鱘魚工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果

管崇武， 楊 菁， 宋紅橋， 張海耿， 莊保陸

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

鱘魚工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果

管崇武， 楊 菁， 宋紅橋， 張海耿， 莊保陸

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

針對目前中國淡水工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本過高，推廣應(yīng)用受到一定程度制約的問題，在自主研發(fā)斜管重力濾沉淀裝置、內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器、一體化臭氧接觸反應(yīng)器等水凈化設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用物質(zhì)平衡相關(guān)原理，精確設(shè)計(jì)、確立不同階段系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，建立一種高效節(jié)能的鱘魚工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。通過96 d養(yǎng)殖試驗(yàn)，結(jié)果顯示，鱘魚攝食和生長情況正常，養(yǎng)殖密度平均(41.2 ±2.3)kg/m3，存活率95.8%，飼料系數(shù)1.17。日換水量在5%以下，水質(zhì)情況良好，氨氮和亞硝酸鹽氮后期穩(wěn)定控制在(0.80±0.21)mg/L和(0.38±0.12)mg/L；系統(tǒng)平均日耗電量為33.3 kW·h，平均產(chǎn)出1kg鱘魚耗電7.30 kW·h。系統(tǒng)運(yùn)行具有低能耗、高效率的特點(diǎn)，可為鱘魚循環(huán)水養(yǎng)殖提供技術(shù)支撐。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)；鱘魚；水處理；電耗；節(jié)能高效

鱘魚是一種原始古老的軟骨硬鱗魚類，屬于淡水中最大的經(jīng)濟(jì)魚類，生長速度快[1]。中國的鱘魚商業(yè)化養(yǎng)殖始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過這些年人工繁殖及養(yǎng)殖技術(shù)的研究，養(yǎng)殖范圍已經(jīng)推廣到全國各省份和直轄市[1]。2012年，鱘魚養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到4.42萬t，占世界鱘魚養(yǎng)殖總產(chǎn)量的86%，是世界最大的鱘魚養(yǎng)殖國[2]。目前鱘魚養(yǎng)殖方式已經(jīng)由最初的水泥池流水養(yǎng)殖發(fā)展為以水庫養(yǎng)殖、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖和大水面養(yǎng)殖等為主[1]，但仍存在對水源要求高、易受氣候條件和環(huán)境變化影響等問題。工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖與流水型養(yǎng)殖相比，可節(jié)水90%以上，節(jié)地高達(dá)99% ，而且通過污水處理還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境友好型生產(chǎn)[3]。隨著世界性的水資源及土地資源日益緊缺、環(huán)境污染加重，普及推廣應(yīng)用工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必然方向[4-5]。

以俄羅斯鱘(Acipensergueldenstaedtii)為養(yǎng)殖對象，運(yùn)用物質(zhì)平衡相關(guān)原理，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、確立水處理系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)構(gòu)建一套高效、經(jīng)濟(jì)的鱘魚工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)控制循環(huán)量，使系統(tǒng)在高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)上低能耗、低成本運(yùn)行，以期為淡水魚類工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

1.1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

針對鱘魚養(yǎng)殖過程中水溫要求相對較低、生物膜掛膜時間長的問題，選用新型內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器作為主要凈化處理的生物濾器，并輔以臭氧/紫外高級氧化技術(shù)凈化水質(zhì)。相對于其它淡水魚類，鱘魚養(yǎng)殖對水質(zhì)清新透明度的要求更高。鱘魚的排泄物呈彌散狀、霧狀分散在水中，難以收集。在高效多向流重力濾裝置的研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用處理量大、構(gòu)建成本低的斜管重力濾沉淀裝置。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，運(yùn)用物質(zhì)平衡相關(guān)原理，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、確立水處理系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，在不同養(yǎng)殖階段、不同系統(tǒng)負(fù)荷條件下采用不同循環(huán)量進(jìn)行處理，降低運(yùn)行能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。養(yǎng)殖污水經(jīng)斜管重力濾沉淀裝置沉淀過濾處理后，一路經(jīng)內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器生物過濾處理后回至養(yǎng)殖池，另一路經(jīng)一體化臭氧接觸反應(yīng)器凈化處理后回至養(yǎng)殖池，實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)利用。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

