工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

        工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

        文/朱建新 劉慧 程海華 張龍 陳世波 劉洋

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是集水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)及信息化技術(shù)于一體的高度集約化養(yǎng)殖模式，能有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率高、生態(tài)環(huán)境佳、動物福利優(yōu)。本文通過回顧發(fā)展歷史與案例研究，詳細(xì)分析了國內(nèi)外循環(huán)水養(yǎng)殖科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況、主要問題與最新進(jìn)展，探討了這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢及亟需解決的重大問題。隨著我國漁業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高，新技術(shù)新材料不斷出現(xiàn)，以及生態(tài)文明建設(shè)與實(shí)現(xiàn)碳中和的要求，循環(huán)水養(yǎng)殖模式必將迎來新的發(fā)展。

一、工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖概述

（一）工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的特點(diǎn)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculating aquaculture systems，RAS）是在工廠化養(yǎng)殖基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型養(yǎng)殖模式，以養(yǎng)殖水體的循環(huán)再利用為主要特征，除了具有工廠化養(yǎng)殖的優(yōu)點(diǎn)外，還在養(yǎng)殖廢水處理、減少養(yǎng)殖用水量和尾水排放量等方面具有顯著優(yōu)勢。循環(huán)水養(yǎng)殖通過供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多種設(shè)施設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)全部養(yǎng)殖水體的反復(fù)循環(huán)利用，在節(jié)約控溫能耗、降低環(huán)境污染和防病抗病等方面比工廠化養(yǎng)殖更勝一籌。

循環(huán)水養(yǎng)殖需要綜合運(yùn)用一整套水質(zhì)凈化處理設(shè)備，其工藝設(shè)計(jì)涵蓋了流體力學(xué)、生物學(xué)、機(jī)械、電子、化學(xué)、自動化信息技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)和工業(yè)化手段。一個完善的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水溫、溶氧、營養(yǎng)鹽等水質(zhì)指標(biāo)的全程可控（見圖1），并且在任何情況下都能做到系統(tǒng)中90%以上的水循環(huán)再利用。

圖1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝流程

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的實(shí)質(zhì)是以工業(yè)化、現(xiàn)代化手段支撐和優(yōu)化養(yǎng)殖生產(chǎn)過程，尤其是通過養(yǎng)殖全程水環(huán)境調(diào)控，可以在一定程度上克服溫度、水資源和空間資源等外界條件的限制，實(shí)現(xiàn)全年多批次連續(xù)養(yǎng)殖生產(chǎn)，完成反季節(jié)生產(chǎn)和錯峰上市銷售，贏得市場先機(jī)，獲得較高的經(jīng)濟(jì)收益。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖良好的生產(chǎn)性能與其高度可控條件下的集約節(jié)約特性密不可分。按照單位養(yǎng)殖水體計(jì)算，循環(huán)水養(yǎng)殖的水產(chǎn)品產(chǎn)量比傳統(tǒng)工廠化流水養(yǎng)殖高3倍～5倍、比池塘養(yǎng)殖高8倍～10倍，成活率提高10%以上，漁藥和化學(xué)試劑使用量減少近60%。全方位指標(biāo)和性能優(yōu)化，使循環(huán)水養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益得到保障。

在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，通過對養(yǎng)殖用水進(jìn)行物理過濾、生物凈化、殺菌消毒、脫氣增氧等一系列處理，使全部或部分養(yǎng)殖水得以循環(huán)利用；在優(yōu)化調(diào)控養(yǎng)殖生物的生活環(huán)境的同時，通過自動投餌機(jī)等設(shè)備的使用，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的自動化、智能化管理。循環(huán)水養(yǎng)殖不但集漁業(yè)工程與機(jī)械裝備技術(shù)、新型生態(tài)環(huán)保材料、微生態(tài)調(diào)控技術(shù)、數(shù)字化管理技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)于一體，因養(yǎng)殖過程全程受控、受外部環(huán)境變化影響小，具有節(jié)水、節(jié)地、節(jié)省控溫能耗、養(yǎng)殖環(huán)境穩(wěn)定、生物生長速度快、養(yǎng)殖密度高、產(chǎn)品綠色無公害等顯著優(yōu)勢，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)最具潛力的養(yǎng)殖模式和投資方向”。

迄今為止，我國設(shè)計(jì)建造了900余套大型循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，遍及中國主要沿海省份，并從沿海一直延伸到內(nèi)陸地區(qū)，甚至遠(yuǎn)至新疆維吾爾自治區(qū)。這些正在商業(yè)化運(yùn)行的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，既包括海水系統(tǒng)，也包括淡水系統(tǒng)，都取得了比較好的運(yùn)行效果，達(dá)到了預(yù)期生產(chǎn)目標(biāo)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的確具有良好的生產(chǎn)性能和環(huán)保優(yōu)勢，以單位產(chǎn)量核算的生產(chǎn)成本也明顯低于其他養(yǎng)殖模式。

