關(guān)鍵詞：循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)；微細顆粒物；紅鰭東方鲀；半滑舌鰨

隨著我國人民生活水平的不斷提高和食物結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，作為優(yōu)質(zhì)動物蛋白重要來源的水產(chǎn)品消費需求呈持續(xù)增長趨勢。2022年，我國海水工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量為389583t，淡水工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量為403494t，分別比2021年增加9.51%和24.47%，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對于保障我國水產(chǎn)品穩(wěn)定供給發(fā)揮了越來越重要的作用。高密度的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，殘餌和糞便構(gòu)成了水中懸浮顆粒物的主體。水中懸浮顆粒物還包括懸浮在水中的無機顆粒物、有機顆粒物、無機一有機復合物及微生物絮團等固態(tài)顆粒。這些固態(tài)顆粒根據(jù)粒徑大小可劃分為微細顆粒（lt;30um）、小顆粒（30-100um）和易沉降顆粒（gt;100um）。養(yǎng)殖水中易沉降顆粒通常采用沉淀或篩濾的方法去除，小顆?？刹捎媒橘|(zhì)過濾的方法去除，而采用常規(guī)的水處理工藝較難以實現(xiàn)對粒徑極小的微細顆粒物的有效控制和去除。微細顆粒物在水體中停留時間長，不僅消耗水中溶解氧，而且更容易增加水中可溶性氮磷的污染負荷。此外，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水外排時，水中大量的微細顆粒物可能會造成受納水體的水環(huán)境污染。為了實現(xiàn)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定，節(jié)約水資源，保護水域生態(tài)環(huán)境，有必要明晰高密度工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的微細顆粒物的賦存特征，以確定水處理工藝對水中微細顆粒物的去除效果。

紅鰭東方鲀和半滑舌鰨均是我國北方沿海地區(qū)經(jīng)濟價值較高的海水養(yǎng)殖品種，近年來的工廠化養(yǎng)殖已初具規(guī)模，但不同養(yǎng)殖品種對工廠化循環(huán)水系統(tǒng)中微細顆粒物的賦存特征的影響尚不明晰。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微細顆粒物含量受到養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)成、運行方式、養(yǎng)殖品種、個體大小、飼料投喂等因素的影響。因此，本研究以紅鰭東方鲀和半滑舌鰨工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的微細顆粒物為研究對象，考察了工廠化循環(huán)水系統(tǒng)中微細顆粒物的粒徑大小、存在濃度和組成成分，研究結(jié)果可為紅鰭東方鲀和半滑舌鰨工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程的水質(zhì)調(diào)控提供基礎數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1實驗系統(tǒng)

本實驗采用的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)如圖1所示。紅鰭東方鲀和半滑舌鰨的養(yǎng)殖池均為圓柱形，每個養(yǎng)殖池中海水的體積為22m3，養(yǎng)殖池深度1m，每套循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)均包含9個養(yǎng)殖池，全部養(yǎng)殖池中水的總體積近200m3，水處理裝置及管道中海水的總量約為200m3。在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)運行過程中，養(yǎng)殖池中的水從池底部流出，進入排水管，經(jīng)弧形篩（孔徑0.50mm）過濾后進入儲水池，再通過水泵輸送至泡沫分離器，然后自流人以彈性填料為載體的生物濾池中，生物濾池出水經(jīng)曝氣和紫外消毒后，流回養(yǎng)殖池中。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中水的流速控制為200m3·h-1，每日向循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中補充的新鮮海水量約占水體總量的5%。本實驗所有循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)均處于同一生產(chǎn)車間內(nèi)，實驗過程中控制水溫和光照均相同。

