循环水养殖的净水方法及设备技术领域
本发明是有关于一种循环水养殖的净水方法及设备，尤指使用于免换
水高密度的封闭式循环水产养殖产业上的循环用水的净水处理及该养殖池
水质维护的净水方法及设备。
背景技术
台湾地区水产养殖业蓬勃发展素有养殖王国称号，然而绝大多数养殖
户仍采用传统渔塭养殖方式。鱼塭养殖方式养殖面积需求大、用水量及废
水排放量多，不仅耗用能源且对环境产生冲击。再者，养殖过程中所产生
的排泄物与残饵累积于池内，经常造成池水水质恶化不易控制，衍生养殖
物病变，降低产量及品质。
结合废水工程的处理技术应用在水产养殖业的水质管理及废排水处理
上，为近年来养殖工程上的重要发展课题。循环水养殖技术，便是利用一
水质净化设备处理养殖池水，以去除养殖物所产生的代谢物质及饵料残馀，
处理水并循环回流至养殖池。此方式可使养殖池水维持于良好水质，养殖
物有良好的生长环境，病害发生率可望降低，生长率也可能提高，因而提
升养殖产品品质，并可进行高密度的养殖。此外，可减少换水需求，降低
用水量及排水量，减轻地下水超抽及水产养殖业废水污染的问题。在循环
水设备的水质控制良好的养殖环境下，即使鱼虾苗感染病毒，也可良好长
成。因此，高密度循环水养殖实为台湾水产养殖业永续发展的重要途径。
目前，国内外所发展的循环水养殖设备中所使用于循环用水处理及养
殖池水质维护的水质净化技术及方法包括：
1.物理处理：
利用沉降池、过滤机、微过筛机、砂滤、或浮除机等单元，利用重力
沉降、或过滤作用、或浮力作用，去除悬浮固体物或生物处理后的剥落污
泥。另外有利用活性碳吸附。
2.生物处理：
利用微生物去除水中溶解性有机质及氨氮，使用的程序包括生物滤床、
旋转生物圆盘法及流体化床。
3.杀菌消毒：
循环水养殖设备属封闭式设备，易衍生养殖物疾病的传染，因此常需
结合消毒程序去除病源菌，例如紫外线照射、臭氧处理、加氯、光化学反
应等方法。
4量子电凝机：
SS去除及杀菌效果良好，但是仅部分NH4+-N、NO2--N及P被去除。
5.商业化整体成型的养殖机器：
为一个紧凑的养殖机器，内含维生设备(颗粒物质过滤去除、硝化菌
床、氧气供应、病原菌控制等)、养殖槽、高密度养殖设施等组件。
过去技术中，循环水养殖设备常使用的水处理流程为：过筛、沉降、
砂滤、生物处理单元、曝气、消毒。如曾国峰等人曾报导室内高密度循环
水养鳗设备的应用，此设备的水处理再利用程序为：机械过滤器(过筛)
去除固体物、中和槽调整pH、曝气生物滤床及滴滤床去除有机物及氨氮、
紫外线杀菌及增氧。经长期养殖及操作结果显示养殖池水的氨氮、亚硝酸
氮、悬浮固体物、有机质保持于相当低的浓度，但硝酸氮浓度则累积升高
至约210mgN/L。硝酸盐对养殖物虽无立即的毒性，但浓度过高将影响
养殖物的生长。硝酸盐的累积可由入流水的补充带出或增设生物脱硝处理
单元减轻。
上述循环水养殖程序在国内，或者经农委会水产试验所、农业工程研
究中心及其他研究单位改良开发，或直接引进国外水产公司技术、或经由
国内发明人的发明，均已证实可有效维护养殖池水水质及获得成功的养殖
结果。但是，这些技术或发明中所使用的养殖循环用水处理方法及装置，
具有下列共同的缺点：
1.大多依赖机械设备导致设置成本昂贵：
上述过去的技术或发明中，所需要使用的机械设备包括：微过筛机、
过滤机、提供生物处理池通气所需的机械(如鼓风机)、臭氧产生机、光
源产生机、量子电凝机、浮除机等，这些设备均所费不訾。根据国内农业
工程研究中心针对所研发的室内自动化循环水养虾设备进行的成本估算显
示，以一占地面积0.1公顷(实际养殖面积420m2，循环水处理设备
面积140m2)的室内循环水养虾场为例，总设置成本约7,000,0