（二）循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝與技術(shù)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)大量使用了工業(yè)工程裝備和技術(shù)，通常由固體顆粒物去除、懸浮顆粒物與可溶性有機(jī)物去除、氨氮及亞硝酸鹽等有毒有害可溶性無機(jī)鹽去除、病原微生物去除、系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)殖生物和微生物代謝產(chǎn)生的CO脫除、溶氧補(bǔ)充、溫度調(diào)節(jié)等工藝技術(shù)體系及其相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備所構(gòu)成，其工藝技術(shù)包括保溫、控溫，固體顆粒物去除，可溶性無機(jī)氮磷去除，消毒殺菌，增氧等多個環(huán)節(jié)。

循環(huán)水養(yǎng)殖進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)了工廠化養(yǎng)殖的集約化特點(diǎn)，生產(chǎn)效率高、占地面積少，且克服了土地和水等自然資源條件限制，是一種高投入、高產(chǎn)出、高密度、高效益的養(yǎng)殖模式，符合我國生態(tài)文明建設(shè)的總體目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。這種集約高效、節(jié)能減排、環(huán)境友好的工藝特色，也使循環(huán)水養(yǎng)殖成為我國水產(chǎn)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、低碳綠色發(fā)展的重要方向，因而連續(xù)多年成為我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖主推技術(shù)。目前，該模式已得到國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認(rèn)可，新系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和總體養(yǎng)殖規(guī)模在近年來不斷攀升，成為我國未來水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢。

二、國內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖研究與產(chǎn)業(yè)化概覽

（一）國外技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化

1.國外循環(huán)水養(yǎng)殖工藝技術(shù)研發(fā)

全球最早的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的日本，此后世界各國紛紛開展循環(huán)水水處理技術(shù)和養(yǎng)殖技術(shù)研究。由于最初的研究思路是引入市政污水處理工藝和模仿水族館（養(yǎng)殖密度只有0.16kg/m～0.48kg/m）的循環(huán)水處理工藝，并未考慮商業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)在成本、資源，尤其是養(yǎng)殖水體與凈水系統(tǒng)比例及系統(tǒng)載魚量（養(yǎng)殖密度一般在50kg/m～300kg/m）方面的特殊要求，因此走了不少彎路，也耗費(fèi)了大量資源，研發(fā)進(jìn)程非常緩慢。

另外，早期研究中還忽略了循環(huán)水系統(tǒng)的一個重要特點(diǎn)，即動態(tài)性。魚類代謝廢物產(chǎn)生和降解的速率需要在系統(tǒng)中達(dá)到動態(tài)平衡，這樣的系統(tǒng)才是穩(wěn)定和健康的。隨著人們逐漸掌握pH值、溶氧（DO）、總氮（TN）、硝酸鹽（NO）、生化需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）等各種水質(zhì)指標(biāo)的特征，以及這些指標(biāo)在養(yǎng)殖水體中的變動規(guī)律，到1980年代中期，循環(huán)水養(yǎng)殖的水質(zhì)動態(tài)變化才被納入系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中。例如，水體缺氧會立即提高充氧機(jī)的增氧效率，但增氧的同時，硝化細(xì)菌對氨氮濃度升高的響應(yīng)卻會出現(xiàn)嚴(yán)重滯后。因此，深化對可能發(fā)生交互作用的限制性生產(chǎn)因素的了解，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行來說越來越重要。

許多養(yǎng)殖技術(shù)人員雖然有工廠化養(yǎng)殖的經(jīng)驗(yàn)，但也僅基于流水系統(tǒng)，并不了解循環(huán)水系統(tǒng)，在日常操作中難以合理控制系統(tǒng)的載魚量、飼喂量、飼喂頻次、水質(zhì)指標(biāo)的管理等，造成系統(tǒng)整體水流量與物質(zhì)平衡失控，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失敗。在循環(huán)水養(yǎng)殖早期發(fā)展階段，這種科學(xué)認(rèn)知和管理經(jīng)驗(yàn)的不足從養(yǎng)殖密度上就可見一斑，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的RAS養(yǎng)殖密度一般在10kg/m～42kg/m，而產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的RAS的養(yǎng)殖密度僅能達(dá)到6.7kg/m～7.9kg/m。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代RAS通過不斷優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)、曝氣充氧（例如液氧的使用）、自動投喂以及適宜養(yǎng)殖品種的選擇等，得以不斷突破各種限制性因素，因而能夠?qū)崿F(xiàn)50kg/m～300kg/m的高密度。

