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美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究
理論探究
doi:10.3969/j.issn.1673-9205.2009.05.002
農(nóng)業(yè)開發(fā)研究2009年
美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)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(tǒng)研究可以劃分成兩個(gè)有著明顯差異的研究技術(shù)路線，一是高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式研究，主要是通過使用各種各樣的水處理設(shè)備來獲得良好的水質(zhì)，通過各種自動(dòng)化設(shè)施來減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，通過高精度的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。二是經(jīng)濟(jì)型循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式研究，主要是以簡(jiǎn)化水處理設(shè)備，采用簡(jiǎn)單的處理方式以獲得較高經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；美國；工廠化養(yǎng)殖；循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）中圖分類號(hào)：F316.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：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(yīng)用。從美國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的模式研究總體情況來看可以將之劃分成兩個(gè)有著明顯差異的研究技術(shù)路線。一是在美國北部是以康奈爾大學(xué)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(shè)備的高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式研究為主的技術(shù)路線。二是在美國南部以路易斯安那州立大學(xué)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(jiǎn)化水處理設(shè)備，采用簡(jiǎn)單的處理方式以獲得較高經(jīng)濟(jì)效益的經(jīng)濟(jì)型循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式研究為主的技術(shù)路線。
1高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式
高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式是通過使用各種各
樣的水處理設(shè)備來獲得良好的水質(zhì)，通過各種自動(dòng)化設(shè)施來減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，通過高精度的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。
西弗吉尼亞淡水研究所內(nèi)有一個(gè)集成化程度相當(dāng)高的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。其采用的是一個(gè)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(tǒng)中的魚池一般為圓形，普遍采用了雙排水的設(shè)計(jì)。魚池的中上層水是通過設(shè)置在魚池側(cè)面的水位保持器直接進(jìn)入微濾機(jī)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(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)水體凈化技術(shù)和系統(tǒng)研究重點(diǎn)開放
實(shí)驗(yàn)室，上海200092；
節(jié)水等優(yōu)勢(shì)，逐步被人們所接受和越來越多的被應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）可以提供可控的環(huán)境，系統(tǒng)的大小不受環(huán)境條件限制，可以控制養(yǎng)殖水產(chǎn)品的生長(zhǎng)速度，甚至可以預(yù)計(jì)產(chǎn)量。與傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式相比，循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)方式每單位產(chǎn)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(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海200092。
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第3期RESEARCHINAGRICULTUREDEVELOPEMENT
理論探究
質(zhì)（主要是殘餌和魚糞），則是從魚池底部中心的排水口先進(jìn)入一個(gè)沉淀池或水力旋流器，將可沉淀顆粒物去除后，再進(jìn)入微濾機(jī)過濾。微濾機(jī)可以去除大于60μm的懸浮顆粒物。物理過濾后的水流到調(diào)節(jié)池，在調(diào)節(jié)池中可以進(jìn)行調(diào)溫、補(bǔ)水等。然后使用水泵提升進(jìn)入生物過濾器，生物過濾可以采用流化沙床、移動(dòng)床、微珠生物過濾器等方式。經(jīng)過生物處理后的水自流到脫氣裝置吹脫水中的CO2，再進(jìn)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(tǒng)中已經(jīng)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(tǒng)及主要設(shè)備的照片見圖2，左邊是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的效果圖，右上是系統(tǒng)中的魚池和投飼機(jī)，右下是微濾機(jī)和調(diào)節(jié)池。
圖3
自動(dòng)收魚裝置、
投喂裝置和投喂控制系統(tǒng)
