專(zhuān)利名稱(chēng)：水產(chǎn)養(yǎng)殖分散供氧系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于海洋動(dòng)物水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的供氧系統(tǒng)和包括上述系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
縱觀歷史，海洋動(dòng)物如蝦、魚(yú)和其它種類(lèi)曾野生放養(yǎng)。隨著人們對(duì)海洋動(dòng)物需求的增長(zhǎng)和野生捕撈本身受限制，人們開(kāi)發(fā)了稱(chēng)作水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)或水產(chǎn)養(yǎng)殖的海洋動(dòng)物的另一種供給來(lái)源。水產(chǎn)養(yǎng)殖就是指對(duì)海洋動(dòng)物比如魚(yú)類(lèi)或介殼類(lèi)的培養(yǎng)和養(yǎng)殖。
蝦是通過(guò)水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的較受歡迎的且需求最高的的海洋動(dòng)物之一?？梢哉J(rèn)為蝦或其它海洋動(dòng)物的水產(chǎn)養(yǎng)殖包括粗放型(extensive)和半密集型(semi-intensive)或密集型(intensive)。粗放型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施幾乎不控制環(huán)境，即將動(dòng)物放到一個(gè)地點(diǎn)范圍內(nèi)讓它們自行生長(zhǎng)，或者將動(dòng)物限定在一個(gè)專(zhuān)用圍欄內(nèi)并保持到他們達(dá)到上市的大小。另一方面，密集型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施提供完全控制環(huán)境，比如控制溫度、鹽度、流速、喂養(yǎng)料類(lèi)型、喂養(yǎng)量和光照。半密集型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施是粗放型和密集型操作的混合類(lèi)型。
蝦的水產(chǎn)養(yǎng)殖的最初嘗試較為簡(jiǎn)單，并且被認(rèn)為是粗放型的設(shè)施。把海水泵入間斷或低洼地(intercostal or low-lying area)中稱(chēng)作池溏的大型封閉容器(containment vessel)內(nèi)。將蝦放入這些池塘并且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后收獲。這種收獲產(chǎn)量最初相當(dāng)?shù)汀２贿^(guò)，由于對(duì)海洋動(dòng)物的需求增加，要求不斷提高產(chǎn)量和改進(jìn)生產(chǎn)方法。為了獲得更高產(chǎn)量，要求增加池塘內(nèi)海洋動(dòng)物的放養(yǎng)密度，該放養(yǎng)密度是用每加侖水中海洋動(dòng)物的磅數(shù)來(lái)衡量的。
隨著池塘內(nèi)放養(yǎng)密度的增加，氧氣消耗就成為一個(gè)問(wèn)題。海洋動(dòng)物比如蝦需要氧氣來(lái)生長(zhǎng)和維持健康。由于氧氣對(duì)于所有水中生活需氧呼吸類(lèi)型的海洋動(dòng)物是極為重要的條件，所以，池塘內(nèi)水中溶解氧含量是水質(zhì)最重要參數(shù)之一。水中氧的溶解度受多種因素影響，比如，大氣壓、液靜壓、池塘污染物如海藻或細(xì)菌，以及溫度，但不局限于此。為了安全計(jì)，水中溶解氧含量應(yīng)當(dāng)保持在3mg/l以上和大約15mg/l以下，以避免使其中的海洋動(dòng)物感到緊張(stressing)或殺死其中的海洋動(dòng)物。
水中溶解氧含量通常在24小時(shí)內(nèi)是波動(dòng)的。圖1中的線A反映了典型養(yǎng)蝦池塘內(nèi)一天中每隔一小時(shí)溶解氧百分?jǐn)?shù)的波動(dòng)，該池塘使用連續(xù)流通空氣的通氣設(shè)備。溶解氧含量在一定時(shí)間段(t”-t’)內(nèi)每日變化由下面的等式(1)表示O2”-O2’＝P-R-Y±A (1)其中P是浮游植物群落(phytoplankton)、底棲植物和水生植物光合作用期間產(chǎn)生的氧氣量；R是浮游細(xì)菌類(lèi)、浮游植物類(lèi)和浮游動(dòng)物和動(dòng)植物有機(jī)體呼吸作用期間消耗的氧氣量；Y是池塘底部泥土固定的氧氣量；A是來(lái)自大氣的溶解氧氣量，或者過(guò)度飽和情況下釋放到大氣中的氧氣量。
參照等式(1)，對(duì)溶解氧含量P最有影響的因素取決于光照條件，因?yàn)楣夂献饔弥荒芡ㄟ^(guò)對(duì)太陽(yáng)能的利用而發(fā)生。在白天，光合作用從清早逐漸開(kāi)始，并且逐漸提高水中溶解氧的含量?？梢钥闯鋈芙庋鹾康淖畲笾翟谖绾?。氧氣水平通常足夠滿(mǎn)足池塘內(nèi)海洋生物的需要，因?yàn)楹Ｔ搴推渌镌诠夂献饔眠^(guò)程中釋放氧氣。不過(guò)，從傍晚起光合作用迅速降低而且天黑后沒(méi)有陽(yáng)光就停止。另外，植物和/或其它生物在晚上呼吸又會(huì)進(jìn)一步降低溶解氧含量。因此，由于溶解氧水平可能降到低于海洋動(dòng)物致死的氧氣水平，所以，會(huì)需要追加氧氣或通氣。致死氧氣水平是指池塘內(nèi)一定海洋動(dòng)物在一定時(shí)間內(nèi)不能忍受的溶解氧含量。
除由于每日變化需要追加氧之外，當(dāng)氧氣消耗率比水中供應(yīng)的可利用的氧氣大時(shí)就需要追加氧。在某一給定水溫下，由于動(dòng)物的活動(dòng)，海洋動(dòng)物的氧氣消耗會(huì)顯著改變，并且，這種氧氣消耗可能與水中氧氣飽和度有關(guān)。，例如，在攝取食物期間，海洋動(dòng)物的氧氣消耗率會(huì)提高兩倍多?？梢源_認(rèn)增加水中溶解氧含量可以增加海洋動(dòng)物食物消耗率。因此，增加進(jìn)食率可以增加生長(zhǎng)率。美國(guó)專(zhuān)利號(hào)No.5,893,337專(zhuān)利文獻(xiàn)描述了喂魚(yú)前通過(guò)注入控制數(shù)量的氧來(lái)優(yōu)化飼養(yǎng)在池塘里魚(yú)生長(zhǎng)的方法。
溶解氧含量的降低可以引起海洋動(dòng)物緊張(stress)，并最終死亡。除了將軀體轉(zhuǎn)變成開(kāi)始消耗能量而不是存儲(chǔ)能量之外，緊張還會(huì)抑制免疫系統(tǒng)，從而使動(dòng)物處于患病的更大風(fēng)險(xiǎn)中。可以認(rèn)為海洋動(dòng)物在水中溶解氧量的降低引起呼吸困難之前能感知氧量的降低，并可以尋找有更高氧含量的水。然而，不象對(duì)食物的感知那樣，可以確信海洋動(dòng)物不能在水里從遠(yuǎn)處感知或探測(cè)含更高氧的那些區(qū)域。如果這種隨機(jī)尋找氧氣未成功，并且水中溶解氧含量進(jìn)一步降低，只要氧供應(yīng)能滿(mǎn)足呼吸肌肉需要，海洋動(dòng)物的呼吸運(yùn)動(dòng)就會(huì)增加。這有限度，因而因缺氧而阻止進(jìn)一步加速。在達(dá)到這種極限水平前，海洋動(dòng)物可以忍受這種狀態(tài)。如果水中溶解氧含量進(jìn)一步下降，動(dòng)物心臟跳動(dòng)減緩并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后死亡，該時(shí)間取決于該動(dòng)物個(gè)體種類(lèi)抗性性質(zhì)。
至今，工業(yè)上采用多種方法比如通氣設(shè)備來(lái)解決耗氧和加氧問(wèn)題。典型的通氣設(shè)備機(jī)械攪拌表面水，隨著空氣和水混合致使氧擴(kuò)散到水中。這些設(shè)備的實(shí)例包括明輪(paddlewheels)、重力通氣設(shè)備、U形管、文丘里通氣設(shè)備、表面通氣設(shè)備或鼓泡擴(kuò)散器(比如細(xì)的、中等的或粗糙的鼓泡擴(kuò)散器)。通氣設(shè)備的效率由水和空氣間表面交界區(qū)域的數(shù)量和產(chǎn)生該交界面需要的能量確定。由于通氣設(shè)備將空氣注入，可溶解在水里的氧量受空氣中氧的濃度(21％)限制。因此，選擇用空氣增加水中溶解氧的量是有些受限制。此外，由于在密集型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備中要求更高生產(chǎn)率和放養(yǎng)密度，從空氣中的天然氧供應(yīng)越來(lái)越不夠，并在生產(chǎn)中可能成為限制因子。
