国内外工厂化循环水养殖技术发展现状及趋势

蔡青霖，韩庆富

（1.苍梧县水产技术推广站，广西梧州 543000；2.桂平市水产技术推广站，广西贵港 537000）

工厂化循环水养殖新模式是以养殖废水在水处理设备净化后再利用为核心技术特点，并交叉结合普通动物学、机械工程学、环境工程学、计算机控制技术原理、土木工程学等多学科综合衍生的一种新的集约化养殖模式。

1 国外工厂化循环水养殖技术发展现状

1.1 国外工厂化循环水养殖的发展概况

国外的工厂化循环水养殖模式起源于20 世纪60年代，欧洲发达国家的鱼类集约化养殖，核心技术基础来源于内陆海洋水族馆、智能化水族箱和流水高密度养殖模式等[1]，经历准工厂化、工厂化和工业化循环水养殖3 个阶段，现已基本实现机械化、自动化、信息化和现代渔业科学管理智能化。随着欧盟水框架指令的颁布，循环水养殖已成为欧美一些国家的国策和水产发展重点[2-4]。

欧洲循环水养殖系统（RAS）构建技术早期主要发起于荷兰和丹麦，以养殖非洲鳗鱼、鳟鱼和鲶鱼等淡水养殖种类为主。荷兰RAS 通常是室内封闭系统，用于非洲鲶鱼和鳗鱼的生产。丹麦典型RAS 为户外的半封闭式系统，用于养殖鳟鱼。随着RAS 技术的发展和重视程度的递增，循环水养殖的水产物种多样性显著性增多，主要养殖品种包括大西洋鲑、罗非鱼、鳗鱼、鳟鱼、大菱鲆、非洲鲶鱼、比目鱼和虾等十几个品种[5-6]。

截至2014 年，美国和欧洲共建成360 家RAS 养殖基地，其中挪威和加拿大循环水技术尤为先进，循环水系统主要应用于鲑鱼养殖生产[5]。从1985 到2000年，欧洲一个典型的农场生产鲑鱼苗的能力（以生物量核算）平均增长了约20倍。苏格兰的生产力从1996年到2006 年翻了一番，现在每年可生产超过15 万尾鲑鱼苗。在欧洲西北部及加拿大、智利等国家，大型国际水产养殖公司不断收购较小的公司，形成专业化运作的集团企业。比如，苏格兰、挪威和荷兰公司的产量占鲑鱼总产量的比例高达85%以上[7]。

欧洲发达国家采用封闭循环水养殖技术开展苗种培育和养殖的企业日益增多，如英国Bluewater Flatfish Farm，法国France Turbot SAS，德国Ecomares Marifarm GmbH 等，并朝着专用化、大型化方向发展，形成养殖装备制造、系统设施集成和产业化应用于一体的完整产业链。

1.2 挪威的大西洋鲑工厂化循环水养殖技术世界领先

挪威拥有全球大西洋鲑工厂化循环水养殖最先进的技术，是北欧（丹麦、法罗群岛、芬兰、冰岛和瑞典）唯一保持水产养殖快速发展的国家。并建立了大西洋鲑种质保护、良种选育、育苗、大规格苗种养成的全过程工厂化循环水养殖技术和装备体系（见图1）。20世纪60年代后期，由于自然资源的严重衰退，政府开始支持鲑鱼养殖，80年代，鲑鱼养殖产业开启大规模商业化运作模式。由于扩大养殖区域，提高了水产养殖生产力、饲料及管理水平，挪威大西洋鲑养殖业取得显著成效。大西洋鲑产量从1970 年的50 t 增长到2015年的130万t，占全球大西洋鲑总量的60%。挪威大西洋鲑工厂化育苗结合网箱养殖的陆海接力模式被认为是当今世界海水工厂化养殖最成功的典范之一[8-9]。

图1 挪威工厂化养殖系统典型工艺流程图（引自挪威AKVA公司官网）

养殖品种鲑鳟鱼是智利水产业比较主要的品种，其高效养殖产量仅次于挪威，是全球第二大鲑鳟鱼类工厂化养殖的产量国。水产养殖品种一般有大西洋鲑、虹鳟和银鲑。2009 年，三大主养品种产量达60.5万t。智利三文鱼养殖模式大部分采取挪威等欧洲发达国家较为先进的养殖技术，控制技术智能化，养殖企业的水处理设备配套技术先进，一般拥有从繁育场、培育场、海水网箱养殖场到加工出口的一条完整养殖生产过程[8]。

