间歇式双循环工厂化养殖系统构建及其养殖效果

李 华，田道贺，刘青松，段亚飞，张家松

·研究速报·

间歇式双循环工厂化养殖系统构建及其养殖效果

李 华，田道贺，刘青松，段亚飞，张家松※

（中国水产科学研究院南海水产研究所，农业农村部南海渔业资源开发利用重点实验室，广东省渔业生态环境重点实验室，广州 510300）

为改善工厂化循环水养殖系统水质净化效果，提高养殖密度和成活率，构建了间歇式双循环工厂化养殖系统。通过间歇运行生物膜反应器增加水力停留时间，充分降解含氮污染物；连续运行弧形筛及时去除固体颗粒物。考察了该系统的启动过程及石斑鱼高密度养殖效果。启动初期，将硝化型生物絮团与海绵填料混合培养，生物膜22 d即可挂膜成功。以30.03 kg/m3为初始养殖密度开展石斑鱼养殖试验，经66 d 养殖，石斑鱼平均质量从（273.00±12.22）增至（552.52± 107.04） g，最终养殖密度达到60.78 kg/m3，成活率为100%。养殖过程中，生物膜逐渐适应养殖环境，氨氮、亚硝酸盐氮去除率从13.33%、14.84%增至93.73%、93.50%。此外，在弧形筛进水槽增加曝气形成曝气式弧形筛，可进一步除去细小颗粒物，有效控制养殖水体浊度。

养殖；水质；间歇式；循环水养殖；生物膜；石斑鱼

0 引 言

工厂化循环水养殖是在半自动或全自动的系统中，一方面对水产品高密度养殖的全过程进行监管、控制，使养殖品种处在最佳的环境下获得最快的生长速度；另一方面通过工程技术手段对养殖尾水进行净化处理循环使用。实现了对整个养殖过程的监控，基本上摆脱了季节、资源的限制，有力地缓解了海洋渔业和环境的压力。节能、节水、节地、减排、安全和高效，是未来海水养殖的重要发展趋势[1]。

中国工厂化养殖起步于20世纪70年代，发展时间上与国外相关产业相比落后10余年，但在鲆（）、蝶（）类鱼、鳗鱼（）、鲶鱼（）等品种的工厂化循环水养殖中取得了一定成绩[2]。目前工厂化循环水养殖技术仍面临诸多问题，如前期建设成本高、生物净化稳定性差、运行能耗大使得工厂化循环水养殖技术在中国普及率较低[3]。养殖尾水属轻度污染水，要达到循环利用，水质处理是关键，因此，水处理技术就成为工厂化循环水养殖模式的关键核心环节[4]。现有的工厂化循环水养殖系统将机械过滤、生物过滤和杀菌增氧等环节串联，尾水处理循环路线为单循环，采用24 h连续运行模式，日循环次数可达20次[5-6]。这种运行方式下，水处理系统中生物滤池的水力停留时间较短，大部分不超过1 h[7]。低浓度污染物使得生物滤池中微生物数量少，加上水力停留时间短导致了生物过滤去除效率和稳定性存在问题。

因此，为增加工厂化循环水养殖水处理系统稳定性，提高循环水质净化效率，构建了间歇式双循环工厂化养殖系统。将机械过滤与生物过滤并联运行，形成双循环运行模式，通过间歇运行生物膜反应器增加水力停留时间，充分降解污染物，通过连续运行弧形筛及时快速去除固体颗粒物。最后利用该系统开展了虎龙斑（♀×♂）的高密度养殖试验，考察了养殖过程中水质变化、生物膜生长情况及石斑鱼生长状况，评价了该养殖系统的实际养殖效果，以期为工厂化循环水养殖技术的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

间歇式双循环工厂化养殖系统示意图及实物图如图1，因试验系统搭建时在地面上布管，未考虑利用高程差，故水泵个数较多。系统主要由养殖桶、弧形筛、生物膜反应器、调节池及紫外杀菌灯构成。采用全自动运行模式，养殖桶、调节池及生物膜反应器进出水通过液位继电器控制，生物膜反应器曝气和沉淀时间由时间继电器控制。循环线路一生物膜反应器运行周期约6 h，日循环次数约4次；循环线路二弧形筛连续运行。试验所用材料均为市售，未进行加工处理，具体参数及运行工况如下。

