CN109997676B - 一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，包括低营养养耕循环(CI)、中营养水培循环(CII)和高营养水培循环(CIII)；所述的低营养养耕循环(CI)包括依次连接的养殖单元(1)、机械过滤器(2)、生物过滤器(3)和低营养水培单元(4)；所述的中营养水培循环(CII)包括相互连接构成循环的中营养液槽(5)和中营养水培单元(6)；所述的高营养水培循环(CIII)包括相互连接构成循环的高营养液槽(8)和高营养水培单元(7)。与现有技术相比，本发明可实现对养殖单元产生的溶解性和悬浮性物质的营养回收利用，提高系统的营养利用率，具有明显的经济效益和环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业化循环水养殖和种植的食品生产技术，具体是一种具有营养回收利用功能的三级生态循环养耕共生系统。
背景技术
社会发展对食品的需求，加速水产养殖业发展。现在传统粗放式养殖已不可持续，工业化循环养殖成为重要的发展方向，尤其是水产品产量超过全球60％的中国。工业化系统中残留饵料和排泄物的积累造成环境污染。如能有效回收利用其中的大量营养元素供蔬菜生产，将有良好的环境、经济和社会效益。因此，养耕共生系统(Aquaponics System)受到广泛关注。
养耕共生系统理论上是基于生态学原理，将工业化循环养殖(RAS)和水耕种植(Hydroponics)技术相结合的高效率的工业化食品生产模式，摆脱对自然水域和土壤的依赖，进行全年侯生产，同步获得蛋白质和果蔬；系统封闭运行，隔绝了外部环境污染的影响，实现水的循环利用，促进物质循环利用；系统适合城镇化发展，减少物流资源消耗，与信息技术紧密结合，有创造新的经济模式的前景。
目前对该系统进行技术研究的国家包括美国、欧洲和亚洲多个国家。尤其在欧洲，由于城镇化率高，人均土地资源紧张，养耕共生技术在很多国家得到重视和发展，有较多研究成果。我国面临的人口、食品、能源、水和环境的矛盾突出，城镇化的快速发展使这些问题更加凸显，因此，开发养耕共生技术已开始得到水产、农业、环境、建筑和管理各界的关注。
营养利用水平是反映养耕共生系统生产效能的重要标志。目前养耕共生系统发展面临的主要瓶颈是营养利用效率低，从而影响其生产效能。根据“欧盟养耕共生系统研究中心”(EU Aquaponics Hub)对养耕共生系统的定义，种植单元的营养需有超过50％来自养殖单元，才能符合其定义标准。而目前该系统植物对营养的利用率不高，影响了系统的生产效能，成为亟需解决的关键问题。
传统养耕共生系统为单循环工艺过程，养殖池出水先经机械过滤去除悬浮固体，再经生物过滤器将水中的氨氮转化为硝酸盐氮，然后进入水培单元实现营养物质的吸收利用，最后经紫外消毒，循环进入养殖池。由于养殖和种植系统运行条件方面的差异会造成相互影响，导致系统营养利用不平衡，一方面出现营养的流失，另一方面又会产生盐分积累，从而影响系统的生产效能。因此需要权衡考虑养殖单元、种植单元和生物过滤器的运行条件，包括pH、温度、溶解氧和各营养物质的浓度等。其次，由于该系统提供植物营养主要是溶解性物质，其浓度水平低，使得植物选择受限于低营养的叶类蔬菜植物，影响种植产出效能。若要加强该系统的溶解性营养水平，则需要投加更多的饵料，结果会导致系统饵料系数(Feed conversion ratio，FCR)增高，增加了养殖成本，且营养提高水平有限。第三，该系统养殖产生的悬浮固态被滤除，成为养殖污泥被排出系统，没有得到回收利用。因此，养耕共生系统中溶解性和悬浮性物质的营养转化和回收利用是提高系统生产效能的重要途径。
针对单循环养耕共生系统中，养殖单元和种植单元直接耦合过程中存在的问题，研究者提出了解耦合养耕共生系统，其最大的特征就是养殖单元和种植单元保持相对独立，二者之间的水量循环大大减少，养殖系统按照植物蒸发损耗量向种植系统进行补充，而种植系统的水分蒸发则经过冷凝收集后循环进入养殖系统。种植单元主要靠额外配置的营养液，以此提高系统种植产量。该模式设计使得养殖和种植之间的“共生关系”几乎丧失，养殖不再是种植营养的主要提供来源，而种植也无法对养殖水质的控制起作用，会导致养殖系统出现硝酸盐的积累(需要换水)的问题，因此偏离了养耕共生的概念。
