水生装置的基本组件
所有的水生系统都有几个通用和基本的组件。 这些包括：鱼缸、机械过滤器、生物过滤器和水培容器。 所有系统都使用能源通过管道和管道循环水，同时给水充气。 如上所述，植物种植区有三个主要设计，包括：种植床、种植管道和种植运河。 本节讨论强制性组件，包括鱼缸、机械过滤器、生物过滤器、管道和水泵。 以下各节专门讨论单独的水培技术，并进行比较，以确定在不同情况下最适当的技术组合。
# 鱼缸
鱼缸是每个单位的关键组成部分。 因此，鱼缸可以占水生装置全部成本的 20%。 鱼需要一定的条件，以便生存和繁荣，因此鱼缸应该明智地选择。 有几个重要方面需要考虑，包括形状、材质和颜色。
坦克形状
虽然任何形状的鱼缸都可以工作，但建议使用平底的圆形坦克。 圆形使水均匀循环，并通过离心力将固体废物运送到罐中心。 平底的方形罐是完全可以接受的，但需要更积极地去除固体废物。 水箱形状极大地影响水循环，并且有一个循环不良的水箱是相当危险的。 艺术形状的坦克，具有非几何形状，具有多种曲线和弯曲，可以在水中形成死斑，而不循环。 这些地区可能会收集废物，并为鱼类造成缺氧、危险的条件。 如果要使用奇形罐，可能需要添加水泵或气泵，以确保正常循环和去除固体。 选择适合养殖水生物种特性的水槽是非常重要的，因为许多鱼类的底栖生长较好，压力较小，水平空间充足。
材质
建议使用强惰性塑料或玻璃纤维，因为它们的耐用性和寿命长。 金属是不可能的，因为锈。 塑料和玻璃纤维安装方便（也适用于管道），并且相当轻巧且可操作。 通常使用动物浇水槽，因为它们往往很便宜。 如果使用塑料容器，请确保它们是防紫外线，因为阳光直射会破坏塑料。 一般而言，低密度聚乙烯 (LDPE) 罐体更可取，因为它们具有较高的耐性和食品级特性。 事实上，LDPE 是民用储水罐中最常用的材料。 另一种选择是一个地面池塘。 天然池塘非常难以管理水生物学，因为已经在底层和底部泥浆中发生的自然生物过程可能难以操纵，而且营养物质往往已被水生植物使用。 水泥或塑料衬里的池塘更容易接受，而且可能是一种价格低廉的选择。 地面池塘可能会使水管作业变得困难，在采用这一方案之前，应仔细考虑管道设计。 最简单的鱼缸之一是在地面上挖出一个洞，内衬有砖块或煤渣块，然后内衬有一个防水衬垫，如聚乙烯塑料。 其他选择包括二手集装箱，如浴缸、桶或中型散装集装箱。 确保容器以前没有被用来储存有毒物质是非常重要的。 污染物，例如溶剂型化学品，将渗透到多孔塑料本身，并且无法清洗。 因此，请仔细选择二手集装箱，并知道卖方，如果可能的话。
颜色
强烈建议采用白色或其他浅色的颜色，因为它们可以更容易地观察鱼类，以便轻松查看鱼类的行为和沉淀在罐底部的废物量（图 4.22－4.24）。 白色坦克也会反射阳光，并保持水凉爽。 或者，深色坦克的外部可以涂成白色。 在极热或非常寒冷的地区，可能需要进一步隔热罐。
封面和阴影
所有鱼缸都应该被覆盖。 遮阳罩可防止藻类生长。 此外，防止鱼类跳出（通常与新添加的鱼类或水质不佳时出现），防止叶片和碎片进入，并防止猫和鸟类等掠食动物攻击鱼类。 通常情况下，使用的是遮挡 80-90% 的阳光的农业遮阳网。 遮阳布可以连接到一个简单的木制框架，以提供重量，使盖子易于拆卸。
故障安全和冗余
不要让鱼缸失去水；鱼缸意外排水就会死亡。 虽然有些事故是不可避免的（例如一棵树落在油箱上），但大多数灾难性的鱼类死亡都是人为错误造成的。 确保没有经营者慎重选择的情况下，罐体无法排出。 如果水泵位于鱼缸内，请务必将泵从底部提起，以便水箱永远不会被抽干。 使用水箱内的立管，以保证最低水位。 第 4.2.6 节将进一步讨论这一点。
