工厂化循环水养殖增氧系统设计

循环水养殖模能够实现高密度、高产出是与功能强大的增氧系统存在着紧密的内在联系。在高密度循环水养殖环境中，数量众多的鱼虾等养殖生物高度聚集于相对有限的水体空间范围内。这些养殖生物的呼吸代谢活动会致使水体中的溶解氧被快速消耗，进而使得水体溶氧量极易降低至威胁养殖生物生存的危险阈值。

强大的增氧系统在这一过程中发挥着不可或缺的关键作用。其通过持续稳定地向水体中输送充足的氧气，精准维持水体中适宜的溶解氧浓度。适宜的溶氧环境为养殖生物的正常生理活动提供了必要条件，确保其新陈代谢过程得以顺利进行，从而促进养殖生物健康生长、高效育肥。此外，充足的溶氧还有助于增强养殖生物的机体免疫力，降低疾病的发生率。

综上所述，稳定且高效的增氧系统是循环水养殖模式实现高密度养殖的重要保障。凭借这一关键要素，循环水养殖能够在可控的风险范围内提高养殖密度，实现养殖产量的显著提升，最终创造出可观的经济效益与社会效益，推动水产养殖行业的可持续发展 。

一、水体中的溶解氧

溶解氧，简单来说，就是溶解到水中的分子态氧。它以气体分子的形式均匀分散在水体之中，其含量的多少受到多种因素影响，比如水温、气压、水的盐度以及水体的流动状态等。通常情况下，在标准大气压下，水温越低、盐度越低且水体流动性越好时，水中能够容纳的溶解氧含量相对越高；反之，水温升高、盐度增加或者水体相对静止时，溶解氧含量往往会降低。

以下是不同水温下饱和氧的关系表：

水温（℃）

饱和溶解氧（mg/L）

水温（℃）

饱和溶解氧（mg/L）

0

14.64

18

9.46

1

14.22

19

9.27

2

13.82

20

9.08

3

13.44

21

8.9

4

13.09

22

8.73

5

12.74

23

8.57

6

12.42

24

8.41

7

12.11

25

8.25

8

11.81

26

8.11

9

11.53

27

7.96

10

11.26

28

7.82

11

11.01

29

7.69

12

10.77

30

7.56

13

10.53

31

7.43

14

10.3

32

7.3

15

10.08

33

7.18

16

9.86

34

7.07

17

9.66

35

6.95

溶解氧是水生生物生存的必要条件之一，对于它们的整个生命活动过程起着至关重要的作用。

呼吸作用保障

水生生物和陆地上的生物一样，需要通过呼吸作用来获取能量，维持生命活动的正常运转。鱼类、虾类、贝类等水生动物依靠鳃等呼吸器官从水中摄取溶解氧，使其进入体内参与细胞的呼吸代谢过程，将摄入的食物进行氧化分解，释放出能量，用于生长、繁殖、运动等各项生理活动。如果水中溶解氧不足，它们的呼吸就会受到抑制，进而导致新陈代谢减缓，生长发育受阻，严重时甚至会因缺氧而死亡。

维持生理机能稳定

合适的溶解氧水平有助于维持水生生物体内各种生理机能处于稳定状态。例如，充足的溶解氧可以保证水生生物的免疫系统正常发挥作用，增强它们对病原体的抵抗力，减少疾病的发生。

二、不同养殖动物对溶氧的需求

循环水养殖中不同养殖品种对溶解氧的需求差异，在循环水养殖这一相对封闭且人工可控的养殖模式下，不同的养殖品种因其自身生理特性、生活习性以及生长特点等因素，对溶解氧有着不同的需求。

鱼类方面

1、冷水性鱼类：

像三文鱼、虹鳟鱼这类冷水性鱼类，通常适宜生活在水温较低的水体环境中，它们对溶解氧的要求相对较高。一般来说，其养殖水体中的溶解氧含量需保持在 8 - 12mg/L 左右，才能满足它们旺盛的新陈代谢需求，确保其快速生长以及维持良好的健康状态。

2、温水性鱼类：

例如鲈鱼、鳜鱼等常见的温水性鱼类，它们适宜的水温范围相对较宽，对溶解氧的需求一般维持在 5 - 8mg/L 之间。在这个溶解氧区间内，它们能够正常地摄食、消化以及进行繁殖等活动。

