養殖水體增氧機理與微孔管器水下曝氣增氧技術 |
| 出處：《漁業致富指南》 作者： 水產養殖網 2009-11-20 17:25:00 |
水體溶解氧是好氧水生生物賴以生存的必要條件。水體溶氧多少，對水質、水產養殖業非常重要。有人測算，因缺氧而死亡的魚類占總死亡數的60%，草魚在5.5毫克/升溶氧的水體生長比2.7毫克/升增肉率提高9.88倍，飼料系數降低5.5倍。為了提高養殖水體增氧效果，推廣好微孔管水下增氧技術，促進水產業的發展，本文就微孔管器水下曝氣增氧的特點和優點、水體增氧的機理及對水質的影響、微孔管器水下曝氣增氧技術進行粗略的研究與介紹，供參考。
一、微孔管器水下增氧的特點和優點
為了減少養殖對象的死亡，增加產量，提高效益，人們常常采用生物、化學、物理的方法向水體增氧。近年來，應用優質合成橡膠和配料制成的啟閉式微孔曝氣增氧管器是一種較好的增氧方式。
這種啟閉式微孔管器與其它幾種常見的增氧機比較，主要特點是能啟閉、孔小、氣泡??；主要優點有以下三條：
（一）、與水面增氧的各種增氧機比較，其主要優點是：微孔管器水下曝氣增氧能使缺氧的水體下層較多的得到氧的補充，能使充入水體的空氣均勻擴散到各個水層，能使底層在缺氧條件下產生的有毒氣體加速向空氣中擴散，能減少噪音對魚類正?；顒拥母蓴_。
（二）、與氣石等小、中、大曝氣器或曝氣管相比，微孔管器產生的氣泡要小得多。氣泡越小，氣液接觸面越大，在水中滯留的時間越長，增氧的效果越好。
（三）、與只能開不能閉的陶瓷、鈦板等微孔曝氣管器及穿孔管相比較，其主要優點是防堵性好，水反滲入管器內少，氣體運行阻力小，能提高氧利用率1-3倍，并能節能、省本。
按要求安裝的啟閉式微孔管曝氣增氧的效果是很明顯的。2006年5月在南通啟東一畝河蟹育苗池里安放70米長微孔管，晴天下午水體溶氧保持在7毫克/升以上，單產達到100公斤；2007年在射陽用大棚加啟閉式微孔管水下曝氣增氧繁育河蟹早苗，晴天下午溶氧在8毫克/升以上，畝產達84公斤；08年在如東東凌東華河蟹育苗場4畝試驗池安裝無錫產的啟閉式微孔管水下曝氣增氧培育河蟹大種苗，5月14日和15日下午5時測定, 溶氧達8.4毫克/升，畝均達70公斤，畝利潤24562.3元，分別比本場其它條件相同的水車式增氧機增氧的苗池高1.8毫克/升氧，畝高50公斤苗、22566元利潤，比一般未增氧的土池育苗高出更多，而且蟹苗病少、活潑、個體大、培育豆扣蟹種成活率高，能長大蟹，很受養蟹戶歡迎。在今年苗價很低、滯銷，在許多育苗場虧本的情況下，能取得這樣高的效益是很不容易的。
目前市場上啟閉式微孔增氧管器還有不少缺點，如攪動性差、安裝不便，微孔不微，啟易閉難等，仍需改進和提高。
二、水體增氧的機理及增氧對水質的影響
（一） 養殖水體為什么要曝氣增氧
空氣中氧氣量一般在210ml/L，而淡水中溶解氧的飽和含量僅8～10ml/L,不足空氣氧含量的1/20。海水中溶氧更少。水體特別是池塘則常常缺氧，其主要原因是物理、化學、生物作用產生不同大小的耗氧量，其中逸散于空氣的為1.5%左右，養魚耗損為5～15%，其它生物呼吸和有機分解為80～90%。因缺氧致死的魚類較多，因而需要曝氣增氧。
（二）為什么水體曝氣能增氧
按照雙膜理論，在氣——液界面，有兩個膜，一個氣膜和一個液膜，當氣體分子穿過氣相主體和液相主體間的氣膜和液膜時，就產生了傳遞阻力。對于氣體由氣相向液相傳遞時，難溶氣體傳遞時所遇到的阻力主要來自液膜，易溶氣體所遇到的阻力則主要來自氣膜，而中等溶解度的氣體所遇到的阻力則來自氣膜和液膜兩者。（見圖）。
雙膜理論認為，氧的傳遞速率正比于氧在液膜中的濃度梯度。要提高氧轉移速率，可以從兩方 面考慮。
