浅谈淡水养殖水质净化技术与设备的现状和发展

2022-03-11艾红霞曾庆东

现代农业装备 2022年1期

艾红霞，刘烨，曾庆东

（1. 广东省现代农业装备研究所，广东广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东广州 510630）

0 引言

水产品已成为人类食物蛋白质的第三大来源，其在全球范围内的市场需求随着生活水平的提高而呈上升趋势[1]，截至2021 年，我国水产品产量占全球60 %以上，位居世界水产养殖规模第一[2]。为满足市场需要，我国水产养殖业由传统土塘散养的养殖模式，向高密度规模化精养模式转型升级的进程越来越快，随之产生的池塘尾水量也日益增多，若不进行有效处置，则会引发严重的生态污染问题。处理好水产养殖尾水，能改善人类生产生活的环境，提升水产品的质量。“十四五”全国农业绿色发展规划强调，要积极推动全国池塘尾水治理，做好水产养殖新技术与现代农业装备的应用推广，鼓励我国渔业向高质量的目标发展。分析淡水养殖水质净化技术与设备的现状，并探讨其发展问题，对我国水产养殖业实现可持续健康养殖具有非常重要的意义。

1 淡水养殖水质净化技术与设备的现状

总体来看，现阶段我国淡水养殖业以鱼塘养殖为主。水产品效益的上升主要是通过鱼塘高密度精养、加大饲料投放量和增加鱼药剂量这三大途径来实现的[3]，但市面上常规售卖的商品鱼药饲料质量参差不齐[4]，大多养殖户会选择成本低而转化效率不高的饲料和鱼药。导致大量过剩的饵料被微生物分解，溶解氧消耗加剧，当超出鱼塘自消自净的能力时，则会因缺氧而产生危害水产动物生存和生长繁殖的有毒代谢物质（如氨氮和亚硝酸盐）[5]。基于此，大部分鱼塘养殖户选择机械增氧设备（如叶轮式增氧机等）作为改善水产动物生存环境的水质净化设备。

从20 世纪80 年代开始，为提高水产生产与尾水处理效率，我国小部分水产养殖企业尝试引进国外工厂化循环水产养殖系统，包括配套的水质净化技术与设备。但目前我国淡水养殖水质净化技术与设备的发展与国外存在一定差距，早在20 世纪60年代国外就出现了工厂化循环水产养殖模式，该模式将养鱼桶和水质净化系统结合形成可独立操作的部分，具有代表性的是日本的鳗鱼生产与澳大利亚的淡水虾养殖[6]。近年来，国外的水产养殖水质净化技术与设备愈发成熟，欧洲、美国、泰国等国家的水质净化系统已经能保障水产养殖健康与可持续发展[7]，相比传统鱼塘养殖节水90%，为全球提供了典范。整个系统的搭建包括增氧技术与设备、过滤分离技术与设备、化学净化技术与设备、生物净化技术与设备等（如图1 所示）。

图1 工厂化循环水产养殖系统

1.1 增氧技术与设备

水产养殖水体净化的关键点之一是提高水体中的溶解氧（dissolved oxygen，DO）含量[8]，数据显示，溶解氧是影响摄食率、饲料利用率、增重率和发病率的关键因素[9]，能保证水产品的成活率、品质与产量以及养殖水域环境的质量。而在淡水养殖业中，提高或维持水体中溶解氧含量的主要措施之一是使用增氧设备。

1.1.1 机械增氧设备

1972 年，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所开发出我国第一台叶轮式增氧机[10]，这意味着当时我国已开始意识到传统鱼塘无法提高产量的主要原因是由于溶氧量不足，需要借助机械增氧设备来解决问题。因此随着我国水产养殖业慢慢从低密度、低产量向高密度、高产量发展，水车式增氧机、涌浪式增氧机、射流式增氧机以及微孔曝气式增氧机等类型的增氧机产品也逐步在中国问世[11]。

1）叶轮式或水车式增氧机。我国常用的传统机械增氧设备是叶轮式增氧机和水车式增氧机，它们的工作原理是通过叶轮、水车等机械式的搅动，让空气中的部分氧气能溶入水中变成溶解氧[12]，其中叶轮式增氧机的综合增氧性能要远优于水车式和涌浪式。

