水产养殖增氧设备的研究进展

■ 彭 飞 宋雨龙 张丽梅 陈建明 王红英

(1.北京工商大学，北京 100048；2.浙江省淡水水产研究所，浙江湖州 313001；3.中国农业大学工学院，北京 100083)

中国是世界上最大的水产养殖和消费大国，水产养殖业发展迅猛。随着我国水产养殖规模化、集约化、工厂化和产业化步伐的加快，高密度水产养殖技术应用范围越来越广，养殖水体的溶氧水平影响着动物的生存、生长和繁殖，是影响养殖成败和养殖效益的关键[1]。实际水产养殖过程中水体溶氧水平往往不达标，从而影响饲料系数，增加了养殖风险[2]，当水体溶氧低于一定水平时，需要通过机械、化学、生物等方式补充水体溶氧量；其中，机械增氧是最有效的增氧方式，能够增加水体溶氧度、改善水质，对水产养殖具有重要作用。

1 增氧设备的主要类型及研究进展

我国的增氧设备研究始于20世纪70年代[3]，经过近半个世纪的发展，各种不同类型、不同功率、不同效能的增氧设备不断研制出来，并得到广泛应用，进而推动了现代渔业的发展。增氧机的种类很多，增氧原理各有不同，目前水产养殖中常见的机械增氧设备主要有微孔曝气式增氧[4]、射流式增氧[5]、水车式增氧[6]、涌浪式增氧[7]以及其他类型增氧等，下面对几种典型增氧机的特点以及其研究进展进行综述。

1.1 微孔曝气式增氧机

微孔曝气式增氧机主要由罗茨风机、输气管和曝气微孔组成，其通过输气管将空气输送到曝气微孔处形成微小气泡，达到增氧目的；曝气微孔冒出的微小气泡，与水接触面积大，增氧效率较高[8]。Roy 等[9]优化了微孔曝气式增氧机的性能，开发了一种多孔池化圆形梯级(PPCSC)曝气增氧装置配合ANN-PSO（人工神经网络-粒子群优化算法）技术，提高了曝气增氧机的增氧性能和增氧效果。Muramulla 等[10]设计的漂浮式微孔曝气增氧系统，利用浮子太阳能光伏(SPV)模块为5 个微孔曝气增氧机供电，有效提升了水体含氧量。毛海涛等[11]设计了一种大水体太阳能自动增氧装置，利用光伏发电系统供能，利用溶氧检测元件确定水体溶氧量，并根据氧浓度是否达标启停该装置，实现对大水域的增氧作业。Rahayani 等[12]设计了一款自动投饵微孔曝气系统，能够实时监测池塘温度、水质和水体溶氧量等指标，并根据监测数据实时调整饵料投喂和溶氧水平，实现凡纳滨对虾养殖收益的最大化。Badrul 等[13]提出利用柔性连接杆水体增氧的方法，可以降低增氧部件的制造成本；对形状进行合理的设计还可以提升溶解氧效率，提高水产养殖增氧效率。综上可知，微孔式增氧机技术含量高、增氧效果好，但是存在费用较高的问题；此外，当输气管发生漏气情况时，增氧效果会大大降低；因此需要监控微孔增氧机的工作状态并实时反馈。

1.2 射流式增氧机

射流增氧技术通过水泵将水吸入射流器，利用高速移动的水流产生负压将空气吸入并进行混合，形成气液两相流从扩散管中排出，其工作原理为通过使静止的养殖水体发生扰动，起到推流和增氧的作用。Nugroho 等[14]为提升池塘养殖中的溶解氧水平，开发了一种基于涡轮射流原理的增氧装置，经过实验验证可以有效地提升水中溶氧量，并实现持续稳定增氧。孙新城等[15]为提升射流式增氧机的增氧效果，提出并设计了一种具有自吸式三支管射流器结构的新型射流增氧机，可实现耕水、活水，增加水体溶氧量，并确定了该增氧机的最佳结构参数。吴世海[16]设计了一款新型射流式增氧机，将水与空气混合、并通过射流管射出，使得水与氧气接触充分、提高水体溶氧量；并通过调整定位装置控制水流喷射方向，满足不同的增氧需求。综上可知，相较于其他类型增氧机，射流增氧技术对于底层水体增氧效果较佳，特别是可以实现对冰封水体增氧，具有不可替代作用。

