淡水池塘养殖增氧技术及设备的研究现状与发展趋势*

刘文珍 徐节华 欧阳敏(江西省水产技术推广站，江西南昌330046)

淡水池塘养殖增氧技术及设备的研究现状与发展趋势*

刘文珍 徐节华 欧阳敏
(江西省水产技术推广站，江西南昌330046)

本文通过总结池塘养殖中几种类型增氧机的工作原理、发展现状、使用原则等，并依据我国池塘养殖的现状，阐述了增氧设备的发展趋势与智能化管理相结合的前景。为广大养殖者解决池塘养殖关键问题增氧提供参考依据。

增氧机;类型;发展趋势

池塘养殖是一个人工营养型生态循环系统，到了养殖后期，大量的残余饵料、排泄物以及尸体等沉积，会造成池塘养殖水体中氨氮、亚硝酸盐等的浓度快速升高，再协同低水平的溶氧量，从而导致养殖生物抵抗力减弱，引发病害产生。早在20世纪90年代，美国的BoydCE教授就在其研究中提出溶解氧的调控在池塘养殖中已成为水产养殖管理中最重要的措施之一［1］。溶解氧在水产养殖生产中的重要性，除了表现为对养殖生物有直接的影响外，还对饵料生物的生长以及水中化学物质存在形态有重要的影响，因而又间接影响到养殖生产。一方面，好氧微生物降解残余饵料、水生生物排泄物等有机物质需大量氧气。另一方面，养殖生物在自身新陈代谢中也需要氧气。因此，水产养殖池塘中大多都配有增氧系统，以维持池塘良好的水质环境，促进养殖生物的生长。

目前，池塘增氧一般分为物理增氧、化学增氧和生物增氧。机械增氧是物理增氧的一种方式，是指借用机械设备向养殖水体中提供高含氧量的水体或通过水体与空气有效接触向水体不断补充氧气的方式来增加水体中的溶解氧;化学增氧是指人为投向养殖水体中的化学制剂遇水后，发生化学作用释放氧气，提高水体中溶解氧的含量，化学增氧剂一般为过氧碳酸钠、过氧酰胺、过氧化钙和过氧化氢等［2］;生物增氧是指水体中浮游植物光合作用，吸收水体中的二氧化碳，释放氧气来达到水体增氧的目的［3］。其中机械增氧方式采用最多。

1 我国增氧设备的主要类型及研究进展

随着国内渔业总产值在全国农业总产值的增长，近些年来，我国水产业养殖逐步向高产量发展。水产养殖总产量的逐年上升与水产养殖业逐步实现机械化有密切关系，特别是增氧机的广泛使用是密不可分的。徐皓等［4］在中国渔业能源消耗测算中，推算池塘养殖中增氧年耗电量达40.3亿千瓦时，占池塘养殖总能耗的54.6%。可以说增氧机是我国实现渔业现代化不可缺少的基本装备。

我国增氧设备的研究开发始于上世纪七十年代［5］。增氧机械经过30多年的研究与发展，已逐渐成为一种成熟的养殖装备，王兴国等［6］研究了养殖水体增氧技术及方法，蒋树义等［7］研究了水产养殖用增氧机的增氧机理和应用方法。目前，在池塘养殖中常见的机械增氧模式有叶轮式增氧、水车式增氧、喷水式增氧、射流式增氧、微孔管式增氧、螺旋桨式增氧机等。

1.1 叶轮式增氧机

叶轮式增氧机是目前使用最多的增氧机，开发至今已有近40年，主要由电动机、减速箱、叶轮、支撑杆、浮球和电机罩等组成，通过电动机带动叶轮转动能够较大范围的搅动水体，形成中上层旋流，增大水和空气的接触面积，不仅扩大了气液界面的表面积，而且气液间的双膜变薄，使中上层的增氧均匀，达到增氧、搅水和曝气的目的，一般适用于水深在1.5米以上的大面积池塘。

多年来，对于如何提高叶轮增氧机效率的研究有很多，1993年，朱松明［8］研究了通过局部增氧提高叶轮增氧机效率。黄志恒［9］研究发现，叶轮式增氧机能满足鱼类应急氧需求，其试验结果表明，叶轮式增氧机具有较强的水体搅拌能力，它在运转时可使其周围附近的溶解氧快速增加。鱼类有趋氧性，当溶解氧很低而使呼吸受到抑制时，鱼本能地游动到溶解氧比较高的水域以暂时解决缺氧的问题。因此，叶轮式增氧机具有应急增氧的功能。

