专利名称：水产养殖分散供氧系统的制作方法
技术领域：
总体来说，本发明涉及水产养殖业。更具体地说，本发明涉及用于海洋动物水产养殖业的供氧系统和包括上述系统的方法。
背景技术：
纵观历史，海洋动物如虾、鱼和其它种类曾野生放养。随着人们对海洋动物需求的增长和野生捕捞本身受限制，人们开发了称作水产养殖业或水产养殖的海洋动物的另一种供给来源。水产养殖就是指对海洋动物比如鱼类或介壳类的培养和养殖。
虾是通过水产养殖生产的较受欢迎的且需求最高的的海洋动物之一。可以认为虾或其它海洋动物的水产养殖包括粗放型(extensive)和半密集型(semi-intensive)或密集型(intensive)。粗放型水产养殖设施几乎不控制环境，即将动物放到一个地点范围内让它们自行生长，或者将动物限定在一个专用围栏内并保持到他们达到上市的大小。另一方面，密集型水产养殖设施提供完全控制环境，比如控制温度、盐度、流速、喂养料类型、喂养量和光照。半密集型水产养殖设施是粗放型和密集型操作的混合类型。
虾的水产养殖的最初尝试较为简单，并且被认为是粗放型的设施。把海水泵入间断或低洼地(intercostal or low-lying area)中称作池溏的大型封闭容器(containment vessel)内。将虾放入这些池塘并且经过一段时间后收获。这种收获产量最初相当低。不过，由于对海洋动物的需求增加，要求不断提高产量和改进生产方法。为了获得更高产量，要求增加池塘内海洋动物的放养密度，该放养密度是用每加仑水中海洋动物的磅数来衡量的。
随着池塘内放养密度的增加，氧气消耗就成为一个问题。海洋动物比如虾需要氧气来生长和维持健康。由于氧气对于所有水中生活需氧呼吸类型的海洋动物是极为重要的条件，所以，池塘内水中溶解氧含量是水质最重要参数之一。水中氧的溶解度受多种因素影响，比如，大气压、液静压、池塘污染物如海藻或细菌，以及温度，但不局限于此。为了安全计，水中溶解氧含量应当保持在3mg/l以上和大约15mg/l以下，以避免使其中的海洋动物感到紧张(stressing)或杀死其中的海洋动物。
水中溶解氧含量通常在24小时内是波动的。图1中的线A反映了典型养虾池塘内一天中每隔一小时溶解氧百分数的波动，该池塘使用连续流通空气的通气设备。溶解氧含量在一定时间段(t”-t’)内每日变化由下面的等式(1)表示O2”-O2’＝P-R-Y±A (1)其中P是浮游植物群落(phytoplankton)、底栖植物和水生植物光合作用期间产生的氧气量；R是浮游细菌类、浮游植物类和浮游动物和动植物有机体呼吸作用期间消耗的氧气量；Y是池塘底部泥土固定的氧气量；A是来自大气的溶解氧气量，或者过度饱和情况下释放到大气中的氧气量。
参照等式(1)，对溶解氧含量P最有影响的因素取决于光照条件，因为光合作用只能通过对太阳能的利用而发生。在白天，光合作用从清早逐渐开始，并且逐渐提高水中溶解氧的含量。可以看出溶解氧含量的最大值在午后。氧气水平通常足够满足池塘内海洋生物的需要，因为海藻和其它生物在光合作用过程中释放氧气。不过，从傍晚起光合作用迅速降低而且天黑后没有阳光就停止。另外，植物和/或其它生物在晚上呼吸又会进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动物致死的氧气水平，所以，会需要追加氧气或通气。致死氧气水平是指池塘内一定海洋动物在一定时间内不能忍受的溶解氧含量。
除由于每日变化需要追加氧之外，当氧气消耗率比水中供应的可利用的氧气大时就需要追加氧。在某一给定水温下，由于动物的活动，海洋动物的氧气消耗会显著改变，并且，这种氧气消耗可能与水中氧气饱和度有关。，例如，在摄取食物期间，海洋动物的氧气消耗率会提高两倍多。可以确认增加水中溶解氧含量可以增加海洋动物食物消耗率。因此，增加进食率可以增加生长率。美国专利号No.5,893,337专利文献描述了喂鱼前通过注入控制数量的氧来优化饲养在池塘里鱼生长的方法。
溶解氧含量的降低可以引起海洋动物紧张(stress)，并最终死亡。除了将躯体转变成开始消耗能量而不是存储能量之外，紧张还会抑制免疫系统，从而使动物处于患病的更大风险中。可以认为海洋动物在水中溶解氧量的降低引起呼吸困难之前能感知氧量的降低，并可以寻找有更高氧含量的水。然而，不象对食物的感知那样，可以确信海洋动物不能在水里从远处感知或探测含更高氧的那些区域。如果这种随机寻找氧气未成功，并且水中溶解氧含量进一步降低，只要氧供应能满足呼吸肌肉需要，海洋动物的呼吸运动就会增加。这有限度，因而因缺氧而阻止进一步加速。在达到这种极限水平前，海洋动物可以忍受这种状态。如果水中溶解氧含量进一步下降，动物心脏跳动减缓并经过一段时间后死亡，该时间取决于该动物个体种类抗性性质。
至今，工业上采用多种方法比如通气设备来解决耗氧和加氧问题。典型的通气设备机械搅拌表面水，随着空气和水混合致使氧扩散到水中。这些设备的实例包括明轮(paddlewheels)、重力通气设备、U形管、文丘里通气设备、表面通气设备或鼓泡扩散器(比如细的、中等的或粗糙的鼓泡扩散器)。通气设备的效率由水和空气间表面交界区域的数量和产生该交界面需要的能量确定。由于通气设备将空气注入，可溶解在水里的氧量受空气中氧的浓度(21％)限制。因此，选择用空气增加水中溶解氧的量是有些受限制。此外，由于在密集型水产养殖设备中要求更高生产率和放养密度，从空气中的天然氧供应越来越不够，并在生产中可能成为限制因子。
