工厂化循环水养殖研究现状及应用前景

文/胡金城 于学权 辛乃宏 邢克智

工厂化循环水养殖研究现状及应用前景

文/胡金城1，2于学权2辛乃宏3邢克智1

本文对工厂化循环水养殖研究现状进行了介绍，阐述了目前循环水养殖国外和国内发展概况以及工厂化循环水养殖的研究进展，分析了我国工业化循环水养殖存在的主要问题和发展前景，希望为国内企业发展工厂化循环水养殖提供一定程度理论依据。

一、循环水养殖国内外发展概况

人们常说“养鱼先养水”，“养鱼就是养水”。由此可见水质在水产养殖中的重要性不言而喻。水质影响到养殖鱼类的生长和发育。

各个国家为确保本国本地区水产养殖业的可持续性发展，都在积极发展能有效调控水质的养殖模式，在此大背景下，工厂化循环水养殖技术发展起来，应用面积越来越大，规模较大的循环水养殖场层出不穷。当前国外学者不仅在循环水养殖科学研究方面，还在实际生产应用方面已经获得多项突破，成就斐然。

欧洲现在的主流养殖模式是高密度封闭循环水养殖，提高养殖生物放养密度进而提高了养殖总产量，单产最高可达100kg/m3，同时所养殖的品种范围不断扩大，现已普及到虾类、贝类、藻类的养殖。在丹麦，平均每10万人就拥有一家循环水养殖场，越来越多的鲑鱼流水式养殖车间正在向循环水养殖转变；目前在德国，有70多座工厂化水产养殖系统；在法国，几乎所有的多宝鱼和牙鲆苗种孵化和养成都用循环水系统；西班牙和葡萄牙的养殖量有70%是在循环水里实现的；在荷兰，工厂化模式养殖尖齿胡鲶鱼，养殖密度达到了300kg/m3，着实令人叹服；在挪威，利用循环水养殖鲑鱼幼鱼，在2005年其全国总产量只有35万尾，到了2009年总产量已经高达380万尾，增长了约11倍，生产规模逐年扩大，挪威最近时期启动了“网箱上岸”的国家计划，以每年20%的增量，将大西洋鲑鱼从网箱养殖转移到循环水车间养殖。

公司鸟瞰图

在北美州，用循环水模式养殖冷水性鱼类（鲑鳟），这个产业发展水平很高。加拿大的丹尼尔斯港养殖场是先进的循环水养殖单位的典型代表。在美国，工厂化循环水养殖模式研究从上世纪六七十年代就快速发展，并技术水平一直领先，一种研究路线是集成了多种水处理设备的高集成模式；另一种是使用简单的水处理方式获得较高收益的经济型模式。

在日本国内，一些大型资本财团如伊藤忠集团、住友集团等看中循环水养殖的优势，纷纷在循环水养殖产业中投入巨额资本，以期获得丰厚回报。这些财团称该养殖模式为“陆上养鱼”或“水道养鱼”。

我国是全球最大的水产养殖国家，海淡水总产量已占世界的六成以上，我国也是唯一养殖产量超过捕捞产量的国家。近年来，我国水产养殖业蓬勃发展，全国养、捕比例逐年提高，在2014年比例是73∶27。我国总人口已近14亿，靠捕捞的水产品产量已很难满足人们日益增长的消费需求。2014年全年海水养殖总产量达到1812.65万吨，总产值达到2815.47亿元（中国渔业年鉴2015年）。虽然海水养殖的产值和产量数据令国人骄傲，但当前的海水养殖大多是应用池塘养殖或网箱养殖等粗放、半精养的养殖模式，存在占地广、能耗高，技术水平较低的问题，同时由于这些养殖模式的人工调控程度较小，产量低，水产品品质差，带来的环境污染问题也很突出。

循环水养殖是我国陆基化水产养殖的发展方向，只能走规模化养殖和高效养殖的道路。1988年,中科院院渔机所的一批学者从德国引进设计技术并进行尝试,设计建造了我国历史上第一个真正意义的生产性循环水养殖车间，由此循环水养殖模式在我国水产业得到了迅速的推广。淡水养殖主要是靠近热电厂兴建车间，用温排水来养殖淡水鱼；还有靠近山区兴建车间养殖冷流水养虹鳟。海水工厂化育苗起步早，于上世纪50年代末就已经开始研究，经过两代水产人的不懈努力，养殖业内人士取得了巨大的收获。花鲈、真鲷、褐牙鲆、河鲀等品种人工繁育生产获得了成功，年育苗产量超过上百万尾。海水陆地工厂化养鱼起步较晚，发展初期只有少数热电厂温排水养殖牙鲆、河鲀等，可是这种养殖模式是通过大量更换新水来改善生态环境的，养殖产生的残饵和代谢排泄物不经任何处理就直接排放到养殖场周围的水域环境中去，所以尚处在工厂化养鱼的初级阶段。