水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)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(dāng)完善，尤其是對(duì)ORP相當(dāng)?shù)年P(guān)注，采用ORP數(shù)值的變化來進(jìn)行水質(zhì)的預(yù)測(cè)和調(diào)控。如圖4所示左上和右上分別為二氧化碳和ORP的測(cè)試儀。下方為電腦上顯示的系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)在最近一個(gè)小時(shí)內(nèi)的歷史曲線，包括的參數(shù)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(tǒng)
要實(shí)現(xiàn)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖科學(xué)、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的管理是其中一個(gè)相當(dāng)重要環(huán)節(jié)。而其中又以飼料的投喂、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)為關(guān)鍵。在美國農(nóng)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(dāng)成熟的飼料自動(dòng)投喂系統(tǒng)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。所有的數(shù)據(jù)都會(huì)實(shí)時(shí)反應(yīng)在控制電腦上，操作人員只需要面對(duì)電腦就可以清楚的了解所有系統(tǒng)最新的水質(zhì)情況和飼料投喂情況，也可以通過電腦實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的控制。整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度相當(dāng)高，人員只需要完成一些簡(jiǎn)單的勞動(dòng)工作。如圖3所示，左上為一個(gè)收魚裝置。當(dāng)養(yǎng)殖的魚達(dá)到市場(chǎng)規(guī)格后，員工就可以將魚從魚池中趕到這個(gè)裝置中撈起，設(shè)計(jì)得非常簡(jiǎn)單實(shí)用。右為自動(dòng)投飼機(jī)，右上和右下都是自動(dòng)投飼機(jī)，不同之處在于，由于右上的魚池較大，設(shè)計(jì)人員在魚池上方設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的行車。操作人員在魚池一側(cè)就可以輕松的將飼料投喂到魚池的另一側(cè)。左下為一個(gè)養(yǎng)殖車間的投飼控制系統(tǒng)。車間內(nèi)所有系統(tǒng)的投喂都可以通過這臺(tái)電腦來進(jìn)行控制，可以設(shè)置包括投喂的飼料種類、投飼速度等操作參數(shù)。
圖4
水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)
2經(jīng)濟(jì)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(xué)Malone教授根據(jù)多年的研
究，認(rèn)為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠成功運(yùn)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(shí)去除；三是生物過濾；四是增氧；五是二氧化碳的去除。當(dāng)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(jiǎn)單有效的方法來實(shí)現(xiàn)，成為研究和應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式是一種采用氣提代替?zhèn)鹘y(tǒng)養(yǎng)殖模式必須使用的水泵以實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)，而水處理僅僅使用浮性珠子過
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理論探究
農(nóng)業(yè)開發(fā)研究2009年
濾器等簡(jiǎn)單的處理設(shè)備的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式。其中僅采用浮性珠子過濾器和氣提技術(shù)就能完全滿足五大必要條件。
浮性珠子過濾器的特點(diǎn)在于其同時(shí)兼具物理過濾和生物過濾的雙重功能，可以簡(jiǎn)化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dāng)中的最新產(chǎn)品，它可以使用自身容器內(nèi)的水體來完成反沖洗，而其強(qiáng)度又不會(huì)太過劇烈而影響到硝化反應(yīng)的進(jìn)行。采用浮性珠子過濾器可以實(shí)現(xiàn)五大必要條件中的懸浮顆粒物及時(shí)去除和生物過濾。氣提技術(shù)在BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式中可以實(shí)現(xiàn)另外三個(gè)必要條件，通過使用鼓風(fēng)曝氣，形成密度差，可以將讓水從低位提升到高位，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)。在實(shí)現(xiàn)水位提升的同時(shí)曝氣可以實(shí)現(xiàn)給系統(tǒng)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(tǒng)模式僅僅使用珠子過濾器技術(shù)和氣提技術(shù)就完成了循環(huán)水養(yǎng)殖所必要的五大必要條件，系統(tǒng)所使用的動(dòng)力設(shè)備非常少，因此，大大減少了系統(tǒng)維護(hù)所需要的時(shí)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(tǒng)更加安全可靠，養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)更低[9-13]。
口自流進(jìn)入PBF過濾器，魚池內(nèi)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(shí)現(xiàn)了水的處理和循環(huán)。系統(tǒng)的換水量相當(dāng)?shù)牡�，系統(tǒng)中的水體已經(jīng)使用了長(zhǎng)達(dá)4、5年之久。在魚池的池壁、水管上到處長(zhǎng)滿了藻，看起來非常的臟。如圖5所示，左上是農(nóng)場(chǎng)最早使用PBF過濾器，從1993年開始使用至今運(yùn)行狀況良好。左下是一組BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，右上為魚池中的分類養(yǎng)殖網(wǎng)箱，右下氣提裝置。
2.2生物絮凝（Biofloc）循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)
