池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

馬曉飛 袁永明 王蕓 張紅燕 沈楠楠

摘要：應(yīng)用PLC可編程邏輯控制器聯(lián)合自動控制技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建一種適用于池塘養(yǎng)殖的具有底污定向沉降、定時吸污、排污與沖洗循環(huán)工作等功能的底污自動清理系統(tǒng)，以期能夠為池塘養(yǎng)殖水質(zhì)控制、增產(chǎn)增效提供一定的技術(shù)支持。對養(yǎng)殖池塘底部進行積污池硬化改造，配合變頻水車式增氧機實現(xiàn)養(yǎng)殖池塘底污定向沉降。選用養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置作為積污池底污自動抽取設(shè)備，實現(xiàn)養(yǎng)殖底污的高效抽離。使用安裝有高密度濾網(wǎng)的高壓板式壓濾機作為養(yǎng)殖底污固液分離裝置，從而實現(xiàn)底泥固化轉(zhuǎn)移和尾水清潔回排。選用西門子S7-200作為系統(tǒng)智能控制器，實現(xiàn)自動設(shè)備的周期性定時控制，配合安全穩(wěn)定的電氣控制設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的自動控制。底污自動清理系統(tǒng)能夠保證硬件設(shè)備協(xié)同工作、有效運轉(zhuǎn)，在養(yǎng)殖試驗中取得了優(yōu)異的應(yīng)用效果，有效實現(xiàn)了底污定向沉降。通過池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，初步實現(xiàn)了池塘養(yǎng)殖底污的定向沉降、底污清理固化轉(zhuǎn)移以及尾水清潔回排，能夠有效應(yīng)用于池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)，并為實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動化與信息化提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：池塘養(yǎng)殖;底污;定向沉降;固液分離;自動控制系統(tǒng)

中圖分類號： S969;TP273? 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0198-08

收稿日期：2021-04-14

基金項目：中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（編號：2019JBFM07）;中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項基金（編號：2020TD37）;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項“特色淡水魚產(chǎn)業(yè)體系”（編號：CARS-46）

作者簡介：馬曉飛（1989—），男，山東陽信人，碩士，助理研究員，主要從事漁業(yè)經(jīng)濟與信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：maxf@ffrc.cn。

通信作者：袁永明，研究員，主要從事漁業(yè)經(jīng)濟與信息技術(shù)研究。E-mail：yuan@ffrc.cn。

池塘養(yǎng)殖底污主要是養(yǎng)殖過程中殘余的餌料、養(yǎng)殖生物排泄物以及殘骸在池塘內(nèi)沉積而產(chǎn)生的污染物，當(dāng)?shù)孜畚镔|(zhì)在養(yǎng)殖水體過量堆積和分解會抑制水體自凈能力，進而導(dǎo)致水質(zhì)惡化、養(yǎng)殖生物病害、翻塘等嚴(yán)重后果。相關(guān)研究表明，養(yǎng)殖池塘中總氮和總磷等污染物主要通過餌料投喂等方式輸入，而大部分的氮磷物質(zhì)最終會在養(yǎng)殖池塘底部沉積[1-3]。除殘餌外，養(yǎng)殖生物的殘骸及排泄物的絕大部分也會沉積在底泥中，當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生改變，底泥中的沉積物會分解釋放污染物質(zhì)，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。底污有機物質(zhì)的不完全分解會釋放大量對養(yǎng)殖生物有毒害作用的中間產(chǎn)物，如NH-3-N、NO-2-N、H2S等，會導(dǎo)致養(yǎng)殖生物出現(xiàn)更多的病害。依據(jù)相關(guān)試驗，養(yǎng)殖池塘的底泥沉積物在一個養(yǎng)殖周期內(nèi)的積累量最高可達1.85×105～1.99×105 kg/hm2，底泥厚度平均每年增加6～8 cm，其中精養(yǎng)池塘、高密度養(yǎng)殖塘以及有生活污水排入的池塘淤泥累積的速度更快。目前，養(yǎng)殖池塘底泥清理主要通過人工或機械清淤作業(yè)方式完成[4]，人工清淤費時費力且效率較低，而機械清淤成本較高且受池塘地形地貌、作業(yè)距離等條件影響較大，現(xiàn)有的機械清污方式只是簡單地替代了最原始的人工清污過程，尚不能滿足現(xiàn)代化漁業(yè)生產(chǎn)的實際需要。因此，開展池塘養(yǎng)殖底污自動清理技術(shù)的相關(guān)研究并設(shè)計開發(fā)一種能夠有效控制水體污染物定向沉降、泥漿泵設(shè)備定時吸污并通過底污固液分離進而實現(xiàn)污泥壓濾轉(zhuǎn)移和尾水凈化回排的池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)，具有一定的必要性和迫切性。

