CN104488686A - 一种鱼菜共生系统及其使用控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鱼菜共生系统，包括循环水养殖系统、生物过滤器、水耕培栽系统、水泵、气泵、传输管道、电动控制箱，循环水养殖系统包括鱼池装置及涡流分离器；生物过滤器包括无氧矿化池、有氧矿化池及移动生物膜反应器；水耕培栽系统包括第二低位池、干湿介质床、第一低位池及若干深水浮筏栽培床，鱼池装置、生物过滤器、第二低位池、干湿介质床、第一低位池、深水浮筏栽培床依次连通，第一低位池的水源抽出进入到鱼池装置中，形成循环系统。本发明还公开了上述系统的使用及控制方法，使得这两种养殖方式在同一系统中互相协调运作，达到生态平衡，产生良好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及种水产养殖以及蔬菜种植系统领域技术，具体为一种鱼菜共生系统及其使用控制方法。
背景技术
鱼菜共生系统是两种有效水培技术的结合：由循环水养殖系统（简称RAS，使用循环水系统进行鱼类养殖）和水耕栽培系统（无泥土的作物栽培）组合而成。鱼菜共生系统的原则非常简单，主要是化鱼类产生的排泄物为植物养料，植物从水中吸取营养物质，从而达到净化的水源目的。水产养殖产生的废水通过水培床进行转化而并非排放到环境中，同时也为植物生长提供了一种可持续、划算的且无化学成分的营养源。这种鱼菜共生的模式分别排除了一些水产养殖和水耕栽培中的不可持续发展的因素，从而使这两种养殖方式在特定情况下具备成效和经济上的可行性。
目前现有的鱼菜共生系统部分是开环模式，即养鱼池与水培池通过水管相连，由养鱼池排放的水作为一次性灌溉用水直接供应水培池而不形成返还回流，这种模式不能使资源得到最大利用；部分闭环的鱼菜共生系统不能很好的控制系统的生态平衡，还处于试验阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种鱼菜共生系统及其使用控制方法，使两种养殖方式达到生态平衡，实现互相协调运作。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：
一种鱼菜共生系统，包括循环水养殖系统、生物过滤器、水耕培栽系统、水泵、气泵、传输管道、电动控制箱。
所述的循环水养殖系统包括若干通过管道相互连接的鱼池装置及与鱼池装置连接的涡流分离器；所述的生物过滤器包括无氧矿化池、有氧矿化池及若干移动生物膜反应器；所述的水耕培栽系统包括第二低位池、若干充满粘状物的干湿介质床、第一低位池及若干深水浮筏栽培床，所述的水泵设于第一低位池内，所述的气泵通过气体传输管道将空气传输至鱼池装置、生物过滤器及深水浮筏栽培床内；所述的循环水养殖系统及水耕培栽系统各管道处连接有阀门，所述的电动控制箱内设有阀门开关、水泵开关及水泵深度感应器。
所述的鱼池装置、生物过滤器、第二低位池、干湿介质床、第一低位池、深水浮筏栽培床依次连通，第一低位池的水源抽出进入到鱼池装置中，形成循环系统。
其中，所述的深水浮筏栽培床包括深水池、漂在深水池水面上的若干浮筏，所述的浮筏上设有孔洞，孔洞内安装有承载植物的塑料盆，所述的塑料盆内装有陶粒。
其中，所述的移动生物膜反应器及有氧矿化池内设有聚乙烯材质的生物球。生物过滤是一种通过微生物转化有毒氨和其它鱼类排泄物为无害可分解营养物质的过程，生物球有着非常巨大且坚韧的表面积，易于一些自养和异养微生物群落的生长，它们在污水处理中进行着复杂的有氧反应， 在使用中气泵通过充气管道往移动生物膜反应器内通气，从而增加整个系统中溶解氧的含量，促使废水中二氧化碳减少，同时生物球的物理作用也帮助粉碎和移除水中的微粒，从而进一步增加出水效率。
其中，所述的鱼池装置包括鱼池、设于鱼池上的进水喷杆、排水管、通气管及位于鱼池底部的漏斗形收集器。优选地，所述的鱼池的水深≥90cm。
