高密度船载舱养式循环水养殖系统设计

毕传健 张千 黄建伟 朱端祥 张方华 刘亮清 程晓夏

摘 要 为了给养殖工船循环水养殖系统设计提供科学依据及技术支持，针对养殖工船的封闭式循环水养殖系统，以大西洋鲑为对象，应用一种基于投饲量的循环水养殖系统设计计算方法，设计构建了一套适用于船载舱养模式的循环水养殖系统，设计确定了船载养殖池、竖流沉淀、转鼓式微滤机、生物过滤、二氧化碳脱气、温控、消毒等高效水处理技术和设备的工艺参数。

关键词 养殖系统；设计；水质；循环水；船载舱养模式；大西洋鲑

中图分类号：S969.38 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.09.043

当今我国社会经济水平不断提高，人们生活质量节节攀升，饮食方面对高端海洋蛋白的需求也是不断增加，相关报道称，未来十年全球将有2 000万t的水产品缺口。但是，众所周知的是，受到环保压力的影响，我国近海渔业资源逐渐萎缩，养殖环境不断恶化，水体污染严重，养殖空间不断被压缩，发展深远海养殖已是必然趋势[1]。其中，养殖工船以其可游弋养殖的强灵活性、抵抗台风及其他自然灾害侵袭的高安全性，成为实现深远海养殖规模化生产的重要装备。最近几年，我国的水产养殖行业联合船舶工业的专家们从提出大型养殖工船的创意想法到2022年5月20日全球首艘10万t级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”在青岛交付运营，标志着我国深远海大型养殖工船产业实现了由0到1的巨大突破。

而循环水养殖模式以其特有的高工业化程度、节水节地、节能减排、环境友好等特点，在水产养殖诸多模式中占有重要的一席之地[2]。对于陆基循环水养殖系统的技术探索，西方发达国家的水产专家早已开始了相关研究，例如Yossi等在研究MBBR生物滤器生物群落和氮物质流的文章中称金头鲷的养殖（gilthead seabream）密度达到了80 kg·m-3[3]。Ebeling等构建的海鳟鱼（sea trout）全封闭循环水养殖系统的养殖密度达到了112 kg·m-3[4]。本世纪以来，我国陆基循环水养殖技术快速发展，尤其是环保水处理技术的更新迭代带动了行业技术模式的发展。我国相关部委也通过顶层策划对陆基循环水养殖的关键技术进行科研预研[5]。未来深远海大型养殖工船的生产运营需要结合循环水养殖系统的优势特点，利用深远海优势水质资源，开展高经济附加值鱼类的养殖生产活动，突破我国深远海养殖产业瓶颈。虽然目前行业内不乏一些关于陆基循环水养殖系统的设计资料，刘鹰等[6]及刘晃等[7]业内专家通过物质平衡关系建立了养殖关键水质指标（氨氮、溶解氧）的方程式，对部分养殖参数给出了建议，但是至今鲜有关于高密度船载舱养式循环水养殖系统设计的报道。

本文以大西洋鲑为养殖对象，设计的高密度船载舱养式循环水养殖系统是为了深入探讨循环水养殖技术在船载舱养模式下的设计方法，并結合设计结果进行系统设备选型，目的是为我国深远海大型养殖工船的养殖系统设计计算提供借鉴。

1  设计参数的计算

1.1  基础参数的确定

高密度船载舱养式循环水养殖试验系统（以下简称为高密度船载舱养系统），如图1所示。高密度船载舱养系统由5个3 m3八角形碳钢喷漆养殖池以及相应的水处理系统构成，总养殖水体为15 m3。系统设计初期，设计养殖对象选择的是极具有代表性的大西洋鲑，考虑到日后工程实践的经济效益，此次设计最高的养殖密度定为80 kg·m-3。养殖系统主要设计参数如表1所示。

