基于物质平衡的对虾高位池循环水养殖系统设计与试验

杨 菁，管崇武，宋红桥，刘兴国，顾兆俊，郭益顿

（1. 农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2. 喃嵘水产（上海）有限公司，上海 201700）

基于物质平衡的对虾高位池循环水养殖系统设计与试验

杨 菁1，管崇武1，宋红桥1，刘兴国1，顾兆俊1，郭益顿2

（1. 农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2. 喃嵘水产（上海）有限公司，上海 201700）

为建立一种高效、低成本的高位池循环水养殖系统构建技术，采用物质平衡相关原理，结合水净化设施构建技术，精准设计确立水处理系统物理过滤设施体积、生物过滤设施体积、循环量及供氧量等关键参数，并优化系统结构，建立融斜管沉淀设施、流化床生物过滤设施、增氧于一体的设施型高位池循环水养殖系统。应用该系统开展凡纳滨对虾运行试验，结果表明：pH值7.43～8.03，溶解氧5.32～7.82 mg/L，氨氮值0.06～0.54 mg/L，水质调控良好；系统养殖负荷2.26 kg/m3，饲料系数1.17，成活率81.3%，取得高效养殖生长结果；单茬利润3.34万元，亩均年利润2.67万元（按1年3茬计），获得良好经济效益。该研究系统主要参数设定值（预期值）与实测值吻合较好，可为高位池养殖模式可持续发展提供借鉴。

养殖；设计；水处理；物质平衡；高位池；循环水养殖

0 引 言

高位池养殖是中国对虾生产方式中的一种重要生产模式。其特定设计的池底高程及排污系统能有效集污，及时排出池底污物，养殖用水均经消毒处理，避免病毒、细菌横向传播，具高密度集约化、产量高、病害少等特点，为中国对虾产业发展发挥了重要作用[1-2]。但是随着该模式高速发展，其弊端日益显现，包括水资源利用率低下、水域环境恶化进一步加剧、污染的养殖水域对生产影响等，严重制约该模式可持续发展。

循环水养殖系统是当今世界水产养殖系列模式中可达技术精准化、养殖水环境高度可控的一种先进模式，具有节能、减排、节水、节地、可控性强、低风险集约化、产品质量安全可靠等优点，是当前水产养殖先进生产力的发展方向[3-5]。国外将循环水养殖系统应用于大西洋鲑、虹鳟、欧洲鳗、尼罗罗非鱼等养殖，创造了巨大的商业利润[6-9]。国内通过引进消化、科技攻关,针对鲆鲽、舌鳎、对虾等不同养殖对象及工厂化养殖、池塘养殖、高位池养殖等不同生产方式，先后开展循环水养殖模式探索与实践[10-15]。高效、低成本的循环水养殖系统研发是目前循环水养殖模式发展和推广面临的重要课题。

本文以凡纳滨对虾为对象，探讨高效、低成本的高位池循环水养殖系统构建。运用物质平衡相关原理，结合水净化设施构建技术，设计优化高位池循环水养殖系统并开展运行研究，以期为高位池养殖模式可持续发展提供科学依据及技术支持。

1 材料与方法

1.1 系统设计及优化

1.1.1 总体思路

针对高位池养殖模式高密度集约化特点，围绕目前制约循环水养殖系统推广应用的技术瓶颈，运用物质平衡相关原理，结合水净化设施构建技术，精准设计确立水处理系统关键参数，并优化设施结构，建立融物理过滤、生物过滤、增氧于一体的设施型高效、低成本的高位池循环水养殖系统。

1.1.2 基本概况及工艺流程

系统位于喃嵘水产（上海）有限公司养殖温室内，由高位池及相应水处理设施、设备组成，包括带式过滤装置、斜管沉淀设施、三相流化床生物过滤设施、循环泵等。养殖对象：凡纳滨对虾，养殖水体：2 800 m3，设计养殖负荷：2.5 kg/m3。原水采用经室外池塘充分氧化后的地下井水，其主要水质参数：pH值7.5～8.1，DO 7.0 mg/L，盐度3‰～4‰。

工艺流程如图1所示，养殖污水经历带式装置过滤、斜管设施沉淀、流化床生物过滤、增氧后回至养殖池，实现水体循环利用。考虑高位池养殖模式特点，除水处理设施区设有鼓风增氧外，在养殖区另置有增氧设备，保证系统充沛溶氧。