后来国内水产养殖企业继续学习国外先进技术，并引进水处理设备，流水养殖模式经过转型改造，发展成为封闭式循环水模式。其发展和应用主要从我国北方沿海地区鲆鲽类产业上开始。据统计，2014年我国工厂化养殖的规模已接近6000万m2，产量36.7万吨，其中，海水工厂化养殖规模为2564.5多万平方米，产量17.0万吨。山东和福建两省的海水工厂化养殖面积总和占全国总养殖面积的一半还多。天津市和海南省的海水工厂化养殖面积比较接近，都是40余万平方米。见图1（中国渔业统计年鉴2015年）。

天津市滨海新区在国内推广应用海水鱼循环水养殖模式比较早，经过10余载的发展，截止到2014年底总海水工厂化养殖面积是42.46万m2。

图1 我国2014年主要地区海水工厂化养殖规模

二、工厂化循环水养殖研究进展

工厂化循环水养殖，不同于传统意义的粗放型养殖模式，它随着科技进步逐步改进。涉及到增氧、过滤、消毒、温度控制及氨氮、亚硝基盐调控等多项技术，集成运用生物学、水化学、机械力学、电子学、建筑工程学等多门学科原理，实现了水产养殖过程的集成化、智能化控制。可见这是一个规模体系庞大的养殖技术的综合体。

工厂化循环水养殖的最终目标是在将放养密度不断加大，使养殖生物能在优质、稳定的环境中达到快速生长，获得高产量，投资者能够获得巨大收益。循环水养殖模式水温能保持稳定，变化幅度较小，不受天气气候影响，养殖车间里面没有四季之分，可以实现全年连续性生产。进水和换水都是在人为的控制下进行，减少了外来水源水质条件不稳定的影响。一些杀菌消毒设备的投入使用，辅助运行，可有效防御病原微生物侵入，达到减少感染疫病的目的。循环水养殖占地面积少、节约水资源、单位水体生产力高，能生产出无公害水产品，是水产养殖业未来发展的方向。

循环水养殖模式是用最少的投入得到最优质的养殖生物赖以的生长环境，主要是调控关键性水质指标使得养殖生物能够健康快速的生长。维持养殖水体的良好性是对于成功养殖非常重要的。所以养殖系统间的所有设备和设施都是围绕“养水”这个核心主题进行工作和运转的。

1.生物过滤

鉴于生物滤器在循环水养殖水质的稳定性上起着重要作用，近几年我国对生物滤器的研究加大了科研力量,在其基本工作原理的研究领域已经研究的比较透彻并取得了一定的成果。

生物滤池是生物滤器的主要载体，定向培养微生物菌群,降解水体中含氮化合物,实现水质净化,反应过程一般包括硝化反应和反硝化反应。简单的讲，就是在生物滤池中填装比例适量的填料，通过精心培养，促使填料表面生长生物膜，主要由自养型硝化细菌组成，产生硝化反应去除水中的氨氮和亚硝基氮。目前在我国北方鲆鲽类养殖面积很大，多采用循环水养殖模式，这些循环水养殖系统大多数是应用浸埋式生物滤池。

中科学院渔机所从美国引进一种新型漩涡式流化沙床，提升生物过滤技术。这种流化沙床的比表面积很大,硝化细菌可以稳定附着在沙床上，同时过滤器的水处理水量大、效果好。

2.物理过滤

物理过滤主要是清除养殖水体中悬浮物、粪便和残饵等固体废弃物等。在海水鱼类循环水养殖系统中，使用率最高的过滤设备是以下三种：微滤机、弧形筛和蛋白质分离器。主要作用是：利用过滤、沉降、吸附等方式去除水体中的固型颗粒物。

较早时养殖生产企业使用的是微滤机，通过固液分离作用，去除水中的固体颗粒物。宿墨等研究结果表明微滤机使用200目网目的滤网时过滤处理效果最佳。为了实现滤网的自我清洁，保证微滤机持续有效地运行工作，一般设有定时反冲洗装置，将滤渣从滤网中冲出，移除到循环水养殖系统之外。

在循环水养殖系统中，近年来还应用到弧形筛。弧形筛最早是在煤炭开采中洗煤环节应用。有研究成果表明弧形筛的筛缝的间隙在250μm 时过滤效果最好,能有效去除养殖回收水中粒径大于300μm的固体颗粒，筛除率可达 90%,同时可以提高水体pH 值、降低COD,弧形筛的能耗很低。

蛋白质分离技术最早的应用是在上世纪70年代工业废水处理中（黄铭荣等，1995）。后来被应用到循环水养殖上来。主要工作原理是“气浮”：向水体中不断充气，表面活性物质被微小气泡所吸附，浮于水面形成泡沫，进而被收集并清除，达到水质净化的目的。废水中存在的蛋白质等有机物可被矿化成具有毒性的氨化物以及其它有毒物质，采用蛋白质分离技术对水体进行处理，可消除这种现象。

微滤机的制作成本一般较高,运行时能耗高而且容易发生损耗，比如滤网需要频频更换。蛋白质分离器能耗比微滤机要低。近年来投入使用的弧形筛，其制作成本较低，能耗却比蛋白质分离器还要低，所以在养殖企业中基本使用弧形筛而不用微滤机。在实际生产中，养殖场常常把弧形筛和泡沫分离器一起配合使用，效果反映不错。