隨著傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖模式因面臨土地競爭和各種環(huán)保壓力而在發(fā)展上陷入停頓，歐美各國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖業(yè)在1980年～1990年經(jīng)歷了快速發(fā)展和上升期。伴隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是各種工藝技術(shù)的改進(jìn)，開始利用各種無壓過濾篩網(wǎng)濾除較大懸浮顆粒物，利用臭氧對水體進(jìn)行消毒和降解其中的有機(jī)物，同時也研發(fā)出多種類型的生物濾器，如浸沒式過濾器、滴濾器、往復(fù)式過濾器、旋轉(zhuǎn)式生物接觸器、轉(zhuǎn)鼓生物濾器和流化床反應(yīng)器等，以及厭氧反硝化裝置。隨著這些裝備和工藝技術(shù)的開發(fā)，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖逐漸成形并開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

美國在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究中也保持了較高水平，包括集約化養(yǎng)殖生物的營養(yǎng)生理、防病技術(shù)、水處理技術(shù)等。美國循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)是水質(zhì)調(diào)控自動化、機(jī)械化程度很高，采用計(jì)算機(jī)輔助自動調(diào)控水體中的溶氧、pH值、電導(dǎo)率、濁度、氨氮等指標(biāo)，并自動控制養(yǎng)殖場內(nèi)部環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等。另外，得益于發(fā)達(dá)的總體工業(yè)水平，他們在增氧、生物凈化沉淀、固體顆粒物濾除、養(yǎng)殖生物分級篩選和收獲等方面大量運(yùn)用了先進(jìn)的高新技術(shù)和裝備。如美國馬里蘭大學(xué)海洋生物技術(shù)中心研發(fā)的循環(huán)水養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（見圖2）包含厭氧反應(yīng)環(huán)節(jié)，與丹麥Aquatec-Solutions的系統(tǒng)較為接近。

圖2 美國馬里蘭大學(xué)海洋生物技術(shù)中心研發(fā)的循環(huán)水養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.國外循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)

雖然一些發(fā)達(dá)國家在循環(huán)水養(yǎng)殖基礎(chǔ)科學(xué)研究、技術(shù)研發(fā)和裝備制造方面都取得了不錯的成果，但循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在初創(chuàng)時期非常艱難。據(jù)報(bào)道，2000年～2013年，英國一共注冊成立了29家RAS商品魚養(yǎng)殖場（即不包括孵化場和魚種生產(chǎn)），其中18個從事羅非魚養(yǎng)殖；但由于經(jīng)營不善，2005年～2006年，第一批注冊的企業(yè)均在之后2年～3年停產(chǎn)。

丹麥、荷蘭、以色列、日本、英國、美國、法國、德國、俄羅斯等國家都是循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，其養(yǎng)殖品種都以魚類為主。在歐洲，德國較早（1970年代）嘗試用循環(huán)水系統(tǒng)來養(yǎng)殖鯉魚；但從整個歐洲看，循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)、裝備和工藝設(shè)計(jì)最為發(fā)達(dá)、較早建立起工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式的國家主要是丹麥和荷蘭。丹麥在1970年代中期就開始策劃將循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，而最早的、具備生產(chǎn)規(guī)模的魚類循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)由丹麥水產(chǎn)研究所開發(fā)，1980年在丹麥建成運(yùn)行。丹麥在循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)方面的早期投入有力促進(jìn)了RAS的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，特別是歐洲鰻鱺（）等高值魚類的養(yǎng)殖；后來，丹麥又開發(fā)了室外半封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖模式，以冷水性虹鱒為主要養(yǎng)殖對象。得益于先發(fā)優(yōu)勢，丹麥有多家環(huán)保公司在水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備與工藝研發(fā)方面脫穎而出，其中包括1978年成立的Inter Aqua Advance-IAAA/S（IAA）、Nordic Aqua Partners（NAP）、Aquatec-Solutions等公司，在全球范圍內(nèi)設(shè)計(jì)建造了一百多套工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。丹麥Aquatec-Solutions公司設(shè)計(jì)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)包含厭氧反應(yīng)環(huán)節(jié)（見圖3）。2019年～2020年，丹麥Nordic Aqua Partners公司聯(lián)合歐洲水產(chǎn)飼料巨頭荷蘭泰高集團(tuán)、挪威AKVA公司開始在中國浙江省寧波市象山縣開發(fā)RAS大西洋鮭養(yǎng)殖項(xiàng)目。

