養殖池塘增氧機制與裝備性能比較研究

徐 皓， 田昌鳳， 劉興國， 顧海濤， 谷 堅， 黃一心

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 農業部漁業裝備與工程重點試驗室，上海 200092)

養殖池塘增氧機制與裝備性能比較研究

徐 皓1,2， 田昌鳳1,2， 劉興國1,2， 顧海濤1， 谷 堅1， 黃一心1

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 農業部漁業裝備與工程重點試驗室，上海 200092)

水產養殖過程中，池塘生態系統可分為自成熟期和人工維持期。在養殖容量提高的情況下，養殖生物呼吸需氧量在不斷增加，缺氧條件下有機物分解成有害物質，影響養殖生產。維持池塘生態系統穩定的主要工程機制為：通過上下水層交換、平衡營養元素等方法，強化光合作用，提高營養物質轉化規模，提升初級生產力；形成生態增氧為主、機械增氧為輔的高效增氧機制。以中國養殖池塘生態系統為研究對象，分析探討養殖池塘生態機制、水體溶氧理論、增氧機作用機理、不同類型增氧機的機械性能等，提出了大宗淡水魚混養池塘及幾種典型單養池塘增氧機配置方式，從而為池塘養殖系統增氧機的配置提供技術參考。

增氧機; 養殖池塘; 溶氧; 配置方式

1 養殖池塘生態機制與溶氧

1.1 養殖池塘生態系統

人工構建的池塘生態系統灌水以后，來自自然水體的組分與池塘土壤的組分進行融合，在自然(如光照等)與人為(如增氧、施肥等)因素的干預下，養殖池塘生態系統逐漸趨于初始平衡狀態。由于系統形成的時間和空間尺度相對很小，主要以浮游植物、浮游動物和細菌等低生態位生物為主，營養物質相對貧瘠。相對自然池塘而言，由于種群、生物量、食物鏈等的劣勢，系統的自我調節能力比較弱。因此，其構建以提高初級生產力為目的，為將要投入的養殖品種提供良好的基礎餌料和有氧環境。

在養殖生產過程中，池塘生態系統可分為自成熟期和人工維持期。自成熟期的生態系統，伴隨著放養以及飼料的持續投入，池塘生態系統以自身的調節能力保持系統循環的穩定，并不斷趨于成熟。攝食飼料的養殖生物主體上不在系統循環中擔任消費者的角色，而系統中能量與物質循環的平衡狀態則為其提供生長環境，包括適宜的水質理化性狀、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是健康養殖所必須的。但持續投入的營養物質通過養殖生物的轉化(排泄)，或者直接(殘餌)以生物質的方式進入循環系統，增加了由飼料→養殖生物排泄物→異養微生物→礦化微生物為主的食物鏈，加速了系統的成熟，但系統的調節能力則趨于弱化。為了減緩這一趨勢，搭配鰱、鳙魚等混養品種，作為消費者參與到系統中，分擔相當部分的營養物質并轉化成養殖產品，可以使系統成熟期延緩，或者說，使系統對主養生物的承載量更大一些。

隨著養殖生物的生長，投入的飼料量越來越大，系統的營養物質在微生物和光合作用下，主要積聚在有機質和浮游植物環節。微生物分解有機質的壓力增大，需氧量不斷增加，養殖生物呼吸需氧也在增加。當光合作用產生的氧不能滿足系統循環和養殖生物呼吸所需時，自成熟期的平衡被打破。缺氧條件下有機質分解成有害的氨氮、亞硝酸鹽氮，在池塘底泥的厭氧區，還會產生硫化氫等有害物質。而此時養殖生物的生長期還未結束，人為的干預成為必然的選擇。

人工維持期生態系統(圖1)最初的手段是換水，通過給水和排水，有機質和浮游植物以及氨氮、亞硝酸鹽氮等有害物質被減少和稀釋，補水還帶入溶氧。養殖系統一旦有了充足的溶氧，好氧微生物群落可以最大限度地發揮作用，有機質被充分轉化為能被植物吸收的營養物質，有害物質被控制在安全水平，養殖生物生長環境得以維持，呼吸需要得以保障，直至養殖生產周期結束。

圖1 養殖池塘人工維持期生態系統主要構成

為追求更高的生產規模，人工維持期逐步成為整個養殖周期的主要過程，在一些精養池塘，幾乎從生產伊始便需要換水和開啟更多的增氧機。養殖池塘依靠其自成熟期的調節能力，養殖畝產僅100～200 kg/ 667 m2(畝)；在人工維持期，依靠排灌機械換水，單產最高達到400～500 kg/667 m2，利用增氧機，整體單產超過700 kg/667 m2，最高單產達2 500 kg/667 m2，甚至更高[1]。

