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水生装置的设计
本章讨论水生系统的理论和设计。 有许多设计方面需要考虑，因为几乎所有的环境和生物因素都会对水生生态系统产生影响。 本章的目的是以最易于使用的方式展示这些方面，并对水生装置中的每个组件提供全面的解释。
Food and Agriculture Organization of the United Nations — Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus, and Alessandro Lovatelli.
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比较水生技术
Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations
下文表 4.2 提供了上述各种水生培养系统的快速参考和比较摘要。
#表4.2
####### 主要水生技术的优缺点
- 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。 *
深水培养技术
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DWC 方法涉及将植物悬浮在聚苯乙烯板上，将其根部悬挂在水中（图 4.68 和 4.69）。 这种方法是最常见的大型商业水鱼种植一种特定作物（通常是生菜，沙拉叶或罗勒，图 4.70），并且更适合机械化。 在小规模的情况下，这种技术比媒体床更复杂，可能不适用于某些地方，特别是在获取材料有限的地方。
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# 水流动力学
DWC 中的水流动力学与通过 NFT 进行的水流动力学几乎相同。 水通过重力从鱼缸、通过机械过滤器和组合生物过滤器/水槽流入。 从水池中，通过 “Y” 连接器和阀门向两个方向泵送水。 一些水被直接抽回鱼缸。 剩余的水被抽入管道，在运河中等效地分配水。 水流, 再次通过重力, 通过植物所在的种植运河和离开在远方. 在离开运河时，水将返回到生物过滤器/水池，再次将水泵入鱼缸或运河。 进入鱼缸的水会导致鱼缸溢出通过出口管道并返回机械过滤器，从而完成循环。
此 “* 图 8*” 配置描述了在 DWC 系统中看到的水路径。 与 NFT 一样，水流通过机械过滤器和生物过滤器，然后被泵回鱼缸和植物运河。 这种配置的一个缺点是，组合水池/生物过滤器将部分废水从植物运河返回到植物。 然而，与 NFT 不同的是，根层水的小薄膜中的营养物质迅速枯竭，DWC 运河中含有大量的水，使植物能够使用大量的营养物质。 这种营养物质的供应情况也意味着不同的系统设计。 通过简单的 “级联” 配置，可以建立沿 DWC 运河的串行分布水，只有一个入口供应最远的水箱。 在这种情况下，一个水槽的出口将是连续一个水槽的入口，而水流的增加将有助于根部获得更高的营养物质流量。
在图 4.68 所示的 DWC 系统中，水从生物过滤器容器抽入运河，其中聚苯乙烯板漂浮在支撑植物的顶部。 进入每条运河的水流量相对较低。 一般来说，每条运河都有 1-4 小时的保留时间。 保留时间与周转率相似，是指更换容器中所有水所需的时间。 例如，如果一条运河的水体积为 600 升，进入容器的水流速为 300 升/小时，则保留时间为 2 小时（600 升 ÷ 300 升/小时）。
# 机械和生物过滤
DWC 装置的机械和生物过滤与 NFT 装置的过滤相同，详见第 4.4.2 节。
###DWC 种植运河、建设和种植
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运河的长度可以不同，从 1 米到数十米（图 4.71）。 一般来说，它们的长度不是一个问题，如 NFT 所示，因为大量的水使得足够的营养供应。 在很长的运河中，最佳的植物营养应始终允许足够的水流入和再氧化，以确保营养物质不会耗尽，根部可以呼吸。 就宽度而言，通常建议使用聚苯乙烯片材的标准宽度，但它可以是这种宽度的倍数。 然而，越窄和更长的运河可以提高水速，从而有益地击中根源，营养物质的流量更大。 宽度的选择也应
考虑操作者的可访问性。 建议深度为 30 厘米，以便有足够的植物根部空间。 与鱼缸类似，运河可以用任何可容纳水的强惰性材料制成。 对于小型单元，常见的材料包括制造的中型散货箱塑料容器或玻璃纤维。 大得多的运河可以使用木材长度或混凝土块内衬食品级防水板。 如果使用混凝土，请确保使用无毒防水密封剂密封，以避免潜在的有毒矿物从混凝土浸入系统水中。