圖3 丹麥Aquatec-Solutions公司設(shè)計(jì)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

挪威AKVA公司設(shè)計(jì)的大西洋鮭苗種培育系統(tǒng)采用雙循環(huán)水流系統(tǒng)，養(yǎng)殖用水全部通過固體顆粒物過濾、紫外線消毒和脫氣處理，只有一部分流量通過移動床生物反應(yīng)器（MBBR）處理（見圖4）。系統(tǒng)使用錐形注氧罐充氧。除了挪威和丹麥，瑞典等北歐國家也有一些公司生產(chǎn)循環(huán)水養(yǎng)殖裝備，例如，瑞典的偉倫萬特公司近年來與中國有很多合作，2011年至今，先后在天津市塘沽區(qū)、山東省海陽市等地建設(shè)了近十套循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。

圖4 由挪威AKVA集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的大西洋鮭苗種培育循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

美國的華盛頓大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、西弗吉尼亞淡水研究所等科研院所在該領(lǐng)域的研究水平居世界前列，其中西弗吉尼亞淡水研究所和康奈爾大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（見圖5）已成為此類工藝設(shè)計(jì)的經(jīng)典，其在固體顆粒物去除過程中增加了徑向流沉降器，并使用流化砂生物過濾器做為核心生物濾器，只有約60%的流量通過生物濾器。很多后續(xù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都采用了類似的設(shè)計(jì)，例如卑爾根大學(xué)的RAS系統(tǒng)就是在弗吉尼亞州淡水研究所系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了膜生物反應(yīng)器。美國的循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)頗具特色，一度處于全球的領(lǐng)先地位，曾經(jīng)倍受養(yǎng)殖業(yè)界的關(guān)注；然而與英國和其他一些國家一樣，美國的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)也是經(jīng)歷無數(shù)次失敗后逐漸發(fā)展成熟起來的。多年來，美國在循環(huán)水養(yǎng)殖冷水性的鮭鱒魚以及溫水性的羅非魚方面已取得顯著效果，在技術(shù)和裝備方面都有一定的積累，其工藝技術(shù)研究主要走兩條路線：一是大力研究水處理設(shè)施設(shè)備，形成集成各種科學(xué)技術(shù)于一體的現(xiàn)代化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)路線；二是簡化各種水處理設(shè)施設(shè)備，節(jié)約成本，采用簡單的廢水處理方式實(shí)現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖模式經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)路線。

圖5 美國弗吉尼亞州淡水研究所設(shè)計(jì)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

以色列從20世紀(jì)20年代～30年代開始嘗試水產(chǎn)養(yǎng)殖，大致可分為池塘、工廠化和工廠化循環(huán)水三個階段。目前，以色列水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占到水產(chǎn)品總量的70%以上；雖然總的規(guī)模有限，但其仍然可稱得上是世界上主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖國家。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是以色列農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)成果在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的集中體現(xiàn)，其核心工藝是水處理技術(shù)，包括采用高效的生物濾器、全自動滾筒微濾機(jī)、實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測、自動投餌等先進(jìn)的養(yǎng)殖設(shè)備。以色列阿科莫夫公司是有著三十多年歷史的漁業(yè)裝備研發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備制造公司。其循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)采用先進(jìn)的Aqua Maof微量液體排放技術(shù)，利用多項(xiàng)水處理專利和過濾技術(shù)來減少用水量（見圖6）。阿科莫夫公司的集成RAS技術(shù)核心是高效的電源管理，可顯著降低能源成本；同時，采用優(yōu)化的飼喂模式和先進(jìn)的飼喂管理系統(tǒng)，也能夠降低飼料轉(zhuǎn)化率和運(yùn)營成本。另外，阿科莫夫公司的RAS系統(tǒng)工藝流程有一定的靈活性，能夠根據(jù)不同企業(yè)和品種的需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，并且能夠隨時集成利用新技術(shù)；通過對系統(tǒng)組件的智能化選擇和配備，可以在最少維護(hù)下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。目前，阿科莫夫公司已經(jīng)在日本、挪威、德國、波蘭、俄羅斯等全球多個國家建設(shè)了數(shù)十套RAS系統(tǒng)，養(yǎng)殖品種包括大西洋鮭、虹鱒、石斑魚、黃條鰤和對蝦等。

