國內外工廠化循環水養殖技術發展現狀及趨勢

蔡青霖，韓慶富

（1.蒼梧縣水產技術推廣站，廣西梧州 543000；2.桂平市水產技術推廣站，廣西貴港 537000）

工廠化循環水養殖新模式是以養殖廢水在水處理設備凈化后再利用為核心技術特點，并交叉結合普通動物學、機械工程學、環境工程學、計算機控制技術原理、土木工程學等多學科綜合衍生的一種新的集約化養殖模式。

1 國外工廠化循環水養殖技術發展現狀

1.1 國外工廠化循環水養殖的發展概況

國外的工廠化循環水養殖模式起源于20 世紀60年代，歐洲發達國家的魚類集約化養殖，核心技術基礎來源于內陸海洋水族館、智能化水族箱和流水高密度養殖模式等[1]，經歷準工廠化、工廠化和工業化循環水養殖3 個階段，現已基本實現機械化、自動化、信息化和現代漁業科學管理智能化。隨著歐盟水框架指令的頒布，循環水養殖已成為歐美一些國家的國策和水產發展重點[2-4]。

歐洲循環水養殖系統（RAS）構建技術早期主要發起于荷蘭和丹麥，以養殖非洲鰻魚、鱒魚和鯰魚等淡水養殖種類為主。荷蘭RAS 通常是室內封閉系統，用于非洲鯰魚和鰻魚的生產。丹麥典型RAS 為戶外的半封閉式系統，用于養殖鱒魚。隨著RAS 技術的發展和重視程度的遞增，循環水養殖的水產物種多樣性顯著性增多，主要養殖品種包括大西洋鮭、羅非魚、鰻魚、鱒魚、大菱鲆、非洲鯰魚、比目魚和蝦等十幾個品種[5-6]。

截至2014 年，美國和歐洲共建成360 家RAS 養殖基地，其中挪威和加拿大循環水技術尤為先進，循環水系統主要應用于鮭魚養殖生產[5]。從1985 到2000年，歐洲一個典型的農場生產鮭魚苗的能力（以生物量核算）平均增長了約20倍。蘇格蘭的生產力從1996年到2006 年翻了一番，現在每年可生產超過15 萬尾鮭魚苗。在歐洲西北部及加拿大、智利等國家，大型國際水產養殖公司不斷收購較小的公司，形成專業化運作的集團企業。比如，蘇格蘭、挪威和荷蘭公司的產量占鮭魚總產量的比例高達85%以上[7]。

歐洲發達國家采用封閉循環水養殖技術開展苗種培育和養殖的企業日益增多，如英國Bluewater Flatfish Farm，法國France Turbot SAS，德國Ecomares Marifarm GmbH 等，并朝著專用化、大型化方向發展，形成養殖裝備制造、系統設施集成和產業化應用于一體的完整產業鏈。

1.2 挪威的大西洋鮭工廠化循環水養殖技術世界領先

挪威擁有全球大西洋鮭工廠化循環水養殖最先進的技術，是北歐（丹麥、法羅群島、芬蘭、冰島和瑞典）唯一保持水產養殖快速發展的國家。并建立了大西洋鮭種質保護、良種選育、育苗、大規格苗種養成的全過程工廠化循環水養殖技術和裝備體系（見圖1）。20世紀60年代后期，由于自然資源的嚴重衰退，政府開始支持鮭魚養殖，80年代，鮭魚養殖產業開啟大規模商業化運作模式。由于擴大養殖區域，提高了水產養殖生產力、飼料及管理水平，挪威大西洋鮭養殖業取得顯著成效。大西洋鮭產量從1970 年的50 t 增長到2015年的130萬t，占全球大西洋鮭總量的60%。挪威大西洋鮭工廠化育苗結合網箱養殖的陸海接力模式被認為是當今世界海水工廠化養殖最成功的典范之一[8-9]。

圖1 挪威工廠化養殖系統典型工藝流程圖（引自挪威AKVA公司官網）

養殖品種鮭鱒魚是智利水產業比較主要的品種，其高效養殖產量僅次于挪威，是全球第二大鮭鱒魚類工廠化養殖的產量國。水產養殖品種一般有大西洋鮭、虹鱒和銀鮭。2009 年，三大主養品種產量達60.5萬t。智利三文魚養殖模式大部分采取挪威等歐洲發達國家較為先進的養殖技術，控制技術智能化，養殖企業的水處理設備配套技術先進，一般擁有從繁育場、培育場、海水網箱養殖場到加工出口的一條完整養殖生產過程[8]。

