專利名稱：一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法
技術領域：
本發明涉及水生動植物養殖方法，具體地說是指一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法。
一個密閉生態的物質循環能否長期維持下去，取決于其系統中的陰陽(即氧化與還原)是否共存并達到平衡，因為某些物質的循環再生必須經過有氧和無氧兩個階段才能完成。例如氮的循環氣態氮(無氧固氮)→氨(合成)→蛋白質(有氧分解)→氨(有氧硝化、反硝化)→亞硝酸、硝酸(無氧脫氮)→氣態氮。而水族箱內主要污染來源為餌料及生物排泄物，餌料主要由蛋白質、脂肪及和淀粉組成，脂肪和淀粉的分解產物主要為CO2，是一種對魚類無害的物質。實驗表明，水族箱內氨是對生物影響最大的毒性物質，它是含氮有機物(餌料及排泄物中的蛋白質)分解的中間產物。氨溶于水后生成分子復合物NH3.H2O，其對水生生物毒性較大，在低氧條件下其毒性尤為嚴重。對觀賞魚來說，氨水安全濃度為2.5毫克/升。當水中溶氧充足時，氨(氮)在各種細菌的作用下轉變為硝酸鹽氮。硝化作用分兩步進行第一步氨在亞硝化功菌作用下氧化成亞硝酸鹽；第二步亞硝酸鹽在硝化細菌的作用下氧化成硝酸鹽，即蛋白質→氨→亞硝酸鹽→硝酸鹽，此時，脫氮細菌開始進行脫氮作用，使硝酸鹽氮轉化為NO2及氣態分子氮逸出水面(脫氮)，從而降低了水體毒性；但是，脫氮作用是在嫌氣性條件下，(即缺氧)才可強烈進行的，而魚缸中生物又需要大量的氧才能存活，這就形成了一對矛盾即在一個小小的水體內(甚至10升水以下)有氧與無氧狀態共容的矛盾。而現有的養殖方法及系統對此問題卻沒有很合適的解決方案。
本發明的目的是提供一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法。該方法包括以砂粒或海綿等多孔物質作為生物床的載體，以待凈化的物質為底物(即培養基)，通過控制流經生物床的水的流量和流速(即控制生物床氧的輸入量)，使生物床處于氧化態和還原態的交替變化過程中，利用適者生存的原理，定向培養適應于本方法的并能夠高效分解待凈化物(即有機污染)的生物群落，形成一種能夠完全處理(礦化)生物有機污染的各種功能微生物在量上平衡的生物床，即為本發明的交替氧化還原式自凈水族養殖方法的技術實質。
其中，所述的生物床中含有三大類微生物，即好氧、厭氧和兼性厭氧微生物，包括蛋白質分解菌、淀粉分解菌、幾丁質分解菌、纖維素分解菌、氨化菌、硝化菌、亞硝化菌、脫氮菌等，以及一些以上述微生物為食的原生動物。
其中，所述的生物床處于氧化態和還原態的交替變化是在水族系統內交替用電能控制形成有氧或無氧狀態；在裝置上制成有氧層(魚生活空間)及無氧層(脫氮作用進行)兩個不同的區域，達到矛盾共容一體的目的，再結合量化調整，從而形成一個物質循環(單向)基本平衡的低密度養殖小水體生態系統。所述的量化調整的全過程分為以下幾個階段進行新裝水族箱階段此階段由于是新水水體內含有毒物質(氨氮)較少，主要應解決將水中的肉眼可觀察到的雜質(餌料殘渣及生物排泄物)氧化分解，使水體變得清澈透明。因此，此時應大量通氧，使水體形成溶氧處于過飽和狀態，必要時(水中雜質過多)可加配物理過濾器，此階段的結果是形成水體氨氮濃度增加。