本发明还公开了该鱼菜共生系统的使用控制方法，包括以下步骤：S1.建立系统装置，提供氨源：打开系统的气泵和水泵，将水质酸碱度值调整为6.5～7.2，水温控制在23℃～27℃，使生物过滤器中形成微生物群落，连续往水中添加少量氨，测量水质中氨、亚硝酸盐和硝酸盐的含量，当氨和亚硝酸盐的含量减至基本为零，同时硝酸盐水平增加时，进行下一步骤；优选地，使用磷酸、硝酸或硫酸调整水质酸性，使用氢氧化钾、氢氧化纳或氢氧化钙调整水质碱性。
S2.养殖鱼类：连续性定期往鱼池内投放鱼苗，每日总投饵量为鱼体重的百分之一至二倍，水源通过进水喷杆分流至鱼池，控制水流速度使得一小时内完全更换鱼池中的水1～2次，且水流在鱼池中形成旋转式，固体废物从鱼池底部排出进入涡流分离器中，粗颗料经涡流分离器排出系统，微颗料通过生物过滤器。
S3.种植植物：在深水浮筏栽培床上种植绿叶植物，绿叶植物的种植量根据鱼类的总投饵量确定，每平方米绿叶植物须鱼类的饵料量为20～50g /日。
S4.监测水质，控制水质参数：将水质的酸碱度值控制在6.5～7.2,溶解氧大于5mg/L,氨含量0～0.25mg/L,亚硝酸盐含量0～0.25mg/L,硝酸盐含量50～150mg/L,碳酸盐50mg/L～150mg/L,温度23℃～27℃。
当系统稳定时，还可种植果实植物，果实植物种植在干湿介质床上，果实植物的种植量根据鱼类的总投饵量确定，每平方米果实植物须鱼类的饵料量50～80g /日。优选地，果实植物的种植密度为每平方米4～12株。
采用该系统的主要有益效果为：1.该系统中鱼类和植物同时在一个环境下生长，节省空间，实现了无化学物质农耕，将水产养殖产生的废物分解过滤为可供植物生长的养料，水源生产利用率为传统农业的十倍，实现了资源的最大利用。
2.该系统无需农业用地，可以在屋顶、混凝土或被污染的土地上使用。
3.通过本发明的中的水质参数的监测和控制，使系统达到内部平衡，确保两个系统良好的运作。
附图说明
图1为本发明系统的平面示意图；
图2为本发明系统的立体结构示意图；
图3为本发明系统鱼池装置的结构示意图；
图4为本发明系统深水浮筏栽培床的结构示意图；
图5为本发明系统的氮循环原理图；
图6为氨、亚硝酸盐和硝酸盐含量随时间的变化示意图。
主要组件符号说明：
1:循环水养殖系统,11：鱼池装置，111：鱼池，112：进水喷杆，113：排水管，114：通气管，12：涡流分离器，2：生物过滤器，21：无氧矿化池，22：有氧矿化池，23：移动生物膜反应器，231：生物球，3：水耕培栽系统，31：第二低位池，32：干湿介质床，33：第一低位池，34：深水浮筏栽培床，341：深水池，342：浮筏，343：塑料盒，344：陶粒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开了一种鱼菜共生系统，包括循环水养殖系统1、生物过滤器2、水耕培栽系统3、水泵、气泵、传输管道、电动控制箱（图中未示出）。
循环水养殖系统1是一种高密度养殖鱼类的系统，在该系统下，水源不断地被排出、处理并返回鱼类饲养池，以此保证饲养池的持续优质水质。该系统包括若干通过管道相互连接的鱼池装置11及与鱼池装置11连接的涡流分离器12。如图3所示，本实施例的循环水养殖系统1包含有6个鱼池装置11，每个鱼池装置11包括圆形鱼池111、设于鱼池111上的进水喷杆112、排水管113、通气管114及位于鱼池111底部的漏斗形收集器(图中未示出)，鱼池111内水深维持在90cm以上，所有鱼池111紧密相连以便互相分享共同的排水和入水管道，进入该系统的水源从低位池中抽取，并通过进水喷杆112分流至各鱼池111。
生物过滤器2包括无氧矿化池21、有氧矿化池22及若干移动生物膜反应器23；本实施例设有两组移动生物膜反应器23，生物膜反映器23及有氧矿化池21内设有聚乙烯材质的生物球231。本系统通过两个移动生物膜反应器23进行生物过滤。从涡流分离器12分离出的粗颗粒通过无氧矿化池21及有氧矿化池22的两级过滤排出系统，而微颗粒则进入两组移动生物膜反应器23进行生物过滤，进入水耕培栽系统3。
