高密度循環(huán)水養殖系統及運行效果分析
劉永好，楊文華，薛曉莉，張志立，趙躍鋼，高帥，靳立才
（北京中農天陸微納米氣泡水科技有限公司，北京 100083）
改革開(kāi)放以來(lái)，在“以養為主”的發(fā)展方針指引下，水產(chǎn)養殖業(yè)發(fā)展取得巨大成就。2018年全國水產(chǎn)養殖總產(chǎn)量4.99106×107t，占我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重達77.3%[1]，是世界上唯一養殖水產(chǎn)品總量超過(guò)捕撈總量的主要漁業(yè)國家。
改變傳統的粗放的養殖方式，尋求更加高效、環(huán)保的養殖模式勢在必行。循環(huán)水養殖模式與傳統養殖方式相比，養殖污水經(jīng)過(guò)水處理循環(huán)利用，節水、生態(tài)環(huán)保；養殖密度高，產(chǎn)量相同時(shí)占用面積更少，節地；養殖水體的水質(zhì)好，病害少，降低投藥甚至無(wú)需投藥，水產(chǎn)品綠色健康；養殖科學(xué)管理、標準化生產(chǎn)，生產(chǎn)的可控性強、風(fēng)險低；水產(chǎn)品質(zhì)量可溯源等。循環(huán)水養殖模式與流水型養殖模式相比，可節水90%以上，節地高達99%，而且通過(guò)污水處理還可以實(shí)現節能減排、環(huán)境友好型生產(chǎn)[2]。由于循環(huán)水產(chǎn)模式具有眾多優(yōu)點(diǎn)，符合現階段國家各項政策和環(huán)保要求。而設計并研發(fā)適合于市場(chǎng)需求的高密度循環(huán)水養殖系統、并分析其運行效果和推廣價(jià)值，具有十分重要的意義。
高密度循環(huán)水養殖系統搭建于北京國際都市農業(yè)科技園（北京市通州區潞城鎮）的玻璃連棟溫室，于2017年建設完成并開(kāi)始運行。系統占地面積52.6 m2，由4個(gè)直徑1.5 m、深1.2 m的圓形玻璃鋼養殖池、微納米氣泡快速發(fā)生裝置及相應的水處理設備構成，總養殖水體約7 m3，設計最高養殖密度80 kg/m3，適宜海水/淡水品種。此次試驗養殖對象選擇了比較具有代表性的淡水吉富羅非魚(yú)。系統主要設計參數如表1所示。
表1 系統主要設計參數
圖1 系統水處理工藝流程圖
高密度循環(huán)水養殖系統工藝流程如圖1所示。系統構成：雙排污通道養殖池、豎流式固液分離器、轉鼓式微濾機、紫外線(xiàn)消毒器、沸騰式移動(dòng)床生物濾器、CO2脫氣池、鼓風(fēng)機、溫度和pH調節池、溶氧錐、制氧機、循環(huán)泵、人工濕地等。系統水處理工藝包括過(guò)濾、消毒、去除CO2、生物降解、調節溫度和pH值、增氧、尾水人工濕地處理等環(huán)節。
養殖池設計了雙通道排污，上排污經(jīng)由養殖池側壁上方的溢流口流出，占系統總循環(huán)量的90%；底排污通過(guò)中心排污管進(jìn)入養殖池底部流出，占總循環(huán)量的10%。在水力推流以及重力的作用下，水中大部分的殘餌、糞便等顆粒物隨著(zhù)底排污進(jìn)入豎流式固液分離器，其筒身直徑400 mm。豎流式固液分離器對于固形顆粒物去除效率較高，可以達到（77.9±1.6）%[3]。
過(guò)濾選用轉鼓式微濾機，200目，過(guò)濾精度45 μm，反沖洗頻率為2.1次/h，單次顆粒物去除率可達50%以上[4]。
消毒采用紫外線(xiàn)滅菌器，殺滅水中細菌，病毒，酵母，霉菌及藻類(lèi)生物，不需添加化學(xué)藥品即能達到消毒效果。
生物處理是高密度循環(huán)水養殖系統的核心技術(shù)環(huán)節，選用沸騰式移動(dòng)床生物過(guò)濾器。筒身直徑1.2 m，高2 m，內部充填生物環(huán)形填料（MBBR材質(zhì)，規格 φ25*4 mm，64孔室，比表面積 1 200 m2/m3，孔隙率85%）。正常工作條件下，填料在水流和氣流的推力作用下形成一種穩定的移動(dòng)流化狀態(tài)，保證廢水與載體上的生物膜廣泛而頻繁地接觸，提高系統傳質(zhì)效率的同時(shí)，加快生物膜微生物的更新，保持和提高生物膜的活性。