2）射流式增氧机。该设备是利用水力剪切和气泡扩散两个作用达到搅拌混合和曝气充氧的目的。上世纪中期，国外就出现了关于射流器用作曝气增氧设备的研究[13]；而国内学者在上世纪后期也开始探究射流增氧设备在污水处理方向上的应用[14]。通常来说，射流式增氧机的优点是混合揽拌作用强，但也有增氧效率较低的缺点，所以一般配合其它增氧机使用。

3）微孔曝气与微泡曝气设备。微孔曝气设备主要由空气压缩机、微孔曝气器、曝气管道组成，其原理是利用空气压缩机将空气导入微孔曝气器形成微气泡，再从布好的曝气管道由底部向上分散到水体。该技术最早出现于1915 年的英国，随后在北美及欧州普遍应用[15]；而中国则是在2000 年以后才在淡水养殖业中推广应用微孔曝气这种底部增氧技术。现今国际上比较先进的微孔曝气设备有韩国某公司制造的微孔曝气器，其优势是采用不易堵塞且耐用性好的材料制造烧结与微孔膜片。

微泡曝气与微孔曝气原理不同，如日本某公司设计的纳米级超微泡发生装置，其原理是气体和水同时在压力下通过主体内部的纳米混合器（混合单元），从而实现气体和水的超细混合。超细气泡是由气体和水的超细混合产生的，通过改变产生超细气泡的气体，可以轻松控制液体中的溶解氧。

就我国精养鱼塘现状而言，基于成本控制，百分之九十左右的水产养殖户会首选叶轮式增氧机[16]。但仅靠叶轮式增氧机无法达到现有高密度健康养鱼所需溶氧的标准，需要增加微孔曝气系统或其他机械增氧装备与之配套使用，让鱼塘面部和底部的养殖水体能够上下循环，达到更好的整体增氧效果。但因成本相对较高，只有少数的鱼塘养殖户愿意购置微孔曝气设备与增氧机搭配使用。

1.1.2 纯氧增氧设备

工厂化水产养殖模式具有高产高效、节约资源、水产品质量好、污染集中控制能力强等特点[17]，是我国水产养殖业未来发展的方向之一。目前国外有很多成熟的案例可参考，如英国水产养殖公司Great British Prawns（GBP）在苏格兰建造的陆基循环水养虾工厂、挪威公司Nordic Aquafarms 旗下的陆基养殖三文鱼项目设施等。传统的鱼塘机械增氧设备（如叶轮式或水车式增氧机）已经不能满足工厂化水产养殖高密度的时代需求，数据显示，采用空气增氧的方式，养殖密度大概在30～50 kg/m3的范围内[18]；而采用纯氧增氧的方式，养殖密度可提高到100 kg/m3以上[19]。这说明纯氧增氧技术可以充分发挥工厂化水产养殖的优势并增加经济效益，因此，为适应工厂化水产高密度养殖的需求，我国水产养殖业开始关注并研究纯氧增氧设备。

张宇雷、倪琦等评估了在水体中低压的条件下，纯氧增氧设备的影响因素以及工作性能等[20]；陈有光等测试了纯氧曝气锥（常用设备）在水体中的增氧规律，观察到采用纯氧曝气比空气曝气的功率低、氧气利用率高[21]；贾惠文等研究了一种可应用在循环水工厂化养殖系统RAS（Recirculating Aquaculture System）的纯氧增氧装置，是先让纯净氧气与水的接触时间增加使水和氧充分混合后，再采用射流泵将高溶氧水推入养殖池，并将未溶解到水体中的氧气进行回收[22]。这些研究为开发应用在水产养殖业的纯氧增氧设备奠定了基础。

1.2 过滤分离技术与设备

过滤分离技术（也被称作物理分离技术），指的是将过剩饲料、水产养殖动物粪便等颗粒沉淀或悬浮状污染物从水产养殖尾水中去除的技术[23]。常用的固液分离技术以机械过滤设备居多，如沉淀器、微滤机、气浮机等。

