鱘魚工廠化循環水養殖系統設計及運行效果

管崇武， 楊 菁， 宋紅橋， 張海耿， 莊保陸

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室，上海 200092)

鱘魚工廠化循環水養殖系統設計及運行效果

管崇武， 楊 菁， 宋紅橋， 張海耿， 莊保陸

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室，上海 200092)

針對目前中國淡水工廠化循環水養殖系統建設和運行成本過高，推廣應用受到一定程度制約的問題，在自主研發斜管重力濾沉淀裝置、內循環流化床反應器、一體化臭氧接觸反應器等水凈化設備的基礎上，通過應用物質平衡相關原理，精確設計、確立不同階段系統關鍵運行參數，建立一種高效節能的鱘魚工廠化循環水養殖系統。通過96 d養殖試驗，結果顯示，鱘魚攝食和生長情況正常，養殖密度平均(41.2 ±2.3)kg/m3，存活率95.8%，飼料系數1.17。日換水量在5%以下，水質情況良好，氨氮和亞硝酸鹽氮后期穩定控制在(0.80±0.21)mg/L和(0.38±0.12)mg/L；系統平均日耗電量為33.3 kW·h，平均產出1kg鱘魚耗電7.30 kW·h。系統運行具有低能耗、高效率的特點，可為鱘魚循環水養殖提供技術支撐。

循環水養殖系統；鱘魚；水處理；電耗；節能高效

鱘魚是一種原始古老的軟骨硬鱗魚類，屬于淡水中最大的經濟魚類，生長速度快[1]。中國的鱘魚商業化養殖始于20世紀90年代，經過這些年人工繁殖及養殖技術的研究，養殖范圍已經推廣到全國各省份和直轄市[1]。2012年，鱘魚養殖產量達到4.42萬t，占世界鱘魚養殖總產量的86%，是世界最大的鱘魚養殖國[2]。目前鱘魚養殖方式已經由最初的水泥池流水養殖發展為以水庫養殖、圍網養殖、網箱養殖、池塘養殖和大水面養殖等為主[1]，但仍存在對水源要求高、易受氣候條件和環境變化影響等問題。工廠化循環水養殖與流水型養殖相比，可節水90%以上，節地高達99% ，而且通過污水處理還可以實現節能減排、環境友好型生產[3]。隨著世界性的水資源及土地資源日益緊缺、環境污染加重，普及推廣應用工廠化循環水養殖是水產養殖業發展的必然方向[4-5]。

以俄羅斯鱘(Acipensergueldenstaedtii)為養殖對象，運用物質平衡相關原理，精準設計、確立水處理系統關鍵參數，設計構建一套高效、經濟的鱘魚工廠化循環水養殖系統，通過精準控制循環量，使系統在高效生產的基礎上低能耗、低成本運行，以期為淡水魚類工廠化循環水養殖系統技術的深入研究和推廣應用提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 系統設計與構建

1.1.1 工藝流程設計

針對鱘魚養殖過程中水溫要求相對較低、生物膜掛膜時間長的問題，選用新型內循環流化床反應器作為主要凈化處理的生物濾器，并輔以臭氧/紫外高級氧化技術凈化水質。相對于其它淡水魚類，鱘魚養殖對水質清新透明度的要求更高。鱘魚的排泄物呈彌散狀、霧狀分散在水中，難以收集。在高效多向流重力濾裝置的研究基礎上，系統采用處理量大、構建成本低的斜管重力濾沉淀裝置。從經濟角度考慮，運用物質平衡相關原理，精準設計、確立水處理系統關鍵參數，在不同養殖階段、不同系統負荷條件下采用不同循環量進行處理，降低運行能耗，提高經濟效益。系統工藝流程如圖1所示。養殖污水經斜管重力濾沉淀裝置沉淀過濾處理后，一路經內循環流化床反應器生物過濾處理后回至養殖池，另一路經一體化臭氧接觸反應器凈化處理后回至養殖池，實現水體循環利用。

圖1 系統工藝流程圖

1.1.2 基本概況

系統位于漁業機械儀器研究所漁業裝備與工程中試基地，系統占地約60 m2，由4口直徑2.5 m、深1.2 m的圓形玻璃鋼養殖池及相應的水處理設備構成，總養殖水體約19.60 m3，設計最高養殖密度40 kg/m3，，最大養殖負荷784 kg，最大日投喂量6 kg，系統循環量11～21 m3/h，日換水率<5%。