增氧主要采用制氧機供純氧、溶氧錐將氧氣進(jìn)行加壓溶解。溶氧錐是一種特殊的壓力容器，利用射流原理將氧氣和水充分混合，迫使氣體克服水的表面張力而被動(dòng)溶解。該設備提高了氧氣的利用率及增氧效率。
pH值的調節主要包括三個(gè)方面：（一）由于養殖密度高，魚(yú)類(lèi)呼吸作用會(huì )使水體中的CO2濃度持續累積，使得pH值快速下降。采用CO2脫氣池去除CO2，脫氣池的筒身直徑1.0 m，采用格柵和曝氣方式去除CO2。（二）沸騰式移動(dòng)床生物過(guò)濾器的曝氣作用，繼續吹脫一部分溶于水中的CO2。（三）采用貝殼等生態(tài)方式進(jìn)行調節。
表2 系統主要設備及結構性能參數
2017年12月系統正式投入運行，投放的羅非魚(yú)的規格為200～400 g。選用的飼料為淡水魚(yú)膨化飼料（蛋白質(zhì)含量30%），根據羅非魚(yú)的生長(cháng)習性和生長(cháng)階段進(jìn)行投喂，羅非魚(yú)200～500 g時(shí)每日投喂量為體質(zhì)量的2%～3%，500 g以上時(shí)每日投喂量為體質(zhì)量的1.5%～2%，每d分2次投喂，投喂時(shí)間分別為9：00和16：00。豎流式固液分離器，每d定時(shí)排污至分離器底部不存在明顯污物，排污時(shí)間分別為8：00 和 17：00。
水溫和溶解氧使用YSI 550A便攜式溶氧儀檢測，每日7：30和16：30測定2次；氨氮、亞硝酸鹽和pH值的測量采用水質(zhì)快速分析試劑盒，每日7：30和16：30測定2次；體質(zhì)量使用磅秤，約30 d左右測1次。
數據統計分析與作圖使用Excel 2010軟件處理。
系統于2017年12月開(kāi)始運行，在2019年4月5日清理系統并運行養水，培養微生物。2019年5月11日投放羅非魚(yú)659尾，共計244.00 kg，密度為34.86 kg/m3。經(jīng)過(guò)139 d的養殖，到2019年9月26日，剩余643尾，成活率97.57%，總體質(zhì)量762.76 kg，密度達到108.97 kg/m3（表3）。
表3 魚(yú)類(lèi)生長(cháng)情況
系統運行期間，每天上午和下午測定養殖池的水溫和溶解氧，如圖2所示。水溫基本保持在21～27℃之間，上午平均水溫24.23℃，下午平均水溫24.95℃，保證了羅非魚(yú)的最佳生長(cháng)溫度（24～35℃）；全天水溫浮動(dòng)不大，系統水溫調節良好。溶解氧上午基本保持在6～12 mg/L之間，下午基本保持在3～11 mg/L之間；上午溶解氧平均值8.69 mg/L，下午溶解氧平均值5.81 mg/L?？傮w來(lái)說(shuō)，上午溶解氧高于下午溶解氧，溶解氧受喂食影響較大。7：30測定溶氧值在喂食之前（9：00），16：30 測定溶氧值在喂食后（16：00），喂食后飼料剩餌及魚(yú)類(lèi)排泄物極大消耗水體溶解氧，故下午溶氧值較上午低。養殖后期隨著(zhù)養殖密度增大，羅非魚(yú)耗氧增加，溶解氧含量有所下降，但仍可供羅非魚(yú)正常生長(cháng)。
圖2 水溫和溶解氧
系統運行期間，每天上午和下午從養殖池取水樣檢測氨氮、亞硝酸鹽和pH值，如圖3所示。養殖水體氨氮保持在0.2～0.5 mg/L，后期隨養殖密度增加氨氮偶爾達到0.8 mg/L，氨氮平均濃度維持在0.32～0.42 mg/L；亞硝酸鹽保持在 0.01～0.05 mg/L，下午略高于上午，養殖后期略高于前期，亞硝酸鹽平均濃度維持在0.02～0.03 mg/L?？傮w來(lái)說(shuō)，系統的生物處理非常穩定，硝化及反硝化能力良好。
圖3 氨氮（TAN）和亞硝酸鹽（NO2-N）
系統的pH值調節主要包括三個(gè)方面：（一）CO2脫氣池，可以去除大部分的CO2；（二）沸騰式移動(dòng)生物池在曝氣條件下，具有一定的CO2吹脫效果；（三）貝殼生態(tài)調節pH值。經(jīng)過(guò)三重環(huán)節的調節作用，pH值能夠穩定控制在7.6左右。
該系統運行成本主要包括：耗電、耗氧、飼料以及設備折舊。耗電部分按照系統裝機功率，每天24 h運行；耗氧主要為制氧機和溶氧錐等設備，計入電費和折舊費；飼料消耗按照餌料系數1.55進(jìn)行計算；系統折舊以10年計算。系統的日運行成本如表4所示。
圖4 pH值
表4 系統每天運行成本