1.2 養殖池塘溶氧

養殖池塘生態系統中，影響養殖生產及健康養殖環境的主要水化學因素是氧、氮、磷、碳的存在形式，以及pH、鹽度、氧化還原電位(ORP)等綜合反應水質特性的指標[2]。氧是養殖池塘生態系統中絕大多數生物群落生存的必要條件，空氣擴散、光合作用是養殖水體溶氧主要來源。如果供氧不足，養殖生物、浮游動物、浮游植物難以呼吸，更多厭氧微生物分解有機質的水化學反應，產生有害物質，產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散的主要影響因素。在空氣和水中氧分壓差的驅動下，通過氣—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散。但若水體中的氧處于過飽和狀態，氧則會向空氣中擴散。海拔越高，氣壓越低；溫度越高，水的吸收系數下降；鹽度越大，更多的氧形成水合離子，這都導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，風力造成的浪花和水流會增加接觸面。與靜止接觸面相比，在風力作用下的氧擴散效率(氧轉移系數)倍增，實驗室數據是10～24倍，在池塘綜合條件下為5倍[6]。使用動力的機械增氧，通過增加水與空氣的接觸面積，可達到高效增氧的目的。池塘生態系統中浮游植物光合作用的供氧作用十分重要。從養殖池塘氧收支平衡看，不使用增氧機的池塘，氧收入中光合作用與空氣擴散分別占86.0%～95.5%和4.7%～14.0%，氧支出中水呼吸、魚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]。使用增氧機的池塘，氧收入中光合作用、增氧機、空氣擴散分別占44.7%、42.3%和13%[9]。光合作用是池塘氧供給的主體，既充分利用了養殖過程的多余營養物質，又無需如增氧機般耗能。機械增氧只是作為補充，在需要更多的氧或光照、營養受限時發揮作用。

池塘水體溶氧分布不均，在光照、溫度和水流的影響下，處在動態變化中。光合作用發生在池塘水體的上層，與變溫層對應。隨著水層深度增加，光合作用不斷衰弱，直到浮游植物產氧量等于自身呼吸量(此時的光照為光補償點，P/R=1)時，光合作用對池塘生態不再有貢獻。由于懸浮物質的遮光作用，養殖池塘的光補償點深度比自然水體淺了許多，一般在0.5～1.5m水層[6]。沒有光合作用的下層水體對應為均溫層，主要靠水體的流動使溫層消失獲取氧。養殖池塘水體相對較小，由于生物活動、增氧以及晝夜溫差等干擾因素，難以形成長期的溶氧分層現象，但總體上呈上層高、下層低的狀況。水體上層白天溶氧高，以儲備夜晚所需的氧。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充增氧。夏季池塘光照強烈，水溫上升，光合作用產氧量以及生物的呼吸量都增大，下層水體的溶氧更顯不足。風力使池塘下風位置浮游生物量增加，溶氧要明顯高于上風位置，兩端溶氧差值可達2 mg/L[7]。

一般認為，符合池塘健康養殖要求的溶氧邊界在4～5 mg/L。當溶氧大于此范圍時，好氧細菌發揮積極的作用，有機質分解和無機鹽轉化的產物對養殖生物無害，對初級生產力的形成有利；低于此值時，水體及池塘底層的專性厭氧細菌在分解有機質的產物對池塘生態系統中的生物有毒害作用。參照《漁業水質標準(GB11607—89)》，池塘養殖水體的溶氧應維持在：連續24 h中，16 h以上必須大于5 mg/L，其余任何時候不得低于3 mg/L。根據養殖對象的生態學特性，池塘養殖溶氧適宜范圍為4～8 mg/L。增氧機的應用，就是要在整個養殖過程中始終保持適宜的溶氧環境，防止低氧性應激狀況(低氧生長、浮頭、窒息死亡)的出現。

圖2所示的數值反映了養殖池塘依靠光合作用溶氧的日變化規律。7:00—8:00以后，隨著光照度的增加，在光合作用下水體產氧量持續增加，溶氧不斷上升，至正午達到高峰時段；下午至午夜，隨著光照度的減弱，產氧量持續下降，整個時段為生態增氧時段。17:00—18:00以后，水體中的氧處于消耗階段，溶氧處于緩減時段，至午夜以后水體中的溶氧低于4 mg/L，處于低氧時段[10]。增氧機的作用，就是以最低的能源消耗，一是使水體在低氧時段獲得人為的溶氧補充；二是通過增加水體受光量和營養物質，增加光合作用，盡可能提高白晝的溶氧儲備。

