养殖池塘增氧机制与装备性能比较研究

徐 皓， 田昌凤， 刘兴国， 顾海涛， 谷 坚， 黄一心

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 农业部渔业装备与工程重点试验室，上海 200092)

养殖池塘增氧机制与装备性能比较研究

徐 皓1,2， 田昌凤1,2， 刘兴国1,2， 顾海涛1， 谷 坚1， 黄一心1

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2 农业部渔业装备与工程重点试验室，上海 200092)

水产养殖过程中，池塘生态系统可分为自成熟期和人工维持期。在养殖容量提高的情况下，养殖生物呼吸需氧量在不断增加，缺氧条件下有机物分解成有害物质，影响养殖生产。维持池塘生态系统稳定的主要工程机制为：通过上下水层交换、平衡营养元素等方法，强化光合作用，提高营养物质转化规模，提升初级生产力；形成生态增氧为主、机械增氧为辅的高效增氧机制。以中国养殖池塘生态系统为研究对象，分析探讨养殖池塘生态机制、水体溶氧理论、增氧机作用机理、不同类型增氧机的机械性能等，提出了大宗淡水鱼混养池塘及几种典型单养池塘增氧机配置方式，从而为池塘养殖系统增氧机的配置提供技术参考。

增氧机; 养殖池塘; 溶氧; 配置方式

1 养殖池塘生态机制与溶氧

1.1 养殖池塘生态系统

人工构建的池塘生态系统灌水以后，来自自然水体的组分与池塘土壤的组分进行融合，在自然(如光照等)与人为(如增氧、施肥等)因素的干预下，养殖池塘生态系统逐渐趋于初始平衡状态。由于系统形成的时间和空间尺度相对很小，主要以浮游植物、浮游动物和细菌等低生态位生物为主，营养物质相对贫瘠。相对自然池塘而言，由于种群、生物量、食物链等的劣势，系统的自我调节能力比较弱。因此，其构建以提高初级生产力为目的，为将要投入的养殖品种提供良好的基础饵料和有氧环境。

在养殖生产过程中，池塘生态系统可分为自成熟期和人工维持期。自成熟期的生态系统，伴随着放养以及饲料的持续投入，池塘生态系统以自身的调节能力保持系统循环的稳定，并不断趋于成熟。摄食饲料的养殖生物主体上不在系统循环中担任消费者的角色，而系统中能量与物质循环的平衡状态则为其提供生长环境，包括适宜的水质理化性状、菌相和藻相。其中，充足的溶氧、适宜的pH、不至危害浓度的氨氮和亚硝酸盐氮等理化指标是健康养殖所必须的。但持续投入的营养物质通过养殖生物的转化(排泄)，或者直接(残饵)以生物质的方式进入循环系统，增加了由饲料→养殖生物排泄物→异养微生物→矿化微生物为主的食物链，加速了系统的成熟，但系统的调节能力则趋于弱化。为了减缓这一趋势，搭配鲢、鳙鱼等混养品种，作为消费者参与到系统中，分担相当部分的营养物质并转化成养殖产品，可以使系统成熟期延缓，或者说，使系统对主养生物的承载量更大一些。

随着养殖生物的生长，投入的饲料量越来越大，系统的营养物质在微生物和光合作用下，主要积聚在有机质和浮游植物环节。微生物分解有机质的压力增大，需氧量不断增加，养殖生物呼吸需氧也在增加。当光合作用产生的氧不能满足系统循环和养殖生物呼吸所需时，自成熟期的平衡被打破。缺氧条件下有机质分解成有害的氨氮、亚硝酸盐氮，在池塘底泥的厌氧区，还会产生硫化氢等有害物质。而此时养殖生物的生长期还未结束，人为的干预成为必然的选择。

人工维持期生态系统(图1)最初的手段是换水，通过给水和排水，有机质和浮游植物以及氨氮、亚硝酸盐氮等有害物质被减少和稀释，补水还带入溶氧。养殖系统一旦有了充足的溶氧，好氧微生物群落可以最大限度地发挥作用，有机质被充分转化为能被植物吸收的营养物质，有害物质被控制在安全水平，养殖生物生长环境得以维持，呼吸需要得以保障，直至养殖生产周期结束。

图1 养殖池塘人工维持期生态系统主要构成

为追求更高的生产规模，人工维持期逐步成为整个养殖周期的主要过程，在一些精养池塘，几乎从生产伊始便需要换水和开启更多的增氧机。养殖池塘依靠其自成熟期的调节能力，养殖亩产仅100～200 kg/ 667 m2(亩)；在人工维持期，依靠排灌机械换水，单产最高达到400～500 kg/667 m2，利用增氧机，整体单产超过700 kg/667 m2，最高单产达2 500 kg/667 m2，甚至更高[1]。

