中的比較試驗(yàn)表明[20]，在促使上下水層交換的能力上，0.75 kW涌浪機(jī)的效果與3 kW葉輪式增氧機(jī)接近，其綜合增氧能力比葉輪式高60%。說(shuō)明要達(dá)到同樣的生態(tài)增氧效果，涌浪機(jī)比葉輪式增氧機(jī)具有更好的節(jié)能效果：涌浪機(jī)>葉輪式>水車(chē)式>曝氣式。由于涌浪機(jī)對(duì)水體(造波)的影響范圍更廣，是否可以用標(biāo)準(zhǔn)的清水池檢測(cè)方法來(lái)評(píng)價(jià)涌浪機(jī)的性能有待確定，但僅從小規(guī)格涌浪機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，0.75 kW和1.1 kW涌浪機(jī)單位裝機(jī)功率(kW)的增氧能力為1.52和1.48，略低于葉輪式增氧機(jī)，與水車(chē)式相近，其動(dòng)力效率為1.21和1.29，顯著低于葉輪式和水車(chē)式增氧機(jī)[6]，也就是說(shuō)，要達(dá)到水躍、曝氣等機(jī)械增氧效果，涌浪機(jī)不如葉輪式與水車(chē)式增氧機(jī)：涌浪機(jī)<水車(chē)式<葉輪式<曝氣式。一臺(tái)0.75 kW的涌浪機(jī)波直徑可達(dá)60 m，相當(dāng)于4畝(2 668 m2)水面面積[21]。

太陽(yáng)能水質(zhì)改良機(jī)只有上下水層交換的作用，通過(guò)設(shè)置在池塘底部的進(jìn)水口直接將底層水提升到水面，對(duì)底層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)參與光合作用及底泥的改良具有直接的效果。研究表明[7]，在水深1.8 m主養(yǎng)鳊魚(yú)的池塘中，太陽(yáng)能水質(zhì)改良機(jī)的提水懸浮物濃度可達(dá)到 2.3×103mg/L，營(yíng)養(yǎng)鹽水平超過(guò)對(duì)照池塘65%，通過(guò)光照度閾值10 000～30 000Lx控制設(shè)備的啟動(dòng)與關(guān)閉，讓底層的氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽充分參與浮游生物的光合作用，水體中 CODMn和總懸浮物基本穩(wěn)定。試驗(yàn)中套養(yǎng)的鰱魚(yú)與鳙魚(yú)產(chǎn)量分別增加了32.1%和25.7%，池塘底泥厚度下降了12 cm，底質(zhì)得到明顯改善。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出其提水效率為1 223.5 m3/(kW·h)，略低于涌浪機(jī)，運(yùn)行范圍超過(guò)池塘70%的水面，其對(duì)池塘上下水層的交換作用明顯高于后者；1臺(tái)最大功率為170W太陽(yáng)能水質(zhì)改良機(jī)的提水能力相當(dāng)于3臺(tái)1.5 kW葉輪式增氧機(jī)。

3 增氧機(jī)應(yīng)用方式

在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，要做到合理地選擇池塘增氧機(jī)，以達(dá)到保障養(yǎng)殖環(huán)境和節(jié)能的效果，就必須要針對(duì)生產(chǎn)方式和池塘條件，把握各類(lèi)增氧機(jī)的特性及主要功能進(jìn)行選配，表2所示為本文所論述的5類(lèi)代表性增氧機(jī)功能的綜合對(duì)比。

表2 各類(lèi)增氧機(jī)功能綜合對(duì)比

注：★數(shù)量多少表示效率的高低。

養(yǎng)殖池塘增氧機(jī)的選配要根據(jù)養(yǎng)殖方式及池塘的基本特點(diǎn)，突出不同類(lèi)型增氧機(jī)的功能，以達(dá)到高效、節(jié)能的效果。其選配原則，一是動(dòng)力效率最高，以達(dá)到能耗最低的機(jī)械增氧效果，依據(jù)“曝氣式>葉輪式>水車(chē)式>現(xiàn)有其他形式增氧機(jī)”的原則；二是對(duì)較深水體的池塘考慮提高生態(tài)增氧效果，選擇上下水層交換功能強(qiáng)的方式，依據(jù)“太陽(yáng)能水質(zhì)改良機(jī)>涌浪機(jī)>葉輪式>水車(chē)式”的原則；三是養(yǎng)殖生物所需的環(huán)境條件，如底棲性生物對(duì)下層水體及底質(zhì)環(huán)境的要求，對(duì)蝦、鰻魚(yú)等養(yǎng)殖品種需要水流環(huán)境等；四是設(shè)備功能兼顧、組合及造價(jià)等因素。表3所列為大宗淡水魚(yú)養(yǎng)殖池塘增氧機(jī)的配置參考。表4為其他類(lèi)型養(yǎng)殖增氧機(jī)的選擇。

表3 大宗淡水魚(yú)混養(yǎng)池塘增氧機(jī)配置參考

表4 幾種典型單養(yǎng)池塘增氧機(jī)配置方式

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Comparative study on aeration mechanism and equipment performance of aquaculture pond

XU Hao1,2, TIAN Changfeng1,2, LIU Xingguo1,2, GU Haitao1, GU Jian1, HUANG Yixing1

(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China;2 Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Shanghai 200092, China)

In aquaculture, the pond ecosystem includes natural mature period and artificial maintenance period. When the aquaculture capacity is improved, the oxygen demanded by breathing of aquaculture organisms increases continuously, and under oxygen deficient condition, the organics will decompose into hazardous substances, which has influences on aquaculture production. The main mechanism to maintain stability of pond ecosystem is as follows: through exchange of water layers up and down and balancing of nutrient elements, strengthen photosynthesis, increase the transformation scale of nutrient substances and improve primary productivity; form efficient aeration mechanism centered on ecological aeration and supplemented by mechanical aeration. With ecosystem of aquaculture pond in China as object of study, the ecological mechanism of aquaculture pond, theory of dissolved oxygen in water, mechanisms of action of aerator and mechanical property of different aerators are analyzed and discussed, and aerator configuration for bulk freshwater fish polyculture pond and several typical monoculture ponds is proposed, thus providing technical reference for aerator configuration of pond aquaculture system.

aerator; aquaculture pond; dissolved oxygen; configuration

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.001

2017-06-12

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金(CARS-46)

徐皓(1964—)，男，研究員，研究方向：漁業(yè)裝備工程技術(shù)。E-mail：xuhao@fmiri.ac.cn

S969.32+1

A

1007-9580(2017)04-001-08