圖6 以色列阿科莫夫公司的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的發(fā)展，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖對全球水產(chǎn)養(yǎng)殖的總體貢獻(xiàn)卻十分有限，尤其是在水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模較大的發(fā)展中國家，RAS的占比還非常低。不過，由于較為嚴(yán)格的環(huán)保政策等條件限制，歐美國家的陸基工廠化養(yǎng)殖大多采用循環(huán)水技術(shù)。尤其是在最近20多年來，歐美國家將工廠化循環(huán)水高密度養(yǎng)殖作為新型技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，發(fā)展速度非?？?。例如，法國的大菱鲆苗種孵化和成魚養(yǎng)殖絕大部分在封閉循環(huán)水養(yǎng)殖車間進(jìn)行，大菱鲆苗種培育100%采用循環(huán)水，養(yǎng)殖60%以上采用循環(huán)水。從全球來看，循環(huán)水養(yǎng)殖單產(chǎn)一般達(dá)到70kg/m～120kg/m，生產(chǎn)規(guī)?？纱罂尚?，大型生產(chǎn)系統(tǒng)年產(chǎn)量超過1000t，中型系統(tǒng)年產(chǎn)500t，而小型系統(tǒng)年產(chǎn)量可能只有50t。除了環(huán)保壓力和資源限制，病害防控、增加市場靈活性等方面的迫切需要，也成為助推歐美各國發(fā)展工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的新動力。大西洋鮭是歐洲首屈一指的主養(yǎng)品種，一直以深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖為主要養(yǎng)殖模式。近年來，網(wǎng)箱養(yǎng)殖的大西洋鮭受到魚虱侵?jǐn)_，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都難以保證，于是挪威等一些歐洲國家已開始進(jìn)行封閉循環(huán)水養(yǎng)殖鮭魚的技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐。同時，美國也對工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖加大了政策支持和產(chǎn)業(yè)化推廣力度?？偛课挥谶~阿密的大西洋藍(lán)寶石公司3.5萬m的大西洋鮭循環(huán)水養(yǎng)殖場于2018年建成投產(chǎn)，并于2020年銷售第一批共1萬多t商品魚；同時，該公司計(jì)劃在2023年和2026年分兩次擴(kuò)建，并最終達(dá)到37萬m和年產(chǎn)10萬多t商品魚的規(guī)模。差不多在同一時期（2018年～2021年），由挪威的北歐水產(chǎn)養(yǎng)殖公司投資近10億美元，分別在加利福尼亞州和緬因州興建了兩座大型的大西洋鮭循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖場，項(xiàng)目擬于2024年建成投產(chǎn)。

（二）國內(nèi)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化

1.國內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖工藝技術(shù)研發(fā)

我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖起步于20世紀(jì)80年代中期。1986年前后，以中原油田、江蘇中洋為代表的幾家企業(yè)，先后花巨資從德國、丹麥等國家引進(jìn)一批循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，主要從事淡水羅非魚、鰻魚的工廠化養(yǎng)殖。但由于管理理念與現(xiàn)實(shí)的差距，設(shè)備運(yùn)行并不順利。1990年初，國內(nèi)開始進(jìn)行工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖相關(guān)的科學(xué)與技術(shù)研究，從早期的摸索，到工藝、技術(shù)、裝備的逐步研發(fā)與配套集成，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行，至今已近30年時間。

我國成規(guī)模的海水工廠化養(yǎng)殖出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代。初期以“溫室大棚+深井海水”的工廠化流水養(yǎng)殖模式為雛形的中國工業(yè)化養(yǎng)魚逐步創(chuàng)立，克服了養(yǎng)殖季節(jié)的限制以及突發(fā)惡劣天氣的干擾，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了單位水體養(yǎng)殖產(chǎn)量的大幅度提高，掀起了以大菱鲆、牙鲆等鲆鰈魚類為代表的我國第四次海水養(yǎng)殖浪潮。