1.1.2 基本概況

系統(tǒng)位于漁業(yè)機(jī)械儀器研究所漁業(yè)裝備與工程中試基地，系統(tǒng)占地約60 m2，由4口直徑2.5 m、深1.2 m的圓形玻璃鋼養(yǎng)殖池及相應(yīng)的水處理設(shè)備構(gòu)成，總養(yǎng)殖水體約19.60 m3，設(shè)計(jì)最高養(yǎng)殖密度40 kg/m3，，最大養(yǎng)殖負(fù)荷784 kg，最大日投喂量6 kg，系統(tǒng)循環(huán)量11～21 m3/h，日換水率<5%。

1.1.3 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

(1)內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器體積及循環(huán)量計(jì)算。根據(jù)系統(tǒng)氨氮去除量、濾器氨氮去除負(fù)荷、濾器填料固載率，計(jì)算公式為：

(1)

式中：V—內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器體積，m3；R—濾器氨氮去除負(fù)荷，g/(m3·h)，取250 g/(m3·d)[6]；PR-濾器填料固載率，%，取15%[6]。RTAN為系統(tǒng)氨氮去除量，g/d，按70%PTAN計(jì)。PTAN—系統(tǒng)中氨氮產(chǎn)生量，g/d，計(jì)算公式[7]為：

PTAN=FA×PC×aTAN

(2)

式中：FA—系統(tǒng)每天投喂量，kg，設(shè)計(jì)最高為6 kg；PC—飼料中粗蛋白含量，%，本試驗(yàn)飼料的蛋白含量為41%；aTAN—氨氮轉(zhuǎn)換系數(shù)(投喂每千克飼料所產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量)，根據(jù)Timmons等[8]的研究結(jié)果，本設(shè)計(jì)取0.092。經(jīng)計(jì)算，V=4.2 m3。

根據(jù)生物過濾設(shè)施體積及濾床水力停留時間(HRT)，內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器的循環(huán)量計(jì)算公式為：

(3)

式中：QTAN—系統(tǒng)循環(huán)量，m3/h；HRT—反應(yīng)器水力停留時間，h，其值為0.2～0.4 h，本設(shè)計(jì)取值0.35 h[9]。經(jīng)計(jì)算，QTAN=12.0 m3/h。

(2)一體化臭氧接觸反應(yīng)器臭氧投加量及循環(huán)量計(jì)算。根據(jù)系統(tǒng)投飼量、臭氧投加系數(shù)，計(jì)算公式為：

RO3=FA×aO3

(4)

式中：RO3—系統(tǒng)臭氧投加量，g/d；aO3—臭氧投加系數(shù)，一般為每kg飼料投加13～24gO3[10]，此處取20。經(jīng)計(jì)算每天臭氧投加量為120 g。

根據(jù)系統(tǒng)總氨氮控制濃度，一體化臭氧接觸反應(yīng)器的循環(huán)量計(jì)算公式為：

(5)

式中：QO3—一體化臭氧接觸反應(yīng)器的循環(huán)量，m3/h；CTAN—系統(tǒng)中總氨氮控制濃度，mg/L，本設(shè)計(jì)取3.5[7]；E—一體化臭氧接觸反應(yīng)器處理氨氮的效率，取9%[11]。經(jīng)計(jì)算，QO3=8.9 m3/h。

(3)斜管重力濾沉淀裝置循環(huán)量計(jì)算。

基于總懸浮顆粒物(TSS)的循環(huán)量按公式(6)計(jì)算：

(6)

式中：QTSS—基于TSS的系統(tǒng)循環(huán)量計(jì)算值，m3/h；TSSout—養(yǎng)殖池出水中的TSS濃度，mg/L，此處設(shè)定養(yǎng)殖池內(nèi)TSS濃度不超過10 mg/L；Etss—物理過濾環(huán)節(jié)對于TSS的去除效率，取60%[12]；RTSS—單位時間內(nèi)的系統(tǒng)產(chǎn)生的TSS 總質(zhì)量，kg/h，按公式(7)計(jì)算:

(4)