1.1.3 關鍵參數計算

(1)內循環流化床反應器體積及循環量計算。根據系統氨氮去除量、濾器氨氮去除負荷、濾器填料固載率，計算公式為：

(1)

式中：V—內循環流化床反應器體積，m3；R—濾器氨氮去除負荷，g/(m3·h)，取250 g/(m3·d)[6]；PR-濾器填料固載率，%，取15%[6]。RTAN為系統氨氮去除量，g/d，按70%PTAN計。PTAN—系統中氨氮產生量，g/d，計算公式[7]為：

PTAN=FA×PC×aTAN

(2)

式中：FA—系統每天投喂量，kg，設計最高為6 kg；PC—飼料中粗蛋白含量，%，本試驗飼料的蛋白含量為41%；aTAN—氨氮轉換系數(投喂每千克飼料所產生的氨氮質量)，根據Timmons等[8]的研究結果，本設計取0.092。經計算，V=4.2 m3。

根據生物過濾設施體積及濾床水力停留時間(HRT)，內循環流化床反應器的循環量計算公式為：

(3)

式中：QTAN—系統循環量，m3/h；HRT—反應器水力停留時間，h，其值為0.2～0.4 h，本設計取值0.35 h[9]。經計算，QTAN=12.0 m3/h。

(2)一體化臭氧接觸反應器臭氧投加量及循環量計算。根據系統投飼量、臭氧投加系數，計算公式為：

RO3=FA×aO3

(4)

式中：RO3—系統臭氧投加量，g/d；aO3—臭氧投加系數，一般為每kg飼料投加13～24gO3[10]，此處取20。經計算每天臭氧投加量為120 g。

根據系統總氨氮控制濃度，一體化臭氧接觸反應器的循環量計算公式為：

(5)

式中：QO3—一體化臭氧接觸反應器的循環量，m3/h；CTAN—系統中總氨氮控制濃度，mg/L，本設計取3.5[7]；E—一體化臭氧接觸反應器處理氨氮的效率，取9%[11]。經計算，QO3=8.9 m3/h。

(3)斜管重力濾沉淀裝置循環量計算。

基于總懸浮顆粒物(TSS)的循環量按公式(6)計算：

(6)

式中：QTSS—基于TSS的系統循環量計算值，m3/h；TSSout—養殖池出水中的TSS濃度，mg/L，此處設定養殖池內TSS濃度不超過10 mg/L；Etss—物理過濾環節對于TSS的去除效率，取60%[12]；RTSS—單位時間內的系統產生的TSS 總質量，kg/h，按公式(7)計算:

(4)

式中：aTSS—TSS 轉化系數(投喂每千克飼料所產生的TSS 總質量)，取0.30[8]。經計算，QTSS=18.8 m3/h。

計算結果顯示，QTSS

1.1.4 關鍵水處理設備

系統使用的水處理設備主要有斜管重力濾沉淀裝置[12]、內循環流化床反應器[6，13]、一體化臭氧接觸反應器[11]等設備，均為自主設計研發。

(1)斜管重力濾沉淀裝置。作為系統的重要物理過濾環節，考慮鱘魚養殖水體中懸浮顆粒細小但數量多的特點，設計采用2組斜管重力濾沉淀裝置，具有處理量大、沉淀效率高、建設成本低等優點。該裝置里斜管填料孔徑50 mm、長度1 m，斜管安裝的水平傾角60°，斜管填料體積1.80 m3，斜管填料表面負荷4.08 m3/(m2·h)，斜管沉淀裝置內部整體流速約為0.8 mm/s。

(2)內循環流化床反應器。生物過濾是循環水養殖系統中的核心技術環節，此次設計采用2組內循環流化床反應器(Internal Loop Fluidized Bed Reactor，ILFBR)作為系統的主要生物凈化設備，負責去除系統氨氮總產生量的70%。該反應器采用GPPS顆粒作為生物填料，填料比表面積450 m2/m3，固載率15%，氨氮去除負荷(VTR)為250 g/(m3·d)，進氣量5 m3/h，水力停留時間(HRT)20 min。

