間歇式雙循環工廠化養殖系統構建及其養殖效果

李 華，田道賀，劉青松，段亞飛，張家松

·研究速報·

間歇式雙循環工廠化養殖系統構建及其養殖效果

李 華，田道賀，劉青松，段亞飛，張家松※

（中國水產科學研究院南海水產研究所，農業農村部南海漁業資源開發利用重點實驗室，廣東省漁業生態環境重點實驗室，廣州 510300）

為改善工廠化循環水養殖系統水質凈化效果，提高養殖密度和成活率，構建了間歇式雙循環工廠化養殖系統。通過間歇運行生物膜反應器增加水力停留時間，充分降解含氮污染物；連續運行弧形篩及時去除固體顆粒物。考察了該系統的啟動過程及石斑魚高密度養殖效果。啟動初期，將硝化型生物絮團與海綿填料混合培養，生物膜22 d即可掛膜成功。以30.03 kg/m3為初始養殖密度開展石斑魚養殖試驗，經66 d 養殖，石斑魚平均質量從（273.00±12.22）增至（552.52± 107.04） g，最終養殖密度達到60.78 kg/m3，成活率為100%。養殖過程中，生物膜逐漸適應養殖環境，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率從13.33%、14.84%增至93.73%、93.50%。此外，在弧形篩進水槽增加曝氣形成曝氣式弧形篩，可進一步除去細小顆粒物，有效控制養殖水體濁度。

養殖；水質；間歇式；循環水養殖；生物膜；石斑魚

0 引 言

工廠化循環水養殖是在半自動或全自動的系統中，一方面對水產品高密度養殖的全過程進行監管、控制，使養殖品種處在最佳的環境下獲得最快的生長速度；另一方面通過工程技術手段對養殖尾水進行凈化處理循環使用。實現了對整個養殖過程的監控，基本上擺脫了季節、資源的限制，有力地緩解了海洋漁業和環境的壓力。節能、節水、節地、減排、安全和高效，是未來海水養殖的重要發展趨勢[1]。

中國工廠化養殖起步于20世紀70年代，發展時間上與國外相關產業相比落后10余年，但在鲆（）、蝶（）類魚、鰻魚（）、鯰魚（）等品種的工廠化循環水養殖中取得了一定成績[2]。目前工廠化循環水養殖技術仍面臨諸多問題，如前期建設成本高、生物凈化穩定性差、運行能耗大使得工廠化循環水養殖技術在中國普及率較低[3]。養殖尾水屬輕度污染水，要達到循環利用，水質處理是關鍵，因此，水處理技術就成為工廠化循環水養殖模式的關鍵核心環節[4]。現有的工廠化循環水養殖系統將機械過濾、生物過濾和殺菌增氧等環節串聯，尾水處理循環路線為單循環，采用24 h連續運行模式，日循環次數可達20次[5-6]。這種運行方式下，水處理系統中生物濾池的水力停留時間較短，大部分不超過1 h[7]。低濃度污染物使得生物濾池中微生物數量少，加上水力停留時間短導致了生物過濾去除效率和穩定性存在問題。

因此，為增加工廠化循環水養殖水處理系統穩定性，提高循環水質凈化效率，構建了間歇式雙循環工廠化養殖系統。將機械過濾與生物過濾并聯運行，形成雙循環運行模式，通過間歇運行生物膜反應器增加水力停留時間，充分降解污染物，通過連續運行弧形篩及時快速去除固體顆粒物。最后利用該系統開展了虎龍斑（♀×♂）的高密度養殖試驗，考察了養殖過程中水質變化、生物膜生長情況及石斑魚生長狀況，評價了該養殖系統的實際養殖效果，以期為工廠化循環水養殖技術的可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

