专利名称：一种交替氧化还原式自净水族养殖方法
技术领域：
本发明涉及水生动植物养殖方法，具体地说是指一种交替氧化还原式自净水族养殖方法。
一个密闭生态的物质循环能否长期维持下去，取决于其系统中的阴阳(即氧化与还原)是否共存并达到平衡，因为某些物质的循环再生必须经过有氧和无氧两个阶段才能完成。例如氮的循环气态氮(无氧固氮)→氨(合成)→蛋白质(有氧分解)→氨(有氧硝化、反硝化)→亚硝酸、硝酸(无氧脱氮)→气态氮。而水族箱内主要污染来源为饵料及生物排泄物，饵料主要由蛋白质、脂肪及和淀粉组成，脂肪和淀粉的分解产物主要为CO2，是一种对鱼类无害的物质。实验表明，水族箱内氨是对生物影响最大的毒性物质，它是含氮有机物(饵料及排泄物中的蛋白质)分解的中间产物。氨溶于水后生成分子复合物NH3.H2O，其对水生生物毒性较大，在低氧条件下其毒性尤为严重。对观赏鱼来说，氨水安全浓度为2.5毫克/升。当水中溶氧充足时，氨(氮)在各种细菌的作用下转变为硝酸盐氮。硝化作用分两步进行第一步氨在亚硝化功菌作用下氧化成亚硝酸盐；第二步亚硝酸盐在硝化细菌的作用下氧化成硝酸盐，即蛋白质→氨→亚硝酸盐→硝酸盐，此时，脱氮细菌开始进行脱氮作用，使硝酸盐氮转化为NO2及气态分子氮逸出水面(脱氮)，从而降低了水体毒性；但是，脱氮作用是在嫌气性条件下，(即缺氧)才可强烈进行的，而鱼缸中生物又需要大量的氧才能存活，这就形成了一对矛盾即在一个小小的水体内(甚至10升水以下)有氧与无氧状态共容的矛盾。而现有的养殖方法及系统对此问题却没有很合适的解决方案。
本发明的目的是提供一种交替氧化还原式自净水族养殖方法。该方法包括以砂粒或海绵等多孔物质作为生物床的载体，以待净化的物质为底物(即培养基)，通过控制流经生物床的水的流量和流速(即控制生物床氧的输入量)，使生物床处于氧化态和还原态的交替变化过程中，利用适者生存的原理，定向培养适应于本方法的并能够高效分解待净化物(即有机污染)的生物群落，形成一种能够完全处理(矿化)生物有机污染的各种功能微生物在量上平衡的生物床，即为本发明的交替氧化还原式自净水族养殖方法的技术实质。
其中，所述的生物床中含有三大类微生物，即好氧、厌氧和兼性厌氧微生物，包括蛋白质分解菌、淀粉分解菌、几丁质分解菌、纤维素分解菌、氨化菌、硝化菌、亚硝化菌、脱氮菌等，以及一些以上述微生物为食的原生动物。
其中，所述的生物床处于氧化态和还原态的交替变化是在水族系统内交替用电能控制形成有氧或无氧状态；在装置上制成有氧层(鱼生活空间)及无氧层(脱氮作用进行)两个不同的区域，达到矛盾共容一体的目的，再结合量化调整，从而形成一个物质循环(单向)基本平衡的低密度养殖小水体生态系统。所述的量化调整的全过程分为以下几个阶段进行新装水族箱阶段此阶段由于是新水水体内含有毒物质(氨氮)较少，主要应解决将水中的肉眼可观察到的杂质(饵料残渣及生物排泄物)氧化分解，使水体变得清澈透明。因此，此时应大量通氧，使水体形成溶氧处于过饱和状态，必要时(水中杂质过多)可加配物理过滤器，此阶段的结果是形成水体氨氮浓度增加。
硝化阶段当水体中氨氮浓度增加到鱼类致死临界浓度时，需要继续进行氧化过程，使氨氮转化为对生物无毒的硝酸盐氮。此时需要继续通氧。此阶段结果有两个一是水体中的有毒物质氨氮转化成硝酸盐氮暂时积累起来；二是培养了大量的亚硝化菌及硝化菌，为以后水体生态单向循环构筑起一段生物链。