基于上述原因，本研究設(shè)計與開發(fā)了適用于池塘養(yǎng)殖環(huán)境的底污自動清理系統(tǒng)：系統(tǒng)終端控制器選用西門子S7-200系列PLC[5]，實現(xiàn)自動設(shè)備的周期性定時控制，配合安全穩(wěn)定的電氣控制設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的自動控制;通過對養(yǎng)殖池塘底部進行積污池硬化改造，系統(tǒng)智能控制變頻水車式增氧機實現(xiàn)養(yǎng)殖殘餌、糞便等池塘底污向積污池定向沉降;系統(tǒng)定時控制養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置作為積污池底污自動抽取設(shè)備，實現(xiàn)養(yǎng)殖底污的高效抽離;系統(tǒng)通過控制安裝有高密度濾網(wǎng)的高壓板式壓濾機實現(xiàn)養(yǎng)殖底污固液分離，從而進一步實現(xiàn)底泥固化轉(zhuǎn)移和尾水清潔回排。系統(tǒng)具有精準(zhǔn)控制、運行可靠、可移植性高等特點，初步實現(xiàn)了池塘養(yǎng)殖底污的定向沉降、底污清理固化轉(zhuǎn)移以及尾水清潔回排，能夠有效應(yīng)用于池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)，并為實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動化與信息化提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)需求與總體設(shè)計

系統(tǒng)需求及設(shè)計以羅非魚高密度池塘養(yǎng)殖為基礎(chǔ)，羅非魚高密度池塘養(yǎng)殖具有養(yǎng)殖密度高、飼料投喂量大等特點，結(jié)合試驗觀察，羅非魚糞便排出初段具有膜性包被且漂浮于養(yǎng)殖水體[6-8]。羅非魚高密度池塘養(yǎng)殖底污積累量較大且羅非魚糞便的初段漂浮特性，適用于池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)的有效應(yīng)用。綜合養(yǎng)殖實際需求，開展池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計，系統(tǒng)主要包括底污定向沉降控制模塊、底污抽取控制模塊、固液壓濾分離控制模塊、系統(tǒng)總控單元以及自動化養(yǎng)殖設(shè)備等軟硬件功能模塊組成。系統(tǒng)涉及自動化養(yǎng)殖設(shè)備主要包括變頻水車式增氧機、養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置（CN201610321045.8）[9]、高壓板式壓濾機[10]等，養(yǎng)殖設(shè)備供電及控制線路接入系統(tǒng)總控制配電箱;系統(tǒng)終端控制器選用西門子S7-200系列PLC（S7-200 CPU224 XP AC/DC/RELAY），該類型PLC控制器標(biāo)配有繼電器輸出10組、光電隔離型開關(guān)量輸入14組、2路支持 ModBus-RTU 協(xié)議的RS-485通信口并內(nèi)置萬年歷及實時時鐘，滿足系統(tǒng)控制輸出、反饋信號輸入及通信需求，終端控制器通過DTU模塊同物聯(lián)服務(wù)器進行通信和數(shù)據(jù)傳輸[11]。終端控制器作為養(yǎng)殖現(xiàn)場控制中心，能夠有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)軟硬件設(shè)備協(xié)同工作，通過多設(shè)備控制與反饋輸入?yún)f(xié)作保障底污定向沉降、底污抽取以及固液壓濾分離等各項控制和監(jiān)測反饋功能的實現(xiàn)。