00元，其中机械式循环水处理设备(包括使用微粒过滤机、生物滤床、
量子电凝机杀菌装置等)所需成本为2,400,000元，占总设置成
本的34％。
2.动力需求高增加生产成本：
上述过去的技术或发明中，由于使用机械设备，需要依赖电能才能驱
动废水处理机制，达到净水效能。此电能费用约占单位养殖产量成本的1
0％。
3.添加化学物质易造成二次污染：
某些过去的技术或发明中，需使用化学物质如氯或光半导体物质(二
氧化钛、一氧化锆、二氧化锡、氧化铁、钛酸锶、钛酸钡)，可能在养殖
环境中形成危害性二次产物。
4.须经常性且专业性地操作维护：
上述过去的技术或发明中，有关机械设备的安装、操作、控制及维护，
或化学物质的使用添加，均需经训练后的专业人员经常性的进行，因此增
加养殖生产上的人事费用。
基于上述过去技术或发明的缺点，使得在实际应用及推广上明显有其
困难，为国内水产养殖户至目前为止仍极少采用高密度循环水养殖的主要
原因。因此，开发低成本、省能源、无需使用化学物质、操作维护简单的
循环水养殖的净水设备，为高密度循环水养殖技术在实际应用、及推广上
的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用自然生态净水原理的净水方法及设
备，应用于循环水高密度养殖中，此自然生态净水方法及设备可以解决传
统循环水养殖的净水技术所具有的诸多问题，也即可以避免机械设备的使
用、减少能源的耗用、不需化学物质的添加、简化操作维护的技术层次，
进而可以降低循环水养殖设备的设置成本及养殖成本，同时在无换水的高
密度循环水养殖条件下仍能维持良好的水质环境。本发明提供了循环水养
殖产业一种高效率与省能源的技术特征，以提高其实际应用上的可行性。
本发明的目的是这样实现的，一种循环水养殖的净水方法，室外的净
水设备与室内的养殖池的排出管及进流管形成串接连结，养殖池的循环水
首先进入净水设备的沉降池内使循环水内的固体颗粒可以作沉降收集，再
流入表面流动式生态反应池内，配合该池池内的土壤层及其栽种的水生植
物，使水以重力方式进行水表面流动以初步去除溶解性有机物、氨氮、亚
硝酸氮及硝酸氮后，再流入表面下流动式生态反应池内，配合该池池内的
砾石层及其栽种的水生植物，进一步去除更细微的溶解性有机物、氨氮、
亚硝酸氮及硝酸氮而形成所需的净化循环水，之后由该表面下流动生态反
应池净化后的水导入集水井内并导入养殖池中供使用。
沉降池在距离进流端附近处横设多孔整流壁，底部则以进流端较深而
呈缓坡度；循环水流过时固体颗粒及污泥沉降在沉降池的最深处所设的污
泥收集槽。
沉降池内的循环水通过多孔整流壁剖面铺设的数支管体流入表面流动
式生态反应池。
表面流动式生态反应池内的循环水通过多孔整流壁剖面铺设的数支管
体流入表面下流动式生态反应池；表面下流动式生态反应池近出流端的最
底层埋设一多孔的横侧水管，另一水平管与此横侧水管呈T字型连结，水
平管延伸至集水井，净化后的水则由多孔的横侧水管经水平管汇集到集水
井。
集水井与表面下流动式生态反应池以无孔的隔离墙作隔离，延伸到集
水井的水平管经一个90度转弯接头，连结另一个垂直管，生态反应池的
水深可通过调整垂直管的高度来控制。
沉降池产生的沉降污泥，以抽泥机将污泥排出，经管线送至表面下流
动式生态反应池中间段，透过分配管将污泥洒在砾石层表面，污泥水分经
由砾石空隙往下移动与循环水混合处理，污泥颗粒则留在砾石层表面，随
的进行微生物稳定化及污泥日晒乾燥。
一种循环水养殖的净水设备，该净水设备是由沉降池、表面流动式生
态反应池及表面下流动式生态反应池组成；与养殖池的排出管及进流管间
