斑節對蝦循環水養殖系統構建與運行試驗

楊 菁，管崇武，宋紅橋，張宇雷，倪 琦

（中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092）

0 引 言

斑節對蝦聯合國糧農組織統稱大虎蝦，具有生長快、個體大、抗病力強、適溫適鹽范圍廣、肉質鮮美、市場價格高等特點，是世界三大主要養殖對蝦之一。20世紀末，斑節對蝦養殖產量占全球對蝦養殖產量的33%[1-2]。廣東、福建、海南等地是中國斑節對蝦育苗及養殖主要區域，傳統粗放型生產方式是其主要生產方式[3-4]。隨著模式弊端不斷顯現，該水土資源依賴型、生態環境破壞型生產方式已成為制約斑節對蝦養殖業可持續發展的主要問題之一。

循環水養殖系統具有節能、減排、節水、節地、可控性強、產品質量安全可靠等優點，是當前水產養殖先進生產力的發展方向[5-7]。國外不僅將該模式應用于大西洋鮭、虹鱒、歐洲鰻、尼羅羅非魚等養殖，而且也越來越多用于蝦類、貝類、刺參等品種，呈現出普及化、大型化、產業化[8-11]。國內近年來循環水養殖模式發展迅速，針對不同養殖品種的循環水養殖系統得以探索與實踐，取得了一系列應用成果。宋協法等[12]構建半滑舌鰨循環水養殖系統，水處理效果良好，飼料系數達1:1。張宇雷等[13]建立吉富羅非魚循環水養殖系統，養殖負荷高達104.2 kg/m3，成活率92.2%。黃志濤等[14]設計貝類循環水養殖系統，彩虹貝幼貝獲得32.4%相對增長率。但迄今關于斑節對蝦循環水養殖及相關研究仍鮮有報道。

本文自主設計水凈化裝備，構建斑節對蝦循環水養殖系統，并開展運行試驗，研究不同養殖階段相應調控方式下的水質狀況、養殖生長情況、裝備水凈化結果，對運行經濟性也進行討論，以期為斑節對蝦循環水養殖模式應用發展提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 總體思路

以斑節對蝦為養殖對象，自主設計物理、生物等關鍵環節水凈化裝備，構建循環水養殖系統，根據其不同養殖階段生長特性及水環境需求，采取相應水質調控方法，科學投喂，達到系統穩定、產出高效、投入經濟、運行節能的目的。

1.2 系統設計與構建

1.2.1 基本概況及工藝流程

系統構建于中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所如東基地溫室內。在原有流水養殖池基礎上增設相應水處理裝備，建立由養殖池、蛋白分離組合裝置、內循環流化床、循環泵等組成的循環水養殖系統。養殖池為半埋式水泥池，底部中央排污，池體尺寸18 m×15 m×1.40 m，有效水體250 m3。養殖對象為斑節對蝦，養殖設計負荷2.50 kg/m3。養殖原水為凈化后海水，其主要水質參數：pH值7.85～8.36，溶解氧濃度6.88～7.01 mg/L，鹽度21‰～24‰。

養殖池底部排出的水由循環泵分別泵入蛋白分離組合裝置、內循環流化床，經過懸浮物去除、有機物降解、增氧后回至養殖池，實現水體循環利用（圖1）。

1.2.2 關鍵環節裝備設計及計算

1）蛋白分離組合裝置

主要的物理過濾環節，利用氣浮原理分離水體中細小懸浮物及膠體，并予以去除。組合裝置由接觸室、分離室、氣泡發生器、填料等組成（圖2）。接觸室與分離室相連，氣泡發生器懸浮于接觸室，填料則內置于分離室。養殖水體與氣泡發生器負壓吸入的空氣充分混合，由于空氣被分散成無數細小氣泡，此微小氣泡粘附污水中細小懸浮物及膠體后上浮流入分離室，在重力作用下經一定分離時間實現固液分離，含污泡沫由集沫槽收集后排出，濾后水則在內置填料作用下有機物進一步降解，凈水由出水口流出。組合裝置結構緊湊，去除海水中細小懸浮物效率高，并兼具有機物降解及曝氣增氧作用。氣泡發生器采用潛水曝氣機，功率0.75 kW。

① 組合裝置循環量計算

根據系統懸浮物去除量、系統懸浮物濃度及裝置懸浮物去除率，組合裝置循環量計算公式如下：

式中QTSS為組合裝置循環量，m3/h；CTSS為系統懸浮物濃度，mg/L，取30 mg/L[15]；ETSS為組合裝置懸浮物去除率，%，根據裝置性能取為40%；RTSS為系統懸浮物去除量，g/h，基于物質平衡相關原理，計算公式如下[16]：

