工廠化養殖系統節能設計與實現

頡曉勇，鐘金香，李純厚，張漢華，朱長波，王秀瑛

（1、中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東省漁業生態環境重點實驗室，農業部南海漁業資源開發利用重點實驗室，廣州，510300；2、廣東省水產技術推廣總站，廣州，510220；3、汕頭市華勛水產有限公司，廣東汕頭，515041）

工廠化循環水養殖是代表未來發展方向的養殖模式，目前我國工廠化養殖還處在示范階段[1，2]。雷霽霖院士提出當前應當以工業化理念為指導、節能減排為目標、“四化養殖”為核心，建立我國海水養殖大產業。開展系統節能創新研究是建立現代工廠化循環水養殖產業不可或缺的重要環節，是我國工廠化循環水養殖技術從示范走向規模化生產應用所必須的重要步驟。筆者在汕頭建設工廠化循環水養殖系統，在其基礎上進行節能創新改造，在生產實踐中探索降低循環水系統運行能耗的理論與技術問題，對工廠化養殖生產大規模推廣應用具有重要的意義。

1 工廠化養殖系統工藝流程創新

本研究是在前期工廠化養殖系統基礎上，以降低水處理系統運行能耗為目標進行創新改造，養殖用水前處理繼續采用前期處理程序[4，5]，4組水泥池配套改造建設4組循環水處理系統，養殖池日換水率429%，養殖水體循環利用率90%，損耗主要來自排污和自然蒸發。

圖1 循環水處理設施工藝流程圖

1.1 機械過濾

工廠化高密度養魚產生的固體廢棄物量大，第一道過濾程序的性能直接關系到后續水處理工藝環節的負荷和整體凈水效果。本研究機械過濾采用兩種方式結合，一是旋轉篩過濾器，二是采用袋式過濾。旋轉篩過濾器首先濾除了養殖廢水中的大顆粒物質，再從頂端流入過濾袋，使得液體可均勻分布在整個濾袋表面，濾除水體中小顆粒物質，整體達到較好機械過濾效果。

1.2 生化過濾

生化過濾是工廠化養殖水處理系統中的核心組件之一，主要去除以“三態氮”形式存在的水溶性有害物質。生物濾池所填充的過濾材料包括碎石、細砂、塑料粒或生物球等單種或多種成份，經過“掛膜”培養在濾料表面形成“生物膜”。當養殖廢水從濾料間隙流過時，生物膜就會將水中有機物分解成無機物，并將氨氮轉化成對魚無害的硝酸鹽。本研究根據養殖水體規模，每組養殖池采用了2個并聯的圓柱形生化過濾器，填充濾料為生物球，預運行培養生物膜后開始養殖試驗。

1.3 殺菌消毒

目前，常用的消毒裝置主要包括紫外線消毒器和臭氧發生器。紫外線消毒具有滅菌效果好、水中無有毒殘留物、設備簡單、安裝操作方便等諸多優點，應用較為廣泛。臭氧消毒具有化學反應快、用量少、水中無持久性殘余、不造成二次污染等優點，也是目前常用的消毒方法。本研究在一期水處理系統建設中采用臭氧消毒和紫外線消毒聯合方式，在應用過程中存在臭氧濃度調節控制和殘余臭氧去除問題，因此在節能創新改造中采用紫外線消毒器實現殺菌消毒功能。

1.4 水質調整

根據養殖對象對水質的要求調整養殖水體水質參數，主要包括增氧系統和控溫系統。為了克服冬季低溫對養殖生產的影響，本項目改造安裝了鍋爐加熱控溫系統，蒸汽經獨立管道系統與養殖池內水體進行熱交換，從而保證低溫天氣下養殖水體水溫。

2 循環水養殖試驗

暗紋東方鲀(Takifugu obscurus)隸屬鲀形目、鲀科、東方鲀屬，俗稱河鲀，具有較高經濟價值，對養殖水質環境要求較高。2011年3月18日，選取2組共14個水池，水深50cm，放養10230尾暗紋東方鲀魚苗（平均體長約2cm/尾），平均放養密度約91尾/m3。養殖全過程實現全封閉循環水養殖，養殖期間不使用藥物，維持了穩定的養殖水體環境，顯著降低了養殖污物排放。2011年11月6日收獲，成活率95%，體重范圍150～200g/尾，平均體重約180g/尾。

3 小結與討論

3.1 節能創新

當前我國水產養殖設施系統的水質調控能力弱、方法少，對循環水養殖技術的應用還相當落后，大多數工廠化養殖系統沒有應用循環水技術，工廠化養殖總體上還處在示范階段，針對工廠化循環水養殖系統節能創新的研究報道極少。曲克明等通過車間墻體、門、窗等采用保溫層設計，達到比一般低拱車間降低30%的節能效果。在前期研究中[4，5]，筆者分析得到水處理系統能耗是工廠化養殖最主要的耗能組份，循環水養殖系統日耗電量總計達到766.2kW，其中每套循環水處理設備系統每日耗電量為152.4kW。本研究針對循環水處理系統進行創新性改進后，能耗主要包括紫外耗能、旋轉篩過濾器和一次性提水程序，每日耗能82.8kW，即水處理系統中核心能耗部份與前期能耗相比較僅占54.33%，降幅達到45.67%。水質調整中采用的加溫設備因使用較少故未納入能耗分析。本研究表明，通過對工廠化循環水養殖系統中核心能耗部位的創新性節能改進，循環水養殖系統整體的運行能耗存在較大的節能創新空間，為下一步我國在“節能減排”大背景下展開節能創新與應用技術研究提供了一個成功的例子。