连接该净水设备，使养殖池的循环水可达到净水的目的；该净水设备以沉
降池使循环水内的固体颗粒可以作沉降收集，再流入表面流动式生态反应
池内，配合该池池内的土壤层栽种水生植物，使水以重力方式进行水表面
流动以初步去除溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮后，再流入表面
下流动式生态反应池内，配合该池池内的砾石层及其栽种的水生植物，以
进一步再去除更细微的溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮而形成所
需的净化循环水并导入养殖池中供使用；其中的沉降池前端设有进流水管
与养殖池的排出管连接，可接收来自养殖池以液位差重力流入的循环水；
其中的沉降池在距离进流端附近处横设多孔整流壁，底部则以进流端较深
而呈缓坡度；其中的表面流动式生态反应池，与沉降池之间的多孔整流壁
剖面铺设数支管体；其中的表面下流动式生态反应池，与表面流动式生态
反应池之间的多孔整流壁剖面铺设数支管体；池内有砾石层作为介质，并
栽种水生植物；近出流端的最底层埋设一多孔的横侧水管，另一水平管与
此横侧水管呈T字型连结，水平管延伸至集水井，净化后的水则由多孔的
横侧水管经水平管汇集流出以导入养殖池内；由此成为一种能有效净化水
质的自然生态的净水设备。
本发明中表面流动式生态反应池的水生植物为梃水性植物。
本发明于表面下流动式生态反应池之后可另接一集水井，此池与表面
下流动式生态反应池以无孔的隔离墙作隔离，上述延伸到集水井的水平管
经一个90度转弯接头，连结另一个垂直管，净化后的循环用水便由此垂
直管流出至集水井。
上述集水井，其垂直管套设于90度转弯接头上，可调整垂直管的高
度而达到表面下流动式生态反应池的液面高度。
本发明中沉降池产生的沉降污泥，以抽泥机将污泥排出，经管线送至
前述的表面下流动式生态反应池中间段，透过分配管将污泥洒在砾石层表
面，污泥水分经由砾石空隙往下移动与循环水混合处理，污泥颗粒则留在
砾石层表面，随之进行微生物稳定化及污泥日晒干燥。
上述沉降池的进流水由节流阀调整流量。沉降池的最深处设有污泥收
集槽。
本发明中表面下流动式生态反应池的砾石层于进流区及出流区为砾径较
大的分布区。
本发明的集水井内设有沉水泵，以浮球控制沉水泵的运转，于高水位
时利用沉水泵将净化后的循环用水送回养殖池，低水位时则停止运转。
本发明提供了一种循环水养殖的净水设备。此设备中主要使用串联式
的生态反应池来处理养殖循环用水，该生态反应池为一人造槽体，内含以
下重要组成：
1.土壤或砾石作为植物及微生物生长的基材；
2.水生植物(挺水性、沉水性及浮水性)及藻类等光合成性生物；
3.在基材间及植物根茎部位表面生长的微生物；
4.动物群；
5.水，提供所有水生生物生长。
当循环用水流经此生态反应池时，污染物以下列物理性、化学性及生
物性处理机制被去除：
1.慢流水层及砾石层间所进行的物理性沉降、过滤作用，可有效去
除悬浮固体及微生物；
2.在底泥及砾石层中所进行的吸附、离子交换、沉淀沉积、氧化还
原等物化作用，有助于磷酸盐、重金属的去除；
3.附着于植物根茎或砂土介质表面上的微生物，可进行有机质的矿
化作用、含氮化合物的转换作用(氨化、硝化及脱硝)及同化作用、微生
物的去除；
4.植物的摄取作用，可有效去除氮(氨氮及硝酸氮)、磷营养物及
重金属；
5.太阳照射的幅射线作用及原生动物的掠食作用，可去除病原菌。
以能量转换而言，生态反应池的光合成性生物(水生植物及藻类)接
收太阳能进行光合作用，对污染物的去除提供了以下重要的贡献，包括：
1.产生氧分子经由根系释放至土壤及水中，提供细菌矿化作用、硝