1.2  系统设计

1.2.1  工艺设计

高密度船载舱养系统水处理工艺流程如图2所示。养殖水流出养殖池后，经过一系列水处理工艺，包括物理过滤、生化处理、消毒杀菌、溶解性气体控制以及温度调控等工艺，最终回到养殖池，实现水体循环利用，其中CO2脱气与反硝化工艺采用支路形式设计。

1.2.2  最大氨氮TAN（Total Ammonia Nitrogen）的产生速率（PTAN）计算

PTAN计算可用日投饲率与饲料中蛋白质含量的函数表示[8]，即：

PTAN=Ddensity·Vtank·FR·PC·0.092 （1）

（1）式中，PC为饲料中蛋白质的含量，本设计选用的饲料蛋白含量为43%，其余参数见表1。因此，该养殖系统的PTAN=19.81 g·h-1。

1.2.3  系统新水补充量（Q0）计算

对鱼类毒性危害极强的氨氮在环境中会进行硝化反应，生成亚硝酸盐氮（NO2--N）和硝酸盐氮（NO3--N），其中硝酸盐氮对鱼类的毒性在科学界尚未发现明确规律，普遍认为，硝酸盐氮对鱼类的毒性较小。为保证系统正常运行，一般采用新水补充的方式进行浓度调控，系统新水补充量计算公式[9]为：

[Q0=PTANCNO3out]   （2）

（2）式中，CNO3out为NO3--N的允许浓度上限，为了确保鱼类生长环境，硝酸盐氮的上限值为300 mg·L-1[10]，而本设计对CNO3out的取值设定为100 mg·L-1，因此Q0≈0.2 m3·h-1。

1.2.4  系统循环量（Q1）计算

系统循环量的计算设计需要综合考虑总氨氮（TAN）、溶解氧（DO）、溶解性二氧化碳（CO2）、总悬浮颗粒物（TSS）等水质指标，循环量需要满足其中任一指标的系统负荷。而计算依据则采用质量守恒计算模型（见图3）[11]，即：

[Q1?C2+Q0?C0+P=Q0?C1+Q1?C1] （3）

[C2=C1+T100?Cbest?C1]  （4）

（3）（4）式中，C0、C1、C2和Cbest表示控制量TAN、DO、CO2和TSS的浓度，即分别为新水、流入水处理系统的水质浓度、流出水处理系统的水质浓度和通过水处理系统可获得的最佳浓度，单位mg·L-1；Q0为新水补充及排放的流量，单位m3·d-1；Q1为循环水的流量，单位m3·d-1；P为控制量（TAN、DO、CO2和TSS）的生产/消耗率，单位kg·d-1；T为水处理装置处理效率，单位%。该系统的质量守恒计算模型参见图3[11]。

1）基于总氨氮（TAN）的系统循环量Q1计算

C0为新水中TAN浓度，即C0≈0 mg·L-1；C1为流入水处理系统的TAN浓度，养殖池中的总氨氮对养殖鱼类具有极强烈的毒性，其浓度必须控制合理且在安全的范围内，《渔业水质标准》（GB11607-89）中规定，养殖水体中非离子氨的浓度应小于0.02 mg·L-1[12]。而据氨的水解平衡关系[13]，在温度为14 ℃、pH值等于7的养殖水体中，C1为5 mg·L-1。所以，在该水环境下，养殖池中的總氨氮浓度应不大于5 mg·L-1[9]。与此同时，水体中的氨氮浓度也将极大地抑制鱼类的生长，对于鲑鱼类TAN安全浓度应小于1 mg·L-1[14]，即C1=1 mg·L-1；本设计中生物滤器处理效率（T）通过经验设定为50%，将数据代入式（4），得C2=0.5 mg·L-1。将以上数据代入式（3）计算，得Q1≈39.22 m3·h-1。