系統(tǒng)運行時，用戶通過現(xiàn)場配置終端將系統(tǒng)運行控制方案錄入系統(tǒng)終端控制器;系統(tǒng)使用過程中，終端控制器通過控制變頻水車式增氧機實現(xiàn)養(yǎng)殖殘餌、糞便等池塘底污向積污池定向沉降，在沉降池廢棄物累積量達到設(shè)定閾值或定時器達到設(shè)定定時運行周期時，控制器控制養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置運行，通過吸污管吸污以及沖洗管對周圍積污的反沖洗實現(xiàn)養(yǎng)殖底污的高效抽離，系統(tǒng)通過控制安裝有高密度濾網(wǎng)的高壓板式壓濾機實現(xiàn)養(yǎng)殖底污固液分離，從而進一步實現(xiàn)底泥固化轉(zhuǎn)移和尾水清潔回排。系統(tǒng)控制流程見圖1。

2 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與集成

系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括總控制配電箱、水車式增氧機、養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置、高壓板式壓濾機等，系統(tǒng)由主控制器控制運行流程，各設(shè)備之間分工協(xié)作、有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)硬件設(shè)備排布平面（非等比例）見圖2。

系統(tǒng)控制配電箱負責(zé)系統(tǒng)設(shè)備的配電管理，通過智能控制器協(xié)調(diào)控制各個系統(tǒng)硬件設(shè)備的有效運轉(zhuǎn);選取池塘上風(fēng)口及對角位置安裝水車式增氧機設(shè)備，通過變頻控制技術(shù)由控制器控制水車式增氧機運行速度、引導(dǎo)水體懸浮物定向沉降;前期池塘改造過程中，在2組水車式增氧機水流轉(zhuǎn)向交匯處設(shè)置沉降池，將養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置安裝在沉降池內(nèi)并由控制器控制設(shè)備的正常運行、吸取附近沉降物并反沖洗周圍沉積物;將成套高壓板式壓濾機設(shè)備安裝固定在岸邊平整基礎(chǔ)上并連接進排水管道設(shè)施，完成抽取泥漿的固液分離以及尾水回排。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)主要包括定向沉降、底污抽取、固液分離、現(xiàn)場配置及報警等功能模塊，系統(tǒng)控制器的各個功能模塊分別完成相關(guān)硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及智能控制。根據(jù)系統(tǒng)主要功能需求，選擇西門子S7-200 系列小型可編程邏輯控制器（PLC）作為系統(tǒng)主控制器[12-14]，具體型號為 CPU224XP AC/DC/RLY，該型號PLC控制器具有14 路開關(guān)量輸入和10路繼電器輸出，并配有2 路模擬量輸入和1 路模擬量輸出，采用2口RS232/485 通訊，支持PPI、ModBus、MPI 以及自由口通訊協(xié)議;選用EM 223-4DI/4RLY擴展模塊作為變頻水車式增氧機和高壓板式壓濾機設(shè)備的擴展控制和檢測模塊;基于西門子 S7-200 系列PLC，選取兼容西門子TD-200系列單色文本顯示屏作為現(xiàn)場配置終端，使用西門子STEP 7-Micro/WIN V4.0.9及耐特TP-200 V4.7.9 作為PLC及顯示屏開發(fā)平臺進行系統(tǒng)控制器功能設(shè)計及軟件開發(fā)。

2.2.1 定向沉降功能

河流及池塘懸浮物沉降和底泥再懸浮沉降的相關(guān)研究表明：在水體流動條件下，底泥沿主流方向呈曲線漸減分布，且主要集中在進水口1/3范圍內(nèi)[15];風(fēng)向?qū)Φ啄喾植加绊懖幻黠@，水體流動轉(zhuǎn)向及循環(huán)離心作用是造成外側(cè)沉積物較多的重要原因[16];懸浮物沉降及底泥再懸浮具有一定的起動流速，不同的流速能夠影響懸浮物的擴散和沉降范圍[17];在一定流速條件下，底部水平面的沉降通量呈現(xiàn)先增加、后穩(wěn)定的變化趨勢，底泥再懸浮的懸浮通量總量隨流速增大而增加，且中高流速條件下再懸浮通量增長迅速[18]。