間歇式雙循環工廠化養殖系統示意圖及實物圖如圖1，因試驗系統搭建時在地面上布管，未考慮利用高程差，故水泵個數較多。系統主要由養殖桶、弧形篩、生物膜反應器、調節池及紫外殺菌燈構成。采用全自動運行模式，養殖桶、調節池及生物膜反應器進出水通過液位繼電器控制，生物膜反應器曝氣和沉淀時間由時間繼電器控制。循環線路一生物膜反應器運行周期約6 h，日循環次數約4次；循環線路二弧形篩連續運行。試驗所用材料均為市售，未進行加工處理，具體參數及運行工況如下。

1.養殖桶；2、8.球閥；3、5、7、9.水泵；4.生物膜反應器；6.調節池；10.弧形篩；11.紫外殺菌燈

1.Breeding barrel; 2,8.Ball valve; 3,5,7.9.Pump; 4.Biofilm reactor; 6.Balance tank; 10.Arc screen; 11.UV sterilizer

注：循環一(實線)：養殖桶1—生物膜反應器4—調節池6—紫外殺菌11—養殖桶1。循環二(虛線)：養殖桶1—弧形篩10—紫外殺菌燈11—養殖桶1。

Note: Cycle 1 (the solid line): breeding barrel 1- biofilm reactor 4- balance tank 6- UV sterilizer 11- breeding barrel 1. Cycle 2 (the dotted line): breeding barrel 1- arc screen 10- UV sterilizer 11- breeding barrel 1.

圖1 間歇式雙循環工廠化養殖系統示意圖和實物圖

Fig.1 Schematic diagram and image of sequencing batch-double cycle recirculating aquaculture system

養殖桶：玻璃鋼錐底養殖桶，直徑42 cm，高90 cm，養殖水體100 L，放養石斑魚初始質量約（273.00±12.22）g，初始養殖密度30.03 kg/m3，水體溶解氧（DO，Dissolved Oxygen）維持在4～6 mg/L，定期檢測水體鹽度，補充淡水維持鹽度（33±2）；保持養殖水體溫度在26～29 ℃。

生物膜反應器：塑料圓桶，直徑57 cm，高60 cm，有效水體80 L，投加海綿生物填料20 L（2 cm×2 cm×2 cm，孔徑3～3.5 mm），間歇式運行，曝氣時間4 h，沉淀靜置1.0 h，DO維持在4 mg/L左右，定期檢測投加碳酸氫鈉使得pH值不低于7.2，水溫維持在26～29 ℃。

調節池：長方體整理箱，長寬高為56 cm×41 cm× 35 cm，體積50 L，內置珊瑚砂和生化棉，定期檢查桶內污物沉積情況，及時清理并更換生化棉。

弧形篩：長寬高為65 cm×40 cm×40 cm，篩網孔徑約106m（150目），進水流速1200 L/h。全天運行，單位面積處理量6.85 m3/h，每天早晚清理弧形篩進水槽、集污槽沉積物，更換、清洗篩網。

紫外殺菌燈：功率5 W，長21 cm，持續開啟；定期檢查清理紫外殺菌燈表面污物，保證殺菌效果。

1.2 試驗方法

1.2.1 檢測分析方法

水體溶氧、溫度和pH值采用WTW（Multi 3620，Germany）檢測，濁度采用上海悅豐數顯濁度計（SGZ-2BXJ）檢測。氨氮（次溴酸鹽氧化法）、亞硝酸鹽氮（萘乙二胺分光光度法）和化學需氧量CODMn（堿性高錳酸鉀法）均參照《海洋監測規范-海水分析》（GB 17378.4-2007）進行測定。

1.2.2 生物膜反應器啟動

采用接種掛膜啟動生物膜反應器，將堆積體積為20 L的海綿填料放入馴化培養成熟的硝化型生物絮團[8]中進行接種掛膜。生物絮團體積40 L，初始濃度2.14 g/L。每天投加10 g石斑魚配合飼料粉末，緩慢攪拌使飼料粉末充分混合。維持反應器內DO 4～5 mg/L，pH值不低于7.2，水溫26～29 ℃，鹽度33。每天投加飼料粉末前測定水體DO、溫度和pH值，取水樣檢測氨氮、亞硝酸鹽氮和CODMn濃度。每兩天取反應器內海綿填料，切片后在光學顯微鏡下觀察生物膜附著生長情況。

