高密度船載艙養式循環水養殖系統設計

畢傳健，張 千，黃建偉，朱端祥，張方華，劉亮清，程曉夏

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所/船舶與海洋工程特種裝備和動力系統國家工程研究中心，上海 200090）

當今我國社會經濟水平不斷提高，人們生活質量節節攀升，飲食方面對高端海洋蛋白的需求也是不斷增加，相關報道稱，未來十年全球將有2 000 萬t 的水產品缺口。但是，眾所周知的是，受到環保壓力的影響，我國近海漁業資源逐漸萎縮，養殖環境不斷惡化，水體污染嚴重，養殖空間不斷被壓縮，發展深遠海養殖已是必然趨勢[1]。其中，養殖工船以其可游弋養殖的強靈活性、抵抗臺風及其他自然災害侵襲的高安全性，成為實現深遠海養殖規模化生產的重要裝備。最近幾年，我國的水產養殖行業聯合船舶工業的專家們從提出大型養殖工船的創意想法到2022 年5 月20 日全球首艘10 萬t 級智慧漁業大型養殖工船“國信1 號”在青島交付運營，標志著我國深遠海大型養殖工船產業實現了由0到1的巨大突破。

而循環水養殖模式以其特有的高工業化程度、節水節地、節能減排、環境友好等特點，在水產養殖諸多模式中占有重要的一席之地[2]。對于陸基循環水養殖系統的技術探索，西方發達國家的水產專家早已開始了相關研究，例如Yossi等在研究MBBR生物濾器生物群落和氮物質流的文章中稱金頭鯛的養殖（gilthead seabream）密度達到了80 kg·m-3[3]。Ebeling 等構建的海鱒魚（sea trout）全封閉循環水養殖系統的養殖密度達到了112 kg·m-3[4]。本世紀以來，我國陸基循環水養殖技術快速發展，尤其是環保水處理技術的更新迭代帶動了行業技術模式的發展。我國相關部委也通過頂層策劃對陸基循環水養殖的關鍵技術進行科研預研[5]。未來深遠海大型養殖工船的生產運營需要結合循環水養殖系統的優勢特點，利用深遠海優勢水質資源，開展高經濟附加值魚類的養殖生產活動，突破我國深遠海養殖產業瓶頸。雖然目前行業內不乏一些關于陸基循環水養殖系統的設計資料，劉鷹等[6]及劉晃等[7]業內專家通過物質平衡關系建立了養殖關鍵水質指標（氨氮、溶解氧）的方程式，對部分養殖參數給出了建議，但是至今鮮有關于高密度船載艙養式循環水養殖系統設計的報道。

本文以大西洋鮭為養殖對象，設計的高密度船載艙養式循環水養殖系統是為了深入探討循環水養殖技術在船載艙養模式下的設計方法，并結合設計結果進行系統設備選型，目的是為我國深遠海大型養殖工船的養殖系統設計計算提供借鑒。

1 設計參數的計算

1.1 基礎參數的確定

高密度船載艙養式循環水養殖試驗系統（以下簡稱為高密度船載艙養系統），如圖1所示。高密度船載艙養系統由5 個3 m3八角形碳鋼噴漆養殖池以及相應的水處理系統構成，總養殖水體為15 m3。系統設計初期，設計養殖對象選擇的是極具有代表性的大西洋鮭，考慮到日后工程實踐的經濟效益，此次設計最高的養殖密度定為80 kg·m-3。養殖系統主要設計參數如表1所示。

表1 養殖系統主要設計參數

圖1 高密度船載艙養式循環水養殖系統

1.2 系統設計

1.2.1 工藝設計

高密度船載艙養系統水處理工藝流程如圖2所示。養殖水流出養殖池后，經過一系列水處理工藝，包括物理過濾、生化處理、消毒殺菌、溶解性氣體控制以及溫度調控等工藝，最終回到養殖池，實現水體循環利用，其中CO2脫氣與反硝化工藝采用支路形式設計。

圖2 高密度船載艙養系統水處理工藝流程圖

1.2.2 最大氨氮TAN（Total Ammonia Nitrogen）的產生速率（PTAN）計算

PTAN計算可用日投飼率與飼料中蛋白質含量的函數表示[8]，即：

（1）式中，PC為飼料中蛋白質的含量，本設計選用的飼料蛋白含量為43%，其余參數見表1。因此，該養殖系統的PTAN=19.81 g·h-1。

1.2.3 系統新水補充量（Q0）計算

對魚類毒性危害極強的氨氮在環境中會進行硝化反應，生成亞硝酸鹽氮（NO2--N）和硝酸鹽氮（NO3--N），其中硝酸鹽氮對魚類的毒性在科學界尚未發現明確規律，普遍認為，硝酸鹽氮對魚類的毒性較小。為保證系統正常運行，一般采用新水補充的方式進行濃度調控，系統新水補充量計算公式[9]為：

