专利名称：循环水养殖的净水设备的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种循环水养殖的净水设备，尤指使用于免换水高密度的封闭式循环水产养殖产业上的循环用水的净水处理及该养殖池水质维护的净水设备。
背景技术：
台湾地区水产养殖业蓬勃发展素有养殖王国称号，然而绝大多数养殖户仍采用传统渔塭养殖方式。鱼塭养殖方式养殖面积需求大、用水量及废水排放量多，不仅耗用能源且对环境产生冲击。再者，养殖过程中所产生的排泄物与残饵累积于池内，经常造成池水水质恶化不易控制，衍生养殖物病变，降低产量及品质。
结合废水工程的处理技术应用在水产养殖业的水质管理及废排水处理上，为近年来养殖工程上的重要发展课题。循环水养殖技术，便是利用一水质净化设备处理养殖池水，以去除养殖物所产生的代谢物质及饵料残馀，处理水并循环回流至养殖池。此方式可使养殖池水维持于良好水质，养殖物有良好的生长环境，病害发生率可望降低，生长率也可能提高，因而提升养殖产品品质，并可进行高密度的养殖。此外，可减少换水需求，降低用水量及排水量，减轻地下水超抽及水产养殖业废水污染的问题。在循环水设备的水质控制良好的养殖环境下，即使鱼虾苗感染病毒，也可良好长成。因此，高密度循环水养殖实为台湾水产养殖业永续发展的重要途径。
目前，国内外所发展的循环水养殖设备中所使用于循环用水处理及养殖池水质维护的水质净化技术及方法包括
1.物理处理利用沉降池、过滤机、微过筛机、砂滤、或浮除机等单元，利用重力沉降、或过滤作用、或浮力作用，去除悬浮固体物或生物处理后的剥落污泥。另外有利用活性碳吸附。
2.生物处理利用微生物去除水中溶解性有机质及氨氮，使用的程序包括生物滤床、旋转生物圆盘法及流体化床。
3.杀菌消毒循环水养殖设备属封闭式设备，易衍生养殖物疾病的传染，因此常需结合消毒程序去除病源菌，例如紫外线照射、臭氧处理、加氯、光化学反应等方法。
4量子电凝机SS去除及杀菌效果良好，但是仅部分NH4+-N、NO2--N及P被去除。
5.商业化整体成型的养殖机器为一个紧凑的养殖机器，内含维生设备(颗粒物质过滤去除、硝化菌床、氧气供应、病原菌控制等)、养殖槽、高密度养殖设施等组件。
过去技术中，循环水养殖设备常使用的水处理流程为过筛、沉降、砂滤、生物处理单元、曝气、消毒。如曾国峰等人曾报导室内高密度循环水养鳗设备的应用，此设备的水处理再利用程序为机械过滤器(过筛)去除固体物、中和槽调整pH、曝气生物滤床及滴滤床去除有机物及氨氮、紫外线杀菌及增氧。经长期养殖及操作结果显示养殖池水的氨氮、亚硝酸氮、悬浮固体物、有机质保持于相当低的浓度，但硝酸氮浓度则累积升高至约210mgN/L。硝酸盐对养殖物虽无立即的毒性，但浓度过高将影响养殖物的生长。硝酸盐的累积可由入流水的补充带出或增设生物脱硝处理单元减轻。
上述循环水养殖程序在国内，或者经农委会水产试验所、农业工程研究中心及其他研究单位改良开发，或直接引进国外水产公司技术、或经由国内发明人的发明，均已证实可有效维护养殖池水水质及获得成功的养殖结果。但是，这些技术或发明中所使用的养殖循环用水处理方法及装置，具有下列共同的缺点1.大多依赖机械设备导致设置成本昂贵上述过去的技术或发明中，所需要使用的机械设备包括微过筛机、过滤机、提供生物处理池通气所需的机械(如鼓风机)、臭氧产生机、光源产生机、量子电凝机、浮除机等，这些设备均所费不訾。根据国内农业工程研究中心针对所研发的室内自动化循环水养虾设备进行的成本估算显示，以一占地面积0.1公顷(实际养殖面积420m2，循环水处理设备面积140m2)的室内循环水养虾场为例，总设置成本约7,000,000元，其中机械式循环水处理设备(包括使用微粒过滤机、生物滤床、量子电凝机杀菌装置等)所需成本为2,400,000元，占总设置成本的34％。
