高密度循环水养殖系统及运行效果分析

刘永好，杨文华，薛晓莉，张志立，赵跃钢，高帅，靳立才

（北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司，北京 100083）

改革开放以来，在“以养为主”的发展方针指引下，水产养殖业发展取得巨大成就。2018年全国水产养殖总产量4.99106×107t，占我国水产品总产量的比重达77.3%[1]，是世界上唯一养殖水产品总量超过捕捞总量的主要渔业国家。

改变传统的粗放的养殖方式，寻求更加高效、环保的养殖模式势在必行。循环水养殖模式与传统养殖方式相比，养殖污水经过水处理循环利用，节水、生态环保；养殖密度高，产量相同时占用面积更少，节地；养殖水体的水质好，病害少，降低投药甚至无需投药，水产品绿色健康；养殖科学管理、标准化生产，生产的可控性强、风险低；水产品质量可溯源等。循环水养殖模式与流水型养殖模式相比，可节水90%以上，节地高达99%，而且通过污水处理还可以实现节能减排、环境友好型生产[2]。由于循环水产模式具有众多优点，符合现阶段国家各项政策和环保要求。而设计并研发适合于市场需求的高密度循环水养殖系统、并分析其运行效果和推广价值，具有十分重要的意义。

1 材料和方法

1.1 基本情况

高密度循环水养殖系统搭建于北京国际都市农业科技园（北京市通州区潞城镇）的玻璃连栋温室，于2017年建设完成并开始运行。系统占地面积52.6 m2，由4个直径1.5 m、深1.2 m的圆形玻璃钢养殖池、微纳米气泡快速发生装置及相应的水处理设备构成，总养殖水体约7 m3，设计最高养殖密度80 kg/m3，适宜海水/淡水品种。此次试验养殖对象选择了比较具有代表性的淡水吉富罗非鱼。系统主要设计参数如表1所示。

表1 系统主要设计参数

1.2 系统设计

图1 系统水处理工艺流程图

高密度循环水养殖系统工艺流程如图1所示。系统构成：双排污通道养殖池、竖流式固液分离器、转鼓式微滤机、紫外线消毒器、沸腾式移动床生物滤器、CO2脱气池、鼓风机、温度和pH调节池、溶氧锥、制氧机、循环泵、人工湿地等。系统水处理工艺包括过滤、消毒、去除CO2、生物降解、调节温度和pH值、增氧、尾水人工湿地处理等环节。

养殖池设计了双通道排污，上排污经由养殖池侧壁上方的溢流口流出，占系统总循环量的90%；底排污通过中心排污管进入养殖池底部流出，占总循环量的10%。在水力推流以及重力的作用下，水中大部分的残饵、粪便等颗粒物随着底排污进入竖流式固液分离器，其筒身直径400 mm。竖流式固液分离器对于固形颗粒物去除效率较高，可以达到（77.9±1.6）%[3]。

过滤选用转鼓式微滤机，200目，过滤精度45 μm，反冲洗频率为2.1次/h，单次颗粒物去除率可达50%以上[4]。

消毒采用紫外线灭菌器，杀灭水中细菌，病毒，酵母，霉菌及藻类生物，不需添加化学药品即能达到消毒效果。

生物处理是高密度循环水养殖系统的核心技术环节，选用沸腾式移动床生物过滤器。筒身直径1.2 m，高2 m，内部充填生物环形填料（MBBR材质，规格 φ25*4 mm，64孔室，比表面积 1 200 m2/m3，孔隙率85%）。正常工作条件下，填料在水流和气流的推力作用下形成一种稳定的移动流化状态，保证废水与载体上的生物膜广泛而频繁地接触，提高系统传质效率的同时，加快生物膜微生物的更新，保持和提高生物膜的活性。

