一种循环水养殖的方法及系统
阅读说明：本技术 一种循环水养殖的方法及系统 (Method and system for recirculating aquaculture ) 是由 易志辉 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种循环水养殖的方法,属于水产养殖领域。本发明所述方法通过将海水进行激活及生物膜过滤等处理使水体中的溶氧量及营养物质含量显著提高,同时水体中也带有一定的微磁场；当处理后的水体用于水产养殖时,可使产品具有更高的附加价值及养殖密度；所述水产养殖产出的养殖尾水经过本发明所述方法处理后净化及修复程度高,可再次进行循环利用,减少尾水排放污染。本发明还公开了实施所述循环水养殖方法的系统,所述系统养殖效率高、搭建及维持成本低,耗能较少。(The invention discloses a method for circulating water culture, and belongs to the field of aquaculture. The method of the invention obviously improves the dissolved oxygen and the nutrient content in the water body by activating the seawater, filtering the biological membrane and other treatments, and simultaneously, the water body also has a certain micro magnetic field; when the treated water body is used for aquaculture, the product has higher added value and culture density; the aquaculture tail water produced by aquaculture is high in purification and restoration degree after being treated by the method, can be recycled, and reduces tail water discharge pollution. The invention also discloses a system for implementing the recirculating aquaculture method, which has the advantages of high aquaculture efficiency, low construction and maintenance cost and less energy consumption.)
技术领域
本发明涉及水产养殖领域，具体涉及一种循环水养殖的方法及系统。
背景技术
目前常见的水产养殖工厂中使用的循环水养殖模式主要为池塘循环水养殖模式、RAS循环水养殖模式以及IAA复合池塘养殖模式，这些模式相比于传统天然养殖模式更加环保高产且实施成本更低。池塘循环水养殖模式主要包括藻类塘异位修复循环水养殖模式、池塘内循环健康养殖模式、人工湿地复合池塘循环水养殖模式等，在此基础上，联合多个生物群落共生，开发出来的IAA复合池塘养殖模式可提升产品的多样化。然而这类模式多以来植物或微生物的代谢行为对水产进行营养提供及污染物转化，在没有较好辅助降解措施的情况下，所述行为效率较低，处理速度慢；所述养殖模式的实施地的底部基本为泥质，而该模式下基本不进行水流和控氧的调节(若进行调控容易导致水体悬浮物过多)；所述养殖过程中一般需要添加微生物制剂进行水体的原位修复，然而所述制剂需要与池内的土著微生物、藻类形成竞争优势，并成为优势种，才能起到净化水质的作用，而所述条件较不稳定，容易导致短期投加的制剂失效，因此上述模式可控性也相对较差。