如上所述，单元中每条运河的保留时间为 1-4 小时，无论实际运河大小如何。 这样可以在每条运河内充分补充营养物质，尽管深水运河中的水量和营养物质足以长期滋养植物。 植物生长肯定会受益于更快的流速和动荡的水，因为根部会受到更多的离子的影响；而流动速度较慢和水几乎停滞将对植物生长产生负面影响。
DWC 装置的曝气至关重要。 在人口密集的种植管道中，植物的氧气需求可能导致溶氧浓度下降到最低值以下。 运河中存在的任何分解的固体废物都会加剧这一问题，进一步减少溶氧物质。 因此，需要通气。 最简单的方法是在运河中放置几个小空气石头（图 4.72）。
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空气石头应释放大约 4 升的空气每分钟，并安排每 2-4 平方米的运河区域。 此外，还可以将文丘里虹吸管（见第 4.2.5 节）添加到水流管中，以便在水进入运河时给水充气。 最后，可以使用 DWC 的克拉特基方法（图 4.73）。 在这种方法中，在运河内的聚苯乙烯和水体之间留下 3-4 厘米的空间。 这使得空气在植物根部的顶部周围循环。 这种方法消除了运河中对空气结石的需要，因为空气中有足够数量的氧气供给根部。 这种方法的另一个优点是避免直接接触的植物茎与水，这减少了风险的植物疾病在衣领区。 此外，由于空气空间增加，通风增加有利于从水散热，这在炎热的气候下是理想的
不要在运河中添加任何可以吃掉植物根的鱼类，例如罗非鱼和鲤鱼等草食性鱼。 然而，一些小食肉鱼类，如孔雀鱼、蛾鱼或蚊子鱼，可以成功地用来管理蚊虫幼虫，这可能对某些地区的工人和邻居造成巨大的麻烦。
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聚苯乙烯板材应该有一定数量的孔，以适应用于支撑每个工厂的网杯（或海绵立方体）（图 4.74）。 孔的数量和位置取决于植物种类和植物之间所需的距离，其中较小的植物可以更紧密地间隔。 附录 8 包括有关如何钻孔的具体详细信息和有用提示。
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幼苗可以在专门的植物苗圃（见第 8.3 节）在土壤块或无土介质中开始。 一旦这些幼苗足以处理，它们就可以转移到网杯中，然后种植到 DWC 单元（图 4.75）。 网杯中的剩余空间应填充水培介质，如火山砾石、石棉或 LECAA，以支撑幼苗。 也可以简单地将种子直接植入介质顶部的网杯中。 这种方法有时被推荐，如果蔬菜种子是可以访问的，因为它避免了移植冲击在重新种植过程中。 收获时，一定要从运河中移除整个植物，包括根和死叶。 收获后，木筏应清洗，但不要干燥，以免杀死筏水下表面的硝化细菌。 大型单位应用水清洁木筏，以清除污垢和植物残留物，并立即重新定位在运河中，以避免对硝化细菌造成任何压力。
特殊情况 DWC：低鱼密度，无过滤器
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Aquaponic DWC 单元的设计无需外部额外过滤（图 4.76）。 这些单位的鱼类放养密度非常低（即每平方米的鱼缸 1 至 1.5 公斤），然后主要依靠植物根空间和运河内部区域作为存放硝化细菌的表面积。 简单的网状屏幕捕捉大量的固体废物，运河作为沉淀罐的细垃圾。 这种方法的优点在于减少初始经济投资和资本成本，同时不再需要额外的过滤容器和材料，因为在某些地方采购这些容器和材料既难又昂贵。 然而，放养密度降低将导致鱼类产量下降。 与此同时，许多水上乐园企业的利润绝大部分靠植物产量，而不是鱼类生产，基本上只是利用鱼类作为养分来源。 通常，这种方法需要补充营养，以确保植物生长。 如果考虑这种方法，值得评估理想的鱼类和植物生产，并考虑相对成本和收益。
水流动力学
这两种设计（高放养鱼与低放养鱼）之间的主要区别在于，低密度设计不使用任何一种外部过滤容器，即机械或生物过滤容器。 水通过重力从鱼缸直接流入 DWC 运河，通过一个非常简单的网状屏幕。 然后将水送回水池并抽回鱼槽，或直接送到鱼缸，而不带水槽。 鱼缸和运河中的水均使用空气泵进行加气。 鱼类废弃物是通过硝化和矿化生活在植物根表面和运河壁上的细菌来分解的。