1、因為氧總轉移系數KLa值與液膜厚度、氣液接觸面積有關，所以可以通過加強液相主體的紊流程度，降低液膜厚度，加速氣液界面的更新，增大氣液接觸面積等措施來提高KLa值。
2、可以通過提高氣相中的氧分壓，增大液相中的ρs值（氧在液體中的飽和度。kg/m3），提高氧轉移速率。
（三）為什么要進行水下增氧
因為養殖水體內表層水中溶氧較多，有時飽和度高達200%以上，底層水中溶氧較少，飽和度約為40～80%，如水體中有穩定的溫躍層，底層溶氧會更低，甚至為零。在中層水溶解氧隨水深增加而相應減少，因而中下層水易缺氧，對養殖底層魚類多的水體，進行水下增氧尤為必要。
（四）為什么提倡微孔管器水下曝氣增氧
鼓風曝氣擴散管器孔可分成微、小、中、大四種，其氣泡直徑分別為0.1mm 、1.5mm以下、2～3mm和15mm。微孔管器擴出的氣泡比“小、中、大”小得多，而微氣泡上浮速度低，水越深接觸水體時間越長，汽液面越大，傳遞速率越高；大氣泡則相反。根據氧在水中溶解傳遞速率可擴散理論，氧的傳遞速率與擴散管器產生的氣泡直徑成反比，所以提倡微孔管水下曝氣增氧。
（五）為什么溶氧動態能影響水質
氧的電負性為3.5,對電導有較強的親和力，在反應中表現為強氧化劑。在酸、堿溶液中，氧的電對反應如式：
O2＋4H+＋4e＝2H2O
O2＋2H2O＋4e＝4OH－
標準氧化還原電位分別為＋1.23伏與0.41伏，和天然水中其他電對比較，O2濃度較大，電位較高，是水中最強有力的氧化劑，也是生物氧化反應中重要的氧化劑，對變價元素動態影響大，它作為受氫體，使有機物質能進行有氧呼吸，脫氫氧化，釋放出生命必須的能量，這是好氣性生物絕不可少的。
O2的這些性質、動態對水的化學及生物學性質有重要影響。
1、決定水質及底質氧化還原條件
溶氧含量高時，則水質底質呈氧化狀態，氧化還原電位高，變價元素多以高價態存在；如天然水中常見的氧化態物質：O2、So4-2、No3-、PO43-以及Fe3+、Mn4+、Cu2+、Zn2+等金屬離子；溶氧低時，則相反。天然水中常見處于還原狀態的無機物質：CL—、Br－、F－、N2、NH3、 No2－、H2S、CH4等。如水中嚴重缺氧時，有機分解的最終還原物為：NH3、H2S、CH4等。有些元素常以多種形態在水中同時存在，如氮元素常有四種存在形式：NO3－、NO2－、N2、NH3。在未受污染溶氧豐富的水中，氮元素則主要以高價的No3－存在。所以，在溶氧從高變低時，水質、底質也從氧化狀態變為還原狀態，變價元素發生氧化還原反應。
對破壞大的有機分子，“電子槽”的沖擊基團從分子構架中吸取，有機物被氧化分裂成較小的碎片，沖擊基團被還原。氧是最普通、最強的“電子槽”。
2、水體氧化分解狀況對產生有益和有害物質的影響
在氧氣豐富的水體中，有機物氧化則較完全，最終產物為CO2、H2O、NO3－、SO42－等無毒物質；反之，在缺氧條件下，有機物氧化則不完全，會有有機酸及胺類等有毒有害物質產生。
3、對好氣嫌氣性微生物活動的影響
溶氧多時，生物有足夠O2作為受氫體，則進行有氧呼吸。好氣生物可以順利活動，它們對有機物的氧化分解較迅速徹底，最終產物對生物無害。相反，若水中溶氧不足，生物只好用一些無機物(NO3－、SO42－、CO32－等）或有機物代替O2作為受氫體，進行無氧呼吸。這時只有嫌氣性或兼性嫌氣性微生物才能正?；顒?。它們分解有機物速率較慢，能量效率較低，產物多為還原態（如H2S、NH4、CH4等）對魚類及其餌料生物有毒害作用或不良影響。
三、微孔管水下曝氣增氧技術
（一）、根據水體溶氧分布變化的規律增氧，
