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关于我国工厂化循环水养殖的研究报告
我国工厂化循环水养殖研究
摘要：工厂化循环水养殖模式是一种新型的高效养殖模式, 以养殖用水净化后循环利用为核心特征, 节电、节水、节地, 符合当前国家提出的循环经济、节能减排、转变经济增长方式的战略需求。本文以循环水养殖模式应用实践为主线, 结合近几年养殖模式的科学研究和产业发展, 围绕养殖管理与应用, 分别对水循环系统对化学物质的承载力、水循环率、主要养殖种类、养殖效果和最适养殖密度等运营管理环节进行了总结和探讨, 为今后建立适用于中国国情的工厂化循环水养殖模式管理标准提供参考。
1. 前言
工厂化循环水养殖又被称为：陆基工厂化养殖、工厂化养殖、工业化养鱼等。一般是指集中了相当多的设施、设备，拥有多种技术手段，使水产品处于一个相对被控制的生活环境中，处在较高强度的生产状态下，具有生产效率高、占地面积少的特点。而国外一般称为循环水，其主要特征是水体的循环利用，它不同于普通的工厂化养殖，其综合运用机械、电子、化学、自动化信息技术等先进技术和工业化手段，控制养殖生物的生活环境，进行科学管理，从而摆脱土地和水等自然资源条件限制，是一种高密度、高单产、高投入、高效益的养殖方式工厂化循环水养殖的实质是养殖生产的工业化，生产过程可控，可以跨季节养殖，产品像工业品一样可以有计划地均衡上市。其特点：一是用水量少，可利用较低质水源，对水资源要求较低；二是占地少，对土地资源的要求低；三是养殖密度高，单位耗水产量大；四是易于控制生长环境，鱼类(以及其他养殖种类)生长速度快，生长周期短；五是饲料利用率高；六是水循环使用，利用系数高；七是排放的废水废物少，能集中处理，对环境无压力或很小；八是不受外界气候的影响，可实现常年生产。
工厂化循环水养殖模式建立在生物学、环境科学、机电工程、信息科学、建筑科学等多学科发展的基础上, 是多学科的交汇和应用, 其产生和发展不是偶然的, 是人类综合利用现代科学技术改造自然, 服务社会的结果。养殖废水属于微污染水, 但用于循环利用, 其对水质处理的要求却高, 因此, 在生产上, 需采用多种手段, 对养殖废水进行处理。此种处理包括物理、化学、生物等过程,一般包括微滤机、弧形筛、泡沫分离、臭氧消毒、生物滤池、紫外线杀菌、加热恒温、纯氧增氧等环节。此外, 在整个养殖模式的建立过程中, 水循环系统对化学物质的承载力、水循环率、主要适宜养种类、养殖效果和最佳养殖密度等养殖管理环节均需要进行大量的实验和实践,本文将近年国内外关于这方面的研究做一总结,为适应中国国情的工厂化循环水养殖模式养殖管理标准的建立提供一些参考。
2. 材料与方法
工厂化循环水养殖系统的典型工艺和装备是以物理过滤结合生物过滤为主体，对养殖水体进行深度净化，并集成了水质自动监控系统，实时监测并调控养殖水体质量并可追溯。该系统具有工艺技术完善、水处理效果好、水质状况稳定、生产操作舒适、设备维护简便、运行成本低、系统投资省等优点。工厂化循环水养殖系统工艺流程见图1[8~9]。
2.1大颗粒物滤除
工厂化养鱼属于集约化养殖模式，养殖鱼类的单位水体密度较高，产生的固体废弃物量很大，首先要求滤除大颗粒物（TSS）。目前生产上使用得比较成熟的是微滤机和弧形筛。转鼓式微滤机为当前去除TSS的主要设备之一，滤网是转鼓式微滤机的主要工作部件，其网目数（孔径）直接影响转鼓式微滤机的TSS去除率、反冲洗频率、耗水耗电等。宿墨等研究发现，200目滤网的技术经济
[1]效果最为明显，其TSS去除率达到54.90 %。微滤机在初次使用过程中过滤效果较好，但在长期运行过程中，养殖水体中黏性物质会逐步附着到滤网上，导致滤网孔径变小，影响过滤能力，且由于体积庞大，不容易维护。
弧形筛是目前国内外工厂化循环水养殖模式中应用较为成熟的一种微筛过滤器，优点是无动力消耗、结构简单、维护成本低，缺点是国内尚未解决弧形筛面的自动清洗难题，养殖负荷较高，每天不定时地需要进行人工清洗。弧形筛主要利用筛缝排列垂直于进水水流方向的圆弧形固定筛面实现水体固液分离。最常用的筛缝是0.25 mm，可有效去除约80 %的粒径大于70 μm的TSS。
2.2臭氧消毒