鱼放养密度是一个连续体，从非常低的密度（不需要过滤器）延伸到需要专用外部过滤器的非常高的密度。 一个简单的解决方案是采取额外的矿化和生物过滤以及避免运河底固体的废物积累，就是将简单的网状屏幕与一篮豌豆砾石或粘土球结合在一起，位于水离开鱼槽的水位之上。 该篮子将充当滴流过滤器，其介质捕获和矿化固体。 从篮子里掉下的水也会通过其飞溅效应增加氧气。 此外，使用豌豆砾石将对硝化后的水酸化产生缓冲作用。 另一种选择可以包括鱼缸内的一个内部生物过滤器，由一个简单的网袋生物过滤器材料组成。 这有助于确保充分的生物过滤，而不会增加外部生物过滤器的成本。 最后，在不增加鱼类储存密度的情况下增加整体水量，基本上使用大型鱼缸来处理少量鱼类，可以通过稀释废物和确保农民有足够的时间在鱼类受到压力之前对变化作出反应，从而有助于缓解水质问题。稀释可用的营养物质，阻碍蔬菜生长。
较低的鱼密度也意味着水流速率可能较低。 可以使用较小的泵，降低成本，但确保每小时更换至少一半的鱼缸总体积。 事实上，一些研究人员已经成功地拆除了电动泵，并依靠人工劳动每天循环两次水。 然而，这些系统完全依赖于充分的曝气。 除了这些差异之外，对于鱼缸和 DWC 运河施工的建议也适用于这种低放养密度方法。
低库存密度单元管理
与其他单位管理的主要区别在于库存密度较低，详情见第 8 章。 这些类型系统的建议储存密度为 1-5 千克/立方 米 （本手册中其他系统的储存密 度 为 10-20 千克/立方米）。 以前，有人建议鱼类和植物之间的平衡遵循饲料率比，这有助于计算进入该系统的鱼类饲料量，因为这些植物有一定的生长面积。 这些低库存密度单位仍遵循建议的 40-50 g/m 2 的每日进料率比率，但应朝向较低端。 一个有用的技术是允许鱼饲料 30 分钟，每天 2-3 次，然后删除所有未吃的食物。 过量喂养将导致鱼缸和运河中的废物积累，导致缺氧区、恶劣的生长条件、疾病以及鱼类和植物压力。 始终，但特别是在不使用过滤器的情况下，请务必密切监测水质状况，并在检测到高氨水或亚硝酸盐水平时减少进食量。
低库存密度的优缺点
主要优点是一个更简单的单元。 该系统更易于构建，更便宜启动，资本成本更低。 鱼是较少的压力，因为它们是在更宽敞的条件下生长。 总体而言，这种技术对于资本低的初始项目非常有用。 这些系统对于种植高价值鱼类（如观赏鱼）或特种作物（如药草等）非常有用，在这些作物中，较低的产量可以得到较高的价值补偿。
然而，一个严重的缺点是，这些单位很难扩大。 在特定地区生长的植物和鱼类较少，因此它们的密集程度低于前面概述的一些系统。 为了生产大量粮食，这些系统的规模将变得令人望而却步。 基本上，外部机械过滤器和生物过滤器能够在一个小区域内非常密集。
此外，鱼类生产不能独立于水培成分；植物必须始终在运河内。 植物根部为细菌生长提供了面积，如果没有这些根系，生物滤清就不足以保持鱼类的水清洁。 如果有必要同时收获所有植物，这些植物可能发生在疾病爆发、季节变化或重大气候事件期间，减少生物滤滤会导致高氨和鱼类压力。 另一方面，通过外部机械和生物过滤器，鱼类生产可以在没有水培作为标准 RAS 的情况下继续进行。
- 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。 *
水生装置的基本组件
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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# 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。
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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）。
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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
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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）。
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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）。