顾海涛等［10］通过研究叶轮式增氧机的性能发现，近10年来叶轮式增氧机的增氧能力和动力效率值呈下降趋势。因此不断的涌现出一些改良设备，如涌浪机就是近年来研制和推广的一种新型池塘养殖增氧机械，为叶轮式增氧机的更新换代产品。其工作机理是利用浮体叶轮中央提水并共振造浪向四周扩散，提高阳光对水体的光照强度促进水体藻类的生长，充分发挥和利用池塘的生态增氧能力。但其在现实中的应用尚少，管崇武等［11］进行了涌浪机在高位池凡纳滨对虾高密度养殖条件下增氧情况的研究，并进行了不同天气状况下与水车增氧机增氧效果的对比，试验表明涌浪机在晴好天气下增氧能力远超同功率水车增氧机，但在阴雨天和夜间涌浪机的增氧效果较差，因此在实际应用中需与其他增氧方式相结合使用，将会取得较好的效果。

1.2 水车式增氧机

水车式增氧机是电动机通过传动系统带动车叶的运转，然后叶片拍击水面，实现车叶的击水和搅水作用，增加表层的水体与空气的接触，具有较好的增氧效果，适用于水体较浅的池塘。水车式增氧机有单车、多车之分，它主要由电动机、减速装置、支架、浮体、叶轮5部分组成。水车式增氧机也具有一定的应急增氧能力，但水车式增氧机提水及搅拌深度为1m左右，对1.5m以下的底层水体几乎没有增氧作用。水车式增氧机的显著特点是运转时可形成一股较大的定向水流，对喜好水流的养殖鱼类较为适合［9］。对于水车式增氧机的针对性研究不多，李振安［12］研究了三角叶片水车式增氧机。

1.3 喷水式增氧机

喷水式增氧机是利用潜水电机将水喷向空中，然后散开落下，使水与空气接触达到增加溶氧的目的。喷水式增氧机可以在较短时间内迅速提高表层水体的溶氧，同时具有观赏效果，适用于公园和旅游区等观赏鱼类的浅水小池塘。

1.4 射流式增氧机

射流式增氧机是由浅水泵和射流管配套组合而成，工作时，水泵喷出来的高速流水通过射流器，在射流器喉管附近的空气加速进入喷射扩张器，从而在喉管附近产生负压，空气和水混合达到增氧的目的。因为这种增氧机在水下没有转动的机械装置，不会伤害鱼体，所以适合养鱼密度大的深水鱼池以及育苗池增氧使用。射流式增氧机水体搅拌能力较弱，但其运行时作用于较深水体，具有噪声低、引起的水流紊流程度小等优点。

周建来等［13］研究了双侧吸气射流增氧机射流器喷嘴内吸气作用如何达到最佳效果，吴世海［14］做了射流自吸式增氧机的优化试验，门涛等［15］采用SC/T6009－1999评价了射流式增氧机的性能，结果表明，射流式增氧机对于下层水体具有良好的增氧效果，能使1.5m水深处溶氧值提高31.0%;利用产生的水流搅拌水体，使上下水层进行交换，避免水体溶氧量分层分布，并且水体曝气也可改善水质。

1.5 微孔曝气增氧机

微孔曝气增氧机，又称微孔管式增氧机、底充式增氧机，是一种池塘底充氧技术，是近年来发展起来的一种新型增氧机，将高分子微孔管均匀的布设在池塘底部，利用空压机将空气压入微孔管道，然后在池塘的底部以连续不断的微小气泡溢入水体，气泡破裂后使空气弥散溶解到水体中，不仅具有很好的增氧效果，带动水体上下对流，减少温跃层，氧跃层的产生，同时也可以将池塘底部的有害物质带走，适用于深水池塘［16］。

对于微孔曝气增氧机，各地研究人员做了大量的应用试验。杨笑谈等［17］针对微孔曝气增氧在北方池塘养殖中的应用做了实验，实验表明，开启微孔增氧设备后，池塘底部溶氧水平有0.2－2mg/ L的提升，亚硝酸盐、氮磷明显减少，表底层差异显著减小，消除跃层作用明显，底质环境得到改善，比上一年增产33.3%。并首次将这个系统大面积应用于北方冰下越冬池塘中。刘鹏飞等［18］、戴恒鑫等［19］、俞爱萍［20］都针对池塘河蟹养殖中使用微孔增氧进行了研究，并得出结论该技术对蟹池底层增氧效果明显，能改善水质，提高产量，增加效益。安徽省甘小顺［21］经实验证实，在高密度池塘养殖中，若是单用微孔增氧，结果在正常天气情况下鱼群也大量浮头，若是与叶轮式增氧机配合使用，能很好的起到增氧、降氨氮等作用。2009年福建省水产技术推广总站［22］在三元区淡水池塘养殖中进行了微孔增氧技术的试验示范，试验表明微孔增氧不仅可以直接向水体输送氧气，还能通过充气促进池塘水体上下交换，可对标准化水产养殖池塘经过改造后水深为2～3m的池塘底层进行增氧，可保持水质，提高鱼类成活率、规格和产量。2010年徐州市水产科学研究所在彩鲫苗种培育试验中进行了微孔增氧技术的试验示范，取得了良好的效果［23］。

