CN113615606B - 一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法及系统，涉及水产品暂养技术领域，具体步骤为：养殖水从养殖池内持续性流出，通过循环控制器及数据分析工作站控制养殖系统循环，养殖系统循环模式为三种；摄像头对养殖过程中水体及水产品进行拍摄并实时分析水质与水产品的变化；所述数据分析工作站根据所述水质与水产品的变化动态调节所述养殖系统循环模式。使用本发明方法进行水产品养殖，可实现智能化水产品品质提升、疾病控制与防治，智能化养殖；通过机器视觉与红外光谱分析，配置不同养殖模式，相较于传统养殖，本系统在实现减少养殖时间的同时提高了养殖水产品的品质并降低了人工养殖成本提高了养殖收益。
Description
技术领域
本发明涉及水产品暂养技术领域，更具体的说是涉及一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法及系统。
背景技术
随着世界人口的增加以及人们生活水平的不断提高，人们对健康的重视呈现逐步上升的趋势，因此人们对优质蛋白的需求日趋迫切。鱼肉因肉质细嫩鲜美、营养丰富、蛋白含量高、脂肪含量低且富含维生素及无机盐等特点被视为公认的优质可再生蛋白质来源。在不考虑水产品的营养与购买者的偏好的前提下，水产品的外观、口感与风味等感官属性往往是消费者的关注重点。然而追求营养、健康、美味的现代消费者很难接受鱼腥味、土腥味的水产品。水产品的肉质和气味通常受养殖环境的影响。目前的研究结果表明，土腥异味作为水生动物肌肉中散发的一种不愉快的气味，影响我国水产品的味道和价值，导致中国水产养殖经济效益不断下降。我国大多数水产品都存在腥味问题，这是限制水产品消费和加工的负面因素，对中国水产品的出口效益影响很大。因此，研究高效绿色去除腥味物质的新技术迫在眉睫。
光电化学(催化)氧化技术凭借操作简单、环境友好、维护费用低和易自动化管理等优势，已在水产养殖领域得到研究关注与应用。其原理主要为通过电极附近区域产生的活性中间产物与养殖水体中污染物发生氧化还原反应进而使其分解，该过程中活性催化电极处于核心地位，是实现电化学氧化反应以及提高电流效率的关键因素，选择适当的电极材料是提高电化学催化反应效率的有效途径。活性氯对波长在200～400nm区域的紫外辐射有较好的吸收从而产生多种活性物质，如羟基自由基和氯自由基。因此，如何将UV和活性氯介导的电化学氧化技术相结合进行水处理，对本领域技术人员来说是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法及系统，将UV和活性氯介导的电化学氧化技术相结合进行水处理，可实现智能化水产品品质提升、疾病控制与防治，智能化养殖。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法，具体步骤包括如下：
获取水体和水产品图像；
根据所述水体和水产品图像确定水质和水产品参数，并调度对应的循环模式。
优选的，所述水质和水产品参数的公式为：
Z＝(Y-0.4U)×v，Z≥0；
其中，Y为水质参数，X为水产品参数，U为水质浑浊度，R、G、B为水产品颜色，Q为有效氯浓度，Z为风扇吹出风速，v为药盒风扇额定风速。m×n为画面尺寸。
调度循环模式的过程为：
当所述水质和水产品参数在正常范围时控制执行第一养殖系统循环模式；当所述水质和水产品参数超出限定范围时控制执行第二养殖系统循环模式，直至所述水质和水产品参数回归正常范围，切换为第一养殖系统循环模式；当所述水质和水产品参数超出正常范围而未达到限定范围时控制执行第三养殖系统循环模式，直至所述水质和水产品参数回归正常范围，切换为第一养殖系统循环模式。
优选的，所述第一养殖系统循环模式为：养殖系统自循环；所述第二养殖系统循环模式为：一部分养殖水经紫外光电催化氧化装置进行处理后暂存至中和池中，经有效氯-pH传感器检测水质参数并调整达到水质指标后与剩余养殖水在混合池内混合后循环回流至养殖池内；所述第三养殖系统循环模式为：养殖系统自循环时，混合气体与空气在混合泵中混合通过喷嘴注入养殖池内。