# 过滤-机械和生物
# 机械过滤
对于 RSS 来说，机械过滤可以说是设计中最重要的 ** 方面。 机械过滤是从鱼缸中分离和去除固体和悬浮鱼废物。 为了系统的健康，必须清除这些废物，因为如果将固体废物留在鱼缸内分解，厌氧细菌就会释放有害气体。 此外，这些废物会堵塞系统并扰乱水流，给植物根系造成缺氧状况。 与这些机械过滤器最初设计的密集型 RAS 方法相比，小型水壶的储存密度通常较低，但一定程度的机械过滤对于健康的水泡罐至关重要，无论使用何种类型的水培法。
有几种类型的机械过滤器。 最简单的方法是位于鱼缸和生长床之间的筛网或过滤器。 该屏幕可捕获固体废物，需要经常冲洗。 同样，离开鱼缸的水可以通过一个小容器的颗粒物质，与介质床分开；这个容器更容易定期冲洗。 这些方法适用于一些小规模的水生装置，但在固体废物数量相关的鱼类较大的系统中，这些方法是不够的。 有许多类型的机械过滤器，包括沉淀罐、径向流澄清器、沙子或珠子过滤器和挡板过滤器；每种过滤器都可根据需要清除的固体废物的数量进行使用。 然而，由于本出版物的重点是小规模的水生物，澄清器或机械分离器是最合适的过滤器。 一般来说，澄清器可以去除多达 60% 的可拆卸固体。 有关不同机械过滤方法的更多信息，请参阅本出版物末尾的进一步阅读部分。
#机械分离器（澄清器）
澄清器是一种专用容器，它利用水的特性来分离颗粒。 一般来说，移动速度较慢的水不能像流动速度较快的水那样携带颗粒。 因此，澄清器的构造方式是加速和减慢水的速度，使颗粒集中在底部，并可以去除。 在涡流澄清器中，鱼缸中的水通过管道进入澄清器中下方附近。 该管道与容器切向定位，从而迫使水在容器内以圆周运动旋转。 由水的圆周运动产生的离心力将水中的固体废物强迫到容器的中心和底部，因为涡旋中心的水比外面的水慢。 一旦将这些废物收集到底部，便可定期打开附在容器底部的管道，从而使固体废物从容器中冲出。
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澄清的水通过覆盖有二次网状过滤器的大开槽出口管从顶部的澄清器流出，然后流入生物过滤器或介质床。 图 4.25-4.27 显示了小型到大型单元的简单机械分离器的示例。 被捕和清除的固体废物含有营养物质，对这些系统或一般的园林植物非常有用；下一节讨论固体废物的矿化问题。 小型单位的一般指导方针是将机械分离器容器的大小约为鱼缸容积的六分之一，但这取决于储存密度和确切设计。 附录 8 载有关于这些系统每个部分构建的详细的逐步说明。
充分的初步机械过滤对于用于捕获和清除固体废物的 NFT 和 DWC 装置尤其重要。 如果没有这一初步过程，固体和悬浮废物将会积聚在种植管道和运河中，并堵塞根表面。 固体废物的积累会导致泵和管道部件堵塞。 最后，未经过滤的废物还会在系统中产生危险的厌氧点。 这些厌氧斑点可以包含产生硫化氢的细菌，这是一种毒性极大、致命的鱼类气体，这种气体是固体废物发酵而产生的，通常可以被检测为腐烂的鸡蛋气味。
#生物过滤
生物过滤是指通过活细菌将氨和亚硝酸盐转化为硝酸盐。 大多数鱼类废物不能使用机械过滤器进行过滤，因为废物直接溶解在水中，而且这些颗粒的大小太小，无法机械去除。 因此，为了处理这种微观废物，一个水生系统使用微观细菌。 生物过滤在水生物中是必不可少的，因为氨和亚硝酸盐即使在低浓度下也是有毒的，而植物需要硝酸盐才能生长。 在水生装置中，生物过滤器是一个特意安装的组件，可容纳大多数活菌。 此外，水在生物过滤器内的动态运动会分解澄清器未捕获的非常细微的固体，从而进一步防止废物在 NFT 和 DWC 植物根部上积聚。 然而，一些按照维尔京群岛大学开发的系统设计的大型水生设施没有使用单独的生物过滤器，因为它们大多依赖于单元的湿表面、植物根系和直接吸收植物来处理氨。 在介质床技术中，单独的生物滤过是不必要的，因为生长床本身就是完美的生物过滤器。