硝化階段當水體中氨氮濃度增加到魚類致死臨界濃度時，需要繼續進行氧化過程，使氨氮轉化為對生物無毒的硝酸鹽氮。此時需要繼續通氧。此階段結果有兩個一是水體中的有毒物質氨氮轉化成硝酸鹽氮暫時積累起來；二是培養了大量的亞硝化菌及硝化菌，為以后水體生態單向循環構筑起一段生物鏈。
傳統的水族箱養殖進行到這個階段就停止了，系統開始大量積累硝酸鹽氮，當其積累到一定濃度時硝酸鹽氮開始反向還原成為亞硝酸鹽氮或氨氮。當氨氮濃度積累到水生物致死臨界值時，傳統的處理方法為①換入新鮮的水以沖淡氨氮的濃度(傳統養殖方式)，此方式的缺陷是一是增加了勞動強度；二是在換水時由于不容易掌握水質情況，往往容易導致生物死亡。
②用活性炭吸附或用滴水式生物球處理或用光合細菌進行水的預處理(歐美及國內一些高水平養殖所采用的方式)。此方式一是增加了成本；二是不能徹底去除毒性，一般三個月左右還是要換一次水。
而本發明的方案中的處理方式為還有一個脫氮階段當硝酸鹽氮積累到一定濃度后，加入經過培養的脫氮菌群并附著在某些附載物上，同時開始在箱體內控制形成無氧層及無氧時間，給脫氮菌提供一個厭氧環境，由于此時有大量的硝酸鹽氮作為脫氮菌的食物，因此，脫氮菌開始在缸內繁殖并逐漸達到平衡所需要的種類及數量，在脫氮菌的作用下，硝酸鹽氮開始減少，轉變為NO2及N2逸出水面(此過程稱為生物脫氮)，從而形成了一個單向物質循環生物鏈。
在無氧層形成的同時，水族箱內將近五分之四的水體溶氧對生物來說是充分的，也就是說，在脫氮作用進行的同時，水生物繼續生存在水族箱內。
因此，在本發明方法中物質轉換按如下過程進行
蛋白質→氨→亞硝酸鹽→硝酸鹽→NO2＋N2＋其他其中，控制流經生物床的水的流量和流速(即控制生物床氧的輸入量)的方法為流量的控制為泵功率的大小是可使水族箱內水在1小時內循環一次，如水體積為1立方米，則泵的出水量不得小于1立方米/小時；流速的控制為在符合上述流量的要求下，泵的出水口面積小于百分之一的底板面積。
在此過程中的幾個技術特征為1、平衡點的有序量化調節連續通電情況下有氧與無氧控制時間比例從5∶1至1∶5，根據上述量化調整過程分為以下幾個階段①新裝水族箱階段從裝缸開始3天內按通電50分鐘，斷電10分鐘循環操作，此階段主要目的為氧化分解有機質；②硝化階段第四天至2周內按通電30分鐘，斷電30分鐘循環操作，此階段在繼續氧化分解有機質的同時，開始培養脫氮細菌；③2周后通電及斷電時間比例為1∶4或1∶5，根據不同箱體情況微調，以最終結果達到生態平衡(即氨及硝酸濃度基本為零)為準。
2、餌料蛋白含量超過40％，每天投放數量為水中生物體重的1/100至15/100、1000公斤水體的生物最大承載量為30公斤。
上述量化調整使容器內生態系統不致于在平衡點附近大幅度波動。
3、水族箱內不能也不需加入任何抗菌藥物。
4、人工照明光量在3000勒克斯以上，在此光量下，生長良好的植物有助于水質的凈化。
5、水體積不能小于5升水。
6、菌群承載體主要以沙為主，如石英沙、石米或水晶沙等，沙的直徑在1毫米至5毫米，按同樣比例分三層鋪在箱底，最小的排在最下邊，最大的放在最上邊。
在上述條件滿足的情況下，針對不同的容器體積及生物種類的具體調節，最終形成一個氨氮含量低于水生物致死臨界濃度、水質晶瑩透明的生態自然平衡的水環境。并可在長時間不用換水的情況下保持水質良好。
其中，以下技術特征也將對本發明的實施起到很關鍵的作用，即所述的生物床載體的選擇應根據不同觀賞生物對水質硬度的要求，選擇不同種類的載體，高硬度水質采用珊瑚砂、低硬度水質采用普通建筑用砂或海綿；根據生物床的厚度和過濾板(或過濾管)的隙縫選擇砂粒大小，砂粒以多面體為佳，一般為一至五毫米，粒徑小，面積大；粒徑大，面積小，阻力小。
