池塘養殖底污自動清理系統設計與應用

馬曉飛 袁永明 王蕓 張紅燕 沈楠楠

摘要：應用PLC可編程邏輯控制器聯合自動控制技術，設計并構建一種適用于池塘養殖的具有底污定向沉降、定時吸污、排污與沖洗循環工作等功能的底污自動清理系統，以期能夠為池塘養殖水質控制、增產增效提供一定的技術支持。對養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養殖池塘底污定向沉降。選用養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備，實現養殖底污的高效抽離。使用安裝有高密度濾網的高壓板式壓濾機作為養殖底污固液分離裝置，從而實現底泥固化轉移和尾水清潔回排。選用西門子S7-200作為系統智能控制器，實現自動設備的周期性定時控制，配合安全穩定的電氣控制設備，實現系統硬件設備的自動控制。底污自動清理系統能夠保證硬件設備協同工作、有效運轉，在養殖試驗中取得了優異的應用效果，有效實現了底污定向沉降。通過池塘養殖底污自動清理系統設計與應用，初步實現了池塘養殖底污的定向沉降、底污清理固化轉移以及尾水清潔回排，能夠有效應用于池塘養殖生產，并為實現池塘養殖自動化與信息化提供技術支持。

關鍵詞：池塘養殖;底污;定向沉降;固液分離;自動控制系統

中圖分類號： S969;TP273? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0198-08

收稿日期：2021-04-14

基金項目：中國水產科學研究院淡水漁業研究中心基本科研業務費專項資金（編號：2019JBFM07）;中央級公益性科研院所基本科研業務費專項基金（編號：2020TD37）;現代農業產業技術體系專項“特色淡水魚產業體系”（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，主要從事漁業經濟與信息技術應用研究。E-mail：maxf@ffrc.cn。

通信作者：袁永明，研究員，主要從事漁業經濟與信息技術研究。E-mail：yuan@ffrc.cn。

池塘養殖底污主要是養殖過程中殘余的餌料、養殖生物排泄物以及殘骸在池塘內沉積而產生的污染物，當底污物質在養殖水體過量堆積和分解會抑制水體自凈能力，進而導致水質惡化、養殖生物病害、翻塘等嚴重后果。相關研究表明，養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最終會在養殖池塘底部沉積[1-3]。除殘餌外，養殖生物的殘骸及排泄物的絕大部分也會沉積在底泥中，當水體環境發生改變，底泥中的沉積物會分解釋放污染物質，導致水質惡化。底污有機物質的不完全分解會釋放大量對養殖生物有毒害作用的中間產物，如NH-3-N、NO-2-N、H2S等，會導致養殖生物出現更多的病害。依據相關試驗，養殖池塘的底泥沉積物在一個養殖周期內的積累量最高可達1.85×105～1.99×105 kg/hm2，底泥厚度平均每年增加6～8 cm，其中精養池塘、高密度養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，養殖池塘底泥清理主要通過人工或機械清淤作業方式完成[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、作業距離等條件影響較大，現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，尚不能滿足現代化漁業生產的實際需要。因此，開展池塘養殖底污自動清理技術的相關研究并設計開發一種能夠有效控制水體污染物定向沉降、泥漿泵設備定時吸污并通過底污固液分離進而實現污泥壓濾轉移和尾水凈化回排的池塘養殖底污自動清理系統，具有一定的必要性和迫切性。

基于上述原因，本研究設計與開發了適用于池塘養殖環境的底污自動清理系統：系統終端控制器選用西門子S7-200系列PLC[5]，實現自動設備的周期性定時控制，配合安全穩定的電氣控制設備，實現系統硬件設備的自動控制;通過對養殖池塘底部進行積污池硬化改造，系統智能控制變頻水車式增氧機實現養殖殘餌、糞便等池塘底污向積污池定向沉降;系統定時控制養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備，實現養殖底污的高效抽離;系統通過控制安裝有高密度濾網的高壓板式壓濾機實現養殖底污固液分離，從而進一步實現底泥固化轉移和尾水清潔回排。系統具有精準控制、運行可靠、可移植性高等特點，初步實現了池塘養殖底污的定向沉降、底污清理固化轉移以及尾水清潔回排，能夠有效應用于池塘養殖生產，并為實現池塘養殖自動化與信息化提供技術支持。

1 系統需求與總體設計

系統需求及設計以羅非魚高密度池塘養殖為基礎，羅非魚高密度池塘養殖具有養殖密度高、飼料投喂量大等特點，結合試驗觀察，羅非魚糞便排出初段具有膜性包被且漂浮于養殖水體[6-8]。羅非魚高密度池塘養殖底污積累量較大且羅非魚糞便的初段漂浮特性，適用于池塘養殖底污自動清理系統的有效應用。綜合養殖實際需求，開展池塘養殖底污自動清理系統需求分析和總體設計，系統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、系統總控單元以及自動化養殖設備等軟硬件功能模塊組成。系統涉及自動化養殖設備主要包括變頻水車式增氧機、養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，養殖設備供電及控制線路接入系統總控制配電箱;系統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控制器標配有繼電器輸出10組、光電隔離型開關量輸入14組、2路支持 ModBus-RTU 協議的RS-485通信口并內置萬年歷及實時時鐘，滿足系統控制輸出、反饋信號輸入及通信需求，終端控制器通過DTU模塊同物聯服務器進行通信和數據傳輸[11]。終端控制器作為養殖現場控制中心，能夠有效協調系統軟硬件設備協同工作，通過多設備控制與反饋輸入協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測反饋功能的實現。

