CN113749033B - 一种模块化水产养殖场水循环智能控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化水产养殖场水循环智能控制装置及方法，依次包括给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统和养殖系统5个模块；所述给水系统一侧与养殖系统连接用于补水，另一侧与排水系统连接用于排出污水，养殖系统废水经水处理系统处理后符合回用要求则进入给水系统混合，符合排放要求则由水处理系统排放；所述给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统均设置水质监测仪以根据检测结果判定智能化控制水流流向和流量，节约水资源30%以上，污染物削减50%以上。本发明解决了水产养殖水量浪费量大、水质污染、灌排水系不畅、水体流动性差、水产养殖品质下降、管理操作难度大等问题。
Description
技术领域
本发明属于水产养殖领域，具体涉及一种模块化水产养殖场水循环智能控制装置及方法。
背景技术
随着水产养殖产业的迅猛发展。一方面，水产养殖水量浪费量大、水质污染、灌排水系不畅、水体流动性差、水产养殖品质下降、管理操作难度大等问题日益凸显。另一方面，水产养殖废水处理和排放要求的不断提高，直接影响养殖水域水体环境质量，进而导致养殖产品产量及质量下降，并形成恶性循环。研究资料表明：水体中饵料的分解物、水生植物的尸体、鱼类的排泄物等均会造成水体中氨氮、硝氮等污染物浓度的提升，且极大降低水体中溶解氧的含量。因此，为解决以上问题，必须采用先进、科学、智能的尾水处理及循环养殖方法，解决现状水产养殖废水所引发的一系列问题。
申请号CN201410682222.6，公开了一种工厂化水产养殖系统及其智能控制系统，与工厂化水产养殖系统相连，包含：各类水质检测传感器/分析仪、各类水处理设备状态检测传感器/分析仪，分布于工厂化养殖系统不同位置；与传感器和分析仪相连的至少一个接口单元，和连接接口单元的控制单元；其中，接口单元，用于从各类水质检测传感器/分析仪、各类水处理设备状态检测传感器/分析仪接收信号，获取水质状态和水处理设备状态检测数据；控制单元，用于根据接收单元接收到的水质状态和水处理设备状态检测数据对工厂化养殖系统进行水质和设备的调控和预警。从而保障工厂化养殖系统的水质满足水产类生长需要，确保整个养殖系统的安全运行。但是，该装置缺乏根据实时水质状况对养殖池、清水池、污水处理池间循环系统进行自动调控，并循环利用水资源的功能，对水质和水处理未有涉及。
申请号202010840384.3，一种用于水产养殖的氧含量智能监测装置公开了一种用于水产养殖的氧含量智能监测装置，包括壳体和主体，主体设置在壳体内，所述主体包括前端容纳腔和后端容纳腔，前端容纳腔和后端容纳腔为对称结构，所述前端容纳腔包括安装结构、控制系统和供电系统，所述安装结构内设置有撞击触发装置和检测装置，所述控制系统控制检测装置运作，所述供电系统为控制系统供电，采用自动游动检测和被动游动检测两种方式，通过高密度养殖塘内鱼虾的游动，对检测装置的撞击，从而触发检测装置对当前水域的氧气含量进行检测。但是，该装置未有对水循环和水处理进行智能化控制，未有对养殖系统中给水系统、排水系统、回用水系统等进行描述。
申请号202010840411.7，一种适用于高密度水产养殖的含氧量监控系统及方法，提出一种适用于高密度水产养殖的含氧量监控系统，包括若干含氧量检测装置、船式供氧机、用户手机端和遥感定位器；含氧量检测装置，用于检测水中的含氧量，并传输到用户手机端；接收调位指令，对自身位置进行调整，遥感定位器，用于获取含氧量检测装置的实时位置，并传输到用户手机端；船式供氧机，接收用户手机端控制指令，对高密度水产养殖场进行供氧；用户手机端，实时显示水中的含氧量，控制船式供氧机到指定位置供氧，发送调位指令到含氧量检测装置。但是，该发明仅对含氧量进行监控，未有对其他水质指标监控和水循环进行智能化控制。