1.2 养殖池塘溶氧

养殖池塘生态系统中，影响养殖生产及健康养殖环境的主要水化学因素是氧、氮、磷、碳的存在形式，以及pH、盐度、氧化还原电位(ORP)等综合反应水质特性的指标[2]。氧是养殖池塘生态系统中绝大多数生物群落生存的必要条件，空气扩散、光合作用是养殖水体溶氧主要来源。如果供氧不足，养殖生物、浮游动物、浮游植物难以呼吸，更多厌氧微生物分解有机质的水化学反应，产生有害物质，产生不利甚至是致命的影响[3-5]。

空气—水接触面积以及所在气压、水温、盐度等，是影响空气中氧向池塘水体扩散的主要影响因素。在空气和水中氧分压差的驱动下，通过气—水接触表面的气膜和液膜间气体交换，空气中的氧向未饱和的水体中扩散。但若水体中的氧处于过饱和状态，氧则会向空气中扩散。海拔越高，气压越低；温度越高，水的吸收系数下降；盐度越大，更多的氧形成水合离子，这都导致氧的饱和溶解度下降，其中受温度变化的影响更为明显。池塘水面是基本的气—水接触面，风力造成的浪花和水流会增加接触面。与静止接触面相比，在风力作用下的氧扩散效率(氧转移系数)倍增，实验室数据是10～24倍，在池塘综合条件下为5倍[6]。使用动力的机械增氧，通过增加水与空气的接触面积，可达到高效增氧的目的。池塘生态系统中浮游植物光合作用的供氧作用十分重要。从养殖池塘氧收支平衡看，不使用增氧机的池塘，氧收入中光合作用与空气扩散分别占86.0%～95.5%和4.7%～14.0%，氧支出中水呼吸、鱼呼吸和底泥耗氧分别占72.0%～72.6%、13.1%～22.0%和2.9%～5.5%，浮游植物产氧量(P)是其自身呼吸需氧量(R)的1.38倍(P/R)[7-8]。使用增氧机的池塘，氧收入中光合作用、增氧机、空气扩散分别占44.7%、42.3%和13%[9]。光合作用是池塘氧供给的主体，既充分利用了养殖过程的多余营养物质，又无需如增氧机般耗能。机械增氧只是作为补充，在需要更多的氧或光照、营养受限时发挥作用。

池塘水体溶氧分布不均，在光照、温度和水流的影响下，处在动态变化中。光合作用发生在池塘水体的上层，与变温层对应。随着水层深度增加，光合作用不断衰弱，直到浮游植物产氧量等于自身呼吸量(此时的光照为光补偿点，P/R=1)时，光合作用对池塘生态不再有贡献。由于悬浮物质的遮光作用，养殖池塘的光补偿点深度比自然水体浅了许多，一般在0.5～1.5m水层[6]。没有光合作用的下层水体对应为均温层，主要靠水体的流动使温层消失获取氧。养殖池塘水体相对较小，由于生物活动、增氧以及昼夜温差等干扰因素，难以形成长期的溶氧分层现象，但总体上呈上层高、下层低的状况。水体上层白天溶氧高，以储备夜晚所需的氧。由于死亡的生物不断下沉、分解，下层的氧常显不足，往往在后半夜至清晨之间需要补充增氧。夏季池塘光照强烈，水温上升，光合作用产氧量以及生物的呼吸量都增大，下层水体的溶氧更显不足。风力使池塘下风位置浮游生物量增加，溶氧要明显高于上风位置，两端溶氧差值可达2 mg/L[7]。

一般认为，符合池塘健康养殖要求的溶氧边界在4～5 mg/L。当溶氧大于此范围时，好氧细菌发挥积极的作用，有机质分解和无机盐转化的产物对养殖生物无害，对初级生产力的形成有利；低于此值时，水体及池塘底层的专性厌氧细菌在分解有机质的产物对池塘生态系统中的生物有毒害作用。参照《渔业水质标准(GB11607—89)》，池塘养殖水体的溶氧应维持在：连续24 h中，16 h以上必须大于5 mg/L，其余任何时候不得低于3 mg/L。根据养殖对象的生态学特性，池塘养殖溶氧适宜范围为4～8 mg/L。增氧机的应用，就是要在整个养殖过程中始终保持适宜的溶氧环境，防止低氧性应激状况(低氧生长、浮头、窒息死亡)的出现。

