斑节对虾循环水养殖系统构建与运行试验

杨 菁，管崇武，宋红桥，张宇雷，倪 琦

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092）

0 引 言

斑节对虾联合国粮农组织统称大虎虾，具有生长快、个体大、抗病力强、适温适盐范围广、肉质鲜美、市场价格高等特点，是世界三大主要养殖对虾之一。20世纪末，斑节对虾养殖产量占全球对虾养殖产量的33%[1-2]。广东、福建、海南等地是中国斑节对虾育苗及养殖主要区域，传统粗放型生产方式是其主要生产方式[3-4]。随着模式弊端不断显现，该水土资源依赖型、生态环境破坏型生产方式已成为制约斑节对虾养殖业可持续发展的主要问题之一。

循环水养殖系统具有节能、减排、节水、节地、可控性强、产品质量安全可靠等优点，是当前水产养殖先进生产力的发展方向[5-7]。国外不仅将该模式应用于大西洋鲑、虹鳟、欧洲鳗、尼罗罗非鱼等养殖，而且也越来越多用于虾类、贝类、刺参等品种，呈现出普及化、大型化、产业化[8-11]。国内近年来循环水养殖模式发展迅速，针对不同养殖品种的循环水养殖系统得以探索与实践，取得了一系列应用成果。宋协法等[12]构建半滑舌鳎循环水养殖系统，水处理效果良好，饲料系数达1:1。张宇雷等[13]建立吉富罗非鱼循环水养殖系统，养殖负荷高达104.2 kg/m3，成活率92.2%。黄志涛等[14]设计贝类循环水养殖系统，彩虹贝幼贝获得32.4%相对增长率。但迄今关于斑节对虾循环水养殖及相关研究仍鲜有报道。

本文自主设计水净化装备，构建斑节对虾循环水养殖系统，并开展运行试验，研究不同养殖阶段相应调控方式下的水质状况、养殖生长情况、装备水净化结果，对运行经济性也进行讨论，以期为斑节对虾循环水养殖模式应用发展提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 总体思路

以斑节对虾为养殖对象，自主设计物理、生物等关键环节水净化装备，构建循环水养殖系统，根据其不同养殖阶段生长特性及水环境需求，采取相应水质调控方法，科学投喂，达到系统稳定、产出高效、投入经济、运行节能的目的。

1.2 系统设计与构建

1.2.1 基本概况及工艺流程

系统构建于中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所如东基地温室内。在原有流水养殖池基础上增设相应水处理装备，建立由养殖池、蛋白分离组合装置、内循环流化床、循环泵等组成的循环水养殖系统。养殖池为半埋式水泥池，底部中央排污，池体尺寸18 m×15 m×1.40 m，有效水体250 m3。养殖对象为斑节对虾，养殖设计负荷2.50 kg/m3。养殖原水为净化后海水，其主要水质参数：pH值7.85～8.36，溶解氧浓度6.88～7.01 mg/L，盐度21‰～24‰。

养殖池底部排出的水由循环泵分别泵入蛋白分离组合装置、内循环流化床，经过悬浮物去除、有机物降解、增氧后回至养殖池，实现水体循环利用（图1）。

1.2.2 关键环节装备设计及计算

1）蛋白分离组合装置

主要的物理过滤环节，利用气浮原理分离水体中细小悬浮物及胶体，并予以去除。组合装置由接触室、分离室、气泡发生器、填料等组成（图2）。接触室与分离室相连，气泡发生器悬浮于接触室，填料则内置于分离室。养殖水体与气泡发生器负压吸入的空气充分混合，由于空气被分散成无数细小气泡，此微小气泡粘附污水中细小悬浮物及胶体后上浮流入分离室，在重力作用下经一定分离时间实现固液分离，含污泡沫由集沫槽收集后排出，滤后水则在内置填料作用下有机物进一步降解，净水由出水口流出。组合装置结构紧凑，去除海水中细小悬浮物效率高，并兼具有机物降解及曝气增氧作用。气泡发生器采用潜水曝气机，功率0.75 kW。

① 组合装置循环量计算

根据系统悬浮物去除量、系统悬浮物浓度及装置悬浮物去除率，组合装置循环量计算公式如下：

式中QTSS为组合装置循环量，m3/h；CTSS为系统悬浮物浓度，mg/L，取30 mg/L[15]；ETSS为组合装置悬浮物去除率，%，根据装置性能取为40%；RTSS为系统悬浮物去除量，g/h，基于物质平衡相关原理，计算公式如下[16]：