相对而言，RAS循环水养殖模式是在相对封闭的空间内，利用曝气、沉淀、微生物降解、过滤等手段迅速除去养殖对象的代谢产物和饵料残渣，使水质得以净化以实现重复利用，在少量添加补充水的前提下(一般水体重复利用率为90％以上)利用流水从事小水体高密度的水生生物的强化培育，该模式处理效率较高，应用于高附加值水产养殖。然而所述模式一般涉及大型的进水系统、沉淀系统及生物滤池等设备及构筑物，占用体积大且搭建成本较高；所述过滤系统不仅耗能较高，同时也需要添加额外的化学消耗品才能维持水体质量。
此外，上述养殖模式的供氧模式主要为表面曝气模式或纳米管曝气模式，然而由于一般的养殖池深度不足，导致这些曝气方法曝气后的水体中气泡迅速溢出水面，使水体溶氧量不高，产能和水体质量的提升受到限制。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种循环水养殖的方法，该方法不仅提供了更加高效、持久、可控的供氧方式，同时无需增加额外的化学试剂即可实现原位水体净化及修复，实施成本低且可用于水产的高附加、高密度养殖。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种循环水养殖的方法，包括以下步骤：
(1)海水经过渗透过滤后进行水体激活处理，得超离子水A；
(2)将步骤(1)所述超离子水A置入海水流化池中进行曝气沉淀处理后，进行水体二次激活处理，得超离子水B；
(3)将步骤(2)所述超离子水B进行生物膜过滤处理后，排入养殖池进行水产养殖；
(4)收集水产养殖产生的养殖尾水并依次进行水体三次激活处理和生物膜二次过滤处理，得净化污水C，所述净化污水C重复步骤(1)～(3)后用于水产养殖；
所述水体激活处理、水体二次激活处理及水体三次激活处理通过超离子发生器进行。
本申请发明人在对水体净化研究时发现，由于海水杂质较多，且部分金属离子浓度高，按照传统养殖水改造处理时效率低且水体含氧量难以达标，而当水体经过超离子化处理后得到有效激活，水体超离子化过程会使水体流场产生大量气泡，气泡在水体流动过程中不断发展、膨胀，当气泡遇到障碍或者周围的压力变化时，气泡就会不同程度地发生溃灭，同时分裂形成更小的气泡，释放出大量的能量，而该过程导致水离解并发生下列反应，产生自由基和臭氧：
H2O→·OH+H·；
·OH+·OH→H2O2；
2H·→H2；
H·+O2→HO2·；
2HO2·→H2O2+O2；
H·+H2O2→H2O+·OH；
H·+H2O2→H2+HO2·；
·OH+H2O2→H2O+HO2·；
·OH+H2→H2O+H·
超离子化过程大量气泡溃灭时实现了气泡中氧气在水中的溶解，同时水体中出现了一定的臭氧和强氧化自由基，此外在没有外加磁场的情况下，所述水体由于上述反应产生一定的磁场，当所述激活的水体进入海水流化池后，由于磁场及强氧化自由基的共同作用，部分金属离子及大颗粒有机杂质发生絮凝吸附作用并最终形成污泥沉淀分离水体；同时由于水体中的含氧量显著提高，水体中本身含有好氧微生物活性也可得到提升，在曝气的作用下，这些微生物可将水体中的氨氮进行硝化反应，同时分解富磷有机物，实现海水的氮、磷净化效果。
经过水体激活及沉淀、曝气处理后，水体中上述的好氧微生物由于生物活性的提高发生聚集形成生物膜，而由于这些微生物可利用各种化合物产生对代谢物具有高亲和力的转移酶，同时具有较高的比表面积和较低的呼吸速率，因此当所述形成的生物膜与水体持续接触时，可进一步达到净化水质的目的。而随着生物膜的增厚，生物膜内容形成缺氧的环境，有利于兼氧微生物的生长，从而实现反硝化反应。
经过上述处理后的海水不仅水质达到了水产养殖的标准，同时溶氧量及营养物质(微生物降解后的物质)的含量也显著提高，可使养殖水产附加质量提升；而由于水体处理流动循环状态，该方法可实现高密度水产养殖。
经过养殖后的尾水再次经过激活及生物膜过滤处理后，由于相似的机理，水体中的水产粪便等污染物可有效去除，同时附带高含氧量及一定的磁场，与下一批次的海水混合处理后依然可达到水产养殖的标准，循环使用率高。
优选地，所述超离子发生器为一连接在输水管道设备中的管道型装置，包括依次连接的入水室(1号室)、入气室(2号室)、旋转爆破室(3号室)及出水室(4号室)；