往水里加氧的另一个办法是通过输送高纯度的液态氧。这种方法克服了用空气作为氧来源的局限性。使用高纯度氧的显著优点是在纯氧和水之间浓度差异所致的高传质率。此外，增加溶解氧含量可以获得更高的放养密度。然而，已经证明液体氧运输到饲养场的后勤工作和分配给各单个池塘的过程很不划算，甚至在某些情况下无法进行，其原因在于典型水产养殖业基础设施之故。例如，典型的虾场包括许多1公顷左右大小的、由窄小道分隔开的泥塘。这些小道用于运送装备、饲料和供给池塘的其它供应品。由于许多养殖场在间断地区，在这种条件下安装氧气线路的能力受限制。即使液体氧工厂临近养殖场能减少氧气的生产和运送成本，但由于安装和维护管道基础设施资金成本高，该方法可能不适用。此外，和液体氧管道系统一样，更大的、单一的实地氧气生产和管道分配系统面临着同样的后勤和基础设施问题。
尽管高纯度氧有许多好处，但由于成本高，还没有用于水产养殖设施中。目前，机械通气设备仍然是生产中首选的补充供氧方式。结果，进一步增加池塘放养密度的能力受到限制。
为了保持或增加放养密度，除了氧气外，还需要改善水产养殖中的饲料和喂食技术。要求有规律地以频繁的间隔供给池塘大量饲料，这通常需要大的实地饲料存储设施、以及用手工投放饲料的高强度手工作业和/或用昂贵的装配在轨道上的风箱(truck-mounted blower)。通常，通过在池塘里行走或行船把饲料手工分配到池塘。风箱是另一种围绕池塘周围分配饲料的设备。这种喂食方法效率相当低，因为海洋动物也许仅仅消耗一部分饲料。手工分配饲料是劳动力密集型的并且饲料分配不均匀且仅仅在池塘中挑选出来的部分内分配。风箱喂食部分饲料可能从池塘吹走或可能被鸟吃了。池塘大小也可以影响喂食效率。例如，风箱类型的喂食器投掷饲料大约30米并且落地带大约5米宽，以至于大的方形池塘的中心没有得到大量饲料。另外，在人力、设备和燃料方面运作成本高。
除了饲料和氧气，水产养殖场还需要给封闭容器或池塘周期性地添加饲料化学制品、药、维生素和其它添加剂。添加化学制品比如臭氧可以维持池塘水质。添加药物可以保护海洋动物免于生病。添加维生素可以改善动物的健康和外观。添加其它添加剂比如肥料、化学制品或碳源(比如磨拉石)可以控制藻类和细菌。给封闭容器添加这些添加剂面临的问题是如何快速、均匀分配和劳动强度。
由于给池塘分送氧气、饲料、药物和其它添加剂的相对低的效率和高成本，本技术领域需要在水产养殖设备中提供优化氧气、饲料和化学制剂必需品的系统。还需要提供自动或半自动系统，该系统能提供池塘的各种生产需要的实时反馈和提供相同供给作用的分配系统。这样的系统可以显著减少成本和改善池塘生产率。在一些情况下，比如当池塘水中溶解氧含量降到致死水平以下时，需要提供可靠的自动防故障设置的系统(reliable，fail-safe system)，该系统能给使用者报警并给封闭容器供氧到高于致死水平的水平。
所有在此引用的参考资料在此一并整体作为参考。
发明内容
虽不能满足本领域的所有需要，但本发明通过提供一种给海洋动物的养殖供氧的系统以及包含该系统的方法可以满足本领域的需要之一，其中所供的氧纯度水平以体积计可以为30％或更大，优选为50％或更大，更优选为60％或更大。本发明的一个方面，有用于提供具有30％或更大纯度氧的系统用于海洋动物的水产养殖，该系统包括多个能容纳大量海洋动物和水介质的封闭容器；多个氧气注入器，至少一个氧气注入器布置在每个所述封闭容器的至少一个位置；以及多个氧气发生器，每个所述氧气发生器与至少一个氧气注入器流体连通，由此多个氧气发生器提供给封闭容器足量的氧气以增加水介质中的溶解氧百分数。
本发明的另一个方面，提供一种用于海洋动物养殖的封闭容器内的控制氧气供应的系统，包括多个封闭容器，所述封闭容器的每一个都能容纳大量海洋动物和水介质；用于测定水介质内溶解氧含量C0的多个感应器；多个氧气注入器，至少一个氧气注入器布置在每个所述封闭容器的至少一个位置；多个氧气发生器，每个所述氧气发生器与至少一个所述氧气注入器流体连通，其中所述氧气发生器提供给封闭容器足量的氧气以将水介质中溶解氧数量提高到在氧含量C0之上；以及中央处理器以电的形式与感应器和至少一个氧气发生器联系，其中该中央处理器对照设定点值Cset比较氧含量C0并且当氧含量C0低于设定点值Cset时使至少一个氧气发生器启动。在实际的实地测试中，如图1所示，当溶解氧水平低时系统用于感知(sense)，并且当溶解氧水平下降到低于4毫克/升(mg/l)时启动氧气发生器，通过氧气注入器向池塘注入氧，而当溶解氧高于6mg/l时氧气发生器关闭。实地测试的结果和一天内溶解氧变化如图1中线B所示。通过使用本发明系统，溶解氧的数量在整个24小时期间维持在更均匀的水平，比连续运行的以前技术的机械通气设备使用更少的能量。发明者确定，晚上比白天给池塘添加更多的氧气对于维持期望的溶解氧水平是更有效和必要的。
