論文：工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖對蝦研究進(jìn)展

        工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖對蝦研究進(jìn)展

吳雯艷，邵一涵，葉雯雯，邵翔世，倪鎧，趙波

（浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 316000）

在沿海工業(yè)用地占有率不斷提高，國家對節(jié)能減排、生態(tài)友好的不斷倡導(dǎo)下，傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展，亟待轉(zhuǎn)變。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式具有節(jié)約水土資源、生產(chǎn)控制能力強(qiáng)、養(yǎng)殖密度高、污染物處理率高以及水產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。

1 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是通過物理、化學(xué)與生物方法從水體中去除殘留的餌料、糞便、亞硝酸鹽、懸浮固體及其他有害污染物，來進(jìn)行水體的循環(huán)利用。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是由過濾系統(tǒng)、充氧系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和其他組件組成[1]。對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)是以現(xiàn)代微生物技術(shù)（生物絮團(tuán)技術(shù)）為基礎(chǔ)，三階段跑道式養(yǎng)殖池工程化設(shè)施為支撐，高效循環(huán)水處理為依托，智能化精確控制為保障，實現(xiàn)全年高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的對蝦現(xiàn)代工業(yè)化養(yǎng)殖技術(shù)體系，具備高密度養(yǎng)殖、零排放、飼料系數(shù)低、在線實時監(jiān)控、智能化調(diào)控與投餌、水循環(huán)利用達(dá)90%和產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)等優(yōu)勢（圖1）。

圖1 工廠化循環(huán)水對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)工作流程

1.1 國內(nèi)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)配置

劉曉蒙等[2]提出工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水處理系統(tǒng)一般由4個部分組成：固液分離、氣浮一體化處理、生物濾池和消毒。目前，電弧篩是工廠化養(yǎng)殖中常用的固液分離設(shè)備，蛋白分離器是氣浮綜合處理的重要設(shè)備，生物濾池主要通過生物膜過濾水中有害物質(zhì)來達(dá)到去除水中污染物的目的。目前市場上常用臭氧和紫外線殺菌消毒。

劉雨青等[3]設(shè)計了一套PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以西門子S7—200為核心進(jìn)行開發(fā)，主要特點(diǎn)是自動化程度高，運(yùn)行過程平穩(wěn)、安全，便于維護(hù)保養(yǎng)。整個系統(tǒng)分為以下5大模塊：生物反應(yīng)器自循環(huán)、水循環(huán)及過濾、應(yīng)急處理、水質(zhì)監(jiān)測、設(shè)備控制和恒溫溫控。研究表明，該系統(tǒng)可在工廠化養(yǎng)殖過程中自動檢測水質(zhì)，控制水中環(huán)境因子，如溫度、pH值等，將養(yǎng)殖環(huán)境控制在最佳狀態(tài)，適合大規(guī)模和高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖。

姜輝等[4]研制了一種不借助任何外在驅(qū)動，實現(xiàn)在養(yǎng)殖過程中提前處理并去除固態(tài)顆粒的自動排水排污系統(tǒng)，適用于國內(nèi)大多數(shù)工廠化養(yǎng)殖。在該系統(tǒng)中，當(dāng)豎直方向和篩網(wǎng)角度成45°左右時，毛刷不僅和篩網(wǎng)接觸面積小，而且對水輪轉(zhuǎn)動的阻力小，同時消耗的水量較少，去除固態(tài)顆粒效率高，安裝方便。

1.2 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)配置

馬德林等[5]研究發(fā)現(xiàn)，雙通道下水道是目前國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要用來排放廢水的設(shè)備，經(jīng)過特別處理的是剩餌、糞便和其他固體顆粒。在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程中，同時使用不同飼料投喂，大部分飼料都是細(xì)小、松散的顆粒，具有不同的沉淀率，沉降過程中速率只能達(dá)到0.01 cm/s，過程緩慢。因此這類顆粒無法實時有效地聚集在水池底部的污水出口處。為解決這些問題，國外相關(guān)研究人員使用了雙通道排污管，極大地提高了沉降的速率，固體廢物和不受干擾的糞便可以2～5 cm/s的速率很好地沉降。

1.3 4種對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)比較

劉晃等[6]分析比較了4種典型的對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖試驗。（1）美國得克薩斯州的跑道式對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)：主要包括跑道式養(yǎng)殖池、懸浮物去除設(shè)備（轉(zhuǎn)鼓微過濾器和蛋白質(zhì)分離器）以及充氧單元。（2）中國臺灣省臺南室內(nèi)自動循環(huán)水蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)主要包括主體結(jié)構(gòu)（屋架和蝦池）、自動監(jiān)控系統(tǒng)、循環(huán)水處理設(shè)備等。（3）基于微藻循環(huán)水生產(chǎn)養(yǎng)殖的夏威夷系統(tǒng)，使微藻、蝦和貝類共生于連續(xù)運(yùn)行的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。微藻吸收了蝦塘水中溶解的總氨氮，同時微藻是甲殼類系統(tǒng)的餌料，維持了系統(tǒng)的整體生物量平衡。（4）美國佛羅里達(dá)州的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，將蝦類養(yǎng)殖過程分為3個獨(dú)立的階段：青春期、中期和成年階段，每個階段都在不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘中完成。