申请号202010860394.3，一种水产养殖污染生物生态净化与循环利用系统及方法，该系统包括依次连通的水产生态养殖塘、生物沉淀池、双介质生物滤池、深度生态净化塘、内循环生态沟渠、净水活化池和消毒池，且所述消毒池与所述水产生态养殖塘连通。通过物理、化学、生物生态净化方法，对养殖水进行净化处理，使养殖水得到循环利用，有效地控制和去除了养殖水体中的残饵、排泄物、氮、磷、有机物及残留鱼药；生物沉淀池所排底泥经底泥修复后去农田或果园利用。实现了污染物“零排放”，环境友好，实现了生态健康水产养殖，对环境的污染小甚至无污染，环保安全。但是，该发明未有对循环水量和废水污染物回用浓度进行要求，水资源浪费大、未对现有排水体系进行优化。
发明内容
本发明公开了一种模块化水产养殖场水循环智能控制装置及方法，依次包括给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统和养殖系统5个模块；所述给水系统一侧与养殖系统连接用于补水，另一侧与排水系统连接用于排出污水，养殖系统废水经水处理系统处理后符合回用要求则进入给水系统混合，符合排放要求则由水处理系统排放；所述给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统均设置水质监测仪以根据检测结果判定智能化控制水流流向和流量。本发明通过设置水质监测仪以根据检测结果控制水流流向和流量，达到净化并循环利用水资源的效果。主要解决水产养殖水量浪费量大、水质污染、灌排水系不畅、水体流动性差、水产养殖品质下降、管理操作难度大等问题，本发明实现水产养殖场模块化布置、智能化活水、节水、净化、回用功能，具有操作简单、投资少、管理方便的优点。
优选的，所述水产养殖系统包括若干池塘；所述给水系统包括进水渠、配水泵、压力管，通过配水泵将进水渠中的水抽入压力管中输送至各池塘；所述排水系统包括退水口、支沟、干沟、排水泵、压力管，通过排水泵将从池塘流入支沟、汇集于干沟中的污水提升至压力管，并输送至处理系统；所述处理系统包括湿地处理单元、生物处理单元、排水口、出水渠，将净化后符合排放要求的尾水排入出水渠；所述回用系统包括三通池、电动闸、回流渠，将净化后符合回用要求的尾水排入回流渠。
优选的，所述水产养殖池塘沿上下两片区域分布，且在区域内纵向排列、列间间隔分布；所述进水渠位于养殖系统左侧，通过压力管与养殖池塘连接；所述退水口设置于连接养殖池塘上，支沟分布于养殖池塘列间间隔区域，干沟分布于养殖池塘上下片区间隔的中间区域，支沟与干沟连接，并通过压力管与处理系统连接；所述湿地处理单元和生物处理单元位于养殖系统的右侧，出水渠位于处理系统右侧；所述三通池分别设置于湿地处理单元、生物处理单元的出水口区域，通过电动闸与出水渠、回流渠连接，回流渠分别位于养殖系统上片区的上侧和下片区的下侧，并与进水渠连接。
一种模块化水产养殖场水循环智能控制方法，包括以下步骤：
步骤1：给水系统的配水泵将进水渠中的自然界的水抽入压力管中输送至养殖系统的各池塘中；
步骤2：养殖过程中需要排水时，排水系统打开池塘的退水口，养殖污水经过支沟后汇集至干沟，并由排水泵将污水提升至压力管，根据水质监测仪的检测结果C2判定污水进入湿地处理单元或生物处理单元；
步骤3：养殖污水经湿地处理单元或生物处理单元净化后进入三通池，根据水质监测仪的检测结果C3判定并控制电动闸打开回流渠闸门或出水渠闸门；