1.养殖桶；2、8.球阀；3、5、7、9.水泵；4.生物膜反应器；6.调节池；10.弧形筛；11.紫外杀菌灯

1.Breeding barrel; 2,8.Ball valve; 3,5,7.9.Pump; 4.Biofilm reactor; 6.Balance tank; 10.Arc screen; 11.UV sterilizer

注：循环一(实线)：养殖桶1—生物膜反应器4—调节池6—紫外杀菌11—养殖桶1。循环二(虚线)：养殖桶1—弧形筛10—紫外杀菌灯11—养殖桶1。

Note: Cycle 1 (the solid line): breeding barrel 1- biofilm reactor 4- balance tank 6- UV sterilizer 11- breeding barrel 1. Cycle 2 (the dotted line): breeding barrel 1- arc screen 10- UV sterilizer 11- breeding barrel 1.

图1 间歇式双循环工厂化养殖系统示意图和实物图

Fig.1 Schematic diagram and image of sequencing batch-double cycle recirculating aquaculture system

养殖桶：玻璃钢锥底养殖桶，直径42 cm，高90 cm，养殖水体100 L，放养石斑鱼初始质量约（273.00±12.22）g，初始养殖密度30.03 kg/m3，水体溶解氧（DO，Dissolved Oxygen）维持在4～6 mg/L，定期检测水体盐度，补充淡水维持盐度（33±2）；保持养殖水体温度在26～29 ℃。

生物膜反应器：塑料圆桶，直径57 cm，高60 cm，有效水体80 L，投加海绵生物填料20 L（2 cm×2 cm×2 cm，孔径3～3.5 mm），间歇式运行，曝气时间4 h，沉淀静置1.0 h，DO维持在4 mg/L左右，定期检测投加碳酸氢钠使得pH值不低于7.2，水温维持在26～29 ℃。

调节池：长方体整理箱，长宽高为56 cm×41 cm× 35 cm，体积50 L，内置珊瑚砂和生化棉，定期检查桶内污物沉积情况，及时清理并更换生化棉。

弧形筛：长宽高为65 cm×40 cm×40 cm，筛网孔径约106m（150目），进水流速1200 L/h。全天运行，单位面积处理量6.85 m3/h，每天早晚清理弧形筛进水槽、集污槽沉积物，更换、清洗筛网。

紫外杀菌灯：功率5 W，长21 cm，持续开启；定期检查清理紫外杀菌灯表面污物，保证杀菌效果。

1.2 试验方法

1.2.1 检测分析方法

水体溶氧、温度和pH值采用WTW（Multi 3620，Germany）检测，浊度采用上海悦丰数显浊度计（SGZ-2BXJ）检测。氨氮（次溴酸盐氧化法）、亚硝酸盐氮（萘乙二胺分光光度法）和化学需氧量CODMn（碱性高锰酸钾法）均参照《海洋监测规范-海水分析》（GB 17378.4-2007）进行测定。

1.2.2 生物膜反应器启动

采用接种挂膜启动生物膜反应器，将堆积体积为20 L的海绵填料放入驯化培养成熟的硝化型生物絮团[8]中进行接种挂膜。生物絮团体积40 L，初始浓度2.14 g/L。每天投加10 g石斑鱼配合饲料粉末，缓慢搅拌使饲料粉末充分混合。维持反应器内DO 4～5 mg/L，pH值不低于7.2，水温26～29 ℃，盐度33。每天投加饲料粉末前测定水体DO、温度和pH值，取水样检测氨氮、亚硝酸盐氮和CODMn浓度。每两天取反应器内海绵填料，切片后在光学显微镜下观察生物膜附着生长情况。