但是，微孔曝气增氧机不具有应急增氧功能:微孔曝气设备原是污水好氧生物处理系统中一个重要的工艺设备，在城市污水和工业废水处理厂广泛应用［24］。当水底曝气增氧时，充足的氧可转化水底微生物分解物，使水体自我净化功能得到恢复，减少氨氮、硫化物、亚硝酸盐等有害物质的产生，使水体生态环境良性循环。但实测结果表明，因运行时曝气作用于整个养殖水体而增氧缓慢，没有形成水流，曝气式增氧机对水体没有搅拌作用。因此，该型式增氧机的“面增氧”工作方式在养殖水体缺氧时没有应急增氧作用;当晴好天气需要进行上层水体富氧层与下层水体欠氧层交换搅拌时，其也没有提水及搅拌能力［25］。因此，微孔曝气增氧机单独使用时，不合适四大家鱼等常规鱼种的养殖。因此，最好能配合其他增氧机一起使用。

目前，微孔增氧机已经列入了《国家支持推广的农业机械产品目录》，获农机补贴，主要设备:罗茨风机(空压机、滑片泵等)、微孔增氧盘(增氧管)、截止阀、排气阀、支架、通气主管、辅管、软管、接头等设备组成，另外配阀门定时开关，水质检测仪器等［26］。

1.6 螺旋桨式增氧机

目前，在水产养殖业应用较多的是叶轮式、水车式、喷水式和射流式增氧机等，这几种增氧机在增氧方面都能起到不错的作用与效果，但是以上几种增氧机在某些方面还是存在不足之处。例如叶轮式增氧机在运转中产生的噪声很大，水车式增氧机和射流式增氧机的市场占有率相对较少，前者主要应用于养虾、养鳗等水产品养殖中，后者主要是在特种水产品的养殖和工厂化养殖中应用的较多，主要的缺点表现在增氧能力方面与动力效率方面功效较差。螺旋桨式增氧机就是在以上几种增氧机的基础上进行改造而产生的。它的原理是将空气通过螺旋桨高速旋转所产生的负压吸入水中，并在高速水流的冲击下破碎成微小的高密度雾状气泡扩散至水体的中下层，这样，就极大地增加了气—液传质界面，且使气泡在水中停留的时间长，溶氧时间增加，使得空气能与水体充分混合，同时，气泡暴烈时产生大量负离子，起到充分溶氧和净化水质的作用。另一方面，由于螺旋桨的强大的推力，水流可将氧气送到35米开外的水中，形成动态富氧水流环绕整个水体，大流量的过饱和水流既促成水体中的高效率氧气交换，又形成模拟生态水流，将富氧水送至水体的各个角落，使死水变成活水［27］。

1.7 其他增氧方式

传统的增氧技术(如叶轮式、水车式增氧机)虽然对表层增氧效果较好，但存在增氧能力有限、底层增氧量低、增氧不均匀、能耗大、噪声大等诸多问题。

耕水机健康养殖技术是通过机器浆轮翼的旋转，生成围绕及其中心上升的循环水流和扩展到水面的水流，将水体底部的水引导提升到水面，经吸收氧气和阳光后再循环回水底。使水体充分暴晒于紫外线下，消除多种有害菌类和气体，通过水体的循环使水质明显改善、水体颜色明显变浅，水体溶氧总含量增多，上、中、下各层溶氧均匀度显著提高，鱼群浮头现象明显减少。同时促进水体中的有益藻和浮游生物的生长，形成完善的食物链，降低了饵料投放量，提高了饵料利用率，达到生态健康养殖的要求［28］。

