水产养殖增氧设备特性分析和试验研究

黄盛杰，郑 巍，陈 智

（江苏省农业机械试验鉴定站，江苏 南京 210000）

1 机械增氧设备的发展现状

1976 年，第一台国产叶轮增氧机研发成功，通过机械方式搅动水体实现水层的对流，提高下层的贫氧区的溶解氧浓度，大大提高底层养殖水体的利用效率，增加水产放养密度，提高鱼类摄食能力，提升单位体积上的水产养殖性能。经过不断发展开发并广泛使用了具有不同性能和效率的不同类型的增氧设备，极大地促进了现代设施渔业的发展。

近年来，在主要的水产养殖模式中，利用增氧设备已成为主流，同时设备类型也变得多样化。在传统的叶轮式、水车式、喷射式、注气式增氧机的基础上，出现了新型的增氧机设备，如微孔增氧机和主动水机等。增氧设备具有较强的发展潜力，其适用范围和使用性能逐年扩大和提高。

2 增氧方法

2.1 化学增氧

优点：一般情况下，在通电困难和出现急性浮头时的塘口中使用。化学增氧剂能迅速减少应激，提高药效，快速增氧。

缺点：不宜在鱼苗培育的塘口使用，以防止鱼苗气泡病的发生。

2.2 机械增氧

优点：增氧机除了增加氧气外，还具有搅拌水和曝气的作用，促进浮游生物的繁殖和生长，提高池塘的初级生产率。

缺点：增氧区域仅限于某一区域，属于单点增氧。池塘底层溶解氧含量低，机械操作噪音大。

2.3 生物增氧

优点：植物通过光合作用，吸收水中的二氧化碳，释放氧气，而植物的生长需要吸收水中的一些营养物质，同时也起到改善水质和基质的作用。

缺点：水草容易疯长，影响池塘的光照强度，水草腐烂漂浮，导致池水变质。

3 增氧设备工作原理和主要类型

增氧机的作用是增加水中的溶解氧，主要影响因素有氧气的溶解度和溶解速率。溶解度受多方面因素的影响，比如水温、含盐量、氧分压等。溶解速率主要受水气界面接触面积和方式、水体运动方式的影响。因此，如果要增加水体中溶解氧含量，需要提高氧气的溶解度和溶解速率，即改变氧分压、水气界面接触面积和接触方式。考虑到这些因素，在增氧机的设计阶段可以考虑改进方式：①使用机械部件搅动水体，加快对流交换和界面更新。②水在喷入气相前要分解，以增加水气界面接触面积；③将气体以负压吸气的方式分解为微小气泡后压入水中。增氧机类型有很多，但都是按照上述的基本原理设计制造的。有的采用单一的方式增大溶氧量，有的采用两种以上的方式增加溶氧量。

3.1 叶轮式增氧机

3.1.1 叶轮式增氧机的工作原理

叶轮式增氧机是目前应用最广泛的增氧机，主要由电动机、减速箱、叶轮、支撑杆、浮球和电机罩等组成，具有搅水、增氧、混合、曝气的作用，机器运转的同时完成上述作用[1]。启动机器后，叶轮将机筒下部的贫氧水先吸进，再压出，这个过程可以将死水变为活水，而在叶轮下方的水受到叶片与管子的强烈搅动，在水体表面产生水跃及浪花，形成能裹入空气的水幕，这个过程不但可以增大水气界面接触面积，还可以使气液之间的双层膜变薄，从而促进氧气在空气中的溶解[2]。

混合时，水体中的污染物（例如硫化氢，氨，甲烷和二氧化硫）在曝气作用下从水中解吸后释放到空气中，搅水管的背面在叶轮旋转的同时产生负压，在负压作用下，空气吸入水中并立即搅拌成微气泡，以进入叶轮的压力区域，从而还有助于改善空气中的氧气溶解度并提高氧气效率。

由于下层中的水不断上升并与地表水混合，地表水不断更新，地表水由于重力而不断补充到下层。这一功能具有非常重要的意义，因为这样可以打破水体中溶解氧的垂直均匀性，而且能够充分利用水体中各供氧生物的作用

3.1.2 叶轮式增氧机的优缺点

3.1.2.1 优点

（1）除增加氧气外，还具有搅水、曝气的功能，有助于浮游植物的生长繁殖，增加富有植物供养能力，提高池塘初级生产力。

（2）机械构造相对简单，使用中机械故障少，维护更加方便，大大降低了了维修成本。

（3）增氧机运行过程中，形成的中上层水流可以使水体均匀溶氧，适用于池塘养殖和池塘急救设备。

3.1.2.2 缺点

（1）只能在平稳通电的情况下使用。在停电的偏远山区，安装电线的成本很高。

（2）通常，增氧机必须固定在池塘中的某个位置，很难改变其位置，并且增氧区域仅限于特定区域。如果在大池塘中使用，则增氧机对下部水体的影响很差。

（3）增氧机的浮筒常年暴露在空气中，它很容易被日光腐蚀和损坏，因此必须经常更换。

（4）属于单点增氧，并且机械操作噪音很大，很容易影响并伤害水生动物的生长。

（5）叶轮式增氧机易于泵送鱼池底部的泥浆，不适合在水位较浅的池塘中使用。

3.2 水车式增氧机

3.2.1 水车式增氧机的工作原理

水车式增氧机由电动机、减速箱、机架、浮筒、叶轮等部分组成，工作时，电动机提供动力，减速器降低转速。叶轮旋转时，叶片高速击打水面的同时激起水花，并将空气搅入水中，产生强大的作用。一方面，把表层的水压入池底，另一方面将水推向后流动。使水中的过饱和氨、二氧化碳、甲烷、硫化氢和其他有害气体逸出，以增加水中的氧气含量，改善水质，创造虾和鳗鱼良好的生态环境，促进其生长发育，防止浮头死亡，达到稳定高产的目的[3]。