圖2 自然條件下養殖池塘溶解氧日變化狀況

2 增氧機的原理、類型與增氧效率

池塘增氧機誕生于20世紀70年代現代魚類集約化養殖產業的興起。1950年代后期“四大家魚”人工繁殖技術的突破，開啟了中國傳統水產養殖的現代化進程。為解決當時社會“吃魚難”的問題，需要發展集約化池塘養殖，以提高養殖產量與生產效率。在傳統魚塘中，養魚量的增加極易造成水體缺氧和“魚浮頭”，增氧機應運而生。1960年代國家啟動了水產養殖機械化專項。第一臺池塘增氧機誕生于1972年，其創造性地采用倒傘形葉輪在水下旋轉，產生水躍，攪動水體，解決養殖池塘增氧問題，被命名為“葉輪式增氧機”。經過數十年的發展，葉輪式增氧機的性能與結構不斷優化，一直是淡水魚類池塘養殖使用的主要機型。1980年代以后，水車式增氧機從中國臺灣地區引進，用于鰻魚和對蝦養殖，同時期還研發了射流、噴水、充氣、渦輪等各種形式的增氧機。2005年以后，微孔增氧機開始應用于蝦、蟹等底棲生物的養殖池塘，并相續出現了耕水機、涌浪機、底質調控機等增氧設備。這些增氧設備成為中國池塘養殖不可或缺的生產裝備。

2.1 增氧機的增氧機理

增氧機是池塘養殖過程中為保障適宜的水體溶氧所運用的專用設備，其對養殖池塘生態系統的增氧途徑，一是使用機械能促進空氣與水體的接觸，使更多的氧融入水中；二是促進上下水層交換，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，當氣、液兩相作相對運動時，其接觸界面兩側分別存在氣體邊界層(氣膜)和液體邊界層(液膜)。氧的轉移就是在氣、液雙膜間進行分子擴散和在膜外進行對流擴散的過程。高效地增加氣膜與液膜間的接觸面積，促進氧在水中的擴散，成為增氧機設計的關鍵。

養殖池塘增氧機的主要功能包括：①水躍增氧：通過攪水葉輪產生波浪和水珠，增加水—氣接觸面積，使空氣中的氧分子溶入水中；②曝氣增氧：通過機械裝置產出氣—水壓差和氣泡，增加水—氣接觸面積；③促進上下水層交換，使下層缺氧水體上涌，參與增氧機的水躍、曝氣增氧，以及上層水體的光合作用；④促進水體流動，使溶氧迅速向四周擴散[13-15]。

增氧能力和動力效率是評價增氧機機械性能的主要指標。前者是指單位時間內水體中溶氧的質量增加值，體現了設備的能力或者規格，后者為每千瓦輸入功率的增氧能力，表征著設備的能效。影響增氧機增氧能力與動力效率評價的條件性因素是氧的轉移速率，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。在增氧機的應用中，氣體氧分壓越高、水體溶氧越低，養殖的轉移速率就越大，表現在增氧機開啟初期溶氧上升快，空氣氣壓低的條件下使用增氧機，增氧效果慢。

2.2 增氧機械的類型

以養殖池塘增氧機制分，可以將增氧機械劃分為以機械能增氧為主、水層交換生態增氧為輔的增氧機和以生態增氧為主的水質調控增氧機兩大類型。前者以葉輪式增氧機、水車式增氧機、微孔曝氣增氧機為代表，后者主要是指耕水機、涌浪機和太陽能底質調控機等。

(1)葉輪式增氧機

葉輪式增氧機主要由立式攪水葉輪、球體浮架、減速箱和電動機組成，使用時由繩索定位，其功能主要表現為水躍增氧和水層交換。增氧機開啟后，在葉輪的旋轉攪動下產生水躍作用，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，促進空氣中的氧向水體中轉移并擴散。在葉輪的下方水體，擴散作用形成負壓區，促使底層的水涌向上層，產生水層交換作用。葉輪式增氧機更適合于魚池較深的養魚池塘，其常用規格為3 kW和1.5 kW，通常的養殖池塘一般每10畝配1臺3 kW的增氧機，可多臺配置。

