蔡青霖，韓慶富

（1.蒼梧縣水產(chǎn)技術(shù)推廣站，廣西梧州 543000；2.桂平市水產(chǎn)技術(shù)推廣站，廣西貴港 537000）

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖新模式是以養(yǎng)殖廢水在水處理設(shè)備凈化后再利用為核心技術(shù)特點，并交叉結(jié)合普通動物學(xué)、機械工程學(xué)、環(huán)境工程學(xué)、計算機控制技術(shù)原理、土木工程學(xué)等多學(xué)科綜合衍生的一種新的集約化養(yǎng)殖模式。

1 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的發(fā)展概況

國外的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式起源于20 世紀(jì)60年代，歐洲發(fā)達(dá)國家的魚類集約化養(yǎng)殖，核心技術(shù)基礎(chǔ)來源于內(nèi)陸海洋水族館、智能化水族箱和流水高密度養(yǎng)殖模式等[1]，經(jīng)歷準(zhǔn)工廠化、工廠化和工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖3 個階段，現(xiàn)已基本實現(xiàn)機械化、自動化、信息化和現(xiàn)代漁業(yè)科學(xué)管理智能化。隨著歐盟水框架指令的頒布，循環(huán)水養(yǎng)殖已成為歐美一些國家的國策和水產(chǎn)發(fā)展重點[2-4]。

歐洲循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）構(gòu)建技術(shù)早期主要發(fā)起于荷蘭和丹麥，以養(yǎng)殖非洲鰻魚、鱒魚和鯰魚等淡水養(yǎng)殖種類為主。荷蘭RAS 通常是室內(nèi)封閉系統(tǒng)，用于非洲鯰魚和鰻魚的生產(chǎn)。丹麥典型RAS 為戶外的半封閉式系統(tǒng)，用于養(yǎng)殖鱒魚。隨著RAS 技術(shù)的發(fā)展和重視程度的遞增，循環(huán)水養(yǎng)殖的水產(chǎn)物種多樣性顯著性增多，主要養(yǎng)殖品種包括大西洋鮭、羅非魚、鰻魚、鱒魚、大菱鲆、非洲鯰魚、比目魚和蝦等十幾個品種[5-6]。

截至2014 年，美國和歐洲共建成360 家RAS 養(yǎng)殖基地，其中挪威和加拿大循環(huán)水技術(shù)尤為先進，循環(huán)水系統(tǒng)主要應(yīng)用于鮭魚養(yǎng)殖生產(chǎn)[5]。從1985 到2000年，歐洲一個典型的農(nóng)場生產(chǎn)鮭魚苗的能力（以生物量核算）平均增長了約20倍。蘇格蘭的生產(chǎn)力從1996年到2006 年翻了一番，現(xiàn)在每年可生產(chǎn)超過15 萬尾鮭魚苗。在歐洲西北部及加拿大、智利等國家，大型國際水產(chǎn)養(yǎng)殖公司不斷收購較小的公司，形成專業(yè)化運作的集團企業(yè)。比如，蘇格蘭、挪威和荷蘭公司的產(chǎn)量占鮭魚總產(chǎn)量的比例高達(dá)85%以上[7]。

歐洲發(fā)達(dá)國家采用封閉循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)開展苗種培育和養(yǎng)殖的企業(yè)日益增多，如英國Bluewater Flatfish Farm，法國France Turbot SAS，德國Ecomares Marifarm GmbH 等，并朝著專用化、大型化方向發(fā)展，形成養(yǎng)殖裝備制造、系統(tǒng)設(shè)施集成和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

1.2 挪威的大西洋鮭工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)世界領(lǐng)先

挪威擁有全球大西洋鮭工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖最先進的技術(shù)，是北歐（丹麥、法羅群島、芬蘭、冰島和瑞典）唯一保持水產(chǎn)養(yǎng)殖快速發(fā)展的國家。并建立了大西洋鮭種質(zhì)保護、良種選育、育苗、大規(guī)格苗種養(yǎng)成的全過程工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)和裝備體系（見圖1）。20世紀(jì)60年代后期，由于自然資源的嚴(yán)重衰退，政府開始支持鮭魚養(yǎng)殖，80年代，鮭魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)開啟大規(guī)模商業(yè)化運作模式。由于擴大養(yǎng)殖區(qū)域，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)力、飼料及管理水平，挪威大西洋鮭養(yǎng)殖業(yè)取得顯著成效。大西洋鮭產(chǎn)量從1970 年的50 t 增長到2015年的130萬t，占全球大西洋鮭總量的60%。挪威大西洋鮭工廠化育苗結(jié)合網(wǎng)箱養(yǎng)殖的陸海接力模式被認(rèn)為是當(dāng)今世界海水工廠化養(yǎng)殖最成功的典范之一[8-9]。