因此，如何基于生态学原理，克服现有养耕共生系统设计的缺陷，提高其对营养的利用效率，对于突破技术瓶颈具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是基于生态学原理，针对单循环养耕共生系统营养利用水平低，以及解耦合系统的生态协同作用差的缺陷，提供一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，包括低营养养耕循环、中营养水培循环和高营养水培循环；
所述的低营养养耕循环包括依次连接的养殖单元、机械过滤器、生物过滤器和低营养水培单元；
所述的中营养水培循环包括相互连接构成循环的中营养液槽和中营养水培单元；所述的中营养液槽是由高营养水培单元的出水和低营养水培单元的出水混合配置而成，所述中营养水培单元的出水回流进入养殖单元；
所述的高营养水培循环包括相互连接构成循环的高营养液槽和高营养水培单元；所述的机械过滤器过滤得到的养殖污泥经过好养消化单元或者厌氧消化单元处理后，进入高营养液槽。
进一步地，所述的机械过滤器去除养殖单元产生的悬浮固体，即为养殖污泥，该养殖污泥包括残留饵料和养殖动物代谢粪便。所述机械过滤器也可以用沉淀池或真空转鼓分离器等其他固液分离装置代替。
进一步地，所述的生物过滤器将养殖单元产生的溶解性有机物质转化为植物可利用的营养物质，同时将氨氮转化为硝酸盐氮。
进一步地，所述的低营养水培单元种植营养需求低的叶类蔬菜植物(如生菜、空心菜或水芹菜)，吸收水中溶解性营养物质，所述低营养水培植物单元的出水经紫外消毒(9)后，循环进入养殖单元。
所述的中营养水培单元的植物根据所配置的营养液浓度水平确定，种植具有较强的水质净化能力草本类经济植物(薄荷、罗勒、绿罗等)。
进一步地，所述的中营养水培单元的出水，经紫外消毒后回流进入养殖单元。
进一步地，所述的高营养液槽的营养来自机械过滤产生的养殖污泥，通过厌氧或好氧消化，转化为植物可利用的营养物质；所述的高营养液槽根据植物所需补充所缺少的其它营养成分。
进一步地，所述的高营养水培单元种植营养需求高的果实类植物(西红柿、黄瓜、秋葵、草莓等)；所述高营养水培单元的出水进入中营养液槽。
进一步地，所述的生物过滤器采用固定化生物膜载体，包括弹性填料和固定化包埋菌颗粒，弹性填料主要实现有机物的营养转化，固定化包埋菌颗粒主要将氨氮转化为硝酸盐氮，消除对养殖动物的毒性影响，同时为植物提供合适的氮营养形态；所述生物过滤器也可以置于紫外消毒之前，低营养水培单元和中营养水培单元之后。
进一步地，所述的低营养水培单元、中营养水培单元和高营养水培单元的种植方式根据植物生长特征，选择采用营养液膜、深液流水培或浮板毛管栽培技术，或者在温室大棚培育，或者在室内通过光照培养。
与现有技术相比，本发明设计了低、中、高三级营养利用的生态循环模式(如图1所示)，可以有效提高系统对营养的利用效率，扩大水培植物的种植范围，强化了生态系统的共生关系，大大提高系统的经济产出和生产效能。
附图说明
图1为本发明系统工艺流程图；
图2为实施例1中工艺流程图；
图3为实施例2中工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种具有营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，如图2所示，包括低营养养耕循环CI、中营养水培循环CII和高营养水培循环CIII；
所述的低营养养耕循环CI包括依次连接的养殖单元1、机械过滤器2、生物过滤器3和低营养水培单元4；所述的机械过滤器2去除养殖单元1产生的悬浮固体，即为养殖污泥10，所述养殖污泥10包括残留饵料和养殖动物代谢粪便。所述的生物过滤器3将养殖单元1产生的溶解性有机物质转化为植物可利用的营养物质，同时将氨氮转化为硝酸盐氮。所述低营养水培单元4的出水经紫外消毒9后，循环进入养殖单元1。