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该生物过滤器的设计用于具有较大的表面积与氧化水供应。 生物过滤器安装在机械过滤器和水培容器之间。 这种生物过滤器容器的最小体积应为鱼缸的六分之一。 图 4.28 显示了小型单位生物过滤器的实例。
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一种常用的生物过滤培养基是 Bioballs®，这是一种从水产养殖用品店购买的专有产品，虽然存在类似的普通品牌（图 4.29）。 这些产品被设计为理想的生物过滤材料，因为它们是小型、特殊形状的塑料制品，其体积表面积非常大（500-700 m2/m3）。 可以使用其他介质，包括火山碎石、塑料瓶盖、尼龙淋浴盆、网布、聚氯乙烯 (PVC) 刨花和尼龙擦洗垫。 任何生物滤清器都需要具有较高的表面积与体积比，惰性并且易于冲洗。 Bioballs ® 的表面积与体积比几乎是火山碎石的两倍，两者的比例都高于塑料瓶盖。 当使用不理想的生物过滤器材料时，尽量填充生物过滤器是非常重要的，但即使如此，介质提供的表面可能不足以确保充分的生物过滤。 在初始施工过程中最好超大生物滤清器，但如有必要，可以稍后添加二次生物过滤器。 生物滤清器偶尔需要搅拌或搅拌以防止堵塞，如果固体废物堵塞，偶尔需要冲洗，从而产生缺氧区。 关于小型单位生物过滤尺寸要求的进一步信息，见第 8 章和附录 4。
生物过滤器的另一个必需组件是曝气。 硝化细菌需要足够的氧气才能氧化氨。 一个简单的解决方案是使用空气泵，将空气石放在容器底部。 这可确保细菌具有持续的高浓度和稳定的溶氧浓度。 气泵还通过搅拌和不断移动浮动 Bioballs®，帮助分解机械分离器未捕获的任何固体或悬浮废物。 为了进一步捕获生物过滤器内的固体，还可以在生物过滤器的入口处插入一个小圆柱形塑料桶（如 Perlon®），海绵或装满火山碎石的网袋（图 4.30）。 废物被这种二级机械过滤器封闭，允许剩余的水通过桶底部钻出的小孔流入生物过滤器容器。 被困的废物也会被矿化和细菌降解。
矿化
在水生物学方面，矿化是指通过细菌处理固体废物并将其代谢为植物营养物质的方式。 被机械过滤器封闭的固体废物含有营养物质；尽管处理这些废物不同于生物过滤，需要单独考虑。 在整个系统中保留固体将会给植物带来更多的营养物质。 任何留在机械过滤器、生物过滤器内或种植床上的废物都会受到一定的矿化作用。 将废物置于原位时间较长，可使矿化程度更高；废物在过滤器中的停留时间较长，将导致更多的矿化和更多的营养物质保留在系统中。 然而，这种固体废物如果得不到妥善管理和矿化，将阻碍水的流动，消耗氧气，导致缺氧条件，从而导致危险的硫化氢气体的生产和脱硝。 因此，一些大型系统故意将固体废物留在过滤器内，从而确保充足的水流和氧化，从而最大限度地释放营养物质。 然而，这种方法对于小规模 NFT 和 DWC 系统是不切实际的。
如果决定故意将这些固体矿化，可以通过简单的方法来促进细菌分解在一个单独的容器中，只需将这些废物储存在这个单独的容器中，并使用气石充分氧化。 在无限期的时间之后，固体废物将被非营养细菌消耗、代谢和转化。 在这一点上，水可以脱水并重新添加到水生系统中，剩余的废物，体积已经减少，可以添加到土壤中。