图1 试验系统工艺流程图Fig. 1 Process flow chart of experimental system

1.1.3 关键参数计算

1）流化床生物过滤设施体积计算

根据系统总氨氮去除量、滤床氨氮去除负荷、滤床填料填充率，则有如下公式

式中Vbiofilm为生物过滤设施体积，m3；Rbiofilm为滤床氨氮去除负荷，g/(m3·h)，Malone等[16]研究表明循环水养殖系统中生物过滤器总氨氮去除负荷为35～350 g/(m3·d)，考虑流化床性能，本计算取为200 g/(m3·d)；PR为滤床填料填充率，%，根据滤床性能其值为30%～45%，本计算取为35%；RTAN为系统总氨氮去除量，g/h，基于总氨氮物质平衡相关原理，有如下公式[17]

式中QA为系统补水量，m3/h，根据循环水系统工作原理，其值为系统总水体量1%～6%，本计算取为3%；CTAN为系统氨氮浓度，mg/L，根据中国渔业水质标准[18]中非离子氨阈值，对其在25 ℃水温及 pH值 为7.0 的条件下折算取得系统氨氮浓度控制在3.5 mg/L以下[19]；PTAN为系统总氨氮产生量，g/h，有如下公式[20]

式中BM为系统养殖生物量，kg，设计为7 000 kg；rfeed为日投饲率，2.5%/d；PC为饲料中粗蛋白含量，40%；aTAN为投喂每千克饲料蛋白所产生的氨氮质量，取0.10[20]。经计算，Vbiofilm=95.8 m3。

2）循环量计算

依据氨氮计算：

根据生物过滤设施体积及滤床水力停留时间，则有如下公式

式中QTAN为系统循环量，m3/h；HRT为滤床水力停留时间，h，其值为0.2～0.4 h，本设计取值0.35 h。经计算，QTAN=273.7 m3/h。

依据溶解氧计算：

根据硝化反应耗氧量及进、出水溶解氧浓度，则有如下公式

式中QDO为系统循环量，m3/h；CfDOin为生物滤床进水溶解氧浓度，mg/L，设定为6.5 mg/L；CfDOout为生物滤床出水溶解氧浓度，mg/L，Burden[21]研究表明，其值取2.0 mg/L；RNOD为硝化反应耗氧量，g/h，根据基础生化反应方程式，每1 g氨氮氧化成硝酸盐需要耗氧4.57 g的氧气。则有如下公式[17]

经计算，QDO=283.6 m3/h。

依据氨氮计算所得QTAN小于依据溶解氧计算所得QDO，故系统循环量取为285 m3/h。

3）斜管沉淀设施体积计算

根据设施面积及设施总高，则有如下公式

式中Vfilter为斜管沉淀设施体积，m3；H为斜管沉淀设施总高，m，由清水区高、斜管区高、配水区高、排污区高之和确定[22]，根据水质特性并兼顾建设成本，本设计上述各区高相应取值为0.5、0.9、0.5、0.3 m；Afilter为斜管沉淀设施表面积，m2，有如下公式[22]：

式中Q为系统循环量，m3/h；q为斜管沉淀设施表面负荷，m3/(m2·h)，其与截留沉速密切相关。

截留沉速是指沉淀设施中可以去除的颗粒中粒径最小颗粒的沉速，是影响沉淀设施性能的重要参数。截留沉速愈小，悬浮颗粒去除率愈高，出水浊度愈低，但截留沉速太小，会导致设施表面负荷降低，不经济[23]。本文所应用的物质平衡相关设计原理，其重要前提是物理过滤设施充分发挥作用，能将系统中粪便和残饲在未被分解前，就快速排出系统。因此，合适截留沉速选择尤为重要，既能获得高悬浮颗粒去除率，又能使设施建设投入经济合理。

杨镭[24]依据相关资料，提出了合适截留沉速理论设计点：将颗粒群中数量占比份额最大颗粒的沉速作为沉淀设施设计截留沉速，可使单位沉淀设施表面积悬浮颗粒去除率达最大值。推导出了斜管沉淀设施表面负荷与截留沉速关系式，

式中U0为截留沉速，m/s；L为斜管长度，m，本设计取1 m；θ为斜管水平倾角，本设计取60°；d为斜管管径，m，本设计取0.03 m。并建议运行良好用于污水处理的斜管沉淀设施的截留沉速取值范围0.13～0.19 mm/s。根据上述原理，笔者运用斯托克斯公式[25]计算高位池循环水养殖系统截留沉速合适取值，

