第 11 课 三种技术路线深度对比与尺寸计算¶
Part III · 设计与搭建 ｜ 前置：第 2、10 课 ｜ 对应原书：4.3–4.6、8.1 一句话：三种路线（基质床/NFT/DWC）的差别，本质上只在"谁来做过滤" 和 "根怎么呼吸"。把这两个问题答完，选型就结束了。
11.1 先建立"过滤账本"¶
第 2 课给了定性对比，第 10 课给了组件，这一课把它们变成可以决策的账本。
三种路线，差异只有三项：
| 谁做机械过滤 | 谁做生物过滤 | 谁给根供氧 | |
|---|---|---|---|
| 基质床 | 基质颗粒 | 基质颗粒上的生物膜 | 潮汐排空时的颗粒间空气 |
| NFT | 额外设备 | 额外设备 | 薄水膜上方的管内空气 |
| DWC | 额外设备 | 额外设备 | 额外曝气 |
这就是全部差异的来源。 后面所有的优缺点，都是从这三格推出来的。
11.1.1 推一遍（训练推论能力）¶
推论 1：基质床最便宜 → 因为它省掉了两个设备（机械 + 生物过滤器）。
推论 2：基质床最重 → 因为基质密度大（陶粒堆积密度 300–400 kg/m³，火山石 450–550 kg/m³），且要持水。
推论 3：NFT 最怕停电 → 因为它的根只靠一层薄水膜（1–3 mm），没有储存能力。停泵 → 30–60 分钟内根干死。
推论 4：DWC 容错最高 → 因为水体最大（同样产量的 2–3 倍水量），对温度、pH、养分的波动有最强缓冲；即使停泵，水还在，只是缺氧，鱼和根能撑更久（但必须曝气才安全）。
推论 5：DWC 启动最慢 → 因为水体大，养分累积到植物需要的浓度需要更长时间。
推论 6：块根作物只能种在基质床 → 因为需要可膨大的固体介质；NFT 的薄水膜和 DWC 的深水都无法支撑块根。
这六条推论，你以后遇到任何"某系统能不能做 X"的问题，都可以用这三格账本推出来，不用查资料。
11.2 基质床：深度展开¶
11.2.1 水流动力学（决定成败）¶
基质床的两种水管理模式：
| 模式 | 说明 | 特点 |
|---|---|---|
| 连续流 | 水持续慢速流过床体 | 简单，但根区长期浸水 → 缺氧风险 |
| 潮汐式（Ebb & Flow / Flood & Drain） | 周期性灌满 → 排空 | 根区在排空时获得空气，是最优模式 |
潮汐式是基质床的主流做法，因为它直接解决了"水 + 气"的矛盾（第 2 课的核心矛盾）。
灌排的实现方式：
| 方式 | 说明 |
|---|---|
| 定时器 + 水泵 | 电子定时器控制泵开/关，简单可靠 |
| 贝尔虹吸（Bell Siphon） | 靠水位自动触发"灌满→快速排空"，无需电控 |
| 环形虹吸（Loop Siphon） | 类似贝尔，结构不同 |
本项目用贝尔虹吸。原书 8.2.1 的提醒很关键："如果使用钟形虹吸管，要调整水流速度以确保自动虹吸的功能。水的流速要足够可以激活虹吸，但是也不能太快，以防止虹吸停止。"
这句话给出了调机方向：流量偏差的两个方向都失败，不是"越大越好"。
11.2.2 基质床的三个区域（原书 4.3.5）¶
这是理解"床为什么能同时干这么多活"的关键：
┌──────────────────────────────────────────┐
│ ① 上层 / 干区 │
│ · 保持相对干燥 │
│ · 抑制藻类生长 │
│ · 定植时"种在满水最高点下方 5–7 cm" │
├──────────────────────────────────────────┤
│ ② 中层 / 根区（核心功能区） │
│ · 根系密集 │
│ · 硝化菌主要栖息地 │
│ · 潮汐灌排 = 水气交替 │
├──────────────────────────────────────────┤
│ ③ 底层 / 饱和区（危险区） │
│ · 排空后残水聚集 │
│ · 若排不净 → 长期厌氧 → 硫酸盐还原 → H₂S │
└──────────────────────────────────────────┘
设计结论：
- 顶层要留干区（本项目：基质填至 180 mm，留 20 mm 干区防藻）
- 底层要排得干净（本项目验收：床内残水 ≤10 mm）