臭氧是一种强氧化剂，其灭菌过程属于生物化学氧化反应。臭氧灭菌有3种形式：a. 能氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶，灭活细菌；b. 直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA，使细菌的新陈代谢遭到破坏，导致细菌死亡；c. 透过细胞膜组织侵入细胞内部，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌产生通透性畸变而溶解死亡。臭氧灭菌为广谱杀菌和溶菌方式，杀菌彻底，无残留，可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等，并可破坏肉毒杆菌毒素。另外，臭氧由于稳定性差，很快会自行分解为氧气或单个氧原子，而单个氧原子能自行结合成氧分子，不仅能对养殖水体增氧，而且不存在任何有毒残留物，所以臭氧是一种比较理想的、无污染的消毒剂。
臭氧尽管杀菌效果较好，但如果过量使用对养殖生物会造成较大危害。因此，在水产养殖过程中，定时、定量、安全、规范使用臭氧非常重要，应采取严格措施尽力避免过量使用；并要防止臭氧溢出造成空气环境污染。
2.3气浮综合处理
此环节使用的主要设备是蛋白分离器。其工作原理为：空气与水之间形成的接触面具有一定的表面张力，因此纤维素、蛋白质和食物残渣等有机杂质必然会在此被吸附汇集。如果能够尽力扩大此表面积，例如产生气泡（制造泡沫），则会有更多的纤维素、蛋白质和食物残渣等在此表面被吸附。泡沫的黏度将随着表面的扩大而增强，并随气泡的逐渐消失而改变。因此，蛋白分离器的有效性就在于扩大气体和液体之间的表面区域及其特定的表面张力
2.4生物滤池
RAS 的核心是生物滤池，包括生物滤料的选择、生物滤膜的培养等技术环节。循环水养殖模式属高密度集约化养殖，其残饵、粪便产生的氨氮、亚硝酸氮是整个循环水系统中主要的代谢废物，也是重点过滤对象，而生物滤池主要承担养殖废水氨氮、亚硝酸氮的转化、脱除等功能环节。可以说，生物滤池对氨氮、亚硝酸氮的处理能力代表了整个RAS 工艺的先进性，也代表了整个RAS 的最大养殖承载量。
2.5紫外线杀菌环节
紫外线杀菌工艺被广泛地应用在循环水处理环节上。适当波长的紫外线会破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA 分子结构，造成生长性细胞死亡或再生性细胞死亡。因此，当应用紫外杀菌技术于RAS中，水中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体受到一定剂量的UVC辐射后，其细胞中的DNA、RNA结构受到破坏，从而在不使用任何化学药物的情况下杀灭水中的细菌、病毒以及其他致病体，达到消毒和净化的目的。
3. 结果与讨论
3.1 水循环系统的稳定性是工厂化循环水养殖模式的重中之重
工厂化循环水养殖模式的最大特点就是可以实现无季节差别的全天候高效生产, 实现这个预期效果离不开科学合理的水处理工艺设施, 但同时也离不开科学有序的运营管理。水循环系统运转的稳定性跟水循环系统的总水量平衡、生物滤池的定期维护、过滤设施的定期清洗、水质的有效监测、合理的饲料投喂策略、适宜的养殖密度、合理的养殖管理措施等都是分不开的。所以, 水循环系统的稳定性是一个综合考量的指标, 也是实现工厂化循环水养殖模式稳定生产运营的关键环节。在中国已有的工厂化循环水养殖容量中, 规模较大的养殖企业均或多或少暴发了 RAS 崩溃的现象, 究其原因, 还是水循环系统的稳定性不够所致。具体表现为养殖对象大规模感染致病菌,出现活力低下、体表溃烂、肝脾肿大、暴发性死亡的现象, 往往短时间内给经营业者带来重大损失。因为循环水养殖模式是高效养殖, 养殖密度是一般流水养殖模式的数倍, 在水循环系统稳定的状况下, 其高效高产优势可以正常发挥, 一旦出现水循环系统自净能力受阻, 水质恶化, 所带来的风险和损失也是成倍增长的。所以, 工厂化循环水养殖模式不同于传统养殖模式, 要求管理运营人员素质较高, 要对整个 RAS 各个环节非常熟悉和了解, 能够及时地掌控和反馈系统运行情况。同时要求养殖企业建立完善的水质监测监管体系和规范科学的养殖管理体系。
3.2 工厂化循环水养殖模式的应用范围应当大力拓展