往水里加氧的另一個(gè)辦法是通過(guò)輸送高純度的液態(tài)氧。這種方法克服了用空氣作為氧來(lái)源的局限性。使用高純度氧的顯著優(yōu)點(diǎn)是在純氧和水之間濃度差異所致的高傳質(zhì)率。此外，增加溶解氧含量可以獲得更高的放養(yǎng)密度。然而，已經(jīng)證明液體氧運(yùn)輸?shù)斤曫B(yǎng)場(chǎng)的后勤工作和分配給各單個(gè)池塘的過(guò)程很不劃算，甚至在某些情況下無(wú)法進(jìn)行，其原因在于典型水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施之故。例如，典型的蝦場(chǎng)包括許多1公頃左右大小的、由窄小道分隔開(kāi)的泥塘。這些小道用于運(yùn)送裝備、飼料和供給池塘的其它供應(yīng)品。由于許多養(yǎng)殖場(chǎng)在間斷地區(qū)，在這種條件下安裝氧氣線路的能力受限制。即使液體氧工廠臨近養(yǎng)殖場(chǎng)能減少氧氣的生產(chǎn)和運(yùn)送成本，但由于安裝和維護(hù)管道基礎(chǔ)設(shè)施資金成本高，該方法可能不適用。此外，和液體氧管道系統(tǒng)一樣，更大的、單一的實(shí)地氧氣生產(chǎn)和管道分配系統(tǒng)面臨著同樣的后勤和基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題。
盡管高純度氧有許多好處，但由于成本高，還沒(méi)有用于水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施中。目前，機(jī)械通氣設(shè)備仍然是生產(chǎn)中首選的補(bǔ)充供氧方式。結(jié)果，進(jìn)一步增加池塘放養(yǎng)密度的能力受到限制。
為了保持或增加放養(yǎng)密度，除了氧氣外，還需要改善水產(chǎn)養(yǎng)殖中的飼料和喂食技術(shù)。要求有規(guī)律地以頻繁的間隔供給池塘大量飼料，這通常需要大的實(shí)地飼料存儲(chǔ)設(shè)施、以及用手工投放飼料的高強(qiáng)度手工作業(yè)和/或用昂貴的裝配在軌道上的風(fēng)箱(truck-mounted blower)。通常，通過(guò)在池塘里行走或行船把飼料手工分配到池塘。風(fēng)箱是另一種圍繞池塘周?chē)峙滹暳系脑O(shè)備。這種喂食方法效率相當(dāng)?shù)?，因?yàn)楹Ｑ髣?dòng)物也許僅僅消耗一部分飼料。手工分配飼料是勞動(dòng)力密集型的并且飼料分配不均勻且僅僅在池塘中挑選出來(lái)的部分內(nèi)分配。風(fēng)箱喂食部分飼料可能從池塘吹走或可能被鳥(niǎo)吃了。池塘大小也可以影響喂食效率。例如，風(fēng)箱類(lèi)型的喂食器投擲飼料大約30米并且落地帶大約5米寬，以至于大的方形池塘的中心沒(méi)有得到大量飼料。另外，在人力、設(shè)備和燃料方面運(yùn)作成本高。
除了飼料和氧氣，水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)還需要給封閉容器或池塘周期性地添加飼料化學(xué)制品、藥、維生素和其它添加劑。添加化學(xué)制品比如臭氧可以維持池塘水質(zhì)。添加藥物可以保護(hù)海洋動(dòng)物免于生病。添加維生素可以改善動(dòng)物的健康和外觀。添加其它添加劑比如肥料、化學(xué)制品或碳源(比如磨拉石)可以控制藻類(lèi)和細(xì)菌。給封閉容器添加這些添加劑面臨的問(wèn)題是如何快速、均勻分配和勞動(dòng)強(qiáng)度。
由于給池塘分送氧氣、飼料、藥物和其它添加劑的相對(duì)低的效率和高成本，本技術(shù)領(lǐng)域需要在水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備中提供優(yōu)化氧氣、飼料和化學(xué)制劑必需品的系統(tǒng)。還需要提供自動(dòng)或半自動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能提供池塘的各種生產(chǎn)需要的實(shí)時(shí)反饋和提供相同供給作用的分配系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)可以顯著減少成本和改善池塘生產(chǎn)率。在一些情況下，比如當(dāng)池塘水中溶解氧含量降到致死水平以下時(shí)，需要提供可靠的自動(dòng)防故障設(shè)置的系統(tǒng)(reliable，fail-safe system)，該系統(tǒng)能給使用者報(bào)警并給封閉容器供氧到高于致死水平的水平。
所有在此引用的參考資料在此一并整體作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
雖不能滿(mǎn)足本領(lǐng)域的所有需要，但本發(fā)明通過(guò)提供一種給海洋動(dòng)物的養(yǎng)殖供氧的系統(tǒng)以及包含該系統(tǒng)的方法可以滿(mǎn)足本領(lǐng)域的需要之一，其中所供的氧純度水平以體積計(jì)可以為30％或更大，優(yōu)選為50％或更大，更優(yōu)選為60％或更大。本發(fā)明的一個(gè)方面，有用于提供具有30％或更大純度氧的系統(tǒng)用于海洋動(dòng)物的水產(chǎn)養(yǎng)殖，該系統(tǒng)包括多個(gè)能容納大量海洋動(dòng)物和水介質(zhì)的封閉容器；多個(gè)氧氣注入器，至少一個(gè)氧氣注入器布置在每個(gè)所述封閉容器的至少一個(gè)位置；以及多個(gè)氧氣發(fā)生器，每個(gè)所述氧氣發(fā)生器與至少一個(gè)氧氣注入器流體連通，由此多個(gè)氧氣發(fā)生器提供給封閉容器足量的氧氣以增加水介質(zhì)中的溶解氧百分?jǐn)?shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種用于海洋動(dòng)物養(yǎng)殖的封閉容器內(nèi)的控制氧氣供應(yīng)的系統(tǒng)，包括多個(gè)封閉容器，所述封閉容器的每一個(gè)都能容納大量海洋動(dòng)物和水介質(zhì)；用于測(cè)定水介質(zhì)內(nèi)溶解氧含量C0的多個(gè)感應(yīng)器；多個(gè)氧氣注入器，至少一個(gè)氧氣注入器布置在每個(gè)所述封閉容器的至少一個(gè)位置；多個(gè)氧氣發(fā)生器，每個(gè)所述氧氣發(fā)生器與至少一個(gè)所述氧氣注入器流體連通，其中所述氧氣發(fā)生器提供給封閉容器足量的氧氣以將水介質(zhì)中溶解氧數(shù)量提高到在氧含量C0之上；以及中央處理器以電的形式與感應(yīng)器和至少一個(gè)氧氣發(fā)生器聯(lián)系，其中該中央處理器對(duì)照設(shè)定點(diǎn)值Cset比較氧含量C0并且當(dāng)氧含量C0低于設(shè)定點(diǎn)值Cset時(shí)使至少一個(gè)氧氣發(fā)生器啟動(dòng)。在實(shí)際的實(shí)地測(cè)試中，如圖1所示，當(dāng)溶解氧水平低時(shí)系統(tǒng)用于感知(sense)，并且當(dāng)溶解氧水平下降到低于4毫克/升(mg/l)時(shí)啟動(dòng)氧氣發(fā)生器，通過(guò)氧氣注入器向池塘注入氧，而當(dāng)溶解氧高于6mg/l時(shí)氧氣發(fā)生器關(guān)閉。實(shí)地測(cè)試的結(jié)果和一天內(nèi)溶解氧變化如圖1中線B所示。通過(guò)使用本發(fā)明系統(tǒng)，溶解氧的數(shù)量在整個(gè)24小時(shí)期間維持在更均勻的水平，比連續(xù)運(yùn)行的以前技術(shù)的機(jī)械通氣設(shè)備使用更少的能量。發(fā)明者確定，晚上比白天給池塘添加更多的氧氣對(duì)于維持期望的溶解氧水平是更有效和必要的。