填料掛膜共歷時22 d，期間生物膜在填料上附著生長（圖2），填料顏色由白色（圖2a）逐漸變成與生物絮團顏色一致的黃褐色（圖2b）。初期填料上附著生物膜較少（圖2c），隨著生物絮團逐漸轉移生長至填料上，填料上附著的生物膜逐漸增厚，第22天填料上的生物膜變得緊實（圖2d）。掛膜期間水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度在第4天出現快速增長，至第9天達到最高分別為7.25L、1.28 mg/L。之后第13～22天氨氮、亞硝酸鹽氮濃度快速下降，并維持相對穩定，氨氮濃度趨近于0，最高濃度僅為0.04 mg/L；亞硝酸鹽氮濃度在0.07～0.17 mg/L范圍波動。掛膜第1～13天CODMn緩慢增長，13～22 d趨于穩定，CODMn保持在38.01～42.77 mg/L范圍。至此，填料上生物膜生長狀況良好，且各項水質指標趨于穩定表明填料掛膜成功，將掛膜成功的填料移入生物膜反應器，進行接下來的養殖試驗。

圖2 掛膜過程中填料照片及顯微照片

1.2.3 石斑魚投喂方法

選擇適口餌料，每日投喂一次，投喂量按照魚質量的2%～3%投喂，視攝食狀態而定，以食欲出現減弱時為度；每天早上8:00～8:30投喂，投喂時，分批緩慢遍灑，等前批飼料搶食完再灑下一批，直至部分石斑魚游離不再搶食為止。

1.2.4 數據采集

每天早上投喂前測量養殖桶、生物膜反應器的水溫、pH值、DO，測定養殖水體濁度；每兩天取水樣（投喂前）測定同一循環周期內生物膜反應器進出水，養殖桶進出水的氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和CODMn濃度；每7 d取生物膜反應器內掛膜填料觀察生物膜狀態；每月稱量石斑魚質量，計算質量增長率、特定生長率、餌料系數。計算公式如下：

式中WGr為總質量增長率，%；0為試驗開始時石斑魚總質量，g；W為試驗結束時石斑魚總質量，g；RSG為特定生長率；為養殖天數，d；FCR為餌料系數。

2 結果與分析

2.1 生物膜反應器水處理效率及養殖水質分析

生物膜反應器水處理效率如圖3所示，養殖試驗期間，生物膜降解性能逐漸趨于穩定，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率不斷增加。在養殖試驗初期0～28 d，生物膜對氨氮、亞硝酸鹽氮的去除不穩定，去除率波動較大，氨氮、亞硝酸鹽氮最高去除率分別為76.80%、94.73%，最低為2.41%、5.46%。前期氨氮去除率的下降導致養殖水體氨氮濃度快速增長，氨氮從養殖第4天逐漸升高，至第12 d最高達到4.62 mg/L。氨氮濃度的快速升高，使得石斑魚在第9～16 d出現停食現象，據文獻報道此氨氮濃度對體長約20 cm的石斑魚毒性較小[9]，因此石斑魚未出現死亡，并在養殖水體氨氮濃度下降后第17天恢復攝食。養殖前期0～28 d，養殖水體亞硝酸鹽氮濃度相對氨氮變化幅度較小，亞硝酸鹽氮濃度緩慢增加。養殖中期28～44 d，生物膜降解性能緩慢提升，氨氮去除率在13.33%～31.81%范圍內變化，亞硝酸鹽氮去除率在14.84%～36.40%之間，養殖水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度分別在0.59、1.23 mg/L上下波動。養殖后期第44～66天，生物膜降解性能不斷提升至穩定狀態，氨氮、亞硝酸鹽氮最高去除率分別達到93.73%、93.50%并保持相對穩定，氨氮、亞硝酸鹽氮濃度穩定在0.05、0.1 mg/L上下。