所述的生物床凈化能力的估算(生物床的凈化能力由體積、載體粒徑、過濾速度所決定)指標為P＝10S/
。其中p為凈化率(毫克氧/分)，S為生物床面積(平方米)，V為過濾速度(厘米/分)，D為生物床厚度(厘米)，G為砂粒系數G＝x1/d1＋x2/d2＋…xn/dn，d為砂粒直徑(毫米)，x1＋x2＋…xn＝100。
所述的觀賞生物量的確定(即污染率，由觀賞生物的代謝率、數量和大小，以及投餌率所決定)為C＝∑(Bi)exp0.544＋0.051F.C為污染率(毫克氧/分)，Bi為觀賞生物個體重量(克)，F為投餌量(克)。
所述的系統內凈化率應大于污染率，即P≥C。
所述的生物床應接種微生物菌群(從舊生物床移植)，以便使建立生物床的速度加快，接種方法為用5％～50％的培養成熟生物砂與新砂混合。
所述的生物床微生物在給定的底物和氧化還原時間間隔條件下作定向培養。
所謂“給定的底物”是指底物(即餌料)的營養成分必須保持新鮮，各種營養成分比例穩定，如持續提供動物蛋白含量為48％的秘魯魚粉為水族箱餌料，這些蛋白質分解的產物的有機污染物是相同的，因此分解它們的微生物種類隨之建立。加上控制氧化還原時間相同，因此，生物床上的微生物種類及數量隨之穩定，這就是“定向培養”，也即生物競爭的“適者生存”。
所述的生物床微生物群落的發展成熟過程中的化學指標為氨濃度上升(氨化細菌生長期)→亞硝酸濃度上升(亞硝化細菌生長期，氨濃度下降)→硝酸濃度上升(硝化細菌生長期，亞硝酸濃度下降)→總含氮量下降(脫氮菌生長期)→生物床成熟(各種功能微生物種群在分布和量上達到平衡)。
另外還應對所使用的裝置系統作日常維護。因為生物床的微生物種群是處于動態平衡之中的，在最大凈化能力范圍內，它將隨著觀賞生物養殖品種和數量的變化而變化，即凈化能力隨著污染率的增加而提高，但有一定的滯后期，即當系統的污染率增加時，系統凈化能力的提高并達到新的平衡需要三至五天的時間。因此，系統生物量的增加和投餌量的增加應逐步進行。若生物量一次性增加較大，應注意監測水體中亞硝酸的積累情況，一旦超過觀賞生物的忍受范圍時，應適當換水，直至生物床的凈化能力達到新的平衡為止。為防止打破微生物種群平衡，本方法中不得加入任何抗菌素。
圖1為本發明的交替氧化還原式自凈水族養殖方法裝置系統圖；圖2為實施例1的正視圖；圖3為實施1的俯視圖；圖4為實施例2的結構示意圖；其中a為由一定大小和品種的砂子所組成，為微生物提供附著表面的生物床；b為支撐生物床并構成水的回流渠道的過濾板或過濾管道；c為回流管；d為容器；e為作為系統動力的潛水泵；f為可接駁于潛水泵的進水口或出水口的進氣管；g為控制兩個潛水泵按一定時間間隔交替工作的控制器。
當水體帶著有機污染物和溶解氧流經生物床a時(氧化態)，生物床a中的好氧微生物(如蛋白質分解菌、淀粉分解菌等)進行有氧呼吸，分解底物，消耗氧氣，產生二氧化碳等礦化物質當水流停止時，滯留于生物床a內的溶解氧被迅速消耗，生物床a進入無氧階段(還原態)此時兼性厭氧微生物轉入無氧發酵，同時激活厭氧微生物(如脫氮菌)，將水中的大分子有機物發酵降解，并以硫酸根、硝酸根等作為電子受體，產生硫化氫、氣態氮等揮發性物質。流經生物床a并帶有上述微生物代謝產物的水在生物床a出水口進行氣體交換(即暴氣)，使二氧化碳、氣態氮、硫化氫等揮發性物質逸入空氣中，氧氣進入水中，由于兩個潛水泵e交替工作，系統的氣體交換也是連續進行的，從而使水體的溶解氧維持飽和狀態，同時生物床中的各種微生物也分泌維生素等多種活性物質，從而保證水體清、活、爽。
