循環水系統養殖雜交石斑魚的運行效果

趙駿凱，張健東，陳 剛，湯保貴，王忠良，黃建盛

（廣東海洋大學水產學院，廣東 湛江 524025）

循環水養殖模式可用物理、化學及生物方法高效去除養殖水體中氮素污染物、魚的代謝廢物和飼料殘渣，使水質得以凈化，實現水循環利用和高密度養殖，養殖效果良好[1-2]。宋協法等[3]使用循環水養殖系統養殖半滑舌鰨(Areliscus semilaevis)，養殖密度達到45 kg/m3。張宇雷等[4]構建超高密度全封閉循環水養殖系統用于吉富羅非魚 (Oreochromis niloticus) 養殖試驗，最高養殖密度可達到 104.2 kg/m3。與流水養殖模式相比，循環水養殖模式可節約水地資源，是節能減排的環境友好型生產模式[5]。雜交石斑魚[Epinephelus fuscoguttatus(♀)×Epinephelus lanceolatus(♂)] （下稱“珍珠龍躉”），是以褐點石斑魚（俗稱老虎斑）為母本、鞍帶石斑魚（俗稱龍躉）為父本進行雜交而得。珍珠龍躉有母本抗病能力強、父本生長速度快的優勢，營養價值高，肉質鮮美，是目前石斑魚養殖的主要品種。珍珠龍躉對環境的適應能力較強，可在水溫 14 ～35 ℃、鹽度1 ～ 55條件下生存，在水溫25 ～ 30 ℃和鹽度15 ～ 20下可維持較好的攝食狀況和生長性能[6-7]。常見的珍珠龍躉養殖模式為高位池及室內水泥池流水養殖，養殖效果良好[8-10]，但高位池、流水養殖會給環境帶來生態負面效應。目前，關于珍珠龍躉循環水養殖的效果較佳[11-12]，但未解決循環水系統構建及掛膜啟動運作的內容。筆者擬用一套新建的循環水養殖系統開展珍珠龍躉養殖試驗，并與室內水泥池流水養殖進行對比，分析循環水系統水處理及養殖效果，為循環水處理系統的構建和養殖運行參數的優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 系統組成及參數設定

試驗在湛江市東海島東方實業有限公司進行。新建的循環水養殖系統工藝流程圖見圖1，主要由養殖池、微濾機、臭氧-蛋白分離器、生化過濾器、水質在線監控系統構成。系統有6個養殖池，面積25 m2，深1.50 m，實際體積為25 m3，總養殖水體約150 m3，使用羅茨鼓風機通過氣石充氣，給排水管路設施配備完整；轉鼓式微濾機滾筒尺寸800 mm（直徑）×1 060 mm，濾網網目孔徑75 μm，內置反沖洗系統；臭氧-蛋白質分離器過濾精度20 μm，內置臭氧發生器氧化還原電位為 300 mV；生化過濾器由3個尺寸為1 200 mm（直徑）×2 500 mm的罐體并聯構成，其濾料為白色 FEB材質短管型顆粒，濾料比表面積 250 m2/m3，濾料密度約 0.93 kg/m3，內部填充濾料總質量163 kg。系統總水流量約50 m3/h，循環率為3 h，日循環8次，日補水率3% ～ 5%。試驗期間水溫 29 ～ 31 ℃，鹽度 28 ～ 31，pH 6.9 ～ 7.4。對照組流水養殖系統有6個養殖池，面積25 m2，深1.50 m，實際體積為25 m3，總養殖水體150 m3，使用羅茨鼓風機通過氣石充氣，使用經沙濾沉淀精華的自然海水，每日換水率為100%。

圖1 水處理流程Fig.1 Water treatment schematic diagram

1.2 試驗設計

分為2個階段：循環系統掛膜期與養殖試驗期。本系統使用自然掛膜法，利用低密度（200 尾/池）珍珠龍躉養殖的自然微生物對新建系統進行掛膜30 d。掛膜結束后開始為期60 d珍珠龍躉養殖試驗，在循環水系統及流水養殖系統各投放12 000 尾（每個池2 000 尾），平均體質量為（270.5±12）g，起始載魚量21.64 kg/m3。每日投喂1次（8:00）配合飼料（“珊瑚”牌石斑魚配合飼料，蛋白質質量分數約 45%），投喂量約為體質量的1%。喂前記錄投料量。按照魚體大小和進食狀況調整飼料粒徑。每日定時巡池，記錄觀察魚群活動、魚體各部位有無異常。出現死魚及時撈出，準確計數并詳細記錄，分析判斷死亡原因。