(3)一體化臭氧接觸反應器。系統采用一體化臭氧接觸反應器對養殖廢水進行消毒滅菌處理，并輔以降解氨氮、去除亞硝酸鹽以及降解有機物、去除水色、增加溶氧等功能，負責系統氨氮總產生量30%的去除量。反應器的有效容積1.35 m3，處理量可達9 m3/h，氣水比約1∶60，臭氧投加量設計為120 g/d。

1.2 系統日常管理

養殖試驗過程中，選用“永康”鱘魚配合飼料，飼料的粗蛋白含量41%。試驗前期(02.29—04.01)投喂量為4 kg/d，試驗中間(04.02—05.02)投喂量5 kg/d，試驗后期(05.03—06.03)投喂量6 kg/d。投喂頻率3次/d，分別為8：00、15：00和20：00。

養殖試驗期間，系統日補水率約為5%，主要用于水處理設備反沖洗排污耗水的補充。根據不同養殖階段的溶氧、氨氮和TSS等水質變化，調整系統循環量。在養殖試驗前期，系統處于低循環量運行狀態，中、后期由于有機負荷加大而提高循環量，在試驗后期系統按設計工藝參數以全處理量循環使用。具體為：前期，總循環量按11 m3/h運行，其中每套內循環流化床反應器處理量為4 m3/h，一體化臭氧接觸反應器為3 m3/h；中期，總循環量按16 m3/h運行，其中每套內循環流化床反應器處理量為5 m3/h，一體化臭氧接觸反應器為6 m3/h；后期，總循環量為21 m3/h，其中每套內循環流化床反應器處理量為6 m3/h，一體化臭氧接觸反應器為9 m3/h。

1.3 水質檢測及數據統計方法

數據統計分析與作圖使用Excel 2016 和SPSS13.0軟件處理。按照以下公式計算氨氮去除負荷：

VTR=Q×(cin-cout)/V

(5)

式中：VTR—內循環流化床反應器填料的氨氮去除負荷，g/(m3·d)；cin、cout—反應器進出水的氨氮濃度，mg/L；Q—反應器的進水流量，m3/d；V—填料的體積，m3。

2 結果與分析

2.1 鱘魚生長情況

養殖試驗周期2016年2月29日—2016年6月3日，養殖天數96 d，系統運行情況和鱘魚生長情況均在正常范圍內(表1)。

表1 試驗期間鱘魚的生長情況

在養殖初始投放鱘魚590尾，結束時有559尾，其中用于試驗解剖檢測6尾，死亡25尾，試驗期間總存活率95.8%，最達養殖密度平均(41.2±2.3)kg/m3，飼料系數1.17。

2.2 系統水質情況

養殖期間養殖池的水溫、DO、pH的變化情況見圖2。水溫波動較小，基本維持在18.3 ℃～22.1 ℃，均在鱘魚適宜生長的溫度范圍內。其中，試驗開始時因水溫較低，使用空調機組進行加溫調控，將水溫控制在(19.3±0.7)℃，隨著氣溫上升，4月7日后停止加熱。試驗期間，DO平均(5.82±1.17)mg/L，pH平均6.90±0.73。

圖2 養殖期間養殖池水溫、DO和pH的變化情況

養殖期間，養殖池的氨氮和亞硝酸鹽氮的變化情況見圖3。

圖3 養殖期間養殖池氨氮和亞硝酸鹽氮的變化情況

氨氮濃度在試驗開始后就快速升高，最高達到5.99 mg/L。這主要是由于內循環流化床反應器的生物膜尚未掛膜成熟，而且一體化臭氧接觸反應器前期臭氧投加量和處理量較小，造成氨氮濃度的積累。隨著濾器的生物膜掛膜成熟，氨氮被控制在比較正常水平。試驗前期，日投喂量、日氨氮產生量和氨氮平均濃度分別約為4 kg/d、150.88 g/d和(3.35±1.36) mg/L；試驗中期，分別為5 kg/d、188.60 g/d和(1.12±0.55) mg/L；試驗后期，分別為6 kg/d、226.32 g/d和(0.80±0.21) mg/L。系統的氨氮負荷雖然逐漸上升，但系統的氨氮濃度卻趨于下降，說明系統的內循環流化床反應器對TAN的去除能力逐漸增加。

