养殖水体增氧机理与微孔管器水下曝气增氧技术 |
| 出处：《渔业致富指南》 作者： 中文资源在线官网网 2009-11-20 17:25:00 |
水体溶解氧是好氧水生生物赖以生存的必要条件。水体溶氧多少，对水质、中文资源在线官网业非常重要。有人测算，因缺氧而死亡的鱼类占总死亡数的60%，草鱼在5.5毫克/升溶氧的水体生长比2.7毫克/升增肉率提高9.88倍，饲料系数降低5.5倍。为了提高养殖水体增氧效果，推广好微孔管水下增氧技术，促进水产业的发展，本文就微孔管器水下曝气增氧的特点和优点、水体增氧的机理及对水质的影响、微孔管器水下曝气增氧技术进行粗略的研究与介绍，供参考。
一、微孔管器水下增氧的特点和优点
为了减少养殖对象的死亡，增加产量，提高效益，人们常常采用生物、化学、物理的方法向水体增氧。近年来，应用优质合成橡胶和配料制成的启闭式微孔曝气增氧管器是一种较好的增氧方式。
这种启闭式微孔管器与其它几种常见的增氧机比较，主要特点是能启闭、孔小、气泡小；主要优点有以下三条：
（一）、与水面增氧的各种增氧机比较，其主要优点是：微孔管器水下曝气增氧能使缺氧的水体下层较多的得到氧的补充，能使充入水体的空气均匀扩散到各个水层，能使底层在缺氧条件下产生的有毒气体加速向空气中扩散，能减少噪音对鱼类正常活动的干扰。
（二）、与气石等小、中、大曝气器或曝气管相比，微孔管器产生的气泡要小得多。气泡越小，气液接触面越大，在水中滞留的时间越长，增氧的效果越好。
（三）、与只能开不能闭的陶瓷、钛板等微孔曝气管器及穿孔管相比较，其主要优点是防堵性好，水反渗入管器内少，气体运行阻力小，能提高氧利用率1-3倍，并能节能、省本。
按要求安装的启闭式微孔管曝气增氧的效果是很明显的。2006年5月在南通启东一亩河蟹育苗池里安放70米长微孔管，晴天下午水体溶氧保持在7毫克/升以上，单产达到100公斤；2007年在射阳用大棚加启闭式微孔管水下曝气增氧繁育河蟹早苗，晴天下午溶氧在8毫克/升以上，亩产达84公斤；08年在如东东凌东华河蟹育苗场4亩试验池安装无锡产的启闭式微孔管水下曝气增氧培育河蟹大种苗，5月14日和15日下午5时测定, 溶氧达8.4毫克/升，亩均达70公斤，亩利润24562.3元，分别比本场其它条件相同的水车式增氧机增氧的苗池高1.8毫克/升氧，亩高50公斤苗、22566元利润，比一般未增氧的土池育苗高出更多，而且蟹苗病少、活泼、个体大、培育豆扣蟹种成活率高，能长大蟹，很受养蟹户欢迎。在今年苗价很低、滞销，在许多育苗场亏本的情况下，能取得这样高的效益是很不容易的。
目前市场上启闭式微孔增氧管器还有不少缺点，如搅动性差、安装不便，微孔不微，启易闭难等，仍需改进和提高。
二、水体增氧的机理及增氧对水质的影响
（一） 养殖水体为什么要曝气增氧
空气中氧气量一般在210ml/L，而淡水中溶解氧的饱和含量仅8～10ml/L,不足空气氧含量的1/20。海水中溶氧更少。水体特别是池塘则常常缺氧，其主要原因是物理、化学、生物作用产生不同大小的耗氧量，其中逸散于空气的为1.5%左右，养鱼耗损为5～15%，其它生物呼吸和有机分解为80～90%。因缺氧致死的鱼类较多，因而需要曝气增氧。
（二）为什么水体曝气能增氧
按照双膜理论，在气——液界面，有两个膜，一个气膜和一个液膜，当气体分子穿过气相主体和液相主体间的气膜和液膜时，就产生了传递阻力。对于气体由气相向液相传递时，难溶气体传递时所遇到的阻力主要来自液膜，易溶气体所遇到的阻力则主要来自气膜，而中等溶解度的气体所遇到的阻力则来自气膜和液膜两者。（见图）。
双膜理论认为，氧的传递速率正比于氧在液膜中的浓度梯度。要提高氧转移速率，可以从两方 面考虑。