更优选地，所述入水室内部中空，两端分别为装置进水的入水口及与入气室连通的窄水口a，所述入水口的内径与窄水口的内径之比为2～2.5:1，所述入水室的管径从中部向窄水口方向逐渐收窄。
更优选地，所述入气室为连通入水室和旋转爆破室的中空管道，所述入气室和旋转爆破室通过窄水口b连接，所述管道正上方设有倾斜的透气孔，所述透气孔的倾斜角度为28～32°，所述透气孔的孔径与入气室的内径之比为1:4.7～5。
更优选地，所述旋转爆破室为腔室设置有斜叙坑的管道，所述斜叙坑的分布角度为55～65°，所述旋转爆破室通过宽水口与出水室连接，所述旋转爆破室的管径从窄水口b向宽水口方向逐渐增宽，所述宽水口的内径与窄水口b的内径之比为2～2.5:1。
更优选地，所述出水室中设有反压力装置，所述装置为带有孔洞的限流挡板。
优选地，所述水体激活处理和水体二次激活处理过程时发生气液混合，所述超离子发生器中进行水体激活处理和水体二次激活处理时的设定流量为0.5～1.2m3/h，设定压力为0.2～0.5MPa，流动速率为3.3～5.6m/s，气液混合时的气液流量配比为1:90～110。
优选地，所述超离子发生器进行水体三次激活时的设定流量为1.3～2m3/h，设定压力为0.3～0.8MPa，流动速率为4.2～6.4m/s，气液混合时的气液流量配比为1:90～110。
当海水进入以特定流量及压力进入超离子发生器时，在入水室中海水从入水口进入，虽然由于管径的收窄使流速增快，当流入入气室时，独特设置的透气孔中引入特定体量的空气，与水体发生气液混合以达到所需比例，水体流场产生大量气核并不断膨胀；随后混合气液经过旋转爆破室中发生高速旋转及爆破，使得水体中的气核发生溃灭分裂，所生成的强氧化基和臭氧可实现水体的自消毒，同时该过程也会增加氧气在水中的溶解量；在无外加磁场的情况下水体可产生高速的微射流并形成一定弱电场；当水体流入出水室时，部分水体从出水口流出，而另一部分由于限流挡板的作用反压重新流入旋转爆破室并继续发生上述反应，提升水体激活效率。
优选地，步骤(2)所述超离子水A置入海水流化池时的进水速度为1.8～2.3m/s，进水压力为0.2～0.6MPa；流出海水流化池的出水速度为1.5～1.8m/s，出水压力为0.1～0.4MPa。
如上所述，经过激活后的超离子水A内部含有较多的臭氧及强氧化自由基，当置入流化池后可发生沉淀反应，而水体中的微生物及生物在曝气后活性显著提升，通过生物/微生物反应使水体达到养殖标准，而当设定特定的进出水流速及压力后，可最大化地兼顾水体的流动性及曝气沉淀效率，同时保障超离子水不会因压力不当而导致含氧量失衡，避免因水流停留时间过长使水体发生二次污染，或者因水流停留时间过短使微生物/生物等反应程度不足。
优选地，步骤(3)所述生物膜过滤处理时的进水流速为1.2～2m/s，进水压力为0.4～0.8MPa；出水流速为0.6～1.2m/s，出水压力为0.1～0.4MPa，所述生物膜定时清除，所述清除的频率为22～26h/次。
优选地，步骤(4)所述生物膜二次过滤处理时的进水流速为2～2.8m/s，进水压力为0.4～0.8MPa；出水流速为1.2～1.5m/s，出水压力为0.1～0.4MPa，所述生物膜定时清除，所述清除的频率为22～26h/次。
发明人在对生物膜研究时总结，只有在特定的进出水流速及压力下，所述超离子处理水中的微生物才能形成稳定高效的生物滤膜，而所述生物膜也只有在所述流速下才能充分接触水体并与水体中的污染物充分接触并进行硝化、反硝化等反应；若进出水流速过快或设定压力过高，水体无法充分停留或接触生物膜，不利于生物膜的形成及水体的过滤；而如果水体流速过慢，水体转换不及时，过滤效果变差，同时生物膜生长过快，可能导致微生物对水体的二次污染。同时，随着生物膜体积及厚度提高，生物膜的微生物活性受到限制，因此只有在特定的时间对生物膜进行清除，才能重新生长高活性的生物膜，进而保持生物膜过滤处理的高效性。
本发明的另一目的还在于提供一种循环水养殖的系统，所述系统包括依次连接分级水处理净化系统、循环水养殖系统及养殖尾水循环处理系统。