亞硝酸鹽氮在試驗開始前期濃度上升很快，這也符合生物濾器生物膜掛膜的變化規律。在23 d，亞硝鹽氮濃度快速升高到2.19 mg/L，29 d后降到0.63 mg/L以下，在掛膜成熟后，亞硝酸酸鹽氮濃度略有波動，但基本較為穩定。一體化臭氧接觸反應器前期處理量僅為3 m3/h，隨著處理量的增大，對亞硝酸鹽氮的去除能力逐漸增強，在試驗中后期，系統的亞硝酸鹽氮濃度平均(0.38±0.12) mg/L。

2.3 斜管重力濾沉淀裝置對懸浮物的去除效果

斜管重力濾沉淀裝置對懸浮物去除效果見表2。

表2 斜管重力濾沉淀裝置對懸浮物去除效果

注：同列數據肩標相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

因前期TSS濃度相對較低，因此斜管裝置對TSS去除并不明顯，但隨著養殖負荷的增加，其去除率明顯增加，這與Vinci等[14]的研究相符。在循環水養殖系統中，固體顆粒物的去除效果是影響魚類生長、生物凈化效果、系統配置和運行成本等諸多環節的關鍵因素。目前在循環水養殖水體中固體懸浮物的去除技術已較為成熟。宿墨等[15]試驗表明當養殖水體總顆粒物濃度為30～50 mg/L 時，使用200 目濾網的微濾機可使顆粒物去除率達54.9%左右，但造價比較高，運行時易造成較大顆粒的破碎；陳石等[16]發現當對顆粒物粒徑大于或等于弧形篩篩縫時，固體顆粒物平均去除率在60%以上，但小于篩縫的則僅有40%左右；周陽等[17]采用3層石英砂濾罐處理工廠化養魚循環水中懸浮顆粒物，去除率高達99.83%，但增加了供水成本。本系統在固體懸浮物去除工藝設計上，在滿足微小顆粒去除能力的前提下，采用無動力消耗的斜管重力濾沉淀裝置，有效降低運行成本。

2.4 內循環流化床反應器對氨氮的去除效果

從表3可以看出，內循環流化床反應器在養殖試驗后期，處理量達到6 m3/h時，氨氮去除負荷(VTR)最高，VTR平均(273.40 ±22.71)g/(m3·d)，最高達到325.40 g/(m3·d)，氨氮去除率平均27.78%。氨氮去除率雖與其他階段無顯著性差異，但氨氮去除負荷顯著性高于其他階段，達到設計的工藝參數要求。Sánchez等[18]在HRT為11.9min工況下采用活性炭濾料的三相流化床，TAN 平均去除率為27%，與本試驗結果相近；Malone[19]研究表明循環水養殖系統中生物過濾器總氨氮去除負荷為35～350 g/m3·d；宋奔奔等[20]對移動床生物濾器的硝化功能研究表明，當濾器的HRT為10 min 時，其VTR為110.19 g/(m3·d)；Wu 等[21]研究了以直徑2～3 μm 微珠為濾料的生物濾器，當養殖水體中TAN 濃度為3 mg /L 時，濾器對TAN 的平均去除負荷為172 g /(m3·d)；張海耿等[22]采用玻璃珠和石英砂2 種基質作為生物濾器填料進行對比，兩者對氨氮負荷的去除能力平均達到(346. 8±150. 5)g/(m3·d)和(271±122.4)g/(m3·d)，高于本試驗結果。填料的選擇與優化是生物濾器設計的核心[23]，不僅要考慮水處理性能，還要考慮濾器的能耗。本流化床反應器采用GPPS顆粒作為生物填料，其密度為1.04～1.09 g/cm3，比水略重，填料在反應器內呈流化狀態時消耗能耗較少。

表3 不同階段內循環流化床反應器對TAN去除效果的影響

2.5 一體化臭氧接觸反應器對水質的凈化效果

從表4可以看出在不同養殖階段，隨著臭氧投加量的增加，對COD、水色、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率都隨著提高。在試驗后期，一體化臭氧接觸反應器的臭氧投加量為120 g/d，達到設計工況條件時，其對COD、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率顯著性高于前期和中期。其中對COD去除率最高達到42.86%，水色去除率最高達到27.78%，氨氮去除率最高達到17.54%，亞硝酸鹽氮去除率最高達到66.59%。