填料挂膜共历时22 d，期间生物膜在填料上附着生长（图2），填料颜色由白色（图2a）逐渐变成与生物絮团颜色一致的黄褐色（图2b）。初期填料上附着生物膜较少（图2c），随着生物絮团逐渐转移生长至填料上，填料上附着的生物膜逐渐增厚，第22天填料上的生物膜变得紧实（图2d）。挂膜期间水体氨氮、亚硝酸盐氮浓度在第4天出现快速增长，至第9天达到最高分别为7.25L、1.28 mg/L。之后第13～22天氨氮、亚硝酸盐氮浓度快速下降，并维持相对稳定，氨氮浓度趋近于0，最高浓度仅为0.04 mg/L；亚硝酸盐氮浓度在0.07～0.17 mg/L范围波动。挂膜第1～13天CODMn缓慢增长，13～22 d趋于稳定，CODMn保持在38.01～42.77 mg/L范围。至此，填料上生物膜生长状况良好，且各项水质指标趋于稳定表明填料挂膜成功，将挂膜成功的填料移入生物膜反应器，进行接下来的养殖试验。

图2 挂膜过程中填料照片及显微照片

1.2.3 石斑鱼投喂方法

选择适口饵料，每日投喂一次，投喂量按照鱼质量的2%～3%投喂，视摄食状态而定，以食欲出现减弱时为度；每天早上8:00～8:30投喂，投喂时，分批缓慢遍洒，等前批饲料抢食完再洒下一批，直至部分石斑鱼游离不再抢食为止。

1.2.4 数据采集

每天早上投喂前测量养殖桶、生物膜反应器的水温、pH值、DO，测定养殖水体浊度；每两天取水样（投喂前）测定同一循环周期内生物膜反应器进出水，养殖桶进出水的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和CODMn浓度；每7 d取生物膜反应器内挂膜填料观察生物膜状态；每月称量石斑鱼质量，计算质量增长率、特定生长率、饵料系数。计算公式如下：

式中WGr为总质量增长率，%；0为试验开始时石斑鱼总质量，g；W为试验结束时石斑鱼总质量，g；RSG为特定生长率；为养殖天数，d；FCR为饵料系数。

2 结果与分析

2.1 生物膜反应器水处理效率及养殖水质分析

生物膜反应器水处理效率如图3所示，养殖试验期间，生物膜降解性能逐渐趋于稳定，氨氮、亚硝酸盐氮去除率不断增加。在养殖试验初期0～28 d，生物膜对氨氮、亚硝酸盐氮的去除不稳定，去除率波动较大，氨氮、亚硝酸盐氮最高去除率分别为76.80%、94.73%，最低为2.41%、5.46%。前期氨氮去除率的下降导致养殖水体氨氮浓度快速增长，氨氮从养殖第4天逐渐升高，至第12 d最高达到4.62 mg/L。氨氮浓度的快速升高，使得石斑鱼在第9～16 d出现停食现象，据文献报道此氨氮浓度对体长约20 cm的石斑鱼毒性较小[9]，因此石斑鱼未出现死亡，并在养殖水体氨氮浓度下降后第17天恢复摄食。养殖前期0～28 d，养殖水体亚硝酸盐氮浓度相对氨氮变化幅度较小，亚硝酸盐氮浓度缓慢增加。养殖中期28～44 d，生物膜降解性能缓慢提升，氨氮去除率在13.33%～31.81%范围内变化，亚硝酸盐氮去除率在14.84%～36.40%之间，养殖水体氨氮、亚硝酸盐氮浓度分别在0.59、1.23 mg/L上下波动。养殖后期第44～66天，生物膜降解性能不断提升至稳定状态，氨氮、亚硝酸盐氮最高去除率分别达到93.73%、93.50%并保持相对稳定，氨氮、亚硝酸盐氮浓度稳定在0.05、0.1 mg/L上下。

在整个养殖过程中，养殖水体硝酸盐氮浓度不断增长（如图4）。直至养殖试验结束，养殖水体中硝酸盐氮浓度达到46.98 mg/L。在养殖前14 d，养殖水体CODMn快速增长，之后保持相对稳定的状态，CODMn浓度围绕26.48 mg/L上下波动。