在本發(fā)明另一個(gè)方面，提供一種通過(guò)改善海洋動(dòng)物的氧消耗來(lái)優(yōu)化大量海洋動(dòng)物生長(zhǎng)率的方法，包括提供能容納大量海洋動(dòng)物和水的容器，其中水有溶解氧含量C0；通過(guò)多個(gè)氧氣注入器給容器注入氧，多個(gè)氧氣注入器靠近容器以維持溶解氧含量C0高于致死水平；以及通過(guò)多個(gè)氧氣注入器給容器分配飼料，其中分配步驟至少是在注入步驟的至少一部分期間實(shí)施，從而使海洋動(dòng)物因?yàn)楸伙暳衔晃皆撗鯕馓帯Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)飼料通過(guò)氧氣注入器分配時(shí)，在分配飼料的同時(shí)和/或分配飼料前后一段時(shí)間，用于移動(dòng)水介質(zhì)的設(shè)備可以暫時(shí)關(guān)掉，該設(shè)備使用氧氣注入器和/或封閉容器可能具有的其它通氣設(shè)備，這樣在水介質(zhì)的移動(dòng)將沒(méi)吃的飼料沉積到池塘不流動(dòng)區(qū)域之前，提供給海洋動(dòng)物吃飼料的機(jī)會(huì)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，提供用于海洋動(dòng)物水產(chǎn)養(yǎng)殖的封閉容器，包括一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備和所述封閉容器內(nèi)的水介質(zhì)。所述通氣設(shè)備移動(dòng)所述水介質(zhì)以形成至少一個(gè)環(huán)形漩渦，在所述的至少一個(gè)環(huán)形漩渦中至少包括大多數(shù)所述水介質(zhì)的移動(dòng)。
下面的細(xì)節(jié)說(shuō)明將明確本發(fā)明的這些方面和其它方面。


圖1給出了坐標(biāo)圖，出示了典型蝦塘內(nèi)一天中每隔一小時(shí)溶解氧百分?jǐn)?shù)的波動(dòng)。
圖2給出了本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方案的圖解。
圖3給出了包括便攜式氧氣發(fā)生器和本發(fā)明監(jiān)控系統(tǒng)的本發(fā)明實(shí)施方案的圖解。
圖4給出了用于本發(fā)明系統(tǒng)中的封閉容器和浮動(dòng)氧氣發(fā)生器的截面圖。
圖5給出了用于封閉容器中通氣裝置布置的建模計(jì)算機(jī)程序的工藝流程圖。
圖6給出了封閉容器中圖5概括給出的建模程序產(chǎn)生的流動(dòng)模式的俯視圖。
圖7給出了封閉容器中圖5概括給出的建模程序產(chǎn)生的流動(dòng)模式的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種在水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施中由位于封閉容器附近的多個(gè)氧氣發(fā)生器以分散(decentralized)形式釋放(delivering)包括氧在內(nèi)的氣體的系統(tǒng)和方法，其中，氧純度最好在30％或以上。早前釋放氧的方法，比如液態(tài)氧，沒(méi)解決成本效率問(wèn)題或水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)的局限性，而成本效益問(wèn)題或水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)的局限性直至目前仍使得無(wú)法注入高純度氧。此外，僅僅用通氣裝置為封閉容器提供氧的效率較低，該通氣裝置受空氣中氧的含量限制。這樣可能限制可能飼養(yǎng)在給定池塘中海洋動(dòng)物的數(shù)量，因此限制了生產(chǎn)率的增長(zhǎng)。此外，現(xiàn)今水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施實(shí)行往水里投放飼料和其它添加劑的效率不高的方法。本發(fā)明提供一種用于給封閉容器中的水里隨飼料或其它添加劑一起提供氧的自動(dòng)防故障的方法。
術(shù)語(yǔ)“流體”在此用來(lái)指包括氣體、液體、懸浮固體或它們組合構(gòu)成的流動(dòng)流體。
術(shù)語(yǔ)“池塘”或“封閉容器”在此用來(lái)指的不僅是自然界或人造戶(hù)外池塘，還指由金屬、塑料、混凝土等建的貯水池。
術(shù)語(yǔ)“通氣裝置”包括將空氣或帶有比空氣中氧的含量高的氣體注入封閉容器的水中的裝置，包括本發(fā)明的氧氣發(fā)生器和氧氣注入器以及表面水機(jī)械攪拌器，該機(jī)械攪拌器隨著空氣和水混合使氧擴(kuò)散到水里。機(jī)械攪拌器實(shí)例包括明輪式、重力通氣設(shè)備、U形試管、文丘里通氣設(shè)備、表面通氣設(shè)備或鼓泡擴(kuò)散器(比如細(xì)的、中等的或粗糙的吹泡擴(kuò)散器)。
本發(fā)明提供一種系統(tǒng)和包括該系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)提供一種裝置，該裝置通過(guò)含氧氣體產(chǎn)生氧，并以分散形式將氧分配到一個(gè)或多個(gè)封閉容器。氣體以體積計(jì)氧氣最好至少占30％，優(yōu)選至少占50％，更優(yōu)選氧氣體積至少占60％，其余氣體—如果有的話—可以包括大部分的氮?dú)?。使用本發(fā)明的系統(tǒng)或方法為封閉容器提供氧的結(jié)果是，在給定封閉容器中可以保留下溶解氧并且溶解氧的含量維持范圍在2mg/l到15mg/l，或更優(yōu)選的是從4mg/l到12mg/l。
本發(fā)明的系統(tǒng)或方法的優(yōu)點(diǎn)之一是，相對(duì)于其它使用僅以空氣為基礎(chǔ)的機(jī)械系統(tǒng)的在先技術(shù)的封閉容器，可以提高封閉容器的放養(yǎng)密度。就象先前提到的一樣，放養(yǎng)密度是指每單位面積或體積內(nèi)擁有海洋動(dòng)物的重量或數(shù)量。放養(yǎng)密度可以取決于海洋動(dòng)物的種類(lèi)和動(dòng)物對(duì)于增加的過(guò)度擁擠壓力的忍耐性。例如，甲殼類(lèi)種類(lèi)如蝦，如果過(guò)度放養(yǎng)可能開(kāi)始相互戰(zhàn)斗導(dǎo)致掉肢，并減少市場(chǎng)價(jià)值。海洋動(dòng)物的其它種類(lèi)如長(zhǎng)須鯨過(guò)度放養(yǎng)可能咬或夾住彼此鰭或眼睛。已發(fā)現(xiàn)，如果消除其它緊張因素如低溶解氧、喂食質(zhì)量差等，海洋動(dòng)物可忍受更高放養(yǎng)密度。因此，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法—通過(guò)改善氧供給和/或水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的各個(gè)方面(如清潔度、飼料、化學(xué)物質(zhì)和其它添加劑)以減少對(duì)海洋動(dòng)物的緊張影響—可產(chǎn)生每m3放養(yǎng)密度25只動(dòng)物或更多的效果，優(yōu)選每m3放養(yǎng)密度50只動(dòng)物或更多，更優(yōu)選每m3放養(yǎng)密度100只動(dòng)物或更多。在優(yōu)選實(shí)施方案中，比如半密集型或密集型的用于蝦生產(chǎn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施中，系統(tǒng)可以允許有效生產(chǎn)蝦的收獲生物量密度為0.5kg/m2或更大，優(yōu)選1.2kg/m2或更大，最優(yōu)選2.5kg/m2或更大。生物量密度是指測(cè)定的池塘每表面面積上收獲蝦的重量。因此，相對(duì)較高的溶解氧水平可以增加池塘的放養(yǎng)密度。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的一個(gè)實(shí)例。參見(jiàn)圖2，系統(tǒng)10由下述構(gòu)件組成多個(gè)封閉容器20、多個(gè)氧氣注入器30以及多個(gè)氧氣發(fā)生器40。封閉容器20裝有大量海洋動(dòng)物60，海洋動(dòng)物60在水介質(zhì)50內(nèi)，優(yōu)選淡水或是鹽水，這取決于海洋動(dòng)物的種類(lèi)。(海洋動(dòng)物60和水介質(zhì)50表示在圖4中出示了的封閉容器20中)。氧氣發(fā)生器40產(chǎn)生氧，并與氧氣注入器流體連通以分配氧到封閉容器20中的一個(gè)或多個(gè)位置。如圖2圖解，多個(gè)氧氣發(fā)生器40遍布系統(tǒng)10，如果系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)別的氧氣注入器30和/或氧氣發(fā)生器40發(fā)生故障，就可以這樣的一種方式為別的封閉容器提供首要的和次要的或者“備份的”的供給。
