国内循环水养殖发展中的残饵粪便污染与治理现状分析

付成东 刘华兵 杨志 焦魁虎 孙慧群

摘要 循环水养殖模式（RAS）是目前国内水产工厂化养殖推行的节能、环保、高产模式，但由于养殖者重生产、轻管理、不懂技术及技术不成熟等原因，使养殖区残饵粪便污染一直得不到很好的解决，成了RAS模式最核心的技术难题。通过探讨国内RAS模式发展现状及工艺中存在的问题，分析了RAS系统中残饵粪便成分及其污染危害，并针对其治理工艺和技术提出研究的思路。

关键词 循环水养殖；残饵；粪便；污染；治理现状

中图分类号 S949 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）32-0076-04

Analysis of Pollution and Treatment Status of Residual Bait Feces in the Development of Domestic Recirculating Aquaculture

FU Chengdong1，LIU Huabing2， YANG Zhi1 et al

（1.Environmental Protection Bureau of Yingjiang District， Anqing City， Anqing，Anhui 246000；2.College of Resources and Environment， Anqing Normal University， Anqing，Anhui 246133）

Abstract The model of RAS is an energysaving， environmentfriendly and highyield model for domestic aquaculture factorization at present. However， because the breeders who do not understand the technology or possess immature technology pay more attention to production， less management， so that the pollution of baits and feces in breeding areas have not been well resolved with the result that it has become a core technical problem of the RAS model. Based on the discussion of the present development situation of the domestic RAS model and the existing problems in the process， this paper analyzed the components of residual baits and feces and its pollution harm in the RAS system， and puts forward some ideas for further research aiming at its treatment process and technology.

Key words Recirculating aquaculture；Residual bait；Feces；Pollution；Treatment status

作者简介 付成东（1976—），男，安徽安庆人，工程师，从事水污染治理研究。*通讯作者，副教授，博士，硕士生导师，从事水污染治理与生态恢复研究。

收稿日期 2018-09-09

全球渔业计划判断，今后10～15年全球水产养殖量增长率要达到100%，才能符合全球人民对水产品的需求，我国水产品总产量连续20多年位居世界首位[1]，对全球水产的贡献巨大，但我国是一个水资源非常匮乏的国家，近年来因养殖水域的二次污染和过度开发，水资源日益缩减，许多水产养殖基地养殖水面逐年减少。利用有限的水资源获得高产优质水产品，解决水产养殖快速发展与养殖环境日益恶化的矛盾[2-3]，成了当前国内水产领域重要的课题，低碳高效环保型的循环水养殖模式（recirculating aquaculture system，RAS）由此应运而生。笔者通过对国内RAS模式发展现状、工艺中存在问题的分析，探讨了RAS系统中残饵粪便污染的成分、形成原因和治理现状，以期为RAS模式残饵粪便的高效收集清除提供科学启发作用。

1 我国循环水养殖发展现状

自2016年到现在，我国促使水产养殖业重大转型的事件是网箱拆除事件，曾经作为传统养殖模式中极为重要的网箱养殖，对水资源十分依赖，一旦水源匮乏或污染，养殖就面临巨大风险，此问题近年来不断出现。我国RAS模式于20世纪90年代初以“温室大棚+深井海水”工厂化养殖模型逐步发展起来。2013年，苏州引进美国大豆出口协会80∶20模式技术转型和升级示范试验，这种低碳高效池塘循环水养殖技术（intensive pond aquaculture，IPA）即是RAS的一种形式，它通过建造流水养殖池和安装推水曝气设备，使原有的静态池塘变成动态循环流水，将池塘“开放式散养”变成“生态式圈养”[4-5]。截至2016年，池塘循环水养殖体系在国内陆续建立了起来，RAS作为水产养殖工厂化发展最先进的生产方式，被认为是21世纪水产养殖业发展的主导方向之一。