1、因为氧总转移系数KLa值与液膜厚度、气液接触面积有关，所以可以通过加强液相主体的紊流程度，降低液膜厚度，加速气液界面的更新，增大气液接触面积等措施来提高KLa值。
2、可以通过提高气相中的氧分压，增大液相中的ρs值（氧在液体中的饱和度。kg/m3），提高氧转移速率。
（三）为什么要进行水下增氧
因为养殖水体内表层水中溶氧较多，有时饱和度高达200%以上，底层水中溶氧较少，饱和度约为40～80%，如水体中有稳定的温跃层，底层溶氧会更低，甚至为零。在中层水溶解氧随水深增加而相应减少，因而中下层水易缺氧，对养殖底层鱼类多的水体，进行水下增氧尤为必要。
（四）为什么提倡微孔管器水下曝气增氧
鼓风曝气扩散管器孔可分成微、小、中、大四种，其气泡直径分别为0.1mm 、1.5mm以下、2～3mm和15mm。微孔管器扩出的气泡比“小、中、大”小得多，而微气泡上浮速度低，水越深接触水体时间越长，汽液面越大，传递速率越高；大气泡则相反。根据氧在水中溶解传递速率可扩散理论，氧的传递速率与扩散管器产生的气泡直径成反比，所以提倡微孔管水下曝气增氧。
（五）为什么溶氧动态能影响水质
氧的电负性为3.5,对电导有较强的亲和力，在反应中表现为强氧化剂。在酸、碱溶液中，氧的电对反应如式：
O2＋4H+＋4e＝2H2O
O2＋2H2O＋4e＝4OH－
标准氧化还原电位分别为＋1.23伏与0.41伏，和天然水中其他电对比较，O2浓度较大，电位较高，是水中最强有力的氧化剂，也是生物氧化反应中重要的氧化剂，对变价元素动态影响大，它作为受氢体，使有机物质能进行有氧呼吸，脱氢氧化，释放出生命必须的能量，这是好气性生物绝不可少的。
O2的这些性质、动态对水的化学及生物学性质有重要影响。
1、决定水质及底质氧化还原条件
溶氧含量高时，则水质底质呈氧化状态，氧化还原电位高，变价元素多以高价态存在；如天然水中常见的氧化态物质：O2、So4-2、No3-、PO43-以及Fe3+、Mn4+、Cu2+、Zn2+等金属离子；溶氧低时，则相反。天然水中常见处于还原状态的无机物质：CL—、Br－、F－、N2、NH3、 No2－、H2S、CH4等。如水中严重缺氧时，有机分解的最终还原物为：NH3、H2S、CH4等。有些元素常以多种形态在水中同时存在，如氮元素常有四种存在形式：NO3－、NO2－、N2、NH3。在未受污染溶氧丰富的水中，氮元素则主要以高价的No3－存在。所以，在溶氧从高变低时，水质、底质也从氧化状态变为还原状态，变价元素发生氧化还原反应。
对破坏大的有机分子，“电子槽”的冲击基团从分子构架中吸取，有机物被氧化分裂成较小的碎片，冲击基团被还原。氧是最普通、最强的“电子槽”。
2、水体氧化分解状况对产生有益和有害物质的影响
在氧气丰富的水体中，有机物氧化则较完全，最终产物为CO2、H2O、NO3－、SO42－等无毒物质；反之，在缺氧条件下，有机物氧化则不完全，会有有机酸及胺类等有毒有害物质产生。
3、对好气嫌气性微生物活动的影响
溶氧多时，生物有足够O2作为受氢体，则进行有氧呼吸。好气生物可以顺利活动，它们对有机物的氧化分解较迅速彻底，最终产物对生物无害。相反，若水中溶氧不足，生物只好用一些无机物(NO3－、SO42－、CO32－等）或有机物代替O2作为受氢体，进行无氧呼吸。这时只有嫌气性或兼性嫌气性微生物才能正常活动。它们分解有机物速率较慢，能量效率较低，产物多为还原态（如H2S、NH4、CH4等）对鱼类及其饵料生物有毒害作用或不良影响。
三、微孔管水下曝气增氧技术
（一）、根据水体溶氧分布变化的规律增氧，
怎么样使微孔管器增氧的效果更好，首先要了解水体溶氧分布变化的规律，并按照规律来增氧。
甲、溶氧分布变化的规律
１、溶解氧的日变化与日较差
（1）上层水溶氧量昼夜变化大