1.2實驗方法

實驗用紅鰭東方鲀和半滑舌鰨的平均體質(zhì)量分別為（883+28）g和（952+36）g，實驗系統(tǒng)中兩種實驗用魚的養(yǎng)殖密度均設定為15.0kg·m-3。投喂紅鰭東方鲀和半滑舌鰨的顆粒飼料成分相同，含50%粗蛋白、9%粗脂肪、16%粗灰分、2%粗纖維、2.5%賴氨酸和10%水分。養(yǎng)殖過程中每日15時至16時投喂顆粒飼料1次，日投喂量為魚體質(zhì)量的0.7%。采用YSI溶氧儀（Profe ssional Plus Model 550A Yellow Springs，美國）測定養(yǎng)殖池水的鹽度、水溫和溶解氧，pH測定使用pH計（Model PB-10．Sartorius．德國），化學需氧量、氨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮和活性磷酸鹽的測定方法參照《海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分：海水分析》（GB 17378.4-2007），實驗過程中養(yǎng)殖池內(nèi)相關(guān)水質(zhì)指標見表1。

水中微細顆粒物的采樣設在養(yǎng)殖池的出水和進水處，采用濁度儀（SG2-200AS）測定水樣濁度，使用激光衍射粒度分析儀（Mastersizer 3000）測定水樣中微細顆粒物的粒徑以及各粒徑所占百分比，水中微細顆粒物的粒徑是特定采樣時間點多次采集測定結(jié)果的平均值，每種魚類的實驗結(jié)果以9組平行的平均值表示。同時，待測水樣經(jīng)GF/C玻璃纖維濾膜（0.45um）過濾后，置于60℃恒溫干燥箱中干燥48h后稱質(zhì)量，確定水樣中微細顆粒物的質(zhì)量。將干燥后的濾膜放人450℃馬弗爐中灼燒5h，確定微細顆粒物中有機物和無機物的含量。

2結(jié)果與分析

2.1水中微細顆粒物的粒徑分布

圖2為紅鰭東方鲀和半滑舌鰨的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微細顆粒物的粒徑分布。紅鰭東方鮑養(yǎng)殖池出水中（圖2a）的微細顆粒物的粒徑主要集中在53、61、71、82、95、110、128、148、171nm和198nm，它們所占的百分比分別為1.3%、25.2%、13.2%、15.0%、9.5%、7.1%、4.1%、12.0%、9.6%和3.0%，可以看出紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池水中粒徑60nm的微細顆粒物最多，其次是粒徑在70-110nm和150-170nm的微細顆粒物。紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水中（圖2b）微細顆粒物的粒徑主要是61、71、82、95nm和110nm，它們所占的比例分別為1.7%、4.0%、7.7%、31.0%和55.6%，可見經(jīng)過工廠化循環(huán)水處理設施處理后，粒徑低于70nm和粒徑大于110nm的微細顆粒物均被去除，但該工廠化循環(huán)水處理設施對水中粒徑介于80～95nm之間的微細顆粒物的去除效果不佳。

半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水中微細顆粒物的粒徑分布如圖2c所示，水中微細顆粒物的粒徑分別為95、128、148、171、198、308、356nm和413nm，它們所占的百分比分別為25.5%、6.3%、26.3%、15.5%、3.0%、4.0%、10.2%和6.2%。由圖2c可以看出，粒徑為95nm和148nm的微細顆粒物在半滑舌鰨養(yǎng)殖池水中占比均超過25%，其次是粒徑為171nm的微細顆粒物占比超過了15%，而且粒徑在300nm以上的微細顆粒物的占比超過20%。圖2d為半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水的微細顆粒物粒徑分布，水中微細顆粒物的粒徑為91、95nm和110nm，它們所占的比例分別為9.1%、28.9%和62.0%，可見經(jīng)循環(huán)水處理系統(tǒng)處理后，水中微細顆粒物的粒徑主要分布在90-110nm之間，粒徑大于110nm的微細顆粒物均被水處理系統(tǒng)去除。

2.2濁度

圖3為紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水濁度的變化。由圖3可知，在0時至15時，紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池出水的濁度相對穩(wěn)定，濁度維持在1-2NTU；但在16時濁度突然急劇上升至5.2NTU，然后在17時降至2.2NTU，此后隨著時間延長而緩慢降低，在24時降至1.4NTU。半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水的濁度在0時至24時的變化趨勢與紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池相同，在15時半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水的濁度達到4.1NTU后，出水的濁度也隨著時間延長而逐漸降低，在24時后半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水的濁度維持在1-1.5NTU。