2 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖對蝦與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式的對比

2.1 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式與池塘養(yǎng)殖的對比

李玉全等[7]通過30 d的對蝦養(yǎng)殖，對比露天養(yǎng)殖池塘與室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖池中對蝦的生長情況。結(jié)果表明，工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)的溶解氧、氨態(tài)氮和無機(jī)磷的含量高于池塘養(yǎng)殖。工廠化養(yǎng)殖對蝦的生長速度比池塘養(yǎng)殖要低得多，但工廠化養(yǎng)殖對蝦的高密度可以彌補(bǔ)生長不足的缺陷，并能獲得較高的單位面積生長量。

李玉全[8]通過對4個養(yǎng)殖池的分析，得出了工廠化對蝦養(yǎng)殖環(huán)境與池塘養(yǎng)殖環(huán)境之間的差異。對簡單的水循環(huán)系統(tǒng)分析表明，工廠化養(yǎng)殖的對蝦生長速度低于池塘養(yǎng)殖，但工廠化養(yǎng)殖密度高，可彌補(bǔ)生長速度的不足，獲得更高的單位面積生長量。試驗設(shè)計的簡易水處理系統(tǒng)對懸浮性顆粒物的沉淀率達(dá)到66.6%，對總氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、磷酸鹽的去除率分別達(dá)到了58.1%，43.0%，55.9%和29.1%。使用該簡單系統(tǒng)可有效處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，所需成本低，操作簡單。

2.2 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式與高位池養(yǎng)殖模式的對比

王凌等[9]對南方高位池養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的研究表明，高位池養(yǎng)殖廢水排放量大且污染物超標(biāo)嚴(yán)重。以海南省為例，2005年高位池養(yǎng)殖廢水排放超過全省化學(xué)需氧量入?？偭康娜种唬呶怀貜U水中高錳酸鹽指數(shù)和無機(jī)氮含量高，對近海海域水質(zhì)、水生生物影響很大。對35口井的水質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，井水受氯化物嚴(yán)重污染，超過《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）三類標(biāo)準(zhǔn)1.2~35.8倍，已不能飲用。

頡曉勇等[10]研究了高位池養(yǎng)殖對環(huán)境的污染，結(jié)果表明，高位池養(yǎng)殖的利潤絕大部分來自生態(tài)環(huán)境資源的免費(fèi)使用。高排水量和高灌溉量確保了水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境的穩(wěn)定性，但水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的污染物卻被帶到了海洋，引起水體富營養(yǎng)化，在沿海地區(qū)引起頻繁的赤潮。此外，由于大規(guī)模的灌溉和排水，以及不斷的交換和擴(kuò)散，各種水域中的病原體已進(jìn)入海洋，導(dǎo)致整個海洋區(qū)域都攜帶病原體。以南美白對蝦為例，浙江省舟山市不同養(yǎng)殖模式下對蝦的產(chǎn)量見表1。

表1 不同養(yǎng)殖模式下對蝦的產(chǎn)量

3 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖對蝦模式存在的問題

盡管工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。首先需要解決的是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中的熱源問題，目前大多數(shù)企業(yè)與養(yǎng)殖場采用燒鍋爐等形式進(jìn)行升溫保溫，不僅對煤、電等能源需求大，對生態(tài)環(huán)境未產(chǎn)生保護(hù)作用。而火力、光伏發(fā)電中產(chǎn)生的余熱是一大不可忽視的能源，如若充分利用余熱，不但能為發(fā)電廠降低溫度，降低高溫爆炸的風(fēng)險，還能很好解決南方冬季對蝦養(yǎng)殖中熱能供應(yīng)的問題。此外，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖由于自身特殊的養(yǎng)殖環(huán)境，對蝦顏色、品質(zhì)的保證，水循環(huán)過程中水質(zhì)的保持，廢水的處理與循環(huán)利用，成為了重中之重。

3.1 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中熱源

所調(diào)查的養(yǎng)殖企業(yè)中，能源成本占總成本的比例最高，達(dá)32%（圖2），餌料、人力、折舊、苗種、維修成本所占比例分別為22%，19%，12%，11%和4%；而用于生產(chǎn)的電能和煤分別占能源成本的60%和30%，占總成本的比例分別為20%和2%。養(yǎng)殖場的耗能設(shè)備主要有海水泵、消毒裝置、鍋爐水泵、鍋爐、氣泵、照明設(shè)備、冷庫制冷機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)等。解決養(yǎng)殖成本中的能源問題，對于提高水產(chǎn)行業(yè)利潤、提高資源利用率和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