基于上述原理，使用變頻控制技術(shù)實現(xiàn)水車式增氧機的轉(zhuǎn)速調(diào)控，從而保證水體流動具有一定的流速，并結(jié)合池塘環(huán)境因素控制水流自循環(huán)拐點，能夠有效實現(xiàn)池塘懸浮物的定向轉(zhuǎn)移沉降，將40%以上殘餌、糞便等懸浮物定向轉(zhuǎn)移至沉降池附近完成沉降。系統(tǒng)使用2臺EM 223-4DI/4RLY擴展模塊作為變頻水車增氧機的控制和狀態(tài)監(jiān)測模塊：通過4路數(shù)字量輸出共7段速控制變頻器調(diào)速運行，其中Q3.0、Q4.0分別控制變頻器啟動，Q3.1-Q3.3、Q4.1-Q4.3控制運行速度;使用1路數(shù)字量輸入（I3.0、I4.0）監(jiān)測變頻器運行狀態(tài)，并通過判斷輸入狀態(tài)異常進行故障報警?？刂破骺刂扑囀皆鲅鯔C轉(zhuǎn)速，以推動水體懸浮物定向沉降，通過現(xiàn)場手動控制實現(xiàn)水車式增氧機全速運行以完成應(yīng)急增氧功能（圖3）。

水車增氧機變頻控制的激發(fā)動作主要是定時器，水產(chǎn)增氧機高速運轉(zhuǎn)定時器設(shè)置由養(yǎng)殖對象的投飼時段以及集中排便時間段決定。根據(jù)傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖經(jīng)驗，在每次投喂結(jié)束0.5 h左右開啟水車式增氧機，在養(yǎng)殖對象的排便高峰時間段（以吉富羅非魚為例，每天20：00—21：00[19]）開啟水車式增氧機，推動殘餌和糞便定向沉降，單次運轉(zhuǎn)時長根據(jù)養(yǎng)殖對象生長階段和當(dāng)日投喂量由用戶設(shè)置;普通時間段，水車式增氧機保證中速運行，保障池塘水體內(nèi)循環(huán)流動，用戶也可以為系統(tǒng)配置水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)池塘水質(zhì)狀況聯(lián)動控制水車式增氧機應(yīng)急增氧。

2.2.2 底污抽取及反沖洗控制功能

現(xiàn)階段池塘底泥廢棄物清理主要在養(yǎng)殖過程完成后采用清塘方式進行[20]，而養(yǎng)殖過程中池塘底層廢棄物清理難度較大，一般使用泥漿泵等設(shè)備在重點區(qū)域進行抽取并通過沉淀、過濾等方式進行轉(zhuǎn)移[4]。而現(xiàn)有的泥漿泵只能采集抽取較小范圍內(nèi)底層廢棄物且不能夠?qū)崿F(xiàn)自動化采集控制，采集清理效率較為低下。

針對上述問題，選用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的《一種養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置》（ZL201610321045.8，圖4）作為底污抽取及反沖洗裝置，將裝置安裝放置在沉降池底部中心位置，通過控制器控制裝置運行實現(xiàn)底污抽取及反沖洗功能。對于底污抽取及反沖洗裝置，控制器控制對象主要包括泥漿泵、排污電動球閥、清洗電磁閥等，系統(tǒng)使用控制器CPU自帶數(shù)字量輸入和繼電器輸出模塊作為裝置控制和狀態(tài)監(jiān)測模塊。使用Q0.0、Q0.2分別連接高負載中間繼電器控制2組清洗電磁閥，使用Q0.1、Q0.3直接控制清洗電磁閥故障報警信號燈，使用Q0.4連接中間繼電器控制排污電動球閥、Q0.6控制排污球閥故障報警信號燈，使用Q0.7連接交流接觸器控制泥漿泵、Q1.1控制泥漿泵故障報警信號燈;使用I0.0監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)、I0.1、I0.2監(jiān)測清洗電磁閥狀態(tài)、I0.3監(jiān)測排污球閥狀態(tài)、I0.4監(jiān)測泥漿泵狀態(tài)。

