徐 皓， 田昌鳳， 劉興國， 顧海濤， 谷 堅， 黃一心

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點試驗室，上海 200092)

養(yǎng)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(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點試驗室，上海 200092)

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，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)定的主要工程機制為：通過上下水層交換、平衡營養(yǎng)元素等方法，強化光合作用，提高營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)模，提升初級生產(chǎn)力；形成生態(tài)增氧為主、機械增氧為輔的高效增氧機制。以中國養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，分析探討?zhàn)B殖池塘生態(tài)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(yǎng)池塘及幾種典型單養(yǎng)池塘增氧機配置方式，從而為池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)增氧機的配置提供技術(shù)參考。

增氧機; 養(yǎng)殖池塘; 溶氧; 配置方式

1 養(yǎng)殖池塘生態(tài)機制與溶氧

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(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(tài)位生物為主，營養(yǎng)物質(zhì)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(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力比較弱。因此，其構(gòu)建以提高初級生產(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)中擔任消費者的角色，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是健康養(yǎng)殖所必須的。但持續(xù)投入的營養(yǎng)物質(zhì)通過養(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，搭配鰱、鳙魚等混養(yǎng)品種，作為消費者參與到系統(tǒng)中，分擔相當部分的營養(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，使系統(tǒng)對主養(yǎng)生物的承載量更大一些。

隨著養(yǎng)殖生物的生長，投入的飼料量越來越大，系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)在微生物和光合作用下，主要積聚在有機質(zhì)和浮游植物環(huán)節(jié)。微生物分解有機質(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。當光合作用產(chǎn)生的氧不能滿足系統(tǒng)循環(huán)和養(yǎng)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(zhì)分解成有害的氨氮、亞硝酸鹽氮，在池塘底泥的厭氧區(qū)，還會產(chǎn)生硫化氫等有害物質(zhì)。而此時養(yǎng)殖生物的生長期還未結(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，通過給水和排水，有機質(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，補水還帶入溶氧。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，有機質(zhì)被充分轉(zhuǎn)化為能被植物吸收的營養(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養(yǎng)殖周期的主要過程，在一些精養(yǎng)池塘，幾乎從生產(chǎn)伊始便需要換水和開啟更多的增氧機。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，依靠排灌機械換水，單產(chǎn)最高達到400～500 kg/667 m2，利用增氧機，整體單產(chǎn)超過700 kg/667 m2，最高單產(chǎn)達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[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，空氣擴散、光合作用是養(yǎng)殖水體溶氧主要來源。如果供氧不足，養(yǎng)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(zhì)的水化學反應(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散的主要影響因素。在空氣和水中氧分壓差的驅(qū)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(tài)，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(shù)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(zhuǎn)移系數(shù))倍增，實驗室數(shù)據(jù)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(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(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(yǎng)殖過程的多余營養(yǎng)物質(zhì)，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(yǎng)受限時發(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(此時的光照為光補償點，P/R=1)時，光合作用對池塘生態(tài)不再有貢獻。由于懸浮物質(zhì)的遮光作用，養(yǎng)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(yīng)為均溫層，主要靠水體的流動使溫層消失獲取氧。養(yǎng)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(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(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(yǎng)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(fā)揮積極的作用，有機質(zhì)分解和無機鹽轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物對養(yǎng)殖生物無害，對初級生產(chǎn)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(zhì)的產(chǎn)物對池塘生態(tài)系統(tǒng)中的生物有毒害作用。參照《漁業(yè)水質(zhì)標準(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，其余任何時候不得低于3 mg/L。根據(jù)養(yǎng)殖對象的生態(tài)學特性，池塘養(yǎng)殖溶氧適宜范圍為4～8 mg/L。增氧機的應(yīng)用，就是要在整個養(yǎng)殖過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、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，至正午達到高峰時段；下午至午夜，隨著光照度的減弱，產(chǎn)氧量持續(xù)下降，整個時段為生態(tài)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(yǎng)物質(zhì)，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(yǎng)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(xiàn)代魚類集約化養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的興起。1950年代后期“四大家魚”人工繁殖技術(shù)的突破，開啟了中國傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的現(xiàn)代化進程。為解決當時社會“吃魚難”的問題，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)魚塘中，養(yǎng)魚量的增加極易造成水體缺氧和“魚浮頭”，增氧機應(yīng)運而生。1960年代國家啟動了水產(chǎn)養(yǎng)殖機械化專項。第一臺池塘增氧機誕生于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，攪動水體，解決養(yǎng)殖池塘增氧問題，被命名為“葉輪式增氧機”。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，葉輪式增氧機的性能與結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，一直是淡水魚類池塘養(yǎng)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(qū)引進，用于鰻魚和對蝦養(yǎng)殖，同時期還研發(fā)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(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、涌浪機、底質(zhì)調(diào)控機等增氧設(shè)備。這些增氧設(shè)備成為中國池塘養(yǎng)殖不可或缺的生產(chǎn)裝備。

2.1 增氧機的增氧機理

增氧機是池塘養(yǎng)殖過程中為保障適宜的水體溶氧所運用的專用設(shè)備，其對養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)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(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(shè)計的關(guān)鍵。