90年代中后期，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所（以下簡稱“黃海所”）開始進(jìn)行工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖工藝技術(shù)研究。在“九五”期間，黃海所承擔(dān)了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863計(jì)劃”）“工廠化養(yǎng)殖海水凈化和高效循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)的研究”“工廠化魚類高密度養(yǎng)殖設(shè)施的工程優(yōu)化技術(shù)”等項(xiàng)目，開展了海水工廠化養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)了微濾機(jī)、快速過濾、高效增氧等技術(shù)，在山東省榮成市尋山水產(chǎn)集團(tuán)公司養(yǎng)魚場建成了“863”課題工廠化循環(huán)水養(yǎng)魚實(shí)驗(yàn)基地，進(jìn)行海水循環(huán)水養(yǎng)魚技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，養(yǎng)魚密度達(dá)到30kg/m；“十五”期間，黃海所主持了國家“863計(jì)劃”和科技攻關(guān)計(jì)劃課題，解決了工廠化養(yǎng)殖的工程技術(shù)優(yōu)化，養(yǎng)殖裝備技術(shù)水平得以提升，并帶動了工廠化養(yǎng)殖的工程優(yōu)化技術(shù)在我國北方沿海地區(qū)的推廣應(yīng)用；“十一五”期間，黃海所研發(fā)了工廠化養(yǎng)殖成套設(shè)備，構(gòu)建了高效養(yǎng)殖生產(chǎn)體系，使工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖在我國長足發(fā)展，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。通過承擔(dān)“十二五”國家科技支撐計(jì)劃“節(jié)能環(huán)保型循環(huán)水養(yǎng)殖工程裝備與關(guān)鍵技術(shù)研究（2011BAD13B04）”和“黃渤海區(qū)魚類工廠化健康養(yǎng)殖技術(shù)集成與示范（2011BAD13B07）”，以及“十三五”國家“藍(lán)色糧倉”科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)“蝦參循環(huán)水養(yǎng)殖工藝研究與清潔生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建（2019YFD0900505）”等一系列重大項(xiàng)目，我國循環(huán)水養(yǎng)殖工藝、技術(shù)和系統(tǒng)化程度得到快速提升，并且在運(yùn)行規(guī)模和養(yǎng)殖品種方面也得到不斷發(fā)展。通過我國科研人員二十多年的持續(xù)努力，陸續(xù)突破了固體顆粒物快速分離、生物凈化、高效溶氧、養(yǎng)殖尾水處理等關(guān)鍵技術(shù)，取得了一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果；初步構(gòu)建起具有中國特色的節(jié)能環(huán)保型循環(huán)水養(yǎng)殖工藝，工藝水平接近世界先進(jìn)水平。

近十年來，循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)在國內(nèi)外得到進(jìn)一步發(fā)展，工藝設(shè)備不斷優(yōu)化，逐步采用了納米材料技術(shù)、生物膜快速培養(yǎng)技術(shù)、厭氧反硝化技術(shù)、自動投餌和自動化控制技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)成果。在中國目前的主流循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中，水處理裝備由微濾機(jī)（固體顆粒分離器）、氣?。ǖ鞍追蛛x器）、生物濾池、增氧裝置、控溫裝置以及紫外線消毒設(shè)備等幾個主要部分構(gòu)成。通過不斷對工藝設(shè)備更新?lián)Q代和配套集成，進(jìn)一步提高了自動化程度和集約化程度，強(qiáng)化了生物安保和動物福利，養(yǎng)殖水循環(huán)利用率達(dá)到95%以上，循環(huán)水養(yǎng)殖配合生態(tài)綜合尾水凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無廢物生產(chǎn)和“零排放”。

2.國內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)

科技創(chuàng)新有力地支撐了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)開始于2007年，2007年～2013年，在國內(nèi)第四次漁業(yè)產(chǎn)業(yè)浪潮的推動下，以鲆鰈類工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖為代表，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速由2萬m上升至50萬m，增長了25倍。在黃海水產(chǎn)研究所、中國科學(xué)院海洋研究所、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所等科研院所推動下，萊州明波水產(chǎn)有限公司、天津海發(fā)海珍品實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司等企業(yè)的示范帶動下，2013年前后，我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖已初具規(guī)模，主要集中在北方沿海，其中，遼寧省、河北省、天津市和山東省的循環(huán)水養(yǎng)殖總面積約占其工廠化養(yǎng)殖總面積的67.2%。循環(huán)水養(yǎng)殖總產(chǎn)量中，半滑舌鰨（）約占43%，大菱鲆（）占24%，其他經(jīng)濟(jì)魚類占33%，涉及虹鱒（）、老虎斑（）、鰻鱺（spp.）等多種，養(yǎng)殖密度也逐步提高到30kg/m～40kg/m，個別品種（尼羅羅非魚）甚至高達(dá)104.2kg/m。21世紀(jì)的第二個十年，中國循環(huán)水養(yǎng)殖已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，載魚量、養(yǎng)殖水質(zhì)和養(yǎng)殖效果都有了明顯的提高。魚類之后，對蝦、海參、鮑和貝類等品種的循環(huán)水養(yǎng)殖先后在我國獲得成功。我國于1988年引進(jìn)南美白對蝦進(jìn)行池塘養(yǎng)殖并獲得成功，但由于病害頻發(fā)，使產(chǎn)業(yè)不堪其憂、產(chǎn)量和產(chǎn)值難以保證；通過近年來對蝦工廠化和循環(huán)水養(yǎng)殖的大量研究與實(shí)踐，循環(huán)水養(yǎng)蝦目前在我國已頗具產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)養(yǎng)蝦方式更新?lián)Q代和轉(zhuǎn)型升級。目前，工廠化循環(huán)水養(yǎng)蝦在我國北方沿海和甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等內(nèi)陸省份發(fā)展很快；截至2022年初，運(yùn)行中的系統(tǒng)總面積約30萬m，另有在建項(xiàng)目近200萬m。