底污抽取及反沖洗控制的激發(fā)動作為控制器內(nèi)置萬年歷，用戶根據(jù)養(yǎng)殖對象不同生長階段的生理狀態(tài)，設(shè)置底污抽取及反沖洗控制的激發(fā)周期和單次運轉(zhuǎn)時長。運行時，系統(tǒng)判斷控制器輸入輸出狀態(tài)，無故障和輸出狀態(tài)條件下，開啟排污閥并獲取排污閥狀態(tài)輸入，延時15 s開啟泥漿泵，定時30 s排空管道內(nèi)前次凈水;30 s抽泥定時器運行，關(guān)閉排污閥和開啟反沖洗電磁閥并判斷對應(yīng)狀態(tài)，15 s反沖洗定時器運行，開啟排污閥和關(guān)閉反沖洗電磁閥并判斷對應(yīng)狀態(tài)，根據(jù)用戶設(shè)置的單次吸污時長確定抽泥定時器-關(guān)/開閥-反沖洗定時器-開/關(guān)閥流程的循環(huán)次數(shù);吸污循環(huán)結(jié)束，關(guān)閉泥漿泵，延時15 s關(guān)閉排污閥，單次底污抽取及反沖洗控制結(jié)束，功能模塊進入待機狀態(tài)。

2.2.3 固液分離壓濾功能

對于養(yǎng)殖過程中以任何方式抽取出的底泥及廢棄物以及在1個或多個養(yǎng)殖周期結(jié)束后通過干塘、沖刷抽取或挖掘等手段轉(zhuǎn)移出的池塘淤積底泥，都需要在岸基進行固液分離以便于轉(zhuǎn)移，而目前對于池塘底泥固液分離的主要方法仍然是自然晾曬，即移出池塘堆放在閑置土地上，通過風(fēng)吹、日曬、自然下滲等物理過程使池塘底泥水分自然蒸發(fā)[21-22]。該方法雖然操作簡單、后續(xù)處理方便，但受到土地、天氣等諸多因素限制，自然脫水周期長、實際施工難度大。

高壓板式壓濾機（圖5）是一種固液分離機械設(shè)備[23]，適用于難以分離的細黏性物的過濾，目前在河道清淤、污水處理等領(lǐng)域普遍應(yīng)用。池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)使用TJYZ40/1000型小型高壓板式壓濾機，該壓濾機配備有效壓濾面積為20 m2的4218丙綸濾布、重力自由出液、濾餅厚度40 mm、最大處理量為2～3 t/h、額定功率13.0 kW，并配套有電控設(shè)備。對于壓濾機，池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)主要通過同壓濾機配套控制器的通信來控制及監(jiān)測壓濾機的正常運行并輸出故障報警信息。

固液分離壓濾控制的激發(fā)動作分為壓緊濾板和壓濾。當(dāng)壓濾系統(tǒng)為待機狀態(tài)（濾板分離未壓緊）且當(dāng)前時間距離下次底污抽取及反沖洗控制啟動時間為30 min時，激發(fā)壓緊濾板控制：系統(tǒng)向壓濾控制器發(fā)送指令，控制液壓系統(tǒng)運行將壓緊板向止推板方向移動，將全部濾板壓緊，等待泥漿由進料口輸送入濾室，開始固液分離壓濾控制周期。壓濾的激發(fā)動作是壓濾機進料口壓力信號，當(dāng)進料口泥漿輸入壓力長時間過大、系統(tǒng)判定壓濾機濾板間固體物質(zhì)達到累計上限，啟動壓濾控制：系統(tǒng)控制器控制關(guān)閉進料閥門，使用空氣壓縮機為濾室加壓并實時監(jiān)測壓力，壓濾過程所需時間根據(jù)池塘泥漿特性和脫水要求進行設(shè)定，達到規(guī)定壓濾時間，停止加壓，打開進料閥門，完成壓濾過程;控制液壓系統(tǒng)將壓緊板退回起點，控制壓濾機傳動裝置拉開濾板，使濾餅自由脫落，將濾餅轉(zhuǎn)移利用，壓濾系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)開發(fā)集成完成后，應(yīng)用于高密度羅非魚池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)，實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖底污定向沉降、抽取以及固液壓濾分離等各項功能的控制和監(jiān)測反饋。