2.动力需求高增加生产成本上述过去的技术或发明中，由于使用机械设备，需要依赖电能才能驱动废水处理机制，达到净水效能。此电能费用约占单位养殖产量成本的10％。
3.添加化学物质易造成二次污染某些过去的技术或发明中，需使用化学物质如氯或光半导体物质(二氧化钛、一氧化锆、二氧化锡、氧化铁、钛酸锶、钛酸钡)，可能在养殖环境中形成危害性二次产物。
4.须经常性且专业性地操作维护上述过去的技术或发明中，有关机械设备的安装、操作、控制及维护，或化学物质的使用添加，均需经训练后的专业人员经常性的进行，因此增加养殖生产上的人事费用。
基于上述过去技术或发明的缺点，使得在实际应用及推广上明显有其困难，为国内水产养殖户至目前为止仍极少采用高密度循环水养殖的主要原因。因此，开发低成本、省能源、无需使用化学物质、操作维护简单的循环水养殖的净水设备，为高密度循环水养殖技术在实际应用、及推广上的重要课题。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种利用自然生态净水原理的设备，应用于循环水高密度养殖中，此自然生态净水设备可以解决传统循环水养殖的净水技术所具有的诸多问题，也即可以避免机械设备的使用、减少能源的耗用、不需化学物质的添加、简化操作维护的技术层次，进而可以降低循环水养殖设备的设置成本及养殖成本，同时在无换水的高密度循环水养殖条件下仍能维持良好的水质环境。本实用新型提供了循环水养殖产业一种高效率与省能源的技术特征，以提高其实际应用上的可行性。
本实用新型的目的是这样实现的，一种循环水养殖的净水设备，该净水设备是由沉降池、表面流动式生态反应池及表面下流动式生态反应池组成；与养殖池的排出管及进流管间连接该净水设备，使养殖池的循环水可达到净水的目的；该净水设备以沉降池使循环水内的固体颗粒可以作沉降收集，再流入表面流动式生态反应池内，配合该池池内的土壤层栽种水生植物，使水以重力方式进行水表面流动以初步去除溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮后，再流入表面下流动式生态反应池内，配合该池池内的砾石层及其栽种的水生植物，以进一步再去除更细微的溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮而形成所需的净化循环水并导入养殖池中供使用；其中的沉降池前端设有进流水管与养殖池的排出管连接，可接收来自养殖池以液位差重力流入的循环水；其中的沉降池在距离进流端附近处横设多孔整流壁，底部则以进流端较深而呈缓坡度；其中的表面流动式生态反应池，与沉降池之间的多孔整流壁剖面铺设数支管体；其中的表面下流动式生态反应池，与表面流动式生态反应池之间的多孔整流壁剖面铺设数支管体；池内有砾石层作为介质，并栽种水生植物；近出流端的最底层埋设一多孔的横侧水管，另一水平管与此横侧水管呈T字型连结，水平管延伸至集水井，净化后的水则由多孔的横侧水管经水平管汇集流出以导入养殖池内；由此成为一种能有效净化水质的自然生态的净水设备。
本实用新型中表面流动式生态反应池的水生植物为梃水性植物。
本实用新型于表面下流动式生态反应池之后可另接一集水井，此池与表面下流动式生态反应池以无孔的隔离墙作隔离，上述延伸到集水井的水平管经一个90度转弯接头，连结另一个垂直管，净化后的循环用水便由此垂直管流出至集水井。
上述集水井，其垂直管套设于90度转弯接头上，可调整垂直管的高度而达到表面下流动式生态反应池的液面高度。
本实用新型中沉降池产生的沉降污泥，以抽泥机将污泥排出，经管线送至前述的表面下流动式生态反应池中间段，透过分配管将污泥洒在砾石层表面，污泥水分经由砾石空隙往下移动与循环水混合处理，污泥颗粒则留在砾石层表面，随之进行微生物稳定化及污泥日晒干燥上述沉降池的进流水由节流阀调整流量。沉降池的最深处设有污泥收集槽。