多年來，中國漁業(yè)科技工作者堅(jiān)持自主研發(fā)中國特色的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖工藝模式，養(yǎng)殖總規(guī)模已突破300萬m，與國外循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，我國循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)成本是國外的五分之一，運(yùn)行能耗是國外的三分之一，養(yǎng)殖品種更加豐富多樣。

三、工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖面臨問題與發(fā)展趨勢

多年來，漁業(yè)科技工作者研發(fā)了環(huán)流式固液分離裝置、工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)多功能回水裝置、生物濾池多孔排污裝置、生物膜負(fù)荷掛膜技術(shù)等實(shí)用性水處理裝備和水處理技術(shù)；通過對循環(huán)水養(yǎng)殖工況下養(yǎng)殖魚類生理、生態(tài)研究，揭示了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖促生長機(jī)理；通過生物濾器研發(fā)，闡明了生物膜培養(yǎng)方法、凈化機(jī)理和影響要素，系統(tǒng)研究了主要營養(yǎng)素在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為養(yǎng)殖微生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)控制提供了理論依據(jù)；通過系統(tǒng)集成和優(yōu)化，構(gòu)建了節(jié)能環(huán)保型海水魚類工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在工程造價、運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行能耗、養(yǎng)殖生物單位承載力等方面處于領(lǐng)先水平，目前已在全國建立示范企業(yè)63家，示范面積90多萬m，為促進(jìn)我國漁業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和工業(yè)化發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。不過，我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖發(fā)展中也存在許多不足，需要不斷優(yōu)化與提升。

（一）設(shè)施與裝備集成能力需要加強(qiáng)

國內(nèi)目前已建成的生產(chǎn)性工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水處理設(shè)備、自動投餌設(shè)備、殺菌和增氧設(shè)備等單項(xiàng)設(shè)備的性能和工藝水平雖已逐漸步入世界先進(jìn)行列，但這些裝備在配套和應(yīng)用方面仍然存在許多不完善和不匹配的問題。我國目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備供應(yīng)商總體呈現(xiàn)小而散的格局，真正能夠生產(chǎn)循環(huán)水養(yǎng)殖成套設(shè)備的廠家如同鳳毛麟角，更缺少能夠與國際知名水產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商抗衡的規(guī)模以上企業(yè)。從不同的設(shè)備廠家進(jìn)行選型和配套，篩選成本提高，間接增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中的難度，另一方面也限制了國產(chǎn)系統(tǒng)及其裝備的快速提升。今后，應(yīng)進(jìn)一步加大養(yǎng)殖裝備研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入，不斷提升裝備水平和系統(tǒng)建造的一體化程度，加速實(shí)現(xiàn)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)健康、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

（二）配合飼料需要進(jìn)一步優(yōu)化

我國現(xiàn)階段的水產(chǎn)飼料配方雷同度較高，缺乏針對循環(huán)水養(yǎng)殖、以及相應(yīng)養(yǎng)殖品種的專用飼料，飼料營養(yǎng)、蛋白水平、溶失率、飼料系數(shù)等指標(biāo)參差不齊，增加了水處理系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，也影響了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的效果。有必要開發(fā)針對不同品種的循環(huán)水養(yǎng)殖專用飼料，使飼料營養(yǎng)和性能都具備較高的水平，從而保證循環(huán)水系統(tǒng)的各種優(yōu)勢能夠得到更好發(fā)揮。

（三）病害防控技術(shù)需要精準(zhǔn)化

追求高密度、高效益是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式的首要目標(biāo)。由于養(yǎng)殖密度高、系統(tǒng)負(fù)荷大、物質(zhì)周轉(zhuǎn)快，一旦哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)微小的問題，都有可能被迅速放大，并引發(fā)養(yǎng)殖生物病害。此外，由于系統(tǒng)本身的封閉性，病原體一旦進(jìn)入就很難去除。為此，一方面需要遞進(jìn)式不斷加強(qiáng)系統(tǒng)工藝的優(yōu)化，增加系統(tǒng)本身的緩沖性能，使系統(tǒng)運(yùn)行更加順暢；另一方面則要加強(qiáng)循環(huán)水高密度養(yǎng)殖條件下生物的生理生態(tài)學(xué)研究，以及養(yǎng)殖生物的應(yīng)激反應(yīng)、疾患征兆、疫病防控技術(shù)研究，建立科學(xué)有效的病害預(yù)警機(jī)制。

