基于物質平衡的對蝦高位池循環水養殖系統設計與試驗

楊 菁，管崇武，宋紅橋，劉興國，顧兆俊，郭益頓

（1. 農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2. 喃嶸水產（上海）有限公司，上海 201700）

基于物質平衡的對蝦高位池循環水養殖系統設計與試驗

楊 菁1，管崇武1，宋紅橋1，劉興國1，顧兆俊1，郭益頓2

（1. 農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2. 喃嶸水產（上海）有限公司，上海 201700）

為建立一種高效、低成本的高位池循環水養殖系統構建技術，采用物質平衡相關原理，結合水凈化設施構建技術，精準設計確立水處理系統物理過濾設施體積、生物過濾設施體積、循環量及供氧量等關鍵參數，并優化系統結構，建立融斜管沉淀設施、流化床生物過濾設施、增氧于一體的設施型高位池循環水養殖系統。應用該系統開展凡納濱對蝦運行試驗，結果表明：pH值7.43～8.03，溶解氧5.32～7.82 mg/L，氨氮值0.06～0.54 mg/L，水質調控良好；系統養殖負荷2.26 kg/m3，飼料系數1.17，成活率81.3%，取得高效養殖生長結果；單茬利潤3.34萬元，畝均年利潤2.67萬元（按1年3茬計），獲得良好經濟效益。該研究系統主要參數設定值（預期值）與實測值吻合較好，可為高位池養殖模式可持續發展提供借鑒。

養殖；設計；水處理；物質平衡；高位池；循環水養殖

0 引 言

高位池養殖是中國對蝦生產方式中的一種重要生產模式。其特定設計的池底高程及排污系統能有效集污，及時排出池底污物，養殖用水均經消毒處理，避免病毒、細菌橫向傳播，具高密度集約化、產量高、病害少等特點，為中國對蝦產業發展發揮了重要作用[1-2]。但是隨著該模式高速發展，其弊端日益顯現，包括水資源利用率低下、水域環境惡化進一步加劇、污染的養殖水域對生產影響等，嚴重制約該模式可持續發展。

循環水養殖系統是當今世界水產養殖系列模式中可達技術精準化、養殖水環境高度可控的一種先進模式，具有節能、減排、節水、節地、可控性強、低風險集約化、產品質量安全可靠等優點，是當前水產養殖先進生產力的發展方向[3-5]。國外將循環水養殖系統應用于大西洋鮭、虹鱒、歐洲鰻、尼羅羅非魚等養殖，創造了巨大的商業利潤[6-9]。國內通過引進消化、科技攻關,針對鲆鰈、舌鰨、對蝦等不同養殖對象及工廠化養殖、池塘養殖、高位池養殖等不同生產方式，先后開展循環水養殖模式探索與實踐[10-15]。高效、低成本的循環水養殖系統研發是目前循環水養殖模式發展和推廣面臨的重要課題。

本文以凡納濱對蝦為對象，探討高效、低成本的高位池循環水養殖系統構建。運用物質平衡相關原理，結合水凈化設施構建技術，設計優化高位池循環水養殖系統并開展運行研究，以期為高位池養殖模式可持續發展提供科學依據及技術支持。

1 材料與方法

1.1 系統設計及優化

1.1.1 總體思路

針對高位池養殖模式高密度集約化特點，圍繞目前制約循環水養殖系統推廣應用的技術瓶頸，運用物質平衡相關原理，結合水凈化設施構建技術，精準設計確立水處理系統關鍵參數，并優化設施結構，建立融物理過濾、生物過濾、增氧于一體的設施型高效、低成本的高位池循環水養殖系統。

1.1.2 基本概況及工藝流程

系統位于喃嶸水產（上海）有限公司養殖溫室內，由高位池及相應水處理設施、設備組成，包括帶式過濾裝置、斜管沉淀設施、三相流化床生物過濾設施、循環泵等。養殖對象：凡納濱對蝦，養殖水體：2 800 m3，設計養殖負荷：2.5 kg/m3。原水采用經室外池塘充分氧化后的地下井水，其主要水質參數：pH值7.5～8.1，DO 7.0 mg/L，鹽度3‰～4‰。

工藝流程如圖1所示，養殖污水經歷帶式裝置過濾、斜管設施沉淀、流化床生物過濾、增氧后回至養殖池，實現水體循環利用。考慮高位池養殖模式特點，除水處理設施區設有鼓風增氧外，在養殖區另置有增氧設備，保證系統充沛溶氧。