本实用新型中表面下流动式生态反应池的砾石层于进流区及出流区为砾径较大的分布区。
本实用新型的集水井内设有沉水泵，以浮球控制沉水泵的运转，于高水位时利用沉水泵将净化后的循环用水送回养殖池，低水位时则停止运转。
本实用新型提供了一种循环水养殖的净水设备。此设备中主要使用串联式的生态反应池来处理养殖循环用水，该生态反应池为一人造槽体，内含以下重要组成
1.土壤或砾石作为植物及微生物生长的基材；2.水生植物(挺水性、沉水性及浮水性)及藻类等光合成性生物；3.在基材间及植物根茎部位表面生长的微生物；4.动物群；5.水，提供所有水生生物生长。
当循环用水流经此生态反应池时，污染物以下列物理性、化学性及生物性处理机制被去除1.慢流水层及砾石层间所进行的物理性沉降、过滤作用，可有效去除悬浮固体及微生物；2.在底泥及砾石层中所进行的吸附、离子交换、沉淀沉积、氧化还原等物化作用，有助于磷酸盐、重金属的去除；3.附着于植物根茎或砂土介质表面上的微生物，可进行有机质的矿化作用、含氮化合物的转换作用(氨化、硝化及脱硝)及同化作用、微生物的去除；4.植物的摄取作用，可有效去除氮(氨氮及硝酸氮)、磷营养物及重金属；5.太阳照射的幅射线作用及原生动物的掠食作用，可去除病原菌。
以能量转换而言，生态反应池的光合成性生物(水生植物及藻类)接收太阳能进行光合作用，对污染物的去除提供了以下重要的贡献，包括1.产生氧分子经由根系释放至土壤及水中，提供细菌矿化作用、硝化作用、呼吸作用等需氧来源；2.产生有机碳作为细菌脱硝作用所需的碳源；3.营养盐(氮、磷)的摄取；4.植物组织提供细菌附着生长所需面积。
而生态反应池中的化学合成性生物(包括细菌及动物群等)的能源则是利用循环用水中的污染物(如固体物、有机物、氨氮、亚硝酸氮等)或光合作用所合成的碳源作为代谢所需电子提供。
生态反应池是以太阳能作为驱动能量，因此只要在充足的光照条件及适当的污染物进流负荷下，生态反应池的物质及能量是自给自足的，即无须传统净水技术中的曝气、搅拌、加压等机械设备及动力输入，也不需加入任何化学药剂。
本实用新型可以避免机械设备的使用、减少能源的耗用、不需化学物质的添加、简化操作维护的技术层次，进而可以降低循环水养殖设备的设置成本及养殖成本，同时在无换水的高密度循环水养殖条件下仍能维持良好的水质环境。本实用新型提供了循环水养殖产业一种高效率与省能源的技术特征，以提高其实际应用上的可行性。
图1本实用新型的设备示意图图2本实用新型的净水设备剖视图一图3本实用新型的净水设备剖视图二图4本实用新型的净水设备剖视图三图5本实用新型的净水设备另一剖视图图6本实用新型的净水设备俯视图图7本实用新型实施时的白虾生长曲线图图8本实用新型实施时养殖过程的饵料投入量图9本实用新型实施时的净水设备进流量图图10本实用新型实施时的净水设备各采样点的PH变化图图11本实用新型实施时的净水设备各采样点的溶氧变化图图12本实用新型实施时的净水设备各采样点的悬浮固体变化图图13本实用新型实施时的净水设备各采样点的浊度变化图图14本实用新型实施时的净水设备各采样点的生化需氧量变化图图15本实用新型实施时的净水设备各采样点的氨氮变化图图16本实用新型实施时的净水设备各采样点的亚硝酸氮变化图图17本实用新型实施时的净水设备各采样点的硝酸氮变化图图18本实用新型实施时的净水设备及维护养殖池水质的结果(1)养殖池(11)排出管(12)进流管 (13)鼓风机(2)净水设备 (21)沉降池(211)进流水管(212)多孔整流壁(213)节流阀 (214)污物收集槽(215)管线(216)分配管(22)表面流动式生态反应池(221)多孔整流壁 (222)管体(223)土壤层 (224)水生植物(23)表面下流动式生态反应池(231)多孔整流壁 (232)管体(233)砾石层 (234)横侧水管(235)水平管 (236)水生植物(24)集水井 (241)隔离墙(242)转弯接头(243)垂直管(244)沉水泵具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型的循环水养殖净水设备，是于室内的养殖池1利用排出管11及进流管12连接室外的净水设备2，该净水设备2由沉降池21、表面流动式生态反应池22、表面下流动式生态反应池23及集水井24串联组成。
