美国工厂化循环水养殖系统研究
理论探究
doi:10.3969/j.issn.1673-9205.2009.05.002
农业开发研究2009年
美国工厂化循环水养殖系统研究
刘晃1，2，3，张宇雷1，3，吴凡1，3，倪琦1，2，徐皓1，3
摘要：美国工厂化循环水养殖系统研究可以划分成两个有着明显差异的研究技术路线，一是高集成循环水养殖系统模式研究，主要是通过使用各种各样的水处理设备来获得良好的水质，通过各种自动化设施来减少人员劳动强度，通过高精度的水质监控系统来实时反馈系统运行状态。二是经济型循环水养殖系统模式研究，主要是以简化水处理设备，采用简单的处理方式以获得较高经济效益。
关键词：水产养殖；美国；工厂化养殖；循环水养殖系统（RAS）中图分类号：F316.4文献标识码：A
文章编号：1673-9205（2009）03-0010-04
美国在工厂化循环水养殖的研究方面一直处于较高水平，特别是在鲑鳟类冷水性鱼和罗非鱼等温水性鱼的工厂化循环水养殖上有不少的研究和应用。从美国工厂化循环水养殖系统的模式研究总体情况来看可以将之划分成两个有着明显差异的研究技术路线。一是在美国北部是以康奈尔大学的
Timmons教授和西弗吉尼亚淡水研究所Summerfelt
教授为代表的，以集成各种水处理设备的高集成循环水养殖系统模式研究为主的技术路线。二是在美国南部以路易斯安那州立大学Malone教授和
StudyonrecirculatingaquaculturesystemsinUSA
LIUHuang，ZHANGYu-lei，WUFan，NIQi，XUHao（1.FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092；2.Keylabora-toryoffisherywatertreatment,ChineseAcademyofFisherySci-ences,Shanghai200092；3.Keylaboratoryoffisheryequipmentandengineering,MinistryofagricultureShanghai,200092；）Abstract：TherecirculatingaquaculturesystemsinUSAcanbedividedintotwostudytechnicalroutehavingsaliencediffer-ences.First,studyofhighlyintegratedrecirculatingaquaculturesystems,mainlyusedallkindsofwatertreatmentequipmenttoobtaingoodwaterquality,andalsousedavarietyofautomatedfacilitiestoreducelaborintensity.Meanwhile,itreflectssystemstatusonlinewithhigh-precisionwaterqualitymonitorsystems.Secondly,studyofeconomicrecirculatingaquaculturesystems,cangethigheconomicprofitsbysimplifyingwatertreatmente-quipment,andusingasimplewatertreatmentprocesses.Keywords：Aquaculture；USA；Industrialaquaculture；Re-circulatingaquaculturesystems（RAS）
AquacultureSystemsTechnologies公司Ebeling博士为
代表的，以简化水处理设备，采用简单的处理方式以获得较高经济效益的经济型循环水养殖系统模式研究为主的技术路线。
1高集成循环水养殖系统模式
高集成循环水养殖系统模式是通过使用各种各
样的水处理设备来获得良好的水质，通过各种自动化设施来减少人员劳动强度，通过高精度的水质监控系统来实时反馈系统运行状态。
西弗吉尼亚淡水研究所内有一个集成化程度相当高的循环水养殖系统。其采用的是一个比较典型的水处理工艺，其水处理工艺流程图如图1所示。
0引言
工厂化循环水养殖方式正以其环境友好、节能、
图1水处理工艺流程图
在这些工厂化循环水养殖系统中的鱼池一般为圆形，普遍采用了双排水的设计。鱼池的中上层水是通过设置在鱼池侧面的水位保持器直接进入微滤机过滤，而鱼池的底层水中由于含有比较多的颗粒物
1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092；2.中国水产科学研究院渔业水体净化技术和系统研究重点开放
实验室，上海200092；
节水等优势，逐步被人们所接受和越来越多的被应用到生产实践中去。工厂化循环水养殖系统（RAS）可以提供可控的环境，系统的大小不受环境条件限制，可以控制养殖水产品的生长速度，甚至可以预计产量。与传统养殖方式相比，循环水养殖生产方式每单位产量的可以节约90~99％的水消耗和99％的土地占用，并几乎不污染环境[1]。