（四）節(jié)能降耗需要進(jìn)一步加強(qiáng)

前期建設(shè)投入大和能耗高，是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖不可回避的兩個問題。應(yīng)同時關(guān)注設(shè)備和系統(tǒng)兩個層次的節(jié)能降耗，進(jìn)一步研發(fā)節(jié)能型設(shè)施設(shè)備，優(yōu)化與集成低碳高效的循環(huán)水處理技術(shù)；優(yōu)化系統(tǒng)工藝和水處理單元之間的耦合，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；研發(fā)CO去除裝置，降低養(yǎng)殖水體中CO含量；研制低能耗、高效率的多功能固體顆粒物濾除設(shè)備、消毒殺菌設(shè)備和生物濾器；研發(fā)高效、實(shí)用的養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)尾水資源化、無害化處理，構(gòu)建工廠化養(yǎng)殖尾水污染物生態(tài)控制新模式；研發(fā)適合循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)使用的可再生能源利用技術(shù)，提高太陽能、風(fēng)能等新能源與循環(huán)水養(yǎng)殖裝備的匹配度，同時推廣使用水源熱泵等高效熱交換設(shè)備，降低系統(tǒng)運(yùn)行的能源成本。

（五）運(yùn)行工藝與養(yǎng)殖管理需要標(biāo)準(zhǔn)化

我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖雖然經(jīng)歷近30年的發(fā)展，但目前仍缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，未形成標(biāo)準(zhǔn)化體系。不同地區(qū)、不同企業(yè)的養(yǎng)殖技術(shù)水平參差不齊，養(yǎng)殖效果和生產(chǎn)性能差異較大；因系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、管理失當(dāng)、水循環(huán)與水質(zhì)指標(biāo)失控導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失敗的例子比比皆是，一定程度上制約了循環(huán)水養(yǎng)殖模式的大規(guī)模推廣應(yīng)用。應(yīng)加緊構(gòu)建工廠化循環(huán)水健康養(yǎng)殖生產(chǎn)技術(shù)體系，建立健康養(yǎng)殖生產(chǎn)管理模式，構(gòu)建節(jié)約型工廠化循環(huán)水安全高效的養(yǎng)殖工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范來構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化體系，開展標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)示范。

（六）基礎(chǔ)研究有待加強(qiáng)

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖目前仍然存在一些科學(xué)認(rèn)知方面的挑戰(zhàn)，包括養(yǎng)殖生物在高密度和特定水質(zhì)條件下的健康狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行中生物膜結(jié)構(gòu)的變化及其對水處理效果的影響、主要營養(yǎng)素在系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、固體顆粒物去除的最佳途徑及無害化處理等。對這些過程與機(jī)制的認(rèn)識不足，也影響到相關(guān)技術(shù)和裝備的發(fā)展。

迄今為止，中國漁業(yè)科技工作者已初步建立了適合我國國情的循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)體系，產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具規(guī)模，但在養(yǎng)殖微生態(tài)環(huán)境控制、養(yǎng)殖管理與投喂技術(shù)、水質(zhì)自動檢測與數(shù)字化管理、病害防控、節(jié)能降耗等方面還需要不斷完善和加強(qiáng)。此外，企業(yè)管理者因傳統(tǒng)養(yǎng)殖理念的束縛，使相當(dāng)一部分循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)集約節(jié)約、高效安全的技術(shù)優(yōu)勢尚未充分發(fā)揮。從設(shè)施裝備上來看，我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖在水處理精度、水處理效率、運(yùn)轉(zhuǎn)使用率及自動化、智能化管理水平方面與國外先進(jìn)國家相比尚存在一定差距。

盡管存在上述種種問題和挑戰(zhàn)，但對比現(xiàn)有的各類水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)模式，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率最高、生態(tài)環(huán)境保持最佳、動物福利得到加強(qiáng)的目標(biāo)，綠色、生態(tài)、循環(huán)、高效，代表著未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展方向。隨著我國漁業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，新技術(shù)新材料不斷出現(xiàn)，將給循環(huán)水養(yǎng)殖模式帶來新的發(fā)展機(jī)遇。同時，隨著中國建設(shè)生態(tài)文明和實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程逐漸加速，發(fā)展節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的必由之路，我國傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式在科技水平、自動化程度、經(jīng)營管理方式、資源消耗等方面已經(jīng)表現(xiàn)出種種局限性，而工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的優(yōu)勢日益顯現(xiàn)，必將迎來新一輪快速發(fā)展。