优选地，所述分级处理净化系统包括依次连接的一级泵房、海水流化池、二级泵房、生物慢滤池及海水蓄水池；
更优选地，所述一级、二级泵房设有超离子发生器，所述海水流化池设有沉淀池及曝气池，所述生物慢滤池设有生物膜。
优选地，所述养殖尾水循环处理系统包括依次连接的集水井、污水集水池、污水泵房及生物反应池；
更优选地，所述污水泵房设有超离子发生器，所述生物反应池设有生物膜。
本发明所述系统与上述循环水养殖方法相对应，可实现更加高效、持久、可控的供氧方式，同时水体的净化、养殖、循环效果更好；所述系统的搭建及维持成本更低，耗能更低。
优选地，所述养殖尾水循环系统中还包括污泥处理装置，所述污泥装置包括依次连接的污泥泵房、污泥池及污泥脱水装置，所述污泥泵房与污水集水池相连。
污水集水池中污水在流出后，底部残留一定体积的污泥，将这些污泥通过一系列污泥处理装置处理后可有效运用于生物堆肥等领域中，使整个循环水养殖系统的经济效益更高。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种循环水养殖的方法，该方法通过将海水进行激活及生物膜过滤等处理使水体中的溶氧量及营养物质含量显著提高，同时水体中也带有一定的微磁场；当处理后的水体用于水产养殖时，可使产品具有更高的附加价值及养殖密度；所述水产养殖产出的养殖尾水经过本发明所述方法处理后净化及修复程度高，可再次进行循环利用，减少尾水排放污染。本发明还提供了实施所述循环水养殖的方法的系统，所述系统养殖效率高、搭建及维持成本低，耗能较少。
附图说明
图1为本发明所述超离子发生器的结构示意图；所述超离子发生器包括依次连接的入水室(1号室)、入气室(2号室)、旋转爆破室(3号室)及出水室(4号室)；
图2为本发明所述循环水养殖的方法系统的工艺流程及结构示意图；
图3为本发明所述循环水养殖的方法养殖水产虾的脂肪含量分析图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。
实施例1
本发明所述一种循环水养殖的方法及系统的实施例，工艺流程如图2所示，所述系统包括依次连接分级水处理净化系统、循环水养殖系统及养殖尾水循环处理系统：
所述分级处理净化系统包括依次连接的一级泵房、海水流化池、二级泵房、生物慢滤池及海水蓄水池；所述一级、二级泵房设有超离子发生器，所述海水流化池设有沉淀池及曝气池；所述生物慢滤池设有生物膜。
所述循环水养殖系统包括养殖池及其相连的排水观察控制池；
所述养殖尾水循环处理系统包括依次连接的集水井、污水集水池、污水泵房及生物反应池；所述污水泵房设有超离子发生器，所述生物反应池设有生物膜；所述养殖尾水循环系统中还设有污泥处理装置，所述污泥装置包括依次连接的污泥泵房、污泥池及污泥脱水装置，所述污泥泵房与污水集水池相连。
所述循环水养殖的方法包括以下步骤：
(1)将2000m3/d海水经过渗透过滤后在一级泵房进行水体激活处理，得超离子水A；
(2)将步骤(1)所述超离子水A置入海水流化池中进行曝气沉淀处理后，在二级泵房进行水体二次激活处理，得超离子水B；所述超离子水A置入海水流化池时的进水速度设定为1.8～2.3m/s，进水压力设定为0.2～0.6MPa；流出海水流化池的出水速度设定为1.5～1.8m/s，出水压力设定为0.1～0.4MPa；
(3)将步骤(2)所述超离子水B在生物慢滤池进行生物膜过滤处理后转移至海水蓄水池进行短暂静置，随后排入养殖池进行水产养殖并通过排水观察控制池控制整体养殖参数；所述生物膜过滤处理时的进水流速设定为1.2～2m/s，进水设定压力为0.4～0.8MPa；出水流速设定为0.6～1.2m/s，出水压力设定为0.1～0.4MPa，所述生物慢滤池中的生物膜定时清除，所述清除的频率为24h/次；
(4)通过集水井和污水集水池收集水产养殖产生的养殖尾水并依次在污水泵房和生物反应池分别进行水体三次激活处理和生物膜过滤处理，得净化污水C，所述净化污水C重复步骤步骤(1)～(3)后用于水产养殖；所述生物膜二次过滤处理时的进水流速设定为2～2.8m/s，进水压力设定为0.4～0.8MPa；出水设定流速为1.2～1.5m/s，出水压力设定为0.1～0.4MPa，所述生物慢滤池中的生物膜定时清除，所述清除的频率为24h/次；污水产出污泥经过污泥泵房加压及污泥池沉淀后，再经污泥脱水机房中的脱水装置脱水，最后将处理后的污泥外运用于堆肥等其他应用。