3.农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海200092。
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质（主要是残饵和鱼粪），则是从鱼池底部中心的排水口先进入一个沉淀池或水力旋流器，将可沉淀颗粒物去除后，再进入微滤机过滤。微滤机可以去除大于60μm的悬浮颗粒物。物理过滤后的水流到调节池，在调节池中可以进行调温、补水等。然后使用水泵提升进入生物过滤器，生物过滤可以采用流化沙床、移动床、微珠生物过滤器等方式。经过生物处理后的水自流到脱气装置吹脱水中的CO2，再进入增氧装置，增氧一般采用LHO或锥形增氧装置。由于在美国的工厂化循环水养殖系统中已经普遍使用液氧，因此CO2的去除就显得尤为重要。增氧后的水回到鱼池[3-8]。西弗吉尼亚淡水研究所中的循环水养殖系统及主要设备的照片见图2，左边是循环水养殖系统的效果图，右上是系统中的鱼池和投饲机，右下是微滤机和调节池。
图3
自动收鱼装置、
投喂装置和投喂控制系统
水质监控系统是一个养殖系统成功的保障。美国工厂化循环水养殖在这方面做的相当完善，尤其是对ORP相当的关注，采用ORP数值的变化来进行水质的预测和调控。如图4所示左上和右上分别为二氧化碳和ORP的测试仪。下方为电脑上显示的系统水质参数在最近一个小时内的历史曲线，包括的参数主要有溶氧、水温和ORP。
图2
西弗吉尼亚淡水研究所的循环水养殖系统
要实现工厂化循环水养殖科学、统一、标准化的管理是其中一个相当重要环节。而其中又以饲料的投喂、水质监测和报警系统为关键。在美国农业部国家冷水鱼研究中心和西弗吉尼亚淡水研究所都有相当成熟的饲料自动投喂系统和水质监测系统。所有的'数据都会实时反应在控制电脑上，操作人员只需要面对电脑就可以清楚的了解所有系统最新的水质情况和饲料投喂情况，也可以通过电脑实现对它们的控制。整个系统的自动化程度相当高，人员只需要完成一些简单的劳动工作。如图3所示，左上为一个收鱼装置。当养殖的鱼达到市场规格后，员工就可以将鱼从鱼池中赶到这个装置中捞起，设计得非常简单实用。右为自动投饲机，右上和右下都是自动投饲机，不同之处在于，由于右上的鱼池较大，设计人员在鱼池上方设计了一个小型的行车。操作人员在鱼池一侧就可以轻松的将饲料投喂到鱼池的另一侧。左下为一个养殖车间的投饲控制系统。车间内所有系统的投喂都可以通过这台电脑来进行控制，可以设置包括投喂的饲料种类、投饲速度等操作参数。
图4
水质监控系统
2经济型养殖模式
2.1BF/AL循环水养殖模式
路易斯安那州立大学Malone教授根据多年的研
究，认为循环水养殖系统能够成功运行必须满足五大必要条件：一是水的循环；二是悬浮颗粒物及时去除；三是生物过滤；四是增氧；五是二氧化碳的去除。当然，目前有很多方法都可以满足这五大必要条件。但是，重要的是如何采用简单有效的方法来实现，成为研究和应用的技术关键。BF/AL循环水养殖系统模式是一种采用气提代替传统养殖模式必须使用的水泵以实现水体循环，而水处理仅仅使用浮性珠子过
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滤器等简单的处理设备的循环水养殖系统模式。其中仅采用浮性珠子过滤器和气提技术就能完全满足五大必要条件。
浮性珠子过滤器的特点在于其同时兼具物理过滤和生物过滤的双重功能，可以简化循环水养殖系统的设计和操作。目前，浮性珠子过滤器系列中有螺旋桨反冲洗型（PBF）、气泡反冲洗型（BBF）和气室反冲洗型（PGF）三中型式。气室反冲洗型（PGF）过滤器是当中的最新产品，它可以使用自身容器内的水体来完成反冲洗，而其强度又不会太过剧烈而影响到硝化反应的进行。采用浮性珠子过滤器可以实现五大必要条件中的悬浮颗粒物及时去除和生物过滤。气提技术在BF/AL循环水养殖系统模式中可以实现另外三个必要条件，通过使用鼓风曝气，形成密度差，可以将让水从低位提升到高位，实现水的循环。在实现水位提升的同时曝气可以实现给系统水体增氧和去除水中的二氧化碳。PF/AL循环水养殖系统模式仅仅使用珠子过滤器技术和气提技术就完成了循环水养殖所必要的五大必要条件，系统所使用的动力设备非常少，因此，大大减少了系统维护所需要的时间。而从安全性的角度考虑，除去了水泵故障的可能性，使系统更加安全可靠，养殖风险更低[9-13]。
口自流进入PBF过滤器，鱼池内水面和PBF过滤器中的液面高差大约为30cm，过滤后水通过气提方式被提升回到鱼池，实现了水的处理和循环。系统的换水量相当的低，系统中的水体已经使用了长达4、5年之久。在鱼池的池壁、水管上到处长满了藻，看起来非常的脏。如图5所示，左上是农场最早使用PBF过滤器，从1993年开始使用至今运行状况良好。左下是一组BF/AL循环水养殖系统，右上为鱼池中的分类养殖网箱，右下气提装置。
2.2生物絮凝（Biofloc）循环水养殖系统
在美国虾类产品的养殖量相当大，而且从目前