根據(jù)養(yǎng)殖生產(chǎn)實際情況并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計及硬件集成要求：在試驗開始前，在池塘中心位置設(shè)置長4 m×寬4 m×深1 m的水泥固化沉降池，并安裝固定成套養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置，將泥漿輸送管路沿池底排布至岸基并連接增壓泵，用于底污自動抽取及反沖洗應(yīng)用測試;為應(yīng)用試驗池塘配置2臺2.2 kW水車式增氧機，并配備冗余功率變頻控制器，用于系統(tǒng)定向沉降功能的應(yīng)用測試;在岸基硬化平臺上安裝成套高壓板式壓濾機設(shè)備，用于系統(tǒng)固液分離功能的應(yīng)用測試;在壓濾機濾出液排液孔下布置導(dǎo)流水槽，將濾出液導(dǎo)流入岸邊回排水槽，通過多級生物凈化后回排入養(yǎng)殖池塘，通過檢測濾出液和回排液體水體指標(biāo)，測試系統(tǒng)固液分離及凈化效果。

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用試驗需求，于2019年6月至2020年9月在海南省?？谑腥?zhèn)羅非魚養(yǎng)殖場開展羅非魚池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)應(yīng)用試驗，試驗池塘面積約為3 335 m2（約80 m×40 m），池深2.0～2.5 m，底鋪地膜防止?jié)B漏。6月初放養(yǎng) 3 cm/尾，羅非魚苗8 000尾/667 m2，羅非魚每天投喂2次，分別為08：00—09：00、17：00—18：00，每日飼料投喂量占魚體質(zhì)量3%～5%，視羅非魚攝食情況及天氣、水質(zhì)等情況適當(dāng)增減。養(yǎng)殖全程約 168 d，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用試驗要求，養(yǎng)殖前期（約60 d）羅非魚規(guī)格較小、投飼量及排泄量較少，主要進行殘餌、排泄物沉降規(guī)律以及定向沉降技術(shù)應(yīng)用試驗;養(yǎng)殖后期（約100 d）投喂量和排泄量顯著增加，開展系統(tǒng)底污抽取及固液分離功能應(yīng)用試驗。

殘餌、排泄物沉降規(guī)律以及定向沉降應(yīng)用試驗中，根據(jù)水車式增氧機轉(zhuǎn)速及變頻器頻率設(shè)置4組對照（頻率為0、30、40、50 Hz，水車式增氧機額定功率2.2 kW），使用活塞式底泥采樣器分別在水車式增氧機水流方向區(qū)域內(nèi)采樣，采樣時間為當(dāng)日每次投飼結(jié)束1 h和當(dāng)日22：00，通過測量采樣管內(nèi)殘餌及排泄物累積厚度初步確定采樣點沉積物數(shù)量，通過對比不同試驗組相對沉積量總結(jié)羅非魚養(yǎng)殖殘餌、排泄物沉降規(guī)律并確定實現(xiàn)定向沉降的水車式增氧機運行頻率。

根據(jù)養(yǎng)殖池塘面積將池塘劃分為80 m×40 m坐標(biāo)系，其中投飼機安裝位置坐標(biāo)為（20，0），水車式增氧機的安裝位置坐標(biāo)為（10，10），在水車式增氧機后端劃定30 m×20 m區(qū)域為沉積物采樣區(qū)域，使用樣方法采樣，將采樣區(qū)域等面積劃分為24個樣方，單樣方面積25 m2，選取樣方中心位置為采樣點位，沉降試驗采樣位點坐標(biāo)圖見圖6;設(shè)置4組水車式增氧機不同運轉(zhuǎn)頻率條件下的底污沉降對照試驗，使用活塞式底泥采樣器采集底泥樣品，測量采樣管內(nèi)殘餌及排泄物累積厚度，4組試驗的殘餌、排泄物等底污沉降規(guī)律見圖7。