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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）。
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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
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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）。
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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。 *
营养膜技术
Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Food and Agriculture Organization of the United Nations
NFT 是一种水培方法，使用水平管道，每个管道都有一条营养丰富的水生水流通过它（图 4.60）。 植物被放置在管道顶部的孔内，并能够使用这个薄膜的营养丰富的水。
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NFT 和 DWC 都是商业运营的常用方法，因为在扩大规模时，两者在财务上比介质床单元更可行（图 4.61）。
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这种技术具有非常低的蒸发，因为水完全从太阳屏蔽。 这种技术比媒体床更为复杂和昂贵，在接触供应商的地方可能不适当。 这种技术在城市应用中最有用，尤其是当使用垂直空间或重量限制是考虑因素。
尽管所有方法都有不同的实际种植植物方法，但它们之间最重要的区别在于 NFT 和 DWC 单元所使用的过滤方法与介质床方法相比。 以下文本详细介绍了 NFT 和 DWC 单元的过滤方法。 然后，分别讨论 NFT 和 DWC 方法。 本部分的总体布局从水流动力学开始，或者水在系统中的流动方式开始。 然后讨论过滤方法，然后是 NFT 系统的具体种植指南。
#水流动力学
水通过重力从鱼缸、通过机械过滤器和组合生物过滤器/水槽流入。 从水池中，通过 “Y” 连接器和阀门向两个方向泵送水。 一些水被直接抽回鱼缸。 剩余的水被抽入一个歧管，通过 NFT 管道均匀分布水。 水流通，再次通过重力，通过植物所在的种植管道。 在离开生长管道时，水将返回到生物过滤器/水槽，再次将水泵送到鱼缸或种植管道中。 进入鱼缸的水会导致鱼缸溢出通过出口管道并返回机械过滤器，从而完成循环。
这种设计，如本出版物所述，由于水的路径，被称为 “* 图 8*” 设计。 这种设计可确保过滤水同时进入鱼缸和种植管道，同时只使用一个泵。 不需要将水池放置在低于单元其余部分的位置，从而使这种设计可以在现有的混凝土地板或屋顶上使用。 所有部件均处于舒适的工作水平，无需弯曲或使用梯子。 此外，该设计充分利用了 IBC 容器的大小，以确保鱼类有足够的空间。 一个缺点是，混合水池/生物过滤器可以稀释到达生长管道的水的营养浓度，同时，在水完全剥离养分之前，将水分返回鱼类。 然而，轻微稀释是通过控制离开油池/生物过滤器的双向流量来管理的，总体而言，根据所提供的益处，它对该系统的有效性没有什么影响。 通常，泵将 80% 的水输送到鱼缸，剩余的 20% 返回到生长床或运河，这可以通过阀门进行控制。
# 机械和生物过滤
专用过滤对 NFT 和 DWC 单元至关重要。 虽然介质床技术中的介质可作为生物过滤器和机械过滤器，但 NFT 和 DWC 技术却没有这种奢侈品。 因此，两种类型的过滤器都需要有意制造：首先是一个捕获固体废物的物理陷阱，然后是一个用于硝化的生物过滤器。 正如第 4.3 节所述，有许多类型的机械滤波器，NFT 和 DWC 单元需要具有其中所述频谱高端的滤波器。 附录 8 所述的设计使用机械涡流过滤器捕获颗粒废物，并定期排放捕获的固体。 在离开涡流过滤器时，水通过额外的网格筛查，捕获任何剩余的固体，然后到达生物过滤器。 生物过滤器与空气结石充分氧气，并含有生物滤介质，通常是 Bioballs ® 、尼龙网或瓶盖，其中硝化细菌会转化溶解的废物。 在过滤不足的情况下，NFT 和 DWC 单元都会堵塞，变得缺氧，并表现出不良的植物和鱼类的生长条件。
