PIECs技术参数优化探究及模式设计比较

胡廷尖 ，李倩 ，程海华 ，葛鹏彪

（1.浙江省淡水水产研究所浙江 湖州 313001；2.苏州鼎新斯沃水产养殖设备有限公司，江苏 苏州 215131）

2015年我国淡水养殖产量达到3000万t以上，淡水养殖业取得显著成就的同时，也面临着水资源环境破坏较为严重、工程设施薄弱、集约化程度较低、发展空间受到挤压等突出问题。针对这些问题，2013年，江苏吴江引进一种新型养殖模式,该模式源于（2007年）—美国奥本大学的In-Pond RacewaySystem(IPR)，后由美国大豆出口协会介绍引进我国。该系统名称繁多，2015年江苏省海洋与渔业局将该系统归称为“池塘工业化生态养殖系统”（PIECs）。据不完全统计，2016年全国已建成水槽面积约15.682万m2，其中，江苏超过10万m2。目前还有安徽、浙江、上海等14个省市正在推广。

1 系统组成及机理

PIECs是在传统池塘中通过改造和加接，把池塘“开放式散养”模式改变成“生态圈养”模式。目前这套系统主要由拦栅、增氧推水设备、底增氧设备、流水养鱼池、废弃物收集池、吸污装置、池塘净化区等组成。该系统集成了工业化养鱼理念和池塘自然生态修复功能，其技术核心要求“通过推水循环流动友好圈养、尽可能多收集排出污物及通过生化自然减解作用保证适宜的水质”。该系统与传统工厂化循环养殖的最大差别在于具有大面积池塘净化区,依靠池塘种水生植物及鱼、虾、贝、藻等混养技术净化处理水质替代工厂化循环养殖的“生物膜”净化处理水质，系统稳定性大大增加，投资较低，相关技术容易为广大养殖者掌控。

2 PIECs系统技术参数设计与实测结果

系统目前主要技术参数缺乏依据，特别表现在拦鱼栅、推水速度及废弃物吸污效果方面，笔者根据鱼类生理需求对技术参数提出改进设计，同时对四种收集鱼类粪便试验的模式进行比较研究。

2.1 拦鱼栅

拦鱼栅的材料光洁度、空隙大小和适时更换问题都直接影响圈养鱼安全。

2.2 推水速度调节

通常鱼类的活动主要包括巡航式游动、爆发式游动和持续式游动，尽量使鱼类处于比较轻松的巡航式游动。根据鱼类的生物学习性，调节养鱼池的流水速度。增氧推水设备功率大小要适应养殖对象，理想的推水速度要根据不同品种和规格作以调整。笔者设计系统推水速度从溶解氧和氨氮量两个主要因子入手，以罗非鱼为例，通过单位水体载鱼量来反过来计算流水速度的大小，最终调控增氧推水设备功率大小变化。