溶氧日出之前出现极小值，日落之前出现极大值，也就是说，从日出到日落溶氧逐渐增高至最大值。而日落后的整个黑夜，溶氧则从最大值不断降低，到早晨日出前又达到最小值，如此循环不已，变化不息。
溶氧最大值和最小值出现的具体时间与光照、温度有关。寒季，溶氧最大值常会提前2～4小时出现，最小值则往往会推迟1～2小时出现。
（2）溶氧日较差
溶氧日变化的最大值与最小值之差称为“昼夜变化幅度”，简称“日较差”。日较差的大小，主要与水体的生产性能有关。一般规律为：A.其它条件相同或相近时，水体越肥，水中浮游植物密度越大，溶氧日较差就越大；B.生物与肥料条件相同或相似时，水温高，光照强度大，光合作用大，溶氧与日较差值也大。一年之中，以夏季的日较差最大，最高溶氧可达饱和度的120%以上，最低溶氧在饱和度20%以下，严重时引起鱼、贝类大量死亡。
（3）底层水溶氧日变化
底层水是阳光不足，透明度较小的水体，其光合作用白天也不能正常进行，溶氧主要靠水团运动，分子扩散，从表层向底层增补溶氧，底层溶氧量比表层少得多，而耗氧作用则日夜照样进行，强度变化不大。饱和度较低，溶氧量变化同前。
2、溶氧的垂直分布
以池塘为例来分析一下：
（1）中、下午
中、下午溶氧垂直分布情况：表层水溶氧多，饱和度高达200%以上，底层水溶氧少，饱和度多为40～80%，有时更低。在中层水中，溶氧随深度增大急剧减少，形成一个“跃变层”。常常是中午12时溶氧最大值不出现在表水层，而出现在次表水层。这是因为：①表层氧要逸散出部分氧到空气中；②最表层光过强，会抑制浮游植物的光合作用，产O2减少，此时次表层水光强合适，产O2就多，所以，溶氧最大值出现在该水层；同时，表层水吸收太阳光能，水温上升，比热大，导热小，因此在表、底层之间出现跃温层。如无外力打破这种分层状态，表层O2就难以流至底层，靠向下自然扩散，则太慢、太少，加之表层水沉落下来的浮游生物残骸、有机碎屑等进入并大量滞留跃温层，细菌大量繁殖，分解有机物，耗O2量大，则溶氧进入中下层的量就更少，速度更慢。
（2）水层差
溶氧垂直分布极大值与极小值之差称为“水层差”，其值大小决定于水体生产性能与分层流转情况，在夏季水体初级生产力越高，水层差就越大，底层水往往缺氧，水的垂直对流则使水层差减少以至消除。
（3）天黑以后的溶氧变化
夜里，特别是下半夜，由于表层水溶氧浓度不断下降，密度增大，表、底层水密度差消失，甚至上重下轻，发生垂直对流或在风力吹动下，循环流转，混合均匀，使溶氧垂直分布均化。水体过深或地形复杂，即使有风，底层水也常为缺O2状态。
3、溶氧水平分布
池塘中溶氧水平分布，主要取决于风向风力。
无风时，垂直分布不均一，水平分布则大体均匀；有风时，由于风力作用，下风处的浮游生物密度比上风处大，同时风力引起的波浪也是下风处大，因此白天下风处浮游植物光合作用产生的氧和从空气中溶入的氧都比上风处高，上、下水层都是这样。如果底层水中溶氧极少，那么，在上风沿岸水中的鱼、贝类，就有缺氧死亡的危险。
清晨溶氧的水平变化恰恰与中午相反，是上风处溶氧高于下风处。这是由于下风处浮游生物和有机物比上风处多，因此夜间下风处耗氧比上风处高。所以清晨鱼浮头时，一般总是趋向上风面。大水面网箱养鱼，当水流通不好时，箱内因放养鱼密度过大，尽管箱外水中溶氧很多，但箱内溶氧含量仍会很低，鱼会因缺氧窒息，而大批死亡。
4、深氧季节变化
池水溶氧的季节变化，夏、秋季溶氧高低的差别比较大，白天池塘上层溶氧往往超过饱和度，而下层溶氧很低，上、下水层氧差很大；夜间特别黎明前池塘溶氧很低，故容易发生鱼类浮头现象。在水温较低的季节，由于池中浮游植物少，光照强度低，不会常出现溶氧的过饱和现象，氧量高低差也较小。
乙、根据溶氧分布变化的规律增氧
