蔡青霖　韓慶富

摘 要 與傳統(tǒng)的流水、池塘養(yǎng)殖模式相比，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術主要優(yōu)點是節(jié)約水資源、省時省力、高效管理、占用土地面積小等，符合當前我國提倡的節(jié)能減排、轉變經濟發(fā)展模式的策略需求。綜合分析了國內外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術快速發(fā)展基本情況和主要問題，探討了這一技術模式的發(fā)展趨勢和亟需解決的重大問題，為今后我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術的可持續(xù)發(fā)展提供一定的思路與對策。

關鍵詞 工廠化循環(huán)水；技術現狀；技術問題；展望

中圖分類號：S96 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.17.058

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖新模式是以養(yǎng)殖廢水在水處理設備凈化后再利用為核心技術特點，并交叉結合普通動物學、機械工程學、環(huán)境工程學、計算機控制技術原理、土木工程學等多學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)殖技術發(fā)展現狀

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60年代，歐洲發(fā)達國家的魚類集約化養(yǎng)殖，核心技術基礎來源于內陸海洋水族館、智能化水族箱和流水高密度養(yǎng)殖模式等[1]，經歷準工廠化、工廠化和工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖3個階段，現已基本實現機械化、自動化、信息化和現代漁業(yè)科學管理智能化。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發(fā)展重點[2-4]。

歐洲循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）構建技術早期主要發(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通常是室內封閉系統(tǒng)，用于非洲鯰魚和鰻魚的生產。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技術的發(fā)展和重視程度的遞增，循環(huán)水養(yǎng)殖的水產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)水技術尤為先進，循環(huán)水系統(tǒng)主要應用于鮭魚養(yǎng)殖生產[5]。從1985到2000年，歐洲一個典型的農場生產鮭魚苗的能力（以生物量核算）平均增長了約20倍。蘇格蘭的生產力從1996年到2006年翻了一番，現在每年可生產超過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量占鮭魚總產量的比例高達85%以上[7]。

歐洲發(fā)達國家采用封閉循環(huán)水養(yǎng)殖技術開展苗種培育和養(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)設施集成和產業(yè)化應用于一體的完整產業(yè)鏈。

1.2? 挪威的大西洋鮭工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術世界領先

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，是北歐（丹麥、法羅群島、芬蘭、冰島和瑞典）唯一保持水產養(yǎng)殖快速發(fā)展的國家。并建立了大西洋鮭種質保護、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)殖技術和裝備體系（見圖1）。20世紀60年代后期，由于自然資源的嚴重衰退，政府開始支持鮭魚養(yǎng)殖，80年代，鮭魚養(yǎng)殖產業(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，提高了水產養(yǎng)殖生產力、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合網箱養(yǎng)殖的陸海接力模式被認為是當今世界海水工廠化養(yǎng)殖最成功的典范之一[8-9]。

養(yǎng)殖品種鮭鱒魚是智利水產業(yè)比較主要的品種，其高效養(yǎng)殖產量僅次于挪威，是全球第二大鮭鱒魚類工廠化養(yǎng)殖的產量國。水產養(yǎng)殖品種一般有大西洋鮭、虹鱒和銀鮭。2009年，三大主養(yǎng)品種產量達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)達國家較為先進的養(yǎng)殖技術，控制技術智能化，養(yǎng)殖企業(yè)的水處理設備配套技術先進，一般擁有從繁育場、培育場、海水網箱養(yǎng)殖場到加工出口的一條完整養(yǎng)殖生產過程[8]。

1.3? 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術裝備研究現狀

國外依托發(fā)達的工業(yè)基礎，養(yǎng)殖關鍵設施裝備性能優(yōu)越。在養(yǎng)殖系統(tǒng)關鍵設施設備制造方面，挪威的AKVA公司生產包括魚類繁育、養(yǎng)殖、采捕、加工等全過程的設施裝備，以及海上養(yǎng)殖工船等大型設備；冰島的VAKI公司主要生產吸魚泵、分魚機、投餌機等養(yǎng)殖管理配套設備；瑞典的HYDROTECH公司，以生產高品質的微濾機為主。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，都是處于國際領先的投喂設施裝備。