2.2.1 溶解氧对水流速限制 流水养鱼池的载鱼量主要取决于溶解氧，为了提高饵料利用率，使罗非鱼生长不受抑制，必须满足下列条件：

水体供给流水养鱼池溶氧—水体带出流水养鱼池（溶解氧临界值）≥罗非鱼索饵后耗氧量+其它耗氧量

表1 晴-多云WT=25℃2017年6月19日中午12:00采集

另外假定罗非鱼活动造成水交换和鱼体阻碍作用及其他因素引起溶解氧量的变化忽略不计。

现把有关生理参数列在下面：

W=0.25/kg/尾（罗非鱼规格）；

OO=4mg/L（WT=25℃，pH=6.7，D1N1=1.3ppm时开始抑制罗非鱼生产的临界值）；

m=200mgO2/kg/h（罗非鱼索饵后的耗氧量）；

m’=1.1mgO2/L水/h（流水养鱼池内浮游生物，细菌及排泄物的耗氧量）

D.N’=1.3mg/L（在 pH=6.7，WT=25℃，DO=4mg/L时开始抑制罗非鱼生长的氨氮量）

QN=20mg/kg/h（罗非鱼排出氨氮量（1-pce））

LeH=为流水养鱼池规格（5m×20m×2.0m）。

D.N代表池塘推进养鱼池的溶氧量，d代表载鱼量（本文假设50kg/m3）。

ΣD.O：（流进跑道水的溶氧量）

ΣDOO：（流出进跑道水的溶氧量）

dmLeH：（罗非鱼索饵后的耗氧量）

m’LeH（流水养鱼池内浮游生物，细菌及排泄物的耗氧量）

根据流进跑道水的溶氧量-流出进跑道水的溶氧量≥罗非鱼索饵后的耗氧量+流水养鱼池内浮游生物、细菌及排泄物耗氧量的要求

即：LeHD.O-LeHD.OO≥dmLeH+m’LeH

得：V≤(dmL+Dm’L)/ΣD.O-ΣDOO

如果把具体数代入上式可得：

V≤0.05m/s。

2.2.2 氨氮对水流速限制 罗非鱼生理对水体中的氨氮有一定浓度要求，为了使生长不受抑制，流水养鱼池内非离解氨（NH3）长期存在浓度不宜超过0.025mg/L（欧洲内陆水域渔业咨询委员会，1970年），在pH=6.7，DO=4mg/L，WT=25℃具体生态条件下，经计算评估认为罗非鱼长期忍受氨氮浓度为1.3mg/L。也就是：

流出流水养鱼池氨氮浓度-流入流水养鱼池时氨氮浓度≥罗非鱼产生氨氮浓度,

即：ΣDN’-ΣDN≥ΣQN，具体数代入得

如果载鱼量50kg/m3，氨氮对水流速限制是V≤0.025m/s，可见就笔者测定水质而言，限制载鱼量首先表现为溶氧。这个密度的流水养鱼池流水速度大小平均0.05m/s可以满足，最终控制增氧推水设备输出功率大小及变化。

表2 ：表层下深度（m）中央与平均流速度(m/s)关系

2.2.3 实际测试流水速度 根据江苏省渔业技术推广中心测试的结果，生产当中水槽内末端整个截面的平均流速是3～8cm/s，笔者认为目前生产中养鱼池流水速度偏大，特别开始养殖阶段，超实际养殖中鱼类生理需要，增加生产成本。

3 鱼粪收集四种模式设计比较研究

自然沉降法主要针对的是固体悬浮物密度略大于淡水的颗粒，不同固体悬浮物相对密度之间的差异影响了沉降的速度。目前PIECs普遍利用重力作用使鱼粪和残饵自然沉降在特定区域的方法。

通常情况下，密度与沉降度呈正相关，沉降度与水流流量呈负相关。在流水养鱼水槽中，鱼的粪便和残饵直接排放。鱼类在水槽中不断运动，沉积物中颗粒物仍然会被搅起，在这种情况下，在增氧和喂食时，养殖水槽中鱼类的剧烈活动会显著加快固体悬浮物的分解，影响收集的效果。

下面就国内几种收集鱼粪试验模式作一比较（表 3）。

图1 仿吸尘器式排污图

图2 虹吸式排污图

图3 履带式微滤分离排污图

图4 气浮式分离排污收集图

表3 几种鱼粪收集试验模式比较

4 对PIECs研究的建议

从池塘工业化生态养殖系统(PIECs)圈养区看，鱼类饲料只有不到30%营养物质转化鱼肉，其他将以代谢物质排入养殖水体，代谢物质主要是粪便形式，所以鱼粪收集研究和收集效果是决定养殖水体水质好坏的关键因素。

当人们把池塘工业化生态养殖系统作为一个整体，池塘净化区看作RAS中生物滤池时，改善底泥、微生物及水体浮游动植物种类组成、密度、生物量等等群落结构更加重要；特别所有生物和非生物载体上微生物群落结构稳定性及其脱氮机制，如何要能够控制养殖系统中总氮（TAN）浓度不超过规定的上限，提高总氮（TAN）转化率，直接决定池塘净水能力。从这个角度看研究改进池塘净化区相关生物组成技术和工艺任重道远。