式中QA为系统补水量，m3/h，考虑工况，本计算日补水取系统总水体量的12%；PTSS为系统悬浮物产生量，g/h，计算公式如下[17]：

式中BM为系统养殖生物量，kg，设计为625 kg；rfeed为日投饲率，%，按每天2.5%计；aTSS为投喂每千克饲料所产生的悬浮物质量，取0.30[17]。

经计算，QTSS=13.15 m3/h。故组合装置循环量取为13.00 m3/h。

② 组合装置体积计算

根据装置面积及总高，组合装置体积计算公式如下：

式中VTSS为装置体积，m3；H为装置总高，m，考虑停留时间并兼顾建设成本，本设计取值1.60 m；ATSS为装置面积，m2，包括接触室面积ATSS1、分离室面积ATSS2，对于后者，计算公式如下：

式中q为表面负荷，m3/m2·h，取为5.00 m3/m2·h[18]。经计算，ATSS2=2.60 m2。考虑结构，分离室尺寸（长×宽）1 850 mm×1 400 mm，面积2.59 m2；接触室尺寸（长×宽）750 mm×1400 mm，面积1.05 m2。故ATSS=3.64 m2。

将装置面积代入式（4），经计算，VTSS=5.82 m3。

③ 组合装置水力停留时间计算

根据分离室面积、分离室有效水深及组合装置循环量，组合装置水力停留时间计算公式如下：

式中T为组合装置水力停留时间，min；HTSS2为分离室有效水深，m，设计为0.92 m。

经计算，T=11.00 min。

2）内循环流化床

主要的生物处理环节，将水中呈胶体及溶解状态的有机物予以降解。由床体及导流筒、滤床、布水及布气设施等组成（图3）。滤床内充填微孔页岩填料，比表面积350 m2/m3。污水、空气分别从布水及布气设施均匀进入滤床，特定结构设计，使气液固接触充分，载体间摩擦强烈，传质效果及生物膜活性好，有效强化了有机物降解过程。流化床兼具有生物膜法及活性污泥法优点，氨氮去除负荷高，抗冲击负荷能力强，管理方便。

① 流化床体积计算

根据系统氨氮去除量、滤床氨氮去除负荷、滤床填料填充率，流化床体积计算公式如下：式中Vbiofilm为流化床体积，m3；Rbiofilm为滤床氨氮去除负荷，g/m3·h，根据装置性能取为200 g/m3·d；PR为滤床填料填充率，%，本计算取为30%；RTAN为系统氨氮去除量，g/h，基于物质平衡相关原理，计算公式如下[16]：

式中CTAN为系统氨氮浓度，mg/L，取为3.50 mg/L[19]；PTAN为系统氨氮产生量，g/h，计算公式如下[17]：式中PC为饲料中粗蛋白质量分数，%，42%；aTAN为投喂每千克饲料蛋白所产生的氨氮质量，取0.092[17]。

经计算，Vbiofilm=8.30 m3。考虑结构，流化床尺寸（直径×高）设计为Φ1 100 mm×3 400 mm，共3台。

② 流化床循环量计算

根据流化床体积及流化床水力停留时间，流化床循环量计算公式如下：

式中QTAN为流化床循环量，m3/h；HRT为流化床水力停留时间，h，本设计取值0.40 h。

经计算，QTAN=20.75 m3/h。故流化床循环量取为20.00 m3/h。

3）增氧装备及设施

系统重要环节以保障水体充沛溶氧。主要采用由罗茨风机提供加压空气、纳米微孔管布气的微孔曝气增氧方式。通气量大，充氧能力强，安装简便，防堵性能好。罗茨风机功率2.20 kW，8池共用。纳米微孔曝气设施均布于养殖池，共24组，每分钟供气量达养殖水体量0.20%以上。1台水车式增氧机布置于养殖池一侧以形成良好集污流态，增氧机功率0.75 kW。

4）循环泵

采用潜水泵，流量33.00 m3/h，扬程5.00 m，功率2.20 kW。

1.2.3 主要技术参数

系统主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters

1.3 运行试验与管理

以构建的2组系统为试验组，2019年6月1日投入运行。在已培育藻种的养殖池中放入斑节对虾苗种共计17.5万尾，放苗密度：350尾/m2，苗种规格：0.8～1.0 cm/尾。养殖全期投喂蛋白质量分数为42%的对虾配合饲料，日投饵量为虾质量的7%～10%（早期）、3.5%～7%（中期）、2.5%～3.5%（后期），日定期投喂3次。池内曝气增氧组件养殖全程开启，水车增氧机养殖后期全程运行。水循环系统养殖中、后期运行，循环量26.50 m3/h（中期）、33.00 m3/h（后期）。日（早期除外）定时排污2次，排污量为养殖水体的4%～10%（中期）、10%～12%（后期）。不定期投放微生物制剂、生石灰。

