美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統研究
理論探究
doi:10.3969/j.issn.1673-9205.2009.05.002
農業(yè)開發(fā)研究2009年
美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統研究
劉晃1，2，3，張宇雷1，3，吳凡1，3，倪琦1，2，徐皓1，3
摘要：美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統研究可以劃分成兩個有著明顯差異的研究技術路線，一是高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式研究，主要是通過使用各種各樣的水處理設備來獲得良好的水質，通過各種自動化設施來減少人員勞動強度，通過高精度的水質監(jiān)控系統來實時反饋系統運行狀態(tài)。二是經濟型循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式研究，主要是以簡化水處理設備，采用簡單的處理方式以獲得較高經濟效益。
關鍵詞：水產養(yǎng)殖；美國；工廠化養(yǎng)殖；循環(huán)水養(yǎng)殖系統（RAS）中圖分類號：F316.4文獻標識碼：A
文章編號：1673-9205（2009）03-0010-04
美國在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的研究方面一直處于較高水平，特別是在鮭鱒類冷水性魚和羅非魚等溫水性魚的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖上有不少的研究和應用。從美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統的模式研究總體情況來看可以將之劃分成兩個有著明顯差異的研究技術路線。一是在美國北部是以康奈爾大學的
Timmons教授和西弗吉尼亞淡水研究所Summerfelt
教授為代表的，以集成各種水處理設備的高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式研究為主的技術路線。二是在美國南部以路易斯安那州立大學Malone教授和
StudyonrecirculatingaquaculturesystemsinUSA
LIUHuang，ZHANGYu-lei，WUFan，NIQi，XUHao（1.FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092；2.Keylabora-toryoffisherywatertreatment,ChineseAcademyofFisherySci-ences,Shanghai200092；3.Keylaboratoryoffisheryequipmentandengineering,MinistryofagricultureShanghai,200092；）Abstract：TherecirculatingaquaculturesystemsinUSAcanbedividedintotwostudytechnicalroutehavingsaliencediffer-ences.First,studyofhighlyintegratedrecirculatingaquaculturesystems,mainlyusedallkindsofwatertreatmentequipmenttoobtaingoodwaterquality,andalsousedavarietyofautomatedfacilitiestoreducelaborintensity.Meanwhile,itreflectssystemstatusonlinewithhigh-precisionwaterqualitymonitorsystems.Secondly,studyofeconomicrecirculatingaquaculturesystems,cangethigheconomicprofitsbysimplifyingwatertreatmente-quipment,andusingasimplewatertreatmentprocesses.Keywords：Aquaculture；USA；Industrialaquaculture；Re-circulatingaquaculturesystems（RAS）
AquacultureSystemsTechnologies公司Ebeling博士為
代表的，以簡化水處理設備，采用簡單的處理方式以獲得較高經濟效益的經濟型循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式研究為主的技術路線。
1高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式
高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式是通過使用各種各
樣的水處理設備來獲得良好的水質，通過各種自動化設施來減少人員勞動強度，通過高精度的水質監(jiān)控系統來實時反饋系統運行狀態(tài)。
西弗吉尼亞淡水研究所內有一個集成化程度相當高的循環(huán)水養(yǎng)殖系統。其采用的是一個比較典型的水處理工藝，其水處理工藝流程圖如圖1所示。
0引言
工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖方式正以其環(huán)境友好、節(jié)能、
圖1水處理工藝流程圖
在這些工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統中的魚池一般為圓形，普遍采用了雙排水的設計。魚池的中上層水是通過設置在魚池側面的水位保持器直接進入微濾機過濾，而魚池的底層水中由于含有比較多的顆粒物