在本发明另一个方面，提供一种通过改善海洋动物的氧消耗来优化大量海洋动物生长率的方法，包括提供能容纳大量海洋动物和水的容器，其中水有溶解氧含量C0；通过多个氧气注入器给容器注入氧，多个氧气注入器靠近容器以维持溶解氧含量C0高于致死水平；以及通过多个氧气注入器给容器分配饲料，其中分配步骤至少是在注入步骤的至少一部分期间实施，从而使海洋动物因为被饲料吸引而被吸引到该氧气处。在一个实施方案中，当饲料通过氧气注入器分配时，在分配饲料的同时和/或分配饲料前后一段时间，用于移动水介质的设备可以暂时关掉，该设备使用氧气注入器和/或封闭容器可能具有的其它通气设备，这样在水介质的移动将没吃的饲料沉积到池塘不流动区域之前，提供给海洋动物吃饲料的机会。
在本发明的另一个实施方案中，提供用于海洋动物水产养殖的封闭容器，包括一个或多个通气设备和所述封闭容器内的水介质。所述通气设备移动所述水介质以形成至少一个环形漩涡，在所述的至少一个环形漩涡中至少包括大多数所述水介质的移动。
下面的细节说明将明确本发明的这些方面和其它方面。
图1给出了坐标图，出示了典型虾塘内一天中每隔一小时溶解氧百分数的波动。
图2给出了本发明系统实施方案的图解。
图3给出了包括便携式氧气发生器和本发明监控系统的本发明实施方案的图解。
图4给出了用于本发明系统中的封闭容器和浮动氧气发生器的截面图。
图5给出了用于封闭容器中通气装置布置的建模计算机程序的工艺流程图。
图6给出了封闭容器中图5概括给出的建模程序产生的流动模式的俯视图。
图7给出了封闭容器中图5概括给出的建模程序产生的流动模式的俯视图。
具体实施例方式
本发明提供了一种在水产养殖设施中由位于封闭容器附近的多个氧气发生器以分散(decentralized)形式释放(delivering)包括氧在内的气体的系统和方法，其中，氧纯度最好在30％或以上。早前释放氧的方法，比如液态氧，没解决成本效率问题或水产养殖设施基础建设的局限性，而成本效益问题或水产养殖设施基础建设的局限性直至目前仍使得无法注入高纯度氧。此外，仅仅用通气装置为封闭容器提供氧的效率较低，该通气装置受空气中氧的含量限制。这样可能限制可能饲养在给定池塘中海洋动物的数量，因此限制了生产率的增长。此外，现今水产养殖设施实行往水里投放饲料和其它添加剂的效率不高的方法。本发明提供一种用于给封闭容器中的水里随饲料或其它添加剂一起提供氧的自动防故障的方法。
术语“流体”在此用来指包括气体、液体、悬浮固体或它们组合构成的流动流体。
术语“池塘”或“封闭容器”在此用来指的不仅是自然界或人造户外池塘，还指由金属、塑料、混凝土等建的贮水池。
术语“通气装置”包括将空气或带有比空气中氧的含量高的气体注入封闭容器的水中的装置，包括本发明的氧气发生器和氧气注入器以及表面水机械搅拌器，该机械搅拌器随着空气和水混合使氧扩散到水里。机械搅拌器实例包括明轮式、重力通气设备、U形试管、文丘里通气设备、表面通气设备或鼓泡扩散器(比如细的、中等的或粗糙的吹泡扩散器)。
本发明提供一种系统和包括该系统的方法，该系统提供一种装置，该装置通过含氧气体产生氧，并以分散形式将氧分配到一个或多个封闭容器。气体以体积计氧气最好至少占30％，优选至少占50％，更优选氧气体积至少占60％，其余气体—如果有的话—可以包括大部分的氮气。使用本发明的系统或方法为封闭容器提供氧的结果是，在给定封闭容器中可以保留下溶解氧并且溶解氧的含量维持范围在2mg/l到15mg/l，或更优选的是从4mg/l到12mg/l。
本发明的系统或方法的优点之一是，相对于其它使用仅以空气为基础的机械系统的在先技术的封闭容器，可以提高封闭容器的放养密度。就象先前提到的一样，放养密度是指每单位面积或体积内拥有海洋动物的重量或数量。放养密度可以取决于海洋动物的种类和动物对于增加的过度拥挤压力的忍耐性。例如，甲壳类种类如虾，如果过度放养可能开始相互战斗导致掉肢，并减少市场价值。海洋动物的其它种类如长须鲸过度放养可能咬或夹住彼此鳍或眼睛。已发现，如果消除其它紧张因素如低溶解氧、喂食质量差等，海洋动物可忍受更高放养密度。因此，本发明的系统和方法—通过改善氧供给和/或水产养殖环境的各个方面(如清洁度、饲料、化学物质和其它添加剂)以减少对海洋动物的紧张影响—可产生每m3放养密度25只动物或更多的效果，优选每m3放养密度50只动物或更多，更优选每m3放养密度100只动物或更多。在优选实施方案中，比如半密集型或密集型的用于虾生产的水产养殖设施中，系统可以允许有效生产虾的收获生物量密度为0.5kg/m2或更大，优选1.2kg/m2或更大，最优选2.5kg/m2或更大。生物量密度是指测定的池塘每表面面积上收获虾的重量。因此，相对较高的溶解氧水平可以增加池塘的放养密度。
图2是本发明系统实施方式的一个实例。参见图2，系统10由下述构件组成多个封闭容器20、多个氧气注入器30以及多个氧气发生器40。封闭容器20装有大量海洋动物60，海洋动物60在水介质50内，优选淡水或是盐水，这取决于海洋动物的种类。(海洋动物60和水介质50表示在图4中出示了的封闭容器20中)。氧气发生器40产生氧，并与氧气注入器流体连通以分配氧到封闭容器20中的一个或多个位置。如图2图解，多个氧气发生器40遍布系统10，如果系统中一个或多个别的氧气注入器30和/或氧气发生器40发生故障，就可以这样的一种方式为别的封闭容器提供首要的和次要的或者“备份的”的供给。