3、热带鱼类：像石斑鱼等热带鱼类，虽然它们生活在水温较高的环境中，但对溶解氧的需求同样不容忽视，通常要求养殖水体的溶解氧含量在 6 - 9mg/L 左右。

虾类方面：

1、南美白对虾：这是目前全球养殖规模较大的虾类品种之一，在循环水养殖时，对溶解氧的要求较为严格，养殖水体中的溶解氧含量最好能保持在 5 - 7mg/L 之间。南美白对虾生长速度快、养殖密度往往较高，而且它们的呼吸器官相对脆弱，较低的溶解氧水平很容易导致其出现缺氧浮头现象，进而影响生长和引发疾病，所以需要时刻关注并维持适宜的溶氧环境。

2、斑节对虾：斑节对虾体型较大，活动能力强，其对溶解氧的需求一般在 4 - 6mg/L 左右。不过，在其生长的不同阶段以及不同的养殖密度下，对溶解氧的要求也会有所变化，比如在幼虾阶段或者养殖密度增大时，应尽量保证溶解氧靠近较高的区间，以保障其健康生长和良好的蜕壳过程。

总之，在循环水养殖过程中，充分了解不同养殖品种对溶解氧的需求差异，通过科学合理地配置增氧系统、调控养殖环境等措施，精准维持水体中合适的溶解氧含量，是保障养殖生物健康生长、提高养殖效益的关键所在。

三、循环水养殖中的氧消耗

在循环水养殖中，有多个环节会消耗氧气，以下是主要的耗氧环节：

鱼呼吸作用

水生生物呼吸是最主要的耗氧环节。鱼通过鳃从水中摄取溶解氧，用于细胞呼吸，以维持生命活动，包括生长、运动、消化等各种生理过程。不同规格、不同生长阶段的鱼耗氧率不同。一般来说，鱼的规格越大、活动越频繁，其单位体重的耗氧量越高。以鲈鱼为例，鲈鱼基础代谢与活动耗氧如下：

幼鱼（50g）：20°C时，耗氧率约为200-300 mg O₂/kg鱼/小时；

成鱼（1kg）：20°C时，耗氧率降至100-150 mg O₂/kg鱼/小时。

温度影响：水温每升高1°C，鲈鱼代谢率约增加10%。25°C时耗氧量可能比15°C时高50%以上。投喂后2-3小时内，鲈鱼消化食物会导致耗氧量短暂增加20%-30%。环境应激（如水质波动、高密度拥挤）可能使耗氧量额外增加10%-15%。

微生物分解有机物

在循环水养殖系统中，残饵和鱼粪便等有机物会不断积累。这些有机物会被微生物分解，这是一个耗氧过程。微生物主要是细菌、真菌等，它们利用有机物作为碳源和能源，在有氧条件下进行分解代谢。残饵和粪便的分解导致化学需氧量（COD）升高。1kg有机物的完全分解约需1.5kg氧气

水化学氧化反应

循环水养殖水体中存在一些还原性物质，如氨氮、亚硝酸盐等，它们会与水中的溶解氧发生氧化反应。以亚硝酸盐为例，在有氧条件下，亚硝酸盐会被氧化为硝酸盐。如果养殖水体中亚硝酸盐浓度较高，这种氧化反应会消耗较多的溶解氧。鲈鱼排泄的氨氮（NH₃/NH₄⁺）通过硝化细菌转化为硝酸盐，每克氨氮需4.3g氧气

四、增氧系统的主要设备

增氧系统依据不同的分类标准，有着多样的类型，其中按增氧方式可分为增氧锥和纳米曝气盘，按氧源可分为制氧机和液氧罐。

按照增氧方式分类

1、增氧锥

增氧锥外形通常呈圆锥状，工作时，循环水会以特定的流速和压力进入增氧锥，与此同时，氧气从特定的进气口被引入。在增氧锥内部，水流形成高速旋转和紊流状态，使得氧气能够与水充分地接触、混合。这种剧烈的搅动和混合作用，极大地提高了氧气在水中的溶解效率，短时间内就能让水体中的溶氧量显著提升。

2、纳米曝气盘

纳米曝气盘则是依靠释放微小气泡来实现增氧目的。它一般是通过特殊的材料和工艺制作而成，盘体上分布着众多细密的气孔。当氧气通过这些气孔进入水体时，会形成直径极小的纳米级气泡。这些微小气泡具有极大的比表面积，在水体中上升的速度缓慢，能够长时间地悬浮在水中，从而有充足的时间与水体进行氧气交换。这就意味着纳米曝气盘能够使氧气在整个养殖水体中均匀地扩散开来，让每一处的水体溶氧都能得到有效提升，避免出现局部溶氧不均的情况。在大型的循环水养殖池塘或者养殖车间中，多个纳米曝气盘协同工作，可以营造出一个全方位、稳定且均匀的溶氧环境。以下用表格方式对比两种增氧方式的特点：