增氧主要采用制氧机供纯氧、溶氧锥将氧气进行加压溶解。溶氧锥是一种特殊的压力容器，利用射流原理将氧气和水充分混合，迫使气体克服水的表面张力而被动溶解。该设备提高了氧气的利用率及增氧效率。

pH值的调节主要包括三个方面：（一）由于养殖密度高，鱼类呼吸作用会使水体中的CO2浓度持续累积，使得pH值快速下降。采用CO2脱气池去除CO2，脱气池的筒身直径1.0 m，采用格栅和曝气方式去除CO2。（二）沸腾式移动床生物过滤器的曝气作用，继续吹脱一部分溶于水中的CO2。（三）采用贝壳等生态方式进行调节。

表2 系统主要设备及结构性能参数

1.3 系统管理

2017年12月系统正式投入运行，投放的罗非鱼的规格为200～400 g。选用的饲料为淡水鱼膨化饲料（蛋白质含量30%），根据罗非鱼的生长习性和生长阶段进行投喂，罗非鱼200～500 g时每日投喂量为体质量的2%～3%，500 g以上时每日投喂量为体质量的1.5%～2%，每d分2次投喂，投喂时间分别为9：00和16：00。竖流式固液分离器，每d定时排污至分离器底部不存在明显污物，排污时间分别为8：00 和 17：00。

1.4 水质检测及数据统计方法

水温和溶解氧使用YSI 550A便携式溶氧仪检测，每日7：30和16：30测定2次；氨氮、亚硝酸盐和pH值的测量采用水质快速分析试剂盒，每日7：30和16：30测定2次；体质量使用磅秤，约30 d左右测1次。

数据统计分析与作图使用Excel 2010软件处理。

2 结果与分析

2.1 生长情况

系统于2017年12月开始运行，在2019年4月5日清理系统并运行养水，培养微生物。2019年5月11日投放罗非鱼659尾，共计244.00 kg，密度为34.86 kg/m3。经过139 d的养殖，到2019年9月26日，剩余643尾，成活率97.57%，总体质量762.76 kg，密度达到108.97 kg/m3（表3）。

表3 鱼类生长情况

2.2 水温和溶解氧

系统运行期间，每天上午和下午测定养殖池的水温和溶解氧，如图2所示。水温基本保持在21～27℃之间，上午平均水温24.23℃，下午平均水温24.95℃，保证了罗非鱼的最佳生长温度（24～35℃）；全天水温浮动不大，系统水温调节良好。溶解氧上午基本保持在6～12 mg/L之间，下午基本保持在3～11 mg/L之间；上午溶解氧平均值8.69 mg/L，下午溶解氧平均值5.81 mg/L。总体来说，上午溶解氧高于下午溶解氧，溶解氧受喂食影响较大。7：30测定溶氧值在喂食之前（9：00），16：30 测定溶氧值在喂食后（16：00），喂食后饲料剩饵及鱼类排泄物极大消耗水体溶解氧，故下午溶氧值较上午低。养殖后期随着养殖密度增大，罗非鱼耗氧增加，溶解氧含量有所下降，但仍可供罗非鱼正常生长。

图2 水温和溶解氧

2.3 氨氮、亚硝酸盐和pH值

系统运行期间，每天上午和下午从养殖池取水样检测氨氮、亚硝酸盐和pH值，如图3所示。养殖水体氨氮保持在0.2～0.5 mg/L，后期随养殖密度增加氨氮偶尔达到0.8 mg/L，氨氮平均浓度维持在0.32～0.42 mg/L；亚硝酸盐保持在 0.01～0.05 mg/L，下午略高于上午，养殖后期略高于前期，亚硝酸盐平均浓度维持在0.02～0.03 mg/L。总体来说，系统的生物处理非常稳定，硝化及反硝化能力良好。

图3 氨氮（TAN）和亚硝酸盐（NO2-N）

系统的pH值调节主要包括三个方面：（一）CO2脱气池，可以去除大部分的CO2；（二）沸腾式移动生物池在曝气条件下，具有一定的CO2吹脱效果；（三）贝壳生态调节pH值。经过三重环节的调节作用，pH值能够稳定控制在7.6左右。