- 定植深度：种在"满水最高点"下方 5–7 cm，使根部仅部分浸入。不要种太深 —— 水会接触到茎或叶，导致颈部腐烂。
11.2.3 基质选择标准¶
| 标准 | 要求 | 违反的后果 |
|---|---|---|
| 惰性 | 不改变水质、不释放养分 | 用了含缓释肥的园艺陶粒 → 养分失控 |
| 不掉渣 | 无粉尘、不碎裂 | 堵塞管道、伤鱼鳃 |
| 无毒 | 无重金属、无染色 | 食品安全风险 |
| pH 中性 | pH 6.5–7.5 | pH 被顶偏 |
| 透水透气 | 粒径合适 | 堵塞或排水不畅 |
| 高比表面积 | 利于菌附着 | 硝化能力不足 |
| 本地可得 | 成本可接受 | 项目不可持续 |
常用材料的参数：
| 材料 | 粒径 | 堆积密度 | 比表面积 | 评价 |
|---|---|---|---|---|
| 烧结粘土陶粒 | 8–16 mm | 300–400 kg/m³ | ≈300 m²/m³ | 首选：轻、多孔、圆滑不伤根 |
| 火山砾石（火山石） | 5–10 mm | 450–550 kg/m³ | ≈300 m²/m³ | 便宜，但棱角易伤根、虹吸易夹气 |
| 凝灰岩 / 碎石 | 10–20 mm | 高 | 中 | 便宜但重 |
| 砾石（河砾） | 8–16 mm | 高 | 低 | 太重，比表面积小 不建议 |
本项目选择：陶粒为主（220 L 装填），火山石可掺 ≤30%。理由：陶粒圆滑不伤根、轻（重量对阳台更友好）、吸水率 15–25% 有助于保水；火山石仅作为增加比表面积的补充，不建议全用火山石（棱角 + 夹气）。
入床前处理：清水冲洗 3 遍 → 浸泡 48 h → 检查浸泡液 pH 6.5–7.5。
11.2.4 基质床的六个失效模式¶
| 失效模式 | 触发条件 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|---|
| 堵塞 | 鱼密度 > 基质承载能力 | 水流不畅、缺氧、H₂S | 加独立过滤；控制密度 |
| 固体分布不均 | 床体过长 | 进水口堆积、形成缺氧死区 | 床长 ≤3 m；分散进水 |
| 虹吸失效 | 进气孔堵塞、立管偏移 | 床面积水、根腐 | 网罩防护；每周巡检；双立管 |
| 排不净 | 立管高度不当、底面不平 | 底层厌氧 | 残水 ≤10 mm 验收 |
| 藻类 | 表面光照 + 养分 | 竞争养分、堵塞、夜间耗氧 | 遮光；留干区 |
| 蒸发过大 | 表面大面积暴露 | 补水频繁、盐累积 | 遮阳；覆盖 |
11.3 NFT：深度展开¶
11.3.1 水流动力¶
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| 单管流量 | 1–2 L/分钟 | 太快伤根，太慢供不上养分和氧 |
| 水膜厚度 | 1–3 mm | 根"下半部浸水、上半部在空气" |
| 管道断面 | 方管或圆管，Φ50–100 mm | 需能容纳根团 |
11.3.2 必须外配过滤¶
为什么：NFT 管道里只有薄水，没有介质截留固体，也没有足够的表面积供菌附着。
配置顺序：
鱼缸 → 机械分离器 → 生物过滤器 → NFT 管道 → 集水池
尺寸：机械分离器 = 鱼槽容量的 10%–30%；生物过滤 = 0.5 L/克日投喂（生物球）。
11.3.3 建造与种植¶
| 事项 | 要求 |
|---|---|
| 管道坡度 | 1:40 至 1:100（保证水流，不留积水） |
| 网杯 | 填 3–4 cm 惰性基质 + 保水基质（椰糠/堆肥） |
| 根伸出时间 | 约 1 周后根从网杯伸入管道，接触底部水流 |
| 适合作物 | 叶菜（生菜、罗勒、欧芹）；果菜需大管径 + 大量水 |
| 不适合 | 块根；果菜（水流中断即萎蔫） |
11.3.4 NFT 的适用断言¶
适合：已有经验、供电稳定、专做叶菜、追求空间利用率（可垂直叠放）。
不适合：新手；供电不稳地区；想混种果菜；无人值守场景。
11.4 DWC：深度展开¶
11.4.1 水流动力学¶
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| 水力停留时间 | 1–4 小时 | 水生槽内停留的时间 |
