基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖方法及系统与流程

本发明涉及水产养殖，具体为基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖方法及系统。

背景技术：

1、工厂化循环水养殖具有高密度、高产出、节水环保等优势，已成为现代水产养殖的重要发展方向。然而，工厂化车间在日常运行中会产生大量含氮、磷等营养盐的尾水，其中硝酸盐浓度通常较高，直接排放不仅造成水资源浪费，还会对周边水域环境带来富营养化风险。多营养级综合养殖是一种将不同营养级的水产动物进行系统搭配的生态养殖模式，其利用生物间的摄食和代谢关系，实现营养物质的多级利用和系统内循环。近年来，将工厂化循环水车间与池塘多营养级系统相结合，利用车间尾水培养饵料生物并进行串联净化，已展现出良好的应用潜力。

2、然而，现有的工厂化与池塘耦合养殖系统及方法仍存在诸多技术缺陷。现有的高硝酸盐尾水通常需要预先进行反硝化脱氮处理才能进入微藻培养单元，这不仅增加了碳源消耗与运行成本，且未能充分利用硝酸盐氮在适宜浓度区间促进微藻生长的有利条件，缺乏直接以尾水原水进行微藻培养的技术方案。同时，为了维持水体透明度和保护贝类滤食，现有的池塘系统普遍避免投放底栖杂食性鱼类或刮食性鱼类，导致底泥中大量氮、磷营养盐长期处于固定状态而无法重新进入水层参与初级生产，系统的物质循环效率受限。

3、此外，现有的串联系统运行主要依赖固定的水力停留时间和换水率，未能建立基于叶绿素a、氨氮等水质参数的实时反馈调控机制，当养殖密度或气候条件发生变化时，系统容易出现饵料生物供给与需求失衡、净化能力与污染负荷失配的问题，难以保障整体系统在复杂工况下的稳定运行。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖方法及系统，解决了现有工厂化池塘耦合养殖系统中高硝酸盐尾水难以直接资源化利用、底泥营养盐循环效率低下，以及缺乏水质动态反馈调控导致系统运行不稳定的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖方法及系统，包括以下步骤：

3、将工厂化循环水养殖车间的尾水输入第一池塘；

4、在线监测所述第一池塘出水端的流体叶绿素a浓度，根据所述流体叶绿素a浓度与设定的叶绿素a浓度阈值的比对结果，控制从所述第一池塘排入第二池塘的流体流量；

5、在所述第二池塘中混养滤食性水产动物和刮食性底栖鱼类；

6、将所述第二池塘排出的流体顺次引入串联的第三池塘、第四池塘和第五池塘进行多营养级养殖，并在线监测所述第五池塘出水端的氨氮浓度；

7、当所述氨氮浓度大于或等于设定的氨氮浓度回流阈值时，将所述第五池塘出水端的部分流体反向回流至所述第二池塘；

8、将所述第五池塘排出的未回流流体引入第六池塘，并将所述第六池塘排出的部分流体回用至所述工厂化循环水养殖车间。

9、在一种实施方式中，所述第一池塘、所述第二池塘、所述第三池塘至第五池塘的容积总和以及所述第六池塘的有效容积按固定比例设置，所述固定比例由第一池塘出水端目标叶绿素a浓度的倒数、饵料生物至滤食性生物的同化转换系数、悬浮颗粒物平均重力沉降速度、滤食性生物单位体重的日均滤水通量以及所述工厂化循环水养殖车间的日排水体积共同约束。

10、在一种实施方式中，在所述第一池塘中利用微藻吸收同化所述尾水中的硝酸盐氮；输入所述第一池塘的所述尾水的硝酸盐氮质量浓度范围控制在5mg/l至50mg/l；每日排入所述第一池塘的所述尾水体积占所述工厂化循环水养殖车间总养殖水体体积的30%至50%；通过调节流量使所述第一池塘内流体的水力停留时间维持在18h至48h。

11、具体的，本技术的创新之处在于，充分掌握了工厂化循环水系统中硝酸盐的积累特征，直接将未经任何预处理的尾水引入第一池塘，巧妙地将硝酸盐氮质量浓度控制在5mg/l至50mg/l这一易于被微藻大量吸收利用的浓度区间，不仅省去了高昂的尾水预处理成本，还为后续生态链提供了充足的微藻天然饵料。