本發明應用于水族系統，可以使水族系統內的有機物質得到充分礦化，本部分含氮化合物最終都以氣體的形式逸出水族系統，大幅度地延緩了系統的水質老化過程，保持水質清新、富有活性，能為觀賞生物提供最佳、最穩定的水環境。淡水系統可以長達二至三年、海水系統可達一年半以上的時間才需要少量換水；其中需要換水的原因不是本系統崩潰，而是由下述原因所造成其一由于水族系統水分蒸發，必須不斷補充水分；而蒸發掉的水分幾乎是純水，而補充進來的水分含有一定的離子(如銅、鋅、鎘)；另一方面，飼料中也含有一定的無機鹽，時間一長，系統內水體的離子濃度會相對提高，部分無機鹽可以形成不溶物沉淀于生物床內，造成離子失調，水質老化；其次部分觀賞生物，特別是活體珊瑚、海葵等海洋無脊椎生物，在其生長過程中需要某些痕量元素，其所需的種類和數量目前還未為人類所了解，也非一般設備可檢測，這些痕量元素一旦用盡，對于這些生物而言。水質已經老化，必須更換部分新水，以保持水質活性。因此，本系統在運作過程中多長時間需要換水、換多少水，取決于所養殖的觀賞生物的種類和觀賞生物品種之間的相容性，以及平時所補充水分的質量(無離子水優于自來水)。
實施例1本發明所使用的水族箱結構如圖2、圖3所示，長、寬、高分別為80、40、50、a為生物床，采用小號建筑用石米為載體，粒徑為2-3.5毫米，面積與箱底相同，高度7厘米；b為過濾板(香港產)；c為生物床出水口，管徑18毫米、e1為氣管，f1為仙水牌138A氣泵；c、e1、f1構成氣提泵，作為生物床的水循環動力系統；d、e2、f2分別與c、e1、f1相同，沉淀過濾系統的氣提泵，h、h′為連通的沉淀池，i為沉淀池的出水口；g為控制器，控制f1，f2工作時間。
本系統(淡水)于1989年10月安裝，1990年1月調試完畢，養殖紅蓮燈25對、白云金絲10對、藍鼠3對、白鼠2對、小清道夫1尾。氣泵f1工作時間為25分鐘，f2工作時間為35分鐘，每周用自來水補充少量因蒸發的水分，每半年左右清理一次沉淀池內的污泥(可用作花泥)，水質長期保持清新，魚類健康活潑，除少數死因不明之外(可能是自然死亡)，所有觀賞魚均未發生急性傳染病或大批量死亡現象。1991年7月份在沉淀池中繁殖、培養白云金絲成功(證明水體中無對觀賞魚類有害的毒性物質積累)。水質經珠江水產研究所水化室分析，氨氮、亞硝酸氮未檢出。本系統在1992年10月份換成海水(見例三)之前，經歷三年的運行，效果良好。
實施例2水族箱凈化系統結構如圖4所示，長、寬、高分別180、40、60厘米。a為生床，采用小號建筑用石米為載體，粒徑為2-3.5毫米，面積與箱底相同，高度8厘米；b為過濾板(香港產)；c為生物床出水口，管徑18毫米，e為廣東中山小欖水族器材廠生瓣的12瓦潛水泵，f為進氣口；g為控制器，控制e1、e2工作時間(分別各為30分鐘)。
本系統(淡水)于1992年春節安裝，用戶為廣州第二機械廠職工，92年養殖孔雀魚，黑魔、小金魚等低檔魚類，效果很好；93年改養地圖魚等大型魚類，其中有兩條地圖魚一年左右從六七公分長到近一公斤，由于魚大，時常撞擊水族箱體，用戶擔心水族箱被撞破，于是于94年改養七彩神仙、普通神仙、紅蓮燈、白云金絲、老鼠等。據用戶反映，該系統四年來工作正常、水質穩定、魚類健康，除了補充因蒸發的水分外，至今未曾大量換過水。