系統運行時，用戶通過現場配置終端將系統運行控制方案錄入系統終端控制器;系統使用過程中，終端控制器通過控制變頻水車式增氧機實現養殖殘餌、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定閾值或定時器達到設定定時運行周期時，控制器控制養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養殖底污的高效抽離，系統通過控制安裝有高密度濾網的高壓板式壓濾機實現養殖底污固液分離，從而進一步實現底泥固化轉移和尾水清潔回排。系統控制流程見圖1。

2 系統設計與開發

2.1 系統硬件設計與集成

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

系統控制配電箱負責系統設備的配電管理，通過智能控制器協調控制各個系統硬件設備的有效運轉;選取池塘上風口及對角位置安裝水車式增氧機設備，通過變頻控制技術由控制器控制水車式增氧機運行速度、引導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向交匯處設置沉降池，將養殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置安裝在沉降池內并由控制器控制設備的正常運行、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備安裝固定在岸邊平整基礎上并連接進排水管道設施，完成抽取泥漿的固液分離以及尾水回排。

2.2 系統功能設計及實現

系統主要包括定向沉降、底污抽取、固液分離、現場配置及報警等功能模塊，系統控制器的各個功能模塊分別完成相關硬件設備的狀態監測及智能控制。根據系統主要功能需求，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及顯示屏開發平臺進行系統控制器功能設計及軟件開發。

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[15];風向對底泥分布影響不明顯，水體流動轉向及循環離心作用是造成外側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先增加、后穩定的變化趨勢，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，使用變頻控制技術實現水車式增氧機的轉速調控，從而保證水體流動具有一定的流速，并結合池塘環境因素控制水流自循環拐點，能夠有效實現池塘懸浮物的定向轉移沉降，將40%以上殘餌、糞便等懸浮物定向轉移至沉降池附近完成沉降。系統使用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監測模塊：通過4路數字量輸出共7段速控制變頻器調速運行，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路數字量輸入（I3.0、I4.0）監測變頻器運行狀態，并通過判斷輸入狀態異常進行故障報警?？刂破骺刂扑囀皆鲅鯔C轉速，以推動水體懸浮物定向沉降，通過現場手動控制實現水車式增氧機全速運行以完成應急增氧功能（圖3）。

水車增氧機變頻控制的激發動作主要是定時器，水產增氧機高速運轉定時器設置由養殖對象的投飼時段以及集中排便時間段決定。根據傳統池塘養殖經驗，在每次投喂結束0.5 h左右開啟水車式增氧機，在養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，單次運轉時長根據養殖對象生長階段和當日投喂量由用戶設置;普通時間段，水車式增氧機保證中速運行，保障池塘水體內循環流動，用戶也可以為系統配置水質監測設備，根據池塘水質狀況聯動控制水車式增氧機應急增氧。

2.2.2 底污抽取及反沖洗控制功能

現階段池塘底泥廢棄物清理主要在養殖過程完成后采用清塘方式進行[20]，而養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備在重點區域進行抽取并通過沉淀、過濾等方式進行轉移[4]。而現有的泥漿泵只能采集抽取較小范圍內底層廢棄物且不能夠實現自動化采集控制，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權的《一種養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，系統使用控制器CPU自帶數字量輸入和繼電器輸出模塊作為裝置控制和狀態監測模塊。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監測系統運行狀態、I0.1、I0.2監測清洗電磁閥狀態、I0.3監測排污球閥狀態、I0.4監測泥漿泵狀態。

底污抽取及反沖洗控制的激發動作為控制器內置萬年歷，用戶根據養殖對象不同生長階段的生理狀態，設置底污抽取及反沖洗控制的激發周期和單次運轉時長。運行時，系統判斷控制器輸入輸出狀態，無故障和輸出狀態條件下，開啟排污閥并獲取排污閥狀態輸入，延時15 s開啟泥漿泵，定時30 s排空管道內前次凈水;30 s抽泥定時器運行，關閉排污閥和開啟反沖洗電磁閥并判斷對應狀態，15 s反沖洗定時器運行，開啟排污閥和關閉反沖洗電磁閥并判斷對應狀態，根據用戶設置的單次吸污時長確定抽泥定時器-關/開閥-反沖洗定時器-開/關閥流程的循環次數;吸污循環結束，關閉泥漿泵，延時15 s關閉排污閥，單次底污抽取及反沖洗控制結束，功能模塊進入待機狀態。