3.杀菌、消毒设备

目前循环水养殖系统中主要使用臭氧和紫外线杀菌消毒。它们消毒效果不错。

孙广明等（1996）在水族箱中进行了臭氧杀菌效果试验,通臭氧前细菌总数为3.9xl03cfu/mL，弧菌量为1.4xl03cfu/mL,每天通二次臭氧,每次20分钟～60分钟,24h后,细菌和弧菌已检测不出,杀灭率达100%。宫小明（2001）用0.28mg/L的臭氧浓度对沙滤海水进行处理，在10分钟内就可以全部杀死溶藻胶弧菌等致病性弧菌。臧维玲等（2000）对罗氏沼虾育苗期间对孵化用水进行臭氧净化处理，实验池坚持不换水不用药，检测的氨氮、亚硝酸盐氮、COD浓度显著降低，实验池和对照池的幼虾进行比较，实验池幼虾体格强壮、变态率高，出苗率是对照池的1.7倍。臭氧的氧化消毒的副产物和残余有可能对鱼虾造成伤害，鱼类对水体中臭氧浓度安全值范围是0.008mg/L～0.06mg/ L。姜国良等（2001）在对牙鲆的急毒性实验中表明，残余臭氧浓度为0.2 mg /L～0.4mg/L时，12h牙鲆存活率为65%，24小时为7%。

海水中的臭氧浓度到一定时间就会饱和，达最大值。溶解度是有限的。因此，臭氧处理时注意浓度控制，保证达到理想杀菌效果。

养殖车间

由于臭氧处理容易产生残余,其最佳杀菌浓度不容易控制,在养殖企业实际生产中紫外线装置的使用更较广泛。

研究结果表明紫外线属电磁波辐射，杀菌的最有效波段在240nm～28Onm之间,主要的波长为253.7nm时，杀灭细菌效果最佳。向流经的水体放射紫外线，能穿过有害菌体的细胞膜，引起细胞核中DNA的构造变化，从而破坏有害菌体的繁殖能力，达到消灭病原菌的效果。福建省连江水产推广站在大黄鱼的育苗过程中使用紫外消毒技术,结果表明,紫外线对育苗用水平均杀菌率为99.87%,鱼苗平均成活率从18.0%提高到51.2%。

紫外光的穿透力较弱,紫外线灯长期在水体应用，水中的杂质会形成泥垢包裹在石英套管外壁上,影响了紫外线的透射，所以要及时清理。此外紫外线灯管的照射强度会逐日降低，要定期更换新的灯管。要注意教育工人远离紫外线光，尤其是紫外线正在运行工作时。

4.增氧设备

循环水养殖系统中可以使用罗茨鼓风机或者液氧来增加养殖水体中的溶解氧含量。Dr. Richard Speece于1969年发明了增氧锥设备，并于上世纪九十年代初应用于水产养殖增氧，增氧锥的O2转移效率可达到80%～99%。

石斑鱼养殖

三、我国工厂化循环水养殖存在主要问题和应用前景

进入21世纪以来，我国工厂化循环水养殖方式进入迅速发展期。具体表现是：不少企业家目光看的长远，热情高涨，对循环水养殖的持续投资，一些地区比如山东形成了产业化规模；科研机构和高校进行养殖废水处理技术的钻研，在污水零排放方面，取得了成果；优良养殖品种的引进力度加大；企业直接从国外引进先进的水处理设备，加速了国内设备的更新换代。

由于循环水养殖模式发展较晚，我国在设施及装备等方面，与发达国家还有很大的差距。设备的标准化和设备自动化程度较低；循环水系统各项装备的集成运转，数字化监控系统、专家管理决策系统有待完善；动物福利养殖保障机制尚未建立；新型清洁可再生能源的开发滞后。

我国于2001年12月正式加入世界贸易组织，我国的产业对外开放从此进入了全新的历史时期，政府提高了对养殖企业的管理要求，开始试行水产品追溯系统，追踪养殖的整个过程，包括水源、饵料、药物等投入品的使用和管理等。加强水产品质量管理不仅保障居民的身体健康，还有利于社会稳定，提高政府形象，增强产品市场竞争力、促进经济增长。国家提倡和鼓励企业应用循环水养殖模式，循环水养殖被公认为“零排放”，在财政上给与补贴支持。天津市市政府也多次制定出台鼓励政策，积极引导本地水产养殖良性发展。

国家农业部已经根据不同水产养殖品种，设立了相应品种的农业技术产业体系，并聘请相关专业的专家教授担任岗位专家。

四、总结

本文对工厂化循环水养殖研究现状进行了介绍，阐述了目前循环水养殖国外和国内发展概况以及工厂化循环水养殖的研究进展，分析了我国工业化循环水养殖存在的主要问题和发展前景，希望为国内企业发展工厂化循环水养殖提供一定程度理论依据。

作者单位：1.天津农学院 2.天津市海发珍品实业发展有限公司 3.中盐制盐技术研究院