式中QA為系統補水量，m3/h，考慮工況，本計算日補水取系統總水體量的12%；PTSS為系統懸浮物產生量，g/h，計算公式如下[17]：

式中BM為系統養殖生物量，kg，設計為625 kg；rfeed為日投飼率，%，按每天2.5%計；aTSS為投喂每千克飼料所產生的懸浮物質量，取0.30[17]。

經計算，QTSS=13.15 m3/h。故組合裝置循環量取為13.00 m3/h。

② 組合裝置體積計算

根據裝置面積及總高，組合裝置體積計算公式如下：

式中VTSS為裝置體積，m3；H為裝置總高，m，考慮停留時間并兼顧建設成本，本設計取值1.60 m；ATSS為裝置面積，m2，包括接觸室面積ATSS1、分離室面積ATSS2，對于后者，計算公式如下：

式中q為表面負荷，m3/m2·h，取為5.00 m3/m2·h[18]。經計算，ATSS2=2.60 m2。考慮結構，分離室尺寸（長×寬）1 850 mm×1 400 mm，面積2.59 m2；接觸室尺寸（長×寬）750 mm×1400 mm，面積1.05 m2。故ATSS=3.64 m2。

將裝置面積代入式（4），經計算，VTSS=5.82 m3。

③ 組合裝置水力停留時間計算

根據分離室面積、分離室有效水深及組合裝置循環量，組合裝置水力停留時間計算公式如下：

式中T為組合裝置水力停留時間，min；HTSS2為分離室有效水深，m，設計為0.92 m。

經計算，T=11.00 min。

2）內循環流化床

主要的生物處理環節，將水中呈膠體及溶解狀態的有機物予以降解。由床體及導流筒、濾床、布水及布氣設施等組成（圖3）。濾床內充填微孔頁巖填料，比表面積350 m2/m3。污水、空氣分別從布水及布氣設施均勻進入濾床，特定結構設計，使氣液固接觸充分，載體間摩擦強烈，傳質效果及生物膜活性好，有效強化了有機物降解過程。流化床兼具有生物膜法及活性污泥法優點，氨氮去除負荷高，抗沖擊負荷能力強，管理方便。

① 流化床體積計算

根據系統氨氮去除量、濾床氨氮去除負荷、濾床填料填充率，流化床體積計算公式如下：式中Vbiofilm為流化床體積，m3；Rbiofilm為濾床氨氮去除負荷，g/m3·h，根據裝置性能取為200 g/m3·d；PR為濾床填料填充率，%，本計算取為30%；RTAN為系統氨氮去除量，g/h，基于物質平衡相關原理，計算公式如下[16]：

式中CTAN為系統氨氮濃度，mg/L，取為3.50 mg/L[19]；PTAN為系統氨氮產生量，g/h，計算公式如下[17]：式中PC為飼料中粗蛋白質量分數，%，42%；aTAN為投喂每千克飼料蛋白所產生的氨氮質量，取0.092[17]。

經計算，Vbiofilm=8.30 m3。考慮結構，流化床尺寸（直徑×高）設計為Φ1 100 mm×3 400 mm，共3臺。

② 流化床循環量計算

根據流化床體積及流化床水力停留時間，流化床循環量計算公式如下：

式中QTAN為流化床循環量，m3/h；HRT為流化床水力停留時間，h，本設計取值0.40 h。

經計算，QTAN=20.75 m3/h。故流化床循環量取為20.00 m3/h。

3）增氧裝備及設施

系統重要環節以保障水體充沛溶氧。主要采用由羅茨風機提供加壓空氣、納米微孔管布氣的微孔曝氣增氧方式。通氣量大，充氧能力強，安裝簡便，防堵性能好。羅茨風機功率2.20 kW，8池共用。納米微孔曝氣設施均布于養殖池，共24組，每分鐘供氣量達養殖水體量0.20%以上。1臺水車式增氧機布置于養殖池一側以形成良好集污流態，增氧機功率0.75 kW。

4）循環泵

采用潛水泵，流量33.00 m3/h，揚程5.00 m，功率2.20 kW。

1.2.3 主要技術參數

系統主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數Table 1 Main technical parameters

1.3 運行試驗與管理

以構建的2組系統為試驗組，2019年6月1日投入運行。在已培育藻種的養殖池中放入斑節對蝦苗種共計17.5萬尾，放苗密度：350尾/m2，苗種規格：0.8～1.0 cm/尾。養殖全期投喂蛋白質量分數為42%的對蝦配合飼料，日投餌量為蝦質量的7%～10%（早期）、3.5%～7%（中期）、2.5%～3.5%（后期），日定期投喂3次。池內曝氣增氧組件養殖全程開啟，水車增氧機養殖后期全程運行。水循環系統養殖中、后期運行，循環量26.50 m3/h（中期）、33.00 m3/h（后期）。日（早期除外）定時排污2次，排污量為養殖水體的4%～10%（中期）、10%～12%（后期）。不定期投放微生物制劑、生石灰。