如图4所示，水耕培栽系统3包括第二低位池31、四组充满粘状物的干湿介质床32、第一低位池33及四组深水浮筏栽培床34。深水浮筏栽培床34包括混泥土深水池341、漂在深水池水面上的若干浮筏342，浮筏342上设有孔洞，孔洞内安装有承载植物的塑料盆343，塑料盆343内装有陶粒344。陶粒344的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，但也有一些仿碎石陶粒不是圆形或椭圆形球体，而呈不规则碎石状。陶粒344形状因工艺不同而各异。它的表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水保气作用。
水耕培栽系统3通过各种水耕栽培技术的组合以达到多元化植物生产的目的，水从移动生物膜反应器23传送到干湿介质床32中，在此通过二次沉淀进入到深水浮筏栽培床34的深水池341中，供植物使用。干湿介质床32内充满粘状生长介质，也可在干湿介质床内放陶粒344，干湿介质床32内的水通过自动虹吸管排出至第一或第二低位池33，31中。
水泵设于第一低位池33内，气泵通过气体传输管道将空气传输至鱼池装置11及深水浮筏栽培床34内；循环水养殖系统1及水耕培栽系统3各管道处连接有阀门，电动控制箱位于第一低位池33中，其内设有阀门开关、水泵开关及水泵深度感应器。电动控制箱的水泵深度感应器感应到系统水位太低，则自动往系统中添加新水源。
鱼池装置11、生物过滤器2、第二低位池31、干湿介质床32、第一低位池33、深水浮筏栽培床34依次连通，第一低位池33的水源抽出回到鱼池111中，形成循环系统。鱼类养殖产生的废水通过生物过滤器2、干湿介质床32进行转化而非排放到环境中，同时也为植物生长提供了可持续的无化学成分的营养源泉，从而使得这两种养殖方式在同一系统中互相协调运作，当达到生态平衡时，即可产生最大经济效益，实现水源的有效利用，实现了零污染排放。
本发明还公开了上述系统的使用控制方法，其原理如下：如图5所示，鱼菜共生系统中的氮循环始于饵料，这是系统的主要输入。鱼类进食后将代谢物排入水中。大部分（约70%）的鱼类排泄物是以液体氮的形式存在的。剩余的固体排泄物，包含复合微小颗粒和食物内难分解的物质。
液态氮被亚硝化单胞菌分解成亚硝酸盐（NO2），亚硝酸盐然后被第二种菌群——硝化菌，分解成硝酸盐（NO3）。硝酸盐是植物生长所需的主要营养物质，因此水中的硝酸盐被植物所消耗。本系统的控制目标就在于确保这个系统能保持生态平衡。
从图5可以看出，在水产养殖系统中放入鱼前，首先要在生物过滤器2中建立微生物群落，微生物是自然出现的，提供氨源可促使其生长，一旦系统中有氨，硝化细菌便会在系统中聚集并繁殖，开始将氨转化成亚硝酸盐和硝酸盐。
该系统的使用控制步骤如下：S1.建立系统装置，提供氨源：打开系统的气泵和水泵，将水质酸碱度值调整为6.5～7.2，水温控制在23℃～27℃，使生物过滤器中形成微生物群落，连续往水中添加少量氨，测量水质中氨、亚硝酸盐和硝酸盐的含量，如图6所示，40天时，氨和亚硝酸盐的含量减至基本为零，硝酸盐含量增加，系统完成循环。在此过程中应注意以下几个方面：
1.必须使用无其他化学成分的纯氨。30克纯化学氨约等于消耗1kg饲料所产生的氨，每日添加的氨量应与预计每日鱼类产生的氨量持平，高含量氨会对微生物繁殖有负面影响。
2.硝化细菌需要氧气，因此应确保充气系统正常工作，同时也可以通过商业化的混合有益菌来加速系统的循环过程。
3.使用磷酸、硝酸或硫酸调整水质酸性，使用氢氧化钾、氢氧化纳或氢氧化钙调整水质碱性。
S2. 养殖鱼类：连续性定期往鱼池111内投放鱼苗，而不是批量大数目的投放，这是基于系统的承载能力，需要确保鱼的总重量和饲料量相对稳定，鱼苗将定期被放养至系统中，大小合适的鱼将定期捕获。每日总投饵量为鱼体重的百分之一至二倍。根据鱼的种类和饲料的质量，饲料转化率（饲料重量除以鱼体重增加量）控制在1.5～2之间。1.5～2KG的鱼饲料可以使鱼类体重增加约1KG。
