CN116500956B - 水环境监测控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及检测控制技术领域，尤其涉及一种水环境监测控制***，包括水产饲养监测单元、作物培育监测单元、硝化处理监测单元、水环境分析单元以及水循环控制单元，本发明通过检测水产饲养水体中的有机氮含量、水产饲养水体中鱼体的生长情况、作物生长水体的无机氮含量及作物生长情况，以调整第一水循环速度和第二水循环速度，并根据第一水循环当量和第二水循环当量调整硝化处理的工作效率，避免水循环中氮元素由于产出与消耗不匹配造成的氮元素累积，提高了水产饲养水体的净化效率，并满足了作物培育水体的无机氮需求。
Description
技术领域
本发明涉及检测控制技术领域，尤其涉及一种水环境监测控制***。
背景技术
氮循环过程是指氮元素在地球大气圈、生物圈、土壤圈、水圈之间迁移转化和周转循环的过程。生物固氮 (Biological nitrogen fixation)指固氮微生物以自生固氮、共生固氮和联合固氮的形式将大气中的氮气转化为氨的过程，构成陆地生态***氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用，豆科植物—根瘤菌是经典的生物固氮模式。
中国专利公开号CN115657568A公开了一种水产养殖环境智能化检测及控制装置，包括***设备箱，所述的***设备箱由STM32F103ZET6+ESP8266无线WIFI模块、降压模块、继电器组件等组成；***设备箱的一侧固定连接有执行元件，执行元件包括增氧泵和进水蝶阀，分别与***设备箱内的继电器相连接；***设备箱的另一侧固定连接有水质信息采集装置，水质信息采集装置包括6种水质传感器：溶解氧传感器、pH值传感器、温度传感器、亚硝酸盐传感器、氨氮传感器和液位传感器；中国专利公开号CN214253025U公开了一种高端温室无土栽培水肥控制***，其技术方案要点是包括水肥混合模块，水肥混合模块的输出端连接有种植模块；种植模块连通有用于对多余营养液进行回收的回收模块，回收模块与水肥混合模块连通；水肥混合模块内部设置有单片机，单片机耦接有用于对营养液进行EC值和PH值监测的检测模块，单片机同时耦接有对EC值和PH值进行显示的显示屏；检测模块对回收的营养液的EC值和PH值进行检测，当实际EC值过高并大于预设EC值或PH值过低并小于预设PH值时，向水肥混合模块中加入适量的水；达到了实现营养液的回收利用，并使回收的营养液EC值和PH值满足植物的生长需求的目的；
由此可见，上述水产养殖及无土栽培作物养殖中，均需满足对应的水环境生存要求，在规模化养殖中，氮元素在水产养殖与作物培育过程中通过硝化反应能够建立氮元素的循环利用，提高了水产养殖中废料的边际利用率，降低了单品类养殖的成本，具有良好的环境价值和经济价值，但是，在目前的联合养殖过程中，水产养殖周期与作物生长周期普遍不同步，并且水产养殖各阶段产出的有机氮元素量不均衡，使得以单一循环模式进行共生养殖无法根据实际的养殖情况实现氮循环的高效利用，容易造成氮循环利用率低，或循环养殖水体环境崩溃的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种水环境监测控制***，用以克服现有技术中无法根据实际的养殖情况调整氮循环工作模式，造成氮循环利用率低和元素富集的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种水环境监测控制***，包括：
水产饲养监测单元，其设置在饲养鱼类的水环境中，用以周期性检测水产饲养水体中的有机氮含量，以及水产饲养水体中鱼体的生长情况；
作物培育监测单元，其设置在需氮作物生长基质或生长水体中，用以周期性检测作物培育过程中的需氮作物根部水体中无机氮的种类及对应含量，以及需氮作物的生长情况；
硝化处理监测单元，其设置在硝化处理池或需氮作物生长基质中，用以周期性检测硝化处理池或需氮作物生长基质水体的有机氮的种类及对应含量、无机氮的种类及对应含量、硝化处理过程水体流入端和流出端的水流流速；