再參照?qǐng)D2，系統(tǒng)10中每個(gè)封閉容器20圖示為從至少四個(gè)不同的氧氣注入器30和/或氧氣發(fā)生器40接收氧氣。氧氣注入器和/或發(fā)生器的精確位置、尺寸和數(shù)量會(huì)根據(jù)如系統(tǒng)布局、氧氣發(fā)生器的生產(chǎn)量、封閉容器的數(shù)量和尺寸以及想要得到的放養(yǎng)密度等因素而變化。每個(gè)氧氣注入器30和氧氣發(fā)生器40在系統(tǒng)10中任何地方的開(kāi)關(guān)依賴(lài)于單獨(dú)封閉容器20或單獨(dú)封閉容器20某一區(qū)域中對(duì)溶解氧的需要。在一個(gè)實(shí)施方案中，特別是大池塘，一些有一個(gè)或多個(gè)氧氣注入器的氧氣發(fā)生器能位于池塘周?chē)蚱≡诔靥恋牟煌恢?；每個(gè)氧氣發(fā)生器能單獨(dú)控制以便按需提供氧至封閉容器的這樣的區(qū)域所述區(qū)域配置了氧氣發(fā)生器的一個(gè)或多個(gè)氧氣注入器。水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中可能有比池塘數(shù)多或更少的氧氣發(fā)生器。優(yōu)選系統(tǒng)中池塘數(shù)是系統(tǒng)中氧氣發(fā)生器數(shù)的0.25至8倍。本發(fā)明具有代表性的系統(tǒng)包括至少10個(gè)池塘，更可能的是從20個(gè)到超過(guò)1000個(gè)池塘。每個(gè)氧氣發(fā)生器有至少一個(gè)氧氣注入器與氧氣發(fā)生器流體連通。
封閉容器20可以是任何容器，只要它能在水介質(zhì)如淡水或鹽水中容納大量的海洋動(dòng)物。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施，封閉容器20可以是水溝、循環(huán)儲(chǔ)水池、溝渠、池塘或間斷地區(qū)內(nèi)的籠養(yǎng)區(qū)，但不局限于此。封閉容器20可以位于室內(nèi)或室外水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施中。封閉容器的容量可在幾百到幾千加侖范圍內(nèi)。在封閉容器是池塘的實(shí)施方案中，用于密集型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施的池塘大小范圍是從1公頃或更小(從0.1到1公頃)，用于半密集型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施的范圍在從1到2公頃，同時(shí)用于粗放型水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施的范圍在5公頃或更大。年產(chǎn)量水平的測(cè)定是每次收獲每公頃內(nèi)海洋動(dòng)物的千克重，對(duì)于密集型、半密集型和粗放型水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的年產(chǎn)量水平分別從5000或更大，從1000到5000之間，從100到1000之間變化。
再參照?qǐng)D2，氧氣注入器30優(yōu)選位置在與一個(gè)或多個(gè)封閉容器極接近。氧氣注入器30也可以位于封閉容器本身內(nèi)，比如容器的一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁內(nèi)，沿封閉容器的底部放置，或者沿封閉容器的表面漂浮。優(yōu)選的是，如果是有一個(gè)以上的氧氣注入器供給封閉容器的情況，則在封閉容器周?chē)蛟诜忾]容器內(nèi)，氧氣注入器的位置與其它氧氣注入器的位置互補(bǔ)，以保證氧和其它容器添加劑(即飼料、藥物、維生素等)的分配均一且均勻。氧氣注入器的布置可以通過(guò)容器內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬來(lái)確定。以這種方式，就能獲得較均一且均勻的氧氣和其它容器添加劑的分配效果。圖5給出了運(yùn)行計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)或封閉容器的計(jì)算機(jī)建模的工藝流程圖，以確定氧氣注入器和通氣設(shè)備或向容器移動(dòng)或添加氧的任何其它設(shè)備的最適宜位置，該流程圖將在下面詳細(xì)描述。
本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施方案中，氧氣注入器30在封閉容器20內(nèi)的位置使得分層化效應(yīng)(stratification)最小，或者使水介質(zhì)為明顯的邊界分為不同的“層”的現(xiàn)象最小化，這種分層化效應(yīng)或分“層”現(xiàn)象可對(duì)包括在容器內(nèi)的海洋動(dòng)物有不利影響?？梢园岩粋€(gè)或多個(gè)氧氣注入器30放在封閉容器20底部附近或底部以提供充分的水的移動(dòng)和減小分層化效應(yīng)的發(fā)生。
氧氣注入器30可以包括多種不同的類(lèi)型比如吸氣器、文丘里管、鼓泡擴(kuò)散器、U形管、優(yōu)選帶有一個(gè)或多個(gè)穿孔的管道、柱狀物、雙錐體或任何其它注入設(shè)備。在有些實(shí)施方案中，氧氣注入器30和氧氣發(fā)生器40可以合并為一個(gè)裝置比如帶有固定或活動(dòng)連通管道、擴(kuò)散器等的氧氣發(fā)生器。氧氣注入器30優(yōu)選設(shè)計(jì)成增加接觸表面區(qū)域，且池塘中的氧氣注入器的角度或位置也增加氧氣和水介質(zhì)間的接觸時(shí)間，因此，讓更多的氧溶解到水介質(zhì)中。
在有些實(shí)施方案中，氧氣注入器可以是文丘里管。簡(jiǎn)單地說(shuō)，文丘里管是這樣一種裝置，該裝置的運(yùn)行是通過(guò)使用第二流體介質(zhì)的速度(由壓力差引起)作為能量來(lái)源使一種流體介質(zhì)進(jìn)入另一流體介質(zhì)。當(dāng)水穿過(guò)管道節(jié)流(restriction)時(shí)，它在節(jié)流末端形成真空。在管道上出現(xiàn)真空處的鉆孔可以引起空氣(或任何其它流體)吸入主物流。吸入的流體量是在文丘里管入口和出口間壓差和它們之間節(jié)流尺寸的直接函數(shù)。美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為No.5,863,128的專(zhuān)利提供了適合本發(fā)明系統(tǒng)使用的文丘里管氧氣注入器的實(shí)例。
正如以前提到的，氧氣發(fā)生器40與一個(gè)或多個(gè)氧氣注入器30流體連通，以供給一個(gè)或多個(gè)封閉容器20。氧氣發(fā)生器優(yōu)選通過(guò)吸附技術(shù)比如變真空吸附(VSA)或者變壓吸附(PSA)產(chǎn)生氧，VSA(Vacuum swing absorption)或PSA是用分子過(guò)濾器從空氣中除去氮?dú)?。在有些?yōu)選實(shí)施方案中，氧氣發(fā)生器40可以是以VSA為基礎(chǔ)的裝置，比如由本發(fā)明受讓人PA阿倫敦的空氣產(chǎn)品和化學(xué)制品有限公司(Air Products and Chemicals，Inc.of Allentown，PA)制造的型號(hào)為A150L的VSA發(fā)生器。氧氣發(fā)生器40優(yōu)選便攜式裝置，這樣的裝置能于整個(gè)系統(tǒng)10內(nèi)再次設(shè)置定位并在任何時(shí)候連通一個(gè)或多個(gè)氧氣注入器30。氧氣發(fā)生器可以安置在例如能?chē)@封閉容器外圍移動(dòng)的可移動(dòng)平臺(tái)上，或安置在可浮動(dòng)的滑板和布置在封閉容器表面上。圖3出示了小車(chē)401上的氧氣發(fā)生器40，小車(chē)401帶有位于鄰近池塘20的輪子402，并通過(guò)氧氣注入器30給池塘20內(nèi)的水介質(zhì)50提供氧。氧氣注入器30位于池塘20的底部201。氧氣注入器30配置有孔31，孔31位于池塘20底部201的氧氣注入器30的那部分32上。氧氣注入器30能由柔性的可移動(dòng)的管制成。