實施例3即例一的水族箱，水族系統結構與例一完全相同，于1992年10月份從中取出淡水魚后，加入廣東徐聞縣生產的速溶海水晶，調成比重為1.202左右的人工海水，系統工作方式不變，45天后亞硝酸檢測低于0.05ppm，隨后放入三點白一對、藍魔一對、而后陸續放入小丑、蝶魚等，至1994年9月份水族箱破裂之前，水質良好(但珊瑚、海葵等軟體動物養殖未成功)。
實施例4本系統水族箱長、寬、高分別為130、35、80厘米。于1994年9月份安裝，生物床面積與箱底一致，分兩個單元(結構與例二相同)。采用粒徑3-5毫米的珊瑚砂為載體，生物床高度為10厘米，潛水泵與例二相同。采用70％美國產BIOSEAWHATER人工海水和30％國產人工海水(與例三相同)，配80瓦菲利普日光燈，第一盞1100至2000，第二盞1130-2100，全自動開關。水溫夏天隨氣溫而變化，最高30.5℃，冬天人工控溫為21℃。養殖硬珊瑚(寶石花、太陽花)，管蟲、海葵、蟹、拳題師蝦、小丑魚、兩款海草、未知名稱的軟珊瑚、數種小海螺，以及隨活石帶來的各種無名海洋生物。到1996年2月為止，水質清新，效果良好。
實施例51994年元月裝箱一個，水體積為180×60×40厘米，淡水，沙床厚度為15厘米，放養12厘米長的金魚8條，25厘米長的錦鯉兩條，經量化調整后最終有氧與無氧時間比例為1∶2，即通電20分鐘，斷電40分鐘，每日投餌10克左右，現存活金魚六條，錦鯉一條，水質晶瑩透明，氨氮濃度小于1PPM，至今換過水(蒸發掉的水用自來水補充)。
實施例61995年元月裝箱一個，水體積25×25×35厘米，淡水，沙床厚度為6厘米，放養紅蓮燈20條，孔雀魚3條，水草5根，經量化調整后最終有氧所無氧時間比例為1∶4，即通電10分鐘，斷電40分鐘，每日投餌3克左右，現存紅蓮燈18條，孔雀魚2條，水質晶瑩透明，氨氮濃度小于1PPM，至今換過水(蒸發掉的水用自來水補充)。
實施例71995年11月裝箱一個，水體積為60×35×40厘米，淡水，沙床厚度為8厘米，放養紅蓮燈20條，孔雀魚4條，四間魚15條，按吻魚2條(食藻類)，經量化調整后最終有氧與無氧時間比例1∶5，即通電10分鐘，斷電50分鐘，每日投餌5克左右，現存紅蓮燈16條，孔雀魚3條，四間魚15條，接吻魚1條。水質晶瑩透明，氨氮濃度小于1PPM，至今換過水(蒸發掉的水用自來水補充)，該箱曾斷電2天，此期間開始變混，但無死魚，證明該系統容忍度比一般水族箱大。
權利要求
1.一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，包括以砂粒或海綿等多孔物質作為生物床的載體，以待凈化的物質為底物，通過控制流經生物床的水的流量和流速，使生物床處于氧化態和還原態的交替變化過程中，定向培養適應于本系統、能高效分解待凈化物(即有機污染)的生物群落，形成一種能夠完全礦化處理生物有機污染的各種功能微生物在量上平衡的生物床，即得以實現本發明的交替氧化還原式自凈水族養殖方法。
2.權利要求1所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的生物床包括好氧、厭氧和兼性厭氧微生物。
3.權利要求2所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的好氧、厭氧和兼性厭氧微生物包括蛋白質分解菌、淀粉分解菌、幾丁質分解菌、纖維素分解菌、氨化菌、硝化菌、亞硝化菌、脫氮菌，以及一些以上述微生物為食的原生動物。