水环境分析单元，其分别与所述水产饲养监测单元、所述作物培育监测单元以及所述硝化处理监测单元相连，用以根据当前鱼类生长时期对应的有机氮排放量确定第一水循环速度，根据需氮作物根部水体中无机氮的含量调整第二水循环速度，并根据第一水循环当量和第二水循环当量调整硝化处理的工作效率；
水循环控制单元，其分别与所述水产饲养监测单元、所述作物培育监测单元、所述硝化处理监测单元以及所述水环境分析单元相连，用以根据鱼类成熟周期以及需氮作物的成熟周期确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长，并根据所述硝化处理的工作效率调整硝化处理的参与值；
其中，所述第一水循环速度为水产饲养水体单位时间的出水流量，所述第二水循环速度为需氮作物根部水体单位时间的入水流量，所述硝化处理的工作效率为单位时间内有机氮向无机氮转化的转化效率。
进一步地，所述水环境分析单元根据所述水产饲养监测单元检测的有机氮含量与当前鱼体生长阶段对应的预设有机氮允许标准进行比对，并根据比对结果确定第一水循环速度；
其中，所述当前鱼体生长阶段根据当前鱼体的生长情况确定。
进一步地，所述水环境分析单元根据作物培育监测单元检测的所述需氮作物根部水体中无机氮的含量确定若干第二水循环速度的调整方式，包括：
根据需氮作物根部水体中无机氮的含量与预设无机氮含量标准进行比对，并根据比对结果调整所述第二水循环速度；
根据当前检测的需氮作物根部水体中无机氮的含量与前次检测的需氮作物根部水体中无机氮的含量调整所述第二水循环速度；
根据需氮作物根部水体中无机氮的含量与需氮作物根部水体出水口的无机氮的含量调整所述第二水循环速度；
其中，所述预设无机氮含量标准根据所述作物培育监测单元检测的需氮作物的生长情况确定。
进一步地，所述水环境分析单元根据第一水循环当量和第二水循环当量确定转化系数，并根据转化系数调整硝化处理的工作效率；
转化系数由下式确定：
，
式中，为第一水循环当量，/>为第二水循环当量；
，
，
为水产饲养水体中有机氮排放量随对应鱼体的生长时间的关系函数，，/>为需氮作物根部水体无机氮消耗量随需氮作物的生长时间的关系函数，/>，t11为前一个检测周期的检测时间对应的鱼体的生长时间，t12为当前检测周期的检测时间对应的鱼体的生长时间，t21为前一个检测周期的检测时间对应的需氮作物的生长时间，t22为当前检测周期的检测时间对应的需氮作物的生长时间，且以及/>均在t≥0上任意一点存在唯一值。
进一步地，所述水环境分析单元根据所述转化系数调整硝化处理的工作效率的调整方式包括：
将所述硝化处理的工作效率调整为所述转化系数对应的需求效率，或根据所述转化系数与预设转化系数进行比较并根据比较结果调整硝化处理的工作效率，若转化系数小于等于预设转化系数，将硝化处理的工作效率调小，若转化系数大于预设转化系数，将硝化处理的工作效率调大。
进一步地，所述水循环控制单元将鱼类成熟周期与需氮作物的成熟周期进行比较，并根据比较得到的周期较小值Tmin确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长。
其中，间隔时长T由下式确定：
T=Tmin/B
式中，B为Nmin与Nmax的最小公倍数，Nmin为周期较小值对应的最少检测次数，Nmax为周期较大值对应的最少检测次数；
若鱼类成熟周期大于等于需氮作物的成熟周期，所述周期较小值为需氮作物的成熟周期对应的时长；若鱼类成熟周期小于需氮作物的成熟周期，所述周期较小值为鱼类成熟周期对应的时长，周期较大值根据周期较小值对应设置。
进一步地，所述水循环控制单元根据所述硝化处理的工作效率与预设单位处理效率进行比较调整硝化处理的参与值，或根据所述硝化处理的工作效率与当前硝化处理效率进行比较调整硝化处理的参与值。
进一步地，所述水循环控制单元中设置有硝化处理参与值调整装置，包括：
第一调整组件，其设置在需氮作物的生长基质或硝化处理池中，用以改变参与硝化处理的生长基质的体积或硝化处理池中硝化细菌的参与量；
中转池，其与所述需氮作物的根部水体的入水口或硝化处理池的出水口相连，用以储存经硝化处理后的循环水体；