1.3 水车式增氧机

水车式增氧机利用旋转的叶轮对水体击打并增氧，同时由于叶轮离开水体时会产生负压促使上下水体交换，因此还能够提高水体上下增氧均匀度。水车式增氧机结构简单、重量较轻，可以利用水车式增氧机在增氧过程中产生的推动力，实现增氧机在水面上移动。母刚等[17]改进了传统水车式增氧机，并对蓄电池、光伏发电装置进行了完善；经过实验验证，改进后的增氧机可以提升水体溶氧量、降低能耗。姜宽舒等[18]设计了一款多功能自主导航水产养殖作业船，可同时实现巡线、增氧、投饵、施药、水质监测等功能，同时叶轮拍打水面曝气增氧，使得设计集成化、简约化。Suravut等[19]设计了一款水轮低速增氧机，利用齿轮和链轮驱动水轮转动，利用太阳能提供动力，缓解了泰国养殖户无力负担电费的现状，实现了低成本、低功耗增氧，且增氧效果理想。吴晨等[20]设计了一种移动式水体增氧装置，该装置利用水轮叶片击打水面实现水体增氧，同时底部叶轮旋转将底层水体向上提升，并对水面水体进行涌浪式增氧；此外，还设计了光伏发电电路、检测电路、主控电路和驱动电路，并进行了路径规划研究；该增氧装置提升了增氧效率、解决了传统增氧装置位置固定的问题。刘超等[21]对多种增氧机的增氧效果进行了对比分析，如表1所示。由表1可知，从增氧效果上来看，水车式增氧机单位时间内增氧量高于另两种增氧方式，增氧范围较大、增氧效果较好；从经济层面来看，水车式增氧所耗功率最小、且成本较低，因此，水车式增氧机是养殖户的优选增氧设备。

表1 不同增氧机增氧效果对比

1.4 涌浪式增氧机

涌浪式增氧机利用叶轮搅动水体并提水，使得底层水流上升从而改善水体质量，具有增氧、提水、造浪等作用；还能通过搅动水体促进水生浮游植物到水体上层进行光合作用，进而改善水质，因此在光照较好的条件下其增氧能力高于同功率水车增氧机。田昌凤等[22]设计了一种移动式太阳能增氧机，在一定的光照强度下启动，其涌浪能力随着光照强度增加而增加，能够使得上下层水体大流量交换，有利于改善水产养殖环境。蒋建明等[23]设计了一种复合式自动增氧系统，混合使用叶轮式增氧机与涌浪式增氧机，并开发了控制系统，使得水体溶氧量提高、溶氧量更加均匀稳定。Wu 等[24]设计了一种可移动式增氧机，利用光伏发电系统提供动力，利用水上行走装置带动整机设备沿钢丝绳移动，试验结果表明：该增氧机曝气和换水性能良好，有效提高了水体含氧量和溶氧均匀性。对比其他类型，涌浪式增氧机具有净化水质能力，能够降低水产动物死亡率。在未来，可以考虑将水车式增氧机与涌浪式增氧机联合使用，其增氧效果会更佳。

1.5 其他增氧机

此外，还有些其他类型的增氧机，部分还处于实验室阶段。陆生海等[25]研发了一种叶喷式增氧机，利用电机带动锥体旋转、锥体外叶片带动水体运动促进氧分子向水体溶解，锥体内叶片转动产生离心力促使水由缝隙高速喷出并雾化，提高水体的溶氧速率。盛凯[26]基于双膜理论研发了一种喷水式增氧机，通过将喷出的水流雾化、增加与空气的接触面积，进而提升水体溶氧量，工作时产生的波浪也具有增氧功能，该增氧机制造成本低、投资少，适用于中小型养殖场。Wen 等[27]通过扬水曝气(WLA)降低了能耗，能够对不同深度层次的水质起到改善效果，并通过多参数的水质评价进行了验证。Dai等[28]研究了倒伞式曝气增氧机的曝气性能，利用高速摄影机提取气泡特征，发现其传质系数与转速呈线性关系，为其应用提出了新思路。

综上可知，增氧机类型较多，需要根据具体养殖环境、养殖物种、养殖密度等情况合理选择并配置增氧机。此外，今后还需不断更新和创新增氧技术，将信息、设备、能源等高新技术应用到增氧设备中，包括：①提高智能化控制水平。利用传感器、自动化控制等技术，实现对养殖水体氧气浓度、水温、pH 等参数的自动监测和控制，提高增氧机的工作效率和管理效果。②研发高效增氧材料，如纳米气泡、新型电极等，提高增氧机的效率和稳定性。③开发新能源用于增氧。可以考虑利用太阳能技术，研发太阳能增氧设备，降低增氧机能耗和污染排放。

2 养殖水体溶氧量预测数学模型

溶氧量是水产养殖水体的重要参数，合适的水体溶解氧有利于水产动物生长，精准预测水体溶氧量对于水产养殖具有重要意义。预测水体溶氧方法主要分为两类：一类是传统方法，依据水体溶解氧的变化规律对下一时刻的水体溶氧量进行预测；另一类是依托计算机技术对水质变化进行预测，后者具有较高的预测精度。宦娟等[29]提出了一种基于K-means 聚类和ELM 神经网络的溶解氧预测模型，利用皮尔森相关系数法对环境因素与溶解氧的相关系数进行确定，确定预测日期与样本日期最相似的样本集并根据该样本集构建预测日期的溶氧模型。易卓[30]构建了一套溶氧预测系统，该系统以MQTT 作为传输层通信协议传输水质参数，并构建了基于ARIMA-LSTM 的溶解氧预测模型，实现了对水体溶氧量的精准预测。马晓涛等[31]利用ARIMA 模型预测养殖水域溶氧量，并通过RBF 神经网络校正残差部分，有效地解决了ARIMA 模型对非线性残差预测不准确的问题，ARIMA 与RBF 神经网络模型预测效果高于单一模型。周新辉等[32]构建了一种自适应增强的粒子群优化极限学习机预测模型(AdaBoost-PSO-ELM)用以预测水体含氧量，该模型相较于传统的PSO-ELM 等模型，预测精度更高；此外，通过分析增氧机开启时长与拟合水体含氧量的关系，合理控制增氧机启停。Li等[33]提出了一种基于GBDT-LSTM 的水体含氧量预测模型，通过梯度提升决策树(GBDT)确定水体含氧量的影响因素，通过交叉验证网格优化算法优化LSTM 参数，进而预测水体含氧量，结果表明该模型具有较强的预测精度与泛化能力。研究表明，建立水体溶氧预测模型，能够解决传统增氧的滞后性问题（即：监测到水体溶解氧低于设定阈值后再开启增氧机，无法在短时间内达到设定值，对水产动物造成危害）。