RAS模式下，水产品在封闭水域中经过一段时间的圈养后，其中的水不再适宜水产品的生存，对这些污水经过沉淀、过滤、消毒处理，使之再次变成适宜水产品生存的水资源，从而实现循环利用[6-7]。实践表明，该模式具有以下优点：①低碳环保。同样的生物负载下，RAS所消耗的能量远远低于传统水产养殖所消耗的能量，能有效地处理由于氮、磷等污染物质引起的养殖水体富营养化和污染，同时没有养殖废水排出，实现水体零排放[8]。②高密度高效益。与传统养殖方式相比，RAS模式需要的面积小很多，所以养殖密度大大提高，如虞城县推广80∶20模式放养全雄性罗非鱼的密度可达1 935 kg/hm2[9]。相同面积的养殖水体，经济产出比传统养殖高出几十倍，有人计算过，传统养殖方式下总产量10 t的鱼必须养在0.67 hm2的鱼塘里，而在RAS模式下125 m2的水池就可達到此产量。③养殖周期短。所兴等[10]鲟养殖试验结果表明RAS适合鲟常年快速生长，5 cm长的鱼种12个月可长成1.5 kg的商品鱼，养殖周期大大缩短。由于养殖周期短，一年间可以多次下苗多次产出，最终达到利润最大化。④不受恶劣环境影响。RAS可以在含有淡水水域或海水水域的任意地方建立养殖工厂，不受恶劣的地区环境以及水资源短缺等问题困扰，而且相对封闭的养殖空间能有效阻隔病害和控制病源的入侵。⑤节约成本。虽然刚投入运行时集约化及自动化设备的使用使成本比传统养殖模式高，但一次投入多年受益，大大节省了成本[11]。⑥具观赏性，把景观价值和经济效益融合在一起。

尽管有这些优点，但由于受到现有设施水平和生产成本等方面的制约，目前国内陆基工厂化养殖系统仍以流水养殖为主，高效RAS模式所占比例不高[12]。

2 RAS系统残饵粪便污染与处理

RAS系统养殖尾水污染概括起来污染分外源和内源两类，外源污染除了周边环境的地表径流面源污染，主要是饵料和药物等引起的污染；内源污染主要是代谢物引起的粪便污染，以及病菌污染。饵料粪便污染构成了养殖水体固废物污染的主体。

2.1 饵料粪便成分分析

饵料主要分為天然和人工饵料两大类，天然饵料有禾本科植物、水生维管束植物、细菌、浮游生物、底栖生物、有机碎屑等，人工饵料是通过一些农作物和植物的副产品制作而成，如青饵料、大豆类、糠麸类、油饼类、油类作物种子榨油后产生的副产品等。粪便的1/4是水分，其余大多是脱了水的残余消化液，以及从水产品的肠道脱落的坏死细胞和失去活性的细菌，还有未能消化的蛋白质、食物纤维、脂肪、无机物等。残饵粪便大部分被积累到水底沉积物中，其中蛋白质约占17%，脂肪占3%，碳水化合物占62%，此外还有少量的磷、维生素和药物[13]，主要污染元素是N和P。残饵粪便中的N和P可被水中微生物等分解者利用，最终转化成无机物被水生植物等通过光合作用固定，不能被利用又未得到人为清除则累积形成污染。

2.2 残饵粪便的产生与性能分析

残饵粪便的产生负荷取决于多种因素，如养殖动物密度、饵料特性、养殖模式、水深、流速、水体自净能力等[13]。Tovar等[14]对池塘养鱼污染负荷的计算发现，每养殖l t鱼，约外排9104.57 kg总悬浮固体，可见RAS系统残饵粪便的产生负荷与养殖密度有很大关系。水产品对饵料的食用程度与饵料特性有关。池塘养殖虹鳟鱼时，投入湿饵料有5%～10%不能被鱼食用，投入干饵料有1%～5%不能被鱼食用，若养殖冰鲜鱼则有约30%饵料不能被食用[15]。被食用的部分在鱼体内的吸收率随鱼的食性而不同，肉食性鱼类通常高于90%，杂食性鱼类约80%，植食性和腐食性鱼类低于80%，有20%～30%随粪便进入水体。不同饵料产生的粪便颗粒大小不同，沉降速度不同，RAS系统残饵粪便中，粒径>100 μm的颗粒称为沉淀颗粒（settleable solids），粒径<100 μm的称为非沉淀颗粒（unsettleable solids）。沉淀颗粒在水流和水产品运动的作用力下，逐渐被打散成直径<30 μm的细微颗粒，非沉淀颗粒下降速率只有0.01 cm/s[16]，非沉淀颗粒若不及时从养殖池移出，就会有越来越多的残饵粪便成为难以沉降的TSS。