（2）式中，CNO3out為NO3--N的允許濃度上限，為了確保魚類生長環境，硝酸鹽氮的上限值為300 mg·L-1[10]，而本設計對CNO3out的取值設定為100 mg·L-1，因此Q0≈0.2 m3·h-1。

1.2.4 系統循環量（Q1）計算

系統循環量的計算設計需要綜合考慮總氨氮（TAN）、溶解氧（DO）、溶解性二氧化碳（CO2）、總懸浮顆粒物（TSS）等水質指標，循環量需要滿足其中任一指標的系統負荷。而計算依據則采用質量守恒計算模型（見圖3）[11]，即：

圖3 質量守恒計算模型

（3）（4）式中，C0、C1、C2和Cbest表示控制量TAN、DO、CO2和TSS 的濃度，即分別為新水、流入水處理系統的水質濃度、流出水處理系統的水質濃度和通過水處理系統可獲得的最佳濃度，單位mg·L-1；Q0為新水補充及排放的流量，單位m3·d-1；Q1為循環水的流量，單位m3·d-1；P為控制量（TAN、DO、CO2和TSS）的生產/消耗率，單位kg·d-1；T為水處理裝置處理效率，單位%。該系統的質量守恒計算模型參見圖3[11]。

1）基于總氨氮（TAN）的系統循環量Q1計算

C0為新水中TAN濃度，即C0≈0 mg·L-1；C1為流入水處理系統的TAN 濃度，養殖池中的總氨氮對養殖魚類具有極強烈的毒性，其濃度必須控制合理且在安全的范圍內，《漁業水質標準》（GB11607-89）中規定，養殖水體中非離子氨的濃度應小于0.02 mg·L-1[12]。而據氨的水解平衡關系[13]，在溫度為14 ℃、pH 值等于7的養殖水體中，C1為5 mg·L-1。所以，在該水環境下，養殖池中的總氨氮濃度應不大于5 mg·L-1[9]。與此同時，水體中的氨氮濃度也將極大地抑制魚類的生長，對于鮭魚類TAN 安全濃度應小于1 mg·L-1[14]，即C1=1 mg·L-1；本設計中生物濾器處理效率（T）通過經驗設定為50%，將數據代入式（4），得C2=0.5 mg·L-1。將以上數據代入式（3）計算，得Q1≈39.22 m3·h-1。

2）基于溶解氧（DO）的系統循環量計算

工程上，氧氣消耗速率計算一般以0.5 kg·kg-1(O2)飼料作為經驗參數[11]進行設計，即：

為保證大西洋鮭的安全健康生長環境，C1取8 mg·L-1，而在標準大氣壓下的14 ℃、鹽度為30的養殖水體，DO 飽和度達到240%時，進水中DO 濃度為14.6 mg·L-1[15]，增氧系統處理效率根據經驗取90%，代入式（4），計算得C2≈13.94 mg·L-1。在水溫為14 ℃，鹽度為30，表面大氣壓為標準大氣壓條件下，新水溶解氧C0=8.4 mg·L-1，將以上數據代入式（3），計算可得Q1≈42.07 m3·h-1。

3）基于溶解性二氧化碳（CO2）的系統循環量計算

CO2產生速率一般以1.375 kg·kg-1(CO2/O2)消耗作為經驗參數[11]進行設計，即：

（5）式 中，假 設C0≈0.5 mg·L-1，C1≈20 mg·L-1，二氧化碳脫氣塔處理效率設定為70%[11]，分別代入式（4）、式（3），計算可得Q1=24.9 m3·h-1。

4）基于總懸浮顆粒物（TSS）的系統循環量計算

TSS 產生速率一般以0.25 kg·kg-1(TSS)飼料作為經驗參數[11]進行設計，即：

（6）式中，假設C0≈0 mg·L-1，C1≈50 mg·L-1，豎流沉淀器、轉鼓微濾機結合固定床生物濾器對總懸浮顆粒物的攔截效率T≈90%，分別代入式（4）、式（3），計算可得Q1=2.56 m3·h-1。

1.2.5 系統循環量的確定

為保證大西洋鮭適應水質參數，應取最大值作為系統循環量，即Q1=42.07 m3·h-1。而考慮系統整體綜合能耗設計，以及當前行業內增氧工藝效率，可對DO 設計參數進行調整，以期得到更加合理的系統循環量，具體過程如下：通過增氧工藝將期望溶解氧濃度提高至15.1 mg·L-1，即Cbest=15.1 mg·L-1，代 入式（4），可得C2=14.39 mg·L-1，再代入式（3），計算可得Q1=39.11 m3·h-1＜39.22 m3·h-1。因此，本系統設計的最佳循環量應為39.22 m3·h-1。