请一并参阅图2所示，该沉降池21前端设有进流水管211与养殖池1的排出管11连接，可接收来自养殖池1以液位差重力流入的循环水。在距离进流端附近处横设一压克力制的多孔整流壁212，底部则比进流端较深而呈约15％的坡度。沉降池21的进流水由节流阀213调整流量。在沉降池21最深处底部设置污泥收集槽214，其中，该污泥收集槽214可连接排泥管及抽泥机，以利沉降池21的污泥的排除(该排泥管及抽泥机图中未示)。
表面流动式生态反应池22，与沉降池21之间的多孔整流壁221剖面铺设数支管体222。此池的底部均匀铺上厚约30cm的土壤层223，水深控制约40cm，池中栽植挺水性水生植物224(如香蒲、芦苇、莎草等)，经生长后植物密度可达每平方公尺100株以上。表面流动式生态反应池22的进流由沉降池21以液位差方式流入，再经前端的多孔整流壁221，以利水平流方向流至出流端(请一并参阅图2、图3所示)。
表面下流动式生态反应池23，此池与表面流动式生态反应池22间隔的多孔整流壁231墙剖面铺设数支管体232。此池填满约80cm深的砾石层233作为介质，进流端后约0.5m范围(进流区)及出流端前约0.5m范围(出流区)所使用的砾石粒径为60-100mm，其余范围的砾石粒径为30-50mm，此目的在于避免进流区堵塞及均匀分布水流，并使水流导向表层下的砾石介质间流动，水深维持约在0.7m深。靠出流端的最底层埋设一多孔的横侧水管234，另一水平管235与此横侧水管234呈T字型连结，水平管235延伸至集水井24，净化后的水则由多孔的横侧水管234经水平管235汇集到集水井24。此表面下流动式生态反应池23内栽植挺水性水生植物236(如香蒲、芦苇、莎草)，经生长后植物密度可达每平方公尺100株以上。该表面下流动式生态反应池23的水流也靠液位差方式流动(请一并参阅图3、图4所示)。
集水井24，此池与表面下流动式生态反应池以无孔的隔离墙241作隔离，上述延伸到集水井24的水平管235经一个90度转弯接头242，连结另一个垂直管243，净化后的循环用水便由此可调高度的垂直管243流出至集水井24。生态反应池的水深可由垂直管243的高度决定。集水井24设置一沉水泵244，以浮球控制沉水泵244的运转，于高水位时利用沉水泵244将净化后的循环用水送回养殖池1，低水位时该沉水泵244停止运转(请一并参阅图4所示)。
在沉降池21产生的沉降污泥，以抽泥机将污泥抽出，经管线215送至前述的表面下流动式生态反应池23中间段(如图5、图6所示)，透过分配管216将污泥洒在砾石层233表面，污泥水分经由砾石空隙往下移动与循环水混合处理，污泥颗粒则留在砾石层233表面，随之进行微生物稳定化及污泥日晒干燥。日后将晒干后的污泥饼取下弃置或做有机肥料利用。
上述的养殖池1以散气曝气装置及鼓风机13供应空气。养殖池1水以重力流方式流入自然生态净水设备2的沉降池21。净化后的循环用水，经多孔管喷洒至养殖池1水面进行表面曝气(如图1所示)。