2.3 残饵粪便污染危害分析

水产养殖废水的成分不同于工业废水，主要由易降解有机物、营养盐和药物组成，其最敏感的2个指标是可溶性污染物中的NH4+-N和残饵粪便颗粒物，对水环境的影响主要表现在以下三方面：导致DO等理化因子改变；恶化底泥环境；破坏水体原有的生态。前人研究发现，底泥耗O2可导致养殖水体的DO需求增加5倍，且随着底泥的累积，水体耗O2量呈线性增加[13]。养殖池中存在过剩饵料、未被水产品吸收饵料、代谢排出粪便以及人为施加肥料等污染，这些污染均导致外循环BOD、N、P及细菌等有害物质大量增加，一方面严重增加了外循环的处理负荷，另一方面使底泥耗O2增多，厌氧菌迅速繁殖，部分有机物在底泥中转化成氨、硫化氢等恶臭气体，由此增加了养殖水体富营养化和发臭的风险。Gowen 等[17]认为，在12 个月的养殖期内，每养殖50 t 鱼将会产生19.4 t有机碳、2.2 t 有机氮和4.0 t可溶性含氮化合物，富营养化水体有机碳含量可升高至原水平的4～5倍。

除了上述危害，NH4+-N还具有一定的毒性，NH4+-N达到一定浓度可使水产品抗病能力明显下降，易发生大面积病害。一些养殖厂虽然没有出现水产品大量死亡，但养殖时间久，污染积累，养殖的生产效率将变得低下，出产的水产品质量差。即使NH4+-N浓度不高，也对水产品的生理功能产生一定的影响。因为NH4+-N在亚硝化菌或光合细菌作用下可转化成亚硝酸，亚硝酸与一些金属离子结合后可形成亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可与胺类物质结合，形成具有强烈致癌作用的亚硝胺，亚硝酸盐对鱼类还具有蓄积毒性[13]。此外，细微颗粒会使鱼鳃堵塞，严重影响鱼苗成活率和生长率，还容易造成微滤机堵塞，对废水的生物处理效果产生很大的影响。

2.4 RAS工艺残饵粪便处理效果分析

国内比较成熟的RAS工艺虽各有特点，但总体上都分养殖区、净水区和物流控制平台3个部分（图1）。

2.4.1 养殖区残饵粪便处理效果分析。

养殖区主要包括推水池、养殖池和集污池，要保证RAS系统长期正常运转，养殖池的设计既要能保证充足的DO，又要达到高效自净的效果，这对影响水产品产量的水流速度和径深比提出了要求[16]。美国大豆出口协会以流体力学为依据，设计了长22 m、有效宽度4 m、深度2～3 m的养殖池标准尺寸，水流速度和养殖池DO含量由推水池的推水增氧设备调节，以保证养殖池中水产品正常生长的DO达到5 mg/L以上[18]。要保证系统正常和高质量运行，养殖池不能出现固废物、可溶性污染物和致病微生物污染，要达到这一目标，必须减轻后续处理和净化的负担，在养殖池后端设置集污池，排出的污水由泵抽出进入该池，在该池经过沉淀后脱水处理处置。但实际运作表明，残饵粪便固废物是目前养殖池无法解决的主要问题，现有的循环水设备集污能力最多只有20%～30%，有的甚至更弱，所以集污池改造和优化成为很多研究者的重点课题。北美用于养殖北极红点鲑、虹鳟鱼、赛蒙鲑鱼的循环水系统很多采用双通道排水排污养殖池，用一个相对小的水流（大约总水流的5%）将大部分的可沉淀颗粒从池底中心冲刷出。国内研究人员对双通道排水排污养殖系统进行试验发现，效果并不理想，排污通道大约会浪费掉15%～20%的养殖水，不易推广采用[19]。可见，国外RAS模式不能照搬照套，适合国内RAS模式的集污工艺有待开发。

