美国工厂化循环水养殖系统研究

美国工厂化循环水养殖系统研究（精选6篇）

篇1：美国工厂化循环水养殖系统研究

刘晃1，2，3，张宇雷1，3，吴凡1，3，倪琦1，2，徐皓1，3

摘要：美国工厂化循环水养殖系统研究可以划分成两个有着明显差异的研究技术路线，一是高集成循环水养殖系统模式研究，主要是通过使用各种各样的水处理设备来获得良好的水质，通过各种自动化设施来减少人员劳动强度，通过高精度的水质监控系统来实时反馈系统运行状态。二是经济型循环水养殖系统模式研究，主要是以简化水处理设备，采用简单的处理方式以获得较高经济效益。

关键词：水产养殖;美国;工厂化养殖;循环水养殖系统(RAS)中图分类号：F316.4文献标识码：A

文章编号：1673-920503-0010-04

美国在工厂化循环水养殖的研究方面一直处于较高水平，特别是在鲑鳟类冷水性鱼和罗非鱼等温水性鱼的工厂化循环水养殖上有不少的研究和应用。从美国工厂化循环水养殖系统的模式研究总体情况来看可以将之划分成两个有着明显差异的研究技术路线。一是在美国北部是以康奈尔大学的

Timmons教授和西弗吉尼亚淡水研究所Summerfelt

教授为代表的，以集成各种水处理设备的高集成循环水养殖系统模式研究为主的技术路线。二是在美国南部以路易斯安那州立大学Malone教授和

StudyonrecirculatingaquaculturesystemsinUSA

LIUHuang，ZHANGYu-lei，WUFan，NIQi，XUHao(1.FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai92;2.Keylabora-toryoffisherywatertreatment,ChineseAcademyofFisherySci-ences,Shanghai200092;3.Keylaboratoryoffisheryequipmentandengineering,MinistryofagricultureShanghai,200092;)Abstract：TherecirculatingaquaculturesystemsinUSAcanbedividedintotwostudytechnicalroutehavingsaliencediffer-ences.First,studyofhighlyintegratedrecirculatingaquaculturesystems,mainlyusedallkindsofwatertreatmentequipmenttoobtaingoodwaterquality,andalsousedavarietyofautomatedfacilitiestoreducelaborintensity.Meanwhile,itreflectssystemstatusonlinewithhigh-precisionwaterqualitymonitorsystems.Secondly,studyofeconomicrecirculatingaquaculturesystems,cangethigheconomicprofitsbysimplifyingwatertreatmente-quipment,andusingasimplewatertreatmentprocesses.Keywords：Aquaculture;USA;Industrialaquaculture;Re-circulatingaquaculturesystems(RAS)

AquacultureSystemsTechnologies公司Ebeling博士为

代表的，以简化水处理设备，采用简单的处理方式以获得较高经济效益的经济型循环水养殖系统模式研究为主的技术路线。

1高集成循环水养殖系统模式

高集成循环水养殖系统模式是通过使用各种各

样的水处理设备来获得良好的水质，通过各种自动化设施来减少人员劳动强度，通过高精度的水质监控系统来实时反馈系统运行状态。

西弗吉尼亚淡水研究所内有一个集成化程度相当高的循环水养殖系统。其采用的是一个比较典型的水处理工艺，其水处理工艺流程图如图1所示。

0引言

工厂化循环水养殖方式正以其环境友好、节能、

图1水处理工艺流程图

在这些工厂化循环水养殖系统中的鱼池一般为圆形，普遍采用了双排水的设计。鱼池的中上层水是通过设置在鱼池侧面的水位保持器直接进入微滤机过滤，而鱼池的底层水中由于含有比较多的颗粒物

1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092;2.中国水产科学研究院渔业水体净化技术和系统研究重点开放

实验室，上海200092;

节水等优势，逐步被人们所接受和越来越多的被应用到生产实践中去。工厂化循环水养殖系统(RAS)可以提供可控的环境，系统的大小不受环境条件限制，可以控制养殖水产品的生长速度，甚至可以预计产量。与传统养殖方式相比，循环水养殖生产方式每单位产量的可以节约90~99%的水消耗和99%的土地占用，并几乎不污染环境[1]。

3.农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海200092。

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第3期RESEARCHINAGRICULTUREDEVELOPEMENT

理论探究

质(主要是残饵和鱼粪)，则是从鱼池底部中心的排水口先进入一个沉淀池或水力旋流器，将可沉淀颗粒物去除后，再进入微滤机过滤。微滤机可以去除大于60μm的悬浮颗粒物。物理过滤后的水流到调节池，在调节池中可以进行调温、补水等。然后使用水泵提升进入生物过滤器，生物过滤可以采用流化沙床、移动床、微珠生物过滤器等方式。经过生物处理后的水自流到脱气装置吹脱水中的CO2，再进入增氧装置，增氧一般采用LHO或锥形增氧装置。由于在美国的工厂化循环水养殖系统中已经普遍使用液氧，因此CO2的去除就显得尤为重要。增氧后的水回到鱼池[3-8]。西弗吉尼亚淡水研究所中的循环水养殖系统及主要设备的照片见图2，左边是循环水养殖系统的效果图，右上是系统中的鱼池和投饲机，右下是微滤机和调节池。

图3

自动收鱼装置、

投喂装置和投喂控制系统

水质监控系统是一个养殖系统成功的保障。美国工厂化循环水养殖在这方面做的相当完善，尤其是对ORP相当的关注，采用ORP数值的变化来进行水质的预测和调控。如图4所示左上和右上分别为二氧化碳和ORP的测试仪。下方为电脑上显示的系统水质参数在最近一个小时内的历史曲线，包括的参数主要有溶氧、水温和ORP。

图2

西弗吉尼亚淡水研究所的循环水养殖系统

要实现工厂化循环水养殖科学、统一、标准化的管理是其中一个相当重要环节。而其中又以饲料的投喂、水质监测和报警系统为关键。在美国农业部国家冷水鱼研究中心和西弗吉尼亚淡水研究所都有相当成熟的饲料自动投喂系统和水质监测系统。所有的数据都会实时反应在控制电脑上，操作人员只需要面对电脑就可以清楚的了解所有系统最新的水质情况和饲料投喂情况，也可以通过电脑实现对它们的控制。整个系统的自动化程度相当高，人员只需要完成一些简单的劳动工作。如图3所示，左上为一个收鱼装置。当养殖的鱼达到市场规格后，员工就可以将鱼从鱼池中赶到这个装置中捞起，设计得非常简单实用。右为自动投饲机，右上和右下都是自动投饲机，不同之处在于，由于右上的.鱼池较大，设计人员在鱼池上方设计了一个小型的行车。操作人员在鱼池一侧就可以轻松的将饲料投喂到鱼池的另一侧。左下为一个养殖车间的投饲控制系统。车间内所有系统的投喂都可以通过这台电脑来进行控制，可以设置包括投喂的饲料种类、投饲速度等操作参数。