再参照图2，系统10中每个封闭容器20图示为从至少四个不同的氧气注入器30和/或氧气发生器40接收氧气。氧气注入器和/或发生器的精确位置、尺寸和数量会根据如系统布局、氧气发生器的生产量、封闭容器的数量和尺寸以及想要得到的放养密度等因素而变化。每个氧气注入器30和氧气发生器40在系统10中任何地方的开关依赖于单独封闭容器20或单独封闭容器20某一区域中对溶解氧的需要。在一个实施方案中，特别是大池塘，一些有一个或多个氧气注入器的氧气发生器能位于池塘周围或漂浮在池塘的不同位置；每个氧气发生器能单独控制以便按需提供氧至封闭容器的这样的区域所述区域配置了氧气发生器的一个或多个氧气注入器。水产养殖系统中可能有比池塘数多或更少的氧气发生器。优选系统中池塘数是系统中氧气发生器数的0.25至8倍。本发明具有代表性的系统包括至少10个池塘，更可能的是从20个到超过1000个池塘。每个氧气发生器有至少一个氧气注入器与氧气发生器流体连通。
封闭容器20可以是任何容器，只要它能在水介质如淡水或盐水中容纳大量的海洋动物。根据水产养殖设施，封闭容器20可以是水沟、循环储水池、沟渠、池塘或间断地区内的笼养区，但不局限于此。封闭容器20可以位于室内或室外水产养殖设施中。封闭容器的容量可在几百到几千加仑范围内。在封闭容器是池塘的实施方案中，用于密集型水产养殖设施的池塘大小范围是从1公顷或更小(从0.1到1公顷)，用于半密集型水产养殖设施的范围在从1到2公顷，同时用于粗放型水产养殖设施的范围在5公顷或更大。年产量水平的测定是每次收获每公顷内海洋动物的千克重，对于密集型、半密集型和粗放型水产养殖系统的年产量水平分别从5000或更大，从1000到5000之间，从100到1000之间变化。
再参照图2，氧气注入器30优选位置在与一个或多个封闭容器极接近。氧气注入器30也可以位于封闭容器本身内，比如容器的一个或多个侧壁内，沿封闭容器的底部放置，或者沿封闭容器的表面漂浮。优选的是，如果是有一个以上的氧气注入器供给封闭容器的情况，则在封闭容器周围或在封闭容器内，氧气注入器的位置与其它氧气注入器的位置互补，以保证氧和其它容器添加剂(即饲料、药物、维生素等)的分配均一且均匀。氧气注入器的布置可以通过容器内流体动力学的计算机模拟来确定。以这种方式，就能获得较均一且均匀的氧气和其它容器添加剂的分配效果。图5给出了运行计算机流体动力学或封闭容器的计算机建模的工艺流程图，以确定氧气注入器和通气设备或向容器移动或添加氧的任何其它设备的最适宜位置，该流程图将在下面详细描述。
本发明的某些优选实施方案中，氧气注入器30在封闭容器20内的位置使得分层化效应(stratification)最小，或者使水介质为明显的边界分为不同的“层”的现象最小化，这种分层化效应或分“层”现象可对包括在容器内的海洋动物有不利影响。可以把一个或多个氧气注入器30放在封闭容器20底部附近或底部以提供充分的水的移动和减小分层化效应的发生。
氧气注入器30可以包括多种不同的类型比如吸气器、文丘里管、鼓泡扩散器、U形管、优选带有一个或多个穿孔的管道、柱状物、双锥体或任何其它注入设备。在有些实施方案中，氧气注入器30和氧气发生器40可以合并为一个装置比如带有固定或活动连通管道、扩散器等的氧气发生器。氧气注入器30优选设计成增加接触表面区域，且池塘中的氧气注入器的角度或位置也增加氧气和水介质间的接触时间，因此，让更多的氧溶解到水介质中。
在有些实施方案中，氧气注入器可以是文丘里管。简单地说，文丘里管是这样一种装置，该装置的运行是通过使用第二流体介质的速度(由压力差引起)作为能量来源使一种流体介质进入另一流体介质。当水穿过管道节流(restriction)时，它在节流末端形成真空。在管道上出现真空处的钻孔可以引起空气(或任何其它流体)吸入主物流。吸入的流体量是在文丘里管入口和出口间压差和它们之间节流尺寸的直接函数。美国专利号为No.5,863,128的专利提供了适合本发明系统使用的文丘里管氧气注入器的实例。
正如以前提到的，氧气发生器40与一个或多个氧气注入器30流体连通，以供给一个或多个封闭容器20。氧气发生器优选通过吸附技术比如变真空吸附(VSA)或者变压吸附(PSA)产生氧，VSA(Vacuum swing absorption)或PSA是用分子过滤器从空气中除去氮气。在有些优选实施方案中，氧气发生器40可以是以VSA为基础的装置，比如由本发明受让人PA阿伦敦的空气产品和化学制品有限公司(Air Products and Chemicals，Inc.of Allentown，PA)制造的型号为A150L的VSA发生器。氧气发生器40优选便携式装置，这样的装置能于整个系统10内再次设置定位并在任何时候连通一个或多个氧气注入器30。氧气发生器可以安置在例如能围绕封闭容器外围移动的可移动平台上，或安置在可浮动的滑板和布置在封闭容器表面上。图3出示了小车401上的氧气发生器40，小车401带有位于邻近池塘20的轮子402，并通过氧气注入器30给池塘20内的水介质50提供氧。氧气注入器30位于池塘20的底部201。氧气注入器30配置有孔31，孔31位于池塘20底部201的氧气注入器30的那部分32上。氧气注入器30能由柔性的可移动的管制成。