2.4.2 净水区残饵粪便处理效果分析。

净水区功能是采用物理、化学、生物等方法对水质进行净化处理，包括微滤机、弧形筛、泡沫分离、臭氧消毒、生物滤池、紫外线杀菌、加热恒温、纯氧增氧和生物净化等一系列技术手段[20]，主要处理总悬浮颗粒物（total suspended substance，TSS）、可溶性污染物和病原微生物。对于TSS的去除，目前生产上多使用机械方法，一般机械过滤去除较大悬浮物，对于非沉淀颗粒处理使用得比较成熟的是微滤机和弧形筛。微滤机的主要工作部件是滤网，其网目数（孔径）直接影响TSS 去除率，200目滤网的微滤机对TSS的去除率为54.90%[21]，Ali[22]研发的转鼓式微滤机在罗非鱼循环水养殖系统中平均去除率为34.22%～52.41%，分析去除率不高的原因，其一是微滤机在初次使用过程中过滤效果较好，但长期运行中，水体中黏性物质会逐步附着到滤网上，导致滤网孔径变小，影响过滤能力；其二是RAS系统中TSS粒径多在10～900 μm，其中30 μm 占到80%～90%[23-24]，目前的微滤机还无法有效去除60 μm 以下的TSS[25]。

弧形筛主要利用液相中颗粒物粒径大小不同的特点，以一定孔径的筛网截留颗粒物，实现水体固液分离，Lekang等[26]研究发现，直径0.25 mm的筛网可有效去除约80%粒径>70 μm的TSS，其优点是无动力消耗、结构简单、维护成本低，但网目直径过小，国内尚无解决自动清洗弧形筛面的技术[20]。

3 RAS系统残饵粪便污染处理现状

尽管RAS有着很大的市场前景，但相关数据显示，目前国内大多数经营RAS项目的投资者并没有盈利。究其原因，除了技术的复杂性构成风险、规模化投资成本高、能耗大等因素，核心技术中的残饵粪便清除是目前难以解决的问题。目前多采用沉淀法將粪便残饵浓缩成污泥随出水排出系统，但养殖企业普遍反映循环水系统对粪便残饵的处理未得到足够的重视，我国近5年循环水养殖研究热点为养殖池设计、生物滤器、水循环装置、供氧、电机轴等[12]，更多关注在产量和可溶性污染治理2个板块，现有的模式缺乏粪便残饵高效快速去除的机制。

3.1 净水区残饵粪便处理工艺

目前净水区对养殖尾水中残饵粪便颗粒的处理方法主要有以下2种方式：

①固液分离工艺。这是尾水处理系统的第1个环节，可去除大的颗粒物，从而减轻其环节之后的微滤机产生堵塞现象，同时也可减少能耗。

②蛋白分离工艺。蛋白分离器又称泡沫分离器，该工艺根据吸附的原理，通过喷射装置将臭氧或者空气注入水体底部，产生的大量微气泡在水中有着很强大的吸附能力，在其向上漂浮的过程中不断吸附形成絮状体的非沉淀颗粒以及部分溶解物质等，待气泡浮到水面后，排污装置会将吸附的颗粒物去除。但这种技术常用于盐度5%以上的海水养殖系统中，不能在淡水中使用，因为在海水中易产生泡沫，淡水养殖系统中仅在有机物浓度较高的情况下才适用使用该技术。

