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媒体床技术

2 years ago

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媒体填充床单元是小规模水上乐器最受欢迎的设计。 强烈建议大多数发展中区域采用这种方法。 这些设计是高效的空间,具有相对较低的初始成本,因为它们的简单性适合初学者。 在介质床单元中,介质用于支撑植物的根部,也具有与过滤器相同的介质功能,无论是机械还是生物。 这种双重功能是介质床单元最简单的主要原因;以下部分展示了 NFT 和 DWC 方法如何要求隔离和更复杂的组件进行过滤。 然而,介质床技术在较大规模上可能会变得笨拙而且相对昂贵。 如果鱼放养密度超过床的承载能力,介质可能会堵塞,这可能需要单独的过滤。 介质床中的水蒸发率较高,表面积越大,暴露在阳光下。 有些媒体非常沉重。

媒体床有很多设计,这可能是最适应性最强的技术。 例如,* 布米纳 * 是印度尼西亚使用的一种水生技术,它使用许多连接到地面鱼缸的小型介质床(第 9.4.3 节)。 此外,回收材料可以很容易地重新用于保存介质和鱼类。

# 水流动力学

图 4.50 显示了使用介质床的水生系统的主要组件,包括鱼缸、介质床、水槽和水泵,以及用于支撑的混凝土块。 通过跟踪通过系统的水流是最容易理解的。 水通过重力从鱼缸流动,通过一个简单的机械过滤器进入介质床。 这些介质床充满了多孔生物过滤介质,作为机械和生物过滤器和矿化位置。 这些床位既存放硝化细菌的殖民地,也为植物的生长提供了场所。 在离开介质床时,水通过重力向下移动到水槽。 在这一点上,水相对来说没有固体废物和溶解废物。 最后,这种干净的水被泵回鱼缸,这会导致水位上升,并从鱼缸溢出回介质床,从而完成循环。 一些介质床被设计为洪水和排水,这意味着水位上升到某一点,然后完全排水。 这会为植物根部增加氧气,并有助于氨的生物过滤。 其他介质灌溉方法使用恒定的水流,要么进入床的一侧,从另一侧流出,要么通过滴灌阵列分布。

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媒体床结构

# 材料

媒体床可以由塑料、玻璃纤维或木制框架制成,底座和墙壁内部配有防水橡胶或聚乙烯板。 最受欢迎的 “自己做”(DIY)介质床由塑料容器、改装中型散货箱或甚至旧浴缸制成(图 4.51)。

只要符合以下要求,就可以将上述全部作为床和其他类型的坦克使用:

-足够强大,可以容纳水和不断增长的媒体;

-能够承受恶劣的天气条件;

-由食品级材料制成,对鱼类、植物和细菌是安全的;

-可以通过简单的管道部件轻松连接到其他单元组件;

-可以放置在靠近其他单元组件的位置。

形状

媒体床的标准形状是一个矩形,宽度约为 1 米,长度为 1-3 米,可以使用/制造较大的床,但他们需要额外的支撑(即混凝土块)以保持他们的重量。 此外,较长的床位可能存在固体分布不均,往往在水口积聚,从而增加了厌氧斑点的风险。 床位不应该太宽,以至于农民/经营者无法到达,至少半途。

深度

介质床深度非常重要,因为它控制单元中的根空间量,它决定了可以种植的蔬菜类型。 如果种植大型果蔬,如西红柿、秋葵或卷心菜,介质床应该有 30 厘米的深度,没有这种深度较大的蔬菜就没有足够的根部空间,会出现根垫和营养不足,并可能会翻转(图 4.52)。

绿叶小蔬菜只需要 15-20 厘米的介质深度,如果媒体床的尺寸有限,则是一个不错的选择。 即便如此,一些实验表明,如果营养浓度足够,即使较大的作物也可以在浅层生长。

选择介质

所有适用的种植介质都将有几个共同和基本的标准。 培养基需要有足够的表面积,同时保持水和空气渗透性,从而使细菌能够生长、水流和植物根部呼吸。 培养基必须是惰性的,不是尘土飞扬,无毒的,并且必须具有中性 pH 值,以免影响水质。 重要的是要彻底清洗介质,然后再将其放入床上,尤其是含有灰尘和微小颗粒的火山碎石。 这些颗粒可以堵塞系统,并可能损害鱼的鳃。 最后,重要的是要使用的材料,是舒适的农民。 下面列出了这些基本标准:

-大面积的细菌生长;

-中性 pH 值和惰性(意味着培养基不会渗出任何潜在有毒物质);

-良好的排水性能;

-易于使用;

-空气和水在介质内流动的足够空间;

-提供和具有成本效益的;

-重量轻,如果可能的话。

讨论了符合这些标准的几个常见媒体包括:

火山砾石(凝灰岩)

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火山砾石是最受欢迎的介质床单元使用的介质,建议在可用的情况下使用(图 4.53)。 火山碎石的三个最佳品质是,它具有非常高的表面积和体积比,它可以是便宜和容易获得,它几乎是化学惰性。 火山碎石的表面积与体积比约为 300 平方米 2 /m 3 ,具体取决于颗粒大小,为细菌殖民提供了充足的空间。 火山碎石在世界各地的许多地方丰富。 一旦清洗灰尘和污垢,火山碎石几乎完全是化学惰性的,除了微量元素(如铁和镁)的释放以及在启动单元后的头几个月内吸收磷酸盐和钾离子。 建议大小的火山砾石直径为 8-20 毫米。 较小的砾石很可能被固体废物堵塞,较大的砾石不能提供所需的表面积或植物支撑。

石灰石

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不建议使用石灰石作为一种生长培养基,尽管通常使用(图 4.54)。 石灰岩是一种沉积岩,与其他介质相比较不可取,因为它的表面积与体积比较低,重且不惰性。 石灰石主要由碳酸钙 (CaCo 3 ) 组成,它溶解在水中并影响水质。 石灰石将增加水的 KH,这也将增加 pH 值(见第 3.3 节)。 因此,这种材料在碱性或酸性非常低的水源中更好地使用,因为在碱性水的情况下,它将需要不断的酸修正

进来的水域。 尽管如此,少量添加石灰石可以帮助抵消硝化细菌的酸化效果,这可以抵消平衡良好的系统中定期缓冲水的需求。 在种植和收获方面,石灰石可能不太舒适,如果没有选择适当的粒度计,它可能会遇到堵塞。 然而,它往往是最便宜和最常见的形式的砾石可用。 只有在没有其他介质的情况下,石灰石才能被接受,但要注意其对水质的影响。

轻膨胀粘土聚料

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轻膨胀粘土聚合物 LECA)由膨胀粘土卵石组成(图 4.55)。 最初,它是用于建筑屋顶的隔热,但它最近被用于水耕。 与其他基材相比,这些鹅卵石的形状是圆形的,非常轻量化。

他们非常舒适的工作和屋顶生产的理想选择。 LICA 的表面面积约为 250-300 平方 米 /平方米,在目标范围内。 然而,LECA 相对昂贵,而且在世界各地并不广泛使用。 它有多种尺寸;建议使用直径为 8-20 mm 的较大尺寸。 这种材料可以给种植者带来额外的好处,如果媒体床直接放置在屋顶地板(视设计而定)。 事实上,该建筑可以受益于额外的绝缘材料,这可以降低房屋的冷却/加热成本。

其他可能的介质选择

如果上面列出的介质不可用,则可以使用其他介质。 替代品包括:河床砾石,通常是石灰岩,但表面积与体积比较低,这取决于粒度测量;浮石(也是岩棉),白色/灰色火山材料在水培中也普遍用作生长介质;再生塑料,尽管塑料浮子和需要被一层砾石浸没在顶部;或有机基质,如椰子纤维、木屑、泥炭苔藓或水稻壳,这些物质往往价格便宜,但有可能变得缺氧、随着时间的推移而恶化和堵塞系统。 然而,有机基质可以在水生物中使用一段时间,一旦它开始恶化,就可以从系统中去除介质,堆肥,并作为土壤作物的宝贵土壤添加剂。 表 4.1 概述了上述所有不断增长的媒体的主要特点。