传统的水族箱养殖进行到这个阶段就停止了，系统开始大量积累硝酸盐氮，当其积累到一定浓度时硝酸盐氮开始反向还原成为亚硝酸盐氮或氨氮。当氨氮浓度积累到水生物致死临界值时，传统的处理方法为①换入新鲜的水以冲淡氨氮的浓度(传统养殖方式)，此方式的缺陷是一是增加了劳动强度；二是在换水时由于不容易掌握水质情况，往往容易导致生物死亡。
②用活性炭吸附或用滴水式生物球处理或用光合细菌进行水的预处理(欧美及国内一些高水平养殖所采用的方式)。此方式一是增加了成本；二是不能彻底去除毒性，一般三个月左右还是要换一次水。
而本发明的方案中的处理方式为还有一个脱氮阶段当硝酸盐氮积累到一定浓度后，加入经过培养的脱氮菌群并附着在某些附载物上，同时开始在箱体内控制形成无氧层及无氧时间，给脱氮菌提供一个厌氧环境，由于此时有大量的硝酸盐氮作为脱氮菌的食物，因此，脱氮菌开始在缸内繁殖并逐渐达到平衡所需要的种类及数量，在脱氮菌的作用下，硝酸盐氮开始减少，转变为NO2及N2逸出水面(此过程称为生物脱氮)，从而形成了一个单向物质循环生物链。
在无氧层形成的同时，水族箱内将近五分之四的水体溶氧对生物来说是充分的，也就是说，在脱氮作用进行的同时，水生物继续生存在水族箱内。
因此，在本发明方法中物质转换按如下过程进行
蛋白质→氨→亚硝酸盐→硝酸盐→NO2＋N2＋其他其中，控制流经生物床的水的流量和流速(即控制生物床氧的输入量)的方法为流量的控制为泵功率的大小是可使水族箱内水在1小时内循环一次，如水体积为1立方米，则泵的出水量不得小于1立方米/小时；流速的控制为在符合上述流量的要求下，泵的出水口面积小于百分之一的底板面积。
在此过程中的几个技术特征为1、平衡点的有序量化调节连续通电情况下有氧与无氧控制时间比例从5∶1至1∶5，根据上述量化调整过程分为以下几个阶段①新装水族箱阶段从装缸开始3天内按通电50分钟，断电10分钟循环操作，此阶段主要目的为氧化分解有机质；②硝化阶段第四天至2周内按通电30分钟，断电30分钟循环操作，此阶段在继续氧化分解有机质的同时，开始培养脱氮细菌；③2周后通电及断电时间比例为1∶4或1∶5，根据不同箱体情况微调，以最终结果达到生态平衡(即氨及硝酸浓度基本为零)为准。
2、饵料蛋白含量超过40％，每天投放数量为水中生物体重的1/100至15/100、1000公斤水体的生物最大承载量为30公斤。
上述量化调整使容器内生态系统不致于在平衡点附近大幅度波动。
3、水族箱内不能也不需加入任何抗菌药物。
4、人工照明光量在3000勒克斯以上，在此光量下，生长良好的植物有助于水质的净化。
5、水体积不能小于5升水。
6、菌群承载体主要以沙为主，如石英沙、石米或水晶沙等，沙的直径在1毫米至5毫米，按同样比例分三层铺在箱底，最小的排在最下边，最大的放在最上边。
在上述条件满足的情况下，针对不同的容器体积及生物种类的具体调节，最终形成一个氨氮含量低于水生物致死临界浓度、水质晶莹透明的生态自然平衡的水环境。并可在长时间不用换水的情况下保持水质良好。
其中，以下技术特征也将对本发明的实施起到很关键的作用，即所述的生物床载体的选择应根据不同观赏生物对水质硬度的要求，选择不同种类的载体，高硬度水质采用珊瑚砂、低硬度水质采用普通建筑用砂或海绵；根据生物床的厚度和过滤板(或过滤管)的隙缝选择砂粒大小，砂粒以多面体为佳，一般为一至五毫米，粒径小，面积大；粒径大，面积小，阻力小。