1.3 国外工厂化循环水养殖技术装备研究现状

国外依托发达的工业基础，养殖关键设施装备性能优越。在养殖系统关键设施设备制造方面，挪威的AKVA 公司生产包括鱼类繁育、养殖、采捕、加工等全过程的设施装备，以及海上养殖工船等大型设备；冰岛的VAKI 公司主要生产吸鱼泵、分鱼机、投饵机等养殖管理配套设备；瑞典的HYDROTECH 公司，以生产高品质的微滤机为主。挪威AKVA 公司研发的Fishtalk-control 智能化投喂管理系统如图2 所示。此外，还有美国ETI 公司研发的Feedmaster、芬兰Arvo-Tec 公司研发的投饲机器人等，都是处于国际领先的投喂设施装备。

图2 AKVA公司生产的海上气力投饵设备和养鱼池

2 国内工厂化循环水养殖技术发展现状

2.1 循环水养殖模式的水体动力学初步发展

计算流体力学模拟技术用于水产养殖系统设计。计算流体力学模拟技术最早应用于航空航天研究领域，近年来逐渐在养殖系统设计中得到应用，使水产养殖池、养殖设备的设计不再单纯依靠经验进行。养殖池的设计要求能在池内建立起具有足够水流速度的理想流动模式，以便为鱼类提供最佳游泳速度的同时及时清除池内固体污物[10]。国外利用计算流体动力学（CFD）技术对养殖设备的研究已有较长历史，对于养殖池内的流场特征与集污性能等方面的研究具有很高的水平。国内在这方面的研究起步较晚，但已取得显著成效，国内学者倾向于研究循环水养殖系统中各因素对于污水处理装置性能的影响，最近几年对养殖池集污效果的研究也逐渐增多。

利用计算流体动力学模拟和实验验证的方法研究了3 种微孔曝气管道在矩形池中的污物收集和曝气性能，查明采用四角式曝气管进行污物收集的最优曝气条件，建立了矩形养殖池的高效集污方案[11]。刘飞等[12]利用CFD 模拟方法对不同设定条件下含斜坡槽体中的水流对颗粒状污染物的排放情况进行定量分析，优化了池塘循环流水养殖槽的结构参数。李源等[13]利用计算流体力学数学模型，研究了不同结构、操作参数下反应器液体流场、液体循环流量、气含率的变化规律，查明了导流筒直径、导流筒高度与反应器的内径比的最优值。李建平等[14]对旋流分离装置内部的流动特性进行数值模拟，查明了不同入口流量、不同入口浓度对固液分离性能的影响。

2.2 计算机视觉技术引入生物量识别和饲料投喂策略的研究

机器视觉、图像识别、大数据分析等技术的发展和在水产养殖中的研究应用，促进了智能投喂、生物量识别技术的快速发展。有实验研究中，利用图像识别计数养殖池中对虾存有量，为养殖投喂管理、投喂策略的科学制定提供了基础[15]。赵建等[16]利用计算机在线视觉监测技术来分别实现实验鱼群局部异常行为的检测识别，检测识别准确率分别可达98.91%、91.67%和89.89%。另外，有研究提出了一种滤除水面反射对先前结果影响的方法，基于这些数据，确定了基于计算机视觉的摄食活动指数（CVFAI），用测量任意给定持续时间内鱼的摄食活动[17]。有研究者开发了一种准确率很高（准确率为97.89%）的基于自适应神经网络的模糊推理系统（ANFIS），用于水产养殖的饲料决策，可基本模拟鱼类的实际食物搜寻行为[18]。

2.3 共性技术与设备研发带动循环水养殖产业技术提升

在生物净化技术方面，对生物反应器和生物膜载体填料进行优化设计，提高去除氨氮和硝酸盐氮的效果[19-20]；史明明等[21]对低温工况下不同启动方式下流化床生物滤器效果进行了比较研究，优化了适宜低温地区的生物膜挂膜方法；张海耿等[22]提出滤器床层下部是硝化作用发生的主要部位；于冬冬等[23]研制出了可边工作边反冲洗的气提式砂滤器；李亚峰等[24]比较研究了不同生物滤料污水处理效果，自然挂膜比接种挂膜更有利于生物滤器运行稳定；侯志伟等[25]开展了水力停留时间（HRT）对固相反硝化处理效果的研究等。