所述的中营养水培循环CII包括相互连接构成循环的中营养液槽5和中营养水培单元6；所述的中营养液槽5是由高营养水培单元7的出水和低营养水培单元4的出水混合配置而成，所述中营养水培单元6的出水回流进入养殖单元1；所述的中营养水培单元6的出水，经紫外消毒9后回流进入养殖单元1。
所述的高营养水培循环CIII包括相互连接构成循环的高营养液槽8和高营养水培单元7；所述的机械过滤器2过滤得到的养殖污泥10经过好养消化单元11处理后，进入高营养液槽8，所述高营养水培单元7的出水进入中营养液槽5。
系统中生物过滤器3置于低营养养耕循环CI的机械过滤2之后，养殖污泥10的营养转化采用好氧消化单元11，系统设置于温室大棚，占地500m2，其中养殖单元1区、机械过滤2、生物过滤器3、养殖污泥消化装置占地100m2，低营养水培单元4占地200m2，中营养水培系统占地100m2，高营养水培系统占地50m2，其它附属设施(中间水箱、管道、泵房、曝气设备和pH控制系统等)和道路占地50m2。
养殖单元1选择罗非鱼，养殖周期4-6个月，全年侯生产。系统平均饵料系数为1.2，养殖密度在20-40kg/m3。由36个养殖池组成，每个养殖池为2米长、1米宽和1米深，采用4阶段分级养殖方式，保持每个阶段均有成鱼上市，每个阶段为1-1.5个月，第一阶段采用4个养殖池，选择鱼苗1600条，重量为50-100g/条，第二阶段采用6个养殖池，重量为200-300g/条，第三阶段采用10个养殖池，重量为400-500g/条，第四阶段采用16个养殖池，重量为800-1200g/条。
养殖单元1的出水汇总后经过机械过滤2去除固体物质，然后经过生物过滤器3进行有机物的营养转化和氨氮的硝化转化。生物过滤器3包括2个部分，分别装填弹性填料和固定化包埋菌颗粒。
低营养水培单元4采用采用浮板毛管栽培技术，按季节特点栽种低营养水培蔬菜，例如，1-3月份种植小白菜，4-6月份种植水芹菜，7-9月份种植空心菜，10-12月种植生菜。中营养水培单元6采用深液流水培技术，种植多年生植物薄荷、罗勒等，其营养液由低营养水培单元4的部分出水和高营养水培单元7的出水配置而成，其营养水平根据植物营养需求特点调整。高营养水培系统采用营养液膜技术，营养主要是养殖污泥经好氧转化形成，其营养矿化程度高，转化过程中控制pH在偏酸性环境(6.8-7.0)，高营养植物按季节特点选择西红柿、黄瓜、秋葵和草莓等果实类植物。
实施例2
一种具有营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，如图3所示。系统采用后置生物过滤器3，即生物过滤器3置于养殖单元1之前，低营养水培单元4和中营养水培单元6之后，低营养水培单元4和中营养水培单元6的出水进入生物过滤器3处理后，经紫外消毒9消毒进入养殖单元1。养殖污泥10的营养转化采用厌氧消化单元12。其余同实施例1。
系统设置于室内，植物生长通过光照培养。系统占地400m2，其中养殖区、机械过滤、生物过滤、养殖污泥消化装置占地100m2，低营养水培单元占地100m2，中营养水培系统占地100m2，高营养水培系统占地50m2，其它附属设施(中间水箱、管道、泵房、曝气设备和pH控制系统等)50m2。
养殖单元选择鲫鱼，系统饵料系数为1.5，养殖密度在10-20kg/m3。由36个养殖池组成，每个养殖池为2米长、1米宽和1米深。采用4阶段分级养殖方式，每个阶段为1-2个月，第一阶段采用4个养殖池，选择鱼苗1600条，重量为40-60g/条，第二阶段采用6个养殖池，重量为80-120g/条，第三阶段采用10个养殖池，重量为160-240g/条，第四阶段采用16个养殖池，重量为300-400g/条。
养殖单元的出水汇总后经过机械过滤去除固体物质，然后经过生物过滤器进行有机物的营养转化和氨氮的硝化转化。生物过滤器包括2个部分，分别装填弹性填料和固定化包埋菌颗粒。