養(yǎng)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(chǎn)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(chǎn)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(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。影響增氧機增氧能力與動力效率評價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(yǎng)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(tài)增氧為輔的增氧機和以生態(tài)增氧為主的水質(zhì)調(diào)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(zhì)調(diào)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(xiàn)為水躍增氧和水層交換。增氧機開啟后，在葉輪的旋轉(zhuǎn)攪動下產(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，促進空氣中的氧向水體中轉(zhuǎn)移并擴散。在葉輪的下方水體，擴散作用形成負壓區(qū)，促使底層的水涌向上層，產(chǎn)生水層交換作用。葉輪式增氧機更適合于魚池較深的養(yǎng)魚池塘，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(chǎn)生水躍與水流，在旋轉(zhuǎn)葉輪的背面形成一定程度的負壓區(qū)，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(huán)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(huán)境的蝦蟹養(yǎng)殖池塘，對1.5m以下水層的攪動作用顯著降低，其規(guī)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(shè)置在塘埂或浮體上的羅茨風鼓風機和鋪設(shè)在池底的微孔管網(wǎng)所組成。運行時由鼓風機產(chǎn)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(xiàn)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(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(guī)格為2.2～7.5 kW，適用于20～80畝養(yǎng)殖水面。

(4)涌浪機

涌浪機的葉輪由環(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、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(zhuǎn)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(zhuǎn)在下部水體形成負壓區(qū)，使下層水體上升，形成循環(huán)水流，其生態(tài)增氧作用大于機械增氧。涌浪機常用的規(guī)格為0.75 kW、1.1 kW、1.5 kW，對應(yīng)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(zhì)調(diào)控機

太陽能水質(zhì)調(diào)控設(shè)備主要由移動平臺和旋轉(zhuǎn)提水平臺組成。移動平臺通過連桿與旋轉(zhuǎn)提水平臺連接，向提水電機供電，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養(yǎng)物質(zhì)提升至水面，進行生態(tài)增氧。移動平臺由船型浮體、太陽能光伏板及供電系統(tǒng)、行走機構(gòu)繩索構(gòu)成，并通過連桿與旋轉(zhuǎn)提水平臺相連接。旋轉(zhuǎn)平臺由船型浮體及設(shè)置其上的電機、提水葉輪和提水管組成，提水管通過調(diào)節(jié)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(shè)定值時設(shè)備啟動運行，在移動旋轉(zhuǎn)過程中將底層富營養(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(chǎn)者評價增氧機的使用效果，往往依據(jù)設(shè)備的投入經(jīng)費、一個生產(chǎn)周期的運行能耗為依據(jù)以及養(yǎng)殖對象的生長情況做出判斷，這是綜合性并有些籠統(tǒng)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(tài)增氧的效果，受即時的光照度和水體中碳、氮、磷的營養(yǎng)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(guān)系到氧的擴散速率，對增氧效果產(chǎn)生影響。

對增氧機實施性能檢測設(shè)有標準的方法，現(xiàn)行的標準為《增氧機增氧能力試驗方法(SC/T6009—1999)》，規(guī)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(tài)增氧效果的分析多見述于基于特定養(yǎng)殖池塘的實驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)國家漁業(yè)機械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心歷年來檢測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)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(shù)據(jù)，為1臺設(shè)備的數(shù)據(jù)。

涌浪機效能表現(xiàn)在以生態(tài)增氧為主，兼具機械增氧的作用。在水深1.6 m、養(yǎng)殖密度達800 kg/667m2主養(yǎng)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(tài)增氧效果，涌浪機比葉輪式增氧機具有更好的節(jié)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(guī)格涌浪機的實驗結(jié)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(zhì)改良機只有上下水層交換的作用，通過設(shè)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(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)鳊魚的池塘中，太陽能水質(zhì)改良機的提水懸浮物濃度可達到 2.3×103mg/L，營養(yǎng)鹽水平超過對照池塘65%，通過光照度閾值10 000～30 000Lx控制設(shè)備的啟動與關(guān)閉，讓底層的氮磷等營養(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。試驗中套養(yǎng)的鰱魚與鳙魚產(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。分析實驗數(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，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(zhì)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(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，以達到保障養(yǎng)殖環(huán)境和節(jié)能的效果，就必須要針對生產(chǎn)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(shù)量多少表示效率的高低。

養(yǎng)殖池塘增氧機的選配要根據(jù)養(yǎng)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(jié)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(jù)“曝氣式>葉輪式>水車式>現(xiàn)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(tài)增氧效果，選擇上下水層交換功能強的方式，依據(jù)“太陽能水質(zhì)改良機>涌浪機>葉輪式>水車式”的原則；三是養(yǎng)殖生物所需的環(huán)境條件，如底棲性生物對下層水體及底質(zhì)環(huán)境的要求，對蝦、鰻魚等養(yǎng)殖品種需要水流環(huán)境等；四是設(shè)備功能兼顧、組合及造價等因素。表3所列為大宗淡水魚養(yǎng)殖池塘增氧機的配置參考。表4為其他類型養(yǎng)殖增氧機的選擇。

表3 大宗淡水魚混養(yǎng)池塘增氧機配置參考

表4 幾種典型單養(yǎng)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金(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