增氧方式

增氧锥

纳米曝气盘

增氧效率

能在短时间内将水体中的溶氧量提升至较高水平，氧气转移效率可达到 90%以上。

增氧速度相对较慢，但持续稳定，通过微小气泡长时间与水接触来逐渐增加溶氧量。

溶氧均匀性

局部增氧效果突出，但在整个养殖水体中可能存在溶氧不均匀的情况。

可使氧气在水体中均匀扩散，让各个水层的溶氧水平较为一致，有效避免局部缺氧。

适用场景

适合高密度、大规模的工厂化循环水养殖，对需要快速提升溶氧的区域。

适用于各种规模的循环水养殖系统，尤其对虾类等对溶氧均匀度要求高的养殖品种更为适用。

设备成本

设备购置成本较高，且需要。

设备成本相对较低，安装和操作较为简单，投资较小。

维护难度

结构相对复杂，需要专业人员进行安装和维护，定期检查和清洁也较为重要。

微孔容易被水中的杂质和沉淀物堵塞，需要定期清洗，维护工作相对繁琐。

按照氧源分类

1、制氧机

制氧机作为一种常见的氧源，其原理是利用空气分离技术，从空气中提取氧气并进行浓缩，最终输出高纯度的氧气供养殖水体使用。制氧机的优点众多，它的操作相对简便，只需接通电源，设置好相关参数，就可以稳定地制取氧气。而且，它可以根据养殖水体的实际溶氧需求，灵活地调整氧气的产量，适应性很强。对于一些中小规模的循环水养殖场来说，制氧机的成本效益比较高，前期投入相对不是特别巨大，后期维护也较为方便。

2、液氧罐

液氧罐则是储存液态氧的一种设备，通过气化装置将液态氧转化为气态氧后输送到养殖水体中进行增氧。液氧罐的最大特点在于其能够提供大量且高纯度的氧气，并且可以在停电情况下使用，这对于高密度、大规模的循环水养殖场景至关重要。

以下用表格方式对比两种供氧方式的特点

供氧方式

制氧机

液氧罐

氧气来源

通过空气分离技术，从空气中制取氧气。

以液态形式储存的氧气，通常由专业厂家生产和供应。

纯度

一般氧气浓度约在 93% 左右。

纯度高，通常可达 99% 以上。

初始投资

一次性投入较大，包括设备购置、安装调试等费用。

初期建设成本高，需要配备专门的液氧储存罐、汽化装置等设备。

运行成本

主要成本为电费，以及定期的维护保养费用，长期运行成本相对稳定。

单位成本随使用规模增加而降低，但需考虑液氧的采购成本和运输费用。

使用便捷性

部署灵活，可根据需求调节产氧量，操作相对简单，只需接通电源和水源即可运行。

需要专门的储存和汽化设备，安装和操作相对复杂，且液氧罐的更换或补充需要专业人员操作。

供氧稳定性

能持续稳定地供应氧气，不受外界氧气供应的影响，可根据养殖需求进行精准控制。

一旦安装调试完成，供氧稳定可靠，但如果液氧供应中断或储存设备出现故障，可能会影响供氧。

适用场景

适用于各种规模的循环水养殖系统，尤其适合对氧气纯度要求不是极高、长期稳定供氧需求的养殖场。

适合大规模、高密度的循环水养殖系统，对氧气纯度要求高、短期需要大量氧气的场景。

安全风险

相对安全，但需定期维护以确保设备正常运行，避免电气故障等潜在问题。

属于低温高压容器，存在一定的安全风险，需要严格遵守安全操作规程。

总之，在循环水养殖的增氧系统中，增氧锥、纳米曝气盘、制氧机和液氧罐各自有着独特的工作原理、特点及适用场景，养殖户需要根据自身的养殖规模、养殖品种以及经济实力等多方面因素综合考虑，选择最适合自己的增氧系统。

五、增氧系统的设计

增氧系统的设计

接下来举例说明如何计进行增氧系统的设计。假设300立方水体循环水养殖鲈鱼，养殖密度50㎏/立方米，投饵率3％，每天早上6点和18点投饵，养殖池现在溶氧8mg/l，tss：10mg/l，，循环水每小时的水150立方米经氧椎增氧达到10mg/l再流入养殖池，投饵量的25％形成固tss，循环水处理的去除率为70％，计算并列表每小时养殖池的溶氧量

