水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污装置与方法

技术领域

本发明涉及水产养殖装置技术领域，具体涉及一种水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污装置与方法。

背景技术

中国是世界第一水产养殖大国，2018年中国水产养殖总产量超过5000万吨，其中水产养殖的50％来自池塘养殖，且近几年，由于环保政策逐步加严，对于部分粗放型的养殖方式(如水库以及围湖养殖)采取禁养措施，池塘养殖占比持续增长。但池塘集约化养殖密度大、饵料系统大，有70％-80％的饲料进入水体中，残饵和鱼虾类排泄物对水体、底泥等造成严重的污染，使得养殖水体富营养化。

为了有效的沉降粪污，目前大多采用水体旋转沉降净化策略，其动力来源主要通过进水冲力产生。但是，水体旋转速度时快时慢，再加上进水过程会不断的影响残污沉降，导致水体浑浊，从而影响水体净化与排污效果，并且不稳定的进排水会对鱼群产生应激，不利于鱼群健康生长。

鱼池水体旋转沉积粪污，其底部一般采用锥形设计以提高粪污沉降效果。但是，目前针对池底锥形斜度均为固定设计，并且斜度没有统一规范，大多从成本出发，锥形斜度越小，成本越低，均通过估计设计了较小的斜度。

针对沉积的粪污，大多是通过估计粪污沉降情况，实行人工排污，定时排污，并且收集的粪污含水量高，后续净化成本较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污装置与方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供了一种水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污装置，包括设于养殖池底部的圆锥体、设于养殖池池壁且呈三通形式连接的出水管、内部进水管、外部进水管，所述出水管朝向池壁切向，出水管上设有第一加压泵、第一水流速传感器；所述圆锥体的锥度可变，小端朝下，底部设有排污阀。

圆锥体的底部还设有水体旋转速度感应阀。

圆锥体的底部还沿垂向地分布有第一感光传感器。

所述圆锥体包括多个同心设置的圆环，圆环之间通过柔性防水材料连接，最外侧的圆环与养殖池的池壁滑动连接。

圆环上部的空隙设有中部向下斜的环形塑料，环形塑料表面光滑。

环形塑料上均匀分布有第二感光传感器。

还包括环形冲水器，环形冲水器位于最外侧的圆环上面，环形冲水器上设有第二加压泵，环形冲水器内侧向斜下方分布有多个小孔。

所述小孔上设有第二水速传感器。

另外，内部进水管、外部进水管、出水管、排污阀的直径范围为养殖鱼类成鱼体高的1/3至1/2，端部为球形网状结构。便于使水旋流均匀，同时防止鱼进入。

另外，排污阀连接底吸泵，便于控制粪污抽出速度。

本发明还提供了一种水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污方法，包括如下步骤：

一、水体粪污稳定旋转沉降，出水管设于水面下四分之一水深度的范围内，调节出水管的水流速至0.2～0.6m/s；

当外部进水启用时，第一水速传感器采集水速大小数据并传送至单片机，单片机控制第一加压泵加速或减速工作，使水速控制在预设范围。

当排污部分启动时，水体旋转速度感应阀实时采集水体旋转数据并发送至单片机，单片机控制第一加压泵减速工作，并控制底吸泵加速工作，加速度控制在0.1m/s2，直至水体旋转速度达到预设速度。

水体旋转速度的设定通过池水边沿水速计算而得，计算方法为：设水体旋转速度为V(转/s)，池水边沿水速为v(m/s)，鱼池直径d(mm)，根据公式：V＝1000*v/(3.14*d)计算可得。

二、底部圆锥体斜度调节，设圆锥体高度为h，环形冲水器的设计冲水速度为Vc，最小有效冲洗距离为Ic，Ic在数值上等于Vc，最大冲洗距离为Sc，根据公式：Sc＝Ic+SQRT(2*h/10)，在圆锥体高度和冲水速度的可调档位内选取Sc最接近鱼池半径的数值；