1.3 系統掛膜，水質及珍珠龍躉生長數據的測定及數據分析

在循環水養殖系統掛膜期，觀察生化過濾器水位觀察玻璃管、罐體內部水色，濾料觸感，濾料顏色變化，定期剪取濾料在顯微鏡下檢查。且每 2 d于9:00采集并測定生化過濾器處理前后的水樣，以了解掛膜狀況。養殖實驗期間每2 d于9:00分別采集循環養殖系統中養殖池，以及經微濾機處理、臭氧-蛋白分離器處理及生化過濾器處理的水樣，流水養殖系統則取養殖池四角及中央點位的水樣，每采樣點4個樣本，測定如下水質指標并計算平均值。

水質指標：氨氮（NH4+-N）、亞硝酸鹽（NO2--N）、硝酸鹽（NO3--N）、化學需氧量（COD）、固體粒子（Suspended Solids，SS）（每10 d測1次）、溶氧（Dissolved Oxygen，DO）質量濃度，pH。NH4+-N采用靛酚藍法，NO2--N采用鹽酸萘乙二胺分光光度法，NO3--N采用鋅鎘還原法，COD采用堿性高錳酸鉀法，SS采用重量法，DO采用YSI溶氧儀，pH采用酸堿度測定器。

循環系統各項水質指標去除率計算：

去除率=（養殖池內濃度 - 生化過濾器處理后濃度）/ 養殖池內濃度×100%。

因生化過濾器是水處理流程最后環節，其出水的水質指標代表系統處理后的水質指標。

每10 d記錄1次生長狀況，用G&G電子秤（精度為0.01 g）每池隨機測量10尾魚的體質量，結果以平均值±標準差表示。

存活率：?= (N0-N死亡) /N0× 100%，

增重率：RWRG= (mf-m0) /m0× 100%，

特定生長率：RSRG= (lnmf- lnmi) /t×100%，

飼料系數：F=G/m，

式中：N0為初始魚數量；N死亡為試驗期間魚死亡數；m0、mf分別為初始與終末體質量，g；t為試驗時間（d）；G為總投餌量，g；m為總增加體質量，g。

數據統計分析與作圖用Excel 2010 和SPSS17軟件進行。

2 結果與分析

2.1 循環養殖系統生化過濾器掛膜效果

在掛膜期的1 ～ 7 d，水位觀察管、水色并無明顯變化，濾料顏色變化不大，其表面有些許黏滑物質；掛膜7 ～ 22 d，水位觀察管壁覆蓋有黃褐色薄膜物質，水色呈微黃色，濾料呈微黃色，黏滑物質觸感明顯，鏡檢發現，濾料表面有絲狀和球狀等菌膠團；掛膜22 ～ 27 d，水位觀察管壁膜狀物質明顯加厚，呈褐黃色，水色呈微褐黃色；濾料呈微褐黃色，黏滑物質觸感明顯，鏡檢發現，濾料表面有較厚的絲狀和球狀等菌膠團，并有纖毛蟲和管狀蟲。

掛膜期生化過濾器出水的氨氮以及亞硝酸鹽濃度變化如圖2。在掛膜期的前半段，出水的氨氮濃度逐漸上升，前5 d低于0.02 mg/L，15 d時達0.149 mg/L，隨后逐漸下降，23 d后維持在0.05 mg/L以下。出水的亞硝酸鹽逐漸累積，在掛膜的后半期基本維持在0.04 mg/L以上。

圖2 掛膜期間生化過濾器出水氨氮與亞硝濃度變化Fig.2 NH4+-N and NO2--N concentration changes of the effluent of biofilter in formation period

2.2 試驗期間循環水養殖系統水質變化

2.2.1 微濾機與蛋白質分離器的水處理效果 由表1可知，微濾機對于COD與SS均有顯著的處理效果 (P＜0.05)，經微濾機處理后，水中 COD與SS分別維持在（4.19±0.24）mg/L和（41.04±2.20）mg/L。而從圖3和圖4可見，微濾機在實驗期間可持續處理COD和SS。