圖1 挪威工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)典型工藝流程圖（引自挪威AKVA公司官網(wǎng)）

養(yǎng)殖品種鮭鱒魚是智利水產(chǎn)業(yè)比較主要的品種，其高效養(yǎng)殖產(chǎn)量僅次于挪威，是全球第二大鮭鱒魚類工廠化養(yǎng)殖的產(chǎn)量國。水產(chǎn)養(yǎng)殖品種一般有大西洋鮭、虹鱒和銀鮭。2009 年，三大主養(yǎng)品種產(chǎn)量達(dá)60.5萬t。智利三文魚養(yǎng)殖模式大部分采取挪威等歐洲發(fā)達(dá)國家較為先進的養(yǎng)殖技術(shù)，控制技術(shù)智能化，養(yǎng)殖企業(yè)的水處理設(shè)備配套技術(shù)先進，一般擁有從繁育場、培育場、海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖場到加工出口的一條完整養(yǎng)殖生產(chǎn)過程[8]。

1.3 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

國外依托發(fā)達(dá)的工業(yè)基礎(chǔ)，養(yǎng)殖關(guān)鍵設(shè)施裝備性能優(yōu)越。在養(yǎng)殖系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備制造方面，挪威的AKVA 公司生產(chǎn)包括魚類繁育、養(yǎng)殖、采捕、加工等全過程的設(shè)施裝備，以及海上養(yǎng)殖工船等大型設(shè)備；冰島的VAKI 公司主要生產(chǎn)吸魚泵、分魚機、投餌機等養(yǎng)殖管理配套設(shè)備；瑞典的HYDROTECH 公司，以生產(chǎn)高品質(zhì)的微濾機為主。挪威AKVA 公司研發(fā)的Fishtalk-control 智能化投喂管理系統(tǒng)如圖2 所示。此外，還有美國ETI 公司研發(fā)的Feedmaster、芬蘭Arvo-Tec 公司研發(fā)的投飼機器人等，都是處于國際領(lǐng)先的投喂設(shè)施裝備。

圖2 AKVA公司生產(chǎn)的海上氣力投餌設(shè)備和養(yǎng)魚池

2 國內(nèi)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 循環(huán)水養(yǎng)殖模式的水體動力學(xué)初步發(fā)展

計算流體力學(xué)模擬技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計。計算流體力學(xué)模擬技術(shù)最早應(yīng)用于航空航天研究領(lǐng)域，近年來逐漸在養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計中得到應(yīng)用，使水產(chǎn)養(yǎng)殖池、養(yǎng)殖設(shè)備的設(shè)計不再單純依靠經(jīng)驗進行。養(yǎng)殖池的設(shè)計要求能在池內(nèi)建立起具有足夠水流速度的理想流動模式，以便為魚類提供最佳游泳速度的同時及時清除池內(nèi)固體污物[10]。國外利用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)對養(yǎng)殖設(shè)備的研究已有較長歷史，對于養(yǎng)殖池內(nèi)的流場特征與集污性能等方面的研究具有很高的水平。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，但已取得顯著成效，國內(nèi)學(xué)者傾向于研究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中各因素對于污水處理裝置性能的影響，最近幾年對養(yǎng)殖池集污效果的研究也逐漸增多。

利用計算流體動力學(xué)模擬和實驗驗證的方法研究了3 種微孔曝氣管道在矩形池中的污物收集和曝氣性能，查明采用四角式曝氣管進行污物收集的最優(yōu)曝氣條件，建立了矩形養(yǎng)殖池的高效集污方案[11]。劉飛等[12]利用CFD 模擬方法對不同設(shè)定條件下含斜坡槽體中的水流對顆粒狀污染物的排放情況進行定量分析，優(yōu)化了池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)。李源等[13]利用計算流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型，研究了不同結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)下反應(yīng)器液體流場、液體循環(huán)流量、氣含率的變化規(guī)律，查明了導(dǎo)流筒直徑、導(dǎo)流筒高度與反應(yīng)器的內(nèi)徑比的最優(yōu)值。李建平等[14]對旋流分離裝置內(nèi)部的流動特性進行數(shù)值模擬，查明了不同入口流量、不同入口濃度對固液分離性能的影響。