1.3 養殖池設計

本系統設計了5 個3 m3水體的養殖池。由于該系統處于船載工況，為提高船艙的空間利用率，養殖池徑深比設計采用1∶1，形狀采用矩形切角設計，尺寸規格為1 540 mm(φ)×1 540 mm(h)。池體材料設計同樣匹配船載工況，采用碳鋼制作，并進行食品級環氧儲罐漆進行噴涂，以達到海水防腐以及食品衛生要求。每個養殖池均設計側排水與底排水，側排水經由養殖池側壁上的格柵口流出，占系統總循環量的75%，約29.5 m3·h-1。其中，底排水設計不同于常規陸基工況，考慮到在池體較高的徑深比情況下固體顆粒物將很難快速沉降至養殖池底部，因此采用如圖4 所示中心立管設計，底排水占總循環量的25%，約9.8 m3·h-1。

圖4 養殖池中心立管

停留時間演算。養殖池的停留時間（tHR）可以用養殖池容積（Vtank）和通過養殖池的流量（Q1）來計算：符合一般設計要求。

2 工藝參數的確定

2.1 豎流沉淀器設計

高密度循環水養殖系統中的顆粒廢棄物需要盡量在其降解之前排出系統，否則大大增加系統總氨氮的去除負荷。因此，本設計在微濾機之前設置豎流沉淀器，以降低微濾機去除TSS 的壓力。設計將養殖池中心排水先通過豎流沉淀器處理后，將出水與養殖池側排水相結合，合并進入微濾機進行處理，以期獲得最佳的系統顆粒廢棄物去除效果。根據經驗，豎流沉淀器水力負荷一般為7.32～12.24 m3·m-2·h-1[11]，本設計選取水力負荷q=9.78 m3·m-2·h-1，故計算豎流沉淀器截面積為：

根據實際需求，對豎流沉淀器進行非標工程化設計，尺寸規格為1.00 m(φ)×1.00 m(h)。

2.2 微濾機設計

微濾機目前是循環水養殖技術中針對固體顆粒物去除最為有效的一種設備，一般而言，養殖水體單次通過微濾機后對顆粒物的去除率可達50%以上[16]。本系統設計微濾機進水為魚池側排水以及豎流沉淀器出水后的合流，根據上述系統循環量設計計算結果，微濾機處理流量為Q=39.22 m3·h-1。出于船艙自動化要求，選用自動化轉鼓微濾機設備，篩網200 目（過濾孔徑為75 μm），驅動電機120 W。

2.3 蛋白分離器設計

蛋白分離器主要用于去除難沉降的水中膠質以及微小懸浮顆粒物，但是一般而言，蛋白分離器在系統中的尺寸相對較大，不適用于船載工況，因此本系統只做設計備用。根據經驗，日投喂每kg 飼料（假設3%的總懸浮顆粒物是通過蛋白分離器去除的）需要1.2 m3·h-1的氣流，同時需要水體截面面積為90 cm2[11]，則通過計算得到蛋白分離器供氣量為：

蛋白分離器所需截面積為：

同時，設計蛋白分離器與補充臭氧工藝聯動，以期改善水質。為提高系統安全性，設計采用1 kg 飼料添加13 g 臭氧[11]，計算得到臭氧添加量為156 g·d-1(O3)。根據實際工程需要，選定蛋白分離器規格為φ 0.92 m×h2.51 m；臭氧發生器選用空氣源10 g·h-1(O3)產量。

2.4 生物過濾器設計

養殖魚類雖然對蛋白質有很高的需求，但是其有限的消化能力會導致蛋白質中一定比例的氮物質無法被吸收利用[17-18]。生物濾器作為循環水養殖系統中的頭等水處理工藝，其擔負著氮元素的轉移、脫除等工作[19]。而移動床MBBR 生物濾器以其不需要反沖洗、無需清洗濾料等優勢成為不二選擇[20-21]。因此，本系統設計采用“固定床+移動床”串聯工藝，其中固定床生物濾器主要起攔截顆粒物作用，以減輕移動床生物濾器壓力，使得后者可以充分發揮硝化作用，降解總氨氮濃度。

2.4.1 移動床（MBBR）設計

據經驗，本設計選取氨氮面積負荷（ATR）為0.1 g·m-2·d-1（TAN）[22-24]，移動床填料選擇工程應用中常用的Kaldnes 5填料，其由高密度聚乙烯（密度為0.95 g·cm-3）制成比表面積（SSA）為800 m2·m-3，其吸附水體細菌的能力，以及生物膜上的細菌種類和豐度遠大于對應水體[25]。可根據下式[11]進行計算：