通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：配置不同养殖模式，相较于传统养殖，本系统在实现减少养殖时间的同时提高了养殖水产品的品质并降低了人工养殖成本提高了养殖收益。
优选的，所述水产品包括但不限于鱼、虾、蟹、贝、龟中的一种或多种。
另一方面，提供一种基于紫外光电催化的水产品品质提升系统，包括紫外灯管、电极、电源、紫外光电催化氧化装置、第一摄像头、鼓风装置、中和池、药剂盒、混合池、水管、混合气体、混合气泵、喷嘴、养殖池、第二摄像头、数据分析工作站、有效氯浓度-pH传感器、循环控制器；其中，所述养殖池与所述循环控制器相连，所述循环控制器与所述紫外光电催化氧化装置连接，所述紫外光电催化氧化装置由所述紫外灯管、电极、电源组成，所述紫外光电催化氧化装置与所述中和池相连，所述中和池上安装有所述有效氯浓度-pH传感器，所述药剂盒与所述鼓风装置悬挂在所述中和池上方，所述中和池与所述养殖池均与所述混合池连接，所述混合气体与所述混合气泵与所述养殖池连接，所述第一摄像头安装在所述中和池上方，所述第二摄像头安装在所述养殖池上方，所述第一摄像头与所述第二摄像头均与所述数据分析工作站连接。
优选的，所述紫外灯管包括UV-C灯管和UV-A灯管，所述UV-A灯管与所述UV-C灯管交叉分布于所述紫外光电催化氧化装置内侧。
优选的，所述药剂盒中为抗坏血酸、碳酸氢钠。
优选的，所述混合气体为氢气和氧气，在使用时通过所述混合气泵与外界气体混合，混合后气体以微纳米级进入所述养殖池。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法及系统，与现有技术相比，具有以下有益的技术效果：当水产品在本系统中养殖时，可实现智能化水产品品质提升、疾病控制与防治，智能化养殖；通过机器视觉与红外光谱分析，本系统可实现多种水产品优质养殖及品质提升，适用多样化水产品养殖，更换养殖对象品种与养殖密度时无需更换系统；为达到不同水产品的优质，本系统配置不同养殖模式，相较于传统养殖本系统在实现减少养殖时间的同时提高了养殖水产品的品质并降低了人工养殖成本提高了养殖收益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的方法流程图；
其中，1为UV-C灯管、2为UV-A灯管、3为电极、4为电源、5为紫外光电催化氧化装置、6为第一摄像头、7为鼓风装置、8为中和池、9为药剂盒、10为混合池、11为水管、12为混合气体、13为混合气泵、14为喷嘴、15为养殖池、16为第二摄像头、17为数据分析工作站、18为有效氯浓度-pH传感器、19为循环控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例一方面公开了一种基于紫外光电催化的水产品品质提升系统，如图1所示，包括UV-C灯管1、UV-A灯管2、电极3、电源4、紫外光电催化氧化装置5、第一摄像头6、鼓风装置7、中和池8、药剂盒9、混合池10、水管11、混合气体12、混合气泵13、喷嘴14、养殖池15、第二摄像头16、数据分析工作站17、有效氯浓度-pH传感器18、循环控制器19。
养殖池15与循环控制器19相连，循环控制器19通过水管与紫外光电催化氧化装置5连接，紫外光电催化氧化装置5由UV-C灯管1、UV-A灯管2、电极3、电源4组成。紫外光电催化氧化装置5与安装了有效氯浓度-pH传感器18的中和池8相连，药剂盒9与鼓风装置7悬挂在中和池8上方，中和池8与养殖池15均通过水管与混合池10连接，混合气体12与混合气泵13与养殖池15经PVC管连接，第一摄像头6安装在中和池8上方，第二摄像头16安装在养殖池15上方，第一摄像头6与第二摄像头8均与数据分析工作站17连接。
本实施例中，UV-A灯管2功率为12～22W，个数为4，UV-C灯管1功率为12～22W，个数为4；两个UV-A灯管2与两个UV-C灯管1交叉分布于紫外光电催化氧化装置5内侧，两灯管间间距为4.5～6.6cm；紫外光电催化氧化装置5内紫外装置分别处于平行于电极面一侧及垂直于电极面一侧。