2? 國內工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術發(fā)展現狀

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

計算流體力學模擬技術用于水產養(yǎng)殖系統(tǒng)設計。計算流體力學模擬技術最早應用于航空航天研究領域，近年來逐漸在養(yǎng)殖系統(tǒng)設計中得到應用，使水產養(yǎng)殖池、養(yǎng)殖設備的設計不再單純依靠經驗進行。養(yǎng)殖池的設計要求能在池內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固體污物[10]。國外利用計算流體動力學（CFD）技術對養(yǎng)殖設備的研究已有較長歷史，對于養(yǎng)殖池內的流場特征與集污性能等方面的研究具有很高的水平。國內在這方面的研究起步較晚，但已取得顯著成效，國內學者傾向于研究循環(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)殖槽的結構參數。李源等[13]利用計算流體力學數學模型，研究了不同結構、操作參數下反應器液體流場、液體循環(huán)流量、氣含率的變化規(guī)律，查明了導流筒直徑、導流筒高度與反應器的內徑比的最優(yōu)值。李建平等[14]對旋流分離裝置內部的流動特性進行數值模擬，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、大數據分析等技術的發(fā)展和在水產養(yǎng)殖中的研究應用，促進了智能投喂、生物量識別技術的快速發(fā)展。有實驗研究中，利用圖像識別計數養(yǎng)殖池中對蝦存有量，為養(yǎng)殖投喂管理、投喂策略的科學制定提供了基礎[15]。趙建等[16]利用計算機在線視覺監(jiān)測技術來分別實現實驗魚群局部異常行為的檢測識別，檢測識別準確率分別可達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果影響的方法，基于這些數據，確定了基于計算機視覺的攝食活動指數（CVFAI），用測量任意給定持續(xù)時間內魚的攝食活動[17]。有研究者開發(fā)了一種準確率很高（準確率為97.89%）的基于自適應神經網絡的模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），用于水產養(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? 共性技術與設備研發(fā)帶動循環(huán)水養(yǎng)殖產業(yè)技術提升

在生物凈化技術方面，對生物反應器和生物膜載體填料進行優(yōu)化設計，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、電化學等水體消毒滅菌和凈化技術的設備研究。開展了臭氧對細菌微生物和懸浮顆粒物作用機理和效果研究，發(fā)現適宜濃度的臭氧不僅能夠很好地控制細菌，而且可降低水體濁度[26-27]；開發(fā)了臭氧-紫外線反應系統(tǒng)，殺菌率達到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；采用電化學方式處理廢水，電流密度上升可加快污染物去除；設計了脫二氧化碳、管式曝氣、葉輪氣浮等裝置，可有效凈化水質。

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，已經擁有了成熟的規(guī)?；S化養(yǎng)殖技術與裝備體系。此外，在微藻、貝類及刺參等水產品工廠化養(yǎng)殖方面也開展了大量研究和產業(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)的管道光生物反應器，并用于雨生紅球藻的規(guī)?；a，建立成套的紅球藻提取蝦青素生產工藝體系。華東理工大學采用“異養(yǎng)-稀釋-光誘導”連續(xù)培養(yǎng)工藝實現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)細胞密度低、生長速率和產率低、藻細胞采收成本高、產品質量難以保障等諸多問題。貝類、刺參等重要水產經濟動物的工廠化育苗技術發(fā)展成熟，且均具有相當規(guī)模。然而，當前貝類、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)殖產業(yè)的國際問題分析

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

根據相關的研究報道[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生的潛在環(huán)境和能源影響。

為了實現經濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，必須在用水、廢物排放、能源消耗和生產效率之間找到最佳的搭配方案。開展工廠化養(yǎng)殖設施節(jié)能減排技術相關研究，研發(fā)工廠化養(yǎng)殖綠色高效的新技術、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重病毒性疾病。受該病影響，智利大西洋鮭魚產量在2009—2010年連續(xù)出現大幅減產。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菌引起的。被感染的虹鱒脾臟、肝臟和腎臟會出現壞死，停止進食并表現出異常的游泳行為，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)蝦產業(yè)健康發(fā)展的重要障礙[37]。

4? 展望

高效、智能、精準養(yǎng)殖是我國水產養(yǎng)殖業(yè)未來綠色發(fā)展的重要方向，將突破水產養(yǎng)殖物聯(lián)網、智能控制、大數據技術、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，從而構建陸基工廠化“無人”智能漁場。隨著水質監(jiān)測傳感器國產化、信息數據處理智能化和物聯(lián)網平臺的快速發(fā)展，可能實現將智能化技術成果應用到工廠化養(yǎng)殖模式當中[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)殖生產過程中水環(huán)境變化及調控機理等的基礎上，才能集成物聯(lián)網大數據采集與分析，構建養(yǎng)殖對象健康監(jiān)測與評估、養(yǎng)殖過程管理、水質監(jiān)控、養(yǎng)殖設備操控等為一體的養(yǎng)殖專家管理系統(tǒng)，實現智慧漁業(yè)的目標。

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（責任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2023-03-24

作者簡介：蔡青霖（1985—），男，廣西北海人，碩士，從事水產養(yǎng)殖工程學、養(yǎng)殖水環(huán)境調控及魚類行為學研究。E-mail：2743435563@qq.com。