1）沉淀器。也被称为鱼粪残饵集污器，用于收集鱼粪残饵，因为影响水产养殖水质及周边生态环境的主要污染物就是鱼类粪便和过量投放的饲料鱼药[24]。该设备一般呈现为竖流式筒状或立式圆柱加圆锥状，便于被引入的水产养殖废水在内部从上向下的竖向流动。这样使得养殖废水的运动方向与悬浮状颗粒的运动方向相反，其截留速度与水流上升速度相等，因此上升速度等于沉降速度的颗粒将悬浮在水体中形成一层悬浮层[25]。当悬浮层经过沉降作用进入底部锥形的淤泥漏斗后，中部比较清澈的水会沿周边的堰槽溢流而出[26]。

沉淀器安装简单方便，减轻了水产养殖尾水后续处理设备的负荷，是较常用的预处理设备。

2）微滤机。是由微孔筛网和转轴构成的机械设备[27]，用于过滤水产养殖尾水中的微小颗粒有机物、浮藻或大型细菌微生物等固体污染物。现阶段应用的微滤机一般都具备自动反冲洗的功能，即可通过新增喷淋管路定时对微孔滤网进行冲洗，或者利用反接进出水管道的方式使得滤网实现自我清洁。

微滤机结构简单、维修方便、寿命长、效率高、过滤精度高，出水水质稳定，占地小，运行费用低，可实现全自动连续工作，无需专人看管，是常用的过滤去除设备。

3）气浮机。该设备是通过纳米进气装置将空气制成大量的微小气泡打入水体中，从而利用微小气泡表面张力吸附水中细小絮状悬浮物，使水产养殖水体中的杂质浮出水面形成泡沫，然后通过对泡沫的清理使这些微小颗粒污染物从尾水中去除[28]，大体分为超效浅层气浮机，涡凹气浮机，平流式气浮机三大类[29]。对于水产养殖尾水中含有的一些比重接近于纯水且难于下沉或上浮的细小污染物，可采用该设备去除。

1.3 化学净化技术与设备

该类设备可有针对性地向水产养殖废水中投加化学药剂或者是向水中导入电流，使得废水中污染物发生分解以达到水质净化目标[30]，其核心是化学技术。目前，在水产养殖业应用的化学净化设备通常有电解设备与氧化消毒设备[31]。

1）电解技术与设备。该设备工作时，让适当强度的电流通入水产养殖废水，使得废水中含有的无机氮（NH+4、NO-3盐、NO-2盐、NH3和氮氧化合物NxOy等[32]）发生氧化还原反应，从而被去除。在实际应用时，电解设备的操作存在2 个难点：一是要能够将电解过程中阳极区生成的强氧化剂的量实现自动控制；二是要确保强氧化剂HClO 的生成，也需精准把握向不含Cl-或Cl-浓度很低的水产养殖废水中额外投加氯离子的量，否则极易引发养殖水体的二次污染。因此要求工作人员对相关化学药剂的投加量进行严格把控，操作难度较大。

2）氧化消毒技术与设备。氧化消毒设备中一般配有氧化剂和紫外灯，运行时向水产养殖废水中投加剂量严格设定的H2O2、ClO2以及O3等相应的化学药品，这些物质既是强氧化试剂又是消毒剂[33]，在与有机污染物发生氧化反应使得其分解的同时，又可以对水产养殖水体进行消毒；再配合紫外线UV 迅速进入到细胞内壁，从而杀死致病源[34]，达到净化水质目的。

现在很多水产养殖尾水处理成套设备包括一体化小型净水设备都含有氧化消毒这一环节，通过将氧化消毒法和其他净化技术有机结合，就可以更有效地达到提高水中溶氧量、增加水体养殖密度的目的。

1.4 生物净化技术与设备

生物净化技术与设备，其核心关键是运用植物或微生物的生长特性来实现对水产养殖尾水的净化，以更低的成本去除水产养殖废水中的污染物，并且在处理的过程中几乎没有副产物产生，减少了后续的处理步骤。