怎么樣使微孔管器增氧的效果更好，首先要了解水體溶氧分布變化的規律，并按照規律來增氧。
甲、溶氧分布變化的規律
１、溶解氧的日變化與日較差
（1）上層水溶氧量晝夜變化大
溶氧日出之前出現極小值，日落之前出現極大值，也就是說，從日出到日落溶氧逐漸增高至最大值。而日落后的整個黑夜，溶氧則從最大值不斷降低，到早晨日出前又達到最小值，如此循環不已，變化不息。
溶氧最大值和最小值出現的具體時間與光照、溫度有關。寒季，溶氧最大值常會提前2～4小時出現，最小值則往往會推遲1～2小時出現。
（2）溶氧日較差
溶氧日變化的最大值與最小值之差稱為“晝夜變化幅度”，簡稱“日較差”。日較差的大小，主要與水體的生產性能有關。一般規律為：A.其它條件相同或相近時，水體越肥，水中浮游植物密度越大，溶氧日較差就越大；B.生物與肥料條件相同或相似時，水溫高，光照強度大，光合作用大，溶氧與日較差值也大。一年之中，以夏季的日較差最大，最高溶氧可達飽和度的120%以上，最低溶氧在飽和度20%以下，嚴重時引起魚、貝類大量死亡。
（3）底層水溶氧日變化
底層水是陽光不足，透明度較小的水體，其光合作用白天也不能正常進行，溶氧主要靠水團運動，分子擴散，從表層向底層增補溶氧，底層溶氧量比表層少得多，而耗氧作用則日夜照樣進行，強度變化不大。飽和度較低，溶氧量變化同前。
2、溶氧的垂直分布
以池塘為例來分析一下：
（1）中、下午
中、下午溶氧垂直分布情況：表層水溶氧多，飽和度高達200%以上，底層水溶氧少，飽和度多為40～80%，有時更低。在中層水中，溶氧隨深度增大急劇減少，形成一個“躍變層”。常常是中午12時溶氧最大值不出現在表水層，而出現在次表水層。這是因為：①表層氧要逸散出部分氧到空氣中；②最表層光過強，會抑制浮游植物的光合作用，產O2減少，此時次表層水光強合適，產O2就多，所以，溶氧最大值出現在該水層；同時，表層水吸收太陽光能，水溫上升，比熱大，導熱小，因此在表、底層之間出現躍溫層。如無外力打破這種分層狀態，表層O2就難以流至底層，靠向下自然擴散，則太慢、太少，加之表層水沉落下來的浮游生物殘骸、有機碎屑等進入并大量滯留躍溫層，細菌大量繁殖，分解有機物，耗O2量大，則溶氧進入中下層的量就更少，速度更慢。
（2）水層差
溶氧垂直分布極大值與極小值之差稱為“水層差”，其值大小決定于水體生產性能與分層流轉情況，在夏季水體初級生產力越高，水層差就越大，底層水往往缺氧，水的垂直對流則使水層差減少以至消除。
（3）天黑以后的溶氧變化
夜里，特別是下半夜，由于表層水溶氧濃度不斷下降，密度增大，表、底層水密度差消失，甚至上重下輕，發生垂直對流或在風力吹動下，循環流轉，混合均勻，使溶氧垂直分布均化。水體過深或地形復雜，即使有風，底層水也常為缺O2狀態。
3、溶氧水平分布
池塘中溶氧水平分布，主要取決于風向風力。
無風時，垂直分布不均一，水平分布則大體均勻；有風時，由于風力作用，下風處的浮游生物密度比上風處大，同時風力引起的波浪也是下風處大，因此白天下風處浮游植物光合作用產生的氧和從空氣中溶入的氧都比上風處高，上、下水層都是這樣。如果底層水中溶氧極少，那么，在上風沿岸水中的魚、貝類，就有缺氧死亡的危險。
清晨溶氧的水平變化恰恰與中午相反，是上風處溶氧高于下風處。這是由于下風處浮游生物和有機物比上風處多，因此夜間下風處耗氧比上風處高。所以清晨魚浮頭時，一般總是趨向上風面。大水面網箱養魚，當水流通不好時，箱內因放養魚密度過大，盡管箱外水中溶氧很多，但箱內溶氧含量仍會很低，魚會因缺氧窒息，而大批死亡。
4、深氧季節變化