圖4為紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水濁度的變化。在0時至24時紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水的濁度相對穩(wěn)定，整體維持在1NTU左右，僅在16時達到1.6NTU，在24時降至0.5 NTU。半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水的濁度在0時至24時的變化趨勢與紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池相同，在15時半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水的濁度達到1.8NTU后，進水的濁度隨著時間延長而逐漸降低，24時后進水的濁度維持在0.5-1.0NTU．可見經(jīng)循環(huán)水處理系統(tǒng)處理后，養(yǎng)殖池進水的濁度明顯低于出水的濁度。

2.3微細顆粒物濃度

圖5為紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水中微細顆粒物濃度變化。紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池出水的微細顆粒物濃度在0時至15時維持在20mg·L-1左右，在16時增長至32mg·L-1，隨后逐漸降低，在24時降至20mg·L-1左右。半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水的微細顆粒物濃度在0時至15時保持在18mg·L-1左右，在16時增長至26mg·L-1，然后逐漸降低至24時的18mg·L-1左右。

圖6為紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水中微細顆粒物濃度變化。紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水中微細顆粒物濃度在0時至15時穩(wěn)定在17-20mg·L-1，在16時達到22mg·L-1，隨后降至20mg·L-1以下，在24時紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水中微細顆粒物的濃度為18mg·L-1。半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水的微細顆粒物濃度在0時至12時維持在15-18mg·L-1，在13時增長至21mg·L-1，然后逐漸降低，在24時半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水的微細顆粒物濃度穩(wěn)定在15mg·L-1。

2.4水中微細顆粒物中有機物和無機物的比例

圖7為紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池出水微細顆粒物中有機物和無機物的比例，由圖可知紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池水中的微細顆粒物以有機物為主，在0時至24時有機物所占比例維持在80%以上，在17時至18時出水微細顆粒物中有機物的比例達到95%。圖8為半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水微細顆粒物中有機物和無機物的比例，可見其動態(tài)變化趨勢與紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池出水的變化趨勢相同，微細顆粒物中近80%以上為有機物，在17時半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水微細顆粒物中有機物的比例接近95%。

圖9為紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水中微細顆粒物的有機物和無機物的比例。由圖9可知，紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水中的微細顆粒物以有機物為主，在0時至24時間有機物所占比例相對穩(wěn)定在80%左右，無機物的占比在20%左右。圖10為半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水微細顆粒物中有機物和無機物的比例，可見其動態(tài)變化趨勢與紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池進水的變化趨勢相同，微細顆粒物中近80%以上為有機物，在12、16時和18時半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水微細顆粒物中有機物的比例接近95%，在3、13時和15時進水微細顆粒物中無機物的比例略高于25%。