所述的生物床净化能力的估算(生物床的净化能力由体积、载体粒径、过滤速度所决定)指标为P＝10S/
。其中p为净化率(毫克氧/分)，S为生物床面积(平方米)，V为过滤速度(厘米/分)，D为生物床厚度(厘米)，G为砂粒系数G＝x1/d1＋x2/d2＋…xn/dn，d为砂粒直径(毫米)，x1＋x2＋…xn＝100。
所述的观赏生物量的确定(即污染率，由观赏生物的代谢率、数量和大小，以及投饵率所决定)为C＝∑(Bi)exp0.544＋0.051F.C为污染率(毫克氧/分)，Bi为观赏生物个体重量(克)，F为投饵量(克)。
所述的系统内净化率应大于污染率，即P≥C。
所述的生物床应接种微生物菌群(从旧生物床移植)，以便使建立生物床的速度加快，接种方法为用5％～50％的培养成熟生物砂与新砂混合。
所述的生物床微生物在给定的底物和氧化还原时间间隔条件下作定向培养。
所谓“给定的底物”是指底物(即饵料)的营养成分必须保持新鲜，各种营养成分比例稳定，如持续提供动物蛋白含量为48％的秘鲁鱼粉为水族箱饵料，这些蛋白质分解的产物的有机污染物是相同的，因此分解它们的微生物种类随之建立。加上控制氧化还原时间相同，因此，生物床上的微生物种类及数量随之稳定，这就是“定向培养”，也即生物竞争的“适者生存”。
所述的生物床微生物群落的发展成熟过程中的化学指标为氨浓度上升(氨化细菌生长期)→亚硝酸浓度上升(亚硝化细菌生长期，氨浓度下降)→硝酸浓度上升(硝化细菌生长期，亚硝酸浓度下降)→总含氮量下降(脱氮菌生长期)→生物床成熟(各种功能微生物种群在分布和量上达到平衡)。
另外还应对所使用的装置系统作日常维护。因为生物床的微生物种群是处于动态平衡之中的，在最大净化能力范围内，它将随着观赏生物养殖品种和数量的变化而变化，即净化能力随着污染率的增加而提高，但有一定的滞后期，即当系统的污染率增加时，系统净化能力的提高并达到新的平衡需要三至五天的时间。因此，系统生物量的增加和投饵量的增加应逐步进行。若生物量一次性增加较大，应注意监测水体中亚硝酸的积累情况，一旦超过观赏生物的忍受范围时，应适当换水，直至生物床的净化能力达到新的平衡为止。为防止打破微生物种群平衡，本方法中不得加入任何抗菌素。
图1为本发明的交替氧化还原式自净水族养殖方法装置系统图；图2为实施例1的正视图；图3为实施1的俯视图；图4为实施例2的结构示意图；其中a为由一定大小和品种的砂子所组成，为微生物提供附着表面的生物床；b为支撑生物床并构成水的回流渠道的过滤板或过滤管道；c为回流管；d为容器；e为作为系统动力的潜水泵；f为可接驳于潜水泵的进水口或出水口的进气管；g为控制两个潜水泵按一定时间间隔交替工作的控制器。
当水体带着有机污染物和溶解氧流经生物床a时(氧化态)，生物床a中的好氧微生物(如蛋白质分解菌、淀粉分解菌等)进行有氧呼吸，分解底物，消耗氧气，产生二氧化碳等矿化物质当水流停止时，滞留于生物床a内的溶解氧被迅速消耗，生物床a进入无氧阶段(还原态)此时兼性厌氧微生物转入无氧发酵，同时激活厌氧微生物(如脱氮菌)，将水中的大分子有机物发酵降解，并以硫酸根、硝酸根等作为电子受体，产生硫化氢、气态氮等挥发性物质。流经生物床a并带有上述微生物代谢产物的水在生物床a出水口进行气体交换(即暴气)，使二氧化碳、气态氮、硫化氢等挥发性物质逸入空气中，氧气进入水中，由于两个潜水泵e交替工作，系统的气体交换也是连续进行的，从而使水体的溶解氧维持饱和状态，同时生物床中的各种微生物也分泌维生素等多种活性物质，从而保证水体清、活、爽。