步骤4：若净化后尾水进入回用系统的回流渠，根据水质监测仪的检测结果C4计算Q2；
步骤5：回用系统出水进入给水系统，重复上述步骤1～4，形成集约化水产养殖场水循环系统。
优选的，所述步骤1中给水系统的供水流量Q1计算方法如式1：
S：季节应变参数，取0.41～0.62，无量纲；
M：养殖密度应变系数，取0.13～0.36，无量纲；
T：养殖周期应变系数，取0.02～0.28，无量纲；
n：养殖系统(5)中池塘(5-1)的数量，取50～100；
V：池塘(5-1)的常规水容量，取4500～6500m3；
t：给水系统(1)供水时间，取0.08～0.125d；
σ：原生态水源比例，取0.5～0.7；
Q2：回用系统(4)回用流量，m3/d；
τ：尾水回用比例，取0.3～0.5；
优选的，所述步骤2中污水进入湿地处理单元或生物处理单元的判定方法如
式2：
θ：湿地处理系统(3-1)污染物最大受纳比，取2.5～3.7，无量纲；
β：生物处理系统(3-2)污染物最大受纳比，取3.7～5.0，无量纲；
优选的，所述步骤3中电动闸打开回流渠闸门或出水渠闸门的判定方法如式3：
α：出水渠(3-4)污染物最大受纳比，取1.0～1.5，无量纲；
λ：回用系统(4)污染物最大受纳比，取0.7～1.0，无量纲；
优选的，所述步骤4中净化后尾水进入回流渠的流量Q2的计算方法如式4：
θ：给水系统(1)溶解氧最大受纳比，取0.8～1.0，无量纲；
ω：给水系统(1)氨氮最大受纳比，取0.9～1.1，无量纲；
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明构建给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统和养殖系统5个模块，通过各个模块间设置水质监测仪，准确监测、科学调控水流流向和流量，实现水产养殖智能化、环境监测自动化、水流调控自动化，解决了水体流动性差、水产养殖品质下降、管理操作难度大等问题。
(2)本发明通过水量和水质的调控，将尾水处理与尾水回用有机结合在一起，达到水质净化和节约用水的效果，通过尾水回用可节约水资源30％以上，污染物削减50％以上，解决了水产养殖水量浪费量大、水质污染、灌排水系不畅等问题，实现养殖系统的绿色高效发展。
附图说明
图1为模块化水产养殖场水循环智能控制装置结构俯视图；
图2为模块化水产养殖场水循环智能控制装置控制流程图；
图3为模块化水产养殖场水循环智能控制装置中间干沟区域切面结构图；
图4为模块化水产养殖场水循环智能控制装置上侧支沟区域切面结构图；
图5为模块化水产养殖场水循环智能控制装置右侧视图；
图6为模块化水产养殖场水循环智能控制装置右侧处理系统区域切面结构图。
其中，1-给水系统，1-1-进水渠，1-2-配水泵、1-3-压力管、1-4-水质监测仪；2-排水系统，2-1-退水口，2-2-支沟，2-3-干沟，2-4-排水泵，2-5-压力管，2-6-水质监测仪；3-处理系统，3-1-湿地处理单元，3-2-生物处理单元，3-3-排水口，3-4-出水渠，3-5-水质监测仪，3-6-出水闸；4-回用系统，4-1-三通池，4-2-电动闸，4-3-回流渠，4-4-水质监测仪；5-养殖系统，5-1-池塘、5-2-滤网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明。
实施例1
如图1和图3-6所示，一种模块化水产养殖场水循环智能控制装置，包括给水系统(1)、排水系统(2)、处理系统(3)、回用系统(4)和养殖系统(5)。养殖系统(5)一侧与给水系统(1)连接用于进水，另一侧与排水系统(2)连接用于排出污水，污水经处理系统(3)处理后符合回用要求则通过回用系统(4)进入给水系统(1)，符合排放要求则由处理系统(3)排放。