1.4 水質檢測及數據處理方法

溫度、溶解氧濃度、pH值：YSI-Proplus多參數水質測定儀；氨氮濃度：納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮濃度：N-（1-萘基）-乙二胺光度法；懸浮物濃度：濾膜重量法；體長：直尺；體質量：天平或磅秤。

以試驗組均值為指標值。使用Excel2016和SPSS13.0軟件進行數據處理。平均值數據采用平均值±標準差表達。根據所測值計算如下參數：

式中SGR為特定生長率，%/d；W為體質量，g；t為日齡，d；n為生長階段；VTRTSS為組合裝置懸浮物去除負荷，g/(m3·h)；CTSSin、CTSSout分別為組合裝置進、出水懸浮物濃度，g/m3；VfTSS為組合裝置過濾體積，m3；VTRTAN為流化床氨氮去除負荷，g/(m3·d)；CTANin、CTANout分別為流化床進、出水氨氮濃度，g/m3；VfTAN為流化床填料體積，m3。

2 結果與分析

2.1 水質狀況

2.1.1 水溫、溶解氧濃度及pH值變化

每天定時測定養殖池水體溫度、溶解氧濃度、pH值，其變化情況見圖4。養殖全期水溫、溶解氧濃度、pH值變化范圍及均值分別為27.40～33.20℃、（29.71±1.47）℃，5.30～7.14 mg/L、（6.34±0.49）mg/L，7.23～8.44、（7.90±0.33），均處于斑節對蝦適宜生長指標范圍內[20]。不同養殖期水溫均值呈現變化，養殖中期均值（30.75±1.54）℃居高位。溶解氧濃度則在養殖早期基本穩定，養殖中、后期呈現下降。養殖中、后期溶解氧濃度均值分別為（6.32±0.32）、（5.79±0.49）mg/L，較之早期均值（6.91±0.10）mg/L分別下降8.5%、16.2%。不定期潑灑生石灰，故pH值全期變化不大。

2.1.2 氨氮及亞硝酸鹽氮濃度變化

隔天定時測定養殖池水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度，其變化情況見圖5。水循環系統穩定運行后，始終將氨氮、亞硝酸鹽氮濃度分別控制在1.38、0.56 mg/L以下。養殖始氨氮濃度低，隨試驗進行氨氮濃度漸次升高，早期均值（0.92±0.70）mg/L；養殖中期氨氮濃度上升，第53天達峰值后快速下降趨穩，均值（2.31±1.19）mg/L ；養殖后期氨氮濃度在0.43～1.35mg/L范圍內上下波動，維持相對平穩水平，均值（0.94±0.23）mg/L。亞硝酸鹽氮濃度，第61天自峰值下降趨穩后，基本穩定在0.15～0.56 mg/L之間，均值（0.36±0.10）mg/L。

2.2 養殖生長情況

每隔30 d各池取蝦30尾進行體質量及體長測定。試驗完畢，統計養殖結果及攝食量。試驗歷時120 d，其生長情況見表2。

表2 斑節對蝦養殖生長情況Table 2 Growth of Penaeus monodon culture

斑節對蝦階段生長可分為3個時期：30～60 d為快速生長期，其體長及體質量增長率分別為250.66%、843.75%，特定生長率7.48%/d；60～90 d為穩定生長期，其體長及體質量增長率分別為51.22%、294.04%，特定生長率4.57%/d；90～120 d為緩慢生長期，其體長、體質量增長率及特定生長率均處于相對低值。各個階段的體長、體質量相對增長率以及特定生長率差異極顯著（P＜0.01）。終末養殖密度3.02 kg/m2，飼料系數1.67，成活率69.03%。

2.3 裝備水凈化結果

2.3.1 蛋白分離組合裝置

隔天定時測定裝置進、出水懸浮物濃度、氨氮及溶解氧濃度。組合裝置不同養殖期水凈化結果見表3。

表3 不同養殖階段蛋白分離組合裝置水凈化結果Table 3 Water purification results of protein separation and combination device in different breeding stages

融高效氣泡發生器于一體的組合裝置氣液混合充分，懸浮物去除效果好，其懸浮物去除負荷達（43.19±7.25）g/m3·h以上，并且養殖后期去除負荷顯著高于中期；裝置還能有效降解有機物，增加溶解氧濃度，其氨氮去除率（9.95±1.90）%以上，溶解氧提升（9.45±0.87）%以上。組合裝置水凈化性能達到了裝備設計指標要求。本試驗考慮對蝦對臭氧的耐受能力，未將組合裝置通入臭氧氣體聯合使用。宋德敬等[21]研究表明，采用通入2～10 mg/h臭氧氣體的蛋白分離器處理養魚水體，其懸浮物及氨氮去除率等水凈化能力顯著提高。