来看，它还在以每年15%的增幅在迅速膨胀。一方面，水质的好坏对于虾类的养殖是相当关键的。另一方面，由于虾类养殖而带来的污水排放也成为了美国各个环境保护协会关注的焦点。因此，寻找一种稳定、高产、高效、环境友好而又可以将病毒危害降到最低的虾类养殖模式就成为了主要的研究方向。生物絮凝（Biofloc）循环水养殖系统是目前美国在经济性循环水养殖系统模式方面的研究热点之一，目前已经有不少的实验系统和部分应用实例。
生物絮凝（Biofloc）循环水养殖系统有别与传统的水处理方式，它是利用异养细菌的同化反应，理论反应方程式如下：
TiltechAquaFarm养殖场内目前在使用的一套BF/AL循环水养殖系统。TiltechAquafarm主要生产
全雄罗非鱼苗，并可以根据客户需要提供各种特定家系或者规格的罗非鱼苗。整个农场正常运行时只需要4个人，只是在特别忙的情况下才会另外请临时工。水处理系统相当简单，仅仅是使用了几台大型的珠子过滤器来控制系统内的微藻浓度和去除颗粒物。鱼池中的微藻浓度相当高，据介绍最高浓度可以达到800000000ind/L。鱼池内的水是通过中央排污
NH4++1.18C6H12O6+HCO3-+2.06O2→C5H7O2N+6.06H2O+3.07CO2
根据方程式可以得到：每g的总氨氮转化为细
菌，需要消耗4.71g的溶解氧、3.57g碱度（0.86g无机碳）和15.17g碳水化合物（6.07g有机碳）。反应可以生成8.07g的细菌生物体（4.29g有机碳）和9.65g的二氧化碳（2.63g无机碳）。反应使得细菌的生物量增加了
40倍，所产生的生物量远远大于的硝化反应过程中的
细菌生物量的变化，所以系统的另一个关键就是使用物理过滤及时去除水中的微生物和颗粒物[14]。
生物絮凝（Biofloc）循环水养殖系统主要是养殖虾类，使用的是跑道式养殖池（如图6中的左图所示），养殖池仅仅配备了压力式沙滤灌、泡沫分离器或采用沉淀池等物理设备，图6右上所示的是竖流式沉淀池。实验使用填料糖（如图6中的右下所示）作为生物填料和外加碳源，通过提高水体内的碳氮比，使得水体内的异养细菌取代自养细菌，成为系统中的优势种，从而吸收总氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐，将其转化为细菌的生物体。根据研究报到，每6g碳可
图5TiltechAquaFarm养殖场的PGF/AL
循环水养殖系统
以将1g总氮转化为细菌的生物体，其使用的填料糖的比重为1.3，含碳量为50%。实验结果显示在实验
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tonRouge:LouisianaStateUniversity,2005.
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过程中，系统水体中的氨氮和亚硝酸盐氮被控制在一个合理的水平，系统运行稳定[15-18]。
[10]JohnsonBS.AirliftAssistedWastewaterTreatment[D].Baton
Rouge:LouisianaStateUniversity,2008.
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图6
生物絮凝循环水养殖系统
[13]MaloneRF,GudipatiS.Airlift-PolyGeyserCombinationFa-cilitatesDecentralizedWaterTreatmentinRecirculatingMa-rineHatcherySystems[R].SanDiego:The34thUSJapanNaturalResourcesPanelAquacultureSymposium,2005.[14]EbelingJM,TimmonsMB,BisogniJJ.Engineeringanalysis
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3结语
从总体上看，目前美国在工厂化循环水养殖方
面的研究既有从事使用高科技手段达到高密度、高自动化、高集成度的养殖模式，也有从事使用简化水处理工艺或利用自然条件（例如：藻类）以期获得低成本、高收益的经济型养殖模式。各种模式在美国养殖业中都有所应用，可以说是百家争鸣，创意无限，其中不少是值得去深入的学习和研究。
参考文献
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基金项目作者简介
农业部“引进国际先进农业科学技术”项目（2008-Z9）刘晃（1973—），男，湖南祁阳人，硕士，副研究员，主要从事水产养殖工程研究工作；张宇雷（1980—），男，上海人，研究生，硕士，工程师，主要从事水产养殖工程研究工作；吴凡（1973—），男，上海人，硕士，高级工程师，主要从事水产养殖工程研究工作；倪琦（1968—），男，上海人，硕士，研究员，主要从事水产养殖工程研究工作；徐皓（1962—），男，上海人，学士，研究员，主要从事渔业装备与工程技术研究工作。
收稿日期2009-05-12
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