或者，这些固体废物可以分离、清除和添加到任何地面农业、园林或堆肥箱中，作为宝贵的肥料。 然而，失去这些营养物质可能导致植物缺乏，然后可能需要补充营养物质（见第 6 章）。
使用介质床进行机械和生物过滤的组合
也可以在 NFT 和 DWC 单元中使用介质填充床进行机械和生物过滤（图 4.31 和 4.32）。 在无法获得涡流分离器和/或单独生物过滤器所需的材料时，这一点非常重要。 虽然在第 8 章中进行了更详细的讨论，但这里只需说每天 200 克鱼饲料，生物过滤器的体积就足够了。 这种小砾石可以为大约 20 公斤的鱼提供充分的生物滤清。 虽然这种介质床能够为 NFT 或 DWC 装置提供充分的生物过滤以及捕获和保留固体废物，但有时建议在床上放置一个额外的固体捕获装置，以防止介质床堵塞鱼固体。 床将需要定期清洗以清除固体废物。
总之，一定程度的过滤对于所有水生物来说都是必不可少的，尽管鱼放养密度和系统设计决定了需要多少过滤。 机械过滤器分离固体废物以防止有毒积聚，生物过滤将溶解的氮废物转化为硝酸盐（图 4.33 和 4.34）。 在使用这种技术时，介质床本身既可以作为机械过滤器和生物过滤器，但有时还需要额外的机械过滤，以提高鱼类密度（15 kg/m 3 ）。 如果没有介质床，例如 NFT 和 DWC 单元，则需要独立过滤。 固体废物的矿化可为该系统带来更多的营养物质。 矿化发生在介质床上，但在 NFT 和 DWC 系统中需要单独的设备。
# 水培组件-介质床、NFT、DWC
水培成分是描述单元中植物生长部分的术语。 有几个设计，其中三个在本出版物中详细讨论，但每个设计都需要一个单独的章节。 这三种设计是：介质床单元，有时也称为颗粒床，其中植物在基质内生长（图 4.35 和 4.36）；营养膜技术（NFT）单元，其中植物与其根源在提供一个涓流培养水的宽管中生长（图 4.37 和 4.38）；以及深水培养（DWC）单位，也称为筏水生或浮床系统，其中植物悬浮在水箱上方使用浮筏悬浮（图 4.39 和 4.40）。 每种方法都有优点和缺点，都有不同的组件样式，以适应每种方法的需求。 请参阅第 4.3-4.6 节了解每一节的详细信息。
水运动
水的运动对于保持所有生物在水生动物中的活力至关重要。 流动的水从鱼缸，通过机械分离器和生物过滤器，最后流向植物中的介质床、管道或运河，从而去除溶解的营养物质。 如果水的运动停止，最直接的效果是减少溶氧化物和废物在鱼缸中的积累；如果没有机械过滤器和生物过滤器，鱼类可能会在几个小时内受到损害和死亡。 如果没有水流，介质床或 DWC 装置中的水将停滞并变为缺氧，NFT 系统将干涸。
对于储存密集的水生系统，一个常用的指导方针是每小时循环两次水。 例如，如果水生装置的总水容量为 1 000 升，则水流速应为 2 000 升/小时，以便每小时水循环两次。 然而，在储存密度较低的情况下，这种周转率是不必要的，每小时只需循环一次水。 通过系统移动水的方法有三种：潜水叶轮泵、空气升降和人力动力。
潜水叶轮水泵
最常见的情况是，叶轮式潜水水泵作为水肺设备的核心，建议使用此类泵（图 4.41）。
可以使用外部泵，但它们需要进一步的管道，更适合较大的设计。 最好使用高质量的水泵，以保证长寿命和能源效率。 优质泵将保持泵送能力和效率至少 1-2 年，整体使用寿命为 3-5 年，而劣质产品则会在较短的时间内失去泵送能力，从而显著减少水流。 关于流速，本出版物中描述的小型单位需要 2 000 升/小时的流速，在 1.5 米的头高；这种容量的潜水泵将消耗 25-50 W/h。每小时消耗的每瓦每小时水, 虽然有些型号声称这一效率的两倍.