为使本实用新型的净水设备的理论及实务可以相互印证，本实用新型特以内长8公尺、内宽8公尺、高1.5公尺的养殖池1配合内长15.2公尺、内宽2.1公尺、高1公尺的净水设备2的循环水养殖方式养殖白虾为例，充分分析如下养殖池放养密度为每平方公尺放养约625尾虾苗，虾苗初体重约5-6毫克。如图7所示，为养殖的白虾生长曲线图，从其图式中可知在养殖约第55至83天时形成快速生长的状态，最大生长速率平均达每尾每星期2.0公克，当养殖达第111天时每尾平均可达11.3公克。如图8所示，为养殖过程的饵料投入量，至养殖达第109天时总投饵量累计达约272公斤。配合图9所示，净水设备的循环用水进流量随着养殖过程喂饵量及虾体排泄物量的增加而逐步提高，由最初约17.3立方公尺每天增加至后期的78立方公尺每天操作。而如图10所示，则是在整个设备中各点，如表面流动式生态池的进、出流水，表面下流动式生态池的出流水及养殖池内等PH变化，由其图式可知，由于净水设备对水中PH具缓和作用，使养殖池内的PH于养殖期间介于7.7至8.5，相当稳定且在最适合的养殖生长范围PH6-9之内。而如图11所示，由本实用新型的净水效果，由于自然净化机制而使循环水溶氧显著降低，但并不影响养殖池溶氧，养殖池因机械式扩散曝气使池中溶氧维持于5.8-7.2mg/L。再者，如图12、图13所示，养殖池内的悬浮固体物有效被本实用新型的净水设备所去除，悬浮固体及浊度的平均衰减效率分别达69及100％，使养殖池内的悬浮固体及浊度分别维持于6至32mg/L及0.3至3.2NTU。而从图14至图16所示，为生化需氧量、氨氮、亚硝酸氮等物质浓度变化，其净化效果均有相当良好的表现，平均去除效率分别达到53％、56％、70％，使养殖池内的生化需氧量、氨氮、亚硝酸氮分别维持于1-22mg/L、0一0.79mg/L、0-1.57mg/L。而图17显示硝酸氮也有平均3 6％的去除效率表现，使得养殖池硝酸氮累积量最高仅达约9.72mg/L，而养殖后期甚至降低至约1.2mg/L。图18所示为上述的净水结果统计表。当养殖至第126天结束时，总虾收获量达354公斤，单位面积生产量每平方公尺5.5公斤，约为一般室外渔塭养殖的30倍，白虾存活率约72％，饵料系数0.92。养殖期间除了补充蒸散的水量外，均无换水。初步估算，在相同养殖规模条件下本实用新型的净水技术的设置成本约仅为习用净水技术(包括使用微粒过滤机、生物滤床、量子电凝机杀菌装置等)设置成本的15-20％。
综合以上所述可知，本实用新型与习用的净水技术相比，具有下列优点1.整个设备除了沉水泵及抽泥机之外，无需其他的机械设备，不但可以省却建立时相当高比例的设备费用，且成本远比习用的低。
2.设备成本大幅降低之外，沉水泵及抽泥机的平时运转时间不多，可以有效降低生产时的运转及维持费用。
3.机械设备有效减少，操作更省电且方便，对于专业人员的需求也可相对降低，能减少依赖专业人员的困扰。
4.利用重力式沉降池，能直接接收来自养殖池的循环用水，并可有效除去水中可沉降的固体颗粒，减少固体物屯积在池内。
5.经除去固体物的循环用水进入表面流动式生态反应池，由其栽种的挺水性水生植物，配合流水以重力方式进行水表面流动，可以有效去除循环水的溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮等对养殖物及环境影响其大的物质，对于循环用水有莫大的帮助。
6.由表面流动式生态反应池再作有机物等去除后，循环水再流入表面下流动式生态反应池，利用该池满布的砾石及挺水性水生植物的根部对流过的循环水可以更进一步并有效再去除更细微的微细颗粒、溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮等有害物质，以达到确实净化的积极目的。
7.而集水井的进出水设计，可以机动性调节整个设备的液面高度，配合养殖池的养殖特性，而使本实用新型更具实用性与产业利用性。