三、稳定排污，包括基于粪污沉积厚度的自动排污、基于粪污沉积面积的自动排污。

所述基于粪污沉积厚度的自动排污具体为：第一感光传感器沿垂直成0.5cm或1cm间距分布，第一感光传感器被遮挡时传送数据0，否则传送数据1，传送数据之和即为能感光的第一感光传感器数量n；则粪污沉积厚度为L＝N-n，N为第一感光传感器总数，单片机根据L与预设排污的粪污沉积厚度对比，控制排污部分启动或关闭。

所述基于粪污沉积面积的自动排污具体为：圆锥体的每个圆环或环形塑料上均匀分布1～2个第二感光传感器，第二感光传感器被遮挡时传送数据0，否则传送数据1，传送数据之和即为能感光的第二感光传感器数量M，设P为预设底部粪污堆积面积比例，第二感光传感器总数为K，根据M＝K*(1-P)，单片机根据P与预设排污的粪污沉积面积对比，控制排污部分、环形冲水器启动或关闭。

本发明的有益效果在于：

本发明可以用于水产养殖设施设计研究，可实现水体稳定旋转、残污高效沉降与稳定排污；可实现用水量高效控制，支持高密度集约化水产养殖；实现粪污残渣的资源化利用，为循环养殖、低碳高效池塘循环流水养殖、池塘高密度养殖等提供条件。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的俯向结构示意图。

图3是圆锥体的结构示意图。

图4是环形冲水器的结构示意图。

图5是本发明的排污过程的工艺流程图。

图中：1-养殖池；2-圆锥体；3-出水管；301-第一水速传感器；4-内部进水管；5-外部进水管；6-第一加压泵；7-排污阀；8-水体旋转速度感应阀；9-圆环；10-环形塑料；11-第一感光传感器；12-第二感光传感器；13-环形冲水器；14-第二加压泵；15-小孔；16-第二水速传感器。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

参见图1～4：

本发明提供了一种水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污装置，包括设于养殖池1底部的圆锥体2、设于养殖池1池壁且呈三通形式连接的出水管3、内部进水管4、外部进水管5，所述出水管3朝向池壁切向，出水管3上设有第一加压泵6、第一水流速传感器；所述圆锥体2的锥度可变，小端朝下，底部设有排污阀7。

原理：通过加压泵、第一水速传感器301、进水管，可实现水体稳定旋转，第一水速传感器301可用于检测水体旋转动能，便于控制水体旋转速度稳定；采用可变锥度的锥形体，可根据实际情况调节底部锥度，便于粪污高效沉降，和稳定排污；排污时，可同时将出水管3连接外部供水装置，保持养殖池1内水位恒定，高效控制用水量；同时，排出的粪污含水量较少，易于脱水，可资源化利用。第一水速传感器301、第一加压泵6、排污阀7联接单片机，可通过单片机自动控制水体旋转速度，使用便捷。此外，本发明通过单片机自动控制的措施并非必须方案，同样可通过人工控制，不影响本发明的实现。

综上，本发明可以用于水产养殖设施设计研究，可实现水体稳定旋转、残污高效沉降与稳定排污；可实现用水量高效控制，支持高密度集约化水产养殖；实现粪污残渣的资源化利用，为循环养殖、低碳高效池塘循环流水养殖、池塘高密度养殖等提供条件。

圆锥体2的底部还设有水体旋转速度感应阀8。用于测定锥底水体旋转速度，结合养殖池1半径可测算外围水体旋转速度，从而，该设置与第一水速传感器301、第一加压泵6结合，进一步提高水体旋转稳定性，可控性更强；排污过程对水体旋转有影响，通过该设置，可及时补偿该影响，保持水体稳定旋转，避免惊动鱼群、激起沉淀物；水体旋转速度感应阀8连接单片机，可通过单片机自动控制。