图4

水质监控系统

2经济型养殖模式

2.1BF/AL循环水养殖模式

路易斯安那州立大学Malone教授根据多年的研

究，认为循环水养殖系统能够成功运行必须满足五大必要条件：一是水的循环;二是悬浮颗粒物及时去除;三是生物过滤;四是增氧;五是二氧化碳的去除。当然，目前有很多方法都可以满足这五大必要条件。但是，重要的是如何采用简单有效的方法来实现，成为研究和应用的技术关键。BF/AL循环水养殖系统模式是一种采用气提代替传统养殖模式必须使用的水泵以实现水体循环，而水处理仅仅使用浮性珠子过

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理论探究

农业开发研究

滤器等简单的处理设备的循环水养殖系统模式。其中仅采用浮性珠子过滤器和气提技术就能完全满足五大必要条件。

浮性珠子过滤器的特点在于其同时兼具物理过滤和生物过滤的双重功能，可以简化循环水养殖系统的设计和操作。目前，浮性珠子过滤器系列中有螺旋桨反冲洗型(PBF)、气泡反冲洗型(BBF)和气室反冲洗型(PGF)三中型式。气室反冲洗型(PGF)过滤器是当中的最新产品，它可以使用自身容器内的水体来完成反冲洗，而其强度又不会太过剧烈而影响到硝化反应的进行。采用浮性珠子过滤器可以实现五大必要条件中的悬浮颗粒物及时去除和生物过滤。气提技术在BF/AL循环水养殖系统模式中可以实现另外三个必要条件，通过使用鼓风曝气，形成密度差，可以将让水从低位提升到高位，实现水的循环。在实现水位提升的同时曝气可以实现给系统水体增氧和去除水中的二氧化碳。PF/AL循环水养殖系统模式仅仅使用珠子过滤器技术和气提技术就完成了循环水养殖所必要的五大必要条件，系统所使用的动力设备非常少，因此，大大减少了系统维护所需要的时间。而从安全性的角度考虑，除去了水泵故障的可能性，使系统更加安全可靠，养殖风险更低[9-13]。

口自流进入PBF过滤器，鱼池内水面和PBF过滤器中的液面高差大约为30cm，过滤后水通过气提方式被提升回到鱼池，实现了水的处理和循环。系统的换水量相当的低，系统中的水体已经使用了长达4、5年之久。在鱼池的池壁、水管上到处长满了藻，看起来非常的脏。如图5所示，左上是农场最早使用PBF过滤器，从1993年开始使用至今运行状况良好。左下是一组BF/AL循环水养殖系统，右上为鱼池中的分类养殖网箱，右下气提装置。

2.2生物絮凝(Biofloc)循环水养殖系统

在美国虾类产品的养殖量相当大，而且从目前

来看，它还在以每年15%的增幅在迅速膨胀。一方面，水质的好坏对于虾类的养殖是相当关键的。另一方面，由于虾类养殖而带来的污水排放也成为了美国各个环境保护协会关注的焦点。因此，寻找一种稳定、高产、高效、环境友好而又可以将病毒危害降到最低的虾类养殖模式就成为了主要的研究方向。生物絮凝(Biofloc)循环水养殖系统是目前美国在经济性循环水养殖系统模式方面的研究热点之一，目前已经有不少的实验系统和部分应用实例。

生物絮凝(Biofloc)循环水养殖系统有别与传统的水处理方式，它是利用异养细菌的同化反应，理论反应方程式如下：

TiltechAquaFarm养殖场内目前在使用的一套BF/AL循环水养殖系统。TiltechAquafarm主要生产

全雄罗非鱼苗，并可以根据客户需要提供各种特定家系或者规格的罗非鱼苗。整个农场正常运行时只需要4个人，只是在特别忙的情况下才会另外请临时工。水处理系统相当简单，仅仅是使用了几台大型的珠子过滤器来控制系统内的微藻浓度和去除颗粒物。鱼池中的微藻浓度相当高，据介绍最高浓度可以达到800000000ind/L。鱼池内的水是通过中央排污

NH4++1.18C6H12O6+HCO3-+2.06O2→C5H7O2N+6.06H2O+3.07CO2

根据方程式可以得到：每g的总氨氮转化为细

菌，需要消耗4.71g的溶解氧、3.57g碱度(0.86g无机碳)和15.17g碳水化合物(6.07g有机碳)。反应可以生成8.07g的细菌生物体(4.29g有机碳)和9.65g的二氧化碳(2.63g无机碳)。反应使得细菌的生物量增加了

40倍，所产生的生物量远远大于的硝化反应过程中的

细菌生物量的变化，所以系统的另一个关键就是使用物理过滤及时去除水中的微生物和颗粒物[14]。

生物絮凝(Biofloc)循环水养殖系统主要是养殖虾类，使用的是跑道式养殖池(如图6中的左图所示)，养殖池仅仅配备了压力式沙滤灌、泡沫分离器或采用沉淀池等物理设备，图6右上所示的是竖流式沉淀池。实验使用填料糖(如图6中的右下所示)作为生物填料和外加碳源，通过提高水体内的碳氮比，使得水体内的异养细菌取代自养细菌，成为系统中的优势种，从而吸收总氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐，将其转化为细菌的生物体。根据研究报到，每6g碳可

图5TiltechAquaFarm养殖场的PGF/AL

循环水养殖系统

以将1g总氮转化为细菌的生物体，其使用的填料糖的比重为1.3，含碳量为50%。实验结果显示在实验

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tonRouge:LouisianaStateUniversity,.

理论探究

过程中，系统水体中的氨氮和亚硝酸盐氮被控制在一个合理的水平，系统运行稳定[15-18]。

[10]JohnsonBS.AirliftAssistedWastewaterTreatment[D].Baton

Rouge:LouisianaStateUniversity,.

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[12]MaloneRF,GudipatiS.Polygeyser/AirliftFiltrationofHigh

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图6

生物絮凝循环水养殖系统

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3结语

从总体上看，目前美国在工厂化循环水养殖方

面的研究既有从事使用高科技手段达到高密度、高自动化、高集成度的养殖模式，也有从事使用简化水处理工艺或利用自然条件(例如：藻类)以期获得低成本、高收益的经济型养殖模式。各种模式在美国养殖业中都有所应用，可以说是百家争鸣，创意无限，其中不少是值得去深入的学习和研究。

参考文献

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基金项目作者简介

农业部“引进国际先进农业科学技术”项目(2008-Z9)刘晃(1973―)，男，湖南祁阳人，硕士，副研究员，主要从事水产养殖工程研究工作;张宇雷(1980―)，男，上海人，研究生，硕士，工程师，主要从事水产养殖工程研究工作;吴凡(1973―)，男，上海人，硕士，高级工程师，主要从事水产养殖工程研究工作;倪琦(1968―)，男，上海人，硕士，研究员，主要从事水产养殖工程研究工作;徐皓(1962―)，男，上海人，学士，研究员，主要从事渔业装备与工程技术研究工作。