圖1 試驗系統工藝流程圖Fig. 1 Process flow chart of experimental system

1.1.3 關鍵參數計算

1）流化床生物過濾設施體積計算

根據系統總氨氮去除量、濾床氨氮去除負荷、濾床填料填充率，則有如下公式

式中Vbiofilm為生物過濾設施體積，m3；Rbiofilm為濾床氨氮去除負荷，g/(m3·h)，Malone等[16]研究表明循環水養殖系統中生物過濾器總氨氮去除負荷為35～350 g/(m3·d)，考慮流化床性能，本計算取為200 g/(m3·d)；PR為濾床填料填充率，%，根據濾床性能其值為30%～45%，本計算取為35%；RTAN為系統總氨氮去除量，g/h，基于總氨氮物質平衡相關原理，有如下公式[17]

式中QA為系統補水量，m3/h，根據循環水系統工作原理，其值為系統總水體量1%～6%，本計算取為3%；CTAN為系統氨氮濃度，mg/L，根據中國漁業水質標準[18]中非離子氨閾值，對其在25 ℃水溫及 pH值 為7.0 的條件下折算取得系統氨氮濃度控制在3.5 mg/L以下[19]；PTAN為系統總氨氮產生量，g/h，有如下公式[20]

式中BM為系統養殖生物量，kg，設計為7 000 kg；rfeed為日投飼率，2.5%/d；PC為飼料中粗蛋白含量，40%；aTAN為投喂每千克飼料蛋白所產生的氨氮質量，取0.10[20]。經計算，Vbiofilm=95.8 m3。

2）循環量計算

依據氨氮計算：

根據生物過濾設施體積及濾床水力停留時間，則有如下公式

式中QTAN為系統循環量，m3/h；HRT為濾床水力停留時間，h，其值為0.2～0.4 h，本設計取值0.35 h。經計算，QTAN=273.7 m3/h。

依據溶解氧計算：

根據硝化反應耗氧量及進、出水溶解氧濃度，則有如下公式

式中QDO為系統循環量，m3/h；CfDOin為生物濾床進水溶解氧濃度，mg/L，設定為6.5 mg/L；CfDOout為生物濾床出水溶解氧濃度，mg/L，Burden[21]研究表明，其值取2.0 mg/L；RNOD為硝化反應耗氧量，g/h，根據基礎生化反應方程式，每1 g氨氮氧化成硝酸鹽需要耗氧4.57 g的氧氣。則有如下公式[17]

經計算，QDO=283.6 m3/h。

依據氨氮計算所得QTAN小于依據溶解氧計算所得QDO，故系統循環量取為285 m3/h。

3）斜管沉淀設施體積計算

根據設施面積及設施總高，則有如下公式

式中Vfilter為斜管沉淀設施體積，m3；H為斜管沉淀設施總高，m，由清水區高、斜管區高、配水區高、排污區高之和確定[22]，根據水質特性并兼顧建設成本，本設計上述各區高相應取值為0.5、0.9、0.5、0.3 m；Afilter為斜管沉淀設施表面積，m2，有如下公式[22]：

式中Q為系統循環量，m3/h；q為斜管沉淀設施表面負荷，m3/(m2·h)，其與截留沉速密切相關。

截留沉速是指沉淀設施中可以去除的顆粒中粒徑最小顆粒的沉速，是影響沉淀設施性能的重要參數。截留沉速愈小，懸浮顆粒去除率愈高，出水濁度愈低，但截留沉速太小，會導致設施表面負荷降低，不經濟[23]。本文所應用的物質平衡相關設計原理，其重要前提是物理過濾設施充分發揮作用，能將系統中糞便和殘飼在未被分解前，就快速排出系統。因此，合適截留沉速選擇尤為重要，既能獲得高懸浮顆粒去除率，又能使設施建設投入經濟合理。

楊鐳[24]依據相關資料，提出了合適截留沉速理論設計點：將顆粒群中數量占比份額最大顆粒的沉速作為沉淀設施設計截留沉速，可使單位沉淀設施表面積懸浮顆粒去除率達最大值。推導出了斜管沉淀設施表面負荷與截留沉速關系式，

式中U0為截留沉速，m/s；L為斜管長度，m，本設計取1 m；θ為斜管水平傾角，本設計取60°；d為斜管管徑，m，本設計取0.03 m。并建議運行良好用于污水處理的斜管沉淀設施的截留沉速取值范圍0.13～0.19 mm/s。根據上述原理，筆者運用斯托克斯公式[25]計算高位池循環水養殖系統截留沉速合適取值，