從圖7-a可以看出，由于長期定點投喂對羅非魚攝食習(xí)慣的訓(xùn)練養(yǎng)成，殘餌及排泄物等底污主要沉積在投飼區(qū)域附近。預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，變頻器輸出頻率低于 25 Hz 時，水車式增氧機推流作用不明顯，故試驗設(shè)定30 Hz為低頻率，50 Hz為民用供電的最大頻率，取二者平均值40 Hz作為試驗的中間頻率;在水車式增氧機低頻率工作時（圖7-b），沉降總體規(guī)律變化不明顯，但外圍沉積有向水流方向變化趨勢，表明沉積物的沉降轉(zhuǎn)移需要一定的啟動流速，2.2 kW水車式增氧機在30 Hz時，流速未達到啟動速度;中頻率工作時（圖7-c），底污沉降發(fā)生較為明顯的右移，受池內(nèi)水流小循環(huán)的影響，沉積物外圍向右上和右下方位擴散;高頻率工作時（圖7-d），底污沉降右移明顯，沉積物受回流水流離心力作用在外圍較為集中沉降。

使用活塞式底泥采樣器采集沉降池內(nèi)底泥，觀察底泥采樣厚度超過200 mm時，開展系統(tǒng)底污抽取及固液分離功能應(yīng)用試驗，使用養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置抽取底泥廢棄物并反沖洗吸空部位提高吸污效率，吸取出的泥漿通過加壓泵直接輸送進入壓濾機濾室進行重力式自然過濾，多次輸料直至進料口壓力過限，壓濾機加壓過濾并脫離泥餅，濾液由排液龍頭排出并進入多級生物凈化水槽。固液分離效果見圖8。

養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置能夠?qū)⒀b置安裝范圍內(nèi)85%以上的底泥廢棄物抽取并輸送入壓濾機設(shè)備，受限于養(yǎng)殖水質(zhì)要求，泥漿不能夠添加絮凝劑、固化劑等化學(xué)制劑，導(dǎo)致壓濾效率較低，需要多次抽取泥漿并加壓過濾;壓濾完成后，泥餅為含水率60%～65%的塑化狀態(tài)，成型且不易流動，有效降低了轉(zhuǎn)移難度;壓濾后濾液清澈、無異味，固液分離主要水化因子測量方法參照文獻[24]，對比泥餅、濾液及凈化回排水的水化因子指標(biāo)表明，固液分離及凈化回排能夠較為有效地降低水體有機質(zhì)、總磷、總氮等指標(biāo)含量（表1）。

4 結(jié)論與討論

通過池塘養(yǎng)殖底污自動清理系統(tǒng)在羅非魚高密度養(yǎng)殖完整周期的應(yīng)用，系統(tǒng)各項功能基本滿足各項需求和技術(shù)設(shè)計要求。系統(tǒng)變頻控制水車式增氧機能夠初步實現(xiàn)殘餌、排泄物等養(yǎng)殖廢棄物的定向沉降，便于廢棄物的抽取轉(zhuǎn)移和固液分離，保證了羅非魚攝食和聚集區(qū)域的水體質(zhì)量穩(wěn)定;系統(tǒng)控制底污抽取及固液分離，能夠及時轉(zhuǎn)移殘餌、排泄物等沉積物， 對于池塘底泥生態(tài)平衡具有一定作用，濾液凈化回排符合零排放的綠色養(yǎng)殖要求，沉積物的高效轉(zhuǎn)移能夠為養(yǎng)殖生產(chǎn)提供創(chuàng)收手段。

系統(tǒng)應(yīng)用試驗的有效開展，在驗證系統(tǒng)功能有效性基礎(chǔ)上，在運行穩(wěn)定性、便利性和智能化等方面仍然存在一定的改進和優(yōu)化空間，以適應(yīng)更加廣泛的養(yǎng)殖模式和生產(chǎn)應(yīng)用場景;通過系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用，對于池塘殘餌、排泄物沉積規(guī)律進行初步總結(jié)并對定向沉降技術(shù)進行初步探索，以期通過更多養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖品種的重復(fù)試驗，總結(jié)更為普適的養(yǎng)殖沉降規(guī)律，為更加智能化的養(yǎng)殖控制提供技術(shù)參考和支持;信息技術(shù)和智能化技術(shù)手段應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)需要進行適用化改造和較大規(guī)模的應(yīng)用示范，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖信息化、現(xiàn)代化、智能化，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]孟順龍，胡庚東，瞿建宏，等. 單養(yǎng)模式下羅非魚親本培育塘的沉積物產(chǎn)污系數(shù)初探[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29（9）：1795-1800.