收稿日期2009-05-12

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篇2：美国工厂化循环水养殖系统研究

二、自行研制了淡水蛋白质分离器，该分离器同时具有水溶蛋白质分离、养殖水体增氧、有机物消化的三个作用;成本较低，工作稳定的特点。 三、

四、自行研制了养殖池底固体物沉淀分离器，自动运行成本较低。 自行研制了自动饲料投料机，能在一天内设置任意时间、任何次数、任何数量投喂颗粒饲量，做到定时定量投喂饲料。适合小型工厂化养殖池自动投料，不锈钢制作，不用担心海水腐蚀。

五、

应用鱼菜共生技术，提高养鱼系统的产出，提高经济效益。

关于海水循环水养鱼的建议

目前一些海水工厂化养鱼设备规模较大，净水技术较为单一，一般使用物理与微生物技术的效果不算好，在水处理过程中有机物的消化较好(有机物分解成氨氮，有机磷、有机钾)反硝化比较难(氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮)分解成单纯的氮气比较困难)用水生经济作物吸收氨氮、硝酸氮效果好、成本低，而且能增加经济效益。海水生物经济植物品种较多，比淡水更有优势，另外要打破单一品种的养殖，鱼、虾、贝类分级供养，再加上有经济价值的海生植物能提高综合利用率和经济效益。

有关合作的方式

一、单独购买或者合作研发海水养殖的有关设备;

篇3：美国工厂化循环水养殖系统研究

1 生物滤器基本工作原理

所谓的生物过滤是使用微生物来降解水体中氨氮的一种处理方法,一般被称为生物膜净化法。生物膜净化法属于附着式生物净化法,泛指利用栖附在固体表面上的生物膜,不断和污水充分接触,并在好氧环境中,通过生长在生物膜上的微生物,将污水中的有机物分解,或将有毒污染物消除,以达到净化水质的目的[3]。氨态氮在养殖水体中主要以非离子态氨(NH3)和离子态氨NH+4这2种形式存在,对鱼体都是有毒性的。一般情况下,养殖水体中的非离子态氨浓度不能超过0.012 5 mg/L,但也有报道提出该数字可以达到0.025 mg/L[4]。在总氨氮浓度(NH3+NH+4)一定的条件下,非离子态氨和离子态氨之间的比例会随着温度和pH值改变,因此,在循环水养殖系统中一直使用总氨氮浓度作为衡量氨态氮浓度的主要指标[5]。

在硝化反应过程中,氨态氮首先会被硝化细菌氧化成亚硝酸盐(NO-2),然后再进一步氧化成为毒性更小的硝酸盐(NO-3)。公式(1)和(2)显示了硝化反应过程中主要的化学反应方程:

NH+4+1.5O2→2H++H2O+NO-2 (1)

NO-2+1.5O2→NO-3 (2)

整个硝化反应方程可以写成公式(3)

NH4+1.83O2+1.98HCO-3→0.021C5H7O2N+0.98NO-3+1.041H2O+1.88H2CO-3 (3)

其中,C5H7O2N可以理解为硝化细菌物质的化学表达式。通过该方程可以算出,将1 g TAN转化为硝酸盐氮需要消耗大约4.18 g氧和7.07 g碱度(以CaCO3计)以及产生0.17 g细菌物质[4]。

生物滤器从其反应机理上来说是一系列化学反应,因此水质参数对其影响很大。主要包括TAN浓度、溶解氧浓度、水流情况(固、液传质情况)、有机物、水温、pH值、碱度和盐度[6]。

2 美国生物滤器的主流类型

2.1 微珠生物滤器技术

微珠生物滤器技术是纽约州康奈尔大学Michael B.Timmons教授的发明专利。使用的滤料是发泡聚苯乙烯颗粒(Expanded Polystyrene Beads,EPS),主要有1 mm和3 mm两种规格,密度为16 kg/m3,比表面积3 936 m2/m3(规格1 mm颗粒)[4]。

2.1.1 传统形式的微珠生物滤器(Conventional Microbead Biofilter)

该滤器的进水水流经过布水,采用滴流的形式往下喷洒在滤料层上。通过大水流对浮性滤料层的冲击,可以冲刷掉粘附在滤料上的大部分颗粒物质,达到清洗效果。在暖水系统中,在进水氨氮浓度2~3 mg/L条件下,其生物处理能力设计值可以达到1.2 kg/(m3·d)[7]。这种过滤形式相当简单可靠,但其缺点是受滤料层厚度的限制,一旦滤料层太厚就非常容易造成堵塞。一般情况下其滤料层厚度不高于55 cm,而水力加载负荷大于1 200 m3/(m2·d)。

2.1.2 网格微珠生物滤器(Sequencing Microbead Biofilter)

该滤器在传统微珠生物滤器基础上进行了改进,它依靠水体本身作用在滤料上的浮力使滤料层整体产生位移,同时在局部设置障碍物使滤料和滤料之间产生相对位移,通过相互之间的摩擦、挤压,达到自净化的效果[8]。图1为反应容器在正常工作的各个不同阶段容器内水位和滤料层不同状态的示意图。容器内部设置的格栅(Breaker bar)在滤料层随着水位的上升和下降过程中可对滤料层的移动造成阻碍,加剧滤料之间的摩擦和挤压,使粘附在滤料表面的污物脱落,沉淀到容器底部。

相对于传统形式的微珠生物滤器,网格微珠生物滤器有以下优点:一是滤料层厚度不受限制,滤料层的合理高度在1~2 m;二是自净化效果更好,滤料层一直处于运动状态,再加上格栅的作用(适当的曝气或者喷水)可以很大程度上避免生物堵塞现象的产生;三是更适合硝化细菌生长的水流环境;四是结构更紧凑,更有利于产品化。

2.2 珠子系列过滤器(Bead Filter)

珠子系列过滤器技术是路易斯安那州立大学Ronald F.Malone教授的发明专利[9]。它将物理过滤与生物过滤结合在一起,目前已经有了3种成熟的系列化产品。在滤料的选择方面,使用比较多的是标准球型珠子滤料和改良型珠子滤料。改良型珠子滤料是专为适宜硝化细菌生长而设计的新型滤料,其表面有一条凹槽,同时起到承载硝化细菌、保护其不在反冲洗过程中遭到破坏的功能。2种滤料都使用PE材质,在容器内的填充率大约50%。2种滤料各自的基本参数见表1。

2.2.1 螺旋桨反冲洗型珠子过滤器(Propeller Bead Filter,PBF)

图2所示为一台标准型PBF的内部结构示意图。PBF为一个加压容器,正常工作状态下,由于滤料比重比水轻,被水流顶在容器顶部,当待过滤的水流通过一定厚度的滤料层后既可以截留住相当一部分的悬浮颗粒,同时也会产生硝化反应,降解氨氮。PBF的反冲洗是通过在容器顶部设置一根螺旋桨通入滤料层内部。螺旋桨由电机带动,定期开动搅动滤料层。PBF正常工作压力在0.7~1.4 bar,也就是7~14 m水头。