本发明应用于水族系统，可以使水族系统内的有机物质得到充分矿化，本部分含氮化合物最终都以气体的形式逸出水族系统，大幅度地延缓了系统的水质老化过程，保持水质清新、富有活性，能为观赏生物提供最佳、最稳定的水环境。淡水系统可以长达二至三年、海水系统可达一年半以上的时间才需要少量换水；其中需要换水的原因不是本系统崩溃，而是由下述原因所造成其一由于水族系统水分蒸发，必须不断补充水分；而蒸发掉的水分几乎是纯水，而补充进来的水分含有一定的离子(如铜、锌、镉)；另一方面，饲料中也含有一定的无机盐，时间一长，系统内水体的离子浓度会相对提高，部分无机盐可以形成不溶物沉淀于生物床内，造成离子失调，水质老化；其次部分观赏生物，特别是活体珊瑚、海葵等海洋无脊椎生物，在其生长过程中需要某些痕量元素，其所需的种类和数量目前还未为人类所了解，也非一般设备可检测，这些痕量元素一旦用尽，对于这些生物而言。水质已经老化，必须更换部分新水，以保持水质活性。因此，本系统在运作过程中多长时间需要换水、换多少水，取决于所养殖的观赏生物的种类和观赏生物品种之间的相容性，以及平时所补充水分的质量(无离子水优于自来水)。
实施例1本发明所使用的水族箱结构如图2、图3所示，长、宽、高分别为80、40、50、a为生物床，采用小号建筑用石米为载体，粒径为2-3.5毫米，面积与箱底相同，高度7厘米；b为过滤板(香港产)；c为生物床出水口，管径18毫米、e1为气管，f1为仙水牌138A气泵；c、e1、f1构成气提泵，作为生物床的水循环动力系统；d、e2、f2分别与c、e1、f1相同，沉淀过滤系统的气提泵，h、h′为连通的沉淀池，i为沉淀池的出水口；g为控制器，控制f1，f2工作时间。
本系统(淡水)于1989年10月安装，1990年1月调试完毕，养殖红莲灯25对、白云金丝10对、蓝鼠3对、白鼠2对、小清道夫1尾。气泵f1工作时间为25分钟，f2工作时间为35分钟，每周用自来水补充少量因蒸发的水分，每半年左右清理一次沉淀池内的污泥(可用作花泥)，水质长期保持清新，鱼类健康活泼，除少数死因不明之外(可能是自然死亡)，所有观赏鱼均未发生急性传染病或大批量死亡现象。1991年7月份在沉淀池中繁殖、培养白云金丝成功(证明水体中无对观赏鱼类有害的毒性物质积累)。水质经珠江水产研究所水化室分析，氨氮、亚硝酸氮未检出。本系统在1992年10月份换成海水(见例三)之前，经历三年的运行，效果良好。
实施例2水族箱净化系统结构如图4所示，长、宽、高分别180、40、60厘米。a为生床，采用小号建筑用石米为载体，粒径为2-3.5毫米，面积与箱底相同，高度8厘米；b为过滤板(香港产)；c为生物床出水口，管径18毫米，e为广东中山小榄水族器材厂生瓣的12瓦潜水泵，f为进气口；g为控制器，控制e1、e2工作时间(分别各为30分钟)。
本系统(淡水)于1992年春节安装，用户为广州第二机械厂职工，92年养殖孔雀鱼，黑魔、小金鱼等低档鱼类，效果很好；93年改养地图鱼等大型鱼类，其中有两条地图鱼一年左右从六七公分长到近一公斤，由于鱼大，时常撞击水族箱体，用户担心水族箱被撞破，于是于94年改养七彩神仙、普通神仙、红莲灯、白云金丝、老鼠等。据用户反映，该系统四年来工作正常、水质稳定、鱼类健康，除了补充因蒸发的水分外，至今未曾大量换过水。