进一步的，养殖池15中养殖密度为0.8～1.5kg/10L，养殖池15尺寸为长：宽：高＝8:5:2～9:4:3。
药剂盒9中为抗坏血酸、碳酸氢钠，药剂投放比例为3.5:1～2.5:1。
鼓风装置7的吹出风速为9～15g/min，鼓风装置7与药剂盒9连线及水平线角度为15°～35°。
中和池8内流速为1/13～1/6养殖池体积/min，养殖水在中和池8中循环流动。
在具体的应用中，混合气体12为氢气(H2)和氧气(O2)，其在使用时通过气泵13与外界空气混合，混合比例为0.1:0.1:1～0.3:0.3:1，混合后气体以微纳米级进入养殖池中。
另一方面公开了一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法，如图2所示，具体步骤包括如下：
S1、获取水体和水产品图像；
S2、根据水体和水产品图像确定水质和水产品参数，并调度对应的循环模式。
在S2中循环模式为三种，具体的，第一养殖系统循环模式为：养殖系统自循环；第二养殖系统循环模式为：一部分养殖水经紫外光电催化氧化装置5进行处理后暂存至中和池9中，经有效氯-pH传感器18检测水质参数并调整达到水质指标后与剩余养殖水在混合池10内混合后循环回流至养殖池15内；第三养殖系统循环模式为：养殖系统自循环时，混合气体12与空气在混合气泵13中混合通过喷嘴14注入养殖池15内。
水质和水产品参数的计算公式为：
Z＝(Y-0.4U)×v，Z≥0；
其中，Y为水质参数，X为水产品参数，U为水质浑浊度，R、G、B为水产品颜色，Q为有效氯浓度，Z为风扇吹出风速，v为药盒风扇额定风速。m×n为画面尺寸。U及RGB值均由摄像头检测后分析获得，Q由有效氯浓度-pH传感器测得。
当水质和水产品参数超出限定范围时控制执行第二养殖系统循环模式，直至水质和水产品参数回归正常范围，切换为第一养殖系统循环模式；当水质和水产品参数超出正常范围而未达到限定范围时控制执行第三养殖系统循环模式，直至水质和水产品参数回归正常范围，切换为第一养殖系统循环模式。
在本实施例中，当水质参数X＞0.25U且Y>0.4U时，表明水产品与水质均出现问题，执行第二养殖系统循环模式，紫外光电催化氧化装置开始启动进行水处理；当水质参数0.13U≤X≤0.25U且Y<0.4U时，执行第三养殖系统循环模式，混合气泵向养殖池内充入混合气体以调节水质改善水产品健康状况；当X<0.13U时，表示水产品与水质状态良好，切换为第一养殖系统循环模式。
当养殖系统执行第二养殖系统循环模式时，紫外光电催化氧化装置5对通过该装置的养殖水体进行处理，电解反应中产生游离氯(Cl2、HOCl、OCl-)，其可以吸收波长在200～400nm的紫外辐射而发生光解。基于此，紫外光电催化氧化装置的技术原理为：水中游离氯吸收紫外光子能量后发生光解反应，进而生成具有强氧化性的氯自由基(Cl·)和羟基自由基(·OH)；此外当外加光的能量大于半导体光催化剂的禁带带隙时，材料表面受激发产生光生电子与空穴对，半导体光催化剂产生羟基自由基(·OH)，外加电压或电流能很大程度上提高半导体光催化剂光生电子和空穴的复合效率。
这些活性自由基、游离氯可有效地去除水中的污染物：(1)使水质中有害微生物细胞膜破碎后致死达到抑菌除菌的目的；(2)对水质中有机物，如天然有机物(腐殖质等)、抗生素(氯霉素等)或其他有机物质(土臭素等)通过脱水、断键等方式使其变成更小的分子化合物后对其进一步氧化形成二氧化碳、水等无毒无害物质，达到降低水质浑浊度、总有机碳含量、消毒副产物量及降低水体异味与药物残留等目的。
混合池10中水回到原养殖池15后，养殖水产品肉质中土臭素与2-甲基异莰醇等土腥味物质和药物残留通过被动扩散进入养殖水质；回归至养殖池内活性自由基、游离氯进一步氧化分解降低水质中微生物、土腥味物质及药物成分，进行二次降解；同时水中的活性自由基、次氯酸协同反应抑制或修复水产品表皮损伤及感染并抑制有害微生物繁殖扩散，达到水产品疾病控制的目的。