养殖系统(5)包括50个池塘(5-1)、滤网(5-2)。池塘沿上下两片区域分布，且在区域内纵向排列、列间间隔分布。每个池塘常规水容量5000m3。
给水系统(1)包括进水渠(1-1)、配水泵(1-2)、压力管(1-3)、水质监测仪(1-4)。进水渠(1-1)位于养殖系统(5)左侧，设置水质监测仪(1-4)监测进水渠(1-1)水质。压力管(1-3)与各池塘(5-1)连接，在配水泵(1-2)的作用下将进水渠(1-1)中的自然界的水抽入压力管(1-3)中输送至各池塘(5-1)中。
排水系统(2)包括退水口(2-1)、支沟(2-2)、干沟(2-3)、排水泵(2-4)、压力管(2-5)和水质监测仪(2-6)。退水口(2-1)设置于连接池塘(5-1)上，用于将无水排入支沟(2-2)。支沟(2-2)分布于池塘(5-1)列间间隔区域，干沟(2-3)分布于池塘(5-1)上下片区间隔的中间区域，支沟(2-2)与干沟(2-3)连接，用于将池塘(5-1)排出的污水排入支沟(2-2)并汇集至干沟(2-3)。压力管(2-5)分别与处理系统(3)的湿地处理单元(3-1)和生物处理单元(3-2)连接，在排水泵(2-4)的作用下将干沟(2-3)中的污水提升至压力管(2-5)，并根据干沟(2-3)中水质监测仪(2-6)的检测结果判定污水进入湿地处理单元(3-1)或生物处理单元(3-2)。
处理系统(3)包括湿地处理单元(3-1)、生物处理单元(3-2)、排水口(3-3)、出水渠(3-4)和水质监测仪(3-5)、出水闸(3-6)。湿地处理单元(3-1)和生物处理单元(3-2)位于养殖系统(5)的右侧，用于净化污水。水质监测仪(3-5)设置于湿地处理单元(3-1)和生物处理单元(3-2)的出水口，检测水质。出水闸位于处湿地处理单元(3-1)和生物处理单元(3-2)与三通池(4-1)之间，用于将处理单元出水排入三通池。排水口(3-3)位于三通池(4-1)上，用于将允许排放的尾水排入右侧出水渠(3-4)中。
回用系统(4)包括三通池(4-1)、电动闸(4-2)、回流渠(4-3)和水质监测仪(4-4)。三通池(4-1)分别设置于湿地处理单元(3-1)、生物处理单元(3-2)的出水口区域，并由电动闸(4-2)根据水质监测仪(3-5)的检测结果控制水流流向。回流渠(4-3)分别位于养殖系统(5)上片区的上侧和下片区的下侧，并与三通池(4-1)和进水渠(1-1)连接，可根据回流渠(4-3)中水质监测仪(4-4)的检测结果将回流尾水排入进水渠(1-1)。
配水泵(1-2)泵型为IS离心泵，具体选型可根据实际流量及相关标准进行选择；压力管(1-3)应与相关泵型配套。水质监测仪(1-4)、(2-6)、(3-5)、(4-4)均具有独立的水质检测、判定、信号传输功能，测量范围为(0.0～20.0)mg/L，精度为0.1mg/L；判定时间为0.5ms。三通池(4-1)共设有三个阀门，均通过电动阀控制启闭。排水泵(2-4)前须设有电动格栅网进行拦污，在排污前可自动拦截水中浮渣、水草等障碍物。
如图2所示，一种模块化水产养殖场水循环智能控制方法，包括以下步骤：
步骤1：给水系统(1)的配水泵(1-2)将进水渠(1-1)中的自然界的水抽入压力管(1-3)中输送至养殖系统(5)的各池塘(5-1)中，给水系统(1)的供水流量Q1计算方法如式1：
S：季节应变参数，取0.41～0.62，无量纲；
M：养殖密度应变系数，取0.13～0.36，无量纲；
T：养殖周期应变系数，取0.02～0.28，无量纲；
n：养殖系统(5)中池塘(5-1)的数量，取50～100；
V：池塘(5-1)的常规水容量，取4500～6500m3；
t：给水系统(1)供水时间，取0.08～0.125d；