图4 养殖水体硝酸盐氮、化学需氧量（CODMn）浓度变化

表1中列出了文献报道的单循环运行养殖系统的养殖密度、养殖水质等结果。可以看出，单循环运行模式，养殖密度在28.65～49.9 kg/m3之间，出水可维持氨氮浓度小于0.2 mg/L、亚硝酸盐氮浓度小于0.5 mg/L；但在部分养殖品种中氨氮、亚硝酸盐氮浓度较高[15]。且在美国红鱼（）和罗非鱼（）的循环水养殖中同样出现了硝酸盐累积现象，硝酸盐氮浓度分别达到了63.58和70～100 mg/L。本试验采用双循环模式后，生物膜反应器停留时间长，硝化作用完全，在最终养殖密度为60.78 kg/m3的情况下，出水氨氮、亚硝酸盐氮浓度仍可稳定在0.05、0.1 mg/L，水质净化效果较好。

图5所示为养殖水体养殖期间浊度变化情况，在养殖前30 d，由于弧形筛对粒径小于100m的颗粒物去除效果较小，养殖水体中小颗粒物浓度逐渐增加，浊度升高，导致水体透明度降低。浊度由养殖初期的0.9 NTU （Nephelometric Turbidity Unit）经32 d养殖增长至5.3 NTU。为了增加弧形筛对小颗粒物的去除效果，利用蛋白分离器的原理，在弧形筛进水槽设置纳米管进行曝气（图1弧形筛实物图），纳米曝气管产生的细小气泡将养殖水体中的小颗粒物吸附、聚集，最后流经筛网滤出，养殖水体浊度可维持在1.0 NTU左右。图6为弧形筛增加曝气前后，养殖水体透明度变化照片，图6 a中，由于养殖水体中颗粒物较多，水体浑浊，无法看清桶底的石斑鱼，而在弧形筛增加曝气后，颗粒物去除效果增加，养殖水体浊度降低，桶底石斑鱼清晰可见（图7b）。

表1 不同工厂化循环水养殖结果对比

注：—未提供；本试验数据为养殖试验后期（60～66 d）平均值。

Note: — Not provided; The mean values in this study were calculated from the results obtained from Days 60 to 66.

图5 养殖水体浊度变化

图6 弧形筛增加曝气前后养殖水体透明度变化

2.2 养殖过程中生物膜变化

如图7所示，养殖期间，海绵填料上生物膜形态发生较大变化。养殖初期（图7a），海绵填料内部填充了大量接种的生物絮团，养殖第2周（图7b），由于受到系统运行进出水冲刷，以及反应器内营养源与挂膜期间不同的影响，微生物活性较弱，生物膜开始脱落，填料孔隙内游离的生物絮团消失，附着生长的生物膜变薄。至养殖第3、4周（图7c、7d），填料孔隙内游离生物絮团已全部流失，附着生物膜仅余少量，造成反应器出水氨氮、亚硝酸盐氮出现短暂升高。从养殖第5周起（图7e~j），随着生物膜逐渐适应养殖环境，填料上的生物膜厚度逐渐增长，新增长的生物膜紧紧裹住填料骨架，孔隙中游离的生物膜则相对变少，填料骨架上的生物膜结构变得更加紧实，此时生物膜反应器氨氮、亚硝酸盐氮去除率逐渐增加，出水水质逐渐稳定。

图7 养殖期间生物膜变化(10×4)