2.2.3 固液分離壓濾功能

對于養殖過程中以任何方式抽取出的底泥及廢棄物以及在1個或多個養殖周期結束后通過干塘、沖刷抽取或挖掘等手段轉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，通過風吹、日曬、自然下滲等物理過程使池塘底泥水分自然蒸發[21-22]。該方法雖然操作簡單、后續處理方便，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、污水處理等領域普遍應用。池塘養殖底污自動清理系統使用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，并配套有電控設備。對于壓濾機，池塘養殖底污自動清理系統主要通過同壓濾機配套控制器的通信來控制及監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動作分為壓緊濾板和壓濾。當壓濾系統為待機狀態（濾板分離未壓緊）且當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，激發壓緊濾板控制：系統向壓濾控制器發送指令，控制液壓系統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。壓濾的激發動作是壓濾機進料口壓力信號，當進料口泥漿輸入壓力長時間過大、系統判定壓濾機濾板間固體物質達到累計上限，啟動壓濾控制：系統控制器控制關閉進料閥門，使用空氣壓縮機為濾室加壓并實時監測壓力，壓濾過程所需時間根據池塘泥漿特性和脫水要求進行設定，達到規定壓濾時間，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，將濾餅轉移利用，壓濾系統進入待機狀態。

3 系統應用

池塘養殖底污自動清理系統開發集成完成后，應用于高密度羅非魚池塘養殖生產，實現池塘養殖底污定向沉降、抽取以及固液壓濾分離等各項功能的控制和監測反饋。

根據養殖生產實際情況并結合系統設計及硬件集成要求：在試驗開始前，在池塘中心位置設置長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用測試;為應用試驗池塘配置2臺2.2 kW水車式增氧機，并配備冗余功率變頻控制器，用于系統定向沉降功能的應用測試;在岸基硬化平臺上安裝成套高壓板式壓濾機設備，用于系統固液分離功能的應用測試;在壓濾機濾出液排液孔下布置導流水槽，將濾出液導流入岸邊回排水槽，通過多級生物凈化后回排入養殖池塘，通過檢測濾出液和回排液體水體指標，測試系統固液分離及凈化效果。

根據系統應用試驗需求，于2019年6月至2020年9月在海南省?？谑腥偭_非魚養殖場開展羅非魚池塘養殖底污自動清理系統應用試驗，試驗池塘面積約為3 335 m2（約80 m×40 m），池深2.0～2.5 m，底鋪地膜防止滲漏。6月初放養 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量3%～5%，視羅非魚攝食情況及天氣、水質等情況適當增減。養殖全程約 168 d，根據系統應用試驗要求，養殖前期（約60 d）羅非魚規格較小、投飼量及排泄量較少，主要進行殘餌、排泄物沉降規律以及定向沉降技術應用試驗;養殖后期（約100 d）投喂量和排泄量顯著增加，開展系統底污抽取及固液分離功能應用試驗。

殘餌、排泄物沉降規律以及定向沉降應用試驗中，根據水車式增氧機轉速及變頻器頻率設置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域內采樣，采樣時間為當日每次投飼結束1 h和當日22：00，通過測量采樣管內殘餌及排泄物累積厚度初步確定采樣點沉積物數量，通過對比不同試驗組相對沉積量總結羅非魚養殖殘餌、排泄物沉降規律并確定實現定向沉降的水車式增氧機運行頻率。

根據養殖池塘面積將池塘劃分為80 m×40 m坐標系，其中投飼機安裝位置坐標為（20，0），水車式增氧機的安裝位置坐標為（10，10），在水車式增氧機后端劃定30 m×20 m區域為沉積物采樣區域，使用樣方法采樣，將采樣區域等面積劃分為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圖見圖6;設置4組水車式增氧機不同運轉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慣的訓練養成，殘餌及排泄物等底污主要沉積在投飼區域附近。預試驗發現，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），底污沉降發生較為明顯的右移，受池內水流小循環的影響，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底泥，觀察底泥采樣厚度超過200 mm時，開展系統底污抽取及固液分離功能應用試驗，使用養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。

養殖池塘殘餌及糞便自動抽取裝置能夠將裝置安裝范圍內85%以上的底泥廢棄物抽取并輸送入壓濾機設備，受限于養殖水質要求，泥漿不能夠添加絮凝劑、固化劑等化學制劑，導致壓濾效率較低，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，成型且不易流動，有效降低了轉移難度;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、總磷、總氮等指標含量（表1）。

4 結論與討論

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

系統應用試驗的有效開展，在驗證系統功能有效性基礎上，在運行穩定性、便利性和智能化等方面仍然存在一定的改進和優化空間，以適應更加廣泛的養殖模式和生產應用場景;通過系統的設計、開發和應用，對于池塘殘餌、排泄物沉積規律進行初步總結并對定向沉降技術進行初步探索，以期通過更多養殖模式、養殖品種的重復試驗，總結更為普適的養殖沉降規律，為更加智能化的養殖控制提供技術參考和支持;信息技術和智能化技術手段應用于水產養殖生產需要進行適用化改造和較大規模的應用示范，實現水產養殖信息化、現代化、智能化，具有廣闊的發展空間和應用前景。

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