圖2 養(yǎng)殖場總成本和能源成本分析

王際英等[11]在工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)中，應(yīng)用地源熱泵這一清潔能源來降低能源損耗，減少廢水污染。指出，土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)和地表水源熱泵系統(tǒng)的區(qū)別在于取熱是來自水源還是土源。目前，以地下水為熱源的熱泵系統(tǒng)是我國應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，主要采取的是“異井抽灌”與“單井抽灌”這2種技術(shù)。但地源熱泵調(diào)控系統(tǒng)的初期投資比以往系統(tǒng)要高。此外，大量抽取地下水導(dǎo)致地面下陷的問題也日趨嚴(yán)重，盡管采用地?zé)崮茏鳛榍鍧嵞茉矗珜τ谕寥?、蓄水層的破壞不可逆?/span>

胡清等[12]研究了燃煤電廠廢熱回收和燃燒氣體的使用技術(shù)。指出，不同類型鍋爐的熱損失、鍋爐的總熱損失是廢氣熱損失的2倍甚至更多。目前，市場上最受歡迎和廣泛使用的煙氣余熱回收技術(shù)主要包括：低溫省煤器技術(shù)、低溫?zé)煔馓幚砑夹g(shù)、前置式液相介質(zhì)空預(yù)器與低溫省煤器組合技術(shù)、新型電站鍋爐余熱利用綜合優(yōu)化技術(shù)。

劉健兵[13]聚焦光伏系統(tǒng)余熱發(fā)電的研究。開展了砷化鎵電池與導(dǎo)熱油的光熱轉(zhuǎn)換實驗的結(jié)果表明，對比3種冷卻方式，采用導(dǎo)熱油的冷卻方式，電池的輸出功率相對較高，因而導(dǎo)熱的效率最高。通過光伏系統(tǒng)余熱發(fā)電的蒸發(fā)溫度，表明隨著蒸發(fā)溫度提高，總能效率增加。導(dǎo)熱油方式的余熱轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)效益高。

李文甲等[14]基于熱力學(xué)的基本理論，從太陽能可逆轉(zhuǎn)換的角度出發(fā)，構(gòu)架太陽能可逆轉(zhuǎn)換利用模型。研究太陽能發(fā)電光熱甲醇熱化學(xué)互補(bǔ)利用方法和系統(tǒng)的熱力學(xué)和動力學(xué)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽能可以通過吸熱化學(xué)反應(yīng)存儲，且該系統(tǒng)具有能量儲存功能，可以連續(xù)24 h實現(xiàn)需求的能量供應(yīng)目標(biāo)。實現(xiàn)了較低品位太陽熱能向高品位化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，最終系統(tǒng)太陽能凈發(fā)電效率達(dá)到39%。

3.2 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中水質(zhì)保持與污水處理

在海水養(yǎng)殖快速發(fā)展的背景下，養(yǎng)殖水體與周圍水域中的有機(jī)物含量逐年增加，造成養(yǎng)殖水體與鄰近水域富營養(yǎng)化，水質(zhì)惡化，病菌滋生而導(dǎo)致病害泛濫，甚至造成水域生態(tài)系統(tǒng)完全崩潰與失衡的局面。因此，提高養(yǎng)殖過程中廢水、污水的循環(huán)利用率是當(dāng)下工廠化養(yǎng)殖亟待解決的問題，對于水產(chǎn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。

劉喻等[15]研究了全封閉式循環(huán)水質(zhì)保持系統(tǒng)的工作原理和工藝流程，對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和效果分析。結(jié)果表明，養(yǎng)殖場排放的水中主要污染物是氮、碳、磷、硫和其他元素，該系統(tǒng)利用微生物的新陳代謝來分解和吸收多余的元素。工藝流程主要有以下幾方面：機(jī)械過濾和臭氧氧化、缺氧沉淀和油污的去除、厭氧污泥和生物膜處理、好氧污泥和生物膜處理、終沉池沉淀污泥上層除水處理、調(diào)整鹽度和pH值以及溫度、增氧后進(jìn)入養(yǎng)殖車間使用。主要進(jìn)行以下幾方面的檢測：車間排出水的各項污染指標(biāo)的檢測、生物膜和活性污泥的微生物活性及處理能力的檢測、終水的水質(zhì)檢測。最終將水質(zhì)保持的核心問題總結(jié)為以下兩點(diǎn)：一是要提高微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境的水平，繼而保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定存活；二是在宏觀上整體把握整個運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