式中：aTSS—TSS 轉(zhuǎn)化系數(shù)(投喂每千克飼料所產(chǎn)生的TSS 總質(zhì)量)，取0.30[8]。經(jīng)計(jì)算，QTSS=18.8 m3/h。

計(jì)算結(jié)果顯示，QTSS

1.1.4 關(guān)鍵水處理設(shè)備

系統(tǒng)使用的水處理設(shè)備主要有斜管重力濾沉淀裝置[12]、內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器[6，13]、一體化臭氧接觸反應(yīng)器[11]等設(shè)備，均為自主設(shè)計(jì)研發(fā)。

(1)斜管重力濾沉淀裝置。作為系統(tǒng)的重要物理過濾環(huán)節(jié)，考慮鱘魚養(yǎng)殖水體中懸浮顆粒細(xì)小但數(shù)量多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用2組斜管重力濾沉淀裝置，具有處理量大、沉淀效率高、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。該裝置里斜管填料孔徑50 mm、長度1 m，斜管安裝的水平傾角60°，斜管填料體積1.80 m3，斜管填料表面負(fù)荷4.08 m3/(m2·h)，斜管沉淀裝置內(nèi)部整體流速約為0.8 mm/s。

(2)內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器。生物過濾是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，此次設(shè)計(jì)采用2組內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器(Internal Loop Fluidized Bed Reactor，ILFBR)作為系統(tǒng)的主要生物凈化設(shè)備，負(fù)責(zé)去除系統(tǒng)氨氮總產(chǎn)生量的70%。該反應(yīng)器采用GPPS顆粒作為生物填料，填料比表面積450 m2/m3，固載率15%，氨氮去除負(fù)荷(VTR)為250 g/(m3·d)，進(jìn)氣量5 m3/h，水力停留時間(HRT)20 min。

(3)一體化臭氧接觸反應(yīng)器。系統(tǒng)采用一體化臭氧接觸反應(yīng)器對養(yǎng)殖廢水進(jìn)行消毒滅菌處理，并輔以降解氨氮、去除亞硝酸鹽以及降解有機(jī)物、去除水色、增加溶氧等功能，負(fù)責(zé)系統(tǒng)氨氮總產(chǎn)生量30%的去除量。反應(yīng)器的有效容積1.35 m3，處理量可達(dá)9 m3/h，氣水比約1∶60，臭氧投加量設(shè)計(jì)為120 g/d。

1.2 系統(tǒng)日常管理

養(yǎng)殖試驗(yàn)過程中，選用“永康”鱘魚配合飼料，飼料的粗蛋白含量41%。試驗(yàn)前期(02.29—04.01)投喂量為4 kg/d，試驗(yàn)中間(04.02—05.02)投喂量5 kg/d，試驗(yàn)后期(05.03—06.03)投喂量6 kg/d。投喂頻率3次/d，分別為8：00、15：00和20：00。

養(yǎng)殖試驗(yàn)期間，系統(tǒng)日補(bǔ)水率約為5%，主要用于水處理設(shè)備反沖洗排污耗水的補(bǔ)充。根據(jù)不同養(yǎng)殖階段的溶氧、氨氮和TSS等水質(zhì)變化，調(diào)整系統(tǒng)循環(huán)量。在養(yǎng)殖試驗(yàn)前期，系統(tǒng)處于低循環(huán)量運(yùn)行狀態(tài)，中、后期由于有機(jī)負(fù)荷加大而提高循環(huán)量，在試驗(yàn)后期系統(tǒng)按設(shè)計(jì)工藝參數(shù)以全處理量循環(huán)使用。具體為：前期，總循環(huán)量按11 m3/h運(yùn)行，其中每套內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器處理量為4 m3/h，一體化臭氧接觸反應(yīng)器為3 m3/h；中期，總循環(huán)量按16 m3/h運(yùn)行，其中每套內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器處理量為5 m3/h，一體化臭氧接觸反應(yīng)器為6 m3/h；后期，總循環(huán)量為21 m3/h，其中每套內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器處理量為6 m3/h，一體化臭氧接觸反應(yīng)器為9 m3/h。