1、水体体积：300 m³

总鱼重量：15,000 kg（密度 50 kg/m³）

投饵率：3%/天 → 每次投饵量 450 kg（6:00 和 18:00）

TSS生成率：投饵量的 25% → 每次新增 TSS 112.5 kg → 浓度 375 mg/L

2、循环水处理：每小时换水 150 m³（换水率 50%），TSS 去除率 70%

进水溶氧：10 mg/L（经氧椎增氧）

3、耗氧参数：

鱼类耗氧率：0.417 mg/L/h（15,000 kg × 8.33 mg/kg/h ÷ 300,000 L）

微生物耗氧率：TSS × 0.1 mg/L/h

4、TSS动态模型

非投饵时段：

每小时 TSS 衰减至前值的 15%（换水 50% 且去除 70%）。

TSSt+1=TSSt×0.15TSSt+1=TSSt×0.15

投饵时段（6:00 和 18:00）：

新增 TSS 经处理后剩余 56.25 mg/L（375 mg/L × 去除 70% × 换水 50%）。

TSS投饵后=56.25 mg/LTSS投饵后=56.25mg/L

5、溶氧平衡方程

换水混合溶氧：

DO混合=0.5×DOprev+0.5×10DO混合=0.5×DOprev+0.5×10

总耗氧率：

总耗氧率=0.417+(TSS×0.1)总耗氧率=0.417+(TSS×0.1)

新溶氧值：

DOnew=DO混合−总耗氧率DOnew=DO混合−总耗氧率

关键分析

1、溶氧波动：

投饵后溶氧最低值：6:00 和 18:00 投饵后，溶氧降至 5.87–6.19 mg/L，仍高于警戒线（4 mg/L）。

2、恢复能力：

通过氧锥补充溶氧，6 小时内恢复至 8.3–9.5 mg/L。

3、TSS控制：

循环水处理将投饵后的 TSS 峰值限制在 56.25 mg/L，微生物耗氧率 5.625 mg/L/h。

优化建议

1、动态调控：投饵后 2 小时内临时提高进水溶氧至 12 mg/L，溶氧可稳定在 8.0 mg/L 以上。

2、降低残饵率：若 TSS 生成率从 25% 降至 15%，溶氧波动范围缩小至 7.5–9.8 mg/L。

结论：

当前系统在进水溶氧10 mg/L 和循环水处理的条件下，溶氧可安全维持在 5.87–10.21 mg/L，无需额外增氧设备。

增氧设备选型

在投资条件允许的情况下，建议同时安装氧锥和纳米曝气盘，以兼顾高效增氧和应急需求。然而，如果二者只能选其一，建议优先选择纳米曝气盘，原因如下：

1、应急功能：

纳米曝气盘在停电时可通过备用电源运行，确保系统在突发情况下仍能维持基本溶解氧水平，避免鱼类缺氧死亡。

2、安装和维护简便：

纳米曝气盘安装简单，分布均匀，维护成本低。

3、适用性广：

纳米曝气盘适合中小型养殖系统，能够满足大多数养殖密度需求。

4、投资性价比高：

纳米曝气盘的初期投资和运行成本较低，适合预算有限的项目。

六、溶氧在线监测系统

溶氧在线监测系统可以实时监测水体中的溶氧含量，并将数据传输至数据处理层。在线溶氧监测系统可以与增氧设备联动，当溶氧含量低于预设下限阈值时，系统自动触发增氧设备开启；当溶氧含量达到或超过预设上限阈值时，系统控制增氧设备停止运行或降低增氧强度。

溶氧在线监测的作用

在循环水养殖系统中，溶氧（DO）在线监测是确保水质稳定和养殖生物健康的关键技术。 溶氧在线监测的重要性主要提醒在以下几个方面：

1、保障鱼类健康

溶氧是鱼类生存和生长的关键因素，低溶氧会导致鱼类窒息甚至死亡。

2、优化养殖效率

实时监测溶氧可以帮助调整曝气设备运行，降低能耗。

3、预防水质恶化

溶氧水平与微生物活动密切相关，低溶氧可能导致氨氮和亚硝酸盐积累。

4、数据记录与分析

在线监测系统可以记录历史数据，帮助分析水质变化趋势。

异常情况处理

1、报警机制

当溶氧数据超出预设的正常范围时，系统立即启动报警程序，通过电话、APP推送、声光报警等多种方式通知养殖人员。

2、应急措施

一旦检测到溶氧异常，自动增氧系统迅速做出响应，加大增氧力度或调整增氧设备运行模式，确保养殖生物的生存安全。同时，系统记录异常事件的详细信息，包括时间、异常值、处理措施等，以便后续追溯和分析。

聚

焦