水源通过进水喷杆112分流至鱼池111，控制水流速度使得一小时内完全更换鱼池111中的水1～2次，且水流在鱼池111中形成旋转式，旋转式的水流使鱼池111中的固体废物沉淀在鱼池111中央的底部，从而实现鱼池111的自我清洁功能。固体废物从鱼池底部漏斗形收集器排出进入涡流分离器12中，粗颗料经涡流分离器12排出系统，微颗料通过生物过滤器2进入第二低位池31。
S3.种植植物：在深水浮筏栽培床34的塑料盆343上种植绿叶植物，绿叶植物的种植量根据鱼类的总投饵量确定，每平方米绿叶植物须鱼类的饵料量为20～50g /日；鱼类排泄物主要为氨，氨在鱼菜共生系统中可被氧化为硝酸盐，而硝酸盐正是叶状植物的主要营养物质，所以该系统便十分适合生菜、小白菜和香草等带叶作物的生产。
水是鱼菜共生系统的生命和及血液，也是植物获取营养和鱼类获取氧气的媒介，因此需要保持良好的水质，需要定期进行水质监测，进行步骤S4。
S4.监测水质，控制水质参数，如下表所示。
| 水质参数 | 控制值 |
| 溶解氧 | ＞5mg/L |
| 酸碱度 | 6.5-7.2 |
| 温度 | 23℃～27℃ |
| 氨 | 0～0.25mg/L |
| 亚硝酸盐 | 0～0.25mg/L |
| 硝酸盐 | 50～150mg/L |
| 碳酸盐 | 50～150mg/L |
常规的水质监测目的在于确保水质良好或者说保持在可接受的程度内，并且及时监测到某些可能的潜在问题。当建立或运行一个系统时，应该每日监测所有的水质参数，监测器材可从市场上直接购得。直到系统达成内部平衡时，才可以从每日监测转变为每周监测（酸碱度、溶解氧和温度依旧保持日监测）。一旦系统发生重大变化，例如养殖新鱼、植物收成或植物生长缓慢等，系统需恢复日测。
1.鱼菜共生系统通常将酸碱度值设置为6.5至7.2不等，生物过滤器2和植物被证实都能在这样一个酸碱度区间良好生长。硝化作用和呼吸作用能够增加水体中的酸性，由此可推得，长期下来，鱼菜共生系统中的酸性会不断增加。
2.系统中的鱼类、微生物和植物不断的消耗氧气，因此保持水中足够的溶解氧含量是至关重要的。氧气通过空气和水的交界面进入水中，因此增加交界面的面积或者增加接触时间都可以增加氧气进入水中的机率。
3.鱼类通过腮排出液态氨。氨对于鱼类和植物来说都是很毒的，理想状态是鱼菜共生系统中不应存在大量氨。然而，短期内氨值达到每升0.25毫克并不会对鱼造成严重危害。
4.亚硝酸盐（NO2+）是微生物氨氧化的第一产物。亚硝酸盐和氨一样对于鱼类都是有害的，因此在鱼菜共生系统中不应存在大量的亚硝酸盐。
5.硝酸盐（NO3+）是鱼菜共生系统中微生物氨氧化的最终产物，它由亚硝酸盐演变而成。硝酸盐的对鱼类的毒性远比氨和亚硝酸盐低，实验证明鱼类长期暴露在高达每升150毫克的的硝酸盐中并不会对其健康造成危害。同时，硝酸盐还是植物的主要营养来源。因此，鱼菜共生系统中存在适量的硝酸盐是必要的。通常情况下其含量应为每升50至150毫克，超出这个范围的鱼菜共生系统被认为是不平衡的：低于每升50毫克硝酸盐含量的鱼菜共生系统被认为可能种植太多植物或者没有投喂足够的饵料；而高于每升150毫克硝酸盐含量的系统被认为没有种植足够植物或者投喂过多饵料。
6.碳酸盐硬度（KH）是一种衡量液体中阴离子的单位（绝大部分是碳酸根离子），通常的表现形式为毫克／升碳酸钙。碳酸盐硬度在鱼菜共生系统中至关重要，因为它的数值能反应水中的酸碱性变化，比如氢离子可以在水中与碳酸钙离子结合从而降低水中酸性。鱼菜共生系统中的碳酸钙含量应为每升50至150毫克不等。
S5.当系统稳定时，还可种植果实植物，比如甜椒、西红柿、草莓等，果实植物种植在干湿介质床32上，果实植物的种植量根据鱼类的总投饵量确定，每平方米果实植物须鱼类的饵料量50~80g /日。果实植物的最佳种植密度为每平方米4~12株。
在鱼菜共生下是无法对作物使用传统的（化学）杀虫剂和肥料的。有害的化学物质会杀死或者打扰微生物群落，使其无法发挥其作用保障鱼菜共生系统的平衡。如果系统内需要使用杀虫剂或含有微量营养素肥料，那么只能使用无毒素的或者有机溶剂。