4.權利要求1所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的生物床處于氧化態和還原態的交替變化是在水族系統內交替用電能控制形成有氧或無氧狀態，用工藝制作形成有氧層及無氧層兩個不同的區域，再加上精心的量化調整，生成一個物質單向循環基本平衡的低密度養殖小水體生態系統。
5.權利要求1所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的量化調整的過程分為以下幾個階段進行a新裝水族箱階段大量通氧，使水體形成溶氧處于過飽和狀態。b硝化階段繼續通氧，使氨氮轉化為對生物無毒的硝酸鹽氮。c脫氮階段當硝酸鹽氮積累到一定濃度后，此時加入經過培養的脫氮菌群并附著在某些附載物上，同時開始在箱體內控制形成無氧層及無氧時間，給脫氮菌提拱一個厭氧環境，由于此時有大量的硝酸鹽氮作為脫氮菌的食物，脫氮菌開始在缸內繁殖并逐漸達到平衡所需要的種類及數量；在脫氮菌的作用下，硝酸鹽氮開始減少，轉變為NO2及N2逸出水面(此過程稱為生物脫氮)，從而形成了一個單向物質循環生物鏈，投入水中物質對水生物有毒的部分基本上變成了氣體逸出水面；在無氧層形成的同時，水族箱內將近五分之四的水體溶氧對生物來說是充分的，也就是說，在脫氮作用進行的同時，水生物繼續生存在水族箱內。
6.權利要求1所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的量化調節中，連續通電情況下有氧與無氧控制時間比例從5∶1至1∶5，量化調整過程分為以下幾個階段①新裝水族箱階段從裝缸開始3天內按通電50分鐘，斷電10分鐘循環操作，此階段為氧化分解有機質；②硝化階段第四天至2周內按通電30分鐘，斷電30分鐘循環操作，此階段在繼續氧化分解有機質的同時，開始培養脫氮細菌；③2周后通電及斷電時間比例為1∶4或1∶5，根據不同箱體情況微調，以最終結果達到生態平衡(即氨及硝酸濃度基本為零)為準。
7.權利要求1所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的定向培養是指將生物床微生物在給定的底物和氧化還原時間間隔條件下作定向培養。
8.權利要求1所述的一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法，其中，所述的定向培養中，所述的底物、即餌料的營養成分必須保持新鮮，各種營養成分比例穩定，使分解它們的微生物種類隨之建立。加上控制氧化還原時間相同，因此，生物床上的微生物種類及數量隨之穩定，即定向培養。
全文摘要
本發明公開了一種交替氧化還原式自凈水族養殖方法包括以砂粒或海綿等多孔物質作為生物床的載體，以待凈化的物質為底物，通過控制流經生物床的水的流量和流速，使生物床處于氧化態和還原態的交替變化過程中，定向培養適應于本系統、能高效分解待凈化物(即有機污染)的生物群落，形成一種能夠完全處理(礦化)生物有機氮污染的各種功能微生物在量上平衡的生物床，即得以實現本發明的交替氧化還原式自凈水族養殖方法。
文檔編號A01K63/04GK1144038SQ96105349
公開日1997年3月5日 申請日期1996年6月25日 優先權日1996年6月25日
發明者林文輝, 葉鋒, 周臻 申請人:北京靈山咨詢有限責任公司