第二调整组件，其与所述中转池的水体出水口相连，用以调整中转池的水体出水口的开闭状态，以及调整中转池的水体的出水流量。
进一步地，所述水循环控制单元根据调整硝化处理的参与值的次数占总检测次数的比值确定若干单个检测周期的间隔时长的调整方式。
进一步地，所述水循环控制单元根据所述比值与预设比值的大小关系确定单个检测周期的间隔时长的调整方式，包括：
若所述比值大于等于预设比值，所述水循环控制单元将单个检测周期的间隔时长调小；
若所述比值小于预设比值，所述水循环控制单元将单个检测周期的间隔时长调大。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过在氮循环的共生养殖中监测氮元素在有机态与无机态之间的产出和利用情况，监测水环境氮循环的利用率，通过控制水环境氮循环随水体流动的速率，调整有机氮与无机氮的转化中未利用部分对水体的富集，避免了氮循环中氮元素累积造成的共生***崩溃，根据实际的养殖情况实现氮循环的高效利用。
进一步地，本发明根据实际检测的鱼体生长情况确定与鱼体生长阶段对应的预设有机氮允许标准以确定第一水循环速度，并根据需氮作物根部水体中无机氮的含量确定第二水循环速度的调整方式，通过调整第一水循环速度和第二水循环速度，避免水循环中氮元素由于产出与消耗不匹配造成的氮元素累积，提高了水产饲养水体的净化效率，并满足了作物培育水体的无机氮需求。
进一步地，本发明通过第一水循环当量和第二水循环当量确定转化系数，并根据转化系数调整硝化处理的工作效率，有效的保证了有机氮和无机氮转化过程中的平衡，并且通过需求效率调整硝化处理的参与值，有效的保证了硝化处理能够满足氮循环的需求，避免产生硝化处理速度与有机氮的排放速度或无机氮的需求速度不匹配造成的水体在硝化处理环节堆积，提高了***的氮循环效率。
进一步地，本发明在硝化处理的工作效率能够达到转化系数对应的需求效率时，将所述硝化处理的工作效率调整为所述转化系数对应的需求效率，能够使氮循环能够达到最佳的利用率。
进一步地，本发明通过设定有预设单位处理效率与单位调整量的硝化处理细菌的硝化处理参与量对应，能够通过均匀调整硝化处理细菌的硝化处理参与量实现调整硝化处理的工作效率，计算得到的硝化处理的参与值为具体的预设单位调整量，进一步地提升了本发明氮循环的调整精细程度。
进一步地，本发明通过设置有周期较小值Tmin确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长，能够克服有机氮排放量或无机氮需求量的突变时未在检测时间导致的氮循环不匹配造成的氮循环崩溃问题，提高了本发明的控制及时性。
进一步地，本发明水循环控制单元根据硝化处理的工作效率对硝化处理的参与值进行调整，统计调整硝化处理的参与值的次数占总检测次数的比值能够获得***稳定性的状态，比值越大，***的循环越不稳定，因此，通过与***设定的稳定性达标对应的预设比值进行比较，调整单个检测周期的间隔时长，进一步提升了本发明控制的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例水环境监测控制***的示意图；
图2为本发明实施例水环境监测控制***的应用场景示意图；
图3为本发明实施例水环境监测控制***的控制逻辑图；
图4为本发明硝化处理参与值调整装置的示意图；
图中：1，饲养鱼类水产的饲养池；2，种植无土栽培作物的水培作物苗床；3硝化处理循环装置；31，可调节硝化处理池；41，第一调整组件，42，中转池；43，第二调整组件；51，饲养池水体流入口；52，硝化处理后水体的出水口。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
氮循环(Nitrogen Cycle)是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态***的物质循环。各个生态***中氮的循环和转化都可分为氮的输入、转 化和输出三个部分。本发明的水环境监测控制***通过在鱼菜共生***中氮循环过程中的标记性产物，控制氮循环转化过程，从而实现氮的有效利用。
