張千，黃建偉，畢傳健，程曉夏，張方華，駱意

(1.船舶與海洋工程特種裝備和動力系統(tǒng)國家工程研究中心，上海200090；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海200090)

大黃魚是我國重要的海水經(jīng)濟魚品種，目前大黃魚主要養(yǎng)殖方式為傳統(tǒng)的浮式框架網(wǎng)箱養(yǎng)殖，養(yǎng)殖產(chǎn)量占全國大黃魚總產(chǎn)量的90%左右。傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式受環(huán)境因素影響較大，不利于管理，且產(chǎn)量較低。本文通過建立高密度循環(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)作為試驗平臺，配備循環(huán)海水處理設(shè)備，以及尾水處理、照明、視頻監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測等設(shè)備，以探討集約化養(yǎng)殖條件下的系統(tǒng)方案，為開發(fā)適用于海水魚養(yǎng)殖的工業(yè)化養(yǎng)殖模式提供借鑒。

高密度循環(huán)海水養(yǎng)殖系統(tǒng)搭建于上海市某工業(yè)園區(qū)，試養(yǎng)魚種為大黃魚，養(yǎng)殖規(guī)格約150克/尾。項目于2022年完成建設(shè)并開始正式投入使用，試驗平臺占地面積約400米2，包含9個1米3和6個3米3的八角形養(yǎng)殖池，總養(yǎng)殖水體為27米3，試驗平臺三維示意如圖1所示。系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 高密度循環(huán)水養(yǎng)殖試驗平臺三維示意

表1 系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

一、養(yǎng)殖關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

高密度養(yǎng)殖環(huán)境下大黃魚生長適宜條件按照表2設(shè)定。

表2 大黃魚生長適宜條件

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.循環(huán)水處理系統(tǒng)

循環(huán)水處理系統(tǒng)為高密度養(yǎng)殖提供適宜的生存環(huán)境，通過物理、化學(xué)、生物處理技術(shù)去除水體中的顆粒物、有機物、細菌等，并有效控制水體的溶氧水平、溫度在魚的適宜生存區(qū)間。

循環(huán)水處理系統(tǒng)工藝流程如圖2所示，主要構(gòu)成包括豎流沉淀器、轉(zhuǎn)鼓微濾機、加藥裝置、蛋白質(zhì)分離器、紫外消毒器、固定生物床、移動生物床、CO2脫氣塔、空氣源熱泵、換熱器、增氧錐等。

圖2 循環(huán)水處理系統(tǒng)流程

(1)豎流沉淀器。因飼料投喂過量產(chǎn)生的殘餌以及魚生長代謝產(chǎn)生的魚糞經(jīng)長時間浸泡并在流場作用下會沉積在魚池底部，顆粒物污染負荷高，經(jīng)魚池底排進入豎流沉淀器以去除大部分顆粒污染物。經(jīng)固液分離的循環(huán)水從上部溢流進入轉(zhuǎn)鼓微濾機，底部排污水匯流至養(yǎng)殖尾水處理裝置。

(2)轉(zhuǎn)鼓微濾機。轉(zhuǎn)鼓微濾機的進水為養(yǎng)殖池側(cè)排水以及豎流沉淀器出水，采用篩網(wǎng)過濾，過濾孔徑為75微米。采用重力自流中心進水過濾方式，不斷過濾的循環(huán)水經(jīng)出水口進入下一環(huán)節(jié)。當(dāng)濾網(wǎng)污堵到一定程度后，啟動反沖洗進行濾網(wǎng)清洗。沖洗水經(jīng)排污口匯流至養(yǎng)殖尾水處理裝置。

(3)加藥裝置。養(yǎng)殖對象及生物濾器中的微生物因呼吸作用產(chǎn)生大量CO2，導(dǎo)致水體環(huán)境pH降低，從而影響?zhàn)B殖對象生存以及生物濾器處理效果。投加碳酸氫鈉消耗循環(huán)水中的CO2，以調(diào)節(jié)水體pH。

(4)蛋白質(zhì)分離器。蛋白質(zhì)分離器主要用于去除海水養(yǎng)殖過程中各種微小懸浮顆粒物、有機物，同時注入臭氧，可用于殺滅細菌及病原體，氧化不可被生物降解的有機分子、亞硝酸鹽和難降解有機分子，從而減少紫外消毒器和生物濾器的處理負荷，改善養(yǎng)殖水質(zhì)。

蛋白質(zhì)分離器頂部排沫口排出的微小顆粒物、有機物以及清洗頂部收集杯經(jīng)排污口排出的清洗水，匯流至養(yǎng)殖尾水總管進行處理。

(5)紫外消毒器。天然或人工紫外線(波長190～400納米)可以通過改變核酸直接或間接地損傷微生物，其最佳殺菌波長為250～270納米，且消毒過后不像臭氧等化學(xué)藥劑消毒存在殘留，因此可作為循環(huán)水系統(tǒng)主要的消毒方式。紫外線消毒器采用低壓紫外燈產(chǎn)生253.7納米的紫外線，循環(huán)水流經(jīng)紫外燈管套管外側(cè)時被不斷輻射，達到足夠輻射劑量后殺滅循環(huán)水中的細菌、病毒。高濁度或高色度的水體環(huán)境可能導(dǎo)致光源無法向水體微生物傳輸足夠多的輻射劑量，從而無法殺死其中的微生物。