图4出示了安装在可浮动平台401上的氧气发生器40，可浮动平台401在封闭容器20中的水介质50上漂浮。海洋动物60在封闭容器20内。图示连通氧气发生器40的氧气注入器30有螺旋桨39和中心管道37，在中心管道37的最底部有一个开口(没有图示)。中心管道与氧气发生器40流体连通。包括氧气的气体通过中心管道37的开口注入水介质，并且螺旋桨39的运动通过增加氧与水接触的表面区域来帮助氧扩散到水中。氧气注入器30另外有浮动平台38。做为选择的方案，早先描述的注入器的任何一个都能与图4出示的氧气发生器一起使用以将含氧气体注入水中。图4出示的氧气发生器40可以在池塘附近移动，或者可以通过锚(没有图示)锚定在池塘内部或外面的固定物上以保持氧气发生器40处于一个位置，同时螺旋桨39引起水介质50运动。
和难于进行管线连通的(hard-plumbed)的液体氧系统相比，氧气发生器40是便携式且可以根据需要给系统10中封闭容器的任何一个提供高纯度氧。根据其大小，每个单独的氧气发生器40的单位生产能力可在5L/min到5000L/min的氧范围内。当使用氧气注入器时，氧气发生器的数量和生产能力可以根据系统的需要而变化。在有些实方案例中，VSA氧气发生器可以在相当低的压力下产生氧，例如，3到5磅/平方英寸(psi)的压力下，因此，它们也适用于向低压氧气注入器比如吸气器、文丘里管或鼓泡氧注入器倍应氧。不过，如果在系统中需要更高的气压，可以在氧气发生器出口附加增压压缩器以提高供氧气注入器的压力。
本发明系统可以与其它水产养殖系统相结合，比如与再循环水处理系统或通气系统(即明轮通气设备、大容积泵等)相结合，但不局限于此。如果足够的水移动能通过封闭容器中的其它系统或包括其它通气装置的设备或通过单独的氧气注入器来提供，那么可能需要在封闭容器中仅用一个氧气注入器就能保持足够水平的溶解氧以维持海洋动物的健康。
在本发明某些实施方案中，系统可以在氧气注入封闭容器的至少一段时间内或者同时分配饲料。做为选择，也可在氧气通过系统注入封闭容器之前或之后添加饲料。在这些实施方案中，如图3所示的饲料储存箱500通过连通机构501与一个或多个氧气注入器流体连通。饲料添加给氧气流或含氧的水流以用于持续均匀地分配饲料。由于氧气系统在绝大多数时间内运行，饲料可以根据需要并以适宜的量添加给池塘。海洋动物能感知饲料并被饲料吸引，同时被吸引到水介质中有更高溶解氧的区域中。结果，海洋动物在消耗饲料的同时可以消耗更高的溶解氧。这在参考文献中，比如《水产养殖中池塘的水质》(WaterQuality in Ponds for Aquaculture)，Boyd，C.E.(1990)，304-309页，(其整体上在此一并作为参考)，已经证实更高的溶解氧水平可以提高饲料消耗量和降低饲料转化率(例如每磅动物消耗饲料的磅数)，并因此在降低饲料成本同时提高了生长率。在海洋动物包括虾的实施方案中，在16-24周生产周期中生长率期望达到每周大约0.8至2.0克。
本发明系统也可以使化学制品的注入容易，化学制品比如臭氧、药、维生素和/或其它添加剂，这是通过与氧气流或含氧水流一起注入这些添加剂到封闭容器中。药、维生素和其它池塘添加剂可以通过氧气注入器30里的储料器502和连通机构503添加。这可以使用已经装配好的用于注入氧的系统来进行这些添加剂的分配而不会有额外的装备或劳动力成本。用于这些添加剂的供应容器与氧气注入器流体连通。这些材料可以在任何想要的时间且以需要的数量通过氧气注入器添加到池塘。在系统通过氧气注入器除供应氧气之外还可以供应臭氧的实施方案中，臭氧发生器可与氧气发生器流体连通以供应给臭氧发生器氧气而不是空气，臭氧发生器就能转为供应臭氧。那么臭氧可以通过氧气注入器分配。图3出示了臭氧发生器600并入氧气发生器40的结构。
本发明有些优选实施方案中，系统还包括监控系统。监控系统可以提供给使用者某些信息，优选实时地提供，涉及每个封闭容器中的各种生产参数，比如温度、溶解氧、PH、氨、硝酸盐、亚硝酸盐、悬浮固体、盐度、碱度、生化需氧量(BOD)、硬度、浊度和水流速度。监控系统可以使用该信息以自动地使多种不同供应源启动，比如启动氧、饲料、药或其它添加剂供应源。监控系统700作为本发明系统一部分的一个实施方案在图3中示出。监控系统700优选由中央处理器701和氧气发生器40组成，该中央处理器701通过如图3出示的线703直接以电的形式与一个或多个传感器702相连。做为选择方案，中央处理器701也可以通过调制—调解器(modem)、无线电、远距离通讯或类似装置与传感器和/或氧气发生器联系。作为选择方案，或者作为补充，尽管没有图示，监控系统也可以以电的形式与多种供应源联系，比如与饲料储料器、臭氧发生器、氧气注入器、再循环箱阀、药或其它添加剂源等联系。适宜的中央处理器的实例包括信号处理器、过程控制器、微处理器、计算机或能保留某些预定程序信息到存储器并执行多种功能比如简单的运算及中转数据或执行操作的类似装置，但并不局限于此。