圖4出示了安裝在可浮動(dòng)平臺(tái)401上的氧氣發(fā)生器40，可浮動(dòng)平臺(tái)401在封閉容器20中的水介質(zhì)50上漂浮。海洋動(dòng)物60在封閉容器20內(nèi)。圖示連通氧氣發(fā)生器40的氧氣注入器30有螺旋槳39和中心管道37，在中心管道37的最底部有一個(gè)開(kāi)口(沒(méi)有圖示)。中心管道與氧氣發(fā)生器40流體連通。包括氧氣的氣體通過(guò)中心管道37的開(kāi)口注入水介質(zhì)，并且螺旋槳39的運(yùn)動(dòng)通過(guò)增加氧與水接觸的表面區(qū)域來(lái)幫助氧擴(kuò)散到水中。氧氣注入器30另外有浮動(dòng)平臺(tái)38。做為選擇的方案，早先描述的注入器的任何一個(gè)都能與圖4出示的氧氣發(fā)生器一起使用以將含氧氣體注入水中。圖4出示的氧氣發(fā)生器40可以在池塘附近移動(dòng)，或者可以通過(guò)錨(沒(méi)有圖示)錨定在池塘內(nèi)部或外面的固定物上以保持氧氣發(fā)生器40處于一個(gè)位置，同時(shí)螺旋槳39引起水介質(zhì)50運(yùn)動(dòng)。
和難于進(jìn)行管線連通的(hard-plumbed)的液體氧系統(tǒng)相比，氧氣發(fā)生器40是便攜式且可以根據(jù)需要給系統(tǒng)10中封閉容器的任何一個(gè)提供高純度氧。根據(jù)其大小，每個(gè)單獨(dú)的氧氣發(fā)生器40的單位生產(chǎn)能力可在5L/min到5000L/min的氧范圍內(nèi)。當(dāng)使用氧氣注入器時(shí)，氧氣發(fā)生器的數(shù)量和生產(chǎn)能力可以根據(jù)系統(tǒng)的需要而變化。在有些實(shí)方案例中，VSA氧氣發(fā)生器可以在相當(dāng)?shù)偷膲毫ο庐a(chǎn)生氧，例如，3到5磅/平方英寸(psi)的壓力下，因此，它們也適用于向低壓氧氣注入器比如吸氣器、文丘里管或鼓泡氧注入器倍應(yīng)氧。不過(guò)，如果在系統(tǒng)中需要更高的氣壓，可以在氧氣發(fā)生器出口附加增壓壓縮器以提高供氧氣注入器的壓力。
本發(fā)明系統(tǒng)可以與其它水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)相結(jié)合，比如與再循環(huán)水處理系統(tǒng)或通氣系統(tǒng)(即明輪通氣設(shè)備、大容積泵等)相結(jié)合，但不局限于此。如果足夠的水移動(dòng)能通過(guò)封閉容器中的其它系統(tǒng)或包括其它通氣裝置的設(shè)備或通過(guò)單獨(dú)的氧氣注入器來(lái)提供，那么可能需要在封閉容器中僅用一個(gè)氧氣注入器就能保持足夠水平的溶解氧以維持海洋動(dòng)物的健康。
在本發(fā)明某些實(shí)施方案中，系統(tǒng)可以在氧氣注入封閉容器的至少一段時(shí)間內(nèi)或者同時(shí)分配飼料。做為選擇，也可在氧氣通過(guò)系統(tǒng)注入封閉容器之前或之后添加飼料。在這些實(shí)施方案中，如圖3所示的飼料儲(chǔ)存箱500通過(guò)連通機(jī)構(gòu)501與一個(gè)或多個(gè)氧氣注入器流體連通。飼料添加給氧氣流或含氧的水流以用于持續(xù)均勻地分配飼料。由于氧氣系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，飼料可以根據(jù)需要并以適宜的量添加給池塘。海洋動(dòng)物能感知飼料并被飼料吸引，同時(shí)被吸引到水介質(zhì)中有更高溶解氧的區(qū)域中。結(jié)果，海洋動(dòng)物在消耗飼料的同時(shí)可以消耗更高的溶解氧。這在參考文獻(xiàn)中，比如《水產(chǎn)養(yǎng)殖中池塘的水質(zhì)》(WaterQuality in Ponds for Aquaculture)，Boyd，C.E.(1990)，304-309頁(yè)，(其整體上在此一并作為參考)，已經(jīng)證實(shí)更高的溶解氧水平可以提高飼料消耗量和降低飼料轉(zhuǎn)化率(例如每磅動(dòng)物消耗飼料的磅數(shù))，并因此在降低飼料成本同時(shí)提高了生長(zhǎng)率。在海洋動(dòng)物包括蝦的實(shí)施方案中，在16-24周生產(chǎn)周期中生長(zhǎng)率期望達(dá)到每周大約0.8至2.0克。
本發(fā)明系統(tǒng)也可以使化學(xué)制品的注入容易，化學(xué)制品比如臭氧、藥、維生素和/或其它添加劑，這是通過(guò)與氧氣流或含氧水流一起注入這些添加劑到封閉容器中。藥、維生素和其它池塘添加劑可以通過(guò)氧氣注入器30里的儲(chǔ)料器502和連通機(jī)構(gòu)503添加。這可以使用已經(jīng)裝配好的用于注入氧的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行這些添加劑的分配而不會(huì)有額外的裝備或勞動(dòng)力成本。用于這些添加劑的供應(yīng)容器與氧氣注入器流體連通。這些材料可以在任何想要的時(shí)間且以需要的數(shù)量通過(guò)氧氣注入器添加到池塘。在系統(tǒng)通過(guò)氧氣注入器除供應(yīng)氧氣之外還可以供應(yīng)臭氧的實(shí)施方案中，臭氧發(fā)生器可與氧氣發(fā)生器流體連通以供應(yīng)給臭氧發(fā)生器氧氣而不是空氣，臭氧發(fā)生器就能轉(zhuǎn)為供應(yīng)臭氧。那么臭氧可以通過(guò)氧氣注入器分配。圖3出示了臭氧發(fā)生器600并入氧氣發(fā)生器40的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明有些優(yōu)選實(shí)施方案中，系統(tǒng)還包括監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)可以提供給使用者某些信息，優(yōu)選實(shí)時(shí)地提供，涉及每個(gè)封閉容器中的各種生產(chǎn)參數(shù)，比如溫度、溶解氧、PH、氨、硝酸鹽、亞硝酸鹽、懸浮固體、鹽度、堿度、生化需氧量(BOD)、硬度、濁度和水流速度。監(jiān)控系統(tǒng)可以使用該信息以自動(dòng)地使多種不同供應(yīng)源啟動(dòng)，比如啟動(dòng)氧、飼料、藥或其它添加劑供應(yīng)源。監(jiān)控系統(tǒng)700作為本發(fā)明系統(tǒng)一部分的一個(gè)實(shí)施方案在圖3中示出。監(jiān)控系統(tǒng)700優(yōu)選由中央處理器701和氧氣發(fā)生器40組成，該中央處理器701通過(guò)如圖3出示的線703直接以電的形式與一個(gè)或多個(gè)傳感器702相連。做為選擇方案，中央處理器701也可以通過(guò)調(diào)制—調(diào)解器(modem)、無(wú)線電、遠(yuǎn)距離通訊或類(lèi)似裝置與傳感器和/或氧氣發(fā)生器聯(lián)系。作為選擇方案，或者作為補(bǔ)充，盡管沒(méi)有圖示，監(jiān)控系統(tǒng)也可以以電的形式與多種供應(yīng)源聯(lián)系，比如與飼料儲(chǔ)料器、臭氧發(fā)生器、氧氣注入器、再循環(huán)箱閥、藥或其它添加劑源等聯(lián)系。適宜的中央處理器的實(shí)例包括信號(hào)處理器、過(guò)程控制器、微處理器、計(jì)算機(jī)或能保留某些預(yù)定程序信息到存儲(chǔ)器并執(zhí)行多種功能比如簡(jiǎn)單的運(yùn)算及中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)或執(zhí)行操作的類(lèi)似裝置，但并不局限于此。
