?；溃?杰，雷霽霖，賈玉東

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028042；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071）

1 前言

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS），是當(dāng)今世界水產(chǎn)養(yǎng)殖系列模式中可達(dá)技術(shù)精準(zhǔn)化、養(yǎng)殖水環(huán)境高度可控的一種先進(jìn)模式[1]。通過生物、化學(xué)、物理等方法對(duì)養(yǎng)殖用水進(jìn)行凈化處理，使其全部或部分用水得到循環(huán)利用的工程裝置。該種模式的工業(yè)化程度最高[2，3]，具有節(jié)能、減排、節(jié)水、節(jié)地、可控性強(qiáng)、低風(fēng)險(xiǎn)集約化、產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在歐美發(fā)達(dá)國家的大西洋鮭、鰻鱺、大菱鲆、虹鱒等魚類養(yǎng)殖中，這種高端養(yǎng)殖模式[4～9]得到廣泛采用，所以被國際上認(rèn)為是21世紀(jì)發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的主導(dǎo)方向。在我國這種模式正在逐步興起[10，11]。

目前，在我國鲆鰈類養(yǎng)殖中，大多數(shù)大菱鲆、半滑舌鰨養(yǎng)殖企業(yè)仍然采用“溫室大棚+深井海水”流水養(yǎng)殖模式[10]，但已有部分企業(yè)超前采用了RAS或半循環(huán)水系統(tǒng)[12]養(yǎng)殖大菱鲆、半滑舌鰨、鰻鱺、河鲀（紅鰭東方鲀、暗紋東方鲀）、石斑魚等品種。然而，除少數(shù)高端RAS養(yǎng)殖企業(yè)外，大多數(shù)尚處于半循環(huán)式的養(yǎng)殖系統(tǒng)，急盼全面轉(zhuǎn)型升級(jí)，構(gòu)建起節(jié)能減排、低碳養(yǎng)殖、質(zhì)量安全的高端養(yǎng)殖模式。我國作為世界水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，開發(fā)、推廣全封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)向高端、精準(zhǔn)、節(jié)能、高效方向轉(zhuǎn)變，對(duì)于糧食安全和水產(chǎn)品質(zhì)量的提高具有極為重要的作用。但是，在目前國內(nèi)技術(shù)經(jīng)濟(jì)背景下，引進(jìn)和采用昂貴的國外設(shè)備型RAS，尚難得到企業(yè)部門的普遍接受和推廣應(yīng)用[13，14]，今后的出路在于自主創(chuàng)新，構(gòu)建國產(chǎn)化的設(shè)施型或設(shè)施與設(shè)備兼容的RAS。

針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備型RAS投資高和系統(tǒng)運(yùