循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的增氧技術(shù)應(yīng)用研究

宋紅橋 管崇武

摘 要：養(yǎng)殖水體中的溶氧值是滿足養(yǎng)殖品種在養(yǎng)殖環(huán)境中生長(zhǎng)的重要條件之一。該文歸納了養(yǎng)殖模式的發(fā)展和變化，介紹了國(guó)內(nèi)外增氧發(fā)展及循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的主要增氧方式，為進(jìn)一步提高增氧技術(shù)水平提供參考。

關(guān)鍵字：水產(chǎn)養(yǎng)殖;溶氧;增氧技術(shù)

中圖分類號(hào) S965文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）22-0100-03

Study on Application of Aeration Technology in Recirculating Aquaculture System

SONG Hongqiao et al.

（Institute of fishery machinery and instruments， Chinese Academy of Fishery Sciences / Key Laboratory of fishery equipment and engineering technology， Ministry of agriculture and rural areas， Shanghai 200092， China）

Abstract： dissolved oxygen value in aquaculture water is one of the important conditions to meet the growth of aquaculture varieties in the aquaculture environment. According to the development and change of aquaculture mode， this paper mainly summarizes the main ways of aeration at home and abroad， and the main ways of aeration in the current recirculating aquaculture system， so as to provide reference for further improving the aeration technology.

Key words： Aquaculture; Dissolved oxygen; Oxygenation technology

我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展，從原先單一的池塘養(yǎng)殖模向大水體網(wǎng)箱養(yǎng)殖、流水養(yǎng)魚、高密度集約化、工廠化等多元化的養(yǎng)殖模式方向發(fā)展和轉(zhuǎn)化[1]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是利用現(xiàn)代設(shè)施設(shè)備和控制技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)建的一種高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。單位養(yǎng)殖水體的產(chǎn)出指標(biāo)是評(píng)價(jià)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)效率的重要參數(shù)，在單一養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖密度越高、單位產(chǎn)量也越高，也表明該系統(tǒng)在養(yǎng)殖中的利用率和單位產(chǎn)出也越高，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也越高。

溶氧是魚類在水中賴以生存的基礎(chǔ)條件，是水環(huán)境物質(zhì)的氧化的重要物質(zhì)[2]，也是魚類生存和生長(zhǎng)的基礎(chǔ)條件之一。魚在生長(zhǎng)和活動(dòng)的過(guò)程中不停地進(jìn)行耗氧，水中的溶解氧在養(yǎng)殖過(guò)程中處于先決條件地位，對(duì)于魚類的生長(zhǎng)和發(fā)育都具備著決定意義。溶解氧（DO）在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有重要作用，每一噸魚/天需要消耗約3kg的氧氣[3-4]，在養(yǎng)殖水體中保持一定水平的溶解氧是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)所必備的重要條件之一[5]。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖密度與系統(tǒng)的溶氧之間密切關(guān)聯(lián)。以在空氣增氧為基礎(chǔ)條件下，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖密度上限基本保持在30～50kg/m3左右，在循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中達(dá)到養(yǎng)殖密度后，溶解氧一般都不高于5mg/L或是水體溶氧飽和度達(dá)到60%～70%。因此，在高密度循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式下，高效增加養(yǎng)殖水體中的溶解氧是保證循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)正常運(yùn)行以及魚類生長(zhǎng)的前提和關(guān)鍵，也是提高養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備利用效率、提高經(jīng)濟(jì)效益的最有效途徑。