3.2 养殖区处理残饵粪便工艺

很多学者和水产养殖者认为解决水体N、P污染最彻底的方式是将残饵粪便在进入外循环净水区之前从系统中清除出去，即在内循环养殖区中解决这一问题。

目前开发出来的内循环末端残饵粪便清除技术和工艺效果都不好，运行实践表明，清除的最佳效果不到30%。主要原因在于内循环中的高密度养殖，曝气、水产品的呼吸和运动、水力学运动使得饵料和粪便无法沉降下去。针对这一问题，很多学者提出降低饵料系数，如减量化，另一些学者尝试改进和开发处理残饵粪便的工艺和设备。

减量化是在提高饵料质量和转化率基础上实现的，旨在降低饵料系数[21]。目前减量化工艺应用挤压技术，生产的饵料在搅拌均匀度和脂肪的含量等方面得到了提升，饵料的能量转化率也大大提高。这项技术也可以生产结构性质不同的饵料，不同种类的水产品食入不同的饵料，饵料能量转化率提高，养殖池中剩余的饵料量减少。减量化工艺还研发营养元素搭配合理、能量转换效率高的饵料，减少水体中N、P等营养物质的含量；并采取科学喂食法，根据水产品的不同生长阶段、不同生理状态对营养的需求和养殖的种类不同，严格配制集群饵料的量，定时投入饵料。

减量化是防止过多的残饵进入RAS系统以减轻净水区处理负荷，对于已存在于养殖池的残饵如何达到最大化收集，目前仍是被商榷的话题。把残饵粪便控制在一定的范围内，通过后端及时收集，再经过沉淀脱水处理变成植物有机肥。在这个工艺流程中，需避免养殖池内粪便被打散、溶解、发酵，所以高效收集残饵粪便成为RAS系统成功的关键。有研究者开发了一种鱼料添加剂——amorim cork，这种利用一种中间充满空气、密度小、无毒害且不会被鱼消化的栎属软木作为添加剂原材料，可使粪便浮起便于水上收集。李钒图等[27]的半循环水鳟鱼饲养试验显示，在虹鳟饵料中添加2.5%的amorim cork，粪便即可被运送到表面撇浮器，明显降低了养殖用水的污染负荷。

现有RAS模式的养殖池与池塘的占比为1.5%～2.0%，这样的占比会导致产生的残饵和粪便不能被及时彻底的收集。若想提高占比，需要在养殖池外额外增设促进固废物收集的工艺，将养殖池改为分路排污结构以提高残饵与粪便收集效率。田昌凤等[28]设计了一种分隔式循环水池塘养殖系统，排污装置为中间低、周围高的锅底形，将池内比重较大的固废物搜集到池底中央，通过集污装置和吸污装置排出养殖池外集中处理；生物填料也被用于高效收集和清除TSS[29]。这些研究在实验室模拟均显示一定效果，但实践运作效果鲜见报道，这暗示了养殖池残饵粪便的收集至今仍停留在起步阶段。国内对于RAS残饵粪便污染的高效收集和清除无论是在净水区还是在养殖区，都没有取得质的进展。

4 结语与建议

残饵粪便污染对RAS系统的健康运行和水产品产量、质量具有较大的危害，并加重水体富营养化、发臭以及NH4+-N对水产品的生理毒性。由于养殖者重生产、轻管理、不懂技术及技术不成熟等原因，目前国内工厂化RAS模式养殖区残饵粪便污染处理效果一直不理想，而后续净水区对残饵粪便颗粒物的处理手段有限，并且颗粒物加重了净水区污染处理的负荷。国内在改进净水区固液分离和蛋白分离工艺、探索新工艺、针对养殖区饵料减量化和残饵粪便收集率等方面开展了研究，但研究仍在摸索阶段。要从根本上解决这一问题，研究重点应围绕以下三方面开展：

①如何使残饵粪便快速沉降而进入沉淀池；

②如何收集和移除未沉降的残饵粪便颗粒；

③如何使水产品产生的粪便不易被打碎。

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