12、进一步的，本发明设定每日排入第一池塘的尾水体积占车间总水体的30%至50%，该大比例的水体置换不仅保障了池塘端微藻的营养供应，还极大地减轻了前端工厂化循环水养殖系统内部生物滤池的负荷压力。在常规系统中，生物滤池通常需占据20%-30%的车间面积，而采用本发明系统后，工厂化车间内部的生物滤池面积可降至10%-15%，从而释放出更大的物理空间用于养殖高价值经济鱼类，提高了车间的单位面积经济效益。

13、在一种实施方式中，所述设定的叶绿素a浓度阈值包括预设为25μg/l至35μg/l的第一阈值和预设为15μg/l至25μg/l的第二阈值；当测量的所述流体叶绿素a浓度大于所述第一阈值时，增大第一池塘排入所述第二池塘的连接管路开度用于向所述第二池塘排出流体；当测量的所述流体叶绿素a浓度小于所述第二阈值时，闭合所述连接管路用于截留流体。

14、具体的，本技术的优势在于，相比以往微藻处理氨氮/亚硝酸盐效率低下的问题，本系统直接利用硝酸盐，吸收效率更高。同时，传统方法往往追求在前端将氮完全耗尽，导致后续池塘因缺乏稳定氮源而容易发生倒藻或蓝藻爆发。本发明通过叶绿素a浓度阈值的动态控制，能够稳定地向后续池塘输入带有适量硝酸盐（n肥）的健康微藻液，使得有益微藻在后续池塘中始终占据有利生态位，解决了系统藻相易失控的技术难题。

15、在一种实施方式中，利用所述刮食性底栖鱼类对所述第二池塘底泥的物理扰动促进沉积态颗粒转化为溶解态营养盐向液相释放；所述刮食性底栖鱼类为细鳞斜颌鲴，所述细鳞斜颌鲴的放养密度限定在0.04尾/m2至0.06尾/m2；所述滤食性水产动物包括密度为0.1尾/m2至0.3尾/m2的鲢、密度为0.05尾/m2至0.15尾/m2的鳙以及密度为1尾/m2至3尾/m2的三角帆蚌。

16、具体的，本发明在第二池塘精准控制刮食性底栖鱼类（细鳞斜颌鲴）的放养密度，其深层目标在于通过适度的物理扰动，促进底泥营养盐向液相释放，避免池底厌氧恶化以保证池底健康；同时，释放的营养盐配合第一池塘持续流入的高活性微藻，使得有益微藻能够迅速且持续地提前占据池塘的生态位，在营养盐竞争中形成绝对优势，从而抑制并避免了蓝藻等有害藻类的爆发，维持了水体生态的长效稳定。

17、在一种实施方式中，所述第三池塘投放肉食性鱼类，所述第四池塘投放对虾类，所述第五池塘投放杂食性鱼类；在所述第三池塘、所述第四池塘和所述第五池塘内，分别按占据主养物种个体总数3%至8%的比例混养所述刮食性底栖鱼类。

18、具体的，本发明在第三至第五池塘的多营养级转化单元中，专门设计投放了肉食性鱼类、对虾等高附加值物种。该设计不仅充分利用了剩余饵料和空间，提高了系统的空间利用效率，还极大提升了工厂-池塘耦合系统的整体经济收益，真正实现了生态治污与经济创收的双赢。

19、流体在依次经过所述第三池塘、第四池塘和第五池塘的生物摄食与吸收转化后，硝酸盐负荷被深度消减。经实测，至第五池塘出水端时，水体中的硝酸盐质量浓度已大幅降至0.5mg/l以下，为末端第六池塘的深度净化极大地减轻了压力。

20、在一种实施方式中，预设所述设定的氨氮浓度回流阈值为1.5mg/l至2.5mg/l，并预设氨氮浓度停止回流阈值为0.05mg/l至0.2mg/l；当所述氨氮浓度达到所述设定的氨氮浓度回流阈值时，抽出所述第五池塘出水端20%至40%体积占比的流体，经50μm精度砂滤拦截杂质后反向泵送至所述第二池塘；当所述氨氮浓度低于所述氨氮浓度停止回流阈值时，停止回流动作。

21、在一种实施方式中，所述第一池塘的底部沿水流推进方向呈渐进式加深构造，其中进水端水深设定为0.6m至0.8m，出水端水深设定为0.8m至1.2m；所述第一池塘的顶部封闭覆盖有大棚膜。