表1可知，安裝在微濾機之后的臭氧-蛋白質分離器對于 COD與 SS均有顯著的處理效果（P＜0.05），處理后水中COD與SS分別維持在（3.59±0.26）mg/L和（18.04±1.36）mg/L。從圖3、4可見，臭氧-蛋白質分離器可進一步凈化微濾機處理后的廢水，去除COD和SS。循環水養殖系統中，微濾機與臭氧-蛋白質分離器可穩定、高效地去除COD和SS，對COD去除率為39.92%，對SS的去除率為80.61%。

表1 循環水養殖系統水質Table 1 Statistics of water quality of RAS mg/L

圖3 各裝置COD濃度Fig.3 COD concentration changes of water treatment units

圖4 各裝置SS濃度Fig.4 SS concentration changes of water treatment units

2.2.2 生化過濾器的水處理效果 由表1可知，生化過濾器對氨氮有顯著處理效果 (P＜0.05)，出水氨氮質量濃度為（0.09±0.03）mg/L。生化過濾器氨氮的去除率達72.72%。由圖5可知，生化過濾器出水氨氮濃度的曲線在1 ～ 15 d時出現較大波動，后期維持在較低濃度水平。

由表1可知，生化過濾器對亞硝酸鹽有顯著處理效果（P＜0.05），出水亞硝質量濃度為（0.09±0.03）mg/L，對亞硝酸鹽去除率達49.51%。由圖6可知，在養殖期前半段，生化過濾器出水亞硝酸鹽濃度波動幅度較大，后期漸趨穩定，并維持在較低水平。

循環水養殖系統中，生化過濾器對氨氮和亞硝酸鹽的去除能力較佳，氨氮去除率為65.93%，亞硝去除率為48.51%。

圖5 生化過濾器進出水NH4+-N濃度及去除率的變化Fig.5 Ammonia-nitrogen concentration and removal rate changes in influent and effluent of bio-filter

圖6 生化過濾器進出水NO2--N濃度及去除率的變化Fig.6 Nitrite-nitrogen concentration and removal rate changes in influent and effluent of bio-filter

循環水養殖系統中，生化過濾器進出水的硝酸鹽濃度可評估生化過濾器內部硝化細菌群落的硝化反應效果。由表1可知，系統生化過濾器出水硝酸鹽濃度顯著高于進水濃度，系統生化過濾器進出水的亞硝酸鹽濃度變化如圖7，系統內NO3--N在前15 d上升緩慢，隨后上升幅度提升，出水硝酸鹽濃度上升的速度加快，系統內硝酸鹽出現累積。硝酸鹽濃度的變化與氨氮與亞硝酸鹽濃度變化基本一致。

圖7 生化過濾器進出水NO3--N濃度Fig.7 NO3--N concentration changes in effluent of biofilter

2.2.3 循環水養殖系統溶氧水平 循環水養殖系統中，溶解氧濃度關鍵的指標，影響魚的生長，以及系統的運作。表2可見，系統運行期間各裝置平均溶氧質量濃度保持在5 mg/L以上，滿足珍珠龍躉生長及系統正常運轉的需求。

表2 各裝置DO濃度Table 2 DO of water treatment units

2.3 循環水養殖與流水養殖水質狀況對比

由表3可知，試驗期間，循環水養殖池中氨氮濃度顯著低于流水養殖池（P＜0.05），流水養殖池中亞硝酸鹽濃度顯著低于循環水養殖池（P＜0.05），化學需氧量濃度相似，而循環水養殖池中 SS濃度顯著低于流水養殖池（P＜0.05）。從圖8可知，循環水養殖池氨氮濃度基本維持在0.4 mg/L以下，而流水養殖池的氨氮濃度水平則更高。其中在18、30、50 d時采取了較大量的排水換水，因此流水養殖池的氨氮濃度大幅度下降。從圖9可知，流水養殖池的亞硝酸鹽濃度始終處于較低水平，而循環水養殖池中亞硝酸鹽濃度在試驗前期波動幅度較大，在試驗后期濃度水平則相對較低。

從圖10可知，循環養殖池中SS濃度穩定在較低水平，流水養殖池中 SS濃度水平更高，且如上述所言，在實驗期間流水養殖池有3次大量的排水換水，從而降低了各個水質指標的濃度。