1.3 水質(zhì)檢測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與作圖使用Excel 2016 和SPSS13.0軟件處理。按照以下公式計(jì)算氨氮去除負(fù)荷：

VTR=Q×(cin-cout)/V

(5)

式中：VTR—內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器填料的氨氮去除負(fù)荷，g/(m3·d)；cin、cout—反應(yīng)器進(jìn)出水的氨氮濃度，mg/L；Q—反應(yīng)器的進(jìn)水流量，m3/d；V—填料的體積，m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 鱘魚生長情況

養(yǎng)殖試驗(yàn)周期2016年2月29日—2016年6月3日，養(yǎng)殖天數(shù)96 d，系統(tǒng)運(yùn)行情況和鱘魚生長情況均在正常范圍內(nèi)(表1)。

表1 試驗(yàn)期間鱘魚的生長情況

在養(yǎng)殖初始投放鱘魚590尾，結(jié)束時有559尾，其中用于試驗(yàn)解剖檢測6尾，死亡25尾，試驗(yàn)期間總存活率95.8%，最達(dá)養(yǎng)殖密度平均(41.2±2.3)kg/m3，飼料系數(shù)1.17。

2.2 系統(tǒng)水質(zhì)情況

養(yǎng)殖期間養(yǎng)殖池的水溫、DO、pH的變化情況見圖2。水溫波動較小，基本維持在18.3 ℃～22.1 ℃，均在鱘魚適宜生長的溫度范圍內(nèi)。其中，試驗(yàn)開始時因水溫較低，使用空調(diào)機(jī)組進(jìn)行加溫調(diào)控，將水溫控制在(19.3±0.7)℃，隨著氣溫上升，4月7日后停止加熱。試驗(yàn)期間，DO平均(5.82±1.17)mg/L，pH平均6.90±0.73。

圖2 養(yǎng)殖期間養(yǎng)殖池水溫、DO和pH的變化情況

養(yǎng)殖期間，養(yǎng)殖池的氨氮和亞硝酸鹽氮的變化情況見圖3。

圖3 養(yǎng)殖期間養(yǎng)殖池氨氮和亞硝酸鹽氮的變化情況

氨氮濃度在試驗(yàn)開始后就快速升高，最高達(dá)到5.99 mg/L。這主要是由于內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器的生物膜尚未掛膜成熟，而且一體化臭氧接觸反應(yīng)器前期臭氧投加量和處理量較小，造成氨氮濃度的積累。隨著濾器的生物膜掛膜成熟，氨氮被控制在比較正常水平。試驗(yàn)前期，日投喂量、日氨氮產(chǎn)生量和氨氮平均濃度分別約為4 kg/d、150.88 g/d和(3.35±1.36) mg/L；試驗(yàn)中期，分別為5 kg/d、188.60 g/d和(1.12±0.55) mg/L；試驗(yàn)后期，分別為6 kg/d、226.32 g/d和(0.80±0.21) mg/L。系統(tǒng)的氨氮負(fù)荷雖然逐漸上升，但系統(tǒng)的氨氮濃度卻趨于下降，說明系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器對TAN的去除能力逐漸增加。

亞硝酸鹽氮在試驗(yàn)開始前期濃度上升很快，這也符合生物濾器生物膜掛膜的變化規(guī)律。在23 d，亞硝鹽氮濃度快速升高到2.19 mg/L，29 d后降到0.63 mg/L以下，在掛膜成熟后，亞硝酸酸鹽氮濃度略有波動，但基本較為穩(wěn)定。一體化臭氧接觸反應(yīng)器前期處理量僅為3 m3/h，隨著處理量的增大，對亞硝酸鹽氮的去除能力逐漸增強(qiáng)，在試驗(yàn)中后期，系統(tǒng)的亞硝酸鹽氮濃度平均(0.38±0.12) mg/L。