在整個養殖過程中，養殖水體硝酸鹽氮濃度不斷增長（如圖4）。直至養殖試驗結束，養殖水體中硝酸鹽氮濃度達到46.98 mg/L。在養殖前14 d，養殖水體CODMn快速增長，之后保持相對穩定的狀態，CODMn濃度圍繞26.48 mg/L上下波動。

圖4 養殖水體硝酸鹽氮、化學需氧量（CODMn）濃度變化

表1中列出了文獻報道的單循環運行養殖系統的養殖密度、養殖水質等結果。可以看出，單循環運行模式，養殖密度在28.65～49.9 kg/m3之間，出水可維持氨氮濃度小于0.2 mg/L、亞硝酸鹽氮濃度小于0.5 mg/L；但在部分養殖品種中氨氮、亞硝酸鹽氮濃度較高[15]。且在美國紅魚（）和羅非魚（）的循環水養殖中同樣出現了硝酸鹽累積現象，硝酸鹽氮濃度分別達到了63.58和70～100 mg/L。本試驗采用雙循環模式后，生物膜反應器停留時間長，硝化作用完全，在最終養殖密度為60.78 kg/m3的情況下，出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度仍可穩定在0.05、0.1 mg/L，水質凈化效果較好。

圖5所示為養殖水體養殖期間濁度變化情況，在養殖前30 d，由于弧形篩對粒徑小于100m的顆粒物去除效果較小，養殖水體中小顆粒物濃度逐漸增加，濁度升高，導致水體透明度降低。濁度由養殖初期的0.9 NTU （Nephelometric Turbidity Unit）經32 d養殖增長至5.3 NTU。為了增加弧形篩對小顆粒物的去除效果，利用蛋白分離器的原理，在弧形篩進水槽設置納米管進行曝氣（圖1弧形篩實物圖），納米曝氣管產生的細小氣泡將養殖水體中的小顆粒物吸附、聚集，最后流經篩網濾出，養殖水體濁度可維持在1.0 NTU左右。圖6為弧形篩增加曝氣前后，養殖水體透明度變化照片，圖6 a中，由于養殖水體中顆粒物較多，水體渾濁，無法看清桶底的石斑魚，而在弧形篩增加曝氣后，顆粒物去除效果增加，養殖水體濁度降低，桶底石斑魚清晰可見（圖7b）。

表1 不同工廠化循環水養殖結果對比

注：—未提供；本試驗數據為養殖試驗后期（60～66 d）平均值。

Note: — Not provided; The mean values in this study were calculated from the results obtained from Days 60 to 66.

圖5 養殖水體濁度變化

圖6 弧形篩增加曝氣前后養殖水體透明度變化

2.2 養殖過程中生物膜變化

如圖7所示，養殖期間，海綿填料上生物膜形態發生較大變化。養殖初期（圖7a），海綿填料內部填充了大量接種的生物絮團，養殖第2周（圖7b），由于受到系統運行進出水沖刷，以及反應器內營養源與掛膜期間不同的影響，微生物活性較弱，生物膜開始脫落，填料孔隙內游離的生物絮團消失，附著生長的生物膜變薄。至養殖第3、4周（圖7c、7d），填料孔隙內游離生物絮團已全部流失，附著生物膜僅余少量，造成反應器出水氨氮、亞硝酸鹽氮出現短暫升高。從養殖第5周起（圖7e~j），隨著生物膜逐漸適應養殖環境，填料上的生物膜厚度逐漸增長，新增長的生物膜緊緊裹住填料骨架，孔隙中游離的生物膜則相對變少，填料骨架上的生物膜結構變得更加緊實，此時生物膜反應器氨氮、亞硝酸鹽氮去除率逐漸增加，出水水質逐漸穩定。

圖7 養殖期間生物膜變化(10×4)

