高密度循環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）

改革開放以來，在“以養為主”的發展方針指引下，水產養殖業發展取得巨大成就。2018年全國水產養殖總產量4.99106×107t，占我國水產品總產量的比重達77.3%[1]，是世界上唯一養殖水產品總量超過捕撈總量的主要漁業國家。

改變傳統的粗放的養殖方式，尋求更加高效、環保的養殖模式勢在必行。循環水養殖模式與傳統養殖方式相比，養殖污水經過水處理循環利用，節水、生態環保；養殖密度高，產量相同時占用面積更少，節地；養殖水體的水質好，病害少，降低投藥甚至無需投藥，水產品綠色健康；養殖科學管理、標準化生產，生產的可控性強、風險低；水產品質量可溯源等。循環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%，而且通過污水處理還可以實現節能減排、環境友好型生產[2]。由于循環水產模式具有眾多優點，符合現階段國家各項政策和環保要求。而設計并研發適合于市場需求的高密度循環水養殖系統、并分析其運行效果和推廣價值，具有十分重要的意義。

1 材料和方法

1.1 基本情況

高密度循環水養殖系統搭建于北京國際都市農業科技園（北京市通州區潞城鎮）的玻璃連棟溫室，于2017年建設完成并開始運行。系統占地面積52.6 m2，由4個直徑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。系統主要設計參數如表1所示。

表1 系統主要設計參數

1.2 系統設計

圖1 系統水處理工藝流程圖

高密度循環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、紫外線消毒器、沸騰式移動床生物濾器、CO2脫氣池、鼓風機、溫度和pH調節池、溶氧錐、制氧機、循環泵、人工濕地等。系統水處理工藝包括過濾、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節。

養殖池設計了雙通道排污，上排污經由養殖池側壁上方的溢流口流出，占系統總循環量的90%；底排污通過中心排污管進入養殖池底部流出，占總循環量的10%。在水力推流以及重力的作用下，水中大部分的殘餌、糞便等顆粒物隨著底排污進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]。

過濾選用轉鼓式微濾機，200目，過濾精度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]。

消毒采用紫外線滅菌器，殺滅水中細菌，病毒，酵母，霉菌及藻類生物，不需添加化學藥品即能達到消毒效果。

生物處理是高密度循環水養殖系統的核心技術環節，選用沸騰式移動床生物過濾器。筒身直徑1.2 m，高2 m，內部充填生物環形填料（MBBR材質，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流化狀態，保證廢水與載體上的生物膜廣泛而頻繁地接觸，提高系統傳質效率的同時，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方面：（一）由于養殖密度高，魚類呼吸作用會使水體中的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）沸騰式移動床生物過濾器的曝氣作用，繼續吹脫一部分溶于水中的CO2。（三）采用貝殼等生態方式進行調節。

表2 系統主要設備及結構性能參數

1.3 系統管理

2017年12月系統正式投入運行，投放的羅非魚的規格為200～400 g。選用的飼料為淡水魚膨化飼料（蛋白質含量30%），根據羅非魚的生長習性和生長階段進行投喂，羅非魚200～500 g時每日投喂量為體質量的2%～3%，500 g以上時每日投喂量為體質量的1.5%～2%，每d分2次投喂，投喂時間分別為9：00和16：00。豎流式固液分離器，每d定時排污至分離器底部不存在明顯污物，排污時間分別為8：00 和 17：00。

1.4 水質檢測及數據統計方法

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值的測量采用水質快速分析試劑盒，每日7：30和16：30測定2次；體質量使用磅秤，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。

2 結果與分析

2.1 生長情況

系統于2017年12月開始運行，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659尾，共計244.00 kg，密度為34.86 kg/m3。經過139 d的養殖，到2019年9月26日，剩余643尾，成活率97.57%，總體質量762.76 kg，密度達到108.97 kg/m3（表3）。

表3 魚類生長情況

2.2 水溫和溶解氧

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℃，保證了羅非魚的最佳生長溫度（24～35℃）；全天水溫浮動不大，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來說，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類排泄物極大消耗水體溶解氧，故下午溶氧值較上午低。養殖后期隨著養殖密度增大，羅非魚耗氧增加，溶解氧含量有所下降，但仍可供羅非魚正常生長。

圖2 水溫和溶解氧

2.3 氨氮、亞硝酸鹽和pH值

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來說，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方面：（一）CO2脫氣池，可以去除大部分的CO2；（二）沸騰式移動生物池在曝氣條件下，具有一定的CO2吹脫效果；（三）貝殼生態調節pH值。經過三重環節的調節作用，pH值能夠穩定控制在7.6左右。

2.4 系統經濟性分析

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魚的飼養運行成本大約為24.34元。運行成本與市場批發價比較相對較高（2019年9月北京地區市場批發價約19元/kg[5]）。由于試驗系統的水質好，羅非魚全程基本無病害發生，無需投藥；循環水系統適宜水流的刺激羅非魚正常運動，加速魚體內的物質代謝，增進食欲，進一步提高了魚肉品質；借助已有推廣平臺、并以農民豐收節為契機進行鮮活魚銷售，銷售優惠價格在30～35元/kg，高密度循環水養殖系統養殖的羅非魚健康、高品質、生態環保，深受消費者的認可及信賴。

高密度循環水養殖系統運行成本高的原因包括幾個方面：（一）作為一套試驗系統，設計時將其重點放在了水處理效果上，養殖污水的水質處理效果很好，但是電耗成本較高，占運行成本的45.51%。（二）由于是試驗系統，而非標準化生產車間的管理，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，而非適合于高密度養殖而經濟附加值又相對較高的淡水品種。

目前高密度循環水養殖系統的運行成本還沒有達到令人滿意的程度。國內市場普遍認可的幾種淡水魚類采用傳統養殖方式投資少而市場價格都相對偏低，但是質量參差不齊；而高密度循環水養殖系統可以保證養殖的質量，并且養殖達到一定規模后，單位水體產量高[6-7]、設備運行成本下降、節水環保，具有非常大的優勢。有研究表明，與傳統養殖方式相比，循環水養殖生產每單位水產品可以節約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，并且幾乎不污染環境[8]，并且使得水產養殖業在內陸缺水地區的發展成為可能。

由于運行成本、缺乏品牌、品種選擇及市場推廣等因素，高密度循環水養殖系統的經濟性在國內一直沒有得到廣泛的認可。通過本系統的實踐，總結可從以下幾個方面進行改善和推廣：（一）品種的選擇尤為關鍵，依據項目地市場情況、推廣銷售平臺等進行選擇適合高密度循環水養殖系統的淡水或海水品種。（二）品牌建設是高密度循環水養殖系統長期運行的保障。依靠最佳的質量、環保的理念來建設品牌，以優質的品牌保障合理的價格優勢，以保障高密度循環水養殖系統長期高效運行。（三）高密度循環養殖系統建設，保證水質處理效果，還要匹配一定規模，達到質與量的最佳平衡。（四）科學的管理，是在同等競爭條件下致勝的法寶。科學的管理，可以降低損耗、提升質量、提高餌料系數等。

3 結論

高密度循環水養殖系統養殖富吉羅非魚139 d，初始密度34.86 kg/m3，試驗結果表明：羅非魚攝食和生長情況良好，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，但由于羅非魚品質高，受到消費者的認可和信賴，且該系統節水效果顯著，具有較高的市場推廣價值。