因此，探討和研究循環(huán)水養(yǎng)殖模式下的增氧技術(shù)，有利于為增氧技術(shù)研發(fā)和增氧設(shè)備創(chuàng)新提供思路，對(duì)促進(jìn)和提高循環(huán)水養(yǎng)殖學(xué)科的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 增氧技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在水產(chǎn)中的增氧形式是多樣化的，機(jī)械增氧、物理增氧、化學(xué)增氧、生物增氧等是最為常見的幾類增氧方式。機(jī)械增氧在水產(chǎn)養(yǎng)殖中是最為普遍、應(yīng)用性最廣的一種增氧方式。隨著循環(huán)水養(yǎng)殖模式的迅速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的增氧設(shè)施設(shè)備和方法要求相應(yīng)的有所提高;隨著養(yǎng)殖技術(shù)要求的不斷提高，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)由“粗養(yǎng)精養(yǎng)”逐漸向集約化、循環(huán)水和工廠化等方向發(fā)展，在養(yǎng)殖系統(tǒng)中保證高溶氧值是高密度下養(yǎng)殖生產(chǎn)的必備條件。較多的研究表明：水體在高溶氧情況下，所投喂飼料的利用率可提高30%，提高養(yǎng)殖收益，降低養(yǎng)殖成本;養(yǎng)殖對(duì)象在養(yǎng)殖過(guò)程中病害的發(fā)生和死亡率也明顯降低。

我國(guó)增氧設(shè)備的研究始于20世紀(jì)的70年代，近年來(lái)隨著我國(guó)高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的飛速發(fā)展，應(yīng)用及推廣，增氧技術(shù)也取得了相當(dāng)大的研究成果，研發(fā)出了各種新型的增氧技術(shù)和設(shè)備。國(guó)內(nèi)主要的池塘養(yǎng)殖增氧方式還是主要以增氧機(jī)為主，其中葉輪、水車增氧機(jī)的使用率最高，此類增氧機(jī)應(yīng)用于較大水體養(yǎng)殖較多，例如池塘，其增氧的范圍較大，所以在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用較少，只作為輔助型的增氧設(shè)施。循環(huán)水養(yǎng)殖增氧在國(guó)內(nèi)以曝氣增氧（羅茨風(fēng)機(jī)、渦旋風(fēng)機(jī)）等為主，為適應(yīng)高密度循環(huán)水養(yǎng)殖模式的發(fā)展，陳友光[6]等研究了純氧增氧，其表現(xiàn)利用率高;張宇雷[7]等研究低壓純氧增氧裝置等，為循環(huán)水中的高密度養(yǎng)殖模式中的增氧設(shè)施設(shè)備奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

國(guó)外的主要增氧技術(shù)以利用純氧增氧為主，Wagner等通過(guò)使用純氧增氧方式使氮的飽和從116%降低至98%，達(dá)到高增氧的效果。大部分較多的是純氧混合裝置U型管、加壓填充筒，錐形氧接觸器等，此類增氧設(shè)施在同一養(yǎng)殖水體中，利用純氧進(jìn)行增氧可迅速增高1至2倍增氧效果和利用率，對(duì)國(guó)內(nèi)增氧技術(shù)的研究提供了依據(jù)和參考，在增氧等研究過(guò)程中起到了良好的指導(dǎo)和積極引導(dǎo)的作用。

2 循環(huán)水養(yǎng)殖模式下的常用增氧技術(shù)