1.3 國外工廠化循環水養殖技術裝備研究現狀

國外依托發達的工業基礎，養殖關鍵設施裝備性能優越。在養殖系統關鍵設施設備制造方面，挪威的AKVA 公司生產包括魚類繁育、養殖、采捕、加工等全過程的設施裝備，以及海上養殖工船等大型設備；冰島的VAKI 公司主要生產吸魚泵、分魚機、投餌機等養殖管理配套設備；瑞典的HYDROTECH 公司，以生產高品質的微濾機為主。挪威AKVA 公司研發的Fishtalk-control 智能化投喂管理系統如圖2 所示。此外，還有美國ETI 公司研發的Feedmaster、芬蘭Arvo-Tec 公司研發的投飼機器人等，都是處于國際領先的投喂設施裝備。

圖2 AKVA公司生產的海上氣力投餌設備和養魚池

2 國內工廠化循環水養殖技術發展現狀

2.1 循環水養殖模式的水體動力學初步發展

計算流體力學模擬技術用于水產養殖系統設計。計算流體力學模擬技術最早應用于航空航天研究領域，近年來逐漸在養殖系統設計中得到應用，使水產養殖池、養殖設備的設計不再單純依靠經驗進行。養殖池的設計要求能在池內建立起具有足夠水流速度的理想流動模式，以便為魚類提供最佳游泳速度的同時及時清除池內固體污物[10]。國外利用計算流體動力學（CFD）技術對養殖設備的研究已有較長歷史，對于養殖池內的流場特征與集污性能等方面的研究具有很高的水平。國內在這方面的研究起步較晚，但已取得顯著成效，國內學者傾向于研究循環水養殖系統中各因素對于污水處理裝置性能的影響，最近幾年對養殖池集污效果的研究也逐漸增多。

利用計算流體動力學模擬和實驗驗證的方法研究了3 種微孔曝氣管道在矩形池中的污物收集和曝氣性能，查明采用四角式曝氣管進行污物收集的最優曝氣條件，建立了矩形養殖池的高效集污方案[11]。劉飛等[12]利用CFD 模擬方法對不同設定條件下含斜坡槽體中的水流對顆粒狀污染物的排放情況進行定量分析，優化了池塘循環流水養殖槽的結構參數。李源等[13]利用計算流體力學數學模型，研究了不同結構、操作參數下反應器液體流場、液體循環流量、氣含率的變化規律，查明了導流筒直徑、導流筒高度與反應器的內徑比的最優值。李建平等[14]對旋流分離裝置內部的流動特性進行數值模擬，查明了不同入口流量、不同入口濃度對固液分離性能的影響。

2.2 計算機視覺技術引入生物量識別和飼料投喂策略的研究

機器視覺、圖像識別、大數據分析等技術的發展和在水產養殖中的研究應用，促進了智能投喂、生物量識別技術的快速發展。有實驗研究中，利用圖像識別計數養殖池中對蝦存有量，為養殖投喂管理、投喂策略的科學制定提供了基礎[15]。趙建等[16]利用計算機在線視覺監測技術來分別實現實驗魚群局部異常行為的檢測識別，檢測識別準確率分別可達98.91%、91.67%和89.89%。另外，有研究提出了一種濾除水面反射對先前結果影響的方法，基于這些數據，確定了基于計算機視覺的攝食活動指數（CVFAI），用測量任意給定持續時間內魚的攝食活動[17]。有研究者開發了一種準確率很高（準確率為97.89%）的基于自適應神經網絡的模糊推理系統（ANFIS），用于水產養殖的飼料決策，可基本模擬魚類的實際食物搜尋行為[18]。

2.3 共性技術與設備研發帶動循環水養殖產業技術提升

在生物凈化技術方面，對生物反應器和生物膜載體填料進行優化設計，提高去除氨氮和硝酸鹽氮的效果[19-20]；史明明等[21]對低溫工況下不同啟動方式下流化床生物濾器效果進行了比較研究，優化了適宜低溫地區的生物膜掛膜方法；張海耿等[22]提出濾器床層下部是硝化作用發生的主要部位；于冬冬等[23]研制出了可邊工作邊反沖洗的氣提式砂濾器；李亞峰等[24]比較研究了不同生物濾料污水處理效果，自然掛膜比接種掛膜更有利于生物濾器運行穩定；侯志偉等[25]開展了水力停留時間（HRT）對固相反硝化處理效果的研究等。