目前, 国内循环水养殖模式已在高档鱼类如半滑舌鳎、大菱鲆、石斑鱼、红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)、虹鳟等品种上有很好的应用, 国外主要应用于大西洋鲑、虹鳟、欧洲鳗、暗斑梭鲈、红 点鲑、鲟、尼罗罗非鱼, 均创造了巨大的商业利润。除了鱼类之外, 已经越来越多地将此种养殖模式应用于虾类、刺参、贝类等品种。欧洲龙虾、凡纳滨对虾、九齿团虾、梭子蟹、皱纹盘鲍、东方牡蛎、佛罗里达苹果螺等均在循环水养殖模式中有了很好的尝试与应用, 只是养殖规模和养殖效率还有待提高。不仅如此, 有些水产工作者在循环水养殖模式下还做了鱼贝共生、虾贝共生、虾藻共生等的有益尝试, 对水质控制、氮磷转化利用、提高综合效益等也做了相应的探讨, 为工厂化循环水养殖模式的发展提出了新的方向。工厂化循环水养殖模式不仅可以在养殖种类上拓展, 在养殖空间上也可以大力开拓。绍兴一家企业已实现用全人工配置海水养殖大菱鲆, 开创了循环水养殖应用前景。在国家开创现代农业的大力支持下, 随着人民生活水平的提高, 工厂化循环水养殖模式的发展空间将越来越大, 假以时日, 在中国西部边陲新疆、西藏实现海鲜的就地供给是完全可以实现的。
3.3 工厂化循环水养殖模式的发展应注重节能减排、环境友好
普通流水养殖模式的养殖用水是从20~60 m的地下通过电能昼夜不停地抽提上来, 简单地用于养鱼后就排向大海, 不但造成水资源的浪费,而且带走了热量, 是对地热资源的不合理开发。同时, 每月消耗的电能是一个庞大数字, 以一个普通的 20个6m×6m×1m池子的标准养鱼棚为例,每月消耗的电量为 1~2万kW·h, 电费达万元/月以上。而且不经任何处理的养殖废水直接排入海中, 造成近海的富营养化和病菌的滋生, 对环境造成很大破坏。相比普通流水养殖模式, 工厂化循环水养殖模式可以实现水体循环利用, 日均水利用率在 95%以上, 大量节省了水资源和地热能源。可是因为现在国内相关水处理设备性能还不完善, 使用寿命短、处理效率不高、节能效果也不好, 同时水处理工艺和养殖运营的管理水平也有待提高, 造成国内循环水养殖企业生产运营成本高昂, 产品价格缺乏竞争力, 导致部分循环水车间处于基本维持和补贴运营状态, 甚至生产陷入停顿。因此, 采用多种措施和手段, 降低能耗,降低生产运营成本, 是今后工厂化循环水养殖模式发展和推广的必须举措。具体的措施和方法有:在系统工艺设计中应贯彻“一级抽提、重力流循环”思路, 最大限度地减少多级抽提带来的能耗和水头损失; 尽量使用能耗低的水处理设备, 部分使用低扬程水泵; 尽量使用成熟绿色能源代替电能, 如太阳能、地热、光伏、风能、生物质能等; 实现科学合理的工业化、标准化生产管理, 挖掘工厂化循环水养殖模式生产潜能, 实现全年满负荷养殖生产, 降低单位产品生产成本等。普通开放养殖模式生产过程中的养殖废水直接外排, 大量无机和有机营养元素如氨氮、磷酸盐、溶解性有机碳和有机颗粒直接进入环境,从而造成水域环境的恶化, 进而引发水质污染、病害滋生, 水产品的卫生和安全等一系列问题成为限制水产养殖业可持续发展的首要问题。工厂化循环水养殖模式可以实现全封闭式生产, 排放可控, 而且污染终产物还可以作为堆肥直接肥田。
4. 结论
从世界范围内看, 工厂化循环水养殖模式发展的历史较短, 水处理工艺及养殖管理还不完善,有时是受成本控制限制, 所以还不能做到完全的“零排放”, 所以在实际生产运营中, 每日还是要 排出一定量的污染物, 如何科学地处理这些“污染物”是摆在水产工作者面前的一个重要问题。而 且, 涉及生物过滤环节, 会有 N2、N2O和CO2的排出, N2O和CO2是典型的温室气体,且N2O 对臭氧层有明显的破坏作用, 如何减少和限制这种对环境的不良影响, 也是工厂化循环水养殖模式生产推广需要克服的一个问题。尽管如此, 工厂化循环水养殖模式仍然是未来最具发展潜力的陆基循环水养殖模式, 是中国开创现代水产业的重要组成部分。随着核心装备的国产化、水处理工艺的成熟化、养殖管理的科学化, 集“装备工程化、技术现代化、生产工厂化、管理工业化”为一体的现代工业化养殖产业新模式将会被建立, 水产业的转型升级, 海淡水养鱼大产业的架构, 才能够实现, 而中国水产业将进入工业化养殖新时代, 届时, 中国不仅是世界水产大国, 也同样会是世界水产强国。
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