1.中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海200092；2.中國水產科學研究院漁業(yè)水體凈化技術和系統研究重點開放
實驗室，上海200092；
節(jié)水等優(yōu)勢，逐步被人們所接受和越來越多的被應用到生產實踐中去。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統（RAS）可以提供可控的環(huán)境，系統的大小不受環(huán)境條件限制，可以控制養(yǎng)殖水產品的生長速度，甚至可以預計產量。與傳統養(yǎng)殖方式相比，循環(huán)水養(yǎng)殖生產方式每單位產量的可以節(jié)約90~99％的水消耗和99％的土地占用，并幾乎不污染環(huán)境[1]。
3.農業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點開放實驗室，上海200092。
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理論探究
質（主要是殘餌和魚糞），則是從魚池底部中心的排水口先進入一個沉淀池或水力旋流器，將可沉淀顆粒物去除后，再進入微濾機過濾。微濾機可以去除大于60μm的懸浮顆粒物。物理過濾后的水流到調節(jié)池，在調節(jié)池中可以進行調溫、補水等。然后使用水泵提升進入生物過濾器，生物過濾可以采用流化沙床、移動床、微珠生物過濾器等方式。經過生物處理后的水自流到脫氣裝置吹脫水中的CO2，再進入增氧裝置，增氧一般采用LHO或錐形增氧裝置。由于在美國的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統中已經普遍使用液氧，因此CO2的去除就顯得尤為重要。增氧后的水回到魚池[3-8]。西弗吉尼亞淡水研究所中的循環(huán)水養(yǎng)殖系統及主要設備的照片見圖2，左邊是循環(huán)水養(yǎng)殖系統的效果圖，右上是系統中的魚池和投飼機，右下是微濾機和調節(jié)池。
圖3
自動收魚裝置、
投喂裝置和投喂控制系統
水質監(jiān)控系統是一個養(yǎng)殖系統成功的保障。美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖在這方面做的相當完善，尤其是對ORP相當的關注，采用ORP數值的變化來進行水質的預測和調控。如圖4所示左上和右上分別為二氧化碳和ORP的測試儀。下方為電腦上顯示的系統水質參數在最近一個小時內的歷史曲線，包括的參數主要有溶氧、水溫和ORP。
圖2
西弗吉尼亞淡水研究所的循環(huán)水養(yǎng)殖系統
要實現工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖科學、統一、標準化的管理是其中一個相當重要環(huán)節(jié)。而其中又以飼料的投喂、水質監(jiān)測和報警系統為關鍵。在美國農業(yè)部國家冷水魚研究中心和西弗吉尼亞淡水研究所都有相當成熟的飼料自動投喂系統和水質監(jiān)測系統。所有的'數據都會實時反應在控制電腦上，操作人員只需要面對電腦就可以清楚的了解所有系統最新的水質情況和飼料投喂情況，也可以通過電腦實現對它們的控制。整個系統的自動化程度相當高，人員只需要完成一些簡單的勞動工作。如圖3所示，左上為一個收魚裝置。當養(yǎng)殖的魚達到市場規(guī)格后，員工就可以將魚從魚池中趕到這個裝置中撈起，設計得非常簡單實用。右為自動投飼機，右上和右下都是自動投飼機，不同之處在于，由于右上的魚池較大，設計人員在魚池上方設計了一個小型的行車。操作人員在魚池一側就可以輕松的將飼料投喂到魚池的另一側。左下為一個養(yǎng)殖車間的投飼控制系統。車間內所有系統的投喂都可以通過這臺電腦來進行控制，可以設置包括投喂的飼料種類、投飼速度等操作參數。
圖4
水質監(jiān)控系統
2經濟型養(yǎng)殖模式
2.1BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖模式
路易斯安那州立大學Malone教授根據多年的研
究，認為循環(huán)水養(yǎng)殖系統能夠成功運行必須滿足五大必要條件：一是水的循環(huán)；二是懸浮顆粒物及時去除；三是生物過濾；四是增氧；五是二氧化碳的去除。當然，目前有很多方法都可以滿足這五大必要條件。但是，重要的是如何采用簡單有效的方法來實現，成為研究和應用的技術關鍵。BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式是一種采用氣提代替?zhèn)鹘y養(yǎng)殖模式必須使用的水泵以實現水體循環(huán)，而水處理僅僅使用浮性珠子過
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濾器等簡單的處理設備的循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式。其中僅采用浮性珠子過濾器和氣提技術就能完全滿足五大必要條件。
浮性珠子過濾器的特點在于其同時兼具物理過濾和生物過濾的雙重功能，可以簡化循環(huán)水養(yǎng)殖系統的設計和操作。目前，浮性珠子過濾器系列中有螺旋槳反沖洗型（PBF）、氣泡反沖洗型（BBF）和氣室反沖洗型（PGF）三中型式。氣室反沖洗型（PGF）過濾器是當中的最新產品，它可以使用自身容器內的水體來完成反沖洗，而其強度又不會太過劇烈而影響到硝化反應的進行。采用浮性珠子過濾器可以實現五大必要條件中的懸浮顆粒物及時去除和生物過濾。氣提技術在BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式中可以實現另外三個必要條件，通過使用鼓風曝氣，形成密度差，可以將讓水從低位提升到高位，實現水的循環(huán)。在實現水位提升的同時曝氣可以實現給系統水體增氧和去除水中的二氧化碳。PF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式僅僅使用珠子過濾器技術和氣提技術就完成了循環(huán)水養(yǎng)殖所必要的五大必要條件，系統所使用的動力設備非常少，因此，大大減少了系統維護所需要的時間。而從安全性的角度考慮，除去了水泵故障的可能性，使系統更加安全可靠，養(yǎng)殖風險更低[9-13]。