σ：原生态水源比例，取0.5～0.7；
Q2：回用系统(4)回用流量，m3/d；
τ：尾水回用比例，取0.3～0.5；
在本实施例中，适逢春季，S取0.52，每个池塘下了10000尾鱼饵，M取0.23，T取0.02，每日供水时长t为0.1d，Q2取0，经计算，Q1＝192.5万m3。
步骤2：养殖过程中需要排水时，排水系统(2)打开池塘(5-1)的退水口(2-1)，养殖污水经过支沟(2-2)后汇集至干沟(2-3)，并由排水泵(2-4)将污水提升至压力管(2-5)，根据水质监测仪(2-6)的检测结果C2判定污水进入湿地处理单元(3-1)或生物处理单元(3-2)。判定方法如式2：
θ：湿地处理系统(3-1)污染物最大受纳比，取2.5～3.7，无量纲；
β：生物处理系统(3-2)污染物最大受纳比，取3.7～5.0，无量纲；
本实施例中，
经计算，排放比为5、5，进入生物处理系统(3-2)进行尾水处理。
步骤3：养殖污水经湿地处理单元(3-1)或生物处理单元(3-2)净化后进入三通池(4-1)，根据水质监测仪(3-5)的检测结果C3判定并控制电动闸(4-2)打开回流渠(4-3)闸门或出水渠(3-4)闸门。判定方法如式3：
α：出水渠(3-4)污染物最大受纳比，取1.0～1.5，无量纲；
λ：回用系统(4)污染物最大受纳比，取0.7～1.0，无量纲；
本实施例中，
经计算，最大排放比为1.5、0.9，允许排入出水渠(3-4)。
步骤4：若净化后尾水进入回用系统(4)的回流渠(4-3)，根据水质监测仪(4-4)的检测结果C4计算尾水进入回流渠的流量Q2。计算方法如式4：
θ：给水系统(1)溶解氧最大受纳比，取0.8～1.0，无量纲；
ω：给水系统(1)氨氮最大受纳比，取0.9～1.1，无量纲；
本实施例中，净化后尾水排入出水渠(3-4)，未采用回用系统(4)。
步骤5：回用系统(4)出水进入给水系统(1)，重复上述步骤1～4，形成模块化水产养殖场水循环智能控制系统。
实施例2
与实施例1的区别在于：步骤3的水质监测仪(3-5)的检测结果C3为
经计算，最大排放比为1.1、1.0，允许排入回流渠(4-3)。
尾水进入回用系统(4)的三通池(4-1)，电动闸(4-2)根据水质监测仪(3-5)的判定确定打开回流渠(4-3)闸门。
步骤4：净化后尾水进入回用系统(4)的回流渠(4-3)，根据水质监测仪(4-4)的检测结果C4计算Q2。计算方法如式4：
本实施例中，
经计算，Q2/Q1≤0.5。
步骤5：回用系统(4)出水进入给水系统(1)，重复步骤1，根据式1计算Q1＝96.3万m3。相较于实施例1，节约96.2万m3的原生态水源。
实施例3
与实施例2的区别在于：步骤4中水质监测仪(4-4)的检测结果C4为
经计算，Q2/Q1≤0.8。
步骤5：回用系统(4)出水进入给水系统(1)，重复步骤1，根据式1计算Q1＝38.5万m3。相较于实施例1，节约154.0万m3的原生态水源。
实施例4
与实施例2的区别在于：步骤4中水质监测仪(4-4)的检测结果C4为
经计算，Q2/Q1≤0.3。
步骤5：回用系统(4)出水进入给水系统(1)，重复步骤1，根据式1计算Q1＝134.8万m3。相较于实施例1，节约57.7万m3的原生态水源。
实施例5
步骤4中水质监测仪(4-4)的检测结果C4为
经计算，Q2/Q1≤1。
步骤5：回用系统(4)出水进入给水系统(1)，重复步骤1，根据式1计算Q1＝0万m3。相较于实施例1，全部采用回用水源，节约192.5万m3的原生态水源。
Claims (1)