在设计泵的管道时，必须认识到每个管接头的泵功率都会降低；当水被迫通过时，每个管道连接最多可能损失 5% 的总流量。 因此，使用泵和鱼缸之间的连接的最小数量。 同样重要的是要注意的是，管道的直径越小，水流损失就越大。 30 mm 管道的流量是 20 毫米管道的两倍，即使从同样容量的泵供应也是如此。 此外，一个较大的管道不需要任何维护，以消除内部积聚的固体。 实际上，这可以大幅节省电力和运营成本。 安装水泵时，请务必将潜水泵放置在可接近的位置，因为需要定期清洁。 事实上，内部过滤器将需要清洁每 2-3 周。 如果没有水运行，潜水水泵将会断裂；切勿运行泵干燥。
空运
空运是另一种提升水的技术（图 4.42）。 他们使用一个空气泵，而不是一个水泵。 空气被迫在鱼缸内的管道底部，气泡形成和爆裂，并在它们上升到表面时，气泡与它们一起运送水。 其中一个好处是，空气升降可以更高的电气效率，但只有在较小的头高（30-40 厘米）。 空气升降机在更深的储罐中获得动力，并且在深度大于 1 米的情况下最好。 一个附加值是，气升不会像潜水叶轮式泵那样堵塞。 此外，水也通过气泡操作的垂直运动进行氧化。 然而，抽取的空气量应足以沿管道移动水。 空气泵的使用寿命通常比潜水式水泵更长。 主要优势来自于规模经济-可以购买单个气泵用于曝气和水循环，从而减少了对第二个泵的资本投资。
人类力量
一些水生系统设计用于利用人力移动水（图 4.43）。
水可以用水桶或使用滑轮、改装自行车或其他方式提升。 一个头罐可以手动填充，并允许在整个一天的过程中慢慢排水。 这些方法仅适用于小型系统，只有在电力不足或不可靠的情况下才应考虑。 这些系统通常具有较低的溶解剂和营养物质混合不足，尽管它们可以与第 9 章讨论的一些改良技术一起成功地使用。
曝气
气泵通过空气管道和位于水箱内的空气石将空气注入水中，从而增加水中的溶氧浓度（图 4.44）。
额外的 DO 是 NFT 和 DWC 单元的重要组成部分。 气石位于空气线的末端，并用于将空气扩散到较小的气泡（图 4.45）。 小气泡具有更大的表面积，因此比大气泡更好地将氧气释放到水中；这使得曝气系统更有效，并有助于节省成本。 建议使用优质的空气石头，以获得最小的气泡。 将发生生物污染，应首先使用氯溶液对空气结石进行定期清洁，然后在必要时用非常温和的酸来消除矿化，或者在气泡流动不一致时替换。 高质量的空气泵是水泵系统不可替代的组件，许多系统由于含量丰富的溶氧物质，已经避免了灾难性崩溃。 如果可能，最好在电力短缺的情况下使用 AC/DC 气泵，因为在断电期间断开交流电源时，充电的直流电池可以继续工作。
选择曝气系统
对于拥有大约 1 000 升鱼缸的小型单位，建议在鱼缸内至少放置两条空气管道，也称为喷射器，并在生物过滤器容器中放置一个喷射器。 为了了解进入系统的空气量，值得测量流量。 要做到这一点，只需在鱼缸中反转体积测量装置（2 升瓶、量杯、刻度烧杯）即可。 在助手的帮助下，开始一个秒表，同时将冒泡的气石插入测量装置。 当容器充满空气时停止秒表。 然后，使用比率确定流量（以升每分钟为单位）。 此处描述的系统的目标是所有空气石组合在一起的 4-8 升/分钟。 拥有额外的 DO 总是更好，而不是不够。
尽量放置空气石，使其不会重新悬浮沉降固体，从而防止通过中心排水器去除。
文丘里虹吸管