表3 循環水養殖池與流水養殖池水質濃度對比Table 3 Comparison of water quality in tanks between RAS and flow culture mg/L

圖8 循環水養殖池與流水養殖池NH4+-N濃度對比Fig.8 Comparison of NH4+-N in tanks between RAS and

圖9 循環水養殖池與流水養殖池NO2--N濃度對比Fig.9 Comparison of NO2--N in tanks between RAS and flow culture

圖10 循環水養殖池與流水養殖池SS濃度Fig.10 SS in tanks of RAS and flow culture

2.4 循環水養殖與流水養殖珍珠龍躉生長對比

由表4可知，循環水養殖珍珠龍躉的存活率、特定生長率、增重率及飼料系數均優于流水養殖模式。由圖11可知，在試驗過程中，循環水養殖的珍珠龍躉體質量均高于流水養殖，養殖試驗結束時，循環水養殖珍珠龍躉體質量達 (491.7±16)g，顯著高于流水養殖的 (446.4±19)g（P＜0.05） 。

表4 珍珠龍躉的生長狀況Table 4 Comparison of growth and survival of hybrid grouper between RAS and flow culture

圖11 試驗期間循環養殖與流水養殖珍珠龍躉體質量比較Fig.11 Comparison of fish weight between RAS and flow culture in every period

3 討論

3.1 循環養殖系統掛膜與水處理效果

循環水養殖系統的核心是生化過濾器，細菌在過濾器內部濾料表面聚集成膜，通過菌膜中細菌生長代謝凈化系統的養殖廢水，掛膜是使生化過濾器實現良好水處理效果的關鍵環節[13]。本研究的自然掛膜法有如下優點：1）掛膜微生物充足；2）低密度養殖帶來的有機物濃度適宜；3）掛膜期與養殖期物種均為珍珠龍躉，生物膜穩定性更高[14-15]。通過對生化過濾器的表觀觀察，在掛膜中后期可明顯從水色和濾料顏色以及鏡檢觀察生物膜厚度等，了解生化過濾器濾料表面生物膜逐漸成熟[14]。生化過濾器出水的氨氮濃度在掛膜中期達到最高值之后逐漸下降，而亞硝酸鹽濃度在掛膜中期上升后增加逐漸放緩，在掛膜后期穩定在一定水平，說明生化過濾器菌膜中氨氧化細菌群落和硝化細菌群落先后繁殖演替，可發揮對氨氮、亞硝酸鹽去除作用[16]。

在循環水養殖模式中，對氨氮與亞硝酸鹽的處理能力是衡量系統水處理能力的關鍵。傅雪軍等[17]構建了一套12個養殖池，總有效養殖體積為240 m3的循環水養殖系統進行半滑舌鰨（Cynoglossus semilaevisGünther）養殖試驗，每池投放2 200尾，試驗期間氨氮與亞硝酸鹽去除率分別為 58.13%、19.47%。Pedersen等[18]構建一套虹鱒（Oncorhynchus mykiss）循環水養殖系統，其氨氮去除率維持在50%～ 60%。宋協法等[19]構建用不同填料進行生物處理的循環水系統，其平均氨氮去除率為 53.2%。Li等[20]用稻田生態循環水養殖系統養殖草魚（Ctenopharyngodon idellus），其氨氮與亞硝酸鹽去除率分別為40.5%、43.5%。本研究中，生化過濾器在養殖試驗期間水處理能力較佳，系統的氨氮為（0.095±0.03）mg/L，亞硝酸鹽為（0.092±0.034）mg/L，去除率分別達 65.93%、48.51%，與前人結果相比有一定優勢。系統出水的氨氮與亞硝酸鹽濃度在養殖試驗前中期波動較大，中后期趨于穩定，處理能力逐漸提升。良好的氨氮處理能力對于循環水養殖模式極為重要，可避免系統氨氮累積對養殖對象的影響[21-23]。亞硝酸鹽處理能力亦較重要，可避免高濃度亞硝酸鹽對魚類血液機能的傷害[24]。