口自流進入PBF過濾器，魚池內水面和PBF過濾器中的液面高差大約為30cm，過濾后水通過氣提方式被提升回到魚池，實現了水的處理和循環(huán)。系統的換水量相當的低，系統中的水體已經使用了長達4、5年之久。在魚池的池壁、水管上到處長滿了藻，看起來非常的臟。如圖5所示，左上是農場最早使用PBF過濾器，從1993年開始使用至今運行狀況良好。左下是一組BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統，右上為魚池中的分類養(yǎng)殖網箱，右下氣提裝置。
2.2生物絮凝（Biofloc）循環(huán)水養(yǎng)殖系統
在美國蝦類產品的養(yǎng)殖量相當大，而且從目前
來看，它還在以每年15%的增幅在迅速膨脹。一方面，水質的好壞對于蝦類的養(yǎng)殖是相當關鍵的。另一方面，由于蝦類養(yǎng)殖而帶來的污水排放也成為了美國各個環(huán)境保護協會關注的焦點。因此，尋找一種穩(wěn)定、高產、高效、環(huán)境友好而又可以將病毒危害降到最低的蝦類養(yǎng)殖模式就成為了主要的研究方向。生物絮凝（Biofloc）循環(huán)水養(yǎng)殖系統是目前美國在經濟性循環(huán)水養(yǎng)殖系統模式方面的研究熱點之一，目前已經有不少的實驗系統和部分應用實例。
生物絮凝（Biofloc）循環(huán)水養(yǎng)殖系統有別與傳統的水處理方式，它是利用異養(yǎng)細菌的同化反應，理論反應方程式如下：
TiltechAquaFarm養(yǎng)殖場內目前在使用的一套BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統。TiltechAquafarm主要生產
全雄羅非魚苗，并可以根據客戶需要提供各種特定家系或者規(guī)格的羅非魚苗。整個農場正常運行時只需要4個人，只是在特別忙的情況下才會另外請臨時工。水處理系統相當簡單，僅僅是使用了幾臺大型的珠子過濾器來控制系統內的微藻濃度和去除顆粒物。魚池中的微藻濃度相當高，據介紹最高濃度可以達到800000000ind/L。魚池內的水是通過中央排污
NH4++1.18C6H12O6+HCO3-+2.06O2→C5H7O2N+6.06H2O+3.07CO2
根據方程式可以得到：每g的總氨氮轉化為細
菌，需要消耗4.71g的溶解氧、3.57g堿度（0.86g無機碳）和15.17g碳水化合物（6.07g有機碳）。反應可以生成8.07g的細菌生物體（4.29g有機碳）和9.65g的二氧化碳（2.63g無機碳）。反應使得細菌的生物量增加了
40倍，所產生的生物量遠遠大于的硝化反應過程中的
細菌生物量的變化，所以系統的另一個關鍵就是使用物理過濾及時去除水中的微生物和顆粒物[14]。
生物絮凝（Biofloc）循環(huán)水養(yǎng)殖系統主要是養(yǎng)殖蝦類，使用的是跑道式養(yǎng)殖池（如圖6中的左圖所示），養(yǎng)殖池僅僅配備了壓力式沙濾灌、泡沫分離器或采用沉淀池等物理設備，圖6右上所示的是豎流式沉淀池。實驗使用填料糖（如圖6中的右下所示）作為生物填料和外加碳源，通過提高水體內的碳氮比，使得水體內的異養(yǎng)細菌取代自養(yǎng)細菌，成為系統中的優(yōu)勢種，從而吸收總氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽，將其轉化為細菌的生物體。根據研究報到，每6g碳可
圖5TiltechAquaFarm養(yǎng)殖場的PGF/AL
循環(huán)水養(yǎng)殖系統
以將1g總氮轉化為細菌的生物體，其使用的填料糖的比重為1.3，含碳量為50%。實驗結果顯示在實驗
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tonRouge:LouisianaStateUniversity,2005.
理論探究
過程中，系統水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮被控制在一個合理的水平，系統運行穩(wěn)定[15-18]。
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圖6
生物絮凝循環(huán)水養(yǎng)殖系統
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3結語
從總體上看，目前美國在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖方
面的研究既有從事使用高科技手段達到高密度、高自動化、高集成度的養(yǎng)殖模式，也有從事使用簡化水處理工藝或利用自然條件（例如：藻類）以期獲得低成本、高收益的經濟型養(yǎng)殖模式。各種模式在美國養(yǎng)殖業(yè)中都有所應用，可以說是百家爭鳴，創(chuàng)意無限，其中不少是值得去深入的學習和研究。
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基金項目作者簡介
農業(yè)部“引進國際先進農業(yè)科學技術”項目（2008-Z9）劉晃（1973—），男，湖南祁陽人，碩士，副研究員，主要從事水產養(yǎng)殖工程研究工作；張宇雷（1980—），男，上海人，研究生，碩士，工程師，主要從事水產養(yǎng)殖工程研究工作；吳凡（1973—），男，上海人，碩士，高級工程師，主要從事水產養(yǎng)殖工程研究工作；倪琦（1968—），男，上海人，碩士，研究員，主要從事水產養(yǎng)殖工程研究工作；徐皓（1962—），男，上海人，學士，研究員，主要從事漁業(yè)裝備與工程技術研究工作。
收稿日期2009-05-12
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