营养膜技术种植管道、施工和种植
继上述过滤方法之后，NFT 采用水平布局的塑料管道，用水生水种植蔬菜（图 4.62）。 在可能的情况下，使用长方形截面的管道，宽度大于高度，这是水培种植者的标准。 原因在于一个更大的水膜，它击中根部与增加营养素吸收和植物生长的范围。 NFT 的好处之一是，管道可以以多种模式排列，超出了本出版物的范围，并且可以利用垂直空间、墙壁和围栏以及悬挂式阳台（图 4.63）。
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水从生物过滤器抽入每个水培管中，流量较小，形成营养丰富的水生水流沿着底部流动。 种植管道沿着植物放置的管道顶部有许多孔。 随着植物开始从溪流中消耗富含营养的水，他们开始在种植管道内发展根系。 与此同时，他们的茎和叶子长出来和周围的管道。 每个管道底部的浅薄水膜确保根部接收大量氧气以及水分和营养。 保持浅水，使根部具有更大的空气交换面。 每个生长管道的水流量不得大于 1-2 升/分钟。 流量由 Y 阀控制，所有多余的水流都返回到鱼缸。
增长管道形状和尺寸
这是明智的选择一个管道的最佳直径的类型的植物种植。 具有方形截面的管道是最好的，但圆管更常见，完全可以接受。 对于较大的果蔬，需要直径为 11 厘米的种植管道，而快速生长的绿叶绿色和小根质量的小蔬菜只需要直径 7.5 厘米的管道。 对于小规模的聚合培养（种植多种蔬菜），应使用直径为 11 厘米的管道（图 4.64）。
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这样就避免了植物选择的限制，因为小型植物总是可以在较大的管道中生长，尽管种植密度会有所牺牲。 具有广泛根系的植物，包括成熟的老植物，可能堵塞较小的管道，并造成水溢流和流失。 要特别注意西红柿和薄荷，因为他们庞大的根系统可以很容易堵塞甚至大的管道。
生长管道长度可以介于 1 到 12 米之间，在长度超过 12 米的管道中，由于第一批植物已经剥夺了养分，因此管道末端的植物可能会出现营养缺陷。 需要一个约 1 厘米/米的管道长度的斜率，以确保水流过整个管道。 通过在远离鱼缸的侧面使用垫片（楔块）来控制坡度。
建议使用 PVC 管道，因为它们通常是最常见的，而且价格低廉。 应使用白色管道，因为颜色反射太阳的光线，从而保持管道内部凉爽。 或者，建议使用尺寸为 10 厘米宽 × 7 厘米高的方形或矩形水培管。 商业种植者的专业水培管通常是这种形状，有些种植者使用乙烯基围栏柱。
在种植管道内种植
钻入水培管的孔径应为 7-9 厘米，并应与可用网杯的尺寸相匹配。 每个植物孔的中心之间应至少有 21 厘米，以便为绿叶蔬菜和较大蔬菜提供足够的植物空间（图 4.65 和 4.66）。
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每个幼苗被放入一个塑料网杯，然后再放置在生长管道内。 这为工厂提供了物理支持。 网杯在幼苗周围填充通用水培培培养基（火山砾石、岩棉或 LECAA）。 如果需要，可将 5-10 厘米长的 5 厘米 PVC 管放置在网杯内，以进一步平衡和支撑植物。 详细的种植说明载于附录 8。
如果没有塑料网杯或过于昂贵，则可以使用普通塑料饮用杯。 按照上一段所述的种植程序，确保在塑料饮料杯中添加许多孔，以便根部能够进入种植管道。 其他种植者已经成功地使用了灵活的开孔泡沫来支持种植管内的植物。 如果没有这些选项可用或需要，则可以将幼苗直接移植到管道中，特别是矩形管道（图 4.67）。
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幼苗可以使用其发芽介质移植，这将冲洗到系统中，或者可以仔细冲洗根部，这样可以使培养基脱离系统，但可以增加移植压力。 尽管如此，最好使用充满媒体的网杯。
当最初种植的幼苗进入管道，确保根部可以接触水流的底部的管道。 这将确保幼苗不会脱水。 或者，还可以将灯芯添加到水流中。 此外，建议在将幼苗移植到单位前一个星期用水生水浇水。 这将有助于减轻对植物移植的冲击，因为他们习惯了新的水。
- 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。 *
站点选择