在凈水裝備方面，開展了臭氧、紫外線、電化學等水體消毒滅菌和凈化技術的設備研究。開展了臭氧對細菌微生物和懸浮顆粒物作用機理和效果研究，發現適宜濃度的臭氧不僅能夠很好地控制細菌，而且可降低水體濁度[26-27]；開發了臭氧-紫外線反應系統，殺菌率達到97%。從篩縫規格、安裝角度及水處理量等方面，開展了弧形篩對顆粒物的去除效果研究[28]；研制了多向流重力沉淀裝置，能較高效地去除懸浮顆粒物[29]；紫外線殺菌消毒裝置布設位置，對養殖系統水環境及魚類的生長均有影響[30]；臭氧優先降低UV254 和水色，顯著提高水的可生化性；采用電化學方式處理廢水，電流密度上升可加快污染物去除；設計了脫二氧化碳、管式曝氣、葉輪氣浮等裝置，可有效凈化水質。

2.4 建立魚蝦藻貝參等多元化的循環水養殖模式

如前所述，我國在魚、蝦工廠化養殖方面，已經擁有了成熟的規模化工廠化養殖技術與裝備體系。此外，在微藻、貝類及刺參等水產品工廠化養殖方面也開展了大量研究和產業化實踐工作，尤其在單胞藻培養、貝類、刺參等育苗方面建立了成熟的工廠化養殖和繁育技術體系。中科院海洋所研發了一種封閉式微藻規模化培養的管道光生物反應器，并用于雨生紅球藻的規模化生產，建立成套的紅球藻提取蝦青素生產工藝體系。華東理工大學采用“異養-稀釋-光誘導”連續培養工藝實現小球藻工廠化高密度培養，解決了傳統光自養培養細胞密度低、生長速率和產率低、藻細胞采收成本高、產品質量難以保障等諸多問題。貝類、刺參等重要水產經濟動物的工廠化育苗技術發展成熟，且均具有相當規模。然而，當前貝類、刺參等生物的苗種培育仍主要采用換水式的工廠化養殖模式進行，設施化、自動化程度低，在養殖模式上具有很大的提升空間。

3 工廠化循環水養殖產業的國際問題分析

3.1 建設成本和能耗偏高是循環水養殖模式存在的主要問題

根據相關的研究報道[31-33]，工廠化養殖在能源消耗（電能和燃料）及建造成本方面高于其他傳統養殖模式，是工廠化養殖可持續發展面臨的最大挑戰。工廠化養殖通常采用集約化的生產系統，減少了水和土地的使用，然而能耗高的缺點會增加運營成本，同時增加使用化石燃料所產生的潛在環境和能源影響。

為了實現經濟和環境可持續發展，必須在用水、廢物排放、能源消耗和生產效率之間找到最佳的搭配方案。開展工廠化養殖設施節能減排技術相關研究，研發工廠化養殖綠色高效的新技術、新裝備，將是未來工廠化養殖發展中需要重點解決的產業問題。

3.2 病害問題制約工廠化循環水養殖模式的健康發展

各種病害問題是影響工廠化養殖健康發展的重要因素之一。鮭魚傳染性貧血（ISA）是由鮭魚傳染性貧血病毒引起的嚴重病毒性疾病。受該病影響，智利大西洋鮭魚產量在2009—2010 年連續出現大幅減產。而嗜冷黃桿菌引起的虹鱒魚苗綜合征（RTFS）是全世界鮭魚養殖業面臨的另一重大疾病問題[34]。這種疾病是由一種克氏桿菌的革蘭氏陰性細菌引起的。被感染的虹鱒脾臟、肝臟和腎臟會出現壞死，停止進食并表現出異常的游泳行為，該疾病對鮭魚苗的致死率很高，每年對鮭魚苗種生產造成巨大損失[35-36]。對蝦工廠化養殖面臨的病害問題比魚類更為嚴重。常見的對蝦疾病有幾十種之多，如白斑病（WSD）、黃頭病（YHD）等困擾著工廠化養蝦行業，成為養蝦產業健康發展的重要障礙[37]。

4 展望

高效、智能、精準養殖是我國水產養殖業未來綠色發展的重要方向，將突破水產養殖物聯網、智能控制、大數據技術、機器人與智能裝備的研究與研制，與基于養殖生物特性的循環水養殖系統相整合，從而構建陸基工廠化“無人”智能漁場。隨著水質監測傳感器國產化、信息數據處理智能化和物聯網平臺的快速發展，可能實現將智能化技術成果應用到工廠化養殖模式當中[38]。然而必須明確的是，只有在充分研究和明晰養殖對象生理狀況、行為特征及其變化規律、生長曲線及能量收支規律、養殖生產過程中水環境變化及調控機理等的基礎上，才能集成物聯網大數據采集與分析，構建養殖對象健康監測與評估、養殖過程管理、水質監控、養殖設備操控等為一體的養殖專家管理系統，實現智慧漁業的目標。