22、在一种实施方式中，所述第六池塘定植有沉水植物用于对流体进行截留净化，所述沉水植物在垂直投影平面上占据所述第六池塘总表面积的30%；流体在所述第六池塘内的水力停留时间控制为24h至72h；泵送回用至所述工厂化循环水养殖车间的流体体积占排入所述第六池塘总流体体积的10%至30%。

23、本发明第二方面提供一种基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖系统，应用于第一方面所述的基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖方法，包括工厂化循环水养殖车间，以及依次串联连接的第一池塘、第二池塘、第三池塘、第四池塘、第五池塘和第六池塘；

24、所述第一池塘与所述第二池塘之间的连接管路装有在线叶绿素a传感器和电动调节阀；所述第五池塘的出水端装有氨氮传感器；

25、所述第五池塘与所述第二池塘之间连接有反向输送流体的回流管路，所述回流管路串联有回流泵和砂滤器；

26、所述第六池塘的输出端设有第一回用支路和第二排放支路，所述第一回用支路通过回水泵连通至所述工厂化循环水养殖车间；

27、还包括可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器与所述在线叶绿素a传感器、所述电动调节阀、所述氨氮传感器及所述回流泵电性连接。

28、与现有技术相比，本发明具备以下技术优势和创新原理：

29、本发明通过构建工厂化车间与多级池塘的物理与生态耦合模型，实现了硝酸盐等营养物质的梯级利用与原位同化。第一池塘利用微藻的光合作用吸收同化养殖尾水中的硝酸盐氮，将无机营养盐转化为微藻生物量。系统以叶绿素a浓度作为前馈控制参数，调节微藻生物量向第二池塘的输入速率，确保滤食性水产动物获得稳定的天然饵料来源。

30、在第二池塘中，滤食性水产动物摄食微藻，将植物蛋白转化为动物蛋白，实现初级生产力向次级生产力的转化。同时引入刮食性底栖鱼类，利用其翻动底泥的习性，将沉积在池底的颗粒态有机物悬浮并促进转化为溶解态营养盐，重新进入水体生态循环，降低底泥富营养化风险。

31、第三至第五池塘构成多营养级养殖区，顺次利用水体中残余的饵料和有机质。系统在第五池塘出水端设置氨氮浓度反馈机制，当氨氮浓度达到设定阈值时，启动回流程序，将富含氨氮的水体反向输送至第二池塘，重新进入前段生态食物网进行同化降解，避免高浓度氨氮进入后续净化单元或引起水质恶化。第六池塘利用沉水植物进行深度净化和悬浮物截留，满足循环水养殖车间的回用要求，建立完整的水资源闭环。该系统将废弃物转化为生物资源，提高了氮元素的利用效率，减少了系统整体的污染排放总量。

32、本发明提供了基于硝酸盐梯级利用的工厂-池塘耦合生态养殖方法及系统。具备以下有益效果：

33、1、本发明将工厂化循环水养殖车间未经脱氮处理的尾水直接输入第一池塘，利用微藻吸收同化尾水中的硝酸盐氮，省去了传统的预先反硝化脱氮工序，将水体中的氮污染物直接转化为后段养殖的高价值天然饵料，不仅降低了系统的整体运行能耗，还降低了综合饲料系数，实现了水产养殖治污与增产的协同以及营养盐的去除。

34、2、本发明在第二池塘中混养滤食性水产动物和特定密度的刮食性底栖鱼类，利用该刮食性底栖鱼类对底泥的物理扰动促进沉积态颗粒转化为溶解态营养盐向液相释放，克服了本领域在滤食性池塘中套养刮食性鱼类易导致水质恶化的技术偏见，在保障滤食性生物存活率的前提下，实现了沉积物营养盐的再矿化，提升了系统的物质循环效率和单位水体综合产量。

35、3、本发明构建了基于叶绿素a和氨氮浓度的双参数实时反馈调控机制，通过监测第一池塘流体叶绿素a浓度控制微藻输入第二池塘的流量，并根据第五池塘的氨氮浓度决定是否启动向第二池塘的反向回流，改变了固定换水率的传统运行方式，实现了天然饵料供给与动物需求的动态匹配，以及系统净化能力与污染负荷的实时平衡，确保了多级串联养殖系统在不同工况下的稳定运行并最终满足环境排放要求。