(2)水車式增氧機

水車式增氧機主要由臥式攪水葉輪、船型浮體、減速箱和電動機組成，使用時由繩索定位，其功能主要為水躍增氧和水體流動。水車式增氧機在水面攪動水體，產生水躍與水流，在旋轉葉輪的背面形成一定程度的負壓區，使下層的水上涌。水車式增氧機往往沿池塘四邊布置，形成環形水流，有利于水體中氧的擴散。水車式增氧機往往更適合水深較淺或者需要水流環境的蝦蟹養殖池塘，對1.5m以下水層的攪動作用顯著降低，其規格通常為1.5 kW。

(3)微孔曝氣增氧機

微孔曝氣增氧機是由設置在塘埂或浮體上的羅茨風鼓風機和鋪設在池底的微孔管網所組成。運行時由鼓風機產生的正壓空氣進入管道，透過管壁上的微孔帶以微小氣泡的形式進入水體，其功能主要表現為曝氣增氧。在微小氣泡上升的過程中，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，或制成圓形盤管分布于水底，有利于池塘底層增氧及底泥氧化條件的構建。微孔曝氣增氧更適合于蝦、蟹、參等底棲性生物養殖池塘，對未及時清淤、底泥淤積較多的老化池塘也有明顯的作用，其常用的規格為2.2～7.5 kW，適用于20～80畝養殖水面。

(4)涌浪機

涌浪機的葉輪由環形旋轉浮體和固定其上的攪水板構成，葉輪立式布置并與減速箱、電機、拉桿連接，使用時通過拉桿在水面定位，其功能主要為水層交換，并有一定程度的水躍作用。涌浪機葉輪的轉速較增氧機小，運行時在水面形成波浪向四周擴散，并利用葉輪的旋轉在下部水體形成負壓區，使下層水體上升，形成循環水流，其生態增氧作用大于機械增氧。涌浪機常用的規格為0.75 kW、1.1 kW、1.5 kW，對應的提水能力為1 221 ～2 843 m3/h，造波強度為0.07～0.08 m[16]。

(5)太陽能水質調控機

太陽能水質調控設備主要由移動平臺和旋轉提水平臺組成。移動平臺通過連桿與旋轉提水平臺連接，向提水電機供電，并沿繩索往復行走，其功能主要為水層交換，可使底層的水及底泥表層的營養物質提升至水面，進行生態增氧。移動平臺由船型浮體、太陽能光伏板及供電系統、行走機構繩索構成，并通過連桿與旋轉提水平臺相連接。旋轉平臺由船型浮體及設置其上的電機、提水葉輪和提水管組成，提水管通過調節裝置與池塘底部保持接觸或非接觸高度。當光照強度達到設定值時設備啟動運行，在移動旋轉過程中將底層富營養水體提至上層，參與光合作用，光照度越大，發電量增加，提水量愈大。測試表明，當光照度為52 500 Lx時，輸出功率為170 W(20 V×8.5A)，提水量達208 m3/h[17]。

2.3 增氧機的效率

生產者評價增氧機的使用效果，往往依據設備的投入經費、一個生產周期的運行能耗為依據以及養殖對象的生長情況做出判斷，這是綜合性并有些籠統的評價方式。實際上，影響池塘增氧機運行效果的因素很多。利用機械能增加氣—液接觸面積的增氧，如水躍與曝氣，是物理性的過程，相對容易測試比較。利用水層交換促進生態增氧的效果，受即時的光照度和水體中碳、氮、磷的營養水平及比例的影響，往往難以進行對比測試。增氧機開啟時水體各部分的溶氧水平關系到氧的擴散速率，對增氧效果產生影響。

對增氧機實施性能檢測設有標準的方法，現行的標準為《增氧機增氧能力試驗方法(SC/T6009—1999)》，規定了增氧機的試驗條件、試驗方法及計算方法。在清水(消氧)的條件下對增氧機進行增氧能力和動力效率的測試，反映的是水躍、曝氣等功能為主的機械增氧。增氧機生態增氧效果的分析多見述于基于特定養殖池塘的實驗數據。