3討論

3.1工廠化循環(huán)水養(yǎng)魚系統(tǒng)中懸浮顆粒物濃度變化

目前，魚類的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖已經(jīng)成為一種新型的高經(jīng)濟附加值魚類的養(yǎng)殖模式。魚類養(yǎng)殖在人工可控的條件下，其生長不受外界環(huán)境影響，可實現(xiàn)全年高密度養(yǎng)殖生產(chǎn)。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵是養(yǎng)殖水中污染物的快速高效去除，特別是養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的微細顆粒物的及時去除，可以有效減輕后續(xù)水處理的污染負荷。本研究中紅鰭東方鲀和半滑舌鰨工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)的循環(huán)水中的微細顆粒物的流動性較好，飼料投喂時間和水處理工藝影響其在水中的賦存特征。本研究發(fā)現(xiàn)，紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池水的濁度的日變化趨勢相同，即每日15時至16時投喂后，養(yǎng)殖池水的濁度明顯增高，然后濁度隨著水處理時間延長而逐漸降低，3-4h后達到穩(wěn)定。兩種養(yǎng)殖魚類循環(huán)水系統(tǒng)中微細顆粒物濃度的變化趨勢與濁度相同，即投喂剛剛結(jié)束時水中微細顆粒物濃度增大，且紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池中微細顆粒物濃度略高于半滑舌鰨養(yǎng)殖池中微細顆粒物濃度。方志山的研究認為養(yǎng)殖生物的攝食與排泄行為會影響?zhàn)B殖池表層水體的懸浮顆粒物濃度和有機懸浮顆粒物的濃度。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微細顆粒物的濃度一般在5-50mg·L-1之間，倪琦等報道了大菱鲆（Scophthalmu.s maximu.s）養(yǎng)殖系統(tǒng)中總懸浮顆粒物的濃度≤20mg·L-1，而養(yǎng)殖羅非魚時總懸浮顆粒物的濃度可達80mg·L-1。張運林等的研究表明水中懸浮顆粒物的動態(tài)變化與環(huán)境因子密切相關(guān)，水流等動力作用可使沉降到底層的懸浮顆粒物發(fā)生再懸浮。此外，通過對比紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖水中懸浮顆粒物的有機物和無機物的比例，可知有機物在懸浮顆粒物中的比例超過80%，且投喂后有機物的比例增加至95%，表明投喂后水中懸浮顆粒物的增多應是殘餌和糞便造成的。有研究報道魚池顆粒腐質(zhì)及細菌量占顆粒有機物的比例為59.55%，表明水體中顆粒腐質(zhì)及細菌量對顆粒有機物的動態(tài)變化有較大影響。Chen等的研究表明，高密度魚類養(yǎng)殖過程中，特別是養(yǎng)殖外排水中，魚類糞便易在水中分解為絮狀微細物，從而增加水中懸浮顆粒物的數(shù)量。

3.2水中微細顆粒物的粒徑分布

在紅鰭東方鲀工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖池水中懸浮顆粒物的粒徑在60-200nm之間。在半滑舌鰨養(yǎng)殖池中，懸浮顆粒物粒徑在95-400nm之間，且懸浮顆粒物粒徑在300nm以上的達到20%，可見半滑舌鰨養(yǎng)殖水中部分懸浮顆粒物粒徑遠大于紅鰭東方鲀水中的懸浮顆粒物，這可能與養(yǎng)殖種類的攝食方式和柄息習性有關(guān)。紅鲀東方鲀屬于鲀形目，體形為紡錘型，游動迅速，多集群于養(yǎng)殖池內(nèi)游動；半滑舌鰨屬于鰈形目，體形為平扁型，喜柄息于養(yǎng)殖池底，游動較少。在本研究中，雖然兩種養(yǎng)殖魚類的養(yǎng)殖系統(tǒng)、養(yǎng)殖密度、投喂量和投喂方式相同，但不同養(yǎng)殖品種魚的攝食過程和消化過程不同，且紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池內(nèi)水的湍流作用強于半滑舌鰨養(yǎng)殖池，使得紅鰭東方鲀養(yǎng)殖池水中懸浮顆粒物粒徑小于半滑舌鰨養(yǎng)殖池。同時，對比紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池出水口和進水口的懸浮顆粒物的粒徑分布，可以發(fā)現(xiàn)水中懸浮顆粒物經(jīng)過弧形篩、泡沫分離器和生物濾池處理后，粒徑在60-90nm之間和大于110nm的懸浮顆粒物基本被去除，循環(huán)回到養(yǎng)殖池的水中懸浮顆粒物的粒徑主要分布在90-110nm之間，表明工廠化循環(huán)水處理系統(tǒng)構(gòu)成對不同粒徑的懸浮顆粒物的去除效果不同。這與段姍杉等的研究結(jié)果一致，微細顆粒物的去除隨著粒徑的增大呈先下降后上升的趨勢。