(6)生物濾器。生物濾器是循環(huán)水處理系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，在正常工作狀態(tài)下，用于去除循環(huán)水中的氨氮、亞硝酸鹽、有機物，避免氨氮、亞硝酸鹽等污染物對養(yǎng)殖魚種的毒害(王文福等，2018)。生物濾器中的填料提供微生物附著生長場所，并能夠保證廢水與載體上的生物膜廣泛而頻繁地接觸，提高系統(tǒng)傳質(zhì)效率，保持和提高生物膜的活性。本設(shè)計采用“固定床＋移動床”串聯(lián)的方式，二者均含有曝氣裝置。生物濾器清洗水經(jīng)排污口排出，匯流入養(yǎng)殖尾水總管。

(7)CO2脫氣塔。在高密度循環(huán)水養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖魚種呼吸作用以及生物濾器硝化反應(yīng)會產(chǎn)生大量CO2，隨著時間推移甚至?xí)_到周圍環(huán)境飽和濃度的20～100倍，因堿度的消耗造成魚池水體pH的快速下降，對養(yǎng)殖魚種的生長及循環(huán)水處理系統(tǒng)的正常運行造成非常大的困難(周游等，2015)。CO2脫氣塔采用強制吹脫的原理去除CO2，通過不斷逆流鼓入新鮮空氣，利用亨利定律不斷帶出循環(huán)水中溶解的CO2。

(8)溫控系統(tǒng)。不同養(yǎng)殖魚種均有其適養(yǎng)的溫度范圍，超過適養(yǎng)溫度范圍將導(dǎo)致魚食欲下降、生長減緩，嚴重偏離適養(yǎng)水溫將導(dǎo)致養(yǎng)殖魚種成批死亡。本設(shè)計選用空氣源熱泵＋板式換熱器維持養(yǎng)殖水體溫度，以保證在高溫和寒冷天氣下大黃魚仍處在適宜的溫度范圍。

(9)增氧系統(tǒng)。在高密度工業(yè)化養(yǎng)殖過程中，氧氣與水是魚最重要的生存因素，缺氧將造成全部養(yǎng)殖對象快速死亡，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。循環(huán)水處理系統(tǒng)采用純氧增氧工藝，常規(guī)增氧采用“制氧機＋增氧錐”的方式，應(yīng)急增氧采用“液氧杜瓦罐＋汽化器＋氧氣分配箱＋池內(nèi)超微泡陶瓷曝氣器”的方式。

2.其他輔助系統(tǒng)

(1)養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)。養(yǎng)殖尾水主要來源于養(yǎng)殖過程中循環(huán)水處理系統(tǒng)中的豎流沉淀器、微濾機、蛋白質(zhì)分離器、生物濾器、脫氣塔等設(shè)備排污與清洗水，以及養(yǎng)殖池的日常排污水，污染物種類多，主要是殘餌、魚糞、硝酸鹽、氨氮、有機物等(宋奔奔等，2008)。

尾水處理系統(tǒng)工藝主要構(gòu)成包括轉(zhuǎn)鼓微濾機、蛋白質(zhì)分離器、曝氣生物濾池、反硝化濾池、深度脫氮池、活性炭濾池、板框壓濾機等，通過處理達到回用水質(zhì)要求，回用率可達90%以上。

(2)照明系統(tǒng)。LED燈具有節(jié)能環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、發(fā)熱低、智能可調(diào)控等優(yōu)點，在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢日益凸顯(宋昌斌等，2018)。本設(shè)計采用LED燈，安裝于水上(防護等級IP65)，配備0～100%緩變調(diào)光驅(qū)動器、解碼驅(qū)動器和控制器，可實現(xiàn)光源的漸亮、漸滅，消除光對魚的脅迫，減少在光源變化過程中養(yǎng)殖魚種的應(yīng)激反應(yīng)?？刂破骺墒謩?、自動緩慢漸變調(diào)控?zé)艟叩墓鈴姟⒐庵芷凇?/p>

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于全方位監(jiān)測試驗平臺，攝像頭覆蓋養(yǎng)殖池、循環(huán)水處理設(shè)備、尾水處理設(shè)備等區(qū)域以及進出口通道區(qū)域。圖像接入集控室，可在顯示屏上實時查看。

(4)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)測是高密度循環(huán)水養(yǎng)殖的重要組成部分，通過監(jiān)測各項關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)，及時掌握養(yǎng)殖對象的生存環(huán)境，以便控制系統(tǒng)及時、有效調(diào)控相關(guān)設(shè)備。主要監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、pH、溶氧、鹽度、濁度等參數(shù)。

三、小結(jié)

本文針對人們對優(yōu)質(zhì)高端蛋白質(zhì)需求持續(xù)增長而產(chǎn)量不足的現(xiàn)狀，結(jié)合大黃魚傳統(tǒng)養(yǎng)殖技術(shù)的缺陷，研發(fā)出一套適宜高密度養(yǎng)殖的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，搭配循環(huán)水處理設(shè)備、養(yǎng)殖尾水處理設(shè)備，以及其他輔助系統(tǒng)，為實現(xiàn)海水魚的工業(yè)化養(yǎng)殖以及尾水回收利用起到一定的示范作用。同時，結(jié)合影響大黃魚生長的關(guān)鍵環(huán)境要素的分析，為其創(chuàng)造適宜的生存條件，實現(xiàn)其快速生長的目的，以期為國內(nèi)養(yǎng)殖企業(yè)發(fā)展陸基工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖或深遠海養(yǎng)殖工船閉式循環(huán)水養(yǎng)殖提供一定的參考。