2.2 計算機視覺技術(shù)引入生物量識別和飼料投喂策略的研究

機器視覺、圖像識別、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展和在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的研究應(yīng)用，促進了智能投喂、生物量識別技術(shù)的快速發(fā)展。有實驗研究中，利用圖像識別計數(shù)養(yǎng)殖池中對蝦存有量，為養(yǎng)殖投喂管理、投喂策略的科學(xué)制定提供了基礎(chǔ)[15]。趙建等[16]利用計算機在線視覺監(jiān)測技術(shù)來分別實現(xiàn)實驗魚群局部異常行為的檢測識別，檢測識別準(zhǔn)確率分別可達(dá)98.91%、91.67%和89.89%。另外，有研究提出了一種濾除水面反射對先前結(jié)果影響的方法，基于這些數(shù)據(jù)，確定了基于計算機視覺的攝食活動指數(shù)（CVFAI），用測量任意給定持續(xù)時間內(nèi)魚的攝食活動[17]。有研究者開發(fā)了一種準(zhǔn)確率很高（準(zhǔn)確率為97.89%）的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料決策，可基本模擬魚類的實際食物搜尋行為[18]。

2.3 共性技術(shù)與設(shè)備研發(fā)帶動循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)提升

在生物凈化技術(shù)方面，對生物反應(yīng)器和生物膜載體填料進行優(yōu)化設(shè)計，提高去除氨氮和硝酸鹽氮的效果[19-20]；史明明等[21]對低溫工況下不同啟動方式下流化床生物濾器效果進行了比較研究，優(yōu)化了適宜低溫地區(qū)的生物膜掛膜方法；張海耿等[22]提出濾器床層下部是硝化作用發(fā)生的主要部位；于冬冬等[23]研制出了可邊工作邊反沖洗的氣提式砂濾器；李亞峰等[24]比較研究了不同生物濾料污水處理效果，自然掛膜比接種掛膜更有利于生物濾器運行穩(wěn)定；侯志偉等[25]開展了水力停留時間（HRT）對固相反硝化處理效果的研究等。

在凈水裝備方面，開展了臭氧、紫外線、電化學(xué)等水體消毒滅菌和凈化技術(shù)的設(shè)備研究。開展了臭氧對細(xì)菌微生物和懸浮顆粒物作用機理和效果研究，發(fā)現(xiàn)適宜濃度的臭氧不僅能夠很好地控制細(xì)菌，而且可降低水體濁度[26-27]；開發(fā)了臭氧-紫外線反應(yīng)系統(tǒng)，殺菌率達(dá)到97%。從篩縫規(guī)格、安裝角度及水處理量等方面，開展了弧形篩對顆粒物的去除效果研究[28]；研制了多向流重力沉淀裝置，能較高效地去除懸浮顆粒物[29]；紫外線殺菌消毒裝置布設(shè)位置，對養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境及魚類的生長均有影響[30]；臭氧優(yōu)先降低UV254 和水色，顯著提高水的可生化性；采用電化學(xué)方式處理廢水，電流密度上升可加快污染物去除；設(shè)計了脫二氧化碳、管式曝氣、葉輪氣浮等裝置，可有效凈化水質(zhì)。

2.4 建立魚蝦藻貝參等多元化的循環(huán)水養(yǎng)殖模式

如前所述，我國在魚、蝦工廠化養(yǎng)殖方面，已經(jīng)擁有了成熟的規(guī)?；S化養(yǎng)殖技術(shù)與裝備體系。此外，在微藻、貝類及刺參等水產(chǎn)品工廠化養(yǎng)殖方面也開展了大量研究和產(chǎn)業(yè)化實踐工作，尤其在單胞藻培養(yǎng)、貝類、刺參等育苗方面建立了成熟的工廠化養(yǎng)殖和繁育技術(shù)體系。中科院海洋所研發(fā)了一種封閉式微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的管道光生物反應(yīng)器，并用于雨生紅球藻的規(guī)?；a(chǎn)，建立成套的紅球藻提取蝦青素生產(chǎn)工藝體系。華東理工大學(xué)采用“異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)”連續(xù)培養(yǎng)工藝實現(xiàn)小球藻工廠化高密度培養(yǎng)，解決了傳統(tǒng)光自養(yǎng)培養(yǎng)細(xì)胞密度低、生長速率和產(chǎn)率低、藻細(xì)胞采收成本高、產(chǎn)品質(zhì)量難以保障等諸多問題。貝類、刺參等重要水產(chǎn)經(jīng)濟動物的工廠化育苗技術(shù)發(fā)展成熟，且均具有相當(dāng)規(guī)模。然而，當(dāng)前貝類、刺參等生物的苗種培育仍主要采用換水式的工廠化養(yǎng)殖模式進行，設(shè)施化、自動化程度低，在養(yǎng)殖模式上具有很大的提升空間。