式中g為重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；ρs為懸浮顆粒密度，kg/m3，取1 100 kg/m3[26]；ρ為水體密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；d為顆粒直徑，m，根據系統養殖水體懸浮顆粒分布特性，取40×10–6m；μ為水體黏度，Pa·s，取0.893 7×10–3Pa·s（設水溫 25 ℃）。經計算，U0=0.10 mm/s，略小于前述建議值。

將此截留沉速值代入式（9），取得斜管沉淀設施表面負荷為 5.56 m3/(m2·h)，即本設計取值。經計算，Vfilter=112.8 m3。

4）供氧量計算

基于溶解氧物質平衡相關原理，有如下公式[17]

式中PDO為系統中溶解氧供應量，g/h；CDOout為系統出水溶解氧濃度，mg/L，設定為6.5 mg/L；CDOin為系統補水溶解氧濃度，mg/L，取為7.0 mg/L；RDO為系統中溶解氧消耗量，g/h，有如下公式[17]

式中RNOD為硝化反應耗氧量，g/h；RBOD為生化反應耗氧量，g/h，按1/3RNOD估算；Rresp為養殖生物耗氧量，g/h，有如下公式

式中Rshrimp為蝦單位呼吸速率，mg/(g·h)，取值0.34 mg/(g·h)[27]。

經計算，PDO=4 075.9 g/h。

1.1.4 參數確定

1）養殖池

養殖區主體。考慮管理、運行成本，池型呈方形，尺寸50 m×50 m×2.5 m，養殖面積2 500 m2。池堤以1∶1坡比設計；池底則以微小坡度順向中央直徑為4 m集污區；集污區水泥結構，上設帶頂蓋的 6條導流槽，以利集污，導流槽由圓周通向中央集污口，其外圍則覆以篩網（圖2）。池堤及池底上覆地膜，地膜厚0.5 mm。

圖2 集污區結構圖Fig. 2 Chart of sewage collection area

2）帶式過濾裝置

固定于一體化設施區內，為物理過濾首道環節，對水中較大粒徑懸浮物予以截留。由于系統循環量高達285 m3/h，采用處理量大、可連續運行具反洗功能的帶式過濾裝置。篩網120目，過濾能力300 m3/h，功率2.2 kW。

3）斜管沉淀設施

一體化設施區主體，為物理過濾關鍵環節，對水中懸浮物予以截留。考慮高位池養殖模式特點，采用污水凈化中應用廣泛的異向流斜管沉淀，其處理量大、沉淀效率高、水利條件好、管理方便[22]。為提高單位體積過濾效率，降低構建成本，減輕生物凈化設施負荷，根據計算結果同時兼顧與流化床等設施的結構銜接，斜管沉淀設施結構、運行及性能參數確立結果見表1。

表1 斜管沉淀設施結構、運行及性能參數Table 1 Facilities construction, operation and performance parameters of inclined sedimentation

4）循環泵

考慮節能，采用流量大、揚程低的軸流泵。置于一體化設施區內，一次提水。循環流量285 m3/h，揚程3 m，功率4.0 kW。

5）三相流化床生物過濾設施

一體化設施區主體，為系統核心環節，對水體中溶解性有機物予以降解。采用的自主研發三相生物流化床其載體呈流化狀態，氣、液、固三相得以充分接觸，生物膜更新快，傳質效率高。結構、運行及性能參數確立結果見表2。

6）增氧

系統重要環節。高位池養殖模式是一種高密度精養方式，需要保持良好溶氧水平，以滿足生物呼吸耗氧及硝化、生化反應所需氧量。根據模式特性及所需供氧量，采用羅茨風機、增氧機等分別對系統供氧。曝氣設施均勻置于流化床生物過濾設施底部，每分鐘供氣量達養殖水體0.17%以上，風機功率2.2 kW。增氧機等置于養殖池內，包括水車式增氧機2臺及涌浪機1臺。考慮水體流態，涌浪機置于池中央，水車式增氧機布置于養殖池對側，設備在增氧的同時推動水流，形成良好集污流態。涌浪機功率0.75 kW，增氧能力1.14 kg/h；水車式增氧機功率1.5 kW，增氧能力2.36 kg/h。