| 水深 | 20–30 cm | 根系完全浸没 |
| 曝气 | 必需 | 气石或文丘里 |
| 浮筏 | 聚苯乙烯泡沫板 | 打孔插网杯 |
11.4.2 必须外配两套设备¶
鱼缸 → 机械分离器 → 生物过滤器 → DWC 水槽 → 回鱼缸
↑
曝气（气石/文丘里）
尺寸同 NFT。
11.4.3 建造与种植¶
| 事项 | 要求 |
|---|---|
| 网杯 | 填 3–4 cm 惰性基质，底部刚好触及水面 |
| 浮筏开孔 | 孔径与网杯匹配，间距按作物成熟尺寸 |
| 水位控制 | 用竖管保持水位恒定 |
| 适合作物 | 叶菜最佳（生菜、瑞士甜菜、羽衣甘蓝） |
| 不适合 | 块根；需要"干湿交替"的作物 |
11.4.4 DWC 特例：低密度、无过滤¶
原书 4.5.4 给了一个实用特例：鱼密度很低时，可以不做独立过滤，靠水体自净 + 植物吸收维持。
价值：
- 最少的设备、最低的成本
- 容错极高（水多、鱼少）
- 适合作为"先跑起来"的原型
代价：产出低（鱼少 → 养分少 → 菜也少）。
这个特例在教学上很有意义：它证明了"过滤设备"不是鱼菜共生的本质，"低密度"是一种替代方案。当设备做不到时，降低负载也是合法解法。这个思路在第 19 课故障处置里会再次出现（"停止投喂"本质就是临时降低负载）。
11.5 三路线总对比表（原书表 4.2 的重构）¶
| 维度 | 基质床 | NFT | DWC |
|---|---|---|---|
| 过滤来源 | 自带（机械+生物） | 外配 | 外配 |
| 需要曝气 | 建议 | 必需 | 必需 |
| 初次投入 | 低 | 中 | 中–高 |
| 设备复杂度 | 最低 | 最高 | 中 |
| 系统重量 | 高（介质） | 最低 | 高（水） |
| 总水量 | 中 | 最低 | 最高 |
| 水体缓冲能力 | 中 | 低 | 最高 |
| 停电存活时间 | 较长（保水） | 最短（30–60 min） | 中（需曝气） |
| 启动熟化速度 | 中 | 快 | 慢（水多） |
| 适合叶菜 | 好 | 很好 | 最好 |
| 适合果菜 | 最好（深床） | 差 | 中 |
| 适合块根 | 唯一可行 | 不可 | 不可 |
| 空间效率 | 中 | 高（可立体） | 中 |
| 维护复杂度 | 中（虹吸/基质） | 高（堵管/过滤） | 低（看水位与曝气） |
| 规模化经济性 | 差 | 好 | 最好 |
| 新手友好度 | 最高 | 最低 | 中 |
11.6 组件尺寸计算：从"我要多少菜"倒推一切¶
这是原书第 8 章的核心，也是本课程 Part III 的收尾。前面所有参数在这里汇合成一套计算流程。
11.6.1 计算总链（正向：从菜出发）¶
第 1 步 确定目标产量（每周收多少棵/多少 kg）
↓
第 2 步 算在田株数 = 每周收获量 × 生长周数
↓
第 3 步 算种植面积 = 在田株数 ÷ 种植密度
↓
第 4 步 算日投喂量 = 种植面积 × 投喂比率
↓
第 5 步 算鱼生物量 = 日投喂量 ÷ 摄食率（1–2%）
↓
第 6 步 算鱼槽容积 = 鱼生物量 ÷ (10–20 kg/1000 L)
↓
第 7 步 算生物过滤体积 = 日投喂量 × (1 或 0.5) L/g
↓
第 8 步 算机械过滤体积 = 鱼槽容积 × (10%–30%)
↓
第 9 步 算水泵流量 = 系统总水量 × 循环倍率
↓
第 10 步 算增氧气量 = 水体(m³) × (5–8) L/min
11.6.2 关键参数速查¶
| 参数 | 叶菜 | 果菜 | 来源 |
|---|---|---|---|
| 投喂比率 | 40–50 g/m²/天 | 50–80 g/m²/天 | 原书 8.1.1 |
| 种植密度 | 20–25 株/m² | 4–8 株/m² | 原书 8.1.1 |
| 生长周期 | 4 周（生菜） | 8–12 周 | 按品种 |
| 鱼摄食率 | 体重 1–2%/天（>50 g 的鱼） | 同左 | 原书 8.1.1 |
| 放养密度 | 10–20 kg / 1000 L | 同左 | 原书 8.1.2 |