2.3.2 內循環流化床

隔天定時測定流化床出水氨氮濃度。流化床不同養殖期水凈化結果見表4。

由表4可見，當停留時間24 min以上時，流化床（填料比表面積350 m2/m3）凈化氨氮濃度（1.68±0.53）～（1.80±0.68）mg/L養殖水體其氨氮去除負荷達（122.34±22.56）g/m3·d以上，具良好硝化能力；養殖后期硝化能力顯著優于中期。Malone 等[22]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。李倩等[23]研究發現填料性能顯著影響濾器硝化能力及能耗。張海耿等[24]對石英砂流化床濾器氨氮去除能力研究，結果顯示其平均氨氮去除負荷達（271±122.4）g/m3·d。為進一步提升本裝備硝化能力，降低能耗，填料性能仍有待優化。

表4 不同養殖階段流化床水凈化結果Table 4 Results of fluidized bed water purification in different breeding stages

3 討 論

3.1 斑節對蝦循環水養殖

隨著社會經濟快速發展，循環水養殖模式成為未來最具發展潛力陸基養殖模式之一[25]。本文構建了包括養殖池、蛋白分離組合裝置、內循環流化床、增氧裝備及設施等的斑節對蝦循環水養殖系統，對斑節對蝦循環水養殖可行性進行初步研究。

養殖早期，對蝦處于幼蝦階段，投餌及代謝物都相對較少，低濃度營養鹽由菌相、藻相吸收利用，在水循環處理系統不運行情況下，氨氮、亞硝酸鹽氮濃度仍被控制在低值。養殖中、后期，對蝦投餌量增大至體質量的2.5%～7%，代謝物大量產生，殘餌也相應增加，水體營養鹽持續累積，水循環處理系統全程運行，中期循環量26.50 m3/h，后期增至33.00 m3/h，以在生物膜建立并穩定運行后有效控制養殖水體氨氮、亞硝酸鹽氮值；日集中排污2次，中期排污量為養殖水體的4%～10%，后期增至10%～12%，以盡快排除池底部粗顆粒物，減輕系統有機負荷；水車增氧機后期全程運行，以形成良好集污流態利于排污。養殖全程池內曝氣增氧組件均開啟，以滿足不斷增加的生物呼吸耗氧及硝化、生化反應所需氧量，保障水體充沛溶氧。調控方式下的斑節對蝦循環水養殖系統將養殖水體氨氮、亞硝酸鹽氮、溶解氧等維持在安全濃度范圍內，滿足了養殖對象水質需求。系統水凈化裝備在設定的水力停留時間下懸浮物去除能力及硝化性能良好，達到了裝備設計指標要求。斑節對蝦在循環水養殖模式水生態環境下正常生長，先后經歷快速生長期、穩定生長期及緩慢生長期。快速生長期、穩定生長期其生長特性與施永海等[26]研究室內工廠化流水養殖模式下斑節對蝦生長特性結果吻合，而在緩慢生長期其生長顯著優于后者。試驗取得高效養殖結果，養殖密度是池塘土池養殖6.33倍[27]，高位池精養3.24倍[28]。試驗終末飼料系數1.67，較之高位池精養模式的1.61[28]略高。飼料系數是評價系統運行性能的重要指標之一。在裝備硝化能力提高基礎上，制定精準投喂策略，降低飼料系數，優化系統運行是下一步研究重點。

3.2 運行經濟性分析

單茬運行成本包括苗種、飼料、投入品、電費、管理費、投資折舊等，見表5。

單茬運行成本共計88 309.80元，單茬每平方米成本176.62元。系統試驗運行120 d，斑節對蝦每平方米產量3.02 kg。按70元/ kg銷售價計，單茬每平方米收入211.40元。扣除成本，單茬每平方米利潤34.78元。按2茬/a計，每平方米年利潤69.56元，獲良好經濟效益。

表5 單茬運行成本Table 5 Running cost of per crop

4 結論

自主設計物理、生物等關鍵工藝環節水凈化裝備，構建技術先進、結構緊湊的斑節對蝦循環水養殖系統。針對其不同階段生長特性及水環境需求，采取相應水質調控方法，科學投喂。

運行試驗歷時120 d。系統溶解氧濃度5.30～7.14 mg/L，pH值7.23～8.44，氨氮濃度0.43～1.38mg/L（穩定運行后），亞硝酸鹽氮濃度0.15～0.56 mg/L（穩定運行后）。斑節對蝦在循環水養殖模式水生態環境下正常生長，先后經歷快速生長期、穩定生長期及緩慢生長期，終末養殖密度3.02 kg/m2，取得高效養殖結果。終末飼料系數1.67，單茬每平方米利潤34.78元，每平方米年利潤69.56元（按1年2茬計），獲得良好經濟效益。