式中g为重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；ρs为悬浮颗粒密度，kg/m3，取1 100 kg/m3[26]；ρ为水体密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；d为颗粒直径，m，根据系统养殖水体悬浮颗粒分布特性，取40×10–6m；μ为水体黏度，Pa·s，取0.893 7×10–3Pa·s（设水温 25 ℃）。经计算，U0=0.10 mm/s，略小于前述建议值。

将此截留沉速值代入式（9），取得斜管沉淀设施表面负荷为 5.56 m3/(m2·h)，即本设计取值。经计算，Vfilter=112.8 m3。

4）供氧量计算

基于溶解氧物质平衡相关原理，有如下公式[17]

式中PDO为系统中溶解氧供应量，g/h；CDOout为系统出水溶解氧浓度，mg/L，设定为6.5 mg/L；CDOin为系统补水溶解氧浓度，mg/L，取为7.0 mg/L；RDO为系统中溶解氧消耗量，g/h，有如下公式[17]

式中RNOD为硝化反应耗氧量，g/h；RBOD为生化反应耗氧量，g/h，按1/3RNOD估算；Rresp为养殖生物耗氧量，g/h，有如下公式

式中Rshrimp为虾单位呼吸速率，mg/(g·h)，取值0.34 mg/(g·h)[27]。

经计算，PDO=4 075.9 g/h。

1.1.4 参数确定

1）养殖池

养殖区主体。考虑管理、运行成本，池型呈方形，尺寸50 m×50 m×2.5 m，养殖面积2 500 m2。池堤以1∶1坡比设计；池底则以微小坡度顺向中央直径为4 m集污区；集污区水泥结构，上设带顶盖的 6条导流槽，以利集污，导流槽由圆周通向中央集污口，其外围则覆以筛网（图2）。池堤及池底上覆地膜，地膜厚0.5 mm。

图2 集污区结构图Fig. 2 Chart of sewage collection area

2）带式过滤装置

固定于一体化设施区内，为物理过滤首道环节，对水中较大粒径悬浮物予以截留。由于系统循环量高达285 m3/h，采用处理量大、可连续运行具反洗功能的带式过滤装置。筛网120目，过滤能力300 m3/h，功率2.2 kW。

3）斜管沉淀设施

一体化设施区主体，为物理过滤关键环节，对水中悬浮物予以截留。考虑高位池养殖模式特点，采用污水净化中应用广泛的异向流斜管沉淀，其处理量大、沉淀效率高、水利条件好、管理方便[22]。为提高单位体积过滤效率，降低构建成本，减轻生物净化设施负荷，根据计算结果同时兼顾与流化床等设施的结构衔接，斜管沉淀设施结构、运行及性能参数确立结果见表1。

表1 斜管沉淀设施结构、运行及性能参数Table 1 Facilities construction, operation and performance parameters of inclined sedimentation

4）循环泵

考虑节能，采用流量大、扬程低的轴流泵。置于一体化设施区内，一次提水。循环流量285 m3/h，扬程3 m，功率4.0 kW。

5）三相流化床生物过滤设施

一体化设施区主体，为系统核心环节，对水体中溶解性有机物予以降解。采用的自主研发三相生物流化床其载体呈流化状态，气、液、固三相得以充分接触，生物膜更新快，传质效率高。结构、运行及性能参数确立结果见表2。

6）增氧

系统重要环节。高位池养殖模式是一种高密度精养方式，需要保持良好溶氧水平，以满足生物呼吸耗氧及硝化、生化反应所需氧量。根据模式特性及所需供氧量，采用罗茨风机、增氧机等分别对系统供氧。曝气设施均匀置于流化床生物过滤设施底部，每分钟供气量达养殖水体0.17%以上，风机功率2.2 kW。增氧机等置于养殖池内，包括水车式增氧机2台及涌浪机1台。考虑水体流态，涌浪机置于池中央，水车式增氧机布置于养殖池对侧，设备在增氧的同时推动水流，形成良好集污流态。涌浪机功率0.75 kW，增氧能力1.14 kg/h；水车式增氧机功率1.5 kW，增氧能力2.36 kg/h。