#表4.1

不同生长介质的特征

介质类型 表面积 (m 2 /m 3 ) pH 值 成本 重量 寿命 保水 植物支撑 易于使用 火山碎石(凝灰岩) 300—400 中 性 中长中 长 - 优良 介质 火山碎石(浮石) 200—300 中 性 中型-高 轻 型 中型-可怜 易 石灰石砾石 150—200 基本 低 重型 长 劣质 优 质 难 膨胀粘土 250—300 中 性 高 轻 长 中型 — 差 中型 容易 塑料瓶盖 50—100 惰 性 低 光 长 款 贫 穷 容易 椰子纤维 200—400 (可变) 中 性 低 — 中 轻 短短 高 中等 容易

介质引起的水位移

根据介质的不同,它将占据媒体床总体积的 30-60%。 这一百分比将有助于确定每个单位的水槽大小,因为水槽至少需要保持所有介质床中的总水量。 水槽应略微超大,以确保泵始终有足够的水,以便在不干燥的情况下运行。

例如,对于 1 000 升的介质床(尺寸为 2 米长 × 2 米宽 × 中深 0.25 米),生长的介质将取代 300-600 升的这一空间,因此介质床的水容量将是 400-700 升。 建议油槽容积至少为介质床总体积的 70%。 在这个例子中,水槽应大约为 700 升。

# 过滤

介质床作为非常有效的过滤器,无论是机械还是生物过滤器。 与 NFT 和 DWC 系统(下文讨论)不同,介质床技术利用过滤器和植物种植面积的组合。 此外,介质床为矿化提供了一个场所,在非 FT 和 DWC 系统中不存在这种情况。 然而,在高放养密度(\ >15 kg/m 3 )的情况下,机械过滤可能不堪重负,并可能面临导致介质堵塞和产生危险厌氧斑点的风险。

机械过滤器

中等填充床作为一个大型物理过滤器,捕获和收容固体和悬浮鱼类废物以及其他浮动的有机碎片。 这种过滤器的有效性取决于介质的颗粒大小,因为较小的颗粒包装更密集,捕获更多的固体。 此外,高水流速会强迫颗粒穿过介质床,从而逃离过滤器。 随着时间的推移,捕获的固体废物将会分解并被矿化。 一个适当平衡的系统将处理所有进入的固体废物。

当介质床的尺寸不适合放养密度时,介质床可能会被固体堵塞。 这表示当使用进给率比来平衡系统时,原始设计出现了错误。 这种情况导致床位被固体废物堵塞, 水循环不良, 缺氧地区和危险的条件. 发生这种情况时,需要清洗介质,这是劳动密集型的,扰乱了植物的生长周期,并可能会短暂地干扰硝化细菌。

为了避免这种情况,请确保原始设计考虑了放养密度、进料方式,并使用进给率比来计算介质床的所需面积。 另外,还可将另一个固体捕获装置集成到单元设计中。 如果饲养密度超过 15 千克/立方米 3 ,且/或每平方米长床的喂养速度超过 50 克/天,也建议这样做。 这种额外的机械过滤器有几种选择。 一种基本和廉价的技术是将一个古老的孤儿袜子粘在水龙头上,从鱼缸里的水进入媒体床。 这个简单的过滤器可以每天删除和冲洗。 另一个更为复杂的方法是在介质床内放置一个 3-5 升的铲斗,其中有几个小孔(6-8 毫米)钻入侧面(图 4.31)。 海绵、尼龙网甚至生长介质(火山碎石、LECA)可以捆绑在一个多孔惰性网袋中,然后放入该铲斗中。 这种过滤器会捕获固体废物,然后可以定期拆除过滤器以进行冲洗和更换。

# 生物过滤

本文概述的所有不断增长的培养基都有很大的表面积,硝化细菌可以殖民。 在所有的水生设计中,介质床具有最多的生物过滤,因为细菌可以生长的介质面积巨大。 如果介质床缺氧、温度下降或水质较差,生物过滤能力会受到限制或丧失,但通常介质床的生物过滤能力超过充分的生物过滤能力。