感应器可以测定溶解氧水平、温度、PH和其它水参数，感应器以电的形式与中央处理器联系。可以把这些参数输入中央处理器，中央处理器会指示系统元件以适合的量给封闭容器提供氧和其它材料的必要注入。此外，中央处理器对照大量预定值比较这些参数以决定每个封闭容器在任何给定时间内需要什么。例如，感应器702可以是测定水介质中溶解氧的感应器，中央处理器701可以对照预定程序设定点值Cset比较封闭容器中测定的水介质中氧含量C0，并且当含水介质中氧含量C0低于设定的点值Cset时使氧气发生器启动。另外，中央处理器701可以对照第二预定程序设定的点值Cmax比较封闭容器中测定的水介质的氧含量C0，并且当含水介质中氧含量C0高于设定的点值Cmax时使氧气发生器关闭。设定的点值Cset和Cmax可以在每个封闭容器中由于多种因素比如一天中的的时间、海洋动物的大小或生长量、生长周期的时间、年度时间，封闭容器的大小、水质等而变化，但不局限于这些因素。不管这些变化如何，本发明系统都能让使用者独立地控制多个封闭容器。另外，尽管在图3中没有出示，氧气发生器40可配备装置比如阀，以便只给一个封闭容器供氧，而不是给所有的封闭容器供氧。
在有些优选实施方案中，中央处理器是模拟装置。不象只能指示另一个装置“开”或“关”的数字装置，模拟装置能指示另一个装置处于“开”和“关”之间的多种其它状态。例如，模拟信号能调节装置的速度(例如工作能力的20％、30％、40％等)。模拟信号越来越多地被用于采用感应器反馈的定剂量函数(dosing function)。例如，氧气感应器的输出可以告知中央处理器，封闭容器中氧气浓度正在减少。中央处理器可以给氧气注入器发送模拟信号以局部打开或关闭阀，尽力一直维持稳定的氧气浓度。这比只是打开或关闭阀(比如利用数字信号)更优选，因为只是打开或关闭阀可能引起氧气浓度呈波峰和波谷，会使动物紧张。
本发明的有些实施方案中，系统还可以监测和调节封闭容器中水介质或水中的盐含量。因为盐度变化会在海洋动物中引起等张和急性或慢性死亡，所以盐含量的调节很重要。系统能结合例如以电的形式与中央处理器联系的液体比重计或折射计。折射计可以探测封闭容器中水的盐度水平确定是否已经增加，例如，由于蒸发而增加。折射计可以与中央处理器相连，中央处理器可以指示阀打开，从而让另外的盐水或淡水进入封闭容器以增加或降低盐度水平。
再在本发明另外的实施方案中，系统还可以监测和调节封闭容器中水介质或水中的氨含量。氨的主要来源是海洋动物本身产生的废物。如果水介质中氨的水平太高，会对其中的海洋动物有毒。封闭容器内水中的细菌消耗氨，因而降低了氨水平。由细菌产生的氨消耗可以通过添加碳源比如糖蜜(molasses)到水中来辅助。另外，细菌也得益于水中溶解氧水平的增加。在这些实施方案中，系统可以包括氨感应器以探测水中氨水平并传达该信息给中央处理器。如果细菌未能维持氨水平在一定范围内，中央处理器可以指示阀以将糖蜜或其它碳源添加到水中来增加氨消耗。
尽管发明特别适合自动防故障装置的系统和包括给水产养殖中使用的封闭容器提供氧的方法，但发明并不局限于到此。本发明的系统和方法能用于多种其它应用，其中最重要的是能提供可靠的氧源，例如，能用于给废水处理厂或其它应用提供氧源。
图5给出了运行计算机流体动力学或封闭容器的计算机建模步骤的程序流程图，以定位氧气注入器和/或其它向封闭容器移动或添加氧的通气设备。计算机建模程序能用于确定通气装置的位置以提供最好的溶解氧分配，以优化用于池塘的动力利用，确定需要获得特定放养密度的通气设备位置和类型，和/或确定处理池塘里淤泥或废物沉积物的最好方式，以及用于其它目的。
第一步骤301是启动建模程序。步骤302是收集数据，其包括给计算机程序输入容器或池塘几何图形的步骤302a，和给计算机程序输入关于通气设备类型数据的步骤302b。池塘几何形状包括长方形容器的长、宽和高，或者圆形容器的直径和高，或者限定任何形状容器的几何形状。在步骤302b中，通气设备的数据库可以由程序使用者预先建立，包括输入由制造商提供的机械绘图中设备的几何形状，或把通气设备部件的几何形状数据化并将它输入数据库。把这些设备的工作条件比如方位、转动速度等输入程序。
根据从步骤302a输入的信息，建模程序将会形成容器或池塘的几何形状，并优选对使用者显示该几何形状以便复查。在步骤306使用者可以选择一个或多个通气设备，加至步骤305产生的容器中。接下来，建模程序的使用者可以选择池塘中通气设备的位置。典型做法是相对于容器几何形状的定点比如容器的中点，指定设备的坐标。通气设备的方位由使用者在步骤308中指定，步骤308需要相对于容器几何形状的定点使用容器坐标来限定轴线和流动方向。在步骤309中，如果通气设备不在302b的通气设备数据库中，那么程序的使用者必须根据制造商的机械绘图输入通气设备模型，或者把该通气设备的模型数字化后输入程序中。新的通气设备能随后被保存入步骤302b的数据库。在通气设备信息输入程序后，使用者可以指定程序在步骤310中如何确定计算区域以形成计算网格(compuatational mesh)。为了达到最好的结果，计算网格应当更密集(dense)于速度梯度高的份量(volume)中，例如，密集于接近通气设备和接近容器边界的份量中。密集网格对每份量提供更多的计算。例如，尽管不限于此，但网格份量(mesh volume)可以大约是围绕通气设备的份量中通气设备大小的1/10，及网格较少密集处的份量中容器大小的1/100。考虑到池塘的几何形状和池塘中通气设备的位置和类型以及输入的网格密度信息，程序会建立计算网格或栅格(grid)，这样程序会优选显示，给使用者提供想要进行改变的机会。在步骤311中，程序中的计算器解答计算栅格的每个单元(cell)中流体体积的流体动力学传质方程(例如，粘性流体方程(Navier StokesEquations))，并将结果提供给使用者。使用者在步骤312中分析结果，首先检查质量流量处在可能区域内而不是输入错误的结果。如果结果是真实的，但不是可接受的，可重复建模程序并且通气设备能被改变、移动、再定方向和再重复建模程序。