化作用、呼吸作用等需氧来源；
2.产生有机碳作为细菌脱硝作用所需的碳源；
3.营养盐(氮、磷)的摄取；
4.植物组织提供细菌附着生长所需面积。
而生态反应池中的化学合成性生物(包括细菌及动物群等)的能源则
是利用循环用水中的污染物(如固体物、有机物、氨氮、亚硝酸氮等)或
光合作用所合成的碳源作为代谢所需电子提供。
生态反应池是以太阳能作为驱动能量，因此只要在充足的光照条件及
适当的污染物进流负荷下，生态反应池的物质及能量是自给自足的，即无
须传统净水技术中的曝气、搅拌、加压等机械设备及动力输入，也不需加
入任何化学药剂。
本发明可以避免机械设备的使用、减少能源的耗用、不需化学物质的
添加、简化操作维护的技术层次，进而可以降低循环水养殖设备的设置成
本及养殖成本，同时在无换水的高密度循环水养殖条件下仍能维持良好的
水质环境。本发明提供了循环水养殖产业一种高效率与省能源的技术特征，
以提高其实际应用上的可行性。
附图说明
图1：本发明的设备示意图
图2：本发明的净水设备剖视图一
图3：本发明的净水设备剖视图二
图4：本发明的净水设备剖视图三
图5：本发明的净水设备另一剖视图
图6：本发明的净水设备俯视图
图7：本发明实施时的白虾生长曲线图
图8：本发明实施时养殖过程的饵料投入量
图9：本发明实施时的净水设备进流量图
图10：本发明实施时的净水设备各采样点的PH变化图
图11：本发明实施时的净水设备各采样点的溶氧变化图
图12：本发明实施时的净水设备各采样点的悬浮固体变化图
图13：本发明实施时的净水设备各采样点的浊度变化图
图14：本发明实施时的净水设备各采样点的生化需氧量变化图
图15：本发明实施时的净水设备各采样点的氨氮变化图
图16：本发明实施时的净水设备各采样点的亚硝酸氮变化图
图17：本发明实施时的净水设备各采样点的硝酸氮变化图
图18：本发明实施时的净水设备及维护养殖池水质的结果
(1)养殖池 (11)排出管
(12)进流管 (13)鼓风机
(2)净水设备 (21)沉降池
(211)进流水管 (212)多孔整流壁
(213)节流阀 (214)污物收集槽
(215)管线 (216)分配管
(22)表面流动式生态反应池
(221)多孔整流壁 (222)管体
(223)土壤层 (224)水生植物
(23)表面下流动式生态反应池
(231)多孔整流壁 (232)管体
(233)砾石层 (234)横侧水管
(235)水平管 (236)水生植物
(24)集水井 (241)隔离墙
(242)转弯接头 (243)垂直管
(244)沉水泵
具体实施方式
如图1所示，一种循环水养殖的净水方法，室外的净水设备2与室内的
养殖池1的排出管11及进流管12形成串接连结，养殖池1的循环水首先进入
净水设备的沉降池21内使循环水内的固体颗粒可以作沉降收集，再流入表
面流动式生态反应池22内，配合该池池内的土壤层及其栽种的水生植物，
使水以重力方式进行水表面流动以初步去除溶解性有机物、氨氮、亚硝酸
氮及硝酸氮后，再流入表面下流动式生态反应池23内，配合该池池内的砾
石层及其栽种的水生植物，进一步去除更细微的溶解性有机物、氨氮、亚
硝酸氮及硝酸氮而形成所需的净化循环水，之后由该表面下流动生态反应
池23净化后的水导入集水井24内并导入养殖池1中供使用。
请参阅图1所示，本发明的循环水养殖净水设备，是于室内的养殖池1
利用排出管11及进流管12连接室外的净水设备2，该净水设备2由沉
降池21、表面流动式生态反应池22、表面下流动式生态反应池23及
集水井24串联组成。
请一并参阅图2所示，该沉降池21前端设有进流水管211与养殖池
1的排出管11连接，可接收来自养殖池1以液位差重力流入的循环水。