PBF的优点在于反冲洗彻底,但其缺点也正在于此。由于PBF的螺旋桨反冲洗太过剧烈,往往会使得滤料表面生长的生物膜遭到破坏,没办法达到生物过滤的效果[10]。因此,很多时候仅仅作为物理过滤装置来使用。其对于50 μm以上悬浮颗粒的去除率达到了100%,5~10 μm的悬浮颗粒去除率也可以达到48%。

2.2.2 气泡反冲洗型珠子过滤器(Bubble Bead Filter,BBF)

相比较于PBF,BBF更适合于养殖负荷低,水力负荷较小的养殖系统。BBF的反冲洗不使用任何动力设施,而仅仅是通过合理利用气压原理,依靠容器本身的形状来完成。如图3所示,正常工作状态下,滤料层被水流顶在容器顶部。当需要反冲洗时关闭进水阀门和出水阀门,打开排污阀门,此时容器底部的大部分沉淀颗粒都会随着排污管被排出;同时,由于内部水体的流失,容器顶部会形成真空,外界大气会从进气管灌入容器,瞬间涌入的气流会对滤料层形成剧烈的搅动和翻滚,达到反冲洗的目的。

从结构上来说BBF更加简单,维护要求低,易于实现自动化。其反冲洗强度比较柔和,不会对滤料表面的生物膜造成破坏,所以其生物过滤的效果非常良好。但是,由于其反冲洗效果受到容器大小的限制,使得其水处理量受到了一定程度的限制。研究表明,BBF在合适的工作条件下,TAN去除能力可以达到380 g/(m3·d),亚硝酸盐氮的去除能力可以达到518 g/(m3·d)[11]。

2.2.3 气室反冲洗型过滤器(Poly Geyser Filter,PGF)

PGF是珠子系列生物滤器应用研究当中最新的一项发明专利。它区别于其他几种珠子过滤器最大的原因在于它的气室反冲洗功能。只要设计合理,完全可以实现定时定期的自动反冲洗。在PGF容器内部设置了一个气室(图4中的V2),PGF正常过滤的同时,气室内会不断被注入空气,一旦气室被注满到一定程度,这股空气便会通过气室和过滤腔之间的一根连通管瞬间涌入过滤腔(V1),搅动滤料层实现反冲洗[12]。设计者完全可以通过调整气室大小或者是调整进气速度来获得想要的反冲洗频率。针对大型养殖系统,PGF也可以设计成开放式的结构,以满足高处理量的需求。

2.3 流化沙床过滤器技术

2.3.1 传统型流化沙床生物滤器(Conventional Fluidized Sand Biofilter,FSB)

流化沙床生物滤器在美国的使用相当普遍,它使用高比表面积的细沙粒作为生物滤料,其常用粒径为D10=0.19 mm,均匀系数UC为1.6。通过在容器中形成一个具有流化状态的沙床使细菌生长在沙粒表面;由于比表面积大(4 000~20 000 m2/m3)[13],所以在同等氨氮去除速率的前提下,其总体结构相对较小。这种过滤器的氨氮转化能力和效率都较高。但缺点也很明显,就是能耗大,滤器启动时难以形成流化以及沙粒的流失等。有鉴于此,近些年来对于流化沙床过滤器技术的革新,就是漩涡式流化砂床过滤器。

2.3.2 旋涡式流化沙床生物滤器(Cyclonic Sand Biofilter,CYCLO)

和传统流化沙床的区别在于,在CYCLO下部进水管处设置了一个环形的布水箱,进水水流沿着切向进入这个布水箱,这路进水产生强大的旋转水流,并顺着容器底部的槽口流入过滤腔(图5)。旋转水流对于沙床的均匀膨胀起到了良好的效果。与传统流化沙床复杂的布水管路相比,它的管路局部损失以及沿程损失都更小、更合理。研究表明,CYCLO的总氨氮去除负荷在冷水系统中为0.2~0.4 kg/(d·m3),在温水系统中为0.6~1.0 kg/(d·m3)[14,15]。

2.4 移动床生物滤器(Moving Bed Bio Reactor,MBBR)

MBBR技术是为解决固定床反应器需要定期反冲洗、流化床需要使载体流化、能耗高、生物滤池阻塞需要清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。因其生物膜载体(滤料)具有与水接近的密度,生物膜能在滤料内外表面大量生长,这些滤料在反应器内混合液的回旋反转作用下自由移动。在好氧反应中通过曝气作用,而在厌氧反应器中则是通过机械搅拌,为填料提供回旋力使其移动(图6)。它是悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物摸法相结合的一种生物处理工艺。因其建造简单、操作方便,一般不需要反冲洗,可单独使用也可以多级串联或与其他处理工艺结合,对有机物、氮、磷等都有较好的去除率,有很好的发展和应用前景[16]。

3 分析和讨论

3.1 合理选择生物滤器的反应方式

在美国,常用的生物滤料材质有EPS、PE和沙子,国内方面也有使用竹子、陶粒、麦饭石等。可见,对于一台设计合理的生物滤器来说,滤料的选择面是相当广泛的。前提条件就是必须根据滤料的特性设计合理的反应方式。而这里所谓的反应方式如前文所述,主要包括反应器内的水流状态和固液传质情况。最为典型的就是采用流化形式,使用沙子作为生物滤料的流化沙床生物滤器。沙子的比表面积相当高,如果使用传统浸没式的过滤方式,不仅不能充分利用其比表面积,而且会造成能耗高、反冲洗困难等缺点。而使用流化形式可以使得沙子与水体充分接触,形成良好的生物细菌生长环境;另外,其高能耗的缺点也可以通过系统设计时的合理布局进行弥补。表2是几种生物滤器主要工作特性的对照。

3.2 控制反冲洗的强弱

反冲洗方法及其强烈程度的控制很大程度上决定了一个生物滤器的工作性能。根据目前国内外生物滤器的应用情况来看,反冲洗形式主要分为外力反冲洗型和自清洗型2种。外力反冲洗型是指通过在滤料层上施加一定的外源动力,使得滤料层呈现不稳定状态,通过滤料与滤料之间的相互摩擦、挤压来去除粘附在滤料表面的颗粒物质和老旧生物膜。其中,施加的外源动力可以使用机械源动力(如螺旋桨反冲洗型珠子过滤器)、空气源动力(如气泡反冲洗型珠子过滤器)和水源动力(如网格微珠生物滤器中的水反冲洗方式)等。外力反冲洗型生物滤器在反冲洗过程中一般都需要断开进、出水水流,通过人为操作过程来完成反冲洗,然后重新进入循环的初始阶段,由于排污不彻底等原因,往往会造成一段时间内出水氨氮浓度相对较高。这对于一个需要连续生产的高密度循环水养殖系统来说是不利的。另一方面,外力反冲洗型生物滤器在反冲洗时的剧烈程度也相当重要。太过剧烈会造成滤料表面的生物膜遭到破坏,太过柔和则无法做到彻底反冲洗。从这一角度来讲,螺旋桨反冲洗型珠子过滤器并不适合作为一台生物滤器来使用,其过于剧烈的反冲洗一定程度上会破坏生物膜的生长;而气室反冲洗型珠子过滤器虽然反冲洗相当柔和,但是它提供了一个间歇性的、连续不断的反冲洗,只要气室大小设计合理,同样能够达到良好的反冲洗效果。