构建精确可靠的养殖水体中的溶氧量预测数学模型，有助于保障养殖动物的健康生长。在构建该预测数学模型时，需要考虑诸多因素：水温、环境流速、水体氨氮含量、养殖密度等。此外，还需注意以下几点：①考虑并确定主要影响因素。虽然影响因素众多，但并不是每个因素都对养殖水体溶氧量预测具有显著影响，因此需要从多个因素中选择出主要因素，依据实际情况进行权重分配和因素筛选。②进行严格的数据采集和统计分析。对于每个影响因素，需要采集足够的样本数据，并通过描述性统计分析、因子分析、主成分分析等方法进行数据处理和分析，保证数据的可靠性和可重复性，提高预测模型的精准性。③选取合适的预测算法和模型。预测算法主要包括机器学习算法、神经网络算法、回归模型等，需要根据实际情况选择合适的预测算法和模型，还需要进行交叉验证和模型参数调整等研究。

3 增氧机的使用技巧

在使用水产养殖增氧机过程中，需要合理规划增氧机的启停时间。有些养殖户仅将增氧机当作救命设备，只在养殖动物出现危急时才使用，忽视设备对提升溶氧能力、改良水质、分解有害物质的重要作用，这样会导致曝气不充分、水体对流和交换效果差、溶氧安全性低等问题，进而影响水产动物的生长和品质。增氧机具体工作时间[34-38]（见表2）。

表2 增氧机的使用时间分布

① 在进行饵料投喂的过程中不建议开启增氧机。增氧机工作时会对水体产生扰动，会导致饵料与鱼类排泄物混合，造成饵料浪费。

② 在进行药物泼洒过程中建议打开增氧机。增氧机对水体扰动作用可以使药物在水体中扩散均匀，既能提升药物扩散速度，还可以避免因药物刚投入水体时局部浓度过高对水产动物造成危害。

③ 阴雨天需要开启增氧机。阴雨天气压较低，且光照强度较弱、藻类光合作用能力较弱，因此水体溶解氧降低，易发生鱼类浮头现象，此时需要开启增氧机对水体增氧提升水体溶氧量，避免发生浮头和缺氧现象。

④ 雷雨天气需要开启增氧机。雷雨天气时温度较低的雨水落入池塘，池塘内上下层水体之间产生温差，受到池塘中的水温温差影响，上层溶氧量逐渐下沉到水体底层，底层水溶氧量逐步升高，上层水溶氧量降低后得不到补充，出现缺氧状况，导致鱼类现象的发生。

⑤ 晴天傍晚时不建议开启增氧机。此时藻类植物的光合作用停止，不再为水体供氧，若此时开启增氧机会导致水体中溶解氧反扩散至空气中，导致水体溶氧降低，次日水产动物易发生浮头现象。

⑥ 晴天午后建议开启增氧机。此时光照强度较高、藻类光合作用效果较强，开启增氧机有助于将水体底部的负氧层翻升至水体中上层，光合作用补偿能够提升水体溶氧。

科学合理地使用水产养殖增氧机，不仅能够节约养殖户的能源成本，还可以有效地提升增氧效果，实现收益最大化。同时，还要需要控制好增氧量和时间，避免对水生态环境造成负面影响。

4 总结与展望

养殖水体溶氧程度与养殖效果密切相关，研发增氧技术是高产高效水产养殖的重要保证。传统水体增氧技术难以满足当前发展需求，数字化、智能化、生态健康养殖是今后水产养殖的发展方向，主要体现在以下几个方面：①随着物联网、云计算、大数据等技术的发展，智能化控制将成为水产养殖增氧机的重要趋势。通过融入传感器、自动控制等技术，实现对养殖水体氧气浓度、水温、pH 等参数的自动监测和控制，提高增氧效率和管理效果。②高效节能是水产养殖增氧机的另一个重要发展趋势。采用高效节能的设计和材料，如采用太阳能、风能等可再生能源驱动；优化设计增氧机结构和气泵、电机等核心部件，提高能效和降低能耗。③绿色环保是水产养殖增氧机械的发展方向。新型增氧机在设计和材料上应更注重环保，如采用环保材料、低噪音设计等。此外，还应该对水产养殖增氧机的标准、规范等方面进行研究，加快推进水产养殖业机械化，促进水产养殖业全面健康可持续发展。