本研究中，系統的生化過濾器在掛膜后期出水氨氮和亞硝酸鹽濃度分別維持在 0.05、0.04 mg/L以下，在進入放養密度和養殖負荷更大的循環養殖期，其出水的氨氮和亞硝酸鹽質量濃度均維持在低于0.1 mg/L水平，說明生化過濾器經掛膜期及養殖試驗期后，氨氮及亞硝酸鹽去除能力較佳。循環水養殖系統生化過濾器對氮素污染物的處理，主要依靠濾料菌膜中的硝化細菌生長代謝對于氮素物質的消耗及轉換，主要途徑為氨氮轉化為亞硝酸鹽，以及亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽[25]。本研究的養殖實驗期間，生化過濾器進出水的氨氮與亞硝酸鹽濃度相繼降低并維持在較低水平，而硝酸鹽濃度則持續累積上升，表明在硝化細菌作用下，氨氮轉化為亞硝酸鹽進而轉化為硝酸鹽。系統中硝酸鹽濃度雖呈升高趨勢，但濃度尚屬于較低水平，低毒性的硝酸鹽不會對養殖魚類造成毒害作用[26-27]。在實際養殖中硝酸鹽濃度過高，則會導致pH值過低，對養殖物種有害，應對措施常為投放額外碳源以調整水體碳氮比，通過反硝化作用去除硝酸鹽，以及投放堿或水質制劑將pH值控制在適宜范圍[28]。

傅雪軍等[16]在循環水系統中進行半滑舌鰨養殖試驗，COD和SS去除率分別為25.36%、30.30%。郭浩等[29]在循環水養殖系統中進行鱘魚（Acipenser sinensis）和虹鱒階梯式養殖，COD去除率為39.8%。Johnson等[30]構建垂直流動式水處理裝置的循環水系統，SS去除率高達 82%。本研究中，循環水系統出水COD為 (3.39±0.23) mg/L，去除率39.92%；出水SS為 (18.28±6.22) mg/L，去除率80.61%，與前人結果基本相符。高濃度 COD會消耗水體溶氧，敗壞水質，影響魚的生理生長；而 SS來源主要為殘餌和糞便，亦會污染水質，影響養殖效果。本研究中，去除COD與SS的裝置主要為微濾機與臭氧-蛋白質分離器，生化過濾器對二指標并未去除，可能因為經過微濾機與蛋白質分離器處理后COD與SS的水平較低，未使生化過濾器發揮功效，同時生化過濾器濾料菌膜老化和菌體脫落也成為COD和SS的部分來源。

溶解氧濃度是水產養殖的關鍵指標，較高濃度的DO可降低氨氮與亞硝酸氮的毒性，還可提高養殖系統的氧氣利用率，提高養殖效益[22,31]。本研究采用增氧機和均勻懸掛的氣石供氧，在較高的養殖密度下，DO質量濃度維持在5.2 mg/L以上，可確保養殖魚的健康生長。如系統繼續增加養殖負荷，可采用充純氧來進一步提高DO濃度。

3.2 循環養殖系統與流水養殖系統的比較

流水養殖是目前養殖效果較佳的養殖方式，為評價循環水養殖效果，本研究在相同養殖負荷下開展流水養殖對照試驗。流水養殖池的氨氮及 SS濃度顯著高于循環水養殖池。這是因為同為 24 h換水，循環水系統總水流速度達到50 m3/h，日循環次數達到8次，而流水養殖池水更替率為1次，速度相對較緩慢，未能及時排出污染物質，造成氨氮及SS的累積。

對比兩種模式下珍珠龍躉的養殖效果，循環水模式養殖珍珠龍躉的增重率、特定生長率以及飼料系數均優于流水養殖模式。本研究中，珍珠龍躉放養密度較高，對水質的要求更為嚴格，而循環水養殖系統水處理模塊良好的水處理效果可為魚的生長提供穩定優質的水質環境。本研究中，在換水率較高的條件下，流水養殖模式亦有良好的養殖效果，但流水養殖需大量的換水、排水，既造成水資源的浪費，也會污染周邊環境，不利于水產養殖的可持續發展[28,32]。

綜上，本試驗期間，循環水養殖系統各個裝置運行良好，系統水處理效果穩定，珍珠龍躉養殖效果良好，與流水養殖相比，在水質環境與養殖效果上均有一定優勢。使用循環水養殖模式，提高管理水平，靈活調整喂養和養殖策略，充分發揮養殖和環保方面的可持續發展優勢，有廣闊的發展前景和推廣價值。