8.整个净水设备占地小，除沉水泵及抽泥泵外无其他昂贵设备，使用动态最小能有效抑制操作成本，更无需添加其他化学物质即可达成所需的净水效果，不会有化学物质残留所造成的二次污染后公害的长期困扰，在无换水、封闭式循环净水的高密度循环水养殖的条件下可确保并有效维持所需的良好水质及养殖环境，对于养殖业而言是一相当优良且低成本、省能源、操作简单的自然生态式循环净水设备。
权利要求1.一种循环水养殖的净水设备，该净水设备是由沉降池、表面流动式生态反应池及表面下流动式生态反应池组成；养殖池的排出管及进流管间连接该净水设备，其特征在于沉降池前端设有进流水管与养殖池的排出管连接，循环水自养殖池以液位差重力流入沉降池；沉降池在距离进流端附近处横设多孔整流壁，底部则以进流端较深而呈缓坡度；表面流动式生态反应池与沉降池之间设有多孔整流壁，该多孔整流壁剖面铺设数支管体，该池底部铺设一层土壤栽植水生植物；表面下流动式生态反应池与表面流动式生态反应池之间设有多孔整流壁，该多孔整流壁剖面铺设数支管体；表面下流动式生态反应池池内有砾石层作为介质，并栽种水生植物，表面下流动式生态反应池近出流端的最底层埋设一多孔的横侧水管，另一水平管与此横侧水管呈T字型连结，净化后的水由多孔的横侧水管经水平管汇集流出导入养殖池内。
2.如权利要求1所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于表面流动式生态反应池种植的水生植物为梃水性植物。
3.如权利要求1所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于于表面下流动式生态反应池之后可另设一集水井，该集水井与表面下流动式生态反应池间设有无孔的隔离墙，所述水平管延伸至集水井，该水平管接一个90度转弯接头，转弯接头再连结另一个垂直管，净化后的循环用水由此垂直管流出至集水井。
4.如权利要求3所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于所述垂直管的高度可调整。
5.如权利要求1所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于沉降池设有将抽泥机抽出的污泥排出的抽泥管线，该管线延伸至表面下流动式生态反应池中间段的砾石层表面上，该段管线上设有分配管。
6.如权利要求1所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于沉降池的进流水管设有调整流量的节流阀。
7.如权利要求1所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于沉降池的最深处设有污泥收集槽。
8.如权利要求1所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于表面下流动式生态反应池的砾石层设有进流区及出流区，该区域为砾径较大的分布区。
9.如权利要求3所述的循环水养殖的净水设备，其特征在于集水井内设有以浮球控制运转的沉水泵。
专利摘要本实用新型是有关于一种循环水养殖的净水设备，可包括有固体沉降收集的沉降池，将固体沉降后的养殖水的溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮等物质再进一步去除的表面流动式及表面下流动式的生态反应池，池中栽植的水生植物及土壤层与砾石层中的微生物，可使来自养殖池的循环水中的有害物质有效降低。经由上述设备净化的处理水，则排入集水井中由泵送回养殖池，该设备是一种利用自然生态机制作净水循环的净水设备。
文档编号A01K63/04GK2652136SQ03266728
公开日2004年11月3日 申请日期2003年7月4日 优先权日2003年7月4日
发明者林莹峰, 荆树人, 李得元 申请人:林莹峰, 荆树人, 李得元