3 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的國際問題分析

3.1 建設(shè)成本和能耗偏高是循環(huán)水養(yǎng)殖模式存在的主要問題

根據(jù)相關(guān)的研究報道[31-33]，工廠化養(yǎng)殖在能源消耗（電能和燃料）及建造成本方面高于其他傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，是工廠化養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。工廠化養(yǎng)殖通常采用集約化的生產(chǎn)系統(tǒng)，減少了水和土地的使用，然而能耗高的缺點會增加運營成本，同時增加使用化石燃料所產(chǎn)生的潛在環(huán)境和能源影響。

為了實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，必須在用水、廢物排放、能源消耗和生產(chǎn)效率之間找到最佳的搭配方案。開展工廠化養(yǎng)殖設(shè)施節(jié)能減排技術(shù)相關(guān)研究，研發(fā)工廠化養(yǎng)殖綠色高效的新技術(shù)、新裝備，將是未來工廠化養(yǎng)殖發(fā)展中需要重點解決的產(chǎn)業(yè)問題。

3.2 病害問題制約工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式的健康發(fā)展

各種病害問題是影響工廠化養(yǎng)殖健康發(fā)展的重要因素之一。鮭魚傳染性貧血（ISA）是由鮭魚傳染性貧血病毒引起的嚴(yán)重病毒性疾病。受該病影響，智利大西洋鮭魚產(chǎn)量在2009—2010 年連續(xù)出現(xiàn)大幅減產(chǎn)。而嗜冷黃桿菌引起的虹鱒魚苗綜合征（RTFS）是全世界鮭魚養(yǎng)殖業(yè)面臨的另一重大疾病問題[34]。這種疾病是由一種克氏桿菌的革蘭氏陰性細(xì)菌引起的。被感染的虹鱒脾臟、肝臟和腎臟會出現(xiàn)壞死，停止進食并表現(xiàn)出異常的游泳行為，該疾病對鮭魚苗的致死率很高，每年對鮭魚苗種生產(chǎn)造成巨大損失[35-36]。對蝦工廠化養(yǎng)殖面臨的病害問題比魚類更為嚴(yán)重。常見的對蝦疾病有幾十種之多，如白斑?。╓SD）、黃頭?。╕HD）等困擾著工廠化養(yǎng)蝦行業(yè)，成為養(yǎng)蝦產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要障礙[37]。

4 展望

高效、智能、精準(zhǔn)養(yǎng)殖是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)未來綠色發(fā)展的重要方向，將突破水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、大數(shù)據(jù)技術(shù)、機器人與智能裝備的研究與研制，與基于養(yǎng)殖生物特性的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相整合，從而構(gòu)建陸基工廠化“無人”智能漁場。隨著水質(zhì)監(jiān)測傳感器國產(chǎn)化、信息數(shù)據(jù)處理智能化和物聯(lián)網(wǎng)平臺的快速發(fā)展，可能實現(xiàn)將智能化技術(shù)成果應(yīng)用到工廠化養(yǎng)殖模式當(dāng)中[38]。然而必須明確的是，只有在充分研究和明晰養(yǎng)殖對象生理狀況、行為特征及其變化規(guī)律、生長曲線及能量收支規(guī)律、養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中水環(huán)境變化及調(diào)控機理等的基礎(chǔ)上，才能集成物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集與分析，構(gòu)建養(yǎng)殖對象健康監(jiān)測與評估、養(yǎng)殖過程管理、水質(zhì)監(jiān)控、養(yǎng)殖設(shè)備操控等為一體的養(yǎng)殖專家管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧漁業(yè)的目標(biāo)。