圆锥体2的底部还沿垂向地分布有第一感光传感器11。当粪污沉积至一定深度时，部分第一感光传感器11被覆盖遮挡，被遮挡的数量体现了粪污沉积厚度，便于在一定厚度时开启排污部分(排污阀7)，而在排污至一定程度时关停排污部分，从而排污过程稳定，排出的粪污含水量少；第一感光传感器11可联接单片机，通过单片机自动计算沉积厚度、控制排污部分开启和关闭。

所述圆锥体2包括多个同心设置的圆环9，圆环9之间通过柔性防水材料连接，最外侧的圆环9与养殖池1的池壁滑动连接。工作时，用升降装置连接最外侧的圆环9，即可改变圆锥体2锥度，操作方便；升降装置可为电机螺杆、卷扬设备等，只需能将最外侧圆环9提起即可。

圆环9上部的空隙设有中部向下斜的环形塑料10，环形塑料10表面光滑。提高平整度，使沉积的粪污在水流作用下易于向圆锥体2底部移动，便于排污；环形塑料10可用带有柔性的塑料，可由外侧与圆环9点连接，以提高对圆锥体2改变锥度的适应性，例如当锥度变大时，环形塑料10失去支撑的内侧下垂。

环形塑料10上均匀分布有第二感光传感器12。当粪污沉积覆盖一定面积的圆锥体2底部时，部分第二感光传感器12被覆盖遮挡，被遮挡的数量体现了粪污沉积面积比例，便于在沉积一定面积时开启排污部分，在排污至一定程度时关停排污部分，从而排污过程稳定；第二感光传感器12可联接单片机，通过单片机自动计算沉积面积比例，控制排污部分开启和关闭。

还包括环形冲水器13，环形冲水器13位于最外侧的圆环9上面，环形冲水器13上设有第二加压泵14，环形冲水器13内侧向斜下方分布有多个小孔15。第二加压泵14的入水口位于养殖池1内，环形冲水器13用于在粪污沉积厚度小、面积大的时候冲水，将粪污冲向圆锥体2底部，便于集中排污，减小排出粪污的含水量；第二加压泵14可联接单片机，单片机基于第二感光传感器12自动计算沉积面积比例，并且基于第一感光传感器11计算沉积厚度，控制环形冲水器13、排污部分开启和关闭，以及控制第二加压泵14的压力。

所述小孔15上设有第二水速传感器16。第二水流速传感器1～2个即可，用于测定冲水流速，在圆锥体2不同锥度下，冲水作用距离不同，该距离以恰好能够将粪污冲至圆锥体2中部最佳，在该设置下，便于根据不同锥度控制冲水速度；控制第二加压泵14的压力即可控制冲水速度，可将第二水流速传感器。

另外，内部进水管4、外部进水管5、出水管3、排污阀7的直径范围为养殖鱼类成鱼体高的1/3至1/2，端部为球形网状结构。便于使水旋流均匀，同时防止鱼进入。

另外，排污阀7连接底吸泵，便于控制粪污抽出速度。

另外，在北半球，出水管3朝向逆时针方向；在南半球，出水管3朝向顺时针方向。依据卡皮罗现象，北半球旋转方向为逆时针，南半球为顺时针，便于节约能量，且旋转更稳定。

参见图1～5：

本发明还提供了一种水产养殖水体粪污稳定旋转沉降及排污方法，包括如下步骤：

一、水体粪污稳定旋转沉降，出水管3设于水面下四分之一水深度的范围内，调节出水管3的水流速至0.2～0.6m/s；

可以适应不同养殖需求。如瘦身鱼养殖需快速旋转水体可设置成0.6m/s，追求高饲料转化率则需要低速旋转水体，可设置成0.2m/s，默认为0.3m/s。

当外部进水启用时，第一水速传感器301采集水速大小数据并传送至单片机，单片机控制第一加压泵6加速或减速工作，使水速控制在预设范围。由于外部进水具有一定的冲击力，进而影响出水管3的水流速；该设置保证了水流速稳定。注：“水速控制在预设范围”，预设范围是现场根据实际需要预定的数值，是人为设定的，例如，瘦身鱼养殖需快速旋转水体可设置成0.6m/s，设定时考虑允许误差，例如设为0.55～0.65m/s。