在净水装备方面，开展了臭氧、紫外线、电化学等水体消毒灭菌和净化技术的设备研究。开展了臭氧对细菌微生物和悬浮颗粒物作用机理和效果研究，发现适宜浓度的臭氧不仅能够很好地控制细菌，而且可降低水体浊度[26-27]；开发了臭氧-紫外线反应系统，杀菌率达到97%。从筛缝规格、安装角度及水处理量等方面，开展了弧形筛对颗粒物的去除效果研究[28]；研制了多向流重力沉淀装置，能较高效地去除悬浮颗粒物[29]；紫外线杀菌消毒装置布设位置，对养殖系统水环境及鱼类的生长均有影响[30]；臭氧优先降低UV254 和水色，显著提高水的可生化性；采用电化学方式处理废水，电流密度上升可加快污染物去除；设计了脱二氧化碳、管式曝气、叶轮气浮等装置，可有效净化水质。

2.4 建立鱼虾藻贝参等多元化的循环水养殖模式

如前所述，我国在鱼、虾工厂化养殖方面，已经拥有了成熟的规模化工厂化养殖技术与装备体系。此外，在微藻、贝类及刺参等水产品工厂化养殖方面也开展了大量研究和产业化实践工作，尤其在单胞藻培养、贝类、刺参等育苗方面建立了成熟的工厂化养殖和繁育技术体系。中科院海洋所研发了一种封闭式微藻规模化培养的管道光生物反应器，并用于雨生红球藻的规模化生产，建立成套的红球藻提取虾青素生产工艺体系。华东理工大学采用“异养-稀释-光诱导”连续培养工艺实现小球藻工厂化高密度培养，解决了传统光自养培养细胞密度低、生长速率和产率低、藻细胞采收成本高、产品质量难以保障等诸多问题。贝类、刺参等重要水产经济动物的工厂化育苗技术发展成熟，且均具有相当规模。然而，当前贝类、刺参等生物的苗种培育仍主要采用换水式的工厂化养殖模式进行，设施化、自动化程度低，在养殖模式上具有很大的提升空间。

3 工厂化循环水养殖产业的国际问题分析

3.1 建设成本和能耗偏高是循环水养殖模式存在的主要问题

根据相关的研究报道[31-33]，工厂化养殖在能源消耗（电能和燃料）及建造成本方面高于其他传统养殖模式，是工厂化养殖可持续发展面临的最大挑战。工厂化养殖通常采用集约化的生产系统，减少了水和土地的使用，然而能耗高的缺点会增加运营成本，同时增加使用化石燃料所产生的潜在环境和能源影响。

为了实现经济和环境可持续发展，必须在用水、废物排放、能源消耗和生产效率之间找到最佳的搭配方案。开展工厂化养殖设施节能减排技术相关研究，研发工厂化养殖绿色高效的新技术、新装备，将是未来工厂化养殖发展中需要重点解决的产业问题。

3.2 病害问题制约工厂化循环水养殖模式的健康发展

各种病害问题是影响工厂化养殖健康发展的重要因素之一。鲑鱼传染性贫血（ISA）是由鲑鱼传染性贫血病毒引起的严重病毒性疾病。受该病影响，智利大西洋鲑鱼产量在2009—2010 年连续出现大幅减产。而嗜冷黄杆菌引起的虹鳟鱼苗综合征（RTFS）是全世界鲑鱼养殖业面临的另一重大疾病问题[34]。这种疾病是由一种克氏杆菌的革兰氏阴性细菌引起的。被感染的虹鳟脾脏、肝脏和肾脏会出现坏死，停止进食并表现出异常的游泳行为，该疾病对鲑鱼苗的致死率很高，每年对鲑鱼苗种生产造成巨大损失[35-36]。对虾工厂化养殖面临的病害问题比鱼类更为严重。常见的对虾疾病有几十种之多，如白斑病（WSD）、黄头病（YHD）等困扰着工厂化养虾行业，成为养虾产业健康发展的重要障碍[37]。

4 展望

高效、智能、精准养殖是我国水产养殖业未来绿色发展的重要方向，将突破水产养殖物联网、智能控制、大数据技术、机器人与智能装备的研究与研制，与基于养殖生物特性的循环水养殖系统相整合，从而构建陆基工厂化“无人”智能渔场。随着水质监测传感器国产化、信息数据处理智能化和物联网平台的快速发展，可能实现将智能化技术成果应用到工厂化养殖模式当中[38]。然而必须明确的是，只有在充分研究和明晰养殖对象生理状况、行为特征及其变化规律、生长曲线及能量收支规律、养殖生产过程中水环境变化及调控机理等的基础上，才能集成物联网大数据采集与分析，构建养殖对象健康监测与评估、养殖过程管理、水质监控、养殖设备操控等为一体的养殖专家管理系统，实现智慧渔业的目标。