2）基于溶解氧（DO）的系统循环量计算

工程上，氧气消耗速率计算一般以0.5 kg·kg-1（O2）饲料作为经验参数[11]进行设计，即：

[PO2=Ddensity?Vtank?FR?0.5?-1]=-250 g·h-1（O2）

为保证大西洋鲑的安全健康生长环境，C1取8 mg·L-1，而在标准大气压下的14 ℃、盐度为30的养殖水体，DO饱和度达到240%时，进水中DO浓度为14.6 mg·L-1[15]，增氧系统处理效率根据经验取90%，代入式（4），计算得C2≈13.94 mg·L-1。在水温为14 ℃，盐度为30，表面大气压为标准大气压条件下，新水溶解氧C0=8.4 mg·L-1，将以上数据代入式（3），计算可得Q1≈42.07 m3·h-1。

3）基于溶解性二氧化碳（CO2）的系统循环量计算

CO2产生速率一般以1.375 kg·kg-1（CO2/O2）消耗作为经验参数[11]进行设计，即：

[PCO2=?PO2?1.375 kgCO2kgO2=343.75gCO2h] （5）

（5）式中，假设C0≈0.5 mg·L-1，C1≈20 mg·L-1，二氧化碳脱气塔处理效率设定为70%[11]，分别代入式（4）、式（3），计算可得Q1=24.9 m3·h-1。

4）基于总悬浮颗粒物（TSS）的系统循环量计算

TSS产生速率一般以0.25 kg·kg-1（TSS）饲料作为经验参数[11]进行设计，即：

[PTSS=Ddensity?Vtank?FR?0.25 kgTSS1 kg饲料] =125 g·h-1（TSS） （6）

（6）式中，假设C0≈0 mg·L-1，C1≈50 mg·L-1，竖流沉淀器、转鼓微滤机结合固定床生物滤器对总悬浮颗粒物的拦截效率T≈90%，分别代入式（4）、式（3），计算可得Q1=2.56 m3·h-1。

1.2.5  系统循环量的确定

为保证大西洋鲑适应水质参数，应取最大值作为系统循环量，即Q1=42.07 m3·h-1。而考虑系统整体综合能耗设计，以及当前行业内增氧工艺效率，可对DO设计参数进行调整，以期得到更加合理的系统循环量，具体过程如下：通过增氧工艺将期望溶解氧浓度提高至15.1 mg·L-1，即Cbest=15.1 mg·L-1，代入式（4），可得C2=14.39 mg·L-1，再代入式（3），计算可得Q1=39.11 m3·h-1＜39.22 m3·h-1。因此，本系统设计的最佳循环量应为39.22 m3·h-1。

1.3  养殖池设计

本系统设计了5个3 m3水体的养殖池。由于该系统处于船载工况，为提高船舱的空间利用率，养殖池径深比设计采用1∶1，形状采用矩形切角设计，尺寸规格为1 540 mm（φ）×1 540 mm（h）。池体材料设计同样匹配船载工况，采用碳钢制作，并进行食品级环氧储罐漆进行喷涂，以达到海水防腐以及食品卫生要求。每个养殖池均设计侧排水与底排水，侧排水经由养殖池侧壁上的格栅口流出，占系统总循环量的75%，约29.5 m3·h-1。其中，底排水设计不同于常规陆基工况，考虑到在池体较高的径深比情况下固体颗粒物将很难快速沉降至养殖池底部，因此采用如图4所示中心立管设计，底排水占总循环量的25%，约9.8 m3·h-1。

停留时间演算。养殖池的停留时间（tHR）可以用养殖池容积（Vtank）和通过养殖池的流量（Q1）来计算：

[tHR=VtankQ1]≈0.38 h=22.9 min[∈20，30]，符合一般设计要求。

2  工艺参数的确定

2.1  竖流沉淀器设计

高密度循环水养殖系统中的颗粒废弃物需要尽量在其降解之前排出系统，否则大大增加系统总氨氮的去除负荷。因此，本设计在微滤机之前设置竖流沉淀器，以降低微滤机去除TSS的压力。设计将养殖池中心排水先通过竖流沉淀器处理后，将出水与养殖池侧排水相结合，合并进入微滤机进行处理，以期获得最佳的系统颗粒废弃物去除效果。根据经验，竖流沉淀器水力负荷一般为7.32～12.24 m3·m-2·h-1[11]，本设计选取水力负荷q=9.78 m3·m-2·h-1，故计算竖流沉淀器截面积为：