2.1 曝氣增氧 曝氣增氧是循環(huán)水養(yǎng)殖模式中最為常見的一種增氧方式，利用微孔曝氣管或者曝氣石向養(yǎng)殖水體充空氣進(jìn)行增氧，該增氧方式的范圍比較廣，能夠提高各水層養(yǎng)殖品種的活動(dòng)能力。曝氣增氧是由電機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)或渦旋風(fēng)機(jī)等設(shè)備、主供氣管、PVC支管及曝氣管或曝氣石組成的供氣系統(tǒng)。其曝氣原理是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，將空氣加壓后送至系統(tǒng)中的主供氣管道;由主供氣管道將空氣源氧沿支路管道進(jìn)入系統(tǒng)中的曝氣石或曝氣管內(nèi);曝氣石或曝氣管將空氣源氧以微小氣泡形式分散到各水層的水體中，形成的微氣泡向池底釋放出后逐漸上浮跟各層水體接觸混合進(jìn)行增氧。氣泡是在高氧狀態(tài)的分壓作用下，將氧氣充分溶入到養(yǎng)殖水體中的;氣泡在上升過(guò)程中形成水流旋轉(zhuǎn)和上下水層進(jìn)行流動(dòng)互換，將上層溶氧量值較高的水帶入下層水體中，讓水流形成旋轉(zhuǎn)后使微孔管周圍高溶氧量水向外圍擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)中水體高效、均勻增氧的效果。曝氣增氧情況下實(shí)現(xiàn)高效立體增氧，保證水體溶氧量穩(wěn)定，特別是極端天氣情況下養(yǎng)殖水體溶氧的波動(dòng)性小。該增氧方式的主要缺點(diǎn)是空氣中的氧氣含量21%，當(dāng)養(yǎng)殖品種密度超過(guò)50kg/m3后，溶氧值不穩(wěn)定，基本保持在3～5mg/L左右，系統(tǒng)的養(yǎng)殖密度受到了限制，溶氧利用效率降低。

2.2 純氧增氧

2.2.1 低壓純氧混合增氧（LHO） 該增氧裝置主要是根據(jù)氣與液傳質(zhì)的雙膜理論，通過(guò)LHO腔體內(nèi)持續(xù)和多次吸收來(lái)提高純氧的吸收率和利用率。循環(huán)水流經(jīng)過(guò)布水孔板后形成一定厚度的水層以減少純氧的溢流，水流以滴流的形式自留入吸收腔;純氧的吸收腔是若干個(gè)相互串聯(lián)的小型腔體分格而成的，是主要進(jìn)行氧-水接觸的混合空間;整個(gè)LHO增氧裝置半埋于水體中，讓整個(gè)吸收腔處于密閉狀態(tài)，減少氧的流失和浪費(fèi);水流通過(guò)從互串的吸收腔的底部流出，純氧在裝置側(cè)面進(jìn)氣口注入，部分尾氣通過(guò)尾氣管從吸收腔排出。該設(shè)備增氧溶氧的利用率主要是控制氣水比以及布水孔徑與吸收腔之間高度;如設(shè)定進(jìn)出水溶氧為9～10mg/L，氧吸收率為60%～70%，設(shè)定氣液體積比應(yīng)為0.01∶1;布水板孔徑以小為佳，布水層厚度不低于5cm，吸收腔不能過(guò)多，一般以7～10格利用率為最高。該增氧能滿足中高養(yǎng)殖密度的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)對(duì)溶氧的需求;但低壓增氧長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖系統(tǒng)水體中的二氧化碳的積聚，pH值會(huì)持續(xù)性降低和產(chǎn)生波動(dòng)等不穩(wěn)定情況發(fā)生，因此需要在系統(tǒng)中配備相應(yīng)的二氧化碳去除裝置和脫氣裝置。