实施例：请参阅图1所示，其为本发明实施例水环境监测控制***的示意图，本发明提供一种水环境监测控制***，包括：
水产饲养监测单元，其设置在饲养鱼类的水环境中，用以周期性检测水产饲养水体中的有机氮含量，以及水产饲养水体中鱼体的生长情况；
作物培育监测单元，其设置在需氮作物生长基质或生长水体中，用以周期性检测作物培育过程中的需氮作物根部水体中无机氮的种类及对应含量，以及需氮作物的生长情况；
硝化处理监测单元，其设置在硝化处理池或需氮作物生长基质中，用以周期性检测硝化处理池或需氮作物生长基质水体的有机氮的种类及对应含量、无机氮的种类及对应含量、硝化处理过程水体流入端和流出端的水流流速；
水环境分析单元，其分别与水产饲养监测单元、作物培育监测单元以及硝化处理监测单元相连，用以根据当前鱼类生长时期对应的有机氮排放量确定第一水循环速度，根据需氮作物根部水体中无机氮的含量调整第二水循环速度，并根据第一水循环当量和第二水循环当量调整硝化处理的工作效率；
水循环控制单元，其分别与水产饲养监测单元、作物培育监测单元、硝化处理监测单元以及水环境分析单元相连，用以根据鱼类成熟周期以及需氮作物的成熟周期确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长，并根据硝化处理的工作效率调整硝化处理的参与值；
其中，第一水循环速度为水产饲养水体单位时间的出水流量，第二水循环速度为需氮作物根部水体单位时间的入水流量，硝化处理的工作效率为单位时间内有机氮向无机氮转化的转化效率。
在实施中，鱼类的生长情况包括体长和重量，可采用图像传感器采集若干体长数据和腰围数据，并根据体长数据和腰围数据进行对应鱼类品种的重量身长模型拟合，能够获得鱼体重量的计算值。水产饲养水体中进行检测的水样应取自饲养鱼类的水环境的下部，高度位于水体总高度的30%以下并适当上下搅拌，以使取样的水体样本包含饲料残渣和***物。
需氮作物的生长情况可根据具体的作物种类选取株高、茎粗、叶片大小或叶片数量作为作物生长情况的表征数据。
请参阅图2所示，其为本发明实施例水环境监测控制***的应用场景示意图，本发明的环境监测控制***能够用于氮循环的鱼菜共生生态循环***中，鱼菜共生循环***中设置有饲养鱼类水产的饲养池1、种植无土栽培作物的水培作物苗床2、硝化处理循环装置3。
硝化处理循环装置与饲养池水体以及水培作物水体通过管道相连，硝化处理循环装置可以采用硝化处理细菌床，以实现过滤水中固体残渣并通过合理设置的细菌将饲养池水体中的饲料残渣及鱼类粪便中的有机态氮元素（氨氮）经硝化处理为无机氮（亚硝酸盐/硝酸盐）。
鱼菜共生生态循环***中，饲养池水体中饲料残渣及鱼类粪便中的氮元素以有机态氨氮形式存在，通过可调流速的第一水泵驱动饲养池水体流向硝化处理循环装置，在硝化处理细菌床中经过滤和硝化处理后，再经第二水泵驱动流向中转储水池和/或经第三水泵驱动流向水培作物苗床，之后将经过滤和硝化处理后的水引入水培作物苗床作为水培作物的水肥源，此时，通过根据需氮作物的需氮量依次由多到少设置水肥源的流向，最后在水肥源的流向末端设置第四水泵驱动水体回流，返回饲养池水体中，完成了鱼菜共生生态循环***中的氮循环利用。
在实施中，鱼菜共生生态循环***中设置包括：水产饲养监测单元，其设置在饲养池中靠近饲养池水体底部，包括第一水质成分检测装置和视觉检测装置；
作物培育监测单元，其设置在水培作物苗床上，包括设置在水培作物苗床下部靠近作物根部的第二水质检测装置和用以检测作物生长情况的检测器，例如检测作物高度的高度检测器或检测作物茎粗的尺寸检测器；
硝化处理监测单元，设置在硝化处理循环装置中，包括用以检测硝化处理细菌进行硝化处理的水体中有机氮的种类及对应含量、无机氮的种类及对应含量的第三水质检测装置，设置在硝化处理循环装置的进水口采集水流流速的第一流速计，以及设置在硝化处理循环装置的出水口采集水流流速的第二流速计。
本发明通过在氮循环的共生养殖中监测氮元素在有机态与无机态之间的产出和利用情况，监测水环境氮循环的利用率，通过控制水环境氮循环随水体流动的速率，调整有机氮与无机氮的转化中未利用部分对水体的富集，避免了氮循环中氮元素累积造成的共生***崩溃，根据实际的养殖情况实现氮循环的高效利用。