图2所示的数值反映了养殖池塘依靠光合作用溶氧的日变化规律。7:00—8:00以后，随着光照度的增加，在光合作用下水体产氧量持续增加，溶氧不断上升，至正午达到高峰时段；下午至午夜，随着光照度的减弱，产氧量持续下降，整个时段为生态增氧时段。17:00—18:00以后，水体中的氧处于消耗阶段，溶氧处于缓减时段，至午夜以后水体中的溶氧低于4 mg/L，处于低氧时段[10]。增氧机的作用，就是以最低的能源消耗，一是使水体在低氧时段获得人为的溶氧补充；二是通过增加水体受光量和营养物质，增加光合作用，尽可能提高白昼的溶氧储备。

图2 自然条件下养殖池塘溶解氧日变化状况

2 增氧机的原理、类型与增氧效率

池塘增氧机诞生于20世纪70年代现代鱼类集约化养殖产业的兴起。1950年代后期“四大家鱼”人工繁殖技术的突破，开启了中国传统水产养殖的现代化进程。为解决当时社会“吃鱼难”的问题，需要发展集约化池塘养殖，以提高养殖产量与生产效率。在传统鱼塘中，养鱼量的增加极易造成水体缺氧和“鱼浮头”，增氧机应运而生。1960年代国家启动了水产养殖机械化专项。第一台池塘增氧机诞生于1972年，其创造性地采用倒伞形叶轮在水下旋转，产生水跃，搅动水体，解决养殖池塘增氧问题，被命名为“叶轮式增氧机”。经过数十年的发展，叶轮式增氧机的性能与结构不断优化，一直是淡水鱼类池塘养殖使用的主要机型。1980年代以后，水车式增氧机从中国台湾地区引进，用于鳗鱼和对虾养殖，同时期还研发了射流、喷水、充气、涡轮等各种形式的增氧机。2005年以后，微孔增氧机开始应用于虾、蟹等底栖生物的养殖池塘，并相续出现了耕水机、涌浪机、底质调控机等增氧设备。这些增氧设备成为中国池塘养殖不可或缺的生产装备。

2.1 增氧机的增氧机理

增氧机是池塘养殖过程中为保障适宜的水体溶氧所运用的专用设备，其对养殖池塘生态系统的增氧途径，一是使用机械能促进空气与水体的接触，使更多的氧融入水中；二是促进上下水层交换，使下层水体上涌承受光照，利用自然能增加水体溶氧[11-12]。按照双膜理论，当气、液两相作相对运动时，其接触界面两侧分别存在气体边界层(气膜)和液体边界层(液膜)。氧的转移就是在气、液双膜间进行分子扩散和在膜外进行对流扩散的过程。高效地增加气膜与液膜间的接触面积，促进氧在水中的扩散，成为增氧机设计的关键。

养殖池塘增氧机的主要功能包括：①水跃增氧：通过搅水叶轮产生波浪和水珠，增加水—气接触面积，使空气中的氧分子溶入水中；②曝气增氧：通过机械装置产出气—水压差和气泡，增加水—气接触面积；③促进上下水层交换，使下层缺氧水体上涌，参与增氧机的水跃、曝气增氧，以及上层水体的光合作用；④促进水体流动，使溶氧迅速向四周扩散[13-15]。

增氧能力和动力效率是评价增氧机机械性能的主要指标。前者是指单位时间内水体中溶氧的质量增加值，体现了设备的能力或者规格，后者为每千瓦输入功率的增氧能力，表征着设备的能效。影响增氧机增氧能力与动力效率评价的条件性因素是氧的转移速率，取决于气膜中氧的分压梯度、液膜中氧的浓度梯度及其与饱和值的差值。在增氧机的应用中，气体氧分压越高、水体溶氧越低，养殖的转移速率就越大，表现在增氧机开启初期溶氧上升快，空气气压低的条件下使用增氧机，增氧效果慢。

2.2 增氧机械的类型

以养殖池塘增氧机制分，可以将增氧机械划分为以机械能增氧为主、水层交换生态增氧为辅的增氧机和以生态增氧为主的水质调控增氧机两大类型。前者以叶轮式增氧机、水车式增氧机、微孔曝气增氧机为代表，后者主要是指耕水机、涌浪机和太阳能底质调控机等。

(1)叶轮式增氧机

叶轮式增氧机主要由立式搅水叶轮、球体浮架、减速箱和电动机组成，使用时由绳索定位，其功能主要表现为水跃增氧和水层交换。增氧机开启后，在叶轮的旋转搅动下产生水跃作用，在水面形成跃向四周的波浪和水珠，迅速增加水体与空气的接触，促进空气中的氧向水体中转移并扩散。在叶轮的下方水体，扩散作用形成负压区，促使底层的水涌向上层，产生水层交换作用。叶轮式增氧机更适合于鱼池较深的养鱼池塘，其常用规格为3 kW和1.5 kW，通常的养殖池塘一般每10亩配1台3 kW的增氧机，可多台配置。