实施例3即例一的水族箱，水族系统结构与例一完全相同，于1992年10月份从中取出淡水鱼后，加入广东徐闻县生产的速溶海水晶，调成比重为1.202左右的人工海水，系统工作方式不变，45天后亚硝酸检测低于0.05ppm，随后放入三点白一对、蓝魔一对、而后陆续放入小丑、蝶鱼等，至1994年9月份水族箱破裂之前，水质良好(但珊瑚、海葵等软体动物养殖未成功)。
实施例4本系统水族箱长、宽、高分别为130、35、80厘米。于1994年9月份安装，生物床面积与箱底一致，分两个单元(结构与例二相同)。采用粒径3-5毫米的珊瑚砂为载体，生物床高度为10厘米，潜水泵与例二相同。采用70％美国产BIOSEAWHATER人工海水和30％国产人工海水(与例三相同)，配80瓦菲利普日光灯，第一盏1100至2000，第二盏1130-2100，全自动开关。水温夏天随气温而变化，最高30.5℃，冬天人工控温为21℃。养殖硬珊瑚(宝石花、太阳花)，管虫、海葵、蟹、拳题师虾、小丑鱼、两款海草、未知名称的软珊瑚、数种小海螺，以及随活石带来的各种无名海洋生物。到1996年2月为止，水质清新，效果良好。
实施例51994年元月装箱一个，水体积为180×60×40厘米，淡水，沙床厚度为15厘米，放养12厘米长的金鱼8条，25厘米长的锦鲤两条，经量化调整后最终有氧与无氧时间比例为1∶2，即通电20分钟，断电40分钟，每日投饵10克左右，现存活金鱼六条，锦鲤一条，水质晶莹透明，氨氮浓度小于1PPM，至今换过水(蒸发掉的水用自来水补充)。
实施例61995年元月装箱一个，水体积25×25×35厘米，淡水，沙床厚度为6厘米，放养红莲灯20条，孔雀鱼3条，水草5根，经量化调整后最终有氧所无氧时间比例为1∶4，即通电10分钟，断电40分钟，每日投饵3克左右，现存红莲灯18条，孔雀鱼2条，水质晶莹透明，氨氮浓度小于1PPM，至今换过水(蒸发掉的水用自来水补充)。
实施例71995年11月装箱一个，水体积为60×35×40厘米，淡水，沙床厚度为8厘米，放养红莲灯20条，孔雀鱼4条，四间鱼15条，按吻鱼2条(食藻类)，经量化调整后最终有氧与无氧时间比例1∶5，即通电10分钟，断电50分钟，每日投饵5克左右，现存红莲灯16条，孔雀鱼3条，四间鱼15条，接吻鱼1条。水质晶莹透明，氨氮浓度小于1PPM，至今换过水(蒸发掉的水用自来水补充)，该箱曾断电2天，此期间开始变混，但无死鱼，证明该系统容忍度比一般水族箱大。
权利要求
1.一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，包括以砂粒或海绵等多孔物质作为生物床的载体，以待净化的物质为底物，通过控制流经生物床的水的流量和流速，使生物床处于氧化态和还原态的交替变化过程中，定向培养适应于本系统、能高效分解待净化物(即有机污染)的生物群落，形成一种能够完全矿化处理生物有机污染的各种功能微生物在量上平衡的生物床，即得以实现本发明的交替氧化还原式自净水族养殖方法。
2.权利要求1所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的生物床包括好氧、厌氧和兼性厌氧微生物。
3.权利要求2所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的好氧、厌氧和兼性厌氧微生物包括蛋白质分解菌、淀粉分解菌、几丁质分解菌、纤维素分解菌、氨化菌、硝化菌、亚硝化菌、脱氮菌，以及一些以上述微生物为食的原生动物。