请参阅图3所示，其为本发明实施例水环境监测控制***的控制逻辑图，水环境分析单元根据水产饲养监测单元检测的有机氮含量与当前鱼体生长阶段对应的预设有机氮允许标准进行比对，并根据比对结果确定第一水循环速度；
其中，所述当前鱼体生长阶段根据当前鱼体的生长情况确定。
在实施中，可采用的方式包括：
若检测的有机氮含量小于预设有机氮允许标准，将当前第一水循环速度调小；
若检测的有机氮含量等于预设有机氮允许标准，无需调整当前第一水循环速度；
若检测的有机氮含量大于预设有机氮允许标准，将当前第一水循环速度调大；
或，水环境分析单元中设有有机氮含量与水循环速度的对应关系函数，根据有机氮含量的数值在对应关系函数将第一水循环速度调整至对应值。
可以理解的是，水环境分析单元中设置有对应鱼体生长阶段的预设有机氮允许标准，该预设有机氮允许标准可以是具体的数值，也可以是一个数据范围，其具体数值或数据范围与饲喂的水产鱼体种类有关，能够根据实际的养殖标准、氮循环预期指标或洁净度要求进行设定，在此不再赘述。
请继续参阅图3所示，水环境分析单元根据作物培育监测单元检测的所述需氮作物根部水体中无机氮的含量确定若干第二水循环速度的调整方式，包括：
根据需氮作物根部水体中无机氮的含量与预设无机氮含量标准进行比对，并根据比对结果调整所述第二水循环速度；
调整方式一，根据当前检测的需氮作物根部水体中无机氮的含量与前次检测的需氮作物根部水体中无机氮的含量调整所述第二水循环速度；
调整方式二，根据需氮作物根部水体中无机氮的含量与需氮作物根部水体出水口的无机氮的含量调整所述第二水循环速度；
其中，预设无机氮含量标准根据所述作物培育监测单元检测的需氮作物的生长情况确定。
在实施中，调整方式一的第二水循环速度调整与前述第一水循环速度的确定方式同理，能够根据与预设无机氮含量标准进行比对进行调整，并且，预设无机氮含量标准与实施中需氮作物的生长情况有关，在此不再赘述。
本发明根据实际检测的鱼体生长情况确定与鱼体生长阶段对应的预设有机氮允许标准以确定第一水循环速度，并根据需氮作物根部水体中无机氮的含量确定第二水循环速度的调整方式，通过调整第一水循环速度和第二水循环速度，避免水循环中氮元素由于有机氮的产出与无机氮的消耗不匹配造成的氮元素累积，提高了水产饲养水体的净化效率，并满足了作物培育水体的无机氮需求。
请继续参阅图3所示，水环境分析单元根据第一水循环当量和第二水循环当量确定转化系数，并根据转化系数调整硝化处理的工作效率；
转化系数由下式确定：
，
式中，为第一水循环当量，/>为第二水循环当量；
，
，
具体而言，所述水环境分析单元将所述水产饲养监测单元的检测时间、所述硝化处理监测单元的检测时间与所述作物培育监测单元的检测时间调整至同步；
其中，为水产饲养水体中有机氮排放量随对应鱼体的生长时间的关系函数，，/>为需氮作物根部水体无机氮消耗量随需氮作物的生长时间的关系函数，/>，t11为前一个检测周期的检测时间对应的鱼体的生长时间，t12为当前检测周期的检测时间对应的鱼体的生长时间，t21为前一个检测周期的检测时间对应的需氮作物的生长时间，t22为当前检测周期的检测时间对应的需氮作物的生长时间，且以及/>均在t≥0上任意一点存在唯一值。
在实施中，的函数关系能够通过周期性控制水产饲养监测单元检测自鱼苗投放后至鱼苗生长全周期中，在各个检测时间中的有机氮排放量获得，/>的函数关系能够通过周期性控制作物培育监测单元检测自需氮作物定植后至作物生长成熟收获全周期中，在各个检测周期中的无机氮的消耗量获得。
优选的，鱼苗投放单种类的若干鱼体，各鱼体尺寸和出生天数尽量相同或相近，以使的函数关系精确，如有需要，可分别获得若干种类的鱼体对应的/>；需氮作物栽培单种类的若干作物幼苗，各作物幼苗尺寸和生长天数尽量相同或相近，以使的函数关系精确，如有需要，可分别获得若干种类的作物对应的/>。