1.4 水质检测及数据处理方法

温度、溶解氧浓度、pH值：YSI-Proplus多参数水质测定仪；氨氮浓度：纳氏试剂光度法；亚硝酸盐氮浓度：N-（1-萘基）-乙二胺光度法；悬浮物浓度：滤膜重量法；体长：直尺；体质量：天平或磅秤。

以试验组均值为指标值。使用Excel2016和SPSS13.0软件进行数据处理。平均值数据采用平均值±标准差表达。根据所测值计算如下参数：

式中SGR为特定生长率，%/d；W为体质量，g；t为日龄，d；n为生长阶段；VTRTSS为组合装置悬浮物去除负荷，g/(m3·h)；CTSSin、CTSSout分别为组合装置进、出水悬浮物浓度，g/m3；VfTSS为组合装置过滤体积，m3；VTRTAN为流化床氨氮去除负荷，g/(m3·d)；CTANin、CTANout分别为流化床进、出水氨氮浓度，g/m3；VfTAN为流化床填料体积，m3。

2 结果与分析

2.1 水质状况

2.1.1 水温、溶解氧浓度及pH值变化

每天定时测定养殖池水体温度、溶解氧浓度、pH值，其变化情况见图4。养殖全期水温、溶解氧浓度、pH值变化范围及均值分别为27.40～33.20℃、（29.71±1.47）℃，5.30～7.14 mg/L、（6.34±0.49）mg/L，7.23～8.44、（7.90±0.33），均处于斑节对虾适宜生长指标范围内[20]。不同养殖期水温均值呈现变化，养殖中期均值（30.75±1.54）℃居高位。溶解氧浓度则在养殖早期基本稳定，养殖中、后期呈现下降。养殖中、后期溶解氧浓度均值分别为（6.32±0.32）、（5.79±0.49）mg/L，较之早期均值（6.91±0.10）mg/L分别下降8.5%、16.2%。不定期泼洒生石灰，故pH值全期变化不大。

2.1.2 氨氮及亚硝酸盐氮浓度变化

隔天定时测定养殖池水体氨氮、亚硝酸盐氮浓度，其变化情况见图5。水循环系统稳定运行后，始终将氨氮、亚硝酸盐氮浓度分别控制在1.38、0.56 mg/L以下。养殖始氨氮浓度低，随试验进行氨氮浓度渐次升高，早期均值（0.92±0.70）mg/L；养殖中期氨氮浓度上升，第53天达峰值后快速下降趋稳，均值（2.31±1.19）mg/L ；养殖后期氨氮浓度在0.43～1.35mg/L范围内上下波动，维持相对平稳水平，均值（0.94±0.23）mg/L。亚硝酸盐氮浓度，第61天自峰值下降趋稳后，基本稳定在0.15～0.56 mg/L之间，均值（0.36±0.10）mg/L。

2.2 养殖生长情况

每隔30 d各池取虾30尾进行体质量及体长测定。试验完毕，统计养殖结果及摄食量。试验历时120 d，其生长情况见表2。

表2 斑节对虾养殖生长情况Table 2 Growth of Penaeus monodon culture

斑节对虾阶段生长可分为3个时期：30～60 d为快速生长期，其体长及体质量增长率分别为250.66%、843.75%，特定生长率7.48%/d；60～90 d为稳定生长期，其体长及体质量增长率分别为51.22%、294.04%，特定生长率4.57%/d；90～120 d为缓慢生长期，其体长、体质量增长率及特定生长率均处于相对低值。各个阶段的体长、体质量相对增长率以及特定生长率差异极显著（P＜0.01）。终末养殖密度3.02 kg/m2，饲料系数1.67，成活率69.03%。

2.3 装备水净化结果

2.3.1 蛋白分离组合装置

隔天定时测定装置进、出水悬浮物浓度、氨氮及溶解氧浓度。组合装置不同养殖期水净化结果见表3。

表3 不同养殖阶段蛋白分离组合装置水净化结果Table 3 Water purification results of protein separation and combination device in different breeding stages

融高效气泡发生器于一体的组合装置气液混合充分，悬浮物去除效果好，其悬浮物去除负荷达（43.19±7.25）g/m3·h以上，并且养殖后期去除负荷显著高于中期；装置还能有效降解有机物，增加溶解氧浓度，其氨氮去除率（9.95±1.90）%以上，溶解氧提升（9.45±0.87）%以上。组合装置水净化性能达到了装备设计指标要求。本试验考虑对虾对臭氧的耐受能力，未将组合装置通入臭氧气体联合使用。宋德敬等[21]研究表明，采用通入2～10 mg/h臭氧气体的蛋白分离器处理养鱼水体，其悬浮物及氨氮去除率等水净化能力显著提高。