2.4 系统经济性分析

该系统运行成本主要包括：耗电、耗氧、饲料以及设备折旧。耗电部分按照系统装机功率，每天24 h运行；耗氧主要为制氧机和溶氧锥等设备，计入电费和折旧费；饲料消耗按照饵料系数1.55进行计算；系统折旧以10年计算。系统的日运行成本如表4所示。

图4 pH值

表4 系统每天运行成本

按照目前的运行情况，每kg鱼的饲养运行成本大约为24.34元。运行成本与市场批发价比较相对较高（2019年9月北京地区市场批发价约19元/kg[5]）。由于试验系统的水质好，罗非鱼全程基本无病害发生，无需投药；循环水系统适宜水流的刺激罗非鱼正常运动，加速鱼体内的物质代谢，增进食欲，进一步提高了鱼肉品质；借助已有推广平台、并以农民丰收节为契机进行鲜活鱼销售，销售优惠价格在30～35元/kg，高密度循环水养殖系统养殖的罗非鱼健康、高品质、生态环保，深受消费者的认可及信赖。

高密度循环水养殖系统运行成本高的原因包括几个方面：（一）作为一套试验系统，设计时将其重点放在了水处理效果上，养殖污水的水质处理效果很好，但是电耗成本较高，占运行成本的45.51%。（二）由于是试验系统，而非标准化生产车间的管理，饵料系数偏低。（三）本次试验采用的是适宜季节气候的罗非鱼，而非适合于高密度养殖而经济附加值又相对较高的淡水品种。

目前高密度循环水养殖系统的运行成本还没有达到令人满意的程度。国内市场普遍认可的几种淡水鱼类采用传统养殖方式投资少而市场价格都相对偏低，但是质量参差不齐；而高密度循环水养殖系统可以保证养殖的质量，并且养殖达到一定规模后，单位水体产量高[6-7]、设备运行成本下降、节水环保，具有非常大的优势。有研究表明，与传统养殖方式相比，循环水养殖生产每单位水产品可以节约50～100倍的土地和160～2 600倍的水，比传统养殖节约90%～99%的水和99%的土地，并且几乎不污染环境[8]，并且使得水产养殖业在内陆缺水地区的发展成为可能。

由于运行成本、缺乏品牌、品种选择及市场推广等因素，高密度循环水养殖系统的经济性在国内一直没有得到广泛的认可。通过本系统的实践，总结可从以下几个方面进行改善和推广：（一）品种的选择尤为关键，依据项目地市场情况、推广销售平台等进行选择适合高密度循环水养殖系统的淡水或海水品种。（二）品牌建设是高密度循环水养殖系统长期运行的保障。依靠最佳的质量、环保的理念来建设品牌，以优质的品牌保障合理的价格优势，以保障高密度循环水养殖系统长期高效运行。（三）高密度循环养殖系统建设，保证水质处理效果，还要匹配一定规模，达到质与量的最佳平衡。（四）科学的管理，是在同等竞争条件下致胜的法宝。科学的管理，可以降低损耗、提升质量、提高饵料系数等。

3 结论

高密度循环水养殖系统养殖富吉罗非鱼139 d，初始密度34.86 kg/m3，试验结果表明：罗非鱼摄食和生长情况良好，最终密度达到108.97 kg/m3，存活率97.57%，饵料系数1.55。系统的水质情况良好，氨氮平均浓度0.32～0.42 mg/L，亚硝酸盐平均浓度0.02～0.03 mg/L，溶解氧平均浓度 5.81～8.69 mg/L，水温平均24.23～24.95℃，pH值保持在7.6。经济性分析结果表明，该系统的运行成本相对较高，但由于罗非鱼品质高，受到消费者的认可和信赖，且该系统节水效果显著，具有较高的市场推广价值。