可以理解的是，在全周期中，对鱼体饲养投喂的饲料量、光照强度、光照时长、水体温度、饲料配方、投料时间等应保持尽量与实际喂养场景一致，以获取水体中有机氮的排放量与实际喂养鱼体的场景一致，以提高函数的精确度；在检测全周期中，对需氮作物培育中的光照强度、光照时长、环境温度、水培水液温度等应保持尽量与实际喂养场景一致，以获取水体中无机氮消耗量与实际需氮作物培育的场景一致，以提高函数的精确度。
本发明通过第一水循环当量和第二水循环当量确定转化系数，并根据转化系数调整硝化处理的工作效率，有效的保证了有机氮和无机氮转化过程中的平衡，并且通过需求效率调整硝化处理的参与值，有效的保证了硝化处理能够满足氮循环的需求，避免产生硝化处理速度与有机氮的排放速度或无机氮的需求速度不匹配造成的水体在硝化处理环节堆积，提高了***的氮循环效率。
继续请参阅图3所示，水环境分析单元根据转化系数调整硝化处理的工作效率的调整方式包括：
将硝化处理的工作效率调整为转化系数对应的需求效率；
或，根据转化系数与预设转化系数进行比较并根据比较结果调整硝化处理的工作效率，其中，若转化系数小于等于预设转化系数，将硝化处理的工作效率调小，若转化系数大于预设转化系数，将硝化处理的工作效率调大。
可以理解的是，转化系数体现的即为在鱼菜共生生态循环***中将有机氮转化为无机氮的理想转化率（即转化系数对应的工作效率），当硝化处理的工作效率与理想转化率相同时，鱼菜共生生态循环***的氮循环能够实现供给与需求的相等，氮循环能够达到最佳的利用率。
因此，在硝化处理的工作效率能够达到转化系数对应的需求效率时，将所述硝化处理的工作效率调整为所述转化系数对应的需求效率，能够使氮循环能够达到最佳的利用率；
预设转化系数能够根据当前硝化处理的工作效率对应的有机氮向无机氮的转化量进行计算得到，若转化系数小于等于预设转化系数，则认为当前硝化处理的工作效率高于理想转化率，将硝化处理的工作效率调小，若转化系数大于预设转化系数，则认为当前硝化处理的工作效率低于理想转化率，将硝化处理的工作效率调大。
在实际的场景中，硝化处理的工作效率的调整能够通过调整硝化处理细菌的硝化处理参与量进行调整，硝化处理参与量在实际应用中具有阈值（硝化处理循环装置的最大有效细菌量），当硝化处理的工作效率调整至确定的阈值上限时，此时硝化处理的工作效率无法继续调大，并且，硝化处理的工作效率调小时的硝化处理细菌的硝化处理参与量未能实现高效的硝化效果，此时，可以通过设置有中转池进行工作效率缓冲，在需要硝化处理的工作效率调小时将部分硝化处理后的水体输送至中转池进行存储，当需要硝化处理的工作效率调大超出阈值上限时将中转池中硝化处理后的水体按需求量输送至水培作物水体中进行补充，能够进一步扩展硝化处理的工作效率调整范围，使得硝化处理更加灵活。
请参阅图4所示，水循环控制单元中设置有硝化处理参与值调整装置，包括：
第一调整组件41，其设置在需氮作物的生长基质或与第一调整组件41相配合的可调节硝化处理池31中，用以改变参与硝化处理的生长基质的体积或可调节硝化处理池中硝化细菌的参与量；
中转池42，其与所述需氮作物的根部水体的入水口或可调节硝化处理池31的出水口相连，用以储存经硝化处理后的循环水体；
第二调整组件43，其与所述中转池42的水体出水口相连，用以调整中转池的水体出水口的开闭状态，以及调整中转池的水体的出水流量。
可以理解的是，改变参与硝化处理的生长基质的体积或硝化处理池中硝化细菌的参与量的目的为，调整硝化处理细菌的硝化处理参与量，在具体实施中，第一调整组件的实现形式不做具体限定，只要能够实现改变参与硝化处理的生长基质的体积或硝化处理池中硝化细菌的参与量即可，在此不做限定。
具体而言，水循环控制单元根据硝化处理的工作效率与预设单位处理效率进行比较调整硝化处理的参与值，或根据硝化处理的工作效率与当前硝化处理效率进行比较调整硝化处理的参与值。
硝化处理的参与值k计算如下：
k=G÷g0
其中，G为硝化处理的工作效率，g0为预设单位处理效率。
可以理解的是，通过设定有预设单位处理效率与单位调整量的硝化处理细菌的硝化处理参与量对应，能够通过均匀调整硝化处理细菌的硝化处理参与量实现调整硝化处理的工作效率，计算得到的硝化处理的参与值为具体的预设单位调整量，进一步地提升了本发明氮循环的调整精细程度。