2.3 石斑魚生長指標

表2中列出了養殖期間石斑魚質量變化，經過66 d的養殖試驗，石斑魚由初始平均質量（273.00±12.22）增長至（552.52±107.04） g，系統中石斑魚成活率為100%。通過計算，養殖試驗結束時，經66 d的養殖，系統內養殖密度達到60.78 kg/m3，石斑魚質量增長率102.39%，特定生長率為1.068，餌料系數為1.288。對比在普通網箱養殖石斑魚試驗中，300 g的石斑魚放養密度為5 kg/m3，池塘中養殖的赤點石斑魚（）的放養密度為0.08 kg/m3。在循環水養殖模式中，200～250 g的鞍帶石斑魚（）養殖密度可達12.7 kg/m3，最高可達32.5 kg/m3[18]。在辛乃宏等[19]構建的封閉式循環水養殖系統中，點帶石斑魚（）的養殖承載量可達到30 kg/m3，可見工廠化循環水養殖在高密度養殖方面具有較大優勢。一般連續運行工廠化循環水養殖模式（表1）養殖密度可達到28.65～49.9 kg/m3，成活率在90%～100%。本試驗構建的雙循環間歇式系統水處理效率提升后，初始養殖密度即可達到30.03 kg/m3，系統最大承載量為60.78 kg/m3，成活率實現100%，具有較高的養殖生物承載能力和成活率。

表2 石斑魚質量及養殖密度隨時間變化

3 討 論

本試驗選用海綿填料接種預先培養的硝化型生物絮團，海綿較常用的彈性立體填料、聚乙烯懸浮填料密度小、孔隙率高，接種快，縮短了填料掛膜的啟動時間[16]。但接種過程中無水流沖刷，導致形成的生物膜結構松散[20-22]。此外，由于試驗水體較小，緩沖作用小，在填料轉移至系統的生物膜反應器運行后，大量生物膜受進出水水流沖刷流失，導致養殖試驗初期氨氮與亞硝酸鹽氮去除率下降[23-24]。可通過模擬養殖系統進出水方式接種掛膜，縮短生物膜適應時間。此外，生物膜反應器中DO高，有機碳濃度低，抑制了反硝化細菌的生長，養殖水體出現硝酸鹽氮積累[25]。可在養殖系統調節池中引入水生植物對其進行吸收移除，后續將繼續開展相關試驗研究。

在養殖初期，系統氨氮、亞硝酸鹽氮濃度最高達到了4.63和1.23 mg/L，持續約4 d時間。據文獻[9]報道氨氮對平均全長10.5 cm斜帶石斑魚苗（）96 h半致死濃度LC50及安全質量濃度分別為51.4及5.13 mg/L，亞硝酸鹽氮對全長10.5 cm的斜帶石斑魚苗的96 h半致死濃度LC50及安全質量濃度分別為208.4及20.8 mg/L。試驗中出現的最高氨氮及亞硝酸鹽氮濃度雖然低于安全質量濃度，但仍出現石斑魚短暫停食現象，雖未導致石斑魚死亡但仍然會產生脅迫作用。預計在優化掛膜方式和增加水生植物后啟動循環水系統可避免此現象發生。

為構建間歇式雙循環養殖系統，本試驗前期對弧形篩的篩網孔徑和進水流量開展了優化試驗，篩選出過濾效果較優的參數應用于系統運行中；其次對用于生物膜反應器啟動的硝化型生物絮團也開展了系統研究，縮短了生物膜反應器的啟動時間；最后在系統正式運行前進行了反復多次預實驗。通過前期優化和長期運行，減小了無平行組試驗造成的誤差。最終間歇式雙循環養殖系統的水處理效率提升，最大承載量達到了60.78 kg/m3。此外，間歇式運行減少了水泵運行時間，為降低能耗提供了可能。再者曝氣式弧形篩將傳統弧形篩與蛋白分離器的作用結合，可省去蛋白分離器。加上弧形篩運行成本較微濾機等機械過濾設備低，十分有利于工廠化循環水養殖系統減少前期設備投資和運行能耗。后續將進一步開展間歇式雙循環養殖系統較大規模的優化降耗研究，進一步完善試驗結果。