(2)水车式增氧机

水车式增氧机主要由卧式搅水叶轮、船型浮体、减速箱和电动机组成，使用时由绳索定位，其功能主要为水跃增氧和水体流动。水车式增氧机在水面搅动水体，产生水跃与水流，在旋转叶轮的背面形成一定程度的负压区，使下层的水上涌。水车式增氧机往往沿池塘四边布置，形成环形水流，有利于水体中氧的扩散。水车式增氧机往往更适合水深较浅或者需要水流环境的虾蟹养殖池塘，对1.5m以下水层的搅动作用显著降低，其规格通常为1.5 kW。

(3)微孔曝气增氧机

微孔曝气增氧机是由设置在塘埂或浮体上的罗茨风鼓风机和铺设在池底的微孔管网所组成。运行时由鼓风机产生的正压空气进入管道，透过管壁上的微孔带以微小气泡的形式进入水体，其功能主要表现为曝气增氧。在微小气泡上升的过程中，气泡膜的吸附作用将水中悬浮颗粒带到水面，形成上升流。微孔管或平行排列，或制成圆形盘管分布于水底，有利于池塘底层增氧及底泥氧化条件的构建。微孔曝气增氧更适合于虾、蟹、参等底栖性生物养殖池塘，对未及时清淤、底泥淤积较多的老化池塘也有明显的作用，其常用的规格为2.2～7.5 kW，适用于20～80亩养殖水面。

(4)涌浪机

涌浪机的叶轮由环形旋转浮体和固定其上的搅水板构成，叶轮立式布置并与减速箱、电机、拉杆连接，使用时通过拉杆在水面定位，其功能主要为水层交换，并有一定程度的水跃作用。涌浪机叶轮的转速较增氧机小，运行时在水面形成波浪向四周扩散，并利用叶轮的旋转在下部水体形成负压区，使下层水体上升，形成循环水流，其生态增氧作用大于机械增氧。涌浪机常用的规格为0.75 kW、1.1 kW、1.5 kW，对应的提水能力为1 221 ～2 843 m3/h，造波强度为0.07～0.08 m[16]。

(5)太阳能水质调控机

太阳能水质调控设备主要由移动平台和旋转提水平台组成。移动平台通过连杆与旋转提水平台连接，向提水电机供电，并沿绳索往复行走，其功能主要为水层交换，可使底层的水及底泥表层的营养物质提升至水面，进行生态增氧。移动平台由船型浮体、太阳能光伏板及供电系统、行走机构绳索构成，并通过连杆与旋转提水平台相连接。旋转平台由船型浮体及设置其上的电机、提水叶轮和提水管组成，提水管通过调节装置与池塘底部保持接触或非接触高度。当光照强度达到设定值时设备启动运行，在移动旋转过程中将底层富营养水体提至上层，参与光合作用，光照度越大，发电量增加，提水量愈大。测试表明，当光照度为52 500 Lx时，输出功率为170 W(20 V×8.5A)，提水量达208 m3/h[17]。

2.3 增氧机的效率

生产者评价增氧机的使用效果，往往依据设备的投入经费、一个生产周期的运行能耗为依据以及养殖对象的生长情况做出判断，这是综合性并有些笼统的评价方式。实际上，影响池塘增氧机运行效果的因素很多。利用机械能增加气—液接触面积的增氧，如水跃与曝气，是物理性的过程，相对容易测试比较。利用水层交换促进生态增氧的效果，受即时的光照度和水体中碳、氮、磷的营养水平及比例的影响，往往难以进行对比测试。增氧机开启时水体各部分的溶氧水平关系到氧的扩散速率，对增氧效果产生影响。

对增氧机实施性能检测设有标准的方法，现行的标准为《增氧机增氧能力试验方法(SC/T6009—1999)》，规定了增氧机的试验条件、试验方法及计算方法。在清水(消氧)的条件下对增氧机进行增氧能力和动力效率的测试，反映的是水跃、曝气等功能为主的机械增氧。增氧机生态增氧效果的分析多见述于基于特定养殖池塘的实验数据。