在距离进流端附近处横设一压克力制的多孔整流壁212，底部则比进流
端较深而呈约15％的坡度。沉降池21的进流水由节流阀213调整流
量。在沉降池21最深处底部设置污泥收集槽214，其中，该污泥收集
槽214可连接排泥管及抽泥机，以利沉降池21的污泥的排除(该排泥
管及抽泥机图中未示)。
表面流动式生态反应池22，与沉降池21之间的多孔整流壁221
剖面铺设数支管体222。此池的底部均匀铺上厚约30cm的土壤层2
23，水深控制约40cm，池中栽植挺水性水生植物224(如香蒲、
芦苇、莎草等)，经生长后植物密度可达每平方公尺100株以上。表面
流动式生态反应池22的进流由沉降池21以液位差方式流入，再经前端
的多孔整流壁221，以利水平流方向流至出流端(请一并参阅图2、图3
所示)。
表面下流动式生态反应池23，此池与表面流动式生态反应池22间
隔的多孔整流壁231墙剖面铺设数支管体232。此池填满约80cm
深的砾石层233作为介质，进流端后约0.5m范围(进流区)及出流端前
约0.5m范围(出流区)所使用的砾石粒径为60-100mm，其余范围的砾石
粒径为30-50mm，此目的在于避免进流区堵塞及均匀分布水流，并使水
流导向表层下的砾石介质间流动，水深维持约在0.7m深。靠出流端的最底
层埋设一多孔的横侧水管234，另一水平管235与此横侧水管234
呈T字型连结，水平管235延伸至集水井24，净化后的水则由多孔的
横侧水管234经水平管235汇集到集水井24。此表面下流动式生态
反应池23内栽植挺水性水生植物236(如香蒲、芦苇、莎草)，经生
长后植物密度可达每平方公尺100株以上。该表面下流动式生态反应池
23的水流也靠液位差方式流动(请一并参阅图3、图4所示)。
集水井24，此池与表面下流动式生态反应池以无孔的隔离墙241
作隔离，上述延伸到集水井24的水平管235经一个90度转弯接头2
42，连结另一个垂直管243，净化后的循环用水便由此可调高度的垂
直管243流出至集水井24。生态反应池的水深可由垂直管243的高
度决定。集水井24设置一沉水泵244，以浮球控制沉水泵244的运
转，于高水位时利用沉水泵244将净化后的循环用水送回养殖池1，低
水位时该沉水泵244停止运转(请一并参阅图4所示)。
在沉降池21产生的沉降污泥，以抽泥机将污泥抽出，经管线215
送至前述的表面下流动式生态反应池23中间段(如图5、图6所示)，透
过分配管216将污泥洒在砾石层233表面，污泥水分经由砾石空隙往
下移动与循环水混合处理，污泥颗粒则留在砾石层233表面，随之进行
微生物稳定化及污泥日晒干燥。日后将晒干后的污泥饼取下弃置或做有机
肥料利用。
上述的养殖池1以散气曝气装置及鼓风机13供应空气。养殖池1水
以重力流方式流入自然生态净水设备2的沉降池21。净化后的循环用水，
经多孔管喷洒至养殖池1水面进行表面曝气(如图1所示)。
为使本发明的净水设备的理论及实务可以相互印证，本发明特以内长
8公尺、内宽8公尺、高1.5公尺的养殖池1配合内长15.2公尺、
内宽2.1公尺、高1公尺的净水设备2的循环水养殖方式养殖白虾为例，
充分分析如下：
养殖池放养密度为每平方公尺放养约625尾虾苗，虾苗初体重约5-6
毫克。如图7所示，为养殖的白虾生长曲线图，从其图式中可知在养殖约第
55至83天时形成快速生长的状态，最大生长速率平均达每尾每星期
2.0公克，当养殖达第111天时每尾平均可达11.3公克。如图8所
示，为养殖过程的饵料投入量，至养殖达第109天时总投饵量累计达约
272公斤。配合图9所示，净水设备的循环用水进流量随着养殖过程喂饵