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场地选择是一个重要的方面，在安装水生装置之前必须考虑。 这一部分通常是指在户外建造的没有温室的水生装置。 然而，对于较大单位的温室和遮阳网结构，也有简短的评论。 重要的是要记住，系统的一些组件，尤其是水和石材介质，很重，难以移动，因此值得在其最终位置构建系统。 选定的地点应位于稳定和水平的表面上，位于受到严酷天气保护但暴露在大量阳光下的区域。
稳定性
一定要选择一个稳定和水平的网站。 水生系统的一些主要组件很重，导致系统腿部沉入地面的潜在风险。 这可能导致水流中断、洪水或灾难性崩溃。 找到可用的最高水平和坚实的地面。 混凝土板是合适的，但不允许埋葬任何部件，从而导致绊倒危险。 如果该系统是建立在土壤上，它是有用的分级土壤和放下材料，以减少杂草。 此外，将混凝土或水泥块放置在生长床的腿下，以提高稳定性。 石屑通常用于平整和稳定土壤位置。 此外，将鱼缸放在底座上也很重要；这将有助于提供稳定性，保护水箱，允许在水槽底部进行管道和排水，并将其与地面隔离。
# 暴露于风雨和雪
极端环境条件可能会对植物造成压力并破坏结构（图 4.14）。 强风对植物生产产生相当大的负面影响，并可能对茎和生殖部分造成损害。 此外，强雨可能会损害植物和损坏未受保护的电源插座。 大量雨水会稀释营养丰富的水，如果没有集成溢出机制，可能会淹没系统。 雪会导致同样的问题与大雨相同，加上冰霜损害的威胁。 建议将系统放在风保护区内。 如果暴雨常见，可能需要使用塑料衬里的环形屋来保护系统，尽管并非所有地点都必须这样做。
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# 暴露于阳光和阴影
阳光是至关重要的植物，因此，植物需要在白天接收最佳量的阳光。 大多数常见的水生植物在充满阳光条件下生长良好；但是，如果阳光太强，可以在生长床上安装一个简单的遮阳结构。 一些对光敏感的植物，包括生菜、沙拉蔬菜和一些卷心菜，会在太多的阳光下栓，去种子，变得苦涩和不可口。 适用于丛林地面的其他热带植物，如姜黄和某些观赏植物，当暴露在过度阳光下时，可能会出现叶片烧伤，并且它们在一些阴影下做得更好。 另一方面，在阳光不足的情况下，一些植物的生长速度可能会缓慢。 这种情况可以通过将水生装置放置在阳光明媚的位置来避免。 如果唯一可用的地点是阴影区，建议种植耐遮荫的物种。
系统的设计应该能够利用从东到西穿越天空的太阳。 一般来说，种植床应按空间安排，使最长边位于南北轴线上。 这使得白天最有效地利用太阳。 或者，如果较少的光线较好，则沿东西轴定向床、管道和运河。 还要考虑在何处和何时有阴影穿过所选网站。 要小心在植物的安排，使他们不会无意中阴凉对方。 然而，通过将高大的植物放置在西部，或者通过分散的分布交替，可以使用高大的植物，对阳光敏感的植物从强烈的午后阳光下遮荫。
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不像植物，鱼不需要阳光直射。 事实上，鱼缸在阴凉处是非常重要的。 通常情况下，鱼缸覆盖着放置在罐顶部的可拆卸遮光材料（图 4.15）。 然而，在可能的情况下，最好使用单独的着色结构隔离鱼缸。 这将防止藻类生长（见第 3 章），并将有助于保持一个稳定的水温在白天。 同样值得防止叶片和有机碎片进入鱼缸，因为腐烂的叶片会染色水，影响水的化学和堵塞管道。 要么将系统定位在远离悬垂的植被的地方，要么使水箱保持屏幕覆盖。 此外，鱼缸容易受到捕食者的伤害。 在鱼缸上使用遮阳网、防水布或其他筛查可以防止所有这些威胁。
公用事业、围栏和易于访问
在选址时，重要的是要考虑公用事业的可用性。 水泵和空气泵需要电源插座。 这些出口应防水，并配备残留电流装置 (RCD)，以减少电击风险；RCD 适配器可从标准的硬件商店购买。 此外，无论是城市供水单位还是雨水收集单位，水源都应易于取得。 同样，考虑从系统中排出的任何污水会去哪里。 尽管水泵系统的用水效率极高，但偶尔需要换水，过滤器和澄清器需要进行冲洗。 这是很方便的，有一些土壤植物位于附近，将受益于这种水。 该系统应位于易于日常使用的地方，因为需要经常监测和每日喂食。 最后，考虑是否有必要围栏整个部分。 有时需要围栏来防止盗窃和破坏行为、动物害虫以及某些食品安全法规。
特殊注意事项：屋顶水上乐器
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平坦的屋顶通常是适合用于水生动物的场所，因为它们水平稳定，暴露在阳光下，而且尚未用于农业（图 4.16-4.18）。 然而，在屋顶上构建系统时，必须考虑系统的重量，以及屋顶是否有能力支撑系统，这一点至关重要。 建造屋顶系统之前，必须咨询建筑师或土木工程师。 此外，请务必将材料安全有效地运送到屋顶现场。