在美國蝦類產(chǎn)品的養(yǎng)殖量相當(dāng)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(zhì)的好壞對(duì)于蝦類的養(yǎng)殖是相當(dāng)關(guān)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(gè)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，尋找一種穩(wěn)定、高產(chǎn)、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(tǒng)是目前美國在經(jīng)濟(jì)性循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式方面的研究熱點(diǎn)之一，目前已經(jīng)有不少的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和部分應(yīng)用實(shí)例。
生物絮凝（Biofloc）循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)有別與傳統(tǒng)的水處理方式，它是利用異養(yǎng)細(xì)菌的同化反應(yīng)，理論反應(yīng)方程式如下：
TiltechAquaFarm養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)目前在使用的一套BF/AL循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。TiltechAquafarm主要生產(chǎn)
全雄羅非魚苗，并可以根據(jù)客戶需要提供各種特定家系或者規(guī)格的羅非魚苗。整個(gè)農(nóng)場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)只需要4個(gè)人，只是在特別忙的情況下才會(huì)另外請(qǐng)臨時(shí)工。水處理系統(tǒng)相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅僅是使用了幾臺(tái)大型的珠子過濾器來控制系統(tǒng)內(nèi)的微藻濃度和去除顆粒物。魚池中的微藻濃度相當(dāng)高，據(jù)介紹最高濃度可以達(dá)到800000000ind/L。魚池內(nèi)的水是通過中央排污
NH4++1.18C6H12O6+HCO3-+2.06O2→C5H7O2N+6.06H2O+3.07CO2
根據(jù)方程式可以得到：每g的總氨氮轉(zhuǎn)化為細(xì)
菌，需要消耗4.71g的溶解氧、3.57g堿度（0.86g無機(jī)碳）和15.17g碳水化合物（6.07g有機(jī)碳）。反應(yīng)可以生成8.07g的細(xì)菌生物體（4.29g有機(jī)碳）和9.65g的二氧化碳（2.63g無機(jī)碳）。反應(yīng)使得細(xì)菌的生物量增加了
40倍，所產(chǎn)生的生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于的硝化反應(yīng)過程中的
細(xì)菌生物量的變化，所以系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵就是使用物理過濾及時(shí)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(tǒng)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(shè)備，圖6右上所示的是豎流式沉淀池。實(shí)驗(yàn)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(nèi)的碳氮比，使得水體內(nèi)的異養(yǎng)細(xì)菌取代自養(yǎng)細(xì)菌，成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)種，從而吸收總氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽，將其轉(zhuǎn)化為細(xì)菌的生物體。根據(jù)研究報(bào)到，每6g碳可
圖5TiltechAquaFarm養(yǎng)殖場(chǎng)的PGF/AL
循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)
以將1g總氮轉(zhuǎn)化為細(xì)菌的生物體，其使用的填料糖的比重為1.3，含碳量為50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在實(shí)驗(yàn)
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第3期RESEARCHINAGRICULTUREDEVELOPEMENT
tonRouge:LouisianaStateUniversity,2005.
理論探究
過程中，系統(tǒng)水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮被控制在一個(gè)合理的水平，系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)
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3結(jié)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(dá)到高密度、高自動(dòng)化、高集成度的養(yǎng)殖模式，也有從事使用簡(jiǎn)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(jīng)濟(jì)型養(yǎng)殖模式。各種模式在美國養(yǎng)殖業(yè)中都有所應(yīng)用，可以說是百家爭(zhēng)鳴，創(chuàng)意無限，其中不少是值得去深入的學(xué)習(xí)和研究。
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基金項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介
農(nóng)業(yè)部“引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)”項(xiàng)目（2008-Z9）劉晃（1973—），男，湖南祁陽人，碩士，副研究員，主要從事水產(chǎn)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(chǎn)養(yǎng)殖工程研究工作；吳凡（1973—），男，上海人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水產(chǎn)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(chǎn)養(yǎng)殖工程研究工作；徐皓（1962—），男，上海人，學(xué)士，研究員，主要從事漁業(yè)裝備與工程技術(shù)研究工作。
收稿日期2009-05-12
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