按照目前的運行情況，每kg魚(yú)的飼養運行成本大約為24.34元。運行成本與市場(chǎng)批發(fā)價(jià)比較相對較高（2019年9月北京地區市場(chǎng)批發(fā)價(jià)約19元/kg[5]）。由于試驗系統的水質(zhì)好，羅非魚(yú)全程基本無(wú)病害發(fā)生，無(wú)需投藥；循環(huán)水系統適宜水流的刺激羅非魚(yú)正常運動(dòng)，加速魚(yú)體內的物質(zhì)代謝，增進(jìn)食欲，進(jìn)一步提高了魚(yú)肉品質(zhì)；借助已有推廣平臺、并以農民豐收節為契機進(jìn)行鮮活魚(yú)銷(xiāo)售，銷(xiāo)售優(yōu)惠價(jià)格在30～35元/kg，高密度循環(huán)水養殖系統養殖的羅非魚(yú)健康、高品質(zhì)、生態(tài)環(huán)保，深受消費者的認可及信賴(lài)。
高密度循環(huán)水養殖系統運行成本高的原因包括幾個(gè)方面：（一）作為一套試驗系統，設計時(shí)將其重點(diǎn)放在了水處理效果上，養殖污水的水質(zhì)處理效果很好，但是電耗成本較高，占運行成本的45.51%。（二）由于是試驗系統，而非標準化生產(chǎn)車(chē)間的管理，餌料系數偏低。（三）本次試驗采用的是適宜季節氣候的羅非魚(yú)，而非適合于高密度養殖而經(jīng)濟附加值又相對較高的淡水品種。
目前高密度循環(huán)水養殖系統的運行成本還沒(méi)有達到令人滿(mǎn)意的程度。國內市場(chǎng)普遍認可的幾種淡水魚(yú)類(lèi)采用傳統養殖方式投資少而市場(chǎng)價(jià)格都相對偏低，但是質(zhì)量參差不齊；而高密度循環(huán)水養殖系統可以保證養殖的質(zhì)量，并且養殖達到一定規模后，單位水體產(chǎn)量高[6-7]、設備運行成本下降、節水環(huán)保，具有非常大的優(yōu)勢。有研究表明，與傳統養殖方式相比，循環(huán)水養殖生產(chǎn)每單位水產(chǎn)品可以節約50～100倍的土地和160～2 600倍的水，比傳統養殖節約90%～99%的水和99%的土地，并且幾乎不污染環(huán)境[8]，并且使得水產(chǎn)養殖業(yè)在內陸缺水地區的發(fā)展成為可能。
由于運行成本、缺乏品牌、品種選擇及市場(chǎng)推廣等因素，高密度循環(huán)水養殖系統的經(jīng)濟性在國內一直沒(méi)有得到廣泛的認可。通過(guò)本系統的實(shí)踐，總結可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善和推廣：（一）品種的選擇尤為關(guān)鍵，依據項目地市場(chǎng)情況、推廣銷(xiāo)售平臺等進(jìn)行選擇適合高密度循環(huán)水養殖系統的淡水或海水品種。（二）品牌建設是高密度循環(huán)水養殖系統長(cháng)期運行的保障。依靠最佳的質(zhì)量、環(huán)保的理念來(lái)建設品牌，以?xún)?yōu)質(zhì)的品牌保障合理的價(jià)格優(yōu)勢，以保障高密度循環(huán)水養殖系統長(cháng)期高效運行。（三）高密度循環(huán)養殖系統建設，保證水質(zhì)處理效果，還要匹配一定規模，達到質(zhì)與量的最佳平衡。（四）科學(xué)的管理，是在同等競爭條件下致勝的法寶?？茖W(xué)的管理，可以降低損耗、提升質(zhì)量、提高餌料系數等。
高密度循環(huán)水養殖系統養殖富吉羅非魚(yú)139 d，初始密度34.86 kg/m3，試驗結果表明：羅非魚(yú)攝食和生長(cháng)情況良好，最終密度達到108.97 kg/m3，存活率97.57%，餌料系數1.55。系統的水質(zhì)情況良好，氨氮平均濃度0.32～0.42 mg/L，亞硝酸鹽平均濃度0.02～0.03 mg/L，溶解氧平均濃度 5.81～8.69 mg/L，水溫平均24.23～24.95℃，pH值保持在7.6。經(jīng)濟性分析結果表明，該系統的運行成本相對較高，但由于羅非魚(yú)品質(zhì)高，受到消費者的認可和信賴(lài)，且該系統節水效果顯著(zhù)，具有較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
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