4.权利要求1所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的生物床处于氧化态和还原态的交替变化是在水族系统内交替用电能控制形成有氧或无氧状态，用工艺制作形成有氧层及无氧层两个不同的区域，再加上精心的量化调整，生成一个物质单向循环基本平衡的低密度养殖小水体生态系统。
5.权利要求1所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的量化调整的过程分为以下几个阶段进行a新装水族箱阶段大量通氧，使水体形成溶氧处于过饱和状态。b硝化阶段继续通氧，使氨氮转化为对生物无毒的硝酸盐氮。c脱氮阶段当硝酸盐氮积累到一定浓度后，此时加入经过培养的脱氮菌群并附着在某些附载物上，同时开始在箱体内控制形成无氧层及无氧时间，给脱氮菌提拱一个厌氧环境，由于此时有大量的硝酸盐氮作为脱氮菌的食物，脱氮菌开始在缸内繁殖并逐渐达到平衡所需要的种类及数量；在脱氮菌的作用下，硝酸盐氮开始减少，转变为NO2及N2逸出水面(此过程称为生物脱氮)，从而形成了一个单向物质循环生物链，投入水中物质对水生物有毒的部分基本上变成了气体逸出水面；在无氧层形成的同时，水族箱内将近五分之四的水体溶氧对生物来说是充分的，也就是说，在脱氮作用进行的同时，水生物继续生存在水族箱内。
6.权利要求1所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的量化调节中，连续通电情况下有氧与无氧控制时间比例从5∶1至1∶5，量化调整过程分为以下几个阶段①新装水族箱阶段从装缸开始3天内按通电50分钟，断电10分钟循环操作，此阶段为氧化分解有机质；②硝化阶段第四天至2周内按通电30分钟，断电30分钟循环操作，此阶段在继续氧化分解有机质的同时，开始培养脱氮细菌；③2周后通电及断电时间比例为1∶4或1∶5，根据不同箱体情况微调，以最终结果达到生态平衡(即氨及硝酸浓度基本为零)为准。
7.权利要求1所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的定向培养是指将生物床微生物在给定的底物和氧化还原时间间隔条件下作定向培养。
8.权利要求1所述的一种交替氧化还原式自净水族养殖方法，其中，所述的定向培养中，所述的底物、即饵料的营养成分必须保持新鲜，各种营养成分比例稳定，使分解它们的微生物种类随之建立。加上控制氧化还原时间相同，因此，生物床上的微生物种类及数量随之稳定，即定向培养。
全文摘要
本发明公开了一种交替氧化还原式自净水族养殖方法包括以砂粒或海绵等多孔物质作为生物床的载体，以待净化的物质为底物，通过控制流经生物床的水的流量和流速，使生物床处于氧化态和还原态的交替变化过程中，定向培养适应于本系统、能高效分解待净化物(即有机污染)的生物群落，形成一种能够完全处理(矿化)生物有机氮污染的各种功能微生物在量上平衡的生物床，即得以实现本发明的交替氧化还原式自净水族养殖方法。
文档编号A01K63/04GK1144038SQ96105349
公开日1997年3月5日 申请日期1996年6月25日 优先权日1996年6月25日
发明者林文辉, 叶锋, 周臻 申请人:北京灵山咨询有限责任公司