通过使用计算机建模程序，封闭容器内流体的运动和氧的溶解能被优化。通气设备的位置和类型能到处移动和改变。不同的通气设备能用在不同的结合体上以获得期望的结果。本发明氧气发生器和氧气注入器能与现有技术中的通气设备一起使用以获得期望的流体运动和充氧状态。相对于装置的预先支付和运行成本而言，相比该流体的运动会提供最经济的流体移动。
水的运动对于阻止封闭容器区域中溶解氧的低水平是重要的。为了最大化溶解氧量的分配，优选池塘内所有水以至少4cm/sec移动；然而，由于绝大多数封闭容器的形状所限，优选容器内至少大部分流体体积以至少4cm/sec移动，优选4到20cm/sec之间，更优选4到10cm/sec之间。在更优选的实施方案中，在池塘中流体体积大于80％，以及更优选大于85％的流体体积移动4到20cm/sec，更优选4到10cm/sec。
已经明确了为了达到最好结果，任何形状封闭容器中水介质应当以至少一个圆形漩涡移动，包括至少大部分所述水介质以至少一个圆形漩涡移动，并且如果在封闭容器内超过一个圆形漩涡，那么该漩涡将是互补的圆形漩涡。对于圆形封闭容器或长宽比率小于1.5～1的方形封闭容器来说，优选让注入器注入氧/空气横过容器半径或容器的半个长度，并且流体的流动处于单圆形漩涡。如果可能，优选横过容器半径或容器半个长度的注入是一致的。已经明确了对于大多数长度是宽度的1.5～2.4倍的池塘(例如，长方形池塘)，优选流体由至少2套通气设备移动，通气设备会在两个互补的圆形漩涡中移动流体，正如图6箭头所示。如图所示，互补圆形漩涡在同一方向在池塘体积中流动，池塘中漩涡相遇或彼此邻近。对于长度是宽度的2.5～3倍的长方形池塘，优选流体由至少3套通气设备移动，通气设备会在三个互补的圆形漩涡中移动流体，正如图7所示。如图6和图7所示，亮的区域是流动速度在4cm/sec到20cm/sec之间的区域。如图6和7所示，暗的区域66是速度小于2cm/sec或更小的区域。(图7出示了通气设备88的位置)。发明者已经确认容器内废物会累积在有较低的或没有速度区66的容器底部。为保持容器清洁和对海洋动物健康，建议把该废物尽可能经常且有规律地常规地从池塘除去。建议在塑料衬底的池塘中每天进行清除，但在土制底的池塘中应当至少一周清除一次。通过仅仅清洁低速区，就能把池塘中大多数—即使不是所有的—废物从容器中有效清除。另外，为了避免浪费饲料，当移动水的通气设备在运转时，不要将喂海洋动物的饲料添加在低速区，而应当只添加在容器中水速为4cm/sec～20cm/sec的区域，更优选添加在水速为4cm/sec～10cm/sec的区域。沉积在低速区的饲料在分解时甚至会消耗更多氧气。另外，为避免浪费饲料，最好在供给饲料前至少5分钟关闭用于移动流体的通气设备。通过关闭移动流体的通气设备，在饲料沉落在池塘低速区之前，流体不会使饲料四处移动，低速区是溶解氧水平低而且虾不能定居处。饲料在低速区会被浪费，并且会促进给虾造成不良的通气池塘环境。在提供一段供给饲料时间后，优选提供15分钟到2小时的供给饲料时间后，可以重新启动移动流体的通气设备。
本发明参照下面的实施例将更详细地进行说明，但应当理解本发明并不视为限定于此。
实施例实施例1给地上罗非鱼(Tilipia)生产水池供应氧用于生产罗非鱼的2000加仑水池保持温度在大约28℃。水池中溶解氧的百分比是2.0mg/l。
10马力，便携式变真空吸附(VSA)氧气发生器由PA阿伦敦空气产品和化学制品有限公司提供，氧气发生器通过氧气管道与陶瓷扩散器相连，氧气注入器位于水池底。氧气发生器在压力范围3到5psi内以每分钟120升或250标准立方英尺/小时(SCFH)的速度给水池释放纯度为90％或更大的氧气。陶瓷扩散器有50psi背压。氧气发生器还与1马力氧气压缩机相连以提高氧气发生器输出压力到60psi。水池内连通氧气发生器1小时后溶解氧的百分比是8.0mg/l。
本发明说明便携式VSA氧气发生器在罗非鱼生产水池内可以增加溶解氧的百分比。不象以前向水池中注入氧气的方法，比如给水池系统供应液体氧的方法，使用便携式VSA氧气发生器给生产水池提供氧量的成本是使用液体氧给水池系统供氧每月运行成本的一小部分。例如，根据每千瓦(KW)价格是0.06美元计，便携式VSA氧气发生器的运行成本是每月280美元，而液体氧供应系统运行成本是每月1500美元。液体氧供应系统成本还未计入氧罐租费和氧气供应管理的费用。此外，不象以前技术方法比如通气那样，会限定使用者在水池中养殖海洋动物的数量。