感應(yīng)器可以測(cè)定溶解氧水平、溫度、PH和其它水參數(shù)，感應(yīng)器以電的形式與中央處理器聯(lián)系?？梢园堰@些參數(shù)輸入中央處理器，中央處理器會(huì)指示系統(tǒng)元件以適合的量給封閉容器提供氧和其它材料的必要注入。此外，中央處理器對(duì)照大量預(yù)定值比較這些參數(shù)以決定每個(gè)封閉容器在任何給定時(shí)間內(nèi)需要什么。例如，感應(yīng)器702可以是測(cè)定水介質(zhì)中溶解氧的感應(yīng)器，中央處理器701可以對(duì)照預(yù)定程序設(shè)定點(diǎn)值Cset比較封閉容器中測(cè)定的水介質(zhì)中氧含量C0，并且當(dāng)含水介質(zhì)中氧含量C0低于設(shè)定的點(diǎn)值Cset時(shí)使氧氣發(fā)生器啟動(dòng)。另外，中央處理器701可以對(duì)照第二預(yù)定程序設(shè)定的點(diǎn)值Cmax比較封閉容器中測(cè)定的水介質(zhì)的氧含量C0，并且當(dāng)含水介質(zhì)中氧含量C0高于設(shè)定的點(diǎn)值Cmax時(shí)使氧氣發(fā)生器關(guān)閉。設(shè)定的點(diǎn)值Cset和Cmax可以在每個(gè)封閉容器中由于多種因素比如一天中的的時(shí)間、海洋動(dòng)物的大小或生長(zhǎng)量、生長(zhǎng)周期的時(shí)間、年度時(shí)間，封閉容器的大小、水質(zhì)等而變化，但不局限于這些因素。不管這些變化如何，本發(fā)明系統(tǒng)都能讓使用者獨(dú)立地控制多個(gè)封閉容器。另外，盡管在圖3中沒(méi)有出示，氧氣發(fā)生器40可配備裝置比如閥，以便只給一個(gè)封閉容器供氧，而不是給所有的封閉容器供氧。
在有些優(yōu)選實(shí)施方案中，中央處理器是模擬裝置。不象只能指示另一個(gè)裝置“開(kāi)”或“關(guān)”的數(shù)字裝置，模擬裝置能指示另一個(gè)裝置處于“開(kāi)”和“關(guān)”之間的多種其它狀態(tài)。例如，模擬信號(hào)能調(diào)節(jié)裝置的速度(例如工作能力的20％、30％、40％等)。模擬信號(hào)越來(lái)越多地被用于采用感應(yīng)器反饋的定劑量函數(shù)(dosing function)。例如，氧氣感應(yīng)器的輸出可以告知中央處理器，封閉容器中氧氣濃度正在減少。中央處理器可以給氧氣注入器發(fā)送模擬信號(hào)以局部打開(kāi)或關(guān)閉閥，盡力一直維持穩(wěn)定的氧氣濃度。這比只是打開(kāi)或關(guān)閉閥(比如利用數(shù)字信號(hào))更優(yōu)選，因?yàn)橹皇谴蜷_(kāi)或關(guān)閉閥可能引起氧氣濃度呈波峰和波谷，會(huì)使動(dòng)物緊張。
本發(fā)明的有些實(shí)施方案中，系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)封閉容器中水介質(zhì)或水中的鹽含量。因?yàn)辂}度變化會(huì)在海洋動(dòng)物中引起等張和急性或慢性死亡，所以鹽含量的調(diào)節(jié)很重要。系統(tǒng)能結(jié)合例如以電的形式與中央處理器聯(lián)系的液體比重計(jì)或折射計(jì)。折射計(jì)可以探測(cè)封閉容器中水的鹽度水平確定是否已經(jīng)增加，例如，由于蒸發(fā)而增加。折射計(jì)可以與中央處理器相連，中央處理器可以指示閥打開(kāi)，從而讓另外的鹽水或淡水進(jìn)入封閉容器以增加或降低鹽度水平。
再在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)封閉容器中水介質(zhì)或水中的氨含量。氨的主要來(lái)源是海洋動(dòng)物本身產(chǎn)生的廢物。如果水介質(zhì)中氨的水平太高，會(huì)對(duì)其中的海洋動(dòng)物有毒。封閉容器內(nèi)水中的細(xì)菌消耗氨，因而降低了氨水平。由細(xì)菌產(chǎn)生的氨消耗可以通過(guò)添加碳源比如糖蜜(molasses)到水中來(lái)輔助。另外，細(xì)菌也得益于水中溶解氧水平的增加。在這些實(shí)施方案中，系統(tǒng)可以包括氨感應(yīng)器以探測(cè)水中氨水平并傳達(dá)該信息給中央處理器。如果細(xì)菌未能維持氨水平在一定范圍內(nèi)，中央處理器可以指示閥以將糖蜜或其它碳源添加到水中來(lái)增加氨消耗。
盡管發(fā)明特別適合自動(dòng)防故障裝置的系統(tǒng)和包括給水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的封閉容器提供氧的方法，但發(fā)明并不局限于到此。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能用于多種其它應(yīng)用，其中最重要的是能提供可靠的氧源，例如，能用于給廢水處理廠或其它應(yīng)用提供氧源。
圖5給出了運(yùn)行計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)或封閉容器的計(jì)算機(jī)建模步驟的程序流程圖，以定位氧氣注入器和/或其它向封閉容器移動(dòng)或添加氧的通氣設(shè)備。計(jì)算機(jī)建模程序能用于確定通氣裝置的位置以提供最好的溶解氧分配，以?xún)?yōu)化用于池塘的動(dòng)力利用，確定需要獲得特定放養(yǎng)密度的通氣設(shè)備位置和類(lèi)型，和/或確定處理池塘里淤泥或廢物沉積物的最好方式，以及用于其它目的。
第一步驟301是啟動(dòng)建模程序。步驟302是收集數(shù)據(jù)，其包括給計(jì)算機(jī)程序輸入容器或池塘幾何圖形的步驟302a，和給計(jì)算機(jī)程序輸入關(guān)于通氣設(shè)備類(lèi)型數(shù)據(jù)的步驟302b。池塘幾何形狀包括長(zhǎng)方形容器的長(zhǎng)、寬和高，或者圓形容器的直徑和高，或者限定任何形狀容器的幾何形狀。在步驟302b中，通氣設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)可以由程序使用者預(yù)先建立，包括輸入由制造商提供的機(jī)械繪圖中設(shè)備的幾何形狀，或把通氣設(shè)備部件的幾何形狀數(shù)據(jù)化并將它輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。把這些設(shè)備的工作條件比如方位、轉(zhuǎn)動(dòng)速度等輸入程序。
根據(jù)從步驟302a輸入的信息，建模程序?qū)?huì)形成容器或池塘的幾何形狀，并優(yōu)選對(duì)使用者顯示該幾何形狀以便復(fù)查。在步驟306使用者可以選擇一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備，加至步驟305產(chǎn)生的容器中。接下來(lái)，建模程序的使用者可以選擇池塘中通氣設(shè)備的位置。典型做法是相對(duì)于容器幾何形狀的定點(diǎn)比如容器的中點(diǎn)，指定設(shè)備的坐標(biāo)。通氣設(shè)備的方位由使用者在步驟308中指定，步驟308需要相對(duì)于容器幾何形狀的定點(diǎn)使用容器坐標(biāo)來(lái)限定軸線和流動(dòng)方向。在步驟309中，如果通氣設(shè)備不在302b的通氣設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中，那么程序的使用者必須根據(jù)制造商的機(jī)械繪圖輸入通氣設(shè)備模型，或者把該通氣設(shè)備的模型數(shù)字化后輸入程序中。新的通氣設(shè)備能隨后被保存入步驟302b的數(shù)據(jù)庫(kù)。在通氣設(shè)備信息輸入程序后，使用者可以指定程序在步驟310中如何確定計(jì)算區(qū)域以形成計(jì)算網(wǎng)格(compuatational mesh)。為了達(dá)到最好的結(jié)果，計(jì)算網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)更密集(dense)于速度梯度高的份量(volume)中，例如，密集于接近通氣設(shè)備和接近容器邊界的份量中。密集網(wǎng)格對(duì)每份量提供更多的計(jì)算。例如，盡管不限于此，但網(wǎng)格份量(mesh volume)可以大約是圍繞通氣設(shè)備的份量中通氣設(shè)備大小的1/10，及網(wǎng)格較少密集處的份量中容器大小的1/100?？紤]到池塘的幾何形狀和池塘中通氣設(shè)備的位置和類(lèi)型以及輸入的網(wǎng)格密度信息，程序會(huì)建立計(jì)算網(wǎng)格或柵格(grid)，這樣程序會(huì)優(yōu)選顯示，給使用者提供想要進(jìn)行改變的機(jī)會(huì)。在步驟311中，程序中的計(jì)算器解答計(jì)算柵格的每個(gè)單元(cell)中流體體積的流體動(dòng)力學(xué)傳質(zhì)方程(例如，粘性流體方程(Navier StokesEquations))，并將結(jié)果提供給使用者。使用者在步驟312中分析結(jié)果，首先檢查質(zhì)量流量處在可能區(qū)域內(nèi)而不是輸入錯(cuò)誤的結(jié)果。如果結(jié)果是真實(shí)的，但不是可接受的，可重復(fù)建模程序并且通氣設(shè)備能被改變、移動(dòng)、再定方向和再重復(fù)建模程序。