池水溶氧的季節變化，夏、秋季溶氧高低的差別比較大，白天池塘上層溶氧往往超過飽和度，而下層溶氧很低，上、下水層氧差很大；夜間特別黎明前池塘溶氧很低，故容易發生魚類浮頭現象。在水溫較低的季節，由于池中浮游植物少，光照強度低，不會常出現溶氧的過飽和現象，氧量高低差也較小。
乙、根據溶氧分布變化的規律增氧
1、要科學確定開機增氧的時間和時段，如水體上層溶氧在日出之前出現極小值，應在此之前1～2小時開機增氧至早上日出后；日落之前溶氧出現極大值，晴天下午就可停止增氧；
2、根據天氣情況增氧，晴天中午、陰天清晨、連綿陰雨半夜都要增氧，傍晚不增；天氣悶熱開機時間長，天氣涼爽開機時間要短；
3、視溶氧分布狀況增氧，如無風時，注意在水體下層增氧；白天有風陽光普照時，注意在上風處增氧，清晨則相反，應在下風處增氧，等等。
４、視魚類活動情況增氧，如魚浮頭，蝦、蟹上草上岸，經測定，溶氧過低，應及時開機增氧；經常保持魚塘溶氧在5毫克/升以上。
（二）微孔管器水下曝氣增氧技術
目前增氧的方法較多，能節能、省本，效果較佳的是優質合成橡膠微孔管器水下曝氣增氧。這里著重介紹這種增氧技術。
１、作好準備工作
（1）確定增氧的水面，并接通電路；
（2）整平準備放置增氧管道的塘??；
（3）準備好固定管道和曝氣管的小竹桿或小木棍或磚頭；
（4）買好與曝氣管器相匹配的主管和支管；
（5）買好足夠的雙接頭或三接頭及控制支管道的開關；
（6）根據需要增氧的水面選購好鼓風機。一般每30～40畝配3kw~5.5kw的羅茨鼓風機一臺；
（7）準備好安裝的工具，如：鋸、鉆床、膠等；
（8）買一臺測氧儀，以便及時測定水體溶氧的變化，保證準確地按需開機增氧。
2、微孔管器水下曝氣的方式與安裝
目前曝氣增氧設備安裝的方式主要有以下三種：
（1）長條式
長條式增氧系統是用較長（一般是5～50米）的微孔增氧管布設在池塘底層，固定并連接到輸氣的塑料軟支管上，支管再連接主管。要求微孔曝氣管距池底10～15cm，呈水平或終端稍高于進氣端。鼓風機開機后，空氣便從主管、支管、微孔曝氣管擴散于水體，實現增氧。如雙塘增氧管道布置為三級：風機—主管—支管（軟）—微孔曝氣管。單塘仍然是三級管網，但主管只一邊接支管。多塘管網分四級：風機—主管—支管—連接管（軟）—曝氣管。下面是雙塘和多塘示意圖：
（2）短條式：
短條式增氧系統也是三級，即主管—支管及固于其上的接頭—微孔曝氣管。支管長度不宜超過60米。與長條式不同的有兩點：一是支管道上每隔3米有固定的接頭連接微孔曝氣管；二是微孔曝氣管較短，一般在15～50cm。其優點是用微孔管少，省本，安裝方便。但曝氣量少且氣泡大，相似泡氣石。今后仍要作較大改進。
（3）圓盤式：
目前有兩種圓盤式曝氣器，一種是橡膠膜盤型曝氣器，用激光打孔，每盤按其服務面積大小等距離固定在充氣的管道上曝氣。這種曝氣器主要是用在較深的污水池里處理污水；另一種圓盤曝氣器，其制作方法是用鋼筋或塑料先制成圓形框架，框架大小依準備安放微孔管的長度而定，管一般是30～50米長，圓盤直徑1～1.5米，把微孔管固定在框架內，進氣管口留在圓盤中間，與支管連接進氣，終端口封死，用支架和繩子吊入底層水中。曝氣流程仍是風機或空壓機—主管—支管—連接軟管—圓盤內的微孔曝氣管。這種形式在水深的池塘應用效果明顯，特別是工廠化養殖。如無錫一個美國鰣魚養殖場，用微孔管制成的圓盤曝氣器增氧，創造了畝效益數十萬元的好成績。
3、安裝布置微孔曝氣系統的幾個問題
（1）規格應用問題：