1.一种基于模块化水产养殖场水循环智能控制装置的模块化水产养殖场水循环智能控制方法，所述的模块化水产养殖场水循环智能控制装置，依次包括给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统和养殖系统5个模块；所述给水系统一侧与养殖系统连接用于补水，另一侧与排水系统连接用于排出污水，养殖系统废水经水处理系统处理后符合回用要求则进入给水系统混合，符合排放要求则由水处理系统排放；所述给水系统、排水系统、水处理系统、回用水系统均设置水质监测仪以根据检测结果判定智能化控制水流流向和流量；
所述养殖系统包括若干养殖池塘；所述给水系统包括进水渠、配水泵、压力管，通过配水泵将进水渠中的水抽入压力管中输送至各养殖池塘；所述排水系统包括退水口、支沟、干沟、排水泵、压力管，通过排水泵将从养殖池塘流入支沟、汇集于干沟中的污水提升至压力管，并输送至处理系统；所述处理系统包括湿地处理单元、生物处理单元、排水口、出水渠，将净化后符合排放要求的尾水排入出水渠；所述回用系统包括三通池、电动闸、回流渠，将净化后符合回用要求的尾水排入回流渠；
所述养殖池塘沿上下两片区域对称分布，且在区域内纵向排列、列间等距离间隔分布；所述进水渠位于养殖系统左侧，通过压力管与池塘连接；所述退水口设置于连接池塘上，支沟分布于池塘列间间隔区域，干沟分布于池塘上下片区间隔的中间区域，支沟与干沟连接，并通过压力管与处理系统连接；所述湿地处理单元和生物处理单元位于养殖系统的右侧，出水渠位于处理系统右侧；所述三通池分别设置于湿地处理单元、生物处理单元的出水口区域，通过电动闸与出水渠、回流渠连接，回流渠分别位于养殖系统上片区的上侧和下片区的下侧，并与进水渠连接；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：给水系统的配水泵将进水渠中的自然界的水抽入压力管中输送至养殖系统的各养殖池塘中；
给水系统的供水流量Q1计算方法如式1：
S：季节应变参数，取0.41～0.62，无量纲；
M：养殖密度应变系数，取0.13～0.36，无量纲；
T：养殖周期应变系数，取0.02～0.28，无量纲；
n：养殖系统(5)中池塘(5-1)的数量，取50～100；
V：池塘(5-1)的常规水容量，取4500～6500m3；
t：给水系统(1)供水时间，取0.08～0.125d；
σ：原生态水源比例，取0.5～0.7；
Q2：回用系统(4)回用流量，m3/d；
τ：尾水回用比例，取0.3～0.5；
步骤2：养殖过程中需要排水时，排水系统打开池塘的退水口，养殖污水经过支沟后汇集至干沟，并由排水泵将污水提升至压力管，根据水质监测仪的检测结果C2判定污水进入湿地处理单元或生物处理单元；
其中污水进入湿地处理单元或生物处理单元的判定方法如式2：
θ：湿地处理系统(3-1)污染物最大受纳比，取2.5～3.7，无量纲；
β：生物处理系统(3-2)污染物最大受纳比，取3.7～5.0，无量纲
步骤3：养殖污水经湿地处理单元或生物处理单元净化后进入三通池，根据水质监测仪的检测结果C3判定并控制电动闸打开回流渠闸门或出水渠闸门；
电动闸打开回流渠闸门或出水渠闸门的判定方法如式3：
α：出水渠(3-4)污染物最大受纳比，取1.0～1.5，无量纲；
λ：回用系统(4)污染物最大受纳比，取0.7～1.0，无量纲；
步骤4：若净化后尾水进入回用系统的回流渠，根据水质监测仪的检测结果C4计算Q2；
净化后尾水进入回流渠的流量Q2的计算方法如式4：
θ：给水系统(1)溶解氧最大受纳比，取0.8～1.0，无量纲；
ω：给水系统(1)氨氮最大受纳比，取0.9～1.1，无量纲
步骤5：回用系统出水进入给水系统，重复上述步骤1～步骤4，形成模块化水产养殖场水循环智能控制。
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