通过本发明的使用控制方法建立运行鱼菜共生系统，确保系统的生态平衡，使系统独立良好的运作，该系统无需农业用地，可以在屋顶、混凝土或被污染的土地上使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种鱼菜共生系统，包括循环水养殖系统、生物过滤器、水耕培栽系统、水泵、气泵、传输管道、电动控制箱，其特征在于：
所述的循环水养殖系统包括若干通过管道相互连接的鱼池装置及与鱼池装置连接的涡流分离器；所述的生物过滤器包括无氧矿化池、有氧矿化池及若干移动生物膜反应器；所述的水耕培栽系统包括第二低位池、若干充满粘状物的干湿介质床、第一低位池及若干深水浮筏栽培床；所述的水泵设于第一低位池内，所述的气泵通过气体传输管道将空气传输至鱼池装置、生物过滤器及深水浮筏栽培床内；所述的循环水养殖系统及水耕培栽系统各管道处连接有阀门，所述的电动控制箱内设有阀门开关、水泵开关及水泵深度感应器；
所述的鱼池装置、生物过滤器、第二低位池、干湿介质床、第一低位池、深水浮筏栽培床依次连通，第一低位池的水源抽出进入到鱼池装置中，形成循环系统。
2.如权利要求1所述的鱼菜共生系统，其特征在于：所述的深水浮筏栽培床包括深水池、漂在深水池水面上的若干浮筏，所述的浮筏上设有孔洞，孔洞内安装有承载植物的塑料盆，所述的塑料盆内装有陶粒。
3.如权利要求1或2所述的鱼菜共生系统，其特征在于：所述的移动生物膜反应器及有氧矿化池内设有聚乙烯材质的生物球。
4.如权利要求3所述的鱼菜共生系统，其特征在于：所述的鱼池装置包括鱼池、设于鱼池上的进水喷杆、排水管、通气管及位于鱼池底部的漏斗形收集器。
5.如权利要求4所述的鱼菜共生系统，其特征在于：所述的鱼池的水深≥90cm。
6.如权利要求1～5中任一项所述的鱼菜共生系统的使用控制方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1.建立系统装置，提供氨源：打开系统的气泵和水泵，将水质酸碱度值调整为6.5~7.2，水温控制在23℃~27℃，使生物过滤器中形成微生物群落，连续往水中添加少量氨，测量水质中氨、亚硝酸盐和硝酸盐的含量，当氨和亚硝酸盐的含量减至基本为零，同时硝酸盐水平增加时，进行下一步骤；
S2.养殖鱼类：连续性定期往鱼池内投放鱼苗，每日总投饵量为鱼体重的百分之一至二倍，根据鱼的种类和饲料的质量，饲料转化率控制在1.5～2之间，所述的饲料转化率为饲料重量除以鱼体重增加量；水源通过进水喷杆分流至鱼池，控制水流速度使得一小时内完全更换鱼池中的水1～2次，且水流在鱼池中形成旋转式，固体废物从鱼池底部漏斗形收集器排出进入涡流分离器中，粗颗料经涡流分离器排出系统，微颗料通过生物过滤器进入水耕培栽系统；
S3.种植植物：在深水浮筏栽培床上种植绿叶植物，绿叶植物的种植量根据鱼类的总投饵量确定，每平方米绿叶植物须鱼类的饵料量为20～50g /日；
S4.监测水质，控制水质参数：将水质的酸碱度值控制在6.5～7.2,溶解氧大于5mg/L,氨含量0～0.25mg/L,亚硝酸盐含量0～0.25mg/L,硝酸盐含量50mg/L～150mg/L,碳酸盐50mg/L～150mg/L,温度23℃～27℃。
7.如权利要求6所述的鱼菜共生系统的使用控制方法，其特征在于：当系统稳定时，还可种植果实植物，果实植物种植在干湿介质床上，果实植物的种植量根据鱼类的总投饵量确定，每平方米果实植物须鱼类的饵料量50~80g /日。
8.如权利要求7所述的鱼类共生系统的使用控制方法，其特征在于：果实植物的种植密度为每平方米4～12株。
9.如权利要求6所述的鱼菜共生系统的使用控制方法，其特征在于：使用磷酸、硝酸或硫酸调整水质酸性，使用氢氧化钾、氢氧化纳或氢氧化钙调整水质碱性。
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