| 生物过滤 | 砾石 1 L/g；生物球 0.5 L/g | 同左 | 原书 8.1.3 |
| 机械过滤 | 鱼槽容量 10%–30% | 同左 | 原书 8.1.3 |
11.6.3 原书设计速查表（表 8.1 完整版）¶
这张表把上面所有计算都做完了。直接查表是最快的：
| 鱼池容积 (L) | 最大鱼生物量 (kg) | 投喂比率 (g/天) | 水泵流量 (L/h) | 过滤容积 (L) | 生物滤料最小体积(L)：火山砾石 / 生物球 | 植物面积 (m²) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 | 5 | 50 | 800 | 20 | 50 / 25 | 1 |
| 500 | 10 | 100 | 1 200 | 20–50 | 100 / 50 | 2 |
| 1000 | 20 | 200 | 2 000 | 100–200 | 200 / 100 | 4 |
| 1500 | 30 | 300 | 2 500 | 200–300 | 300 / 150 | 6 |
| 2000 | 40 | 400 | 3 200 | 300–400 | 400 / 200 | 8 |
| 3000 | 60 | 600 | 4 500 | 400–500 | 600 / 300 | 12 |
表下的五条注释（很重要，决定这张表怎么用）：
- 鱼密度基于 20 kg/1000 L 上限。更高密度需额外增氧 + 机械过滤，不建议新手。
- 投喂率：>100 g 的鱼取体重 1%/天。投喂比率：叶菜 40–50 g/m²，果菜 50–80 g/m²。
- 机械分离器与生物过滤器容积应为鱼缸容积的 10%–30%。生物过滤器仅用于 NFT 和 DWC；机械分离器适用于 NFT、DWC 及 >20 kg/1000 L 的基质床。
- 数据假设细菌始终处于最佳状态。若不然（如冬季），需额外加过滤介质作缓冲。
- 植物面积仅含叶菜；果蔬面积会略低。
11.6.4 把本项目代进去，做一次完整校核¶
已知（采购方案 §1）：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 鱼缸有效水体 | 250 L |
| 种植面积 | 1.2 m² |
| 系统总水量 | ≈325 L |
| 基质装填 | 220 L 陶粒 |
| 基质深度 | 180 mm |
逐步核算：
① 查表插值（250 L 介于 200 与 500 之间）
| 项 | 200 L 行 | 500 L 行 | 250 L 插值 |
|---|---|---|---|
| 最大鱼生物量 | 5 kg | 10 kg | ≈ 6.3 kg |
| 投喂比率 | 50 g/天 | 100 g/天 | ≈ 63 g/天 |
| 水泵流量 | 800 L/h | 1200 L/h | ≈ 900 L/h |
| 生物滤料（砾石） | 50 L | 100 L | ≈ 63 L |
| 植物面积 | 1 m² | 2 m² | ≈ 1.25 m² |
② 与投喂比率反推对照
种植面积 1.2 m²
叶菜 40–50 g/m²/天 → 48–60 g/天
果菜 50–80 g/m²/天 → 60–96 g/天
→ 投喂区间 48–96 g/天，与查表的 63 g/天吻合（63 落在叶菜上限附近）。✅
③ 鱼生物量交叉校核
按投喂 63 g/天、摄食率 1–2%：
63 ÷ 2% = 3.15 kg
63 ÷ 1% = 6.3 kg
→ 3.15–6.3 kg
按放养密度 10–20 kg/1000 L（250 L）：
2.5–5.0 kg
取交集：3.15–5.0 kg → 菜单方案取 3–5 kg ✅
④ 生物过滤校核（关键，本项目是"过剩"的）
需要的最小生物滤料体积：
日投喂 63 g × 1 L/g（砾石类）= 63 L
本项目基质装填：220 L 陶粒
→ 220 L ≫ 63 L，约 3.5 倍余量 ✅✅
这是一个重要的洞察：本项目基质床的过滤能力远超需求。原因就是第 2 课讲的"三合一"——220 L 陶粒既是种植床，又是过滤器。这解释了为什么原书说基质床"最适合初学"：它天然地过度设计（oversized）了过滤能力，而过度设计正是容错。