2.3 石斑鱼生长指标

表2中列出了养殖期间石斑鱼质量变化，经过66 d的养殖试验，石斑鱼由初始平均质量（273.00±12.22）增长至（552.52±107.04） g，系统中石斑鱼成活率为100%。通过计算，养殖试验结束时，经66 d的养殖，系统内养殖密度达到60.78 kg/m3，石斑鱼质量增长率102.39%，特定生长率为1.068，饵料系数为1.288。对比在普通网箱养殖石斑鱼试验中，300 g的石斑鱼放养密度为5 kg/m3，池塘中养殖的赤点石斑鱼（）的放养密度为0.08 kg/m3。在循环水养殖模式中，200～250 g的鞍带石斑鱼（）养殖密度可达12.7 kg/m3，最高可达32.5 kg/m3[18]。在辛乃宏等[19]构建的封闭式循环水养殖系统中，点带石斑鱼（）的养殖承载量可达到30 kg/m3，可见工厂化循环水养殖在高密度养殖方面具有较大优势。一般连续运行工厂化循环水养殖模式（表1）养殖密度可达到28.65～49.9 kg/m3，成活率在90%～100%。本试验构建的双循环间歇式系统水处理效率提升后，初始养殖密度即可达到30.03 kg/m3，系统最大承载量为60.78 kg/m3，成活率实现100%，具有较高的养殖生物承载能力和成活率。

表2 石斑鱼质量及养殖密度随时间变化

3 讨 论

本试验选用海绵填料接种预先培养的硝化型生物絮团，海绵较常用的弹性立体填料、聚乙烯悬浮填料密度小、孔隙率高，接种快，缩短了填料挂膜的启动时间[16]。但接种过程中无水流冲刷，导致形成的生物膜结构松散[20-22]。此外，由于试验水体较小，缓冲作用小，在填料转移至系统的生物膜反应器运行后，大量生物膜受进出水水流冲刷流失，导致养殖试验初期氨氮与亚硝酸盐氮去除率下降[23-24]。可通过模拟养殖系统进出水方式接种挂膜，缩短生物膜适应时间。此外，生物膜反应器中DO高，有机碳浓度低，抑制了反硝化细菌的生长，养殖水体出现硝酸盐氮积累[25]。可在养殖系统调节池中引入水生植物对其进行吸收移除，后续将继续开展相关试验研究。

在养殖初期，系统氨氮、亚硝酸盐氮浓度最高达到了4.63和1.23 mg/L，持续约4 d时间。据文献[9]报道氨氮对平均全长10.5 cm斜带石斑鱼苗（）96 h半致死浓度LC50及安全质量浓度分别为51.4及5.13 mg/L，亚硝酸盐氮对全长10.5 cm的斜带石斑鱼苗的96 h半致死浓度LC50及安全质量浓度分别为208.4及20.8 mg/L。试验中出现的最高氨氮及亚硝酸盐氮浓度虽然低于安全质量浓度，但仍出现石斑鱼短暂停食现象，虽未导致石斑鱼死亡但仍然会产生胁迫作用。预计在优化挂膜方式和增加水生植物后启动循环水系统可避免此现象发生。

为构建间歇式双循环养殖系统，本试验前期对弧形筛的筛网孔径和进水流量开展了优化试验，筛选出过滤效果较优的参数应用于系统运行中；其次对用于生物膜反应器启动的硝化型生物絮团也开展了系统研究，缩短了生物膜反应器的启动时间；最后在系统正式运行前进行了反复多次预实验。通过前期优化和长期运行，减小了无平行组试验造成的误差。最终间歇式双循环养殖系统的水处理效率提升，最大承载量达到了60.78 kg/m3。此外，间歇式运行减少了水泵运行时间，为降低能耗提供了可能。再者曝气式弧形筛将传统弧形筛与蛋白分离器的作用结合，可省去蛋白分离器。加上弧形筛运行成本较微滤机等机械过滤设备低，十分有利于工厂化循环水养殖系统减少前期设备投资和运行能耗。后续将进一步开展间歇式双循环养殖系统较大规模的优化降耗研究，进一步完善试验结果。