通過(guò)使用計(jì)算機(jī)建模程序，封閉容器內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)和氧的溶解能被優(yōu)化。通氣設(shè)備的位置和類(lèi)型能到處移動(dòng)和改變。不同的通氣設(shè)備能用在不同的結(jié)合體上以獲得期望的結(jié)果。本發(fā)明氧氣發(fā)生器和氧氣注入器能與現(xiàn)有技術(shù)中的通氣設(shè)備一起使用以獲得期望的流體運(yùn)動(dòng)和充氧狀態(tài)。相對(duì)于裝置的預(yù)先支付和運(yùn)行成本而言，相比該流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)提供最經(jīng)濟(jì)的流體移動(dòng)。
水的運(yùn)動(dòng)對(duì)于阻止封閉容器區(qū)域中溶解氧的低水平是重要的。為了最大化溶解氧量的分配，優(yōu)選池塘內(nèi)所有水以至少4cm/sec移動(dòng)；然而，由于絕大多數(shù)封閉容器的形狀所限，優(yōu)選容器內(nèi)至少大部分流體體積以至少4cm/sec移動(dòng)，優(yōu)選4到20cm/sec之間，更優(yōu)選4到10cm/sec之間。在更優(yōu)選的實(shí)施方案中，在池塘中流體體積大于80％，以及更優(yōu)選大于85％的流體體積移動(dòng)4到20cm/sec，更優(yōu)選4到10cm/sec。
已經(jīng)明確了為了達(dá)到最好結(jié)果，任何形狀封閉容器中水介質(zhì)應(yīng)當(dāng)以至少一個(gè)圓形漩渦移動(dòng)，包括至少大部分所述水介質(zhì)以至少一個(gè)圓形漩渦移動(dòng)，并且如果在封閉容器內(nèi)超過(guò)一個(gè)圓形漩渦，那么該漩渦將是互補(bǔ)的圓形漩渦。對(duì)于圓形封閉容器或長(zhǎng)寬比率小于1.5～1的方形封閉容器來(lái)說(shuō)，優(yōu)選讓注入器注入氧/空氣橫過(guò)容器半徑或容器的半個(gè)長(zhǎng)度，并且流體的流動(dòng)處于單圓形漩渦。如果可能，優(yōu)選橫過(guò)容器半徑或容器半個(gè)長(zhǎng)度的注入是一致的。已經(jīng)明確了對(duì)于大多數(shù)長(zhǎng)度是寬度的1.5～2.4倍的池塘(例如，長(zhǎng)方形池塘)，優(yōu)選流體由至少2套通氣設(shè)備移動(dòng)，通氣設(shè)備會(huì)在兩個(gè)互補(bǔ)的圓形漩渦中移動(dòng)流體，正如圖6箭頭所示。如圖所示，互補(bǔ)圓形漩渦在同一方向在池塘體積中流動(dòng)，池塘中漩渦相遇或彼此鄰近。對(duì)于長(zhǎng)度是寬度的2.5～3倍的長(zhǎng)方形池塘，優(yōu)選流體由至少3套通氣設(shè)備移動(dòng)，通氣設(shè)備會(huì)在三個(gè)互補(bǔ)的圓形漩渦中移動(dòng)流體，正如圖7所示。如圖6和圖7所示，亮的區(qū)域是流動(dòng)速度在4cm/sec到20cm/sec之間的區(qū)域。如圖6和7所示，暗的區(qū)域66是速度小于2cm/sec或更小的區(qū)域。(圖7出示了通氣設(shè)備88的位置)。發(fā)明者已經(jīng)確認(rèn)容器內(nèi)廢物會(huì)累積在有較低的或沒(méi)有速度區(qū)66的容器底部。為保持容器清潔和對(duì)海洋動(dòng)物健康，建議把該廢物盡可能經(jīng)常且有規(guī)律地常規(guī)地從池塘除去。建議在塑料襯底的池塘中每天進(jìn)行清除，但在土制底的池塘中應(yīng)當(dāng)至少一周清除一次。通過(guò)僅僅清潔低速區(qū)，就能把池塘中大多數(shù)—即使不是所有的—廢物從容器中有效清除。另外，為了避免浪費(fèi)飼料，當(dāng)移動(dòng)水的通氣設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不要將喂海洋動(dòng)物的飼料添加在低速區(qū)，而應(yīng)當(dāng)只添加在容器中水速為4cm/sec～20cm/sec的區(qū)域，更優(yōu)選添加在水速為4cm/sec～10cm/sec的區(qū)域。沉積在低速區(qū)的飼料在分解時(shí)甚至?xí)母嘌鯕?。另外，為避免浪費(fèi)飼料，最好在供給飼料前至少5分鐘關(guān)閉用于移動(dòng)流體的通氣設(shè)備。通過(guò)關(guān)閉移動(dòng)流體的通氣設(shè)備，在飼料沉落在池塘低速區(qū)之前，流體不會(huì)使飼料四處移動(dòng)，低速區(qū)是溶解氧水平低而且蝦不能定居處。飼料在低速區(qū)會(huì)被浪費(fèi)，并且會(huì)促進(jìn)給蝦造成不良的通氣池塘環(huán)境。在提供一段供給飼料時(shí)間后，優(yōu)選提供15分鐘到2小時(shí)的供給飼料時(shí)間后，可以重新啟動(dòng)移動(dòng)流體的通氣設(shè)備。
本發(fā)明參照下面的實(shí)施例將更詳細(xì)地進(jìn)行說(shuō)明，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不視為限定于此。
實(shí)施例實(shí)施例1給地上羅非魚(yú)(Tilipia)生產(chǎn)水池供應(yīng)氧用于生產(chǎn)羅非魚(yú)的2000加侖水池保持溫度在大約28℃。水池中溶解氧的百分比是2.0mg/l。
10馬力，便攜式變真空吸附(VSA)氧氣發(fā)生器由PA阿倫敦空氣產(chǎn)品和化學(xué)制品有限公司提供，氧氣發(fā)生器通過(guò)氧氣管道與陶瓷擴(kuò)散器相連，氧氣注入器位于水池底。氧氣發(fā)生器在壓力范圍3到5psi內(nèi)以每分鐘120升或250標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/小時(shí)(SCFH)的速度給水池釋放純度為90％或更大的氧氣。陶瓷擴(kuò)散器有50psi背壓。氧氣發(fā)生器還與1馬力氧氣壓縮機(jī)相連以提高氧氣發(fā)生器輸出壓力到60psi。水池內(nèi)連通氧氣發(fā)生器1小時(shí)后溶解氧的百分比是8.0mg/l。
本發(fā)明說(shuō)明便攜式VSA氧氣發(fā)生器在羅非魚(yú)生產(chǎn)水池內(nèi)可以增加溶解氧的百分比。不象以前向水池中注入氧氣的方法，比如給水池系統(tǒng)供應(yīng)液體氧的方法，使用便攜式VSA氧氣發(fā)生器給生產(chǎn)水池提供氧量的成本是使用液體氧給水池系統(tǒng)供氧每月運(yùn)行成本的一小部分。例如，根據(jù)每千瓦(KW)價(jià)格是0.06美元計(jì)，便攜式VSA氧氣發(fā)生器的運(yùn)行成本是每月280美元，而液體氧供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行成本是每月1500美元。液體氧供應(yīng)系統(tǒng)成本還未計(jì)入氧罐租費(fèi)和氧氣供應(yīng)管理的費(fèi)用。此外，不象以前技術(shù)方法比如通氣那樣，會(huì)限定使用者在水池中養(yǎng)殖海洋動(dòng)物的數(shù)量。