4 結 論

間歇式雙循環工廠化養殖系統增加了水力停留時間，接種生物膜在適應養殖環境后，出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度可穩定在0.05、0.1 mg/L，保持養殖水體水質良好。試驗構建的曝氣式弧形篩能有效去除大顆粒物和粒徑小于100m的小顆粒物，保持養殖水體濁度為1.00 NTU左右。在養殖效果評估中，經66 d的養殖，石斑魚平均質量從（273.00±12.22）增加至（552.52±107.04）g，成活率100%，最終養殖密度達到60.78 kg/m3。綜上，試驗構建的間歇式雙循環工廠化養殖系統實現了對水質的穩定有效控制，提高了石斑魚養殖密度和成活率，增加了經濟效益，應用前景較好。

[1] 王峰，雷霽霖，高淳仁，等. 國內外工廠化循環水養殖模式水質處理研究進展[J]. 中國工程科學，2013，15(10)：16-23.

Wang Feng, Lei Jilin, Gao Chunren, et al. Research progress of water conditioning in industry recirculating aquaculture mode at home and abroad[J]. Engineering Sciences, 2013, 15(10): 16-23.(in Chinese with English abstract)

[2] 張曉雙，傅玲琳，呂振明，等. 國內外循環式工廠化水產養殖模式研究進展[J]. 飼料工業，2017，(6)：61-64.

Zhang Xiaoshuang, Fu Linglin, Lü Zhenming, et al. Research development review of recirculating aquaculture mode in China and abroad[J]. Feed Industry, 2017, (6): 61-64. (in Chinese with English abstract)

[3] 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)：5-11.

Chen Jun, Xu Hao, Ni Qi, et al. The study report on the development of China industrial recirculating aquaculture[J]. Fishery Modernization, 2009, 36(4): 5-11. (in Chinese with English abstract)

[4] Zhu Yan, Zhang Yan, Ren Hongqiang, et al. Physicochemical characteristics and microbial community evolution of biofilms during the start-up period in a moving bed biofilm reactor[J]. Bioresource Technology, 2015, 180: 345-351.

[5] Maddi Badiola, Diego Mendiola, John Bostock. Recirculating Aquaculture Systems (RAS) analysis: Main issues on management and future challenges[J]. Aquacultural Engineering, 2012, 51(Supplement C): 26-35.

[6] Brian L Brazil. Performance and operation of a rotating biological contactor in a tilapia recirculating aquaculture system[J]. Aquacultural Engineering, 2006, 34(3): 261-274.

[7] Ronald F Malone, Timothy J Pfeiffer. Rating fixed film nitrifying biofilters used in recirculating aquaculture systems[J]. Aquacultural Engineering, 2006, 34(3): 389-402.

[8] 田道賀，桂福坤，李華，等. 硝化型生物絮團的馴化培養[J]. 南方水產科學，2019，(4)：39-45.

Tian Daohe, Gui Fukun, Li Hua, et al. Domestication and cultivation of nitrifying bio-floc[J]. South China Fisheries Science, 2019, (4): 39-45. (in Chinese with English abstract)

[9] 鄭樂云. 氨氮和亞硝酸鹽對斜帶石斑魚苗的急性毒性效應[J].海洋科學，2012，36(5)：81-86.

Zheng Leyun. Acute toxic effects of ammonia and nitrite on Epinephelus coioides fry[J]. Marine Sciences, 2012, 36(5): 81-86. (in Chinese with English abstract)

[10] 李強. 半滑舌鰨養殖循環水系統的設計與試驗研究[D]. 青島：中國海洋大學，2012.

Li Qiang. Study of Closed Recirculating Aquaculture SAystem (RAS) for[D].Qingdao: Ocean University of China, 2012. (in Chinese with English abstract)

[11] 鮑旭騰，徐皓，倪琦. 一體式過濾凈化機在循環水養殖系統中的應用效果[J]. 上海海洋大學學報，2010，19(6)：841-847.

Bao Xuteng, Xu Hao, Ni Qi. Study on integrated bio-purificatory filter inrecirculating aquacultural systems[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2010, 19(6): 841-847. (in Chinese with English abstract)

[12] 齊巨龍，賴銘勇，譚洪新，等. 預培養生物膜法在海水循環水養殖系統中的應用效果[J]. 漁業現代化，2010，37(2)：14-18.