4 结 论

间歇式双循环工厂化养殖系统增加了水力停留时间，接种生物膜在适应养殖环境后，出水氨氮、亚硝酸盐氮浓度可稳定在0.05、0.1 mg/L，保持养殖水体水质良好。试验构建的曝气式弧形筛能有效去除大颗粒物和粒径小于100m的小颗粒物，保持养殖水体浊度为1.00 NTU左右。在养殖效果评估中，经66 d的养殖，石斑鱼平均质量从（273.00±12.22）增加至（552.52±107.04）g，成活率100%，最终养殖密度达到60.78 kg/m3。综上，试验构建的间歇式双循环工厂化养殖系统实现了对水质的稳定有效控制，提高了石斑鱼养殖密度和成活率，增加了经济效益，应用前景较好。

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Construction and effect of sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system

Li Hua, Tian Daohe, Liu Qingsong, Duan Yafei, Zhang Jiasong※

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Recirculating aquaculture system (RAS) can make the intensive fish production compatible with the environmental sustainability in fish farming. However, high operating cost and low stability of water treatment have limited its application in recent years. In this study, a sequencing batch double-cycle RAS was constructed, in order to increase the stocking density and survival rate for the better RAS water treatment stability. The special designed RAS was designed and operated from April to October 2019, in Shenzhen city, Guangdong Province, China. Both biofilter and mechanical filter were concurrently operated in the double-cycle RAS. The biofilm reactor was run in a 6 h cycle, where each cycle comprised of feeding (30 min), aerobic reaction (4 h), settling (1 h) and discharge (30 min). Hydraulic retention time increased with the intermittent biofilter, in order to completely degrade nitrogen pollutants. The arc screen was run continuously to remove solid particulate matter timely. A systematic investigation has been conducted to explore the system startup and its effect on high density grouper stocking. Nitrifying biofloc was first precultured as the seed sludge to startup the biofilm reactor. It took about 22 days to cultivate the biofilm on sponge fillers using the inoculation with nitrifying biofloc. The mature biofilm showed the high removal efficiency of nitrogen. In effluent, the concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen approached 0 and 0.1 mg/L, respectively. The sponge fillers with matured biofilm were transferred to the biofilm reactor, and then a grouper culture experiment was carried out with the initial stocking density of 30.03 kg/m3. In 0-28 days of culture, the biofilm on the sponge fillers was first detached as the water flow, followed by the regrowth after acclimation. The removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen decreased as the biofilm was detached, whereas, the ammonia concentration in culture water increased to 4.62 mg/L in day 12. High concentration of ammonia induced the grouper no eating during 9-16 d. However, the grouper was return to normal on 17th day, as the concentration of ammonia was far below the reported safe level. The removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen gradually increased to 93.73% and 93.50%, respectively, as the biofilm regrew on the fillers. The final concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen were stabilized at 0.05 and 0.1 mg/L, respectively. In addition, an aerated arc screen combined with foam separation and arc screen can remove fine particles, where obviously decrease the turbidity of culture water when the particle size was below 100 μm. The turbidity of culture water decreased from 5.3 NTU to 1.00 NTU, while kept the level in the subsequent culture experiment. Finally, the average weight of grouper increased from 273±12.22 g to 552.52±107.04 g, after 66 days culture, while the final stocking density reached 60.78 kg/m3, and the survival rate was 100%. This sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system has demonstrated the highly efficient water treatment, high stocking density, and high survival rate. Therefore, the proposed system can be expected for a wide application in fish farming in the near future.

aquaculture; water quality; sequencing batch; recirculating aquaculture; biofilm; grouper

李华，田道贺，刘青松，等. 间歇式双循环工厂化养殖系统构建及其养殖效果[J]. 农业工程学报，2020，36(13)：299-305.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035 http://www.tcsae.org

Li Hua, Tian daohe, Liu Qingsong, et al. Construction and effect of sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 299-305. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035 http://www.tcsae.org

2019-12-24

2020-05-19基金项目：广东省现代农业产业技术体系创新团队项目（2019KJ150）；中国水产科学研究院基本科研业务费资助（2019CY0103）

李华，博士，助理研究员，研究方向：养殖排放水处理技术。Email：babybluedaisy@163.com

张家松，博士，研究员，研究方向：水产养殖。Email：jiasongzhang@hotmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035

S968.1

A

1002-6819(2020)-13-0299-07