[S=Qq=1.00（m2）]

根据实际需求，对竖流沉淀器进行非标工程化设计，尺寸规格为1.00 m（φ）×1.00 m（h）。

2.2  微滤机设计

微滤机目前是循环水养殖技术中针对固体颗粒物去除最为有效的一种设备，一般而言，养殖水体单次通过微滤机后对颗粒物的去除率可达50%以上[16]。本系统设计微滤机进水为鱼池侧排水以及竖流沉淀器出水后的合流，根据上述系统循环量设计计算结果，微滤机处理流量为Q=39.22 m3·h-1。出于船舱自动化要求，选用自动化转鼓微滤机设备，筛网200目（过滤孔径为75 μm），驱动电机120 W。

2.3  蛋白分离器设计

蛋白分离器主要用于去除难沉降的水中胶质以及微小悬浮颗粒物，但是一般而言，蛋白分离器在系统中的尺寸相对较大，不适用于船载工况，因此本系统只做设计备用。根据经验，日投喂每kg饲料（假设3%的总悬浮颗粒物是通过蛋白分离器去除的）需要1.2 m3·h-1的气流，同时需要水体截面面积为90 cm2[11]，则通过计算得到蛋白分离器供气量为：

[Qair=12 kg饲料1 d?1.2 m31 h?1 d1 kg饲料]=24.2 m3·h-1

蛋白分离器所需截面积为：

[S=12 kg饲料1 d?90 cm2?1 m210 000 cm2?1 d1 kg饲料=0.108 m2]

同时，设计蛋白分离器与补充臭氧工艺联动，以期改善水质。为提高系统安全性，设计采用1 kg饲料添加13 g臭氧[11]，计算得到臭氧添加量为156 g·d-1（O3）。根据实际工程需要，选定蛋白分离器规格为φ0.92 m×h2.51 m；臭氧发生器选用空气源10 g·h-1（O3）产量。

2.4  生物过滤器设计

养殖鱼类虽然对蛋白质有很高的需求，但是其有限的消化能力会导致蛋白质中一定比例的氮物质无法被吸收利用[17-18]。生物滤器作为循环水养殖系统中的头等水处理工艺，其担负着氮元素的转移、脱除等工作[19]。而移动床MBBR生物滤器以其不需要反冲洗、无需清洗滤料等优势成为不二选择[20-21]。因此，本系统设计采用“固定床+移动床”串联工艺，其中固定床生物滤器主要起拦截颗粒物作用，以减轻移动床生物滤器压力，使得后者可以充分发挥硝化作用，降解总氨氮浓度。

2.4.1  移动床（MBBR）设计

据经验，本设计选取氨氮面积负荷（ATR）为0.1 g·m-2·d-1（TAN）[22-24]，移动床填料选择工程应用中常用的Kaldnes 5填料，其由高密度聚乙烯（密度为0.95 g·cm-3）制成比表面积（SSA）为800 m2·m-3，其吸附水体细菌的能力，以及生物膜上的细菌种类和丰度远大于对应水体[25]。可根据下式[11]进行计算：

[Amedia=PTAN?Q0?C1ATR]  （7）

[Vmedia=AmediaSSA]   （8）

可得填料体积（Vmedia）为5.87 m3。悬浮填料应当能够随意活动，当填料所占百分比较高时，会影响移动床对氨氮处理效果[26]。本设计中填充率（PR）取值50%，则生物滤器体积VMBBR=Vmedia/PR=11.75 m3。停留时间HRT=VMBBR/Q1=0.3 h＞0.2 h，符合一般设计规律。

设计移动床高度、直径之比为1∶1，数量为2个，并联使用，则滤器直径dMBBR可通过下式进行计算：

[dMBBR=4?VMBBRπ?1.03=1.96 m]