Qi Julong, Lai Mingyong, Tan Hongxin, et al. Research on the application of cultivating biofilms beforehand in seawater Recirculating Aquaculture System[J]. Fishery Modernization, 2010, 37(2): 14-18. (in Chinese with English abstract)

[13] 梁友，雷霽霖，倪琦，等. 云紋石斑魚工廠化循環水養殖技術[J]. 漁業現代化，2014，41(4)：26-28.

Liang You, Lei Qilin, Ni Qi, et al. The industrial farming technology ofin recirculation aquaculture water system[J]. Fishery Modernization, 2014, 41(4): 26-28. (in Chinese with English abstract)

[14] 朱建新，劉慧，徐勇，等. 循環水養殖系統生物濾器負荷掛膜技術[J]. 漁業科學進展，2014，35(4)：118-124.

Zhu Jianxin, Liu Hui, Xu Yong, et al. Dual-culture techniques for the rapid start-up of recirculating aquaculture system[J]. Progress in Fishery Sciences, 2014, 35(4): 118-124. (in Chinese with English abstract)

[15] Luo Guozhi, Gao Qi, Wang Chaohui, et al. Growth, digestive activity, welfare, and partial cost-effectiveness of genetically improved farmed tilapia () cultured in a recirculating aquaculture system and an indoor biofloc system[J]. Aquaculture, 2014, 422/423: 1-7.

[16] Huang Zhitao, Song Xiefa, Zheng Yanxuan, et al. Design and evaluation of a commercial recirculating system for half-smooth tongue sole () production[J]. Aquacultural Engineering, 2013, 54: 104-109.

[17] Lin Zhonglin, Wang Hua, Yu Chunyan, et al. Commercial production of tiger puffer () in winter using a recirculating aquaculture system[J]. Journal of Ocean University of China, 2017, 16(1): 107-113.

[18] 黃錦雄，楊宇晴，張海發，等. 循環水養殖條件下鞍帶石斑魚生長特點研究[J]. 漁業現代化，2012，39(1)：51-54.

Huang Jinxiong, Yang Yuqing, Zhang Haifa, et al. Research on the growth characteristics ofin recirculating aquaculture systems[J]. Fishery Modernization, 2012, 39(1): 51-54. (in Chinese with English abstract)

[19] 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的構建與運用[J]. 漁業現代化，2009，36(3)： 21-25.

Xin Naihong, Yu Xuequan, Lü Zhimin, et al. Effects of binders used in microdiets on survival, growth and Histopathology of intestine of Siberian sturgeon larvae[J]. Fishery Modernization, 2009, 36(3): 21-25. (in Chinese with English abstract)

[20] Nitta, Koh-Hei, Kuriyagawa Mizue. Application of catastrophe theory to neck initiation of metallocene-catalyzed high-density polyethylene[J]. Polymer Journal, 2012, 44(3): 245-251.

[21] 孫紅梅，楊小麗，陸繼來，等. 微污染水處理中生物填料的應用研究[J]. 安全與環境工程，2008，15(4)：55-59.

Sun Hongmei, Yang Xiaoli, Lu Jilai, et al. Research and application of biological package media in micro-polluted water treatment[J]. Safety and Environmental, 2008, 15(4): 55-59. (in Chinese with English abstract)

[22] 付昆明，張杰，曹相生，等. 曝氣量對不同填料CANON反應器運行效率的影響[J]. 化工學報，2010，61(2)：496-503.

Fu Kunming, Zhang Jie, Cao Xiangsheng, et al. Effect of aeration rate on CANON reactors with different carriers[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2010, 61(2): 496-503. (in Chinese with English abstract)

[23] Qiu Guanglei, Xiang Liancheng, Song Yonghui, et al. Comparison and modeling of two biofilm processes applied to decentralized wastewater treatment[J]. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China, 2009, 3(4): 412-420.

[24] Dou Nasha, Wang Lin. Microbial community structure and the performance of biological aerated filter under different temperatures[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(6): 2800-2806.