本发明提出了几个优选实施方案，但应当认识到本发明的范围宽于这些实施方案的范围，并且应当由后面的权利要求来确定。
权利要求
1.一种用于海洋动物水产养殖的供气体系统，所述气体以体积计包括纯度为30％或更高的氧，该系统包括多个封闭容器、多个氧气注入器和多个氧气发生器；每个所述封闭容器能容纳大量海洋动物和水介质；至少一个氧气注入器布置在所述多个封闭容器各自的的至少一个位置处；所述多个氧气发生器每个都与所述多个氧气注入器的至少一个流体连通，从而由多个氧气发生器给封闭容器提供足量氧气，以提高水介质中的溶解氧百分数。
2.如权利要求1所述的系统，还包括与所述多个氧气注入器中的至少之一流体连通的一个饲料源。
3.如权利要求2所述的系统，还包括与所述多个氧气注入器中的至少之一流体连通的一个药源。
4.如权利要求1所述的系统，还包括与所述多个氧气注入器中的至少之一流体连通的一个臭氧源。
5.如权利要求4所述的系统，其中臭氧源与所述多个氧气发生器中的至少之一流体连通。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述多个氧气发生器通过变真空吸附运行。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述多个氧气发生器位于邻近所述封闭容器处。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述多个氧气发生器中的至少之一安装在轮子上。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述多个氧气发生器中的至少之一安装在可浮动支架上。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述至少一个氧气发生器配置在封闭容器内。
11.如权利要求1所述的系统，其中溶解氧含量大于4mg/l。
12.如权利要求1所述的系统，其中晚上比白天添加更多的氧到所述封闭容器中。
13.如权利要求1所述的系统，还包括一个传感器和一个中央处理器；所述传感器测定所述多个封闭容器至少之一中水介质内溶解氧含量C0；所述中央处理器与该传感器及所述多个氧发生器至少之一电连通，该中央处理器对照设定点值Cset比较氧含量C0，并且当氧含量C0低于设定的点值Cset时使至少一个氧气发生器启动。
14.如权利要求1所述的系统，其中至少一个封闭容器包括大量的虾，虾收获生物量密度为至少0.5kg/m2或更大。
15.一种用于确定封闭容器中一个或多个通气设备位置的方法，其中封闭容器包括用于海洋动物的水介质，该方法步骤包括给建模程序输入封闭容器的几何图形；给所述建模程序输入一个或多个通气设备的几何图形；限定在所述封闭容器内的所述一个或多个通气设备的一个或多个位置；用所述封闭容器内的所述一个或多个通气设备建立用于所述封闭容器的计算网格；解答流体动力学传质方程以确定所述封闭容器内所述水介质的流动速度和流动方向。
16.如权利要求15所述的方法，还包括分析所述流动速度和所述流动方向的步骤；给所述建模程序输入一个或多个不同通气设备的几何图形，并对所述一个或多个不同通气设备进行重复限定、建立和解答的步骤。
17.如权利要求15所述的方法，还包括分析所述流动速度和所述流动方向的步骤；如果所述封闭容器中所述水介质的大多数体积的流动速度不在4cm/sec到20cm/sec之间，则还包括限定所述一个或多个通气设备的新位置的附加步骤和对所述新位置处的所述一个或多个通气设备进行重复建立和解答的步骤，直到所述封闭容器中所述水介质的大多数体积的流动速度在4cm/sec到20cm/sec之间。
18.用于海洋动物水产养殖的封闭容器，包括一个或多个通气设备和所述封闭容器内的水介质；所述通气设备移动所述水介质以形成至少一个圆形漩涡，在所述的至少一个圆形漩涡中包括至少大多数所述水介质的移动。
19.如权利要求18所述的封闭容器，包括两个或多个通气设备；所述两个或多个通气设备移动所述水介质以形成至少两个互补的圆形漩涡，在所述的至少两个圆形漩涡中包括至少大多数所述水介质的移动。
20.如权利要求18所述的封闭容器，其中所述大多数所述水介质以4到20cm/sec的流动速度移动。
21.如权利要求19所述的封闭容器，其中所述大多数所述水介质以4到20cm/sec的流动速度移动。
22.如权利要求18所述的封闭容器，包括容器的底部和淤泥，其中所述淤泥收集在少于底部区域的20％一个区域内。
全文摘要
在此公开了一种用于海洋动物比如虾水产养殖的系统和包括上述系统的方法，其中给封闭容器供应纯度为30％或更大纯度的氧。在本发明一个实施方案中，系统包括与多个氧气注入器流体连通的多个氧气发生器，供氧给装有水介质和海洋动物的封闭容器，以维持溶解氧含量高于某一水平。
文档编号A01K63/04GK1615690SQ20031012408
公开日2005年5月18日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月4日
发明者A·N·马瑟, M·延科沃伊, P·马, X·何 申请人:气体产品与化学公司