矿化

随着时间的推移,固体和悬浮鱼类废物以及所有其他碎片被生物和物理过程逐渐分解成简单的营养物质,形式是植物容易吸收的简单分子和离子。 如果污泥积聚在介质床中并且不离开,则可能表明矿化过程是不够的。 在这种情况下,建议使用更有效的机械过滤,并分别处理过滤的废物。 第 4.2.2 节和第 5 章更详细地介绍了这一过程。

介质床的三个区域-特点和过程

洪水和排水介质床的性质产生了三个独立的区域,可以被视为微生态系统,这些区域因水和氧含量而有所区别。 每个区域都有各种各样的细菌、真菌、微生物、蠕虫、昆虫和甲壳动物。 其中最重要的是用于生物过滤的硝化细菌,但也有许多其他物种在分解鱼类废物方面发挥作用。 没有必要了解所有这些生物,但本节简要概述了这三个区域之间的差异以及每个区域中发生的一些生态过程。

# 干旱区

床的顶部 2-5 厘米是干燥区(图 4.56)。 这个区域的功能是一个光屏障,防止光直接击中水,从而导致藻类生长。 它还可以防止植物干底部的真菌和有害细菌的生长,这可能导致衣领腐烂和其他植物疾病。 干燥区域的另一个原因是,通过覆盖湿区,避免直接光线,最大限度地减少床上的蒸发。 此外,有益细菌对阳光直射敏感。

干/湿区域

这是同时具有潮湿和高气体交换的区域。 在洪水和排水技术(下文讨论)中,介质间歇性地洪水和排水沟的 10-20 厘米空间(图 4.57)。 如果不使用洪水和排水技术,这个区域将是水流经介质的路径。 大部分生物活动将发生在这个区域。 根系发育、有益菌群和有益微生物在这一区域都是活跃的。 由于空气和水之间的接口,植物和动物接收他们的水、营养和氧气。

一种常见的技术是将蠕虫添加到将生活在这个干湿区域的介质床上。 蠕虫会导致固体鱼类废弃物的分解,它们也会消耗任何死叶或根源。 这项活动将防止废物堵塞系统。 有关蠕虫和蠕虫病毒的详细信息,请参阅第 9.1.1 节。

湿区

这个区域,床底 3-5 厘米,保持永久湿润。 在这个区域,小颗粒固体废物积聚,因此,矿化最活跃的生物体位于这里。 其中包括异养细菌和其他微生物。 这些有机体负责将废物分解成较小的部分和分子,这些分子可以通过矿化过程被植物吸收。

灌溉介质床

将水输送到介质床有不同的技术,每种技术都具有相关性,具体取决于当地的材料供应情况、所希望的技术程度或操作人员的经验。 水可以简单地从均匀分布在介质上的孔管中流出;这是一个完全可接受的设计。 一些专家已经证明,恒流设计(其中生长床内的水位始终相同)支持植物的生长速度与更复杂的方法相同。 这些供水系统可能被固体鱼类垃圾堵塞,应定期清理。

一种称为 “水流” 的方法,也称为 “水流”,可用于管道系统导致介质床与鱼缸中的水淹没,然后在水槽中排回。 这是通过自虹吸或定时抽水来实现的。 洪水和排水之间的这种交替确保植物在根区有新鲜的营养物质和足够的空气流动。 这样可以补充植物和细菌的氧气水平。 它还确保床上始终有足够的水分,以便细菌能够在最佳条件下茁壮成长。 通常,这些系统每小时经历一次完整的周期 1-2 次,但有些成功的系统每天只循环 3-4 次。 防水和排水设计不是介质床的唯一技术,对于新手操作员来说,管理水流循环可能会令人沮丧和耗时。

本出版物简要讨论了两种常见的床水浸和排水方法,尽管存在其他方法,如环虹吸管,也是当前研究的主题。

钟虹吸

钟虹吸是一种自虹吸,它利用了流体动力学的一些物理定律,并允许媒体床自动洪水和排水,定期,无需定时器(图 4.58)。 虹吸管的作用、时间和最终成功取决于水流入床的流量,这是恒定的。 然而,贝尔虹吸可能是微妙的,需要注意。