同时也说明：如果哪天你想加到 5 kg 鱼，过滤能力还够，真正的瓶颈是承重和溶氧，不是过滤。
⑤ 机械过滤校核
原书规则：机械分离器 = 鱼槽容量 10%–30% = 25–75 L
但注释 3：基质床 <20 kg/1000 L 时不需要独立机械分离器
本项目：3–5 kg / 250 L = 12–20 kg/1000 L → 在边界上
→ 结论：基质床兼任机械过滤即可，无需独立分离器
但需接水盘承接虹吸回水（≥12 L）与滴漏
⑥ 水泵流量校核
系统总水量 ≈325 L
循环倍率 2–3 次/h → 650–975 L/h
查表 250 L 插值 → 900 L/h
→ 采购 ≥900 L/h @0.5 m 扬程 ✅
⑦ 增氧校核
250 L = 0.25 m³
5–8 L/min/m³ → 1.25–2.0 L/min
保守取小系统下限 4 L/min 总量
→ 采购 2×2 L/min = 4 L/min，双气石分置 ✅
⑧ 承重校核（回到第 9 课）
总重 = 水 325 + 基质 140 + 箱体/架 45 = 510 kg
扩散面积 2.4 m² → 213 kg/m²
限值 200–250 kg/m² → 合规但余量仅约 15% ⚠️
⑨ 最终锁定参数表
| 参数 | 值 | 校核结论 |
|---|---|---|
| 鱼缸有效水体 | 250 L | — |
| 种植面积 | 1.2 m² | ✅ |
| 系统总水量 | 325 L | — |
| 基质装填 | 220 L 陶粒 | ✅ 过滤余量 3.5× |
| 基质深度 | 180 mm（+20 mm 干区） | ✅ |
| 日投喂 | 48–96 g（取 60 g 起） | ✅ |
| 目标存鱼 | 3–5 kg | ✅ 双约束交集 |
| 水泵 | ≥900 L/h @0.5 m | ✅ |
| 增氧 | 4 L/min，双气石 | ✅ |
| 潮汐周期 | 15–30 min | 待调机 |
| 满载重量 | ≈510 kg / 213 kg·m⁻² | ⚠️ 余量仅 15% |
注意第 ⑨ 步最后一行：其他所有参数都有充裕余量，只有承重没有。这在工程上叫"约束瓶颈"。当你以后想升级系统时，唯一要重新算的就是承重。
11.7 本课要点¶
- 三路线的全部差异只有三格：谁做机械过滤、谁做生物过滤、谁给根供氧。所有优缺点都能从这三格推出来。
- 基质床三合一（种植 + 机械 + 生物）→ 最简、最便宜、最适合新手，但最重、大规模不经济。
- 基质床核心是潮汐式 + 三个区域（干区防藻 / 根区主力 / 底层必须排净）。
- NFT 停电 30–60 分钟即死根，必须外配过滤，坡度为 1:40–1:100，单管 1–2 L/min。
- DWC 容错最高但启动最慢，水力停留 1–4 h，必须曝气，必须外配过滤；低密度无过滤是合法特例。
- 尺寸计算链：产量 → 株数 → 面积 → 投喂 → 鱼量 → 鱼槽 → 过滤 → 泵 → 气。
- 原书表 8.1 可以直接查表，五条注释决定怎么用。
- 本项目校核结论：过滤能力 3.5 倍余量、投喂 48–96 g、存鱼 3–5 kg、泵 ≥900 L/h、气 4 L/min —— 唯独承重没有余量（213 vs 250 kg/m²）。
- 承重是唯一瓶颈，任何升级都必须先重算它。
11.8 自查清单¶
- 用"三格账本"重新推导：为什么块根只能种基质床？为什么 DWC 容错最高？
- 基质床的三个区域分别是什么？底层排不净会发生什么？
- 为什么"水流量太大"也会让潮汐床失败？
- NFT 的坡度范围是多少？单管流量多少？
- 为什么 DWC 的启动比 NFT 慢？
- "低密度无过滤 DWC"这个特例说明了什么设计原则？
- 完整走一遍十步计算链（用 1.2 m² 作起点）。
- 本项目生物过滤为什么是"过剩"的？过剩了 3.5 倍说明什么？
- 所有参数里，为什么只有承重没有余量？这对未来升级意味着什么？
下一课 → 12-建造水路与虹吸.md
原书插图¶
以下 17 幅图取自 FAO 589 原书，图注为原书官方说明，与本章内容对应。