1.1.5 主要技术参数

系统主要技术参数见表3。

表3 主要技术参数Table 3 Main technical parameters

1.2 运行试验与管理

2015年5月投入试验运行。投放凡纳滨对虾苗40万尾，放苗密度：160尾/m2。选用蛋白质量分数高达40%优质配合饲料投喂，日投饵量为总虾质量的2.5%。涌浪机及水车式增氧机在养殖全期均开启，根据养殖不同阶段溶氧需求定时使用。水净化系统则在养殖中、后期由于有机负荷加大而投入运行，实现水体循环使用。定时排污。每天定时测定温度、pH值、溶氧、氨氮、亚硝酸盐氮，系统运行二周稳定后记录。每间隔15 d及试验毕取虾20尾进行体质量及体长测定并记录。

1.3 水质检测方法及数据处理

温度、pH值、溶氧： YSI-556多参数水质测定仪；氨氮：纳氏试剂光度法；亚硝酸盐氮：N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

将测得的水环境因子变化用折线图表示。平均值数据采用平均值±标准差表达。根据统计值计算饲料系数。饲料系数=单位时间摄食饵料量/单位时间对虾体质量增量。

2 结果与分析

2.1 温度、pH值及溶解氧变化

高位池水体主要理化因子变化见图3。温度变化范围23.1～31.2 ℃，均值（27.1±1.85） ℃；pH 值变化范围 7.43～8.03，均值7.72±0.12；溶解氧变化范围5.32～7.82 mg/L，均值（6.76±0.78）mg/L。各项指标均处于对虾适宜生长范围内。水温在养殖全程呈逐渐上升趋势；pH值及溶解氧在养殖早、中期基本稳定，但至养殖后期，由于负荷加大，二者略有下降。

图3 温度、pH值及溶解氧变化情况Fig. 3 Variation of temperature, pH value and dissolved oxygen

2.2 氨氮及亚硝酸盐氮变化

高位池水体氨氮及亚硝酸盐氮变化见图4。氨氮变化范围0.06～0.54 mg/L，均值（0.28±0.07） mg/L；亚硝酸盐氮变化范围0.01～0.08 mg/L，均值（0.03±0.02） mg/L。水体有机物有效降解，硝化及生化反应良好。自试验运行始，氨氮逐渐积累浓度上升，第36天达峰值后快速下降，之后稳定在0.20 mg/L上下；亚硝酸盐氮则相对平稳，除了第38天、第40天出现次峰值及峰值外，基本维持在0.05 mg/L以下。

图4 氨氮及亚硝酸盐氮变化情况Fig.4 Variation of ammonia and nitrate nitrogen

2.3 养殖生长情况

试验历时85 d，对虾平均体长及体质量变化见图5。对虾平均体长从（3.2±0.72） cm（第15天）长至（11.9±0.45）cm（第85天），平均体质量从（2.5±0.84）g（第15天）增至（19.5±0.61）g（第 85 天）。养殖负荷 2.26 kg/m3，饲料系数1.17，成活率81.3%（按终末平均体质量计）。

图5 平均体长及体质量变化情况Fig.5 Variation of average length and weight

3 讨 论

3.1 主要参数设定值（预期值）与实测值比较

表 4列出了高位池循环水养殖系统主要参数设定值（预期值）与实测值，并进行了比较。比较方法为参数的相对偏差[28]

式中E（P）为参数的相对偏差，%；Pexp为参数设定值；Ptest为参数实测值。

水温、pH值、溶氧及养殖负荷参数设定值（预期值）与实测值吻合较好，偏差范围 4%～10.3%，氨氮实测值则远低于设定值（预期值），偏差达92%。系统运行实测值是涉及设计构建、养殖技术、运行管理、气候状况等多因素影响的综合反映。本文对高位池循环水养殖系统主要水质参数及养殖负荷进行合理设定（预期），基于物质平衡相关原理，同时结合水净化设施构建技术，开展系统精准设计及结构优化，完成系统构建，并在养殖技术、合适运行管理方式支持下开展试验，系统运行稳定，主要理化因子与养殖负荷设定值（预期值）与实测值吻合良好。 至于氨氮实测值远低于设定值（预期值），分析原因，一是该设定值（预期值）是由中国渔业水质标准中非离子氨阈值在25 ℃水温及pH 值为7.0的条件下折算而得的，是系统氨氮控制限值。二是系统实际负荷量低于其设定值（预期值），进一步导致氨氮值下降。

表4 参数设定值（预期值）与实测值比较Table 4 Parameters value (expected value) compared with measured values