3.2.2 水车式增氧机的优缺点

3.2.2.1 优点

（1）使用水车式增氧机，可以使水面保持流动状态，并且可以促进水体的水平和垂直方向均匀地溶解氧，特别适合于鳗鱼池[4]。也会导致水流定向流动，并能诱使鳗鱼上食台摄食。

（2）由于其叶轮速度不高，对底层上提升力不大，因此不会“拱池底”，可在1 m 水深左右的浅池子增氧。

（3）整机质量较轻，在比较大的水面上可以多装几台，并可进一步组织水流。

（4）结构较为简单，造价低，浅水池塘增氧效果好，也适用于淤泥较深的池塘。

（5）水车式增氧机在上层和中层具有很强的推流能力和一定的混合能力，可以使氧液接触面更好，增氧效率高。

3.2.2.2 缺点

（1）水车式增氧机对底层水上升提力不够大，对深水区增氧效果不理想。

（2）在鱼发生浮头时，水车式增氧机不适合用作急救。

4 实测试验与结果分析

4.1 试验条件

试验设备包括：YSI58 型数字式溶解氧测定仪、电子秒表、增氧机自动采样测试分析软件及计算机，试验样机采用3 kW 叶轮式增氧机、1.5 kW 水车式增氧机。试验时间为2019 年9 月，试验池塘选择某养殖试验基地1 号鱼塘，水面面积667 m2，平均水深1.7 m，混养草鱼、鲢鱼等。分别放置上述两种增氧机于池塘中部水面，在池塘对角线方向上离增氧机5、8、12 m 处选取3 个取样点，开机前后在3 个取样点上离水面0.9 m 深处采取水样，采用化学碘量法测定溶氧量的变化，计算出溶氧平均值并计算动力效率。

4.2 试验结果

溶解氧和动力效率是评价增氧机性能的主要指标，溶解氧指水体含氧量，动力效率指增氧机在使用1 度电的情况下，可以增加的水体含氧量，测定结果见图1、表1、表2。

表1 池塘溶氧测试情况

表2 增氧机增氧效果对比

从图1 和表1 可以直观地看出，在整个试验过程中，在不开启增氧机的情况下，池塘中的溶解氧从2.16 mg/L 下降到1.89 mg/L。叶轮式增氧机运营了3 h 后, 池塘中的溶解氧含量从2.22 mg/L 提高到4.10 mg/L，1 h 溶解氧的增加值约为0.63 mg/(L·h)。3 h 操作后，池塘中的溶解氧含量从2.20 mg/(L·h)提高到3.98 mg/(L·h)，1 h 溶解氧增值约为0.59 mg/(L·h)，两组增氧机的溶解氧含量均在不断增加。通过对比不难发现，增氧机的增氧效果非常明显。从表2 可以看出，叶轮式增氧机的效率高于水车式。

4.3 数据分析

查阅相关水产养殖文献可知，常见饲养最为广泛的青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼四种鱼类养殖需氧量为140～220 mg/(kg·h)，水体中溶解氧要求在4.0～4.5 mg/L[5]。通常情况下，养殖鱼池每667 m2产量在1 400 kg 左右，假设平均耗氧量为130 mg/(kg·h)，每667 m2总耗氧量约为1.80×106mg/h。养殖水深3 m，每667 m2水体体积约为1.334×106L，可以计算出单位时间内的单位体积水体中耗氧量为1.35 mg/(L·h)，叶轮式增氧机在每667 m2水体中增氧0.63 mg/(L·h)，水车式增氧机在每667 m2水体中增氧0.59 mg/(L·h)。可见，叶轮增氧机按水体平均增氧能力的理论计算值为四大家鱼的耗氧需求量的47%左右，水车式增氧机约为43%。

4.4 试验总结

在试验过程中，池内溶解氧受多种因素影响，试验条件不能完全准确地反映实际情况。为了尽可能接近理想条件，考虑了气候、温度和其他因素的影响，本试验基本上是在类似影响因素的条件下进行的，所有试验均在3：00～6：00 进行。此时，池塘中的浮游植物尚未进行光合作用，且池塘各深度层中溶解氧的差异相对较小。因此，水中溶解氧的增加基本上是增氧器中氧气富集的结果。

水产养殖中，水体中的氧气主要由浮游植物的光合作用、空气中的氧气溶解提供，一般条件下，浮游植物的光合作用对水体供氧所占比例最大，可以达到70%。叶轮式、水车式增氧机均以“点增氧”的工作方式来实现水体增氧。水体不同的缺氧状态下，需要增氧机发挥不同的作用，当阳光充足时，增氧机主要通过搅拌功能让水体溶解氧均匀；在夜晚或阴天，增氧机通过“点增氧”功能保证鱼类基本的氧需求；在养殖水体出现污染情况时，增氧机通过曝气功能净化水体。