在本研究實施的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理工藝中，能夠?qū)崿F(xiàn)水中顆粒物去除的設備包括弧形篩、泡沫分離器和生物濾池?；⌒魏Y主要濾除水中的大顆粒物，泡沫分離器主要去除可以黏附在氣泡表面的微小顆粒物，生物濾池中的濾料可以截留和吸附一部分粒徑較小的顆粒物。通過本研究可知，經(jīng)過工廠化循環(huán)水處理后，水中大部分的懸浮顆粒物可以被截留去除，但仍有部分粒徑的顆粒物會留存于水中，表明水處理工藝對懸浮顆粒物的去除效果與顆粒物的粒徑大小密切相關(guān)。李汝琪等認為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中粒徑較大的懸浮物易于被截留，陳石等的研究結(jié)果表明，隨著篩縫間隙的增大，弧形篩裝置的固體顆粒物去除率呈逐漸下降趨勢，但篩縫間隙與顆粒物粒徑具有明顯的“匹配性”特征，即裝置對粒徑大于或等于其篩縫間隙的固體顆粒物的平均去除率在60%以上，而對于粒徑小于其篩縫間隙的固體顆粒物的平均去除率在40%左右，因此作為粗過濾環(huán)節(jié)的弧形篩裝置，建議其篩縫間隙應以選擇等于或略小于水體中平均固體顆粒物粒徑為宜。Liu等研究了牙鲆養(yǎng)殖系統(tǒng)中懸浮顆粒物粒徑分布與沉降特性，認為懸浮顆粒物的去除效率隨粒徑變小而有較為明顯的下降。王勇等研究了水力旋流器對懸浮顆粒物的去除效果，發(fā)現(xiàn)其對大粒徑顆粒物的去除效果好，且小粒徑顆粒可能會比大粒徑顆粒對旋流器壁面最大沖蝕磨損率要大。針對水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的懸浮顆粒物，需要根據(jù)顆粒物的粒徑大小選擇恰當?shù)娜コに?。張正等把弧形篩用作養(yǎng)殖廢水的初級過濾以去除水中殘餌、排泄物等大顆粒物質(zhì)。季明東等的研究表明養(yǎng)殖水中顆粒物泡沫分離的去除率與顆粒粒徑密切相關(guān)。泡沫分離器產(chǎn)生的氣泡表面易于粘附粒徑lt;60um的微小顆粒物，對水中微小懸浮顆粒物和溶解有機物的去除效果良好。

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的懸浮顆粒物的粒徑在水處理過程中可能會發(fā)生變化，如懸浮顆粒物在生物濾器內(nèi)可能由于低湍流而使較小顆粒物形成更大的顆粒聚集體，有利于水中小顆粒物去除。Bram-billa等報道了泡沫分離器在歐洲鱸魚（Dicentrar-chus labrax）循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中對不同粒徑的懸浮顆粒物的去除效果，探討了氣流速度、水力停留時間、溫度、pH、鹽度等對懸浮顆粒物去除效率的影響。Mc-Millan等研究了水泵對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中懸浮顆粒物賦存狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)關(guān)閉和開啟水泵前后系統(tǒng)中懸浮顆粒物粒徑發(fā)生顯著變化，水泵的運行增加了水中小顆粒物的量。孫大川研究了尼羅羅非魚（Oreo-chromis niloticu.s）循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中懸浮顆粒物粒徑變化，結(jié)果表明隨著懸浮顆粒物在養(yǎng)殖池中停留時間的增加，懸浮顆粒物粒徑傾向于變小。上述研究結(jié)果表明，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微細顆粒物的狀態(tài)與水處理工藝密切相關(guān)，在后續(xù)的研究中，可采用掃描電鏡進一步觀察微細顆粒物的微觀結(jié)構(gòu)，也可采用顆粒物智能識別技術(shù)評價水中微細顆粒的大小和質(zhì)量，以期更加深入解析微細顆粒物在水中的賦存狀態(tài)。

4結(jié)論

（1）在紅鰭東有鲀和半滑舌鰨工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，飼料投喂直接導致水中微細顆粒物濃度快速增加，循環(huán)水處理系統(tǒng)能夠有效去除水中的微細顆粒物，使水中懸浮顆粒物濃度維持穩(wěn)定。

（2）紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池水微細顆粒物中的有機物所占比例近乎80%以上，表明微細顆粒物的可生化降解性能好。

（3）紅鰭東方鲀和半滑舌鰨養(yǎng)殖池進水和出水中的微細顆粒物粒徑分布不同，表明工廠化養(yǎng)殖種類的攝食方式和柄息習性會影響水中微細顆粒物的賦存狀態(tài)。