1、要科学确定开机增氧的时间和时段，如水体上层溶氧在日出之前出现极小值，应在此之前1～2小时开机增氧至早上日出后；日落之前溶氧出现极大值，晴天下午就可停止增氧；
2、根据天气情况增氧，晴天中午、阴天清晨、连绵阴雨半夜都要增氧，傍晚不增；天气闷热开机时间长，天气凉爽开机时间要短；
3、视溶氧分布状况增氧，如无风时，注意在水体下层增氧；白天有风阳光普照时，注意在上风处增氧，清晨则相反，应在下风处增氧，等等。
４、视鱼类活动情况增氧，如鱼浮头，虾、蟹上草上岸，经测定，溶氧过低，应及时开机增氧；经常保持鱼塘溶氧在5毫克/升以上。
（二）微孔管器水下曝气增氧技术
目前增氧的方法较多，能节能、省本，效果较佳的是优质合成橡胶微孔管器水下曝气增氧。这里着重介绍这种增氧技术。
１、作好准备工作
（1）确定增氧的水面，并接通电路；
（2）整平准备放置增氧管道的塘埂；
（3）准备好固定管道和曝气管的小竹杆或小木棍或砖头；
（4）买好与曝气管器相匹配的主管和支管；
（5）买好足够的双接头或三接头及控制支管道的开关；
（6）根据需要增氧的水面选购好鼓风机。一般每30～40亩配3kw~5.5kw的罗茨鼓风机一台；
（7）准备好安装的工具，如：锯、钻床、胶等；
（8）买一台测氧仪，以便及时测定水体溶氧的变化，保证准确地按需开机增氧。
2、微孔管器水下曝气的方式与安装
目前曝气增氧设备安装的方式主要有以下三种：
（1）长条式
长条式增氧系统是用较长（一般是5～50米）的微孔增氧管布设在池塘底层，固定并连接到输气的塑料软支管上，支管再连接主管。要求微孔曝气管距池底10～15cm，呈水平或终端稍高于进气端。鼓风机开机后，空气便从主管、支管、微孔曝气管扩散于水体，实现增氧。如双塘增氧管道布置为三级：风机—主管—支管（软）—微孔曝气管。单塘仍然是三级管网，但主管只一边接支管。多塘管网分四级：风机—主管—支管—连接管（软）—曝气管。下面是双塘和多塘示意图：
（2）短条式：
短条式增氧系统也是三级，即主管—支管及固于其上的接头—微孔曝气管。支管长度不宜超过60米。与长条式不同的有两点：一是支管道上每隔3米有固定的接头连接微孔曝气管；二是微孔曝气管较短，一般在15～50cm。其优点是用微孔管少，省本，安装方便。但曝气量少且气泡大，相似泡气石。今后仍要作较大改进。
（3）圆盘式：
目前有两种圆盘式曝气器，一种是橡胶膜盘型曝气器，用激光打孔，每盘按其服务面积大小等距离固定在充气的管道上曝气。这种曝气器主要是用在较深的污水池里处理污水；另一种圆盘曝气器，其制作方法是用钢筋或塑料先制成圆形框架，框架大小依准备安放微孔管的长度而定，管一般是30～50米长，圆盘直径1～1.5米，把微孔管固定在框架内，进气管口留在圆盘中间，与支管连接进气，终端口封死，用支架和绳子吊入底层水中。曝气流程仍是风机或空压机—主管—支管—连接软管—圆盘内的微孔曝气管。这种形式在水深的池塘应用效果明显，特别是工厂化养殖。如无锡一个美国鲥鱼养殖场，用微孔管制成的圆盘曝气器增氧，创造了亩效益数十万元的好成绩。
3、安装布置微孔曝气系统的几个问题
（1）规格应用问题：
水体状况和深浅对微孔管管径大小的要求是不一样的，如水深1.5～3米之间的露天养殖水体，用外直径14mm、内直径10mm的微孔管，每根管长度不超过50米；工厂化养殖水体，水深3～4米的，用外直径14～14.5mm，内直径10mm微孔管，管长不超过50米；水深1.5米以下的大水面，用外直径17mm，内直径12mm的微孔管，管长不超过60米；城乡污水处理用外径28mm，内径21mm的微孔管，长度依需而定；主管、支管和连接管内直径大小依微孔管内直径大小和所增氧的面积而定。如露天养殖水体，双塘主管内直径一般为4~5cm，多塘为5-6cm。环保用的再大些.所有主、支管的管壁厚度都要能打孔固定接头。