水流动力学

水以恒定的流速流入每个生长床。 当水填充生长床时,它会到达垂直管的顶部,并开始通过立式管道滴回水槽。 如果没有钟声部分的虹吸,这将创建一个恒定的水高的条件。 相反,随着水继续从垂直管中掉落,钟像帽子一样坐在立管上的铃铛充当气密锁并产生虹吸效果。 钟内的这种吸入启动虹吸。 一旦启动,床上的所有水开始迅速冲出垂直管,因为钟保持空气密封。 通过垂直管的排水速度比从鱼缸恒定流入的速度更快。 当生长床中的水一路下降到底部,空气进入铃铛的底部,并立即停止虹吸。 然后,水慢慢填充备份,并再次连续重复整个循环。 有关铃吸管的更多信息,请参阅本出版物末尾的 “进一步阅读” 部分。

铃虹吸器的主要组件

铃铛虹吸的三个主要组成部分如下所述。 请注意,有关理解、构建和优化钟声虹吸的详细说明以及这些组件的图片,可在附录 8 中找到。 立管、钟形和介质护罩的尺寸完全取决于生长床的尺寸和进水流量。 这些尺寸用于本出版物中概述的介质床设计,介质深度为 30 厘米,每张床的进水流速为 200-500 升/小时。 对于大型生长床,所有组件都会更大。

** 支架 **-立管由直径 2.5 厘米的 PVC 管构成,高度为 22 厘米。 立管穿过生长床的底部,连接到水池,并且是水的路径,因为它排水。

** 钟声 **-钟是一个 PVC 管,直径 7.5 厘米,高度为 25 厘米。 管道顶部盖有 PVC 端盖,并在底部开放,其安装在立管上的位置。 两个矩形间隙,1 厘米 × 4 厘米,位于钟底部附近,两侧向上 1.5 厘米,通过这些间隙将水拉到钟内的立管里。 从底部 5 厘米钻出最后一个 1 厘米的孔,以帮助在生长床排水后打破虹吸管通过允许空气进入。

** 介质护罩 **-介质护罩是一个直径 11 厘米的 PVC 管,高度 32 厘米,两侧钻了许多小孔。 介质保护器可防止生长床上的砾石进入和堵塞立管,同时不妨碍水流。

定时器机制

这种洪水和排水灌溉方法依靠水泵上的定时开关来控制周期性的洪水和排水(图 4.59)。 这种方法的好处

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在于没有自虹吸,这可能是劳动密集型的校准。 然而,鱼缸中的水循环减少和通气减少,从而减少了整体过滤。 这种方法在高密度放养情况下不太适用,需要仔细注意,以便为鱼类提供补充曝气。

水流动力学

水流入生长床,淹没床,直到水到达垂直管的顶部。 然后,水通过这个立柱管排水,并向下流入水槽。 大型立管直径足以排出所有流水;大型垂直管的顶部是生长床所经历的最深的洪水。 还有一个小的入口,直径 6-12 毫米,进入位于底部附近的同一个立管。 这个小的入口不足以排出所有进入的水,因此,即使水进入小入口,生长床也会继续洪水,直到达到顶部。 在床满后的某些时候,定时器切断水泵的电源。 介质床中的水开始流出小入口孔,继续排出生长床,直到水到达底孔的水平。 在这一点上,电源返回到水泵,并用新鲜的鱼缸水重新灌装生长床。 非常重要的是,流入介质床的水要大于通过垂直管的小入口流动的水,这样床就会再次完全淹没。 浸水和排水循环长度以及滴孔的直径取决于介质床的大小和进水流速。

为了确保充分的过滤,应每小时通过生长床抽取整个鱼缸体积。 最后,请务必每周将床铺冲出一次,暂时卸下水管并允许剩余的水排出。

本出版物中包含的水生声设计计时器方法所涉及的材料如下:直径 2.5 厘米的立管,高度为 23 厘米,具有次级滴孔,直径 6-12 毫米,底部高 2.5 厘米;介质护罩,直径 11 厘米,高 32 厘米,包围以防止介质堵塞的立管;以及一个定时器,用于控制根据泵的流量和立式管的排放速率进行校准的泵。

  • 资料来源:联合国粮食及农业组织,2014 年,克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利,小规模水生粮,http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *

Food and Agriculture Organization of the United Nations

http://www.fao.org/
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