实际选取滤器尺寸为2 m（φ）×2 m（h）。

一般来说，移动床生物滤器曝气和混合的气体要求约为反应器的5倍[11]，则计算得：

[Qair=5 vol1 h?VMBBR1 vol]=58.75 m3·h-1。实际选取60 m3·h-1。

2.4.2  固定床生物滤器设计

考虑到固定床主要起到颗粒污染物拦截作用，并作为后续移动床硝化作用的保险工艺，以减轻总氨氮处理负载，同时考虑到系统整体美观性，因此本系统设计采用1个与移动床尺寸一致的圆筒形固定床滤器，填料选择K5填料。

2.5  脱气工艺设计

高密度循环水养殖系统中由于鱼类数量多，而使得其呼吸作用产生的二氧化碳会随着系统生产而逐渐积聚，甚至有时会达到周围环境饱和浓度的20～100倍，过高的浓度会导致鱼类缺氧，并且CO2与水反应生成的碳酸会使得水体pH值在短时间内不断下降，这将对系统的水质调控不利[27]。

因此，本设计采用滴滤塔工艺，采用支路设计模式，流量选择依据溶解性CO2系统循环量而定，即为24.9 m3·h-1，液压负荷选取20 L·m-2·s-1[11]，高度选择1 m，气液质量比采用5∶1[28]，则滴滤塔横截面积可通过计算得到为0.35 m2，直径为0.67 m。针对脱气塔进行非标设计，实际尺寸为1.0 m（φ）×2.0 m（h），填料选用Bioblock填料，有效比表面积为350 m2·m-3。

2.6  增氧工艺设计

在高密度工业化养殖过程中，水体中的溶解氧是鱼类生存的首要条件，缺氧将造成全部养殖对象的快速死亡，造成巨大的经济损失。针对船载舱养模式，本设计采用常规增氧与应急增氧的方式进行供氧。由于本系统为试验验证的小系统，所以常规增氧采用制氧机与增氧锥联用工艺，应急增氧采用液氧供氧方式。若是针对实际工况，需要将更加稳定的液氧供氧作为常规供氧系统，使得养殖系统更加安全稳定。本系统根据“1.2.4”及“1.2.5”节所述，系统氧气消耗量为250 g·h-1，增氧工艺出水要求须达到14.39 mg·L-1以上。因此，按照此参数对制氧机、增氧锥进行选型设计，增氧锥材质选用316L不锈钢，厚度2 mm，尺寸900 mm（φ）×2 130 mm（h）。

2.7  加药工艺设计

本系统设计采用投加NaHCO3的方式对水质进行调控，根据经验，NaHCO3的投加量为0.25 kg·kg-1饲料。根据计算，NaHCO3投加量为3 kg·d-1。基于此，对储药桶及加药泵进行选型设计，在此不再赘述。

2.8  其他

其余工艺还包括紫外消毒处理、温度调控等，在此不一一赘述。其中，由于大西洋鲑为冷水性鱼类，因此温控处理必不可少，在针对全年连续生产供应养殖鱼类的经济模式下，在夏季进行生产活动时，由于水温过高，会导致大西洋鲑的食欲不振，从而影响生长[11]。

3  结论

养殖工船作为未来我国深远海养殖产业的大型重要装备，急需对其系统技术进行全面攻关。而传统水产养殖方式的不环保性和对生态水体的冲击性，已不再满足当今社会的发展需求[29]，因此循环水养殖系统与深远海养殖结合产生的船载舱养模式循环水养殖系统的应用符合我国深远海养殖的可持续发展战略需求。本研究在Timmos等[11]与张宇雷等[30]对循环水养殖系统物质平衡关系研究的基础上，根据生产实际规模与理论目标负载，确定系统循环量以及工艺设备的具体尺寸等参数，具体设计参数汇总见表2。

本文对高密度船载舱养式循环水养殖系统的设计思路提出了新的建议，为未来深远海养殖工船的养殖系统设计提供了较科学、完整的思路。

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（责任编辑：丁志祥）