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# 温室和遮阳网结构
温室对于小规模水生单位并不是必不可少的，但它们可能有助于延长某些地区的生长季节（图 4.19 和 4.20）。 在世界各地的温带地区和其他较冷的地区尤其如此，因为温室可用于在寒冷的月份保持温水温度，从而实现全年生产。
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温室是由透明尼龙、塑料或玻璃覆盖的金属、木材或塑料框架结构。 这种结构的目的是让阳光（太阳辐射）进入温室，然后陷阱它，以便它开始加热温室内的空气。 随着太阳开始下降，温室的热量被屋顶和墙壁保留在温室，从而在 24 小时内保持温暖和稳定的空气温度。 温室提供一般的环境保护，免受风雪和暴雨的影响。 温室通过保留环境太阳热量来延长生长季节，但也可以从内部加热。 温室可以让动物和其他害虫远离，并作为一些防盗的安全。 温室适合在寒冷的季节工作，并为种植者提供免受天气影响的保护。 温室框架可用于支撑攀岩植物或悬挂遮阳材料。 温室的这些优势加在一起，可以提高生产率和延长作物季节。
然而，这些好处需要与温室的缺点进行平衡。 温室的初始资本成本可能很高，具体取决于技术程度和理想的复杂程度。 温室还需要额外的运营成本，因为需要风扇创建空气流通，以防止过热和过潮湿的环境。 有些疾病和虫害在温室更为普遍，需要相应地加以管理（即在门窗上使用昆虫蚊帐），尽管封闭的环境可能有利于使用某些虫害控制措施。
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在一些热带地区，净房比用聚乙烯塑料或玻璃覆盖的传统温室更合适（图 4.21）。 这是因为热带地区或亚热带地区的炎热气候使人们需要更好的通风以避免高温和高湿度。 净房屋包括一个框架在生长床上覆盖着网状网沿四面墙和顶部的塑料屋顶。 塑料屋顶对于防止雨水进入特别重要，尤其是在雨季强烈的地区，因为单位可能在几天内溢出。 网房屋用于消除与热带地区有关的许多有害害虫的威胁，以及鸟类和较大的动物。 四个墙壁的理想网格尺寸取决于当地的害虫。 对于大型昆虫，网格大小应为 0.5 毫米。 对于通常是病毒性疾病的载体较小的病媒，网格尺寸应该更厚（即网格 50）。 净房屋可以提供一些阴影，如果阳光太强烈。 常见遮阳材料从 25% 到 60% 的防晒霜不等。
- 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。 *
媒体床技术
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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）。
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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;
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-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）。
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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;
和
-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。
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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。
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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。
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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。 *