可得填料體積（Vmedia）為5.87 m3。懸浮填料應當能夠隨意活動，當填料所占百分比較高時，會影響移動床對氨氮處理效果[26]。本設計中填充率（PR）取值50%，則生物濾器體積VMBBR=Vmedia/PR=11.75 m3。停留時間HRT=VMBBR/Q1=0.3 h＞0.2 h，符合一般設計規律。

設計移動床高度、直徑之比為1∶1，數量為2個，并聯使用，則濾器直徑dMBBR可通過下式進行計算：

實際選取濾器尺寸為2 m(φ)×2 m(h)。

一般來說，移動床生物濾器曝氣和混合的氣體要求約為反應器的5倍[11]，則計算得：

2.4.2 固定床生物濾器設計

考慮到固定床主要起到顆粒污染物攔截作用，并作為后續移動床硝化作用的保險工藝，以減輕總氨氮處理負載，同時考慮到系統整體美觀性，因此本系統設計采用1個與移動床尺寸一致的圓筒形固定床濾器，填料選擇K5填料。

2.5 脫氣工藝設計

高密度循環水養殖系統中由于魚類數量多，而使得其呼吸作用產生的二氧化碳會隨著系統生產而逐漸積聚，甚至有時會達到周圍環境飽和濃度的20～100倍，過高的濃度會導致魚類缺氧，并且CO2與水反應生成的碳酸會使得水體pH 值在短時間內不斷下降，這將對系統的水質調控不利[27]。

因此，本設計采用滴濾塔工藝，采用支路設計模式，流量選擇依據溶解性CO2系統循環量而定，即為24.9 m3·h-1，液壓負荷選取20 L·m-2·s-1[11]，高度選擇1 m，氣液質量比采用5∶1[28]，則滴濾塔橫截面積可通過計算得到為0.35 m2，直徑為0.67 m。針對脫氣塔進行非標設計，實際尺寸為1.0 m(φ)×2.0 m(h)，填料選用Bioblock填料，有效比表面積為350 m2·m-3。

2.6 增氧工藝設計

在高密度工業化養殖過程中，水體中的溶解氧是魚類生存的首要條件，缺氧將造成全部養殖對象的快速死亡，造成巨大的經濟損失。針對船載艙養模式，本設計采用常規增氧與應急增氧的方式進行供氧。由于本系統為試驗驗證的小系統，所以常規增氧采用制氧機與增氧錐聯用工藝，應急增氧采用液氧供氧方式。若是針對實際工況，需要將更加穩定的液氧供氧作為常規供氧系統，使得養殖系統更加安全穩定。本系統根據“1.2.4”及“1.2.5”節所述，系統氧氣消耗量為250 g·h-1，增氧工藝出水要求須達到14.39 mg·L-1以上。因此，按照此參數對制氧機、增氧錐進行選型設計，增氧錐材質選用316L 不銹鋼，厚度2 mm，尺寸900 mm(φ)×2 130 mm(h)。

2.7 加藥工藝設計

本系統設計采用投加NaHCO3的方式對水質進行調控，根據經驗，NaHCO3的投加量為0.25 kg·kg-1飼料。根據計算，NaHCO3投加量為3 kg·d-1。基于此，對儲藥桶及加藥泵進行選型設計，在此不再贅述。

2.8 其他

其余工藝還包括紫外消毒處理、溫度調控等，在此不一一贅述。其中，由于大西洋鮭為冷水性魚類，因此溫控處理必不可少，在針對全年連續生產供應養殖魚類的經濟模式下，在夏季進行生產活動時，由于水溫過高，會導致大西洋鮭的食欲不振，從而影響生長[11]。

3 結論

養殖工船作為未來我國深遠海養殖產業的大型重要裝備，急需對其系統技術進行全面攻關。而傳統水產養殖方式的不環保性和對生態水體的沖擊性，已不再滿足當今社會的發展需求[29]，因此循環水養殖系統與深遠海養殖結合產生的船載艙養模式循環水養殖系統的應用符合我國深遠海養殖的可持續發展戰略需求。本研究在Timmos等[11]與張宇雷等[30]對循環水養殖系統物質平衡關系研究的基礎上，根據生產實際規模與理論目標負載，確定系統循環量以及工藝設備的具體尺寸等參數，具體設計參數匯總見表2。

表2 高密度船載艙養循環水養殖系統設計參數

本文對高密度船載艙養式循環水養殖系統的設計思路提出了新的建議，為未來深遠海養殖工船的養殖系統設計提供了較科學、完整的思路。