3.2 系统经济性分析

系统运行成本包括苗种、饲料、电费、管理费、投资折旧等，每茬(3月/茬)运行成本见表5。

表5 系统每茬运行成本Table 5 Running cost of system per crop

系统运行3月，收获凡纳滨对虾6 338 kg。按每千克25元计，每茬收入 15.85万元，扣除运行成本，每茬利润3.34万元。按1年3茬计，年利润10.02万元，亩均年利润2.67万元，获得较好经济效益。

构建的高位池循环水养殖系统在高效率生产同时，节水、节地、养殖污水零排放，是一种符合国家循环经济、节能减排、转变经济增长方式战略需求的高密度养虾模式。

4 结 论

运用物质平衡相关原理，同时结合水净化设施构建技术，精准设计，优化结构，建立了融斜管沉淀设施、流化床生物过滤设施、增氧于一体的设施型高效、低成本的高位池循环水养殖系统。

系统运行 3月，pH 值 7.43～8.03，溶解氧 5.32～7.82 mg/L，氨氮值0.06～0.54 mg/L，亚硝酸盐氮值0.01～0.08 mg/L，水质调控良好。系统养殖负荷2.26 kg/m3，饲料系数1.17，成活率81.3%。为高位池集约化养虾可持续发展做出了有益探索。

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Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond

Yang Jing1, Guan Chongwu1, Song Hongqiao1, Liu Xingguo1, Gu Zhaojun1, Guo Yidun2
(1.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai200092,China;2.Nanrong Aquatic Products (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai201700,China)

Higher place shrimp pond is an important production mode in China's shrimp production mode, but there are problems such as low utilization rate of water resources and pollution of aquacultural waters. In this papervannameias an object, using material balance principle and water purification facilities construction technology, including total ammonia balance, nitrification reaction oxygen balance, dissolved oxygen balance and the relationship between surface load and sedimentation rate of inclined pipe precipitation facility. To construct a highly efficient, low-cost of high pool recirculating aquaculture system, fluidized bed biological filtration facility volume were calculated using total ammonia balance. Based on the principle of dissolved oxygen balance, the oxygen demand of the system was calculated based on the oxygen consumption of nitrification and the dissolved oxygen concentration. Several key parameters were precisely established, such as physical filtration equipment of water treatment system volume, the volume of biological filtration facility, the circulating volume,oxygen supply and so on. According to the calculation results as well as taking into account the structure of the facilities between the convergence, and considering management and other factors, structure parameters of the system were determined,and a high pool recirculating aquaculture system were established, which including higher place shrimp pond and corresponding water treatment facilities and equipment, belt filter, pipe chute sedimentation facilities, fluidized bed biological filtration facility, aerobics facilities, circulating pumps and so on. The main technical parameters were: Aquacultural water of the system were 2 800 m3, the designed cultural density load was 2.5 kg/m3, the circulated flow rate was 285 m3/h, the water supply was 3.5 m3/h and the power was 12.15 kW. The system covered an area of 2 750 m2. Application of the system to carry outvannameibreeding experiment in May 2015 lasted for 85 days, the results showed that: pH value of 7.43-8.03, DO of 5.32-7.82 mg/L, ammonia nitrogen value of 0.06-0.54 mg/L, the water quality controlled well good. The breeding system load reached to 2.26 kg/m3, feed coefficient was 1.17, the survival rate was 81.3% (by final average body weight), which achieved a efficient growth results. The single crop profited 33 400 yuan, which accessed good economic returns. The set values (expected value) of main parameters such as water temperature, pH value, dissolved oxygen and aquaculture load were in good agreement with the measured values, and the deviation range between set value and the measured value was 4%-10.3%. The results provide a reference for the higher place pond culture model of sustainable development.

aquaculture; design; water treatment; mass balance; higher place shrimp pond; recirculating

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030

S969.19

A

1002-6819(2017)-14-0217-06

杨 菁，管崇武，宋红桥，刘兴国，顾兆俊，郭益顿. 基于物质平衡的对虾高位池循环水养殖系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：217－222.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030 http://www.tcsae.org

Yang Jing, Guan Chongwu, Song Hongqiao, Liu Xingguo, Gu Zhaojun, Guo Yidun. Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 217－222. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030 http://www.tcsae.org

2017-03-22

2017-06-25

国家科技支撑计划（2012BAD25B03）；上海市科技兴农重点攻关项目（沪农科攻字（2013）第6-4号）；现代农业产业技术体系建设专项资金（虾）（nycytx-46）

杨 菁，女，研究员，研究方向：水产养殖工程。上海 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，200092。Email：yangjing@fmiri.ac.cn