文丘里虹吸管技术低，构造简单，是另一种提高水生物中溶氧水平的技术。 这种技术在 DWC 运河中特别有价值。 简单地说，文丘里虹吸器使用流体动力学原理，当加压的水以更快的速度流经较小直径的管段时，从外部抽入空气（吸入）。 在恒定水流的情况下，如果管道直径减少，水速必须增加，而这种更快的速度会产生负压。 文丘里虹吸管是一个较大直径（25 毫米）的主水管内插入管的短段（直径 20 毫米，长度 5 厘米）。 由于主管中的水被强制穿过较窄的部分，因此会产生喷射效果（图 4.46）。 这种喷射效果将周围的空气吸入水流，通过切入外部收缩管的小孔。 如果文丘里虹吸管在水下，小孔可以连接到一个长度的管子，暴露在大气中。 文丘里虹吸可以集成到 DWC 运河的每个流入管道中，这将提高运河的溶氧含量。 如果空气泵出现故障，它们也可以作为鱼缸曝气的冗余。 有关更多信息来源，请参阅 “进一步阅读” 部分。
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# 水槽
水槽是系统最低点的集水槽；水总是下坡到水池（图 4.47）。
这通常是潜水泵的位置。 水槽应比鱼缸小，并且应能容纳鱼缸容积的四分之一至三分之一。 对于流动型介质床，水槽需要足够大，以至少容纳生长床中的所有水量（参见 4.3 节）。 外部油槽主要用于介质床单元；但是，对于 DWC 单元，实际的水培管也可用作油槽/泵室。 尽管它很有帮助，但它并不是必不可少的系统组件，许多设计不使用外部油槽。 非常小的单位，最多 200 升的鱼缸可以简单地将水从鱼缸泵送到生长床，从那里水滴回到鱼缸中。但是，对于较大的单位，有一个水槽是非常有用的。
这里推荐的一种常见方法是将泵放在水槽中。 一个常用的缩写词描述了这种设计的关键点，即：鱼缸中的恒定高度-水槽中的泵（CHIFT-PIST）。 使用这种方法意味着任何水损失，包括蒸发和泄漏成分，只会在水槽内表现出来，不会影响鱼缸的体积。 然后直接测量正常的蒸发损失和计算水需要补充的频率，如果有泄漏，就可以立即确定。 也许更重要的是，水培系统中的任何泄漏都不会伤害鱼。 第 9.2 节讨论了以不同方式确保水位。
水暖材料
每个系统都需要各种 PVC 管道、PVC 连接和配件、软管和管道（图 4.48）。 它们为水流入每个组件提供了通道。 还需要隔壁阀、Uniseals®（以下简称中性）、硅胶密封胶和聚四氟乙烯胶带。 PVC 组件使用 PVC 水泥以永久的方式连接在一起，但如果管道不是永久性的，且接头没有高水压，则可以暂时使用硅胶密封胶。 此外，还需要一些一般工具，如锤子、钻头、手锯、电锯、测量带、钳子、通道锁定钳、螺丝刀、水平等。一个特殊工具是一个孔锯和/或铁锹钻头，用于在电钻中制造 8 厘米的孔，用于插入管道进入鱼缸和过滤器，以及在 NFT 和 DWC 系统中用于在 PVC 或聚苯乙烯种植床中制造孔。 附录 8 载有本出版物所述每个单位所需材料的详细清单。
确保系统中使用的管道和管道以前从未用于存放有毒物质。 同样重要的是，所使用的管道具有食品级质量，以防止化学品可能渗入系统水中。 使用黑色和/或对光不透明的管道也很重要，这将阻止藻类生长。
#水测试套件
简单的水测试是每个水生装置的要求。 颜色编码的淡水测试套件可随时获得，相当经济且易于使用，因此建议使用这些试剂盒。 这些可以在水族馆商店或在线购买。 这些试剂盒包括 pH、氨、亚硝酸盐、硝酸盐、GH 和 KH 测试（图 4.49）。
请确保制造商是可靠的，并且有效期仍然有效。 其他方法包括数字仪表或试纸。 如果使用 pH 或硝酸盐数字仪表，请务必根据制造商的说明校准单位。 温度计是测量水温所必需的。 此外，如果源水中存在咸水风险，便宜的比重计或更精确但更昂贵的折光率仪是值得的。 有关使用色彩测试套件的更多详细信息载于第 3.3.6 节。
- 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。 *