低营养水培单元采用采用浮板毛管栽培技术，按季节特点栽种低营养水培蔬菜，例如，1-3月份种植小白菜，4-6月份种植水芹菜，7-9月份种植空心菜，10-12月种植生菜。中营养水培单元采用深液流水培技术，种植多年生植物薄荷、罗勒等，其营养液由低营养水培单元的部分出水和高营养水培单元的出水配置而成，其营养水平根据植物营养需求特点调整。高营养水培单元采用营养液膜技术，营养来源主要是养殖污泥经厌氧转化形成，高营养植物选择西红柿、黄瓜、秋葵和草莓等果实类植物。
Claims (7)
1.一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，包括低营养养耕循环(CI)、中营养水培循环(CII)和高营养水培循环(CIII)；
所述的低营养养耕循环(CI)包括依次连接的养殖单元(1)、机械过滤器(2)、生物过滤器(3)和低营养水培单元(4)；
所述的中营养水培循环(CII)包括相互连接构成循环的中营养液槽(5)和中营养水培单元(6)；所述的中营养液槽(5)是由高营养水培单元(7)的出水和低营养水培单元(4)的出水混合配置而成，所述中营养水培单元(6)的出水回流进入养殖单元(1)；
所述的高营养水培循环(CIII)包括相互连接构成循环的高营养液槽(8)和高营养水培单元(7)；所述的机械过滤器(2)过滤得到的养殖污泥(10)经过好养消化单元(11)或者厌氧消化单元(12)处理后，进入高营养液槽(8)；
所述的高营养液槽(8)的营养来自机械过滤产生的养殖污泥(10)，通过厌氧或好氧消化，转化为植物可利用的营养物质；所述的高营养液槽(8)根据植物所需补充所缺少的其它营养成分；
所述的高营养水培单元(7)种植营养需求高的果实类植物；所述高营养水培单元(7)的出水进入中营养液槽(5)；
所述的中营养水培单元(6)的植物根据所配置的营养液浓度水平确定，种植具有较强的水质净化能力草本类经济植物。
2.根据权利要求1所述的一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，所述的机械过滤器(2)去除养殖单元(1)产生的悬浮固体，即为养殖污泥(10)，该养殖污泥(10)包括残留饵料和养殖动物代谢粪便，所述机械过滤器(2)也可以用固液分离装置代替，固液分离装置包括沉淀池或真空转鼓分离器。
3.根据权利要求1所述的一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，所述的生物过滤器(3)将养殖单元(1)产生的溶解性有机物质转化为植物可利用的营养物质，同时将氨氮转化为硝酸盐氮。
4.根据权利要求1所述的一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，所述的低营养水培单元(4)种植营养需求低的叶类蔬菜植物，吸收水中溶解性营养物质，所述低营养水培单元(4)的出水经紫外消毒(9)后，循环进入养殖单元(1)。
5.根据权利要求1所述的一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，所述的中营养水培单元(6)的出水，经紫外消毒(9)后回流进入养殖单元(1)。
6.根据权利要求1所述的一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，所述的生物过滤器(3)采用固定化生物膜载体，包括弹性填料和固定化包埋菌颗粒，弹性填料主要实现有机物的营养转化，固定化包埋菌颗粒主要将氨氮转化为硝酸盐氮，消除对养殖动物的毒性影响，同时为植物提供合适的氮营养形态；所述生物过滤器(3)也可以置于紫外消毒(9)之前，低营养水培单元(4)和中营养水培单元(6)之后。
7.根据权利要求1所述的一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，其特征在于，所述的低营养水培单元(4)、中营养水培单元(6)和高营养水培单元(7)的种植方式根据植物生长特征，选择采用营养液膜、深液流水培或浮板毛管栽培技术，或者在温室大棚培育，或者在室内通过光照培养。
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