3.2 水處理工藝流程創新

目前在工廠化養殖的水處理工藝流程中，一般多數采用機械過濾、蛋白質分離、生化處理等程序，在部分水產養殖企業也有采用蛋白質分離器作為主要水處理程序并取得成功[9，10]。但傳統蛋白質分離器能耗相對較大，是水處理程序中的主要能耗部位，而水處理程序的能耗是工廠化養殖推廣中的重要限制性因素之一。解決這個問題存在兩個途徑，其一是通過水處理工藝流程節能創新，達到處理后水質滿足養殖生產需要；其二是針對蛋白質分離器實現節能創新。辛乃宏等[11]改造循環水處理系統，養殖石斑魚和半滑舌鰨取得成功。筆者通過前期研究發現[4，5]，所處理的養殖污水在水處理器內的停留時間是水處理效率的重要影響因素之一，因而在節能創新研究中設計加大了生化處理功能，令其水力停留時間最高可達到0.339h，同時創造性地去除傳統工藝流程中關鍵耗能設備蛋白質分離器環節，是為本次節能創新研究成功的重要原因。此結果也表明，在后續提高水處理效率的工藝改良方面，延長水力停留時間將是一項重要的改進手段。

3.3 進一步節能創新的基礎

在長期工廠化養殖技術研究過程中，筆者多角度地展開工廠化養殖技術探索。針對傳統水處理程序核心設備之一蛋白質分離器能耗較高的問題，筆者研發了多功能型水處理設備[12]，該設備所具有的功能包括機械過濾、泡沫分離、增氧、生化處理、排污、殺菌消毒、反清洗等，解決了之前所有工廠化養殖水處理技術中分別采用不同功能的水處理單體設備完成的難題，具有設備系統占地面積小、水處理效率高、運行能耗低等優點，是工廠化養殖領域的核心關鍵設備創新。本研究所采用的機械過濾程序在運行過程中需要相對較多勞動維護，是為本例工廠化養殖模式的不足之處，研發了無能耗型機械過濾器[13]，創造性地改革傳統的機械過濾方式，降低運行成本、提高過濾效果，代替本試驗中的旋轉篩過濾器將進一步降低水處理系統的運行能耗。工廠化循環水養殖工藝的創新與水處理裝備技術的創新相伴而生，筆者在水處理設備領域針對核心設備的重要技術創新為工廠化養殖模式進一步節能創新準備了必要的技術基礎，對于工廠化養殖模式的推廣應用具有重要意義。

[1]陳軍，徐皓，倪琦，等。我國工廠化循環水養殖發展研究報告[J]。 漁業現代化，2009，36（4）：1-7。

[2]徐皓，張祝利，張建華，等。我國漁業節能減排研究與發展建議[J]。 水產學報，2011，35（3）：472-479。

[3]雷霽霖。中國海水養殖大產業架構的戰略思考[J]。中國水產科學，2010，17（3）：600-609。

[4]頡曉勇，鐘金香，王秀瑛，等。工廠化養殖系統工藝與養殖試驗[M]。中國工程科技論壇第124場"魚類工業化養殖與可持續發展"論文集，2011.9，北京，31-34。

[5]鐘金香，頡曉勇，王秀瑛，等。工廠化養殖實踐與思考。中國工程科技論壇第124場"魚類工業化養殖與可持續發展"論文集[M]，2011.9，北京，35-37。

[6]倪琦，張宇雷。循環水養殖系統中的固體懸浮物去除技術[J]。 漁業現代化，2007，34（6）：7-10。

[7]曲克明，杜守恩，朱建新。節能型半滑舌鰨循環水養殖車間優化設計[J]。 漁業現代化，2009，36（5）：10-13。

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[9]頡曉勇，李純厚，許忠能，等。半滑舌鰨苗種工廠化培育試驗初報[J]。 廣東農業科學，2011，9：130-131，147。

[10]頡曉勇，李純厚，許忠能，等。名貴海水魚類工廠化養殖試驗研究[J]。 湖南農業科學，2011，11：141-143。

[11]辛乃宏，于學權，呂志敏，等。石斑魚和半滑舌鰨封閉循環水養殖系統構建與運用[J]。 漁業現代化，2009，36（3）：21-25，40。

[12]頡曉勇，李純厚，姜漢平。一種多功能循環水處理設備[P]。 中國：ZL200910192778.6。李純厚，姜漢平，頡曉勇。一種養殖水過濾方法及其裝置[P]。中國：ZL200910042214.4。