[25] 熊水應，李翠紅. MBBR工藝在微污染原水預處理中的應用[J]. 給水排水，2010(7)：29-33.

Xiong Shuiying, Li Cuihong. Application of MBBR in micro-polluted raw water pretreatment[J]. Water & Wastewater Engineering, 2010(7): 29-33. (in Chinese with English abstract)

Construction and effect of sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system

Li Hua, Tian Daohe, Liu Qingsong, Duan Yafei, Zhang Jiasong※

(,,,,,510300,)

Recirculating aquaculture system (RAS) can make the intensive fish production compatible with the environmental sustainability in fish farming. However, high operating cost and low stability of water treatment have limited its application in recent years. In this study, a sequencing batch double-cycle RAS was constructed, in order to increase the stocking density and survival rate for the better RAS water treatment stability. The special designed RAS was designed and operated from April to October 2019, in Shenzhen city, Guangdong Province, China. Both biofilter and mechanical filter were concurrently operated in the double-cycle RAS. The biofilm reactor was run in a 6 h cycle, where each cycle comprised of feeding (30 min), aerobic reaction (4 h), settling (1 h) and discharge (30 min). Hydraulic retention time increased with the intermittent biofilter, in order to completely degrade nitrogen pollutants. The arc screen was run continuously to remove solid particulate matter timely. A systematic investigation has been conducted to explore the system startup and its effect on high density grouper stocking. Nitrifying biofloc was first precultured as the seed sludge to startup the biofilm reactor. It took about 22 days to cultivate the biofilm on sponge fillers using the inoculation with nitrifying biofloc. The mature biofilm showed the high removal efficiency of nitrogen. In effluent, the concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen approached 0 and 0.1 mg/L, respectively. The sponge fillers with matured biofilm were transferred to the biofilm reactor, and then a grouper culture experiment was carried out with the initial stocking density of 30.03 kg/m3. In 0-28 days of culture, the biofilm on the sponge fillers was first detached as the water flow, followed by the regrowth after acclimation. The removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen decreased as the biofilm was detached, whereas, the ammonia concentration in culture water increased to 4.62 mg/L in day 12. High concentration of ammonia induced the grouper no eating during 9-16 d. However, the grouper was return to normal on 17th day, as the concentration of ammonia was far below the reported safe level. The removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen gradually increased to 93.73% and 93.50%, respectively, as the biofilm regrew on the fillers. The final concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen were stabilized at 0.05 and 0.1 mg/L, respectively. In addition, an aerated arc screen combined with foam separation and arc screen can remove fine particles, where obviously decrease the turbidity of culture water when the particle size was below 100 μm. The turbidity of culture water decreased from 5.3 NTU to 1.00 NTU, while kept the level in the subsequent culture experiment. Finally, the average weight of grouper increased from 273±12.22 g to 552.52±107.04 g, after 66 days culture, while the final stocking density reached 60.78 kg/m3, and the survival rate was 100%. This sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system has demonstrated the highly efficient water treatment, high stocking density, and high survival rate. Therefore, the proposed system can be expected for a wide application in fish farming in the near future.

aquaculture; water quality; sequencing batch; recirculating aquaculture; biofilm; grouper

李華，田道賀，劉青松，等. 間歇式雙循環工廠化養殖系統構建及其養殖效果[J]. 農業工程學報，2020，36(13)：299-305.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035 http://www.tcsae.org

Li Hua, Tian daohe, Liu Qingsong, et al. Construction and effect of sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 299-305. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035 http://www.tcsae.org

2019-12-24

2020-05-19基金項目：廣東省現代農業產業技術體系創新團隊項目（2019KJ150）；中國水產科學研究院基本科研業務費資助（2019CY0103）

李華，博士，助理研究員，研究方向：養殖排放水處理技術。Email：babybluedaisy@163.com

張家松，博士，研究員，研究方向：水產養殖。Email：jiasongzhang@hotmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035

S968.1

A

1002-6819(2020)-13-0299-07