2.3 斜管重力濾沉淀裝置對懸浮物的去除效果

斜管重力濾沉淀裝置對懸浮物去除效果見表2。

表2 斜管重力濾沉淀裝置對懸浮物去除效果

注：同列數(shù)據(jù)肩標(biāo)相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

因前期TSS濃度相對較低，因此斜管裝置對TSS去除并不明顯，但隨著養(yǎng)殖負(fù)荷的增加，其去除率明顯增加，這與Vinci等[14]的研究相符。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，固體顆粒物的去除效果是影響魚類生長、生物凈化效果、系統(tǒng)配置和運(yùn)行成本等諸多環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因素。目前在循環(huán)水養(yǎng)殖水體中固體懸浮物的去除技術(shù)已較為成熟。宿墨等[15]試驗(yàn)表明當(dāng)養(yǎng)殖水體總顆粒物濃度為30～50 mg/L 時，使用200 目濾網(wǎng)的微濾機(jī)可使顆粒物去除率達(dá)54.9%左右，但造價比較高，運(yùn)行時易造成較大顆粒的破碎；陳石等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)對顆粒物粒徑大于或等于弧形篩篩縫時，固體顆粒物平均去除率在60%以上，但小于篩縫的則僅有40%左右；周陽等[17]采用3層石英砂濾罐處理工廠化養(yǎng)魚循環(huán)水中懸浮顆粒物，去除率高達(dá)99.83%，但增加了供水成本。本系統(tǒng)在固體懸浮物去除工藝設(shè)計(jì)上，在滿足微小顆粒去除能力的前提下，采用無動力消耗的斜管重力濾沉淀裝置，有效降低運(yùn)行成本。

2.4 內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器對氨氮的去除效果

從表3可以看出，內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器在養(yǎng)殖試驗(yàn)后期，處理量達(dá)到6 m3/h時，氨氮去除負(fù)荷(VTR)最高，VTR平均(273.40 ±22.71)g/(m3·d)，最高達(dá)到325.40 g/(m3·d)，氨氮去除率平均27.78%。氨氮去除率雖與其他階段無顯著性差異，但氨氮去除負(fù)荷顯著性高于其他階段，達(dá)到設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)要求。Sánchez等[18]在HRT為11.9min工況下采用活性炭濾料的三相流化床，TAN 平均去除率為27%，與本試驗(yàn)結(jié)果相近；Malone[19]研究表明循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物過濾器總氨氮去除負(fù)荷為35～350 g/m3·d；宋奔奔等[20]對移動床生物濾器的硝化功能研究表明，當(dāng)濾器的HRT為10 min 時，其VTR為110.19 g/(m3·d)；Wu 等[21]研究了以直徑2～3 μm 微珠為濾料的生物濾器，當(dāng)養(yǎng)殖水體中TAN 濃度為3 mg /L 時，濾器對TAN 的平均去除負(fù)荷為172 g /(m3·d)；張海耿等[22]采用玻璃珠和石英砂2 種基質(zhì)作為生物濾器填料進(jìn)行對比，兩者對氨氮負(fù)荷的去除能力平均達(dá)到(346. 8±150. 5)g/(m3·d)和(271±122.4)g/(m3·d)，高于本試驗(yàn)結(jié)果。填料的選擇與優(yōu)化是生物濾器設(shè)計(jì)的核心[23]，不僅要考慮水處理性能，還要考慮濾器的能耗。本流化床反應(yīng)器采用GPPS顆粒作為生物填料，其密度為1.04～1.09 g/cm3，比水略重，填料在反應(yīng)器內(nèi)呈流化狀態(tài)時消耗能耗較少。

表3 不同階段內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器對TAN去除效果的影響

2.5 一體化臭氧接觸反應(yīng)器對水質(zhì)的凈化效果

從表4可以看出在不同養(yǎng)殖階段，隨著臭氧投加量的增加，對COD、水色、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率都隨著提高。在試驗(yàn)后期，一體化臭氧接觸反應(yīng)器的臭氧投加量為120 g/d，達(dá)到設(shè)計(jì)工況條件時，其對COD、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率顯著性高于前期和中期。其中對COD去除率最高達(dá)到42.86%，水色去除率最高達(dá)到27.78%，氨氮去除率最高達(dá)到17.54%，亞硝酸鹽氮去除率最高達(dá)到66.59%。