量及虾体排泄物量的增加而逐步提高，由最初约17.3立方公尺每天增
加至后期的78立方公尺每天操作。而如图10所示，则是在整个设备中各
点，如表面流动式生态池的进、出流水，表面下流动式生态池的出流水及
养殖池内等PH变化，由其图式可知，由于净水设备对水中PH具缓和作
用，使养殖池内的PH于养殖期间介于7.7至8.5，相当稳定且在最适合的
养殖生长范围PH6-9之内。而如图11所示，由本发明的净水效果，由
于自然净化机制而使循环水溶氧显著降低，但并不影响养殖池溶氧，养殖
池因机械式扩散曝气使池中溶氧维持于5.8-7.2mg/L。再者，如
图12、图13所示，养殖池内的悬浮固体物有效被本发明的净水设备所去除，
悬浮固体及浊度的平均衰减效率分别达69及100％，使养殖池内的悬
浮固体及浊度分别维持于6至32mg/L及0.3至3.2NTU。而从图14至图16所
示，为生化需氧量、氨氮、亚硝酸氮等物质浓度变化，其净化效果均有相
当良好的表现，平均去除效率分别达到53％、56％、70％，使养殖
池内的生化需氧量、氨氮、亚硝酸氮分别维持于1-22mg/L、0-
0.79mg/L、0-1.57mg/L。而图17显示硝酸氮也有平均36％的去除效率表
现，使得养殖池硝酸氮累积量最高仅达约9.72mg/L，而养殖后期甚至降低
至约1.2mg/L。图18所示为上述的净水结果统计表。当养殖至第126天结
束时，总虾收获量达354公斤，单位面积生产量每平方公尺5.5公斤，
约为一般室外渔塭养殖的30倍，白虾存活率约72％，饵料系数0.9
2。养殖期间除了补充蒸散的水量外，均无换水。初步估算，在相同养殖
规模条件下本发明的净水技术的设置成本约仅为习用净水技术(包括使用
微粒过滤机、生物滤床、量子电凝机杀菌装置等)设置成本的15-20
％。
综合以上所述可知，本发明与习用的净水技术相比，具有下列优点：
1.整个设备除了沉水泵及抽泥机之外，无需其他的机械设备，不但
可以省却建立时相当高比例的设备费用，且成本远比习用的低。
2.设备成本大幅降低之外，沉水泵及抽泥机的平时运转时间不多，
可以有效降低生产时的运转及维持费用。
3.机械设备有效减少，操作更省电且方便，对于专业人员的需求也
可相对降低，能减少依赖专业人员的困扰。
4.利用重力式沉降池，能直接接收来自养殖池的循环用水，并可有
效除去水中可沉降的固体颗粒，减少固体物屯积在池内。
5.经除去固体物的循环用水进入表面流动式生态反应池，由其栽种
的挺水性水生植物，配合流水以重力方式进行水表面流动，可以有效去除
循环水的溶解性有机物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮等对养殖物及环境影响
其大的物质，对于循环用水有莫大的帮助。
6.由表面流动式生态反应池再作有机物等去除后，循环水再流入表
面下流动式生态反应池，利用该池满布的砾石及挺水性水生植物的根部对
流过的循环水可以更进一步并有效再去除更细微的微细颗粒、溶解性有机
物、氨氮、亚硝酸氮及硝酸氮等有害物质，以达到确实净化的积极目的。
7.而集水井的进出水设计，可以机动性调节整个设备的液面高度，配
合养殖池的养殖特性，而使本发明更具实用性与产业利用性。
8.整个净水设备占地小，除沉水泵及抽泥泵外无其他昂贵设备，使
用动态最小能有效抑制操作成本，更无需添加其他化学物质即可达成所需
的净水效果，不会有化学物质残留所造成的二次污染后公害的长期困扰，
在无换水、封闭式循环净水的高密度循环水养殖的条件下可确保并有效维
持所需的良好水质及养殖环境，对于养殖业而言是一相当优良且低成本、
省能源、操作简单的自然生态式循环净水设备。