根据国家渔业机械仪器质量监督检验中心历年来检测数据分析[14]，叶轮式、水车式、曝气式增氧机的增氧能力与动力效率比较见表1。可以看出，叶轮式与水车式增氧机相比，单位装机功率(kW)增氧能力的差异较小，动力效率相对高12%。曝气式与叶轮式增氧机相比，单位装机功率(kW)增氧能力要高出9.8%，动力效率则高出20%。数据分析表明，3种增氧机在清水条件测试性能综合比较为：曝气式>叶轮式>水车式>螺旋桨式。在池塘中的实验结果表明，叶轮式增氧机搅动作用大，比水车式和曝气式快40%和94%，可使水体迅速混合[14,18]；曝气式增氧机由于没有形成水流，开启以后的增氧速率明显低于叶轮式、水车式，不适于应急性增氧[19]。

表1 叶轮式、水车式、曝气式增氧机的增氧能力与动力效率比较

注：1.螺旋桨式射流增氧机作为其他类型增氧机的一种，参与本对照分析；2.曝气式增氧机同为该实验室的检测数据，为1台设备的数据。

涌浪机效能表现在以生态增氧为主，兼具机械增氧的作用。在水深1.6 m、养殖密度达800 kg/667m2主养团头鲂池塘中的比较试验表明[20]，在促使上下水层交换的能力上，0.75 kW涌浪机的效果与3 kW叶轮式增氧机接近，其综合增氧能力比叶轮式高60%。说明要达到同样的生态增氧效果，涌浪机比叶轮式增氧机具有更好的节能效果：涌浪机>叶轮式>水车式>曝气式。由于涌浪机对水体(造波)的影响范围更广，是否可以用标准的清水池检测方法来评价涌浪机的性能有待确定，但仅从小规格涌浪机的实验结果看，0.75 kW和1.1 kW涌浪机单位装机功率(kW)的增氧能力为1.52和1.48，略低于叶轮式增氧机，与水车式相近，其动力效率为1.21和1.29，显著低于叶轮式和水车式增氧机[6]，也就是说，要达到水跃、曝气等机械增氧效果，涌浪机不如叶轮式与水车式增氧机：涌浪机<水车式<叶轮式<曝气式。一台0.75 kW的涌浪机波直径可达60 m，相当于4亩(2 668 m2)水面面积[21]。

太阳能水质改良机只有上下水层交换的作用，通过设置在池塘底部的进水口直接将底层水提升到水面，对底层的营养物质参与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主养鳊鱼的池塘中，太阳能水质改良机的提水悬浮物浓度可达到 2.3×103mg/L，营养盐水平超过对照池塘65%，通过光照度阈值10 000～30 000Lx控制设备的启动与关闭，让底层的氮磷等营养盐充分参与浮游生物的光合作用，水体中 CODMn和总悬浮物基本稳定。试验中套养的鲢鱼与鳙鱼产量分别增加了32.1%和25.7%，池塘底泥厚度下降了12 cm，底质得到明显改善。分析实验数据，可以得出其提水效率为1 223.5 m3/(kW·h)，略低于涌浪机，运行范围超过池塘70%的水面，其对池塘上下水层的交换作用明显高于后者；1台最大功率为170W太阳能水质改良机的提水能力相当于3台1.5 kW叶轮式增氧机。

3 增氧机应用方式

在养殖生产中，要做到合理地选择池塘增氧机，以达到保障养殖环境和节能的效果，就必须要针对生产方式和池塘条件，把握各类增氧机的特性及主要功能进行选配，表2所示为本文所论述的5类代表性增氧机功能的综合对比。

表2 各类增氧机功能综合对比

注：★数量多少表示效率的高低。

养殖池塘增氧机的选配要根据养殖方式及池塘的基本特点，突出不同类型增氧机的功能，以达到高效、节能的效果。其选配原则，一是动力效率最高，以达到能耗最低的机械增氧效果，依据“曝气式>叶轮式>水车式>现有其他形式增氧机”的原则；二是对较深水体的池塘考虑提高生态增氧效果，选择上下水层交换功能强的方式，依据“太阳能水质改良机>涌浪机>叶轮式>水车式”的原则；三是养殖生物所需的环境条件，如底栖性生物对下层水体及底质环境的要求，对虾、鳗鱼等养殖品种需要水流环境等；四是设备功能兼顾、组合及造价等因素。表3所列为大宗淡水鱼养殖池塘增氧机的配置参考。表4为其他类型养殖增氧机的选择。

表3 大宗淡水鱼混养池塘增氧机配置参考

表4 几种典型单养池塘增氧机配置方式

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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

现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-46)

徐皓(1964—)，男，研究员，研究方向：渔业装备工程技术。E-mail：xuhao@fmiri.ac.cn

S969.32+1

A

1007-9580(2017)04-001-08