[发明专利]一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统

说明书

本发明涉及一种营养回收利用的三级生态循环养耕共生系统，包括低营养养耕循环(CI)、中营养水培循环(CII)和高营养水培循环(CIII)；所述的低营养养耕循环(CI)包括依次连接的养殖单元(1)、机械过滤器(2)、生物过滤器(3)和低营养水培单元(4)；所述的中营养水培循环(CII)包括相互连接构成循环的中营养液槽(5)和中营养水培单元(6)；所述的高营养水培循环(CIII)包括相互连接构成循环的高营养液槽(8)和高营养水培单元(7)。与现有技术相比，本发明可实现对养殖单元产生的溶解性和悬浮性物质的营养回收利用，提高系统的营养利用率，具有明显的经济效益和环境效益。

技术领域

本发明涉及一种工业化循环水养殖和种植的食品生产技术，具体是一种具有营养回收利用功能的三级生态循环养耕共生系统。

背景技术

社会发展对食品的需求，加速水产养殖业发展。现在传统粗放式养殖已不可持续，工业化循环养殖成为重要的发展方向，尤其是水产品产量超过全球60％的中国。工业化系统中残留饵料和排泄物的积累造成环境污染。如能有效回收利用其中的大量营养元素供蔬菜生产，将有良好的环境、经济和社会效益。因此，养耕共生系统(Aquaponics System)受到广泛关注。

养耕共生系统理论上是基于生态学原理，将工业化循环养殖(RAS)和水耕种植(Hydroponics)技术相结合的高效率的工业化食品生产模式，摆脱对自然水域和土壤的依赖，进行全年侯生产，同步获得蛋白质和果蔬；系统封闭运行，隔绝了外部环境污染的影响，实现水的循环利用，促进物质循环利用；系统适合城镇化发展，减少物流资源消耗，与信息技术紧密结合，有创造新的经济模式的前景。

目前对该系统进行技术研究的国家包括美国、欧洲和亚洲多个国家。尤其在欧洲，由于城镇化率高，人均土地资源紧张，养耕共生技术在很多国家得到重视和发展，有较多研究成果。我国面临的人口、食品、能源、水和环境的矛盾突出，城镇化的快速发展使这些问题更加凸显，因此，开发养耕共生技术已开始得到水产、农业、环境、建筑和管理各界的关注。

营养利用水平是反映养耕共生系统生产效能的重要标志。目前养耕共生系统发展面临的主要瓶颈是营养利用效率低，从而影响其生产效能。根据“欧盟养耕共生系统研究中心”(EU Aquaponics Hub)对养耕共生系统的定义，种植单元的营养需有超过50％来自养殖单元，才能符合其定义标准。而目前该系统植物对营养的利用率不高，影响了系统的生产效能，成为亟需解决的关键问题。

传统养耕共生系统为单循环工艺过程，养殖池出水先经机械过滤去除悬浮固体，再经生物过滤器将水中的氨氮转化为硝酸盐氮，然后进入水培单元实现营养物质的吸收利用，最后经紫外消毒，循环进入养殖池。由于养殖和种植系统运行条件方面的差异会造成相互影响，导致系统营养利用不平衡，一方面出现营养的流失，另一方面又会产生盐分积累，从而影响系统的生产效能。因此需要权衡考虑养殖单元、种植单元和生物过滤器的运行条件，包括pH、温度、溶解氧和各营养物质的浓度等。其次，由于该系统提供植物营养主要是溶解性物质，其浓度水平低，使得植物选择受限于低营养的叶类蔬菜植物，影响种植产出效能。若要加强该系统的溶解性营养水平，则需要投加更多的饵料，结果会导致系统饵料系数(Feed conversion ratio，FCR)增高，增加了养殖成本，且营养提高水平有限。第三，该系统养殖产生的悬浮固态被滤除，成为养殖污泥被排出系统，没有得到回收利用。因此，养耕共生系统中溶解性和悬浮性物质的营养转化和回收利用是提高系统生产效能的重要途径。

针对单循环养耕共生系统中，养殖单元和种植单元直接耦合过程中存在的问题，研究者提出了解耦合养耕共生系统，其最大的特征就是养殖单元和种植单元保持相对独立，二者之间的水量循环大大减少，养殖系统按照植物蒸发损耗量向种植系统进行补充，而种植系统的水分蒸发则经过冷凝收集后循环进入养殖系统。种植单元主要靠额外配置的营养液，以此提高系统种植产量。该模式设计使得养殖和种植之间的“共生关系”几乎丧失，养殖不再是种植营养的主要提供来源，而种植也无法对养殖水质的控制起作用，会导致养殖系统出现硝酸盐的积累(需要换水)的问题，因此偏离了养耕共生的概念。