当养殖系统执行第三养殖系统循环模式时，微纳米级氢氧空气微纳米气泡进入养殖池15内，由于气泡直径与微生物体积在同一数量级，气泡与微生物相遇后细胞膜破碎死亡达到清除降低水体微生物的作用；同时气泡内氢气与氧气随破碎后释放进入水体内，溶解氧含量升高，氢气氧气共同作用促进水产品新陈代谢增强，生长发育加快。
当水产品在本系统中养殖时，可实现智能化水产品品质提升、疾病控制与防治，智能化养殖；通过机器视觉与红外光谱分析，本系统可实现多种水产品优质养殖及品质提升，适用多样化水产品养殖，更换养殖对象品种与养殖密度时无需更换系统；为达到不同水产品的优质，本系统配置不同养殖模式，相较于传统养殖本系统在实现减少养殖时间的同时提高了养殖水产品的品质并降低了人工养殖成本提高了养殖收益。
本发明中提及的水产品包括但不限于鱼、虾、蟹、贝、龟等常见水产品。
下面用两个实施案例证明本发明系统及方法的有效性。
实施案例一：
搭建本系统于杭州市某水产养殖地，选取养殖5月后黑鱼200条，经本发明系统养殖5天后与原养殖池内黑鱼品质进行比较。检测结果如下表：
显而易见，从表的数据可得到结论：黑鱼经本发明系统养殖后鱼肉异味有效减少，生长发育良好，鱼肉质地更佳。
实施案例二：
将本养殖系统接入杭州某鲈鱼地，通入养殖水与原系统相同，养殖鲈鱼50条，经7天养殖后对养殖水质进行检测，检测结果如下表：
从表的数据可得到结论：经本发明系统养殖后养殖水质更佳，有利于优质水产品养殖。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
获取水体和水产品图像；
根据所述水体和水产品图像确定水质和水产品参数，并调度对应的循环模式；
所述水质和水产品参数的公式为：
Z＝(Y-0.4U)×v，Z≥0；
其中，Y为水质参数，X为水产品参数，U为水质浑浊度，R、G、B为水产品颜色，Q为有效氯浓度，Z为风扇的风速，v为风扇的额定风速，m×n为画面尺寸；
实现水产品品质提升方法的系统包括紫外灯管、电极、电源、紫外光电催化氧化装置、第一摄像头、鼓风装置、中和池、药剂盒、混合池、水管、混合气体、混合气泵、喷嘴、养殖池、第二摄像头、数据分析工作站、有效氯浓度-pH传感器、循环控制器；其中，所述养殖池与所述循环控制器相连，所述循环控制器与所述紫外光电催化氧化装置连接，所述紫外光电催化氧化装置由所述紫外灯管、电极、电源组成，所述紫外光电催化氧化装置与所述中和池相连，所述中和池上安装有所述有效氯浓度-pH传感器，所述药剂盒与所述鼓风装置悬挂在所述中和池上方，所述中和池与所述养殖池均与所述混合池连接，所述混合气体与所述混合气泵与所述养殖池连接，所述第一摄像头安装在所述中和池上方，所述第二摄像头安装在所述养殖池上方，所述第一摄像头与所述第二摄像头均与所述数据分析工作站连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法，其特征在于，调度循环模式的过程为：
当所述水质和水产品参数在正常范围时控制执行第一养殖系统循环模式；当所述水质和水产品参数超出限定范围时控制执行第二养殖系统循环模式，直至所述水质和水产品参数回归正常范围，切换为第一养殖系统循环模式；当所述水质和水产品参数超出正常范围而未达到限定范围时控制执行第三养殖系统循环模式，直至所述水质和水产品参数回归正常范围，切换为第一养殖系统循环模式；
所述正常范围为X<0.13U；所述限定范围为X＞0.25U且Y>0.4U；
所述第一养殖系统循环模式为：养殖系统自循环；所述第二养殖系统循环模式为：一部分养殖水经紫外光电催化氧化装置进行处理后暂存至中和池中，经有效氯-pH传感器检测水质参数并调整达到水质指标后与剩余养殖水在混合池内混合后循环回流至养殖池内；所述第三养殖系统循环模式为：养殖系统自循环时，混合气体与空气在混合泵中混合通过喷嘴注入养殖池内。
3.根据权利要求1所述的一种基于紫外光电催化的水产品品质提升方法，其特征在于，所述水产品包括鱼、虾、蟹、贝、龟中的一种或多种。
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