水體狀況和深淺對微孔管管徑大小的要求是不一樣的，如水深1.5～3米之間的露天養殖水體，用外直徑14mm、內直徑10mm的微孔管，每根管長度不超過50米；工廠化養殖水體，水深3～4米的，用外直徑14～14.5mm，內直徑10mm微孔管，管長不超過50米；水深1.5米以下的大水面，用外直徑17mm，內直徑12mm的微孔管，管長不超過60米；城鄉污水處理用外徑28mm，內徑21mm的微孔管，長度依需而定；主管、支管和連接管內直徑大小依微孔管內直徑大小和所增氧的面積而定。如露天養殖水體，雙塘主管內直徑一般為4~5cm，多塘為5-6cm。環保用的再大些.所有主、支管的管壁厚度都要能打孔固定接頭。
（2）每畝水面用多長微孔管較恰當
要做到“較恰當”需要考慮許多問題，如養殖對象對水體溶氧量的要求，水體溶氧收支狀況，在一定條件下單位長度的微孔管在單位時間內的曝氣量和氧的溶解量等等。根據概算，1.5米以上深的每畝精養塘約需40-70米長的微孔管（內外直徑10和14mm）。在水體溶氧低于4mg/l時，開機曝氣2個小時能提高到5mg/l以上。
（3）微孔管長條式布置的平均間距怎么確定
舉個例子來說，一河蟹塘面積4畝，長100米，寬26.7米，現有微孔管280米，橫向布管，管長20米，管距為100÷（280÷20）＝7.14米。
（4）布管水平調節
有兩種情況兩種調節法，一種是在清塘后布管，按塘底余水水平線布管；另一種是在塘水多時布管，采用水平法調平。如池水深1米，曝氣管要布在離池底10cm處，也可以說要布在水平線下90cm處，這樣我們可用兩根長1.2米以上的竹桿，把微孔管分別固定在竹桿的由下向上的30cm處，而后再向上在90cm處打一個記號，再后兩人各抓一根竹桿，各向池塘兩邊把微孔管拉緊后將竹桿插入塘底，直至打記號處到水平為止。如果塘底深淺不在一個水平線上，則以淺的一邊為準布管。
（5）風機的選擇與安裝
一般選羅茨鼓風機或空壓機。風機功率大小依水面面積而定，如15-20畝（2～3個塘）可選3kw一臺，30-40畝（5～6個塘）可選5.5kw一臺?？諌簷C功率應大一些。風機應安裝在主管道中間，為便于連接主管道、降低風機產生的熱量和風壓，可在風機出氣口處安裝一只有2～3個接頭的舊油桶（不能漏氣）。
4、要防止氮氧等氣體中毒。
空氣中氮占78.10%，氧占20.93%，其它還有氬、二氧化碳等氣體。當水體氧少，分壓低，空氣與水面接觸、水體充氣，不可避免地會有N2等氣體入水，N2達到飽和度（2～3毫克/升）就會引起魚類氣泡病，甚至N2蓄積在魚的血液和組織中，血液循環停止而致死。但是N2在水中溶解度很小，活動性也很小，對水中生物很少造成直接影響，只要應用微孔管器水下增氧技術，增加水與氣體接觸面，就能放出水體中過多的N2，避免危害魚類。
氧氣飽和度超過250%時（很少見）也會使魚血液內氧過飽和，腸道出現氣泡上浮，或在魚體表或鰭條組織內和鰓絲附著許多小氣泡，下沉不了而死。加純氧運輸的氧氣袋內魚苗易得此病，應加注意。
5、微孔管器水下曝氣增氧日常管理
（1）經常巡塘檢查，如發現增氧設施運轉有故障或有損壞，應立即報修。
（2）檢測水質，如溶氧狀況，充氧效果，可用溶氧儀定時測定，并做好記錄，以便采取相應措施。
6、微孔增氧管器的維護
1、微孔管器不能露在水面上，不能靠近底泥；否則，應及時調整；
2、如發現微孔管器曝氣不正常應及時檢修；
3、池塘使用此微孔增氧管器一般三個月不會堵塞，如因藻類附著過多而堵塞，撈起曬一天，輕打抖落附著物，或用20%的洗衣粉浸泡一個小時后清洗干凈，晾干再用。
長江特水生物工程研究所 林樂峰 冉煒 馮憲章
通聯：南京農業大學44號信箱 郵編：210095
電話：025-84396853
參考文獻
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