（2）每亩水面用多长微孔管较恰当
要做到“较恰当”需要考虑许多问题，如养殖对象对水体溶氧量的要求，水体溶氧收支状况，在一定条件下单位长度的微孔管在单位时间内的曝气量和氧的溶解量等等。根据概算，1.5米以上深的每亩精养塘约需40-70米长的微孔管（内外直径10和14mm）。在水体溶氧低于4mg/l时，开机曝气2个小时能提高到5mg/l以上。
（3）微孔管长条式布置的平均间距怎么确定
举个例子来说，一河蟹塘面积4亩，长100米，宽26.7米，现有微孔管280米，横向布管，管长20米，管距为100÷（280÷20）＝7.14米。
（4）布管水平调节
有两种情况两种调节法，一种是在清塘后布管，按塘底余水水平线布管；另一种是在塘水多时布管，采用水平法调平。如池水深1米，曝气管要布在离池底10cm处，也可以说要布在水平线下90cm处，这样我们可用两根长1.2米以上的竹杆，把微孔管分别固定在竹杆的由下向上的30cm处，而后再向上在90cm处打一个记号，再后两人各抓一根竹杆，各向池塘两边把微孔管拉紧后将竹杆插入塘底，直至打记号处到水平为止。如果塘底深浅不在一个水平线上，则以浅的一边为准布管。
（5）风机的选择与安装
一般选罗茨鼓风机或空压机。风机功率大小依水面面积而定，如15-20亩（2～3个塘）可选3kw一台，30-40亩（5～6个塘）可选5.5kw一台。空压机功率应大一些。风机应安装在主管道中间，为便于连接主管道、降低风机产生的热量和风压，可在风机出气口处安装一只有2～3个接头的旧油桶（不能漏气）。
4、要防止氮氧等气体中毒。
空气中氮占78.10%，氧占20.93%，其它还有氩、二氧化碳等气体。当水体氧少，分压低，空气与水面接触、水体充气，不可避免地会有N2等气体入水，N2达到饱和度（2～3毫克/升）就会引起鱼类气泡病，甚至N2蓄积在鱼的血液和组织中，血液循环停止而致死。但是N2在水中溶解度很小，活动性也很小，对水中生物很少造成直接影响，只要应用微孔管器水下增氧技术，增加水与气体接触面，就能放出水体中过多的N2，避免危害鱼类。
氧气饱和度超过250%时（很少见）也会使鱼血液内氧过饱和，肠道出现气泡上浮，或在鱼体表或鳍条组织内和鳃丝附着许多小气泡，下沉不了而死。加纯氧运输的氧气袋内鱼苗易得此病，应加注意。
5、微孔管器水下曝气增氧日常管理
（1）经常巡塘检查，如发现增氧设施运转有故障或有损坏，应立即报修。
（2）检测水质，如溶氧状况，充氧效果，可用溶氧仪定时测定，并做好记录，以便采取相应措施。
6、微孔增氧管器的维护
1、微孔管器不能露在水面上，不能靠近底泥；否则，应及时调整；
2、如发现微孔管器曝气不正常应及时检修；
3、池塘使用此微孔增氧管器一般三个月不会堵塞，如因藻类附着过多而堵塞，捞起晒一天，轻打抖落附着物，或用20%的洗衣粉浸泡一个小时后清洗干净，晾干再用。
长江特水生物工程研究所 林乐峰 冉炜 冯宪章
通联：南京农业大学44号信箱 邮编：210095
电话：025-84396853
参考文献
１、苏固源主编：水污染控制工程，高等教育出版社 2006
２、刘健康主编：高级水生生物学，科学出版社 1999
３、赵玉峰等编：现代生活中的污染与防治，化学工业出版社 2004
４、肖羽堂著：弹性填料富氧曝气生物予处理技术，中国建筑工业出版社 2007
５、杨洪等编：淡水养殖水体水质的调挖和管理，中国农业科学技术出版社 2005
６、黄发源主编：淡水养殖水化学，高等教育出版社 1992
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