根據國家漁業機械儀器質量監督檢驗中心歷年來檢測數據分析[14]，葉輪式、水車式、曝氣式增氧機的增氧能力與動力效率比較見表1。可以看出，葉輪式與水車式增氧機相比，單位裝機功率(kW)增氧能力的差異較小，動力效率相對高12%。曝氣式與葉輪式增氧機相比，單位裝機功率(kW)增氧能力要高出9.8%，動力效率則高出20%。數據分析表明，3種增氧機在清水條件測試性能綜合比較為：曝氣式>葉輪式>水車式>螺旋槳式。在池塘中的實驗結果表明，葉輪式增氧機攪動作用大，比水車式和曝氣式快40%和94%，可使水體迅速混合[14,18]；曝氣式增氧機由于沒有形成水流，開啟以后的增氧速率明顯低于葉輪式、水車式，不適于應急性增氧[19]。

表1 葉輪式、水車式、曝氣式增氧機的增氧能力與動力效率比較

注：1.螺旋槳式射流增氧機作為其他類型增氧機的一種，參與本對照分析；2.曝氣式增氧機同為該實驗室的檢測數據，為1臺設備的數據。

涌浪機效能表現在以生態增氧為主，兼具機械增氧的作用。在水深1.6 m、養殖密度達800 kg/667m2主養團頭魴池塘中的比較試驗表明[20]，在促使上下水層交換的能力上，0.75 kW涌浪機的效果與3 kW葉輪式增氧機接近，其綜合增氧能力比葉輪式高60%。說明要達到同樣的生態增氧效果，涌浪機比葉輪式增氧機具有更好的節能效果：涌浪機>葉輪式>水車式>曝氣式。由于涌浪機對水體(造波)的影響范圍更廣，是否可以用標準的清水池檢測方法來評價涌浪機的性能有待確定，但僅從小規格涌浪機的實驗結果看，0.75 kW和1.1 kW涌浪機單位裝機功率(kW)的增氧能力為1.52和1.48，略低于葉輪式增氧機，與水車式相近，其動力效率為1.21和1.29，顯著低于葉輪式和水車式增氧機[6]，也就是說，要達到水躍、曝氣等機械增氧效果，涌浪機不如葉輪式與水車式增氧機：涌浪機<水車式<葉輪式<曝氣式。一臺0.75 kW的涌浪機波直徑可達60 m，相當于4畝(2 668 m2)水面面積[21]。

太陽能水質改良機只有上下水層交換的作用，通過設置在池塘底部的進水口直接將底層水提升到水面，對底層的營養物質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主養鳊魚的池塘中，太陽能水質改良機的提水懸浮物濃度可達到 2.3×103mg/L，營養鹽水平超過對照池塘65%，通過光照度閾值10 000～30 000Lx控制設備的啟動與關閉，讓底層的氮磷等營養鹽充分參與浮游生物的光合作用，水體中 CODMn和總懸浮物基本穩定。試驗中套養的鰱魚與鳙魚產量分別增加了32.1%和25.7%，池塘底泥厚度下降了12 cm，底質得到明顯改善。分析實驗數據，可以得出其提水效率為1 223.5 m3/(kW·h)，略低于涌浪機，運行范圍超過池塘70%的水面，其對池塘上下水層的交換作用明顯高于后者；1臺最大功率為170W太陽能水質改良機的提水能力相當于3臺1.5 kW葉輪式增氧機。

3 增氧機應用方式

在養殖生產中，要做到合理地選擇池塘增氧機，以達到保障養殖環境和節能的效果，就必須要針對生產方式和池塘條件，把握各類增氧機的特性及主要功能進行選配，表2所示為本文所論述的5類代表性增氧機功能的綜合對比。

表2 各類增氧機功能綜合對比

注：★數量多少表示效率的高低。

養殖池塘增氧機的選配要根據養殖方式及池塘的基本特點，突出不同類型增氧機的功能，以達到高效、節能的效果。其選配原則，一是動力效率最高，以達到能耗最低的機械增氧效果，依據“曝氣式>葉輪式>水車式>現有其他形式增氧機”的原則；二是對較深水體的池塘考慮提高生態增氧效果，選擇上下水層交換功能強的方式，依據“太陽能水質改良機>涌浪機>葉輪式>水車式”的原則；三是養殖生物所需的環境條件，如底棲性生物對下層水體及底質環境的要求，對蝦、鰻魚等養殖品種需要水流環境等；四是設備功能兼顧、組合及造價等因素。表3所列為大宗淡水魚養殖池塘增氧機的配置參考。表4為其他類型養殖增氧機的選擇。

表3 大宗淡水魚混養池塘增氧機配置參考

表4 幾種典型單養池塘增氧機配置方式

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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

現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS-46)

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

S969.32+1

A

1007-9580(2017)04-001-08