1.1.5 主要技術參數

系統主要技術參數見表3。

表3 主要技術參數Table 3 Main technical parameters

1.2 運行試驗與管理

2015年5月投入試驗運行。投放凡納濱對蝦苗40萬尾，放苗密度：160尾/m2。選用蛋白質量分數高達40%優質配合飼料投喂，日投餌量為總蝦質量的2.5%。涌浪機及水車式增氧機在養殖全期均開啟，根據養殖不同階段溶氧需求定時使用。水凈化系統則在養殖中、后期由于有機負荷加大而投入運行，實現水體循環使用。定時排污。每天定時測定溫度、pH值、溶氧、氨氮、亞硝酸鹽氮，系統運行二周穩定后記錄。每間隔15 d及試驗畢取蝦20尾進行體質量及體長測定并記錄。

1.3 水質檢測方法及數據處理

溫度、pH值、溶氧： YSI-556多參數水質測定儀；氨氮：納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮：N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

將測得的水環境因子變化用折線圖表示。平均值數據采用平均值±標準差表達。根據統計值計算飼料系數。飼料系數=單位時間攝食餌料量/單位時間對蝦體質量增量。

2 結果與分析

2.1 溫度、pH值及溶解氧變化

高位池水體主要理化因子變化見圖3。溫度變化范圍23.1～31.2 ℃，均值（27.1±1.85） ℃；pH 值變化范圍 7.43～8.03，均值7.72±0.12；溶解氧變化范圍5.32～7.82 mg/L，均值（6.76±0.78）mg/L。各項指標均處于對蝦適宜生長范圍內。水溫在養殖全程呈逐漸上升趨勢；pH值及溶解氧在養殖早、中期基本穩定，但至養殖后期，由于負荷加大，二者略有下降。

圖3 溫度、pH值及溶解氧變化情況Fig. 3 Variation of temperature, pH value and dissolved oxygen

2.2 氨氮及亞硝酸鹽氮變化

高位池水體氨氮及亞硝酸鹽氮變化見圖4。氨氮變化范圍0.06～0.54 mg/L，均值（0.28±0.07） mg/L；亞硝酸鹽氮變化范圍0.01～0.08 mg/L，均值（0.03±0.02） mg/L。水體有機物有效降解，硝化及生化反應良好。自試驗運行始，氨氮逐漸積累濃度上升，第36天達峰值后快速下降，之后穩定在0.20 mg/L上下；亞硝酸鹽氮則相對平穩，除了第38天、第40天出現次峰值及峰值外，基本維持在0.05 mg/L以下。

圖4 氨氮及亞硝酸鹽氮變化情況Fig.4 Variation of ammonia and nitrate nitrogen

2.3 養殖生長情況

試驗歷時85 d，對蝦平均體長及體質量變化見圖5。對蝦平均體長從（3.2±0.72） cm（第15天）長至（11.9±0.45）cm（第85天），平均體質量從（2.5±0.84）g（第15天）增至（19.5±0.61）g（第 85 天）。養殖負荷 2.26 kg/m3，飼料系數1.17，成活率81.3%（按終末平均體質量計）。

圖5 平均體長及體質量變化情況Fig.5 Variation of average length and weight

3 討 論

3.1 主要參數設定值（預期值）與實測值比較

表 4列出了高位池循環水養殖系統主要參數設定值（預期值）與實測值，并進行了比較。比較方法為參數的相對偏差[28]

式中E（P）為參數的相對偏差，%；Pexp為參數設定值；Ptest為參數實測值。

水溫、pH值、溶氧及養殖負荷參數設定值（預期值）與實測值吻合較好，偏差范圍 4%～10.3%，氨氮實測值則遠低于設定值（預期值），偏差達92%。系統運行實測值是涉及設計構建、養殖技術、運行管理、氣候狀況等多因素影響的綜合反映。本文對高位池循環水養殖系統主要水質參數及養殖負荷進行合理設定（預期），基于物質平衡相關原理，同時結合水凈化設施構建技術，開展系統精準設計及結構優化，完成系統構建，并在養殖技術、合適運行管理方式支持下開展試驗，系統運行穩定，主要理化因子與養殖負荷設定值（預期值）與實測值吻合良好。 至于氨氮實測值遠低于設定值（預期值），分析原因，一是該設定值（預期值）是由中國漁業水質標準中非離子氨閾值在25 ℃水溫及pH 值為7.0的條件下折算而得的，是系統氨氮控制限值。二是系統實際負荷量低于其設定值（預期值），進一步導致氨氮值下降。

表4 參數設定值（預期值）與實測值比較Table 4 Parameters value (expected value) compared with measured values