彭樹鋒等[16]通過實驗探索生物過濾器、ORP儀等設(shè)備對水凈化的處理效果。設(shè)計循環(huán)水處理系統(tǒng)，并進(jìn)行實驗。實驗1開啟部分系統(tǒng)，共7種組合；實驗2開啟整套系統(tǒng)。進(jìn)水口、出水口分別取水樣，實驗重復(fù)4次，對測得的結(jié)果進(jìn)行平均值及方差分析。處理數(shù)據(jù)得到檢測結(jié)果后，對每種組合下的檢測結(jié)果分析，對比每種組合下的氨氮（NH4＋-N）和細(xì)菌的去除率。結(jié)果表明，紫外線殺菌器、臭氧發(fā)生器、蛋白質(zhì)分離器和生物過濾器聯(lián)合使用可對水體起到良好的凈化效果。

曹涵[17]研究了循環(huán)水養(yǎng)殖生物濾池濾料掛膜及其水處理效果。在生物濾波器的設(shè)計中，指出濾材的選擇是研究的重點(diǎn)，也是改進(jìn)生物濾波器技術(shù)的重要課題。在3種生物膜形成方法中，通過對彈性、半彈性、柔性和懸浮球形生物濾波器材料的試驗，添加了自然生物膜和活性梯形生物膜。結(jié)果表明，填充懸浮固體生物濾鏡的生物膜形成方法既簡單又經(jīng)濟(jì)，由活性污泥生物膜形成的球形生物濾波器材料用于處理廢水，具有良好效果。

鄭瑞東等[18]對泡沫分離法在工廠化養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在凈水處理中，氣泡分離處理方法可通過吸附泡沫除去溶解有機(jī)物和懸浮物（SS），并且適用于聚合養(yǎng)殖循環(huán)水處理。在泡沫分離方法中，SS的平均去除率是60%，可同時在不同程度上除去化學(xué)需氧量（COD）和其他污染物。泡沫分離方法操作簡單、過程穩(wěn)定、效果好。適用于低能耗、低投資和低濃度的分離。但在去除水中懸浮固體的同時，也去除了泡沫中有益的微量元素。

4 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式的推廣阻力

目前，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖主要受到以下2種因素制約：一是養(yǎng)殖密度。設(shè)備養(yǎng)殖密度難以符合35 kg/m3水體目標(biāo)，并非目標(biāo)太高，而是受設(shè)備缺陷所致。二是設(shè)備運(yùn)行成本。循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備呈現(xiàn)價格、能耗及維護(hù)成本的“三高”現(xiàn)狀。此外，由于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式發(fā)展較晚，我國在設(shè)施及裝備等方面與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距。設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和自動化程度較低，新型清潔可再生能源的開發(fā)滯后，養(yǎng)殖場人員素質(zhì)和結(jié)構(gòu)不能滿足循環(huán)水養(yǎng)殖的要求，用傳統(tǒng)養(yǎng)殖設(shè)施的管理思路運(yùn)作循環(huán)水設(shè)施，難以使設(shè)施系統(tǒng)體現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)效能。

田建中[19]在對河北省“十四五”水產(chǎn)技術(shù)推廣發(fā)展方向初探中指出，推廣的難度有以下幾點(diǎn)：一是人員和機(jī)構(gòu)減少，工作任務(wù)不斷增加，轉(zhuǎn)變推廣方式和模式迫在眉睫；二是人員結(jié)構(gòu)及素質(zhì)距發(fā)展現(xiàn)代漁業(yè)的新要求還有較大的差距；三是“十三五”期間，雖然裝備水平有所提高，但距新形勢的要求還有很大差距。

王衛(wèi)平等[20]在深化工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖改革中指出，制約工廠化循環(huán)養(yǎng)殖的首要問題是資金，在發(fā)展初期需要投入大量的資金來保證運(yùn)營；其次是人才，懂得工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的相關(guān)技術(shù)和能保證配套設(shè)備使用并安全運(yùn)轉(zhuǎn)的先進(jìn)人才少之又少，加強(qiáng)人才引進(jìn)與培訓(xùn)是促進(jìn)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖進(jìn)一步發(fā)展的重中之重。

5 結(jié)語

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式是新形勢下水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢，是一種新型的高效養(yǎng)殖模式，以養(yǎng)殖用水凈化后循環(huán)利用為核心特征，節(jié)電、節(jié)水、節(jié)地，符合當(dāng)前國家提出的循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的戰(zhàn)略需求，很大程度上提高了對蝦養(yǎng)殖的集約化程度和智能化水平。該養(yǎng)殖模式通過采用封閉式養(yǎng)殖用水凈化處理系統(tǒng)，加強(qiáng)養(yǎng)殖過程中飼料管理、日常巡查以及水質(zhì)調(diào)控，不斷提高對蝦養(yǎng)殖的科學(xué)性，實現(xiàn)對蝦養(yǎng)殖的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效節(jié)能減排，促進(jìn)對蝦養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。