表4 一體化臭氧接觸反應(yīng)器對水質(zhì)凈化效果

3 系統(tǒng)電耗分析

由于運(yùn)行成本、管理成本等因素，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性在國內(nèi)一直沒有得到廣泛認(rèn)可。在淡水領(lǐng)域缺乏名貴品種的情況下，該問題顯得尤為突出[3]。養(yǎng)殖系統(tǒng)的電費(fèi)支出在養(yǎng)殖成本中占了相當(dāng)大的比例，電耗是工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖日常運(yùn)行中重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[24]。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，運(yùn)用物質(zhì)平衡相關(guān)原理，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)確立水處理系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，在不同養(yǎng)殖階段、不同系統(tǒng)負(fù)荷條件下，采用不同循環(huán)量進(jìn)行處理，降低運(yùn)行能耗，以提高經(jīng)濟(jì)效益。本次養(yǎng)殖試驗(yàn)周期共96 d，系統(tǒng)魚載量從403 kg增加到841 kg(含死亡及用于解剖的)，試驗(yàn)總耗電3 196.80 kW·h，系統(tǒng)的單位產(chǎn)量電耗為7.30(kW·h)/kg。系統(tǒng)電耗明細(xì)見表5。

表5 系統(tǒng)電耗明細(xì)表

水處理系統(tǒng)能耗是工廠化養(yǎng)殖最主要的耗能組分。頡曉勇等[25]對水處理工藝進(jìn)行節(jié)能創(chuàng)新，延長生化處理器的水力停留時間，使每套總水體56 m3的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)日耗電量從152.4 kW·h降至82.8 kW·h。本系統(tǒng)采用無能耗的斜管重力濾沉淀裝置進(jìn)行物理過濾，1臺循環(huán)水泵1次提升，根據(jù)不同養(yǎng)殖負(fù)荷，系統(tǒng)采用相對應(yīng)的循環(huán)量運(yùn)行，日耗電量平均33.3 kW·h。研究表明，通過對工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)控制，關(guān)鍵水處理設(shè)備的節(jié)能改進(jìn)，系統(tǒng)整體運(yùn)行能耗存在較大的節(jié)能減排空間。

4 結(jié)論

針對目前循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)行能耗高的問題，本文在前期高效節(jié)能水處理設(shè)備研究的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用物質(zhì)平衡等相關(guān)原理進(jìn)行優(yōu)化集成，精確設(shè)計(jì)、確立不同階段系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，建立一種高效節(jié)能的鱘魚工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。經(jīng)過96 d的養(yǎng)殖試驗(yàn)，鱘魚攝食和生長情況正常，養(yǎng)殖密度平均達(dá)到(41.2±2.3) kg/m3，存活率95.8%，飼料系數(shù)1.17。日換水量5%以下，水質(zhì)情況良好，氨氮和亞硝酸鹽后期穩(wěn)定控制在(0.80±0.21)mg/L和(0.38±0.12)mg/L，平均日耗電量33.3 kW·h，系統(tǒng)單位產(chǎn)量電耗7.30(kW·h)/kg，實(shí)現(xiàn)了低能耗、低成本運(yùn)行。本系統(tǒng)可為淡水工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖應(yīng)用推廣提供技術(shù)支撐。

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[1] 孫大江.中國鱘魚養(yǎng)殖[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2015:25-37.

[2] 孫大江,張穎,馬國軍.鱘魚子醬的生產(chǎn)與國際貿(mào)易情況[J].水產(chǎn)學(xué)雜志,2014,27(1):1-7.

[3] 張宇雷,吳凡,王振華,等.超高密度全封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行效果分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(15):151-156.

[4] 倪琦,雷霽霖,張和森,等.我國鲆鰈類循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研制和運(yùn)行現(xiàn)狀[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2010,38(4):1-9.

[5] 陳軍,徐皓,倪琦,等.我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖發(fā)展研究報(bào)告[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2009,36(4):1-7.

[6] 李源.內(nèi)循環(huán)三相好氧生物流化床水產(chǎn)養(yǎng)殖污水凈化裝備的研究[D].上海:上海海洋大學(xué),2015.

[7] 劉晃,陳軍,倪琦,等.基于物質(zhì)平衡的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(2):161-166.