表4 一體化臭氧接觸反應器對水質凈化效果

3 系統電耗分析

由于運行成本、管理成本等因素，循環水養殖系統的經濟性在國內一直沒有得到廣泛認可。在淡水領域缺乏名貴品種的情況下，該問題顯得尤為突出[3]。養殖系統的電費支出在養殖成本中占了相當大的比例，電耗是工廠化循環水養殖日常運行中重要的經濟技術指標[24]。本系統在設計過程中，從經濟角度考慮，運用物質平衡相關原理，精準設計確立水處理系統關鍵參數，在不同養殖階段、不同系統負荷條件下，采用不同循環量進行處理，降低運行能耗，以提高經濟效益。本次養殖試驗周期共96 d，系統魚載量從403 kg增加到841 kg(含死亡及用于解剖的)，試驗總耗電3 196.80 kW·h，系統的單位產量電耗為7.30(kW·h)/kg。系統電耗明細見表5。

表5 系統電耗明細表

水處理系統能耗是工廠化養殖最主要的耗能組分。頡曉勇等[25]對水處理工藝進行節能創新，延長生化處理器的水力停留時間，使每套總水體56 m3的工廠化循環水養殖系統日耗電量從152.4 kW·h降至82.8 kW·h。本系統采用無能耗的斜管重力濾沉淀裝置進行物理過濾，1臺循環水泵1次提升，根據不同養殖負荷，系統采用相對應的循環量運行，日耗電量平均33.3 kW·h。研究表明，通過對工廠化循環水養殖系統的運行進行精準控制，關鍵水處理設備的節能改進，系統整體運行能耗存在較大的節能減排空間。

4 結論

針對目前循環水養殖系統運行能耗高的問題，本文在前期高效節能水處理設備研究的基礎上，通過應用物質平衡等相關原理進行優化集成，精確設計、確立不同階段系統關鍵運行參數，建立一種高效節能的鱘魚工廠化循環水養殖系統。經過96 d的養殖試驗，鱘魚攝食和生長情況正常，養殖密度平均達到(41.2±2.3) kg/m3，存活率95.8%，飼料系數1.17。日換水量5%以下，水質情況良好，氨氮和亞硝酸鹽后期穩定控制在(0.80±0.21)mg/L和(0.38±0.12)mg/L，平均日耗電量33.3 kW·h，系統單位產量電耗7.30(kW·h)/kg，實現了低能耗、低成本運行。本系統可為淡水工廠化循環水養殖應用推廣提供技術支撐。

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Design and operation effects of industrial recirculating aquaculture system for sturgeon

GUAN Chongwu, YANG Jing, Song Hongqiao, ZHANG Haigeng, ZHUANG Baolu

(Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Shanghai 200092, China)

Specific to the problem that the construction and operation cost of the freshwater industrial recirculating aquaculture system is too high and the application is restricted to a certain extent, based on independent research and development of the multiway gravity device, the internal circulating fluidized bed reactor, the integrated ozone contact reactor and other water purification equipment, material balance related principles are applied for accurate design and establishment of different stages of key operating parameters of the system to establish an energy efficient industrial recirculating aquaculture system for sturgeon. After the test of 96 d breeding, the results showed that the feeding and growth of sturgeon were normal, and the average breeding density was (41.2 ±2.3) kg / m3, the survival rate was 95.8% and the feed coefficient was 1.17. The daily quantity of water exchange was below 5%, the water quality was good, and the ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in the later period were stabilized at (0.80 ± 0.21) mg/L and (0.38 ± 0.12) mg/L respectively. Average daily power consumption of the system was 33.3 kW·h, and the average output of 1 kg sturgeon required power of 7.30 kW·h. The system operation is characterized by low energy consumption and high efficiency, thus it can provide technical support for recirculating aquaculture of sturgeon.

recirculating aquaculture system; sturgeon; water treatment; power consumption; energy efficient

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.005

2017-05-17

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD25B03)

管崇武(1980—)，副研究員，研究方向：漁業水體凈化。E-mail：guanchongwu@fmiri.ac.cn

S964.9；S959

A

1007-9580(2017)05-030-07