本發(fā)明提出了幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的范圍寬于這些實(shí)施方案的范圍，并且應(yīng)當(dāng)由后面的權(quán)利要求來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種用于海洋動(dòng)物水產(chǎn)養(yǎng)殖的供氣體系統(tǒng)，所述氣體以體積計(jì)包括純度為30％或更高的氧，該系統(tǒng)包括多個(gè)封閉容器、多個(gè)氧氣注入器和多個(gè)氧氣發(fā)生器；每個(gè)所述封閉容器能容納大量海洋動(dòng)物和水介質(zhì)；至少一個(gè)氧氣注入器布置在所述多個(gè)封閉容器各自的的至少一個(gè)位置處；所述多個(gè)氧氣發(fā)生器每個(gè)都與所述多個(gè)氧氣注入器的至少一個(gè)流體連通，從而由多個(gè)氧氣發(fā)生器給封閉容器提供足量氧氣，以提高水介質(zhì)中的溶解氧百分?jǐn)?shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括與所述多個(gè)氧氣注入器中的至少之一流體連通的一個(gè)飼料源。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括與所述多個(gè)氧氣注入器中的至少之一流體連通的一個(gè)藥源。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括與所述多個(gè)氧氣注入器中的至少之一流體連通的一個(gè)臭氧源。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中臭氧源與所述多個(gè)氧氣發(fā)生器中的至少之一流體連通。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)氧氣發(fā)生器通過(guò)變真空吸附運(yùn)行。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)氧氣發(fā)生器位于鄰近所述封閉容器處。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)氧氣發(fā)生器中的至少之一安裝在輪子上。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)氧氣發(fā)生器中的至少之一安裝在可浮動(dòng)支架上。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)氧氣發(fā)生器配置在封閉容器內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中溶解氧含量大于4mg/l。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中晚上比白天添加更多的氧到所述封閉容器中。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)傳感器和一個(gè)中央處理器；所述傳感器測(cè)定所述多個(gè)封閉容器至少之一中水介質(zhì)內(nèi)溶解氧含量C0；所述中央處理器與該傳感器及所述多個(gè)氧發(fā)生器至少之一電連通，該中央處理器對(duì)照設(shè)定點(diǎn)值Cset比較氧含量C0，并且當(dāng)氧含量C0低于設(shè)定的點(diǎn)值Cset時(shí)使至少一個(gè)氧氣發(fā)生器啟動(dòng)。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)封閉容器包括大量的蝦，蝦收獲生物量密度為至少0.5kg/m2或更大。
15.一種用于確定封閉容器中一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備位置的方法，其中封閉容器包括用于海洋動(dòng)物的水介質(zhì)，該方法步驟包括給建模程序輸入封閉容器的幾何圖形；給所述建模程序輸入一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備的幾何圖形；限定在所述封閉容器內(nèi)的所述一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)位置；用所述封閉容器內(nèi)的所述一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備建立用于所述封閉容器的計(jì)算網(wǎng)格；解答流體動(dòng)力學(xué)傳質(zhì)方程以確定所述封閉容器內(nèi)所述水介質(zhì)的流動(dòng)速度和流動(dòng)方向。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括分析所述流動(dòng)速度和所述流動(dòng)方向的步驟；給所述建模程序輸入一個(gè)或多個(gè)不同通氣設(shè)備的幾何圖形，并對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)不同通氣設(shè)備進(jìn)行重復(fù)限定、建立和解答的步驟。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括分析所述流動(dòng)速度和所述流動(dòng)方向的步驟；如果所述封閉容器中所述水介質(zhì)的大多數(shù)體積的流動(dòng)速度不在4cm/sec到20cm/sec之間，則還包括限定所述一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備的新位置的附加步驟和對(duì)所述新位置處的所述一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備進(jìn)行重復(fù)建立和解答的步驟，直到所述封閉容器中所述水介質(zhì)的大多數(shù)體積的流動(dòng)速度在4cm/sec到20cm/sec之間。
18.用于海洋動(dòng)物水產(chǎn)養(yǎng)殖的封閉容器，包括一個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備和所述封閉容器內(nèi)的水介質(zhì)；所述通氣設(shè)備移動(dòng)所述水介質(zhì)以形成至少一個(gè)圓形漩渦，在所述的至少一個(gè)圓形漩渦中包括至少大多數(shù)所述水介質(zhì)的移動(dòng)。
19.如權(quán)利要求18所述的封閉容器，包括兩個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備；所述兩個(gè)或多個(gè)通氣設(shè)備移動(dòng)所述水介質(zhì)以形成至少兩個(gè)互補(bǔ)的圓形漩渦，在所述的至少兩個(gè)圓形漩渦中包括至少大多數(shù)所述水介質(zhì)的移動(dòng)。
20.如權(quán)利要求18所述的封閉容器，其中所述大多數(shù)所述水介質(zhì)以4到20cm/sec的流動(dòng)速度移動(dòng)。
21.如權(quán)利要求19所述的封閉容器，其中所述大多數(shù)所述水介質(zhì)以4到20cm/sec的流動(dòng)速度移動(dòng)。
22.如權(quán)利要求18所述的封閉容器，包括容器的底部和淤泥，其中所述淤泥收集在少于底部區(qū)域的20％一個(gè)區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
在此公開(kāi)了一種用于海洋動(dòng)物比如蝦水產(chǎn)養(yǎng)殖的系統(tǒng)和包括上述系統(tǒng)的方法，其中給封閉容器供應(yīng)純度為30％或更大純度的氧。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)包括與多個(gè)氧氣注入器流體連通的多個(gè)氧氣發(fā)生器，供氧給裝有水介質(zhì)和海洋動(dòng)物的封閉容器，以維持溶解氧含量高于某一水平。
文檔編號(hào)A01K63/04GK1615690SQ20031012408
公開(kāi)日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月4日
發(fā)明者A·N·馬瑟, M·延科沃伊, P·馬, X·何 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司