2.3.2 内循环流化床

隔天定时测定流化床出水氨氮浓度。流化床不同养殖期水净化结果见表4。

由表4可见，当停留时间24 min以上时，流化床（填料比表面积350 m2/m3）净化氨氮浓度（1.68±0.53）～（1.80±0.68）mg/L养殖水体其氨氮去除负荷达（122.34±22.56）g/m3·d以上，具良好硝化能力；养殖后期硝化能力显著优于中期。Malone 等[22]研究表明循环水养殖系统中生物过滤器总氨氮去除负荷为35～350 g/m3·d。李倩等[23]研究发现填料性能显著影响滤器硝化能力及能耗。张海耿等[24]对石英砂流化床滤器氨氮去除能力研究，结果显示其平均氨氮去除负荷达（271±122.4）g/m3·d。为进一步提升本装备硝化能力，降低能耗，填料性能仍有待优化。

表4 不同养殖阶段流化床水净化结果Table 4 Results of fluidized bed water purification in different breeding stages

3 讨 论

3.1 斑节对虾循环水养殖

随着社会经济快速发展，循环水养殖模式成为未来最具发展潜力陆基养殖模式之一[25]。本文构建了包括养殖池、蛋白分离组合装置、内循环流化床、增氧装备及设施等的斑节对虾循环水养殖系统，对斑节对虾循环水养殖可行性进行初步研究。

养殖早期，对虾处于幼虾阶段，投饵及代谢物都相对较少，低浓度营养盐由菌相、藻相吸收利用，在水循环处理系统不运行情况下，氨氮、亚硝酸盐氮浓度仍被控制在低值。养殖中、后期，对虾投饵量增大至体质量的2.5%～7%，代谢物大量产生，残饵也相应增加，水体营养盐持续累积，水循环处理系统全程运行，中期循环量26.50 m3/h，后期增至33.00 m3/h，以在生物膜建立并稳定运行后有效控制养殖水体氨氮、亚硝酸盐氮值；日集中排污2次，中期排污量为养殖水体的4%～10%，后期增至10%～12%，以尽快排除池底部粗颗粒物，减轻系统有机负荷；水车增氧机后期全程运行，以形成良好集污流态利于排污。养殖全程池内曝气增氧组件均开启，以满足不断增加的生物呼吸耗氧及硝化、生化反应所需氧量，保障水体充沛溶氧。调控方式下的斑节对虾循环水养殖系统将养殖水体氨氮、亚硝酸盐氮、溶解氧等维持在安全浓度范围内，满足了养殖对象水质需求。系统水净化装备在设定的水力停留时间下悬浮物去除能力及硝化性能良好，达到了装备设计指标要求。斑节对虾在循环水养殖模式水生态环境下正常生长，先后经历快速生长期、稳定生长期及缓慢生长期。快速生长期、稳定生长期其生长特性与施永海等[26]研究室内工厂化流水养殖模式下斑节对虾生长特性结果吻合，而在缓慢生长期其生长显著优于后者。试验取得高效养殖结果，养殖密度是池塘土池养殖6.33倍[27]，高位池精养3.24倍[28]。试验终末饲料系数1.67，较之高位池精养模式的1.61[28]略高。饲料系数是评价系统运行性能的重要指标之一。在装备硝化能力提高基础上，制定精准投喂策略，降低饲料系数，优化系统运行是下一步研究重点。

3.2 运行经济性分析

单茬运行成本包括苗种、饲料、投入品、电费、管理费、投资折旧等，见表5。

单茬运行成本共计88 309.80元，单茬每平方米成本176.62元。系统试验运行120 d，斑节对虾每平方米产量3.02 kg。按70元/ kg销售价计，单茬每平方米收入211.40元。扣除成本，单茬每平方米利润34.78元。按2茬/a计，每平方米年利润69.56元，获良好经济效益。

表5 单茬运行成本Table 5 Running cost of per crop

4 结论

自主设计物理、生物等关键工艺环节水净化装备，构建技术先进、结构紧凑的斑节对虾循环水养殖系统。针对其不同阶段生长特性及水环境需求，采取相应水质调控方法，科学投喂。

运行试验历时120 d。系统溶解氧浓度5.30～7.14 mg/L，pH值7.23～8.44，氨氮浓度0.43～1.38mg/L（稳定运行后），亚硝酸盐氮浓度0.15～0.56 mg/L（稳定运行后）。斑节对虾在循环水养殖模式水生态环境下正常生长，先后经历快速生长期、稳定生长期及缓慢生长期，终末养殖密度3.02 kg/m2，取得高效养殖结果。终末饲料系数1.67，单茬每平方米利润34.78元，每平方米年利润69.56元（按1年2茬计），获得良好经济效益。