具体而言，水循环控制单元将鱼类成熟周期与需氮作物的成熟周期进行比较，并根据比较得到的周期较小值Tmin确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长；
其中，间隔时长T由下式确定：
T=Tmin/B
式中，B为Nmin与Nmax的最小公倍数，Nmin为周期较小值对应的最少检测次数，Nmax为周期较大值对应的最少检测次数；
若鱼类成熟周期大于等于需氮作物的成熟周期，所述周期较小值为需氮作物的成熟周期对应的时长；若鱼类成熟周期小于需氮作物的成熟周期，所述周期较小值为鱼类成熟周期对应的时长，周期较大值根据周期较小值对应设置。
在实施中，鱼类成熟周期和需氮作物的成熟周期对应的最少检测次数能够根据和/>的导函数确定，通过设置有氮含量的变化允许范围，将/>和的导函数中确定超出氮含量的变化允许范围的时间点，分别统计时间点的个数记为对应的最少检测次数。
鱼类成熟周期和需氮作物的成熟周期通常是不相等的，即存在鱼类收获后需氮作物未成熟的情况或需氮作物成熟后鱼类未收获的情况，造成的***氮循环有机氮排放量或无机氮需求量的突变，通过设置有周期较小值Tmin确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长，能够克服有机氮排放量或无机氮需求量的突变时未在检测时间导致的氮循环不匹配造成的氮循环崩溃问题，提高了本发明的控制及时性。
具体而言，水循环控制单元根据调整硝化处理的参与值的次数占总检测次数的比值确定若干单个检测周期的间隔时长的调整方式，具体包括：
水循环控制单元根据所述比值与预设比值的大小关系确定单个检测周期的间隔时长的调整方式；
若所述比值大于等于预设比值，水循环控制单元将单个检测周期的间隔时长调小；
若所述比值小于预设比值，水循环控制单元将单个检测周期的间隔时长调大。
可以理解的是，在单次检测中，水循环分析单元根据检测到各个检测值对第一水循环速度、第二水循环速度、第一水循环当量和第二水循环当量和转化系数进行确定，对硝化处理的工作效率进行调节，水循环控制单元根据硝化处理的工作效率对硝化处理的参与值进行调整，统计调整硝化处理的参与值的次数占总检测次数的比值能够获得***稳定性的状态，比值越大，***的循环越不稳定，因此，通过与***设定的稳定性达标对应的最大比值（即预设比值）进行比较，调整单个检测周期的间隔时长，进一步提升了本发明控制的稳定性。
本发明中提及的有机氮主要指氨氮，无机氮包括硝酸盐、铵盐等，本发明中硝化作用的细菌指硝化作用微生物，包括细菌、古细菌、真菌等，利用不同的生物酶进行着不同机制的硝化作用。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种水环境监测控制***，其特征在于，包括：
水产饲养监测单元，其设置在饲养鱼类的水环境中，用以周期性检测水产饲养水体中的有机氮含量，以及水产饲养水体中鱼体的生长情况；
作物培育监测单元，其设置在需氮作物生长水体中，用以周期性检测作物培育过程中的需氮作物根部水体中无机氮的种类及对应含量，以及需氮作物的生长情况；
硝化处理监测单元，其设置在硝化处理池或需氮作物生长基质中，用以周期性检测硝化处理池或需氮作物生长基质水体的有机氮的种类及对应含量、无机氮的种类及对应含量、硝化处理过程水体流入端和流出端的水流流速；
水环境分析单元，其分别与所述水产饲养监测单元、所述作物培育监测单元以及所述硝化处理监测单元相连，用以根据当前鱼类生长时期对应的有机氮排放量确定第一水循环速度，根据需氮作物根部水体中无机氮的含量调整第二水循环速度，并根据第一水循环当量和第二水循环当量调整硝化处理的工作效率；
水循环控制单元，其分别与所述水产饲养监测单元、所述作物培育监测单元、所述硝化处理监测单元以及所述水环境分析单元相连，用以根据鱼类成熟周期以及需氮作物的成熟周期确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长，并根据所述硝化处理的工作效率调整硝化处理的参与值；
其中，所述第一水循环速度为水产饲养水体单位时间的出水流量，所述第二水循环速度为需氮作物根部水体单位时间的入水流量，所述硝化处理的工作效率为单位时间内有机氮向无机氮转化的转化效率；