生物净化方法是指利用生物的生命代谢活动来降低存在于环境中有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使受到污染的生态环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。它包括利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化水体和底泥中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，亦或将污染物稳定化，以减少其向周边环境的扩散［29］。不过，目前各种生物净化方法优缺并存，使用单一的生物净化方法难以达到全面净化水质的效果，比如，利用生物膜法能将水中有机物和氨氮分别降解、氧化为毒性相对较低的硝酸盐，使养殖水体得到一定程度的净化，但会导致硝酸盐的大量积累和溶氧及pH值的显著降低［31］［32］。因此，敬小军等［33］提出并构建了由水生高等植物、滤食性贝类和生物刷搭配的集成生物净化系统，通过三者所具有的不同水质净化功能，达到水质净化和废弃物再循环利用的目的。杨帆等［34］提出了利用水生植物增氧系统处理方法，建立了预测螺旋藻增氧效果的数学模型，该模型具有较高的预测可靠性，研究结果也表明螺旋藻增氧效果好。

另外，为适应工厂化水产养殖的需要，一些新的增氧技术越来越受到重视:陈友光等［35］研究了纯氧曝气锥的增氧规律，证明纯氧增氧的氧气利用率较高。张宇雷等［36］研究了低压纯氧增氧装置的工作性能、影响因素及试验条件。国外增氧技术的研究主要是利用富(纯)氧增氧［37］，在对水库、湖、河等增氧中，使用这种增氧方式效果良好。富(纯)氧增氧的氧源采用高压氧气、液氧或现场制备的富氧，通过改变气源，增加气液接触面积，提高增氧效率，降低能耗。同我国占绝大多数的机械式增氧设备相比，富(纯)氧增氧设备具有省电、结构简单，生产成本较低，增氧效率高等优点。贾惠文等［38］介绍了一种用于工厂化循环水养殖的纯氧增氧设备，利用射流器将水和纯氧混合后射入混合罐中，增加氧气与水的接触时间，并设有未溶解氧气的回收装置。通过在线自动检测溶解氧的变化，对射流器的主要尺寸进行优选，确定理想尺寸。通过溶解氧的变化监测试验，证明了纯氧增氧比空气增氧具有更大的优势。

刘松等［39］提出了超重力机增氧方式，它利用旋转可调的离心力场代替常规重力场，使得气液两相的相对速度大大提高，相界面更新加快，生产强度成倍提高，极大地强化了气液传质过程。研究表明，用超重力机进行水体增氧，测得溶解氧浓度最大值达25.92mg/L，比水车式增氧机高出许多，体现出超重力技术在水产养殖中的广阔应用前景。

这些研究为开发新型增氧设备奠定了基础。

1.8 混合增氧方式

不少养殖池塘利用装备结构和增氧机理上的差异，在同一养殖水域安装两种不同的增氧设备，优势互补、配合使用、混合增氧，取得了较为理想的增氧效果。如在翘嘴红鮊混养塘中，采用耕水机平衡增氧为主，叶轮式增氧为辅的混合增氧方式，同比增产11.3%［40］。

此外，有些养殖场把耕水机与底层微孔增氧设备或叶轮式与水车式增氧机配合使用，能取得较好的效果。魏珂等［41］在探究南美白对虾池塘养殖中合理的机械增氧模式时得出结论，在南美白对虾池塘养殖中，立体增氧模式明显优于单一增氧模式，尤以底充式和水车式结合的立体增氧模式效果最好。黑龙江牡丹江水产技术推广站［42］利用增氧剂和机械增氧相结合的方法进行增氧，可以很好的解决越冬鲤鱼大批死亡的问题。

2 增氧机械标准体系建设

水体溶解氧的调控是健康养殖系统中的关键技术之一。养殖水体普遍采用的增氧方式按照氧源划分为空气源增氧和氧气增氧。对于空气源增氧已有的标准是SC/T6009－1999《增氧机增氧能力试验方法》，这个标准规定了增氧机的试验条件、试验方法和结果计算方法，适用于增氧机的增氧能力和动力效率的检测。SC/T6010－2001《叶轮增氧机通用技术条件》和SC/T6017－1999《水车式增氧机》标准规定了两种增氧机的形式、基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志和包装等。

3 增氧机的使用原则

广大水产养殖户使用增氧机的目的有两个:一是增加水体中溶解的氧，一般用于夜间，因为夜间水体表面光合作用少，水体中含氧量会明显下降;二是促进上下水层的水体交换，一般用在白天，因为白天池塘中一般不会存在缺氧问题，而此时开启增氧机的目的基本是为了增加上、下水层的水体交换，改善池底水质环境。

李曼［43］、雷永富［44］和于建萍等［45］均研究了水中溶解氧的变化规律和增氧机的使用方法，总结了“三开三不开”和“六开三不开”的使用原则。主要如下:

(1)晴天中午开。在夏秋季节的中午，由于池塘的水温比较高，饲料的大量投喂会使水中有机物多、水质过肥、浮游植物丰富、透明度降低，导致池塘上下层的溶氧差别过大，这时应该开启增氧机1－2小时，使水体的上下层的水温和溶氧能够达到一致;

(2)阴天次日清晨开机。水体中的溶氧经过一夜的消耗，清晨前后的溶氧量最低，如果恰逢阴天，光合作用不强，此时必须开启增氧机，增加水体的溶氧;

(3)连绵阴雨天半夜开机。在连绵的阴雨天气，白天由于光照强度不足，浮游植物的光合作用弱，导致池塘溶氧低。在夜间，有机物的分解和其它的生物体大量消耗水体中的溶氧，一般在半夜或清晨1～2点，局部或者全池的鱼类会出现浮头现象，这时应该及时开增氧机，一直到鱼类不浮头时停机;

(4)天气变化发现鱼类浮头立即开机。

(5)其他情况。鱼类生长旺季天天开机;低温时节不必开机;阴雨天白天不开机;晴天傍晚不开机。

4 智能化增氧设备的发展

从以往的研究可以看出，各研究机构和研究人员对于增氧机的研究大都在于如何提高增氧机机械性能和传授使用经验，但对于现代渔业生产中如何科学、合理的使用增氧机械，降低能耗却很少进行较为严谨和科学的研究，车轩等［46］在中国主要水产养殖模式能耗调查研究中发现，估计由于养殖控制技术落后，造成增氧机械约有40%的时间处于“空”运转状态。

因此对于目前池塘养殖中大量使用的主要养殖装备池塘增氧机械，就如何提高使用效率，降低生产能耗的研究是十分必要的，这也将为新型的池塘增氧机械和增氧节能方式、方法的研究和开展池塘精准化、智能化增氧研究提供现实的指导意义。韩世成等［47］早在2004年就结合养殖池塘生物增氧的实际要求，研究了一种池塘增氧机自动控制系统，该系统能模拟人工对增氧机的工作状态进行适时控制，可根据用户的实际需要任意设定增氧时间与自动重复启动间隔时间，在断相、过载的情况下能自动切断电源，对增氧机电机起到保护作用。

但是由于无法准确判断溶氧含量，人工控制增氧机仍然存在着一定的盲目性，难以达到既让溶氧适度又能节约电能的目的，缺氧现象时有发生，残酷的教训触目惊心!要有效地解决鱼塘增氧问题，就应该发展智能式增氧机，即可实现自检测自控制开关的增氧机。该控制系统可大大方便人们的使用。近年来，朱明瑞［48］、朱又锦［49］、刘星桥［50］、俞红杰［51］和孙道宗［52］等对水产养殖中溶解氧的自动监控系统进行了大量的研究，刘兴国等［53］在池塘溶氧控制方面，已开展了具体的研究和实践，研究的溶解氧控制系统可控制下限为3mg/L，上限为5mg/L，并已在池塘养殖中得到实际运用，基本能满足池塘溶氧监测和控制的需要。王建喜等［54］提出了一种对溶解氧浓度实时监测的智能无线传感网络小型节点，并以此进行系统构建，包括监测网络体系结构、硬件结构及软件流程的总体方案设计。该系统可实时监测水体含氧量，具有增氧机自动开机、关机以及超限声光报警等功能，并可以与公用数据网络实现无缝对接，实现对大面积工厂化养殖的远程监控。该系统节能效果明显，具有重要的实用价值。并且已经有企业将此申请专利且投入实践生产，如郑州渔工电子科技公司研发了鱼塘全自动增氧控制器(溶解氧自动测控仪)并申请专利，能连续监测池塘的溶解氧和水温，当溶解氧降低时，增氧机启动，当溶解氧升高时，增氧机停止。

近几年，水产养殖面积不断扩大、单位面积产量不断提高，结构持续调整，在这样的背景下，机械增氧技术也呈现了新的变化趋势，增氧设备向节能低耗、高效可控方向发展。混合机械增氧技术得到应用与发展，微孔曝气增氧技术迅猛发展，科研人员在不断的探索新的增氧技术。当然增氧技术及设备的高速发展，有利有弊，在近几年水产养殖业持续发展的形势下，大量的新生企业加入增氧机生产行列，造成国内增氧机产品的质量有所下滑，这需要我国科研人员和企业共同努力促进高质量低耗能增氧机的开发。

(略)

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2015－10－22