2.2.2 氧錐 氧錐增氧裝置是由1個(gè)錐形氣液接觸罐體、循環(huán)水泵、進(jìn)出水口、進(jìn)氣口和氣體回收等裝置所構(gòu)成。在整個(gè)增氧使用過(guò)程中充分利用錐體接觸罐內(nèi)部液體的靜壓力，增氧錐的出水管安裝在養(yǎng)殖水體的底部;純氧從增氧錐頂部的進(jìn)氣口進(jìn)入錐形氣液接觸罐體內(nèi)，并使氣體流速方向與水流方向呈垂直角度;養(yǎng)殖水經(jīng)循環(huán)泵上提至增氧錐頂部回落至底部，與整個(gè)增氧錐內(nèi)的氧氣充分接觸后從底部出水口自行流出。純氧與水是在錐型氣液接觸罐中進(jìn)行混合接觸后形成氣泡流體狀態(tài)，即完成氧-水接觸從而提高水中的溶氧值，將多余未溶解的氧氣經(jīng)回收管道收集后再循環(huán)利用，氣液混合的水隨后進(jìn)人循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，最終實(shí)現(xiàn)水體增氧過(guò)程，水體中的溶氧值達(dá)到15～22mg/L，甚至更高值。當(dāng)氣泡流經(jīng)過(guò)增氧錐時(shí)，就可使得氧氣最大限度地延長(zhǎng)停留在增氧錐內(nèi)的接觸時(shí)間，從而提高氣液之間混合來(lái)提高水體溶氧值和飽和含量。另外，氣-液的混合流在向下的自流動(dòng)的過(guò)程中，隨著深度增加錐體內(nèi)的壓強(qiáng)不斷加大，水體中氧傳質(zhì)的動(dòng)力不斷提高和增加，氧氣的傳遞速率也隨之增加，高效增氧更加明顯和顯著。氧錐增氧在我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用不是很普遍，主要原因是錐形接觸器吸收腔的工作壓力達(dá)到100kpa左右，使用成本、動(dòng)力及能耗等費(fèi)用都較高，對(duì)于養(yǎng)殖戶來(lái)說(shuō)使用成本偏高。

2.3 化學(xué)法 化學(xué)增氧是一般養(yǎng)殖戶常備的增氧方法和藥劑，主要是利用增氧作用的化學(xué)試劑中的功能和特性，將增氧化學(xué)試劑投入或添加到養(yǎng)殖水體中，讓其與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后釋放出氧氣，以此方式來(lái)提高水中的溶氧和含氧量。化學(xué)增氧試劑的主要成份都是過(guò)氧化氫、過(guò)氧化鈣、過(guò)氧酰胺、過(guò)氧碳酸氫鈉等易反應(yīng)釋放氧的化學(xué)試劑。該類主要是用于應(yīng)急處理的方法，應(yīng)對(duì)就極端天氣、緊急停電等特殊的情況下缺氧而造成的浮頭和缺氧，該法成本高，常規(guī)情況下極少使用該方法[8]。

2.4 生物法 生物增氧法主要是利用水體中的光合微生物、藻類等水生植物進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，釋放氧氣來(lái)達(dá)到養(yǎng)殖水體增氧的目的。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中受到技術(shù)和空間、配套等約束。但在標(biāo)準(zhǔn)化池塘的循環(huán)水模式下和華北地區(qū)的冰下越冬有相關(guān)的使用報(bào)告。此類增氧方法需生態(tài)環(huán)境條件等綜合因素進(jìn)行考量[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

水體中保持穩(wěn)定的溶氧值是整個(gè)養(yǎng)殖過(guò)程中的保障，增氧能力是衡量養(yǎng)殖系統(tǒng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[10]，水體中溶氧低則會(huì)引起養(yǎng)殖品種的應(yīng)急，輕會(huì)魚類浮頭，嚴(yán)重時(shí)窒息死亡。但較多的試驗(yàn)結(jié)果表明，養(yǎng)殖水體中的溶氧值并非是越高越好;魚苗如長(zhǎng)期在溶氧過(guò)飽和的水體中，易發(fā)生氣泡病?；攫B(yǎng)殖水體中的溶氧保持在5～7mg/L是既滿足養(yǎng)殖品種所需氧，又節(jié)能節(jié)約成本。

針對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象和密度選擇增氧方式是首先考慮的問(wèn)題，不同養(yǎng)殖品種對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境也有著不同的要求。如羅非魚可耐受的最低溶氧值為0.5mg/L，鯉科魚類可耐受0.7～1.0mg/L，根據(jù)養(yǎng)殖的不同魚類的需氧量，進(jìn)行符合整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的所需配比。養(yǎng)殖密度過(guò)高，對(duì)于水體中的溶氧消耗較高，即要滿足魚類呼吸所需的溶氧值，也要滿足系統(tǒng)中的生物處理器所需氧源。

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（責(zé)編：王慧晴）