所述水环境分析单元根据第一水循环当量和第二水循环当量确定转化系数，并根据转化系数调整硝化处理的工作效率；
转化系数由下式确定：
，
式中，为第一水循环当量，/>为第二水循环当量；
，
，
为水产饲养水体中有机氮排放量随对应鱼体的生长时间的关系函数，，/>为需氮作物根部水体无机氮消耗量随需氮作物的生长时间的关系函数，/>，t11为前一个检测周期的检测时间对应的鱼体的生长时间，t12为当前检测周期的检测时间对应的鱼体的生长时间，t21为前一个检测周期的检测时间对应的需氮作物的生长时间，t22为当前检测周期的检测时间对应的需氮作物的生长时间，且以及/>均在t≥0上任意一点存在唯一值；
所述水环境分析单元根据所述转化系数调整硝化处理的工作效率的调整方式包括：
将所述硝化处理的工作效率调整为所述转化系数对应的需求效率，或根据所述转化系数与预设转化系数进行比较并根据比较结果调整硝化处理的工作效率，若转化系数小于等于预设转化系数，将硝化处理的工作效率调小，若转化系数大于预设转化系数，将硝化处理的工作效率调大；
所述水循环控制单元将鱼类成熟周期与需氮作物的成熟周期进行比较，并根据比较得到的周期较小值确定水产饲养监测单元的单个检测周期的间隔时长。
2.根据权利要求1所述的水环境监测控制***，其特征在于，所述水环境分析单元根据所述水产饲养监测单元检测的有机氮含量与当前鱼体生长阶段对应的预设有机氮允许标准进行比对，并根据比对结果确定第一水循环速度；
其中，所述当前鱼体生长阶段根据当前鱼体的生长情况确定。
3.根据权利要求2所述的水环境监测控制***，其特征在于，所述水环境分析单元根据作物培育监测单元检测的所述需氮作物根部水体中无机氮的含量确定若干第二水循环速度的调整方式，包括：
根据需氮作物根部水体中无机氮的含量与预设无机氮含量标准进行比对，并根据比对结果调整所述第二水循环速度；
根据当前检测的需氮作物根部水体中无机氮的含量与前次检测的需氮作物根部水体中无机氮的含量调整所述第二水循环速度；
根据需氮作物根部水体中无机氮的含量与需氮作物根部水体出水口的无机氮的含量调整所述第二水循环速度；
其中，所述预设无机氮含量标准根据所述作物培育监测单元检测的需氮作物的生长情况确定。
4.根据权利要求3所述的水环境监测控制***，其特征在于，所述水循环控制单元根据所述硝化处理的工作效率与预设单位处理效率进行比较调整硝化处理的参与值，或根据所述硝化处理的工作效率与当前硝化处理效率进行比较调整硝化处理的参与值。
5.根据权利要求4所述的水环境监测控制***，其特征在于，所述水循环控制单元中设置有硝化处理参与值调整装置，包括：
第一调整组件，其设置在需氮作物的生长基质或硝化处理池中，用以改变参与硝化处理的生长基质的体积或硝化处理池中硝化细菌的参与量；
中转池，其与所述需氮作物的根部水体的入水口或硝化处理池的出水口相连，用以储存经硝化处理后的循环水体；
第二调整组件，其与所述中转池的水体出水口相连，用以调整中转池的水体出水口的开闭状态，以及调整中转池的水体的出水流量。
6.根据权利要求1所述的水环境监测控制***，其特征在于，所述水循环控制单元根据硝化处理的参与值的调整次数占总检测次数的比值确定若干单个检测周期的间隔时长的调整方式。
7.根据权利要求6所述的水环境监测控制***，其特征在于，所述水循环控制单元根据所述比值与预设比值的大小关系确定单个检测周期的间隔时长的调整方式，包括：
若所述比值大于等于预设比值，所述水循环控制单元将单个检测周期的间隔时长调小；
若所述比值小于预设比值，所述水循环控制单元将单个检测周期的间隔时长调大。
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| CN116500956A (zh) | 2023-07-28 |
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| PB01 | Publication | ||
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