3.2 系統經濟性分析

系統運行成本包括苗種、飼料、電費、管理費、投資折舊等，每茬(3月/茬)運行成本見表5。

表5 系統每茬運行成本Table 5 Running cost of system per crop

系統運行3月，收獲凡納濱對蝦6 338 kg。按每千克25元計，每茬收入 15.85萬元，扣除運行成本，每茬利潤3.34萬元。按1年3茬計，年利潤10.02萬元，畝均年利潤2.67萬元，獲得較好經濟效益。

構建的高位池循環水養殖系統在高效率生產同時，節水、節地、養殖污水零排放，是一種符合國家循環經濟、節能減排、轉變經濟增長方式戰略需求的高密度養蝦模式。

4 結 論

運用物質平衡相關原理，同時結合水凈化設施構建技術，精準設計，優化結構，建立了融斜管沉淀設施、流化床生物過濾設施、增氧于一體的設施型高效、低成本的高位池循環水養殖系統。

系統運行 3月，pH 值 7.43～8.03，溶解氧 5.32～7.82 mg/L，氨氮值0.06～0.54 mg/L，亞硝酸鹽氮值0.01～0.08 mg/L，水質調控良好。系統養殖負荷2.26 kg/m3，飼料系數1.17，成活率81.3%。為高位池集約化養蝦可持續發展做出了有益探索。

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Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond

Yang Jing1, Guan Chongwu1, Song Hongqiao1, Liu Xingguo1, Gu Zhaojun1, Guo Yidun2
(1.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai200092,China;2.Nanrong Aquatic Products (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai201700,China)

Higher place shrimp pond is an important production mode in China's shrimp production mode, but there are problems such as low utilization rate of water resources and pollution of aquacultural waters. In this papervannameias an object, using material balance principle and water purification facilities construction technology, including total ammonia balance, nitrification reaction oxygen balance, dissolved oxygen balance and the relationship between surface load and sedimentation rate of inclined pipe precipitation facility. To construct a highly efficient, low-cost of high pool recirculating aquaculture system, fluidized bed biological filtration facility volume were calculated using total ammonia balance. Based on the principle of dissolved oxygen balance, the oxygen demand of the system was calculated based on the oxygen consumption of nitrification and the dissolved oxygen concentration. Several key parameters were precisely established, such as physical filtration equipment of water treatment system volume, the volume of biological filtration facility, the circulating volume,oxygen supply and so on. According to the calculation results as well as taking into account the structure of the facilities between the convergence, and considering management and other factors, structure parameters of the system were determined,and a high pool recirculating aquaculture system were established, which including higher place shrimp pond and corresponding water treatment facilities and equipment, belt filter, pipe chute sedimentation facilities, fluidized bed biological filtration facility, aerobics facilities, circulating pumps and so on. The main technical parameters were: Aquacultural water of the system were 2 800 m3, the designed cultural density load was 2.5 kg/m3, the circulated flow rate was 285 m3/h, the water supply was 3.5 m3/h and the power was 12.15 kW. The system covered an area of 2 750 m2. Application of the system to carry outvannameibreeding experiment in May 2015 lasted for 85 days, the results showed that: pH value of 7.43-8.03, DO of 5.32-7.82 mg/L, ammonia nitrogen value of 0.06-0.54 mg/L, the water quality controlled well good. The breeding system load reached to 2.26 kg/m3, feed coefficient was 1.17, the survival rate was 81.3% (by final average body weight), which achieved a efficient growth results. The single crop profited 33 400 yuan, which accessed good economic returns. The set values (expected value) of main parameters such as water temperature, pH value, dissolved oxygen and aquaculture load were in good agreement with the measured values, and the deviation range between set value and the measured value was 4%-10.3%. The results provide a reference for the higher place pond culture model of sustainable development.

aquaculture; design; water treatment; mass balance; higher place shrimp pond; recirculating

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030

S969.19

A

1002-6819(2017)-14-0217-06

楊 菁，管崇武，宋紅橋，劉興國，顧兆俊，郭益頓. 基于物質平衡的對蝦高位池循環水養殖系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：217－222.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030 http://www.tcsae.org

Yang Jing, Guan Chongwu, Song Hongqiao, Liu Xingguo, Gu Zhaojun, Guo Yidun. Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 217－222. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030 http://www.tcsae.org

2017-03-22

2017-06-25

國家科技支撐計劃（2012BAD25B03）；上海市科技興農重點攻關項目（滬農科攻字（2013）第6-4號）；現代農業產業技術體系建設專項資金（蝦）（nycytx-46）

楊 菁，女，研究員，研究方向：水產養殖工程。上海 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，200092。Email：yangjing@fmiri.ac.cn