所述超离子发生器结构如图1所示，主体结构为一连接在输水管道设备中的管道型装置，包括依次连接的入水室(1号室)、入气室(2号室)、旋转爆破室(3号室)及出水室(4号室)；所述入水室内部中空，整体长度为400cm，两端分别为装置进水的入水口及与入气室连通的窄水口a，所述入水口的内径为72cm，窄水口的内径为32cm，所述入水室的管径从中部向窄水口方向逐渐收窄；
所述入气室为连通入水室和旋转爆破室的中空管道，长度为200cm，所述入气室和旋转爆破室通过窄水口b连接，所述管道正上方设有倾斜的透气孔，所述透气孔的倾斜角度为30°，所述透气孔的孔径为6.5cm；
所述旋转爆破室为腔室布满斜叙坑的管道，长度为200cm，所述斜叙坑的分布角度为60°，所述旋转爆破室通过宽水口与出水室连接，所述旋转爆破室的管径从窄水口b向宽水口方向逐渐增宽，所述宽水口的内径72cm；
所述出水室中设有反压力装置，所述装置为带孔洞的限流挡板，所述出水室同样为中间联通的管道，长度为200cm；
所述超离子发生器中进行水体激活处理和水体二次激活处理时的设定流量为0.5～1.2m3/h，设定压力为0.2～0.5MPa，流动速率为3.3～5.6m/s，气液混合时的气液流量配比为1:100
所述超离子发生器中进行水体三次激活处理时的设定流量为1.3～2m3/h，设定压力为0.3～0.8MPa，流动速率为4.2～6.4m/s，气液混合时的气液流量配比为1:100。
所述养殖池设有多个小池，各小池中养殖对虾，对虾的养殖密度为16斤/m3，经105日养殖后，将其中两个不相邻的小池的对虾进行取样称重，若达到40只/斤(达不到则继续养殖多日直至达到量测标准)，则分别标注为SW01和SW04号对虾样品，同时在系统当地的养虾场及养殖基地中分别取同源虾苗养育接近同一周期的对虾产品并分别标注为SW02和SW03号对虾样品，分别送去第三方检测机构进行活体检测，所述检测项目主要为对虾的脂肪含量及矿物质含量，测试结果如图3和表1所示。
表1
从表1和图3可以看出，采用本发明所述循环水养殖的方法及系统产出的水产对虾脂肪含量相比其他养殖方法得到的个体脂肪含量更低，而各对虾产品中的元素含量相当，本发明所述养殖方法及系统未出现元素富集现象，可有效代替传统养殖方式，其中SW01号对虾的钙元素含量远高于其他样品，而SW04号元素的硒元素含量最高，说明由本发明所述方法养殖的对虾产品其有益元素含量相对较高，附加营业价值高。
此外，为验证本发明所述超离子水发生器对水体的磁场生成效果，对本实施例所述直径为7.14m，深度为1.2m的圆形养殖池中的水体自流入后检测底部(0.2m)、中部(0.6m)及水面浅层(1m)的水体电磁值，同时对未经过超离子水发生器处理的空白海水水体置于同等尺寸的闲置蓄水池中并进行相同测试；待水体流入养殖池1h后，再次进行同样测试并记录电磁值，结果如表2所示。
表2
检测部位
养殖池水体
蓄水池水体
1h后养殖池水体
1h后蓄水池水体
底部
0.185mG
0.098mG
0.162mG
0.095mG
中部
0.126mG
0.092mG
0.117mG
0.092mG
浅层
0.108mG
0.095mG
0.099mG
0.092mG
从表2可知，经过超离子水发生器处理后的各深度的水体电磁值均显著增长，而经过1h放置后水体的电磁值仍高于空白对照水体，说明本发明所述水体激活处理可在无外加磁场的情况下赋予水体一定的微电场且所述效应具有持久性，使水分子的电导率、渗透压、表面张力、溶氧量、pH值、化学位移及光学性能均产生改变，从而产生一系列的有益生物学效应。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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