传统鱼塘养殖较为常用的是植物修复技术[35]，而工厂化水产养殖主要应用生物滤池、蛋白质分离器以及微生物过滤器等设备，它们的核心是生物膜技术。

1）植物修复技术。该方式可细分为生态浮床以及人工湿地等方法，主要采用的是在池塘水面或周围栽培对磷、氮等营养元素有着强吸收能力且生命力较为顽强的水生植物，使养殖水体中的污染物得以部分去除。例如，早在1997 年，宋福等[36]选取当时富营养化较严重的滇池作为处理对象，探究苦草和金鱼藻等7 个种类的水生植物对其水体的净化作用，发现这7 种水草及藻类均可明显吸收水中的总磷、总氮。但后来张毅等[37]认为藻类最终移除比较困难，所以选择植物型的方法是更方便有效的。宋碧玉等[38]试验后得到水生植物能够增加湖泊水体中原生动物种类并提升水域生物多样性的结论。VERA MÔNICA DE VASCONCELOS 等[39]发现利用水葫芦、凤眼莲和飞仙草属植物处理养鱼废水是有效的。

这一系列的研究结论说明在水产养殖水域或周围培养水生植物，不但可以调节水域生态系统的状态，加快物质循环的速度，改善水体水质，抑制有害藻类繁殖，并且能够促进水域生态系统中生物多样性的提高，让养殖水域的环境更具稳定性。

2）生物膜技术及其设备。生物膜技术的主要形式表现为蛋白质分离器、生物滤池、生物转盘、生物流化床等设备，特点是能处理低浓度污水，能耗较低。其根本原理是将搭配好的微生物菌群投放于装有载体的设备中，当通入水产养殖尾水时，微生物菌群便会吸收并利用相关污染物进行代谢生长，从而达到脱除污染物的目的[30]。一般来说，生物过滤器是再循环水养殖系统（RAS）的核心，如今国际上比较先进的有单通道微生物过滤器，其占地面积小，节约用水量，即插即用，适用于小规模水产养殖。

1.5 其他相关技术与设备

为了突破传统方法降解效率低、耗时长的技术瓶颈，曹强等[40]合作开发了一种新型的连续液流微反应器（如图2），即让臭氧氧化技术与微型填充床反应器联动结合，并实现连续处理的设备，对微污染和高污染的养殖废水均可有效处理。其关键技术体现在微型填充床反应器部分能够提升气液传质速率，带动臭氧在水体中溶解量的提升，进而增加了水产养殖尾水中有机污染物的降解效率。该设备在高效连续分解沙星类抗生素与孔雀石绿等有机毒害物质的同时，可以将过量的臭氧转化为氧气，转化率可达99.9 %。这就解决了在实际使用臭氧氧化技术时，臭氧引发二次污染的问题，还额外提升了水中的溶解氧含量。

图2 连续液流微反应器原理图

2 发展存在的问题与建议

2.1 传统鱼塘养殖方面

整体而言，我国鱼塘养殖现有增氧设备的自动化程度较低[41]，常规使用的还是机械式增氧设备（纯氧增氧设备成本太高），在使用过程中仍存在诸多问题，譬如设备增氧能力不强、水体上下层增氧不均匀、池塘底层溶氧低、消耗能量较多、对整体水质改善效果不理想、池塘底层大量遗体残骸积累破坏水质等。

因此，水产养殖增氧设备的发展趋势是节能与自动化，多种机械增氧方法搭配使用，以及与化学或生物净化技术相结合开发新型增氧技术等。如，孙秋慧提出了一种气泡式的膜曝气生物膜反应器（membrane aeration biofilm reactor，MABR）[42]，该设备既具有高氧转移效率又可使水体溶解氧均匀分布，是生物膜技术与机械增氧设备的结合。同理，其他鱼塘养殖尾水处理设备也可按上述思路进行改善与创新。

2.2 工厂化养殖方面

现阶段，我国大多数工厂化养殖基地的设施在结构和设备上仍处于不太成熟的阶段，标准化和自动化程度不高，尤其是现代化的水体维护与水质净化设备比较缺少[43]。这不仅影响水产养殖的总体效益，同时也限制了水产养殖业的可持续发展[44]。基于此，建议采用科技攻关与技术引进相结合的方式去探索和早日实现中国式工厂化循环水产养殖系统。