3.3 研发自清洗型生物滤器

正是由于外力反冲洗型生物滤器的种种缺点与不足,自清洗型生物滤器技术近些年来越来越受到国内外研究者的重视。它主要是通过鼓风曝气(如移动床)或者是水力推流(如流化沙床)等方法,使得反应器内的滤料一直处于一种循环往复的运动状态。相对于浸没式生物滤器,自净化生物滤器内的滤料不断相互碰撞、摩擦,使滤料表面的生物膜一直保持在“新鲜”的状态下工作,达到最佳的工作效果。相比较外力反冲洗型生物滤器,自清洗型生物滤器工作状态更加稳定,而且可以减轻管理人员的工作强度(进入正常工作状态后,只需要定期排污即可),应当说是相当具有发展前景的。

篇4：加速推广工厂化循环水养殖的探讨

关键词： 加速；推广；工厂化；循环水养殖

工厂化循环水养殖是指采用现代工业技术和现代生物学技术，在半自动或全自动的系统中高密度养殖优质鱼、虾、贝等水产养殖动物，并对全过程实行半封闭或全封闭管理的一种无污染，科学化的养殖生产方式。是集土建工程、机械电子、仪器仪表、化学、生物工程、自动控制和社会经济学等现代科技于一体，对养殖生产全过程的水质、水流、水温、投饵、排污、疾病预防、水处理及循环使用等实行半自动或全自动监控，使其能在高密度养殖条件下，自始至终维持最佳生理生态条件且不产生内外环境污染，从而达到养殖对象的健康、快速生长和最大限度地提高单位水体产量和质量的一种新型水产养殖方式。下面就加速推广工厂化循环水养殖的一些具体问题探讨如下。

1 加速推广工厂化循环水养殖的必要性与紧迫性

传统水产养殖方式均是以污染水环境和以牺牲水资源为代价的，主要体现在：

传统水产养殖方式有一个巨大的隐患，就是造成很严重的环境污染。大量的残饵粪便不经处理直接排入自然环境中，造成养殖水域的快速富营养化。随着养殖水域富营养化日益加重，原生动物及有毒、有害藻类加速繁殖，造成病虫害增加，因大量使用药物控制病害又会造成附近水域的病原体产生不同程度的抗药性，导致日后发生相同疫情时，按以前的方法很难或根本无法控制疫情的情况时有发生，对水产养殖造成极大的威胁，甚至是毁灭性的打击，为水产养殖业的长远健康发展埋下了极大的安全隐患。同时水环境的污染又是水产品安全问题的根源之一。随着水环境的污染，养殖生态系统严重受损，由此导致养殖对象病害频繁发生，传统养殖方式下为改善这种状况，常采用增加用药的办法，但过量用药会产生食品安全问题，对人民身体健康造成危害。

在水产养殖快速发展的同时传统水产养殖与水资源的矛盾日益凸显。首先是质上的矛盾，就是水产养殖自身需要优质的水资源与传统水产养殖不断污染水环境的矛盾。传统养殖方式排放水一般不经处理，直接排入自然水域，造成对环境的面源污染。在水环境压力日益增大的情况下，养殖安全根本无法得到保障。同时又是量上的矛盾，传统水产养殖的成功大多是以加大水交换量为前提来实现的。以传统工厂化流水养殖为例，每天的水交换量平均在300%到500%左右，其中有相当部分的是不可再生的地下水，尤其是地下淡水资源大量、过度开采利用于水产养殖，这会对子孙后代的饮水安全问题造成巨大影响，这将是得不偿失的。

从长远来看，传统养殖方式自身已经严重制约了自身的可持续发展。鉴于以上传统养殖方式的弊端和今后对优质水产蛋白原不断增量的要求，传统养殖方式被新型养殖方式取代已是必然趋势并已迫在眉睫。

工厂化循环水养殖系统是一个省水、省地、高产量的生产工具，在资源需求、生产能力、生态保护等方面的优势是传统养殖方式所不能企及的，主要体现在：

养殖用水可以循环利用，换水量少，可利用较低质水源，土地占用少，易于控制生长环境，养殖密度高，单位面积产量大，水产养殖动物生长速度快。笔者曾于2011年至2012年，在河北省昌黎县一座1万m2的工厂化循环水养殖车间进行了半滑舌鳎养殖。由于养殖场地理位置的原因，海水扬水站设在了送水路的最末端，上游所有养殖场的养殖废水都排到这条送水路，水域污染严重，水质极不稳定。就是用这样的海水兑了一半地下淡水后，用于工厂化循环水养殖，每日换水量10%左右，鱼苗放养密度是传统养殖方式的2倍，自5 cm的鱼苗开始养殖9个月后，头鱼已经长到了900 g，取得了非常好的养殖效果，这种养殖效果用传统养殖方式是无论如何也无法达到的。

工厂化循环水养殖饵料利用率高，排放的废水废物少，能集中处理，对环境无污染或极少污染。

世界渔业发达国家已将工厂化循环水养殖迅速发展成为现代渔业中一项具有代表意义的高新技术，取得了良好的经济效益和社会效益。借鉴国外的成功经历，工厂化循环水养殖必将是今后渔业发展的方向，也必将是实现渔业现代化的重要途径。

随着国家相关法律政策的制定和完善，循环水工厂化养殖节水、环保的优势会越来越体现出来，此外，工厂化循环水养殖系统对防止养殖病害发生、提高产品质量和经济效益发挥重要的作用，采用循环水养殖生产的水产品优质健康，品质有保证，能够满足人们对绿色水产品的需求。可以预见，未来工厂化循环水养殖的品牌价值也将会充分体现出来，因此工厂化循环水养殖的发展前景应十分看好。在新时期，发展资源节约、环境友好的水产养殖业，推进养殖方式变革，加速推广工厂化循环水养殖已成必然并已迫在眉睫。

2 加速推广工厂化循环水养殖所面临的问题

2.1 资金问题

工厂化循环水养殖前期投入资金过大，是制约其快速发展的首要问题。

2.2 技术问题

与发达国家水平相比，在高效，节能，集成化程度高的设备研制和系统技术开发方面，还有较大差距，严重制约了工厂化循环水养殖的快速发展。

由于部分工厂化循环水养殖单位缺少与先进养殖系统相配套的水产养殖专业技术人员，导致养殖不成功，经济亏损，致使工厂化循环水养殖系统闲置的情况时有发生。所以说缺少与先进的工厂化循环水养殖系统相配套的水产养殖专业技术人员，也是制约加速推广工厂化循环水养殖的一个重要因素。