[8] TIMMONS M B, EBELING J M, WHEATON F W, et al. Recirculating Aquaculture Systems[M]. 2nd Edition, NewYork: Cayuga Aqua Ventuers, 2002.

[9] 楊菁,管崇武,宋紅橋,等.基于物質(zhì)平衡的對蝦高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(14):217-222.

[10] SUMMERFELT S T. Ozonation and UV irradiation-an introduction and examples of current applications[J]. Aquacultural Engineering, 2003, 28(1): 21-36.

[11] 管崇武,楊菁,單建軍,等.工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中臭氧/紫外線反應(yīng)系統(tǒng)的水處理性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(23):253-259.

[12] 張成林,楊菁,張宇雷,等.去除養(yǎng)殖水體懸浮顆粒的多向流重力沉淀裝置設(shè)計(jì)及性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(S1):53-60.

[13] 李源,楊菁,管崇武,等.基于CFD 的養(yǎng)殖污水凈化內(nèi)循環(huán)流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(22):44-52.

[14] 倪琦,張宇雷.循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的固體懸浮物去除技術(shù)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2007,34(6):7-10.

[15] 宿墨,劉晃,宋紅橋,等.轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)顆粒去除率及能耗的運(yùn)行試驗(yàn)研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2008, 35(5):9-12.

[16] 陳石,張成林,張宇雷,等.弧形篩對水體中固體顆粒物的去除效果研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2015,31(35):43-48.

[17] 周陽,陳有光,段登選,等.砂濾罐處理工廠化養(yǎng)魚循環(huán)水效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(12):254-258.

[19] MALONE R F, BEECHER L E. Use of floating bead filters to recondition recirculating waters in warmwater aquaculture production systems[J]. Aquacultural Engineering,2000,22(1/2):57-73．

[20] 宋奔奔,宿墨,單建軍,等.水力負(fù)荷對移動床生物濾器硝化功能的影響[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2012,39(5):1-6.

[21] WU F，BAO Y D，LIU H．The biological filtration of a new floating filter in recirculating aquaculture system[J]．Fisheries Science and Technology Information,2008,35(3) :293-296.

[22] 張海耿,張宇雷,張業(yè)韡,等.循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中流化床水處理性能及硝化動力學(xué)分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014,8(11):4743-4751.

[23] 王勁松,胡勇有.曝氣生物濾池填料的研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水,2002,33 (5):7-9.

[24] 鮑越鼎.工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)評價研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

[25] 頡曉勇,鐘金香,李純厚,等.工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2012(6):15-16.

Design and operation effects of industrial recirculating aquaculture system for sturgeon

GUAN Chongwu, YANG Jing, Song Hongqiao, ZHANG Haigeng, ZHUANG Baolu

(Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Shanghai 200092, China)

Specific to the problem that the construction and operation cost of the freshwater industrial recirculating aquaculture system is too high and the application is restricted to a certain extent, based on independent research and development of the multiway gravity device, the internal circulating fluidized bed reactor, the integrated ozone contact reactor and other water purification equipment, material balance related principles are applied for accurate design and establishment of different stages of key operating parameters of the system to establish an energy efficient industrial recirculating aquaculture system for sturgeon. After the test of 96 d breeding, the results showed that the feeding and growth of sturgeon were normal, and the average breeding density was (41.2 ±2.3) kg / m3, the survival rate was 95.8% and the feed coefficient was 1.17. The daily quantity of water exchange was below 5%, the water quality was good, and the ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in the later period were stabilized at (0.80 ± 0.21) mg/L and (0.38 ± 0.12) mg/L respectively. Average daily power consumption of the system was 33.3 kW·h, and the average output of 1 kg sturgeon required power of 7.30 kW·h. The system operation is characterized by low energy consumption and high efficiency, thus it can provide technical support for recirculating aquaculture of sturgeon.

recirculating aquaculture system; sturgeon; water treatment; power consumption; energy efficient

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.005

2017-05-17

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD25B03)

管崇武(1980—)，副研究員，研究方向：漁業(yè)水體凈化。E-mail：guanchongwu@fmiri.ac.cn

S964.9；S959

A

1007-9580(2017)05-030-07