当排污部分启动时，水体旋转速度感应阀8实时采集水体旋转数据并发送至单片机，单片机控制第一加压泵6减速工作，并控制底吸泵加速工作，加速度控制在0.1m/s2，直至水体旋转速度达到预设速度。由于排水排污会影响水体旋转，该设置减小了排污对水体旋转速度的影响，并利用排污的动力维持水体稳定，节约能量。注：“直至水体旋转速度达到预设速度”，该解释同上“水速控制在预设范围”，由于养殖池、圆锥体为圆形，水体旋转速度与外围的水速成确定的对应关系，与圆形半径有关，所述预设范围也是人为设定的。

水体旋转速度的设定通过池水边沿水速计算而得，计算方法为：设水体旋转速度为V(转/s)，池水边沿水速为v(m/s)，鱼池直径d(mm)，根据公式：V＝1000*v/(3.14*d)计算可得。代入鱼池直径d、需要的池水边沿水速为v即可计算得出，以直径鱼池直径1m池为例，对应的边沿水速为0.2-0.6m/s，则稳定水体相应的设置范围为0.06-0.19转/s，如瘦身鱼养殖需快速旋转水体相应设置为0.19转/s，追求高饲料转化率则需要低速旋转水体，相应的设置为0.06转/s，默认为0.10转/s。计算结果如下表：

二、底部圆锥体2斜度调节，设圆锥体2高度为h，环形冲水器13的设计冲水速度为Vc，最小有效冲洗距离为Ic，Ic在数值上等于Vc，最大冲洗距离为Sc，根据公式：Sc＝Ic+SQRT(2*h/10)，在圆锥体2高度和冲水速度的可调档位内选取Sc最接近鱼池半径的数值；

注：SQRT(a)代表非负实数a的平方根。为确保等式正确，Sc、Ic、h单位是相同数量级的长度单位。各参数取值时，应在相同的数量级上取值，例如Vc为m/s，则Sc、Ic、h均为m。

步骤二计算示例：默认圆锥斜度为45度，每5度为一个调节档，以直径鱼池直径1m池为例，环形冲水器13的冲水速度调节范围为0.2-0.6m/s，取0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s三个档位计算为例，计算结果如下表。可知，仅0.4m/s为适宜冲水速度，单片机选取此速度，自动控制第二加压泵14的工作速度，自动调整圆锥高度为0.29m(控制升降装置，或者显示数值由人工调整)，相应的圆锥角度为30度。

三、稳定排污，包括基于粪污沉积厚度的自动排污、基于粪污沉积面积的自动排污。

所述基于粪污沉积厚度的自动排污具体为：第一感光传感器11沿垂直成0.5cm或1cm间距分布，第一感光传感器11被遮挡时传送数据0，否则传送数据1，传送数据之和即为能感光的第一感光传感器11数量n；则粪污沉积厚度为L＝N-n，N为第一感光传感器(11)总数，单片机根据L与预设排污的粪污沉积厚度对比，控制排污部分启动或关闭。

以第一感光传感器111cm间距分布为例，结合基于粪污沉积面积的自动排污，控制逻辑如图5；从而实现自动排污。

所述基于粪污沉积面积的自动排污具体为：圆锥体2的每个圆环9或环形塑料10上均匀分布1～2个第二感光传感器12，第二感光传感器12被遮挡时传送数据0，否则传送数据1，传送数据之和即为能感光的第二感光传感器12数量M，设P为预设底部粪污堆积面积比例，第二感光传感器12总数为K，根据M＝K*(1-P)，单片机根据P与预设排污的粪污沉积面积对比，控制排污部分、环形冲水器13启动或关闭。

以预设排污的粪污沉积面积30％，第二感光传感器12总数为K＝40为例，结合基于粪污沉积厚度的自动排污，控制逻辑如图5；从而实现自动排污。