[2]苗衛(wèi)衛(wèi)，江 敏.我國水產(chǎn)養(yǎng)殖對環(huán)境的影響及其可持續(xù)發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（增刊1）：319-323.

[3]裘麗萍，李志波，宋 超，等. 羅非魚池塘養(yǎng)殖周期沉積物理化指標(biāo)的變化規(guī)律研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2015，31（29）：23-27.

[4]楊正鋒，王 坤. 池塘清淤改造的意義、存在問題及對策[J]. 中國水產(chǎn)，2011（6）：32-34.

[5]張紅燕，袁永明，馬曉飛，等. 南美白對蝦池塘養(yǎng)殖水質(zhì)智能控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2020，36（11）：130-135.

[6]肖 煒，李大宇，鄒芝英，等. 海南地區(qū)魚蝦混養(yǎng)模式下密度對羅非魚的生長、代謝和免疫的影響[J]. 淡水漁業(yè)，2019，49（2）：101-106.

[7]陳家捷，譚洪新，于忠利，等. 羅非魚糞便在分解過程中形態(tài)和營養(yǎng)成分變化[J]. 水產(chǎn)科學(xué)，2015，34（10）：634-639.

[8]史磊磊，范立民，陳家長，等. 不同攝食狀態(tài)羅非魚養(yǎng)殖水體微生物群落功能多樣性初探[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2018，34（5）：147-152.

[9]袁永明，馬曉飛，張紅燕，等. 一種養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置：201610321045.8[P]. 2016-07-27.

[10]陳科慶，郭望淵. 立式板框壓濾機與廂式壓濾機脫水機理對比研究[J]. 中國設(shè)備工程，2019（22）：230-232.

[11]沈楠楠，袁永明，馬曉飛. 基于水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)平臺的智能增氧控制系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2016，37（5）：981-987.

[12]Guo F T，Liu X H.The design of communication protocol for monitoring S7-200 PLC[J]. Journal of Simulation，2015，3（4）：3-5.

[13]向曉漢. 西門子S7-200PLC完全精通教程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[14]Mazek K，Chmiel M，Kulisz J.A PC-based operator and diagnostic panel for Simatic S7-200 programmable controllers[J]. Archives of Electrical Engineering，2013，62（2）：307-320.

[15]馬 民，陳小慶，劉哲人，等. 嚴(yán)寒地區(qū)穩(wěn)定塘底泥沉積規(guī)律及其影響因素[J]. 武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，1997，14（2）：29-33.

[16]Dinn P M，Johannessen S C，MacDonald R W，et al. Effect of receiving environment on the transport and fate of polybrominated diphenyl ethers near two submarine municipal outfalls[J]. Environmental Toxicology and Chemistry，2012，31（3）：566-573.

[17]Hunt C D，Mansfield A D，Mickelson M J，et al. Plume tracking and dilution of effluent from the Boston sewage outfall[J]. Marine Environmental Research，2010，70（2）：150-161.

[18]李 勇，張振廷，花劍嵐，等. 排污流速比對河流水體中懸浮物沉降和底泥再懸浮的影響[J]. 河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（3）：189-196.

[19]劉 偉，文 華，蔣 明，等. 吉富羅非魚成魚對8種常見植物源飼料原料的表觀消化率[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，43（4）：17-25.

[20]郭延莉. 基于水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘底質(zhì)的改良完善措施[J]. 黑龍江水利科技，2012，40（8）：72-73.

[21]詹銳生. 高壓壓濾脫水固結(jié)一體化處理河道淤泥的技術(shù)應(yīng)用研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2019：3-10.

[22]楊柳燕，趙興青，肖 琳，等. 沉積物總氮、總磷聯(lián)合測定分析方法：CN1869656A[P]. 2006-11-29.

[23]Heiri O，Lotter A F，Lemcke G. Loss on ignition as a method for estimating organic and carbonate content in sediments：reproducibility and comparability of results[J]. Journal of Paleolimnology，2001，25（1）：101-110.

[24]中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第二編輯室.環(huán)境監(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)匯編：水環(huán)境[M]. 2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.