3 加速推广工厂化循环水养殖的发展措施

3.1 政策资金层面

根据国情，政府一方面要加大对工厂化循环水养殖的扶持力度，同时也可以借鉴渔业发达国家在立法上的经验，逐步对资源尤其是水资源征收资源使用费，对排放的养殖污水征收污水处理费。在合理布局的前提下，鼓励工厂化循环水养殖的推广，对发展工厂化循环水养殖给予政策倾斜，限制并逐步禁止养殖废水随意排放。各地政府应根据本地实际，分步开展现有传统水产养殖车间的改造，探索将是否配备使用循环水养殖设备，作为养殖生产单位申办养殖证、苗种生产许可证、无公害基地认证等的必需条件，逐步实现养殖废水达标排放，促进水产养殖从传统养殖向现代化的节水、节能、环保、高效的工厂化循环水养殖方式转变，提高工厂化养殖的经济效益和生态效益。

前期投资巨大一直是制约循环水养殖快速发展的一个瓶颈。现在采用循环水养殖的企业大多数为具有一定规模，实力较为雄厚的大型水产养殖企业，而对大部分中小养殖企业来说是可望而不可及的，这也使循环水养殖系统的大范围推广受到了制约。根据实际养殖情况，一方面，政府在对实力雄厚的大的水产养殖企业进行政策扶持的同时，条件成熟时，也应使中小水产养殖企业享受到国家政策的适当扶持。同时需要工厂化循环水养殖系统的设计单位，因地制宜，优化系统，降低造价以解决前期投资巨大的问题。

3.2 技术层面

依靠现代科技，通过关键技术攻关和集成创新，进一步改进与完善循环系统性能。使其更加智能化，更加易于管理，净水效果更好。研制出养殖效果更好，养殖效益更高的循环水养殖系统。

工厂化循环水养殖技术是一项涉及水产、机械电子、仪器仪表、化学、生物工程、自动控制等，多学科交叉、综合性很强的技術。在具备高性能的循环水养殖系统的同时，还必须要有能够熟练运用这套系统且精通水产养殖技术的专业技术人员。渔业主管部门可以定期组织学习、培训，培养出更多精通工厂化循环水养殖技术的专业技术人员。

渔业主管部门还可以主导建立有关工厂化循环水养殖的行业协会或专业学会，使从事工厂化循环水养殖设计、生产的企业、水产养殖技术人员有一个相互交流的平台，以加速推动工厂化循环水养殖的快速发展。

（收稿日期：2015-08-10）

篇5：美国工厂化循环水养殖系统研究

文献标识码：A

文章编号∶1009－（2006）01－0061－04

一、工厂化鱼类养殖的现状

工厂化养鱼，又称设施渔业，是集机械化、信息化、自动化为一体的现代化养殖业。其特点是利用厂房设

集约化养鱼的一种施及配套的机械仪器设备，高密度、

类型。

目前，大多数工厂化鱼类养殖以流水式为主，单位产量达不到13kg／m2，即浪费能源又对环境污染严重。

而循环水养殖是一种高产高效益的养殖方式，在工厂化鱼类养殖中采用封闭式循环水系统，不仅可以节约能源和保护环境，有利于可持续发展，而且使养鱼密度增加，单位产量提高到35kg／m2以上的水平。循环水养

“自然资源－产品－再生资源”，要求符合殖属循环经济，

“3R准则”，即减量化（reduce）、再使用（reuse）、再循环

“零排放”，无废（recycle）。水是无端封闭循环使用的，属

化生产。循环水高密度的集约化养殖将成为未来渔业可持续发展的必然趋势和主流。

二、循环水高密度养鱼与流水养鱼的效益评估（一）模型建立

以大菱鲆鱼的养殖为例，1年为期，对1000m2水面内循环水养鱼与流水养鱼经济效益进行比较分析，提

盈利的可能性；2、实出如下几条效益评估参考标准：1、

期望成本最低；4、期望利润最现最低成本的可能性；3、

大。

建立模型有以下基本假设条件：

1、市场调查表明，养殖鱼类的需求一般波动不大，在平均值附近波动。因而假设鲆鱼的需求规律服从正态分布，年平均需求量!＝25000kg，标准差为“＝4000kg

收稿日期：2005－10－20

1%4000!2、设：Q＝产量；TR＝总收益；TC＝总成本；F＝固定成本；C＝可变成本；p＝单位售价；&（Q）＝需求概率密

#（Q）＝

度。

对收益、成本做线性假设：总收益：TR＝P＊Q总成本：TC＝F＋C＊Q

总利润：$＝TR－TC＝（P－C）＊Q－F3、两种方案的数据（1）循环水养殖固定成本：电耗、工厂基本建设投资、设备投资、水处理车间投资；每日用水功率：80KW，实际电耗：1350KW；每年电费：1350×360×0．75＝364500元（电费按0．75元／度）；工厂基本建设投资：10万元；设备投资：40万元；水处理车间基建投资：30万元；固定资产按照10年折旧：（10＋40＋30）×10％＝8．0万元；固定总成本：F1＝364500＋80000＝444500元；可变成本：大菱鲆鱼生产成本C1＝60元／kg；年生产能力：假设循环水养鱼年平均单位产量可达30kg／m2，鲆鱼成活率95％，年最大生产能力M1＝30×1000＝30000kg。

（2）流水养殖

固定成本：电耗、养鱼场基本建设投资；每日用水功率：33KW，实际电耗：33×24＝790KW；每年电费：790×360×0．75＝213300元；养鱼场基本建设投资：10万元；固定资产按照10年折旧：10×10％＝1万元；固定成本：F2＝213300＋10000＝223300元；可变成本：C2＝70元／kg；年

2

－1（Q－25000）作者简介：单连超，男，祖籍山东潍坊，中国海洋大学经济学院硕士研究生，E－mail：nipinfo＠hotmail．com

魏颍，女，祖籍山东济宁，中国海洋大学经济学院硕士研究生

61

技术经济

中国渔业经济

TechnologyEconomics

ChineseFisheriesEconomics

Q2＞

2006年第1期No．1，2006

生产能力：假设流水养鱼年平均产量可达13kg／m2，年最大生产能力；M2＝13×1000＝13000kg；其中，单位售价p＝150元／kg。

（二）模型分析

依据假设做线性盈亏分析：

循环水养殖TR1＝TC1!Q1＝

＊

F1

，盈亏平衡点：1

&＋F2

!Q2＞1000000＋223300!Q2＞15291

2

由于M2≤13000，因而P（&2＞1000000）＝0④盈利200万以上可能性计算：循环水养殖：盈利200万以上，

&＋F1

Q1＞!Q1＞2000000＋444500!Q1＞27161，

1

因而P（&1＞2000000）＝P（Q1＞27161）＝29．5％

流水养殖：盈利200万以上，

Q1＝444500＝4939kg

＊

流水养殖

盈亏平衡点：Q2＝223300＝2791kg

＊

循环水养殖有较高盈亏平衡点，固定成本高，可变成本低，单位产量付出得代价小，因而产量一旦超过盈亏点，利润会增加很快。相反，流水养殖盈亏平衡点相对较低，固定成本小，可变成本高。

盈亏分析不能充分评估效益，依据做出的需求假设，并根据提出的效益评估标准，做进一步分析：

1．盈利可能性

①盈利可能性计算：

盈利的条件是需求量大于盈亏平衡点产量，故盈利可能性是需求大于平衡点产量的概率。

循环水养殖：

&＋F2

!Q2＞2000000＋223300!Q2＞27791

2

由于M2≤13000，因而P（&2＞2000000）＝02．期望利润计算：Q2＞

循环水养殖：

&1＝｛

（P－C1）＊Q－F1（P－C1）＊M1－F1

M1－8

1

当需求量Q≤M1时当需求量Q＞M1时

8M1

1

1

E（&1）＝

’（P－C）＊Q＊”（Q）dQ＋“（P－C）＊M＊”

当需求量Q≤M2时当需求量Q＞M2时

8M2

2

（Q）dQ－F1＝1787288

流水养殖：

&2＝｛

P（Q＞Q1）＝P（Q＞4939）＝

流水养殖：

＊

＊

“”

8

8

（P－C2）＊Q－F2（P－C2）＊M1－F2

M28

2

4939

“（Q）dQ≈1

E（&2）＝

”（P－C）＊Q＊“（Q）dQ＋”（P－C2）＊M＊“

当需求量Q≤M1时当需求量Q＞M1时

8M1

1

1

P（Q＞Q2）＝P（Q＞2791）＝

2791

”（Q）dQ≈1

（Q）dQ－F2＝816577

3．期望成本计算：

循环水养殖：

（P－C1）＊Q－F1

FC1＝｛（P－C）＊M－F

1

1M1

1

1其中，“（Q）＝е

4000%②盈利60万以上可能性计算：

由&＝TR－TC＝（P－C）＊Q－F得：Q＝&＋F

循环水养殖：盈利60万以上，

&＋F1

!Q1＞600000＋444500!Q1＞11606l因Q1＞

12

－1（Q－25000）

E（TC1）＝F1＋dQ＝1932359

”C＊Q＊“（Q）dQ＋”C＊M＊“（Q）

－8

1

而，P（&1＞600000）＝P（Q＞11606）≈1

流水养殖：盈利60万以上，

流水养殖：

（P－C2）＊Q－F2

FC2＝｛（P－C）＊M－F

212

当需求量Q≤M2时

当需求量Q＞M2时

&＋F2

!Q2＞600000＋223300!Q2＞10291

2

P（&2＞600000）＝P（Q＞10291）≈1③盈利100万以上可能性计算：循环水养殖：盈利100万以上，

&＋F1

Q1＞!Q1＞1000000＋444500!Q1＞16050因

1Q2＞

而P（&1＞1000000）＝P（Q1＞16050）＝98．73％流水养殖：盈利100万以上，

4．最低成本可能性计算：

如下图，TC1与TC2相交于A点，在A点处

F－F

TC1＝TC2!QA＝12＝22120kg

21

Q＜QA时，流水养殖成本较小，Q＞QA时，循环水养殖

成本较小

实现最低成本的可能性为循环水养殖：

P（Q＞QA）＝P（Q＞22120）＝

”

8

22120

"（Q）dQ＝76．42％

62

2006年第1期No．1，2006

中国渔业经济

技术经济

ChineseFisheriesEconomics

TechnologyEconomics

流水养殖：由于M2＝13000kg＜QA，因而Q＜M2时，流水养殖本成较小，P（Q＜M2）＝

FC

FC2FC1

!

8

13000

!（Q）dQ＝99．87％

0

图1成本曲线图

Q

5．设备利用率计算：

生产量设备利用率L＝Q

设备量大生产能力

①设备充分利用可能性：循环水养殖：

设备的最大生产能力为每年30000kg，故设备充分利用的可能性就是需求量不少于30000kg的可能性P（Q≥30000）P（Q－25000≥30000－25000）＝10．56％

流水养殖：

设备的最大生产能力为每年13000kg，故设备充分利用的可能性为

P（Q≥13000）P（Q－25000≥13000－25000）＝99．87％

②设备利用率在80％以上的可能性

循环水养殖，其可能性为：

P（Q≥0．8×30000）＝P（Q≥24000）＝59．87％

流水养殖其可能性为：

P（Q≥0．8×13000）＝P（Q≥10400）＝99．99％

三、评估结果分析

篇6：美国工厂化循环水养殖系统研究

随着现代科技的飞速发展和水产业的优化升级,工厂化养殖作为一种水产品养殖环境和营养供给自动控制的标准化养殖模式,以其节能、节水和高产等优势越来越受到人们的关注。我国现有的工厂化水产养殖技术和自动控制水平较低,主要以温室流水养殖、半封闭循环水养殖为主,是以消耗能源,牺牲环境来换取效益,与先进国家技术密集型的循环水养殖系统相比还存在较大差距,是工厂化养殖的初级阶段[1]。引进国外的先进养殖设施和技术,投资和运营成本都高,且技术保密,难以充分发挥其实际效益[2,3]。因此,研究适合我国发展的工厂化水产养殖控制系统是实现水产养殖健康、高效和可持续发展的一项重要课题,而其中循环水处理系统是工厂化养殖的核心,水质环境的监测和控制是工厂化养殖的关键,可缩短水产养殖周期,提供鲜活实验研究数据[4]。鉴于此,本文设计了以S7—200 PLC为控制核心的工厂化养殖循环水处理控制系统。

1 系统的控制工艺和控制要求

工厂化养殖循环水处理控制系统是将养殖池中需要更换的劣质水通过循环水处理后,成为符合养殖水质要求的“新水”,从而实现高密度养殖和全年、反季节生产。本次设计以大菱鲆养殖为例,养殖池截面积为正圆形,底部成锥形且斜率为5%,有效面积为50 m2,平均水深0.8 m,容积为40 m3。该系统的控制工艺流程图如图1所示[5]。

在整个循环水处理系统中,养殖池中被置换出的废水首先进入一级净化池,将残饵、粪便等固体和高浓度的杂物分离出去,减轻生物处理负荷。然后进入水培蔬菜渠,利用植物或花卉的根系,形成独特的微生物生态系统,经济实惠的去除养殖水中部分氨氮、亚硝酸等有害物质。蓄水池可以同时将水培渠流出的水以及由外部海水流入人工湿地的补水储备其中。接着经过地下水管,由循环水泵14和阀F16将水抽到生物反应器中净化,从阀F10流出,生物反应器具有自动反冲洗功能。随后进入泡沫分离器,利用在气泡表面能够吸附混杂在水中各种颗粒状的污垢以及溶于水中的蛋白质,进行分离或浓缩过程。再经阀F13进入紫外线消毒渠,同时工作的臭氧发生器向泡沫分离器中送入臭氧气体进行消毒。最后循环水进入调配池,由温控调节设备调节水温,并在调配池中对水质进行检测,包括溶氧量、氨氮、硫化氢、pH值、余氯和水温等环境因子,并控制其中的增氧机及各种加投药计量泵保证水质达到养殖标准后经阀F15送回到养殖池。调配池中各种传感器分为两组,分别安装在调配池和养殖池的出水口,实时监控,确保进入鱼池的水质达标。

根据大菱鲆的生活习性,对该循环水养殖系统提出了控制要求[6]:水温控制在(13～18)℃,溶氧量为(5～8)mg/L以上,pH值为7.5～8.5,水中的非离子氨NH3的含量小于等于0.02 mg/L,亚硝酸含量小于等于0.2 mg/L,余氯含量小于等于0.02 mg/L。循环周期的选择需要通过养殖生产试验确定,不能太高或太低,太高循环泵耗电较大,太低不能保证鱼池水质安全[7],因此,本设计水池循环周期为2.4 h/次。

1—生化反应器,2—泡沫分离器,3—臭氧发生器,4—紫外线消毒水渠,5—温控系统,6—调配池,7—大菱鲆养殖池, 8—一级净化池,9—水培蔬菜渠,10—蓄水池,11—人工湿地,12—鼓风机,13—增氧机,14、15—循环水泵

2 控制系统硬件设计

2.1 系统的基本硬件配置

通过对工厂化养殖循环水处理控制系统的工艺分析可知,需要控制的参数分为两类:(1)循环水处理设备,包括循环水泵、各电磁阀的开关和联锁、温度和水位调节阀的开度、生物反应器的反冲洗过程、鼓风机、增氧机的启停等;(2)水质环境参数,包括水温、pH值、溶氧量、余氯值、硫化氢、氨氮、亚硝酸盐等。由此分析可知,该系统由多个开关量、模拟量、多种自动检测仪、伺服控制器等组成,控制要求自动化程度高、无人值守,而且水产养殖工作环境潮湿,对这样的控制系统,采用PLC控制可充分发挥其优势,能获得较好的控制效果。因此,最终选择采用西门子S7—200PLC。

由于养殖循环水处理控制系统设计的输入/输出端口较多,控制过程相对复杂,因此采用CPU226作为该控制系统的主机。对于模拟量的采集和控制,系统配置了一个模拟量输入/输出模块EM235和3个模拟输入模块EM231、2个数字量输入/输出模块EM223,可满足控制系统的控制要求。另外还配备了温度传感器——变送器2只;浊度仪、pH仪、余氯仪、溶氧仪、硫化氢仪、氨氮仪、亚硝酸盐仪各2台;高温电动伺服阀1台;电磁阀十几只;精确测量泵4台;循环水泵2台;西门子触摸屏1台;控制柜(定制)1台;压力表若干等。

2.2 PLC控制系统的I/O地址分配

本系统共设计了10个数字量输入、25个数字量输出,15个模拟量输入、1个模拟量输出。系统的输入/输出信号分配简图如图2所示。

3 控制系统软件设计

控制系统总体分为五个部分:水循环及过滤部分、水质监测及设备控制部分、恒温温控部分、生物反应器自循环部分和应急处理模块部分。系统整体程序流程图如图3所示。将工厂化养殖水处理系统模块化,易于程序的编写及调试。鉴于篇幅的限制,本文仅给出主程序和部分子程序流程图,并附以简要说明。

(1)生物反应器自循环部分。利用所填充的生物滤料表面附着的各种细菌将水中的氨氮、亚硝酸盐等有害物质消除,以达到净化水质的目的,它是循环水养殖的关键[8]。图4是生物反应器自循环处理部分流程图。由于生物反应器在使用前必须自冲洗(30～40)d,接种和培养生物,使滤料上形成明胶状生物膜。因此,生物反应器自循环持续30 d后模块程序结束,关闭所有阀门及水泵,回到启动状态。

(2)应急处理模块部分是养殖池水质超过危险指标时的急救系统。主要包括对含氧量、pH值、硫化氢等水质指标设定高低安全范围及应急措施。

(3)水循环及过滤部分是整个循环水养殖的关键。根据控制工艺,利用PLC使养殖池污水经各级水处理设备过滤和净化重新达到养殖标准后送回养殖池。水循环运行基本无人值守,循环水泵的自动过程由两台泵互为备用,而手动过程,除操作两台泵的启/停以外,还操作生物反应器的反冲洗过程。

(4)水质监测及设备控制部分是将调配池传感器检测的有关养殖水质参数,如溶氧量、pH值、氨氮含量、亚硝酸盐等通过模拟量模块经A/D转换后传给PLC,控制相关的计量泵、增氧机和鼓风机,对养殖环境进行准确的调节和实时监控,保证养殖环境稳定可靠。这里主要介绍溶解氧调节子程序,如图5所示,其它各参数的控制方法接近。

根据控制要求,溶解氧控制在(5～8)mg/L。通过溶解氧传感器将采集到的数据由AIW2存入PLC的VW1420地址中,并求出采样平均值,当此值大于或等于5 mg/L时开增氧机,当此值小于或等于8 mg/L加投水必净,直到采样值达到中间值6.5 mg/L时,关闭调节设备。由于溶氧量传感器量程为(0～20)mg/L,而PLC程序刻度值为0～32 000(EM235的分辨率为12位),因此编程时需要分两步对输入模拟量进行转换:

(1)采样值转换为(4～20)mA的标准电流值,即

${\rm I}=(20-4)x/20+4(1)$

式(1)中,I为溶氧量的电流值(mA),x为溶氧值(mg/L)。

(2)电流值转换为PLC的刻度值,即

$y=32000/20{\rm I}(2)$

式(2)中,y为PLC的刻度值。

经公式(1)、式(2)计算可知,含氧量的上限为16 640,下限为12 800,中间值为16 560。

(5)恒温温控部分是控制温控循环设备,将加热前后的水温由温度仪读入PLC进行PID控制,从而控制热交换器实现养殖池水温恒定。

4 结论

本文设计了以PLC为核心的工厂化养殖循环水处理控制系统,根据循环水养殖控制工艺,对系统进行了硬件和软件设计,实现了各级水处理设备、泵和阀等的自动控制和水质环境的自动调节。该系统经实验室模拟调试运行证明,系统自动化程度高,控制稳定可靠,便于维护,节水节能,能够准确测量和控制水质环境因子,将养殖环境控制在最佳状态,适合大规模和高密度水产养殖,具有良好的推广价值和应用前景。

摘要：通过研究和分析工厂化养殖循环水处理系统的控制工艺,设计了以西门子S7—200 PLC为核心的循环水养殖控制系统。自动检测和控制养殖池中的溶解氧、pH值、氨氮、硫酸氢和水温等环境因子,使养殖环境处于最佳状态,促进鱼类快速生长。整个系统分为生物反应器自循环、应急处理、水循环及过滤、水质监测及设备控制和恒温温控五大模块。对系统进行了硬件和软件设计,给出了软件流程图。经调试系统自动化程度高,便于维护,运行稳定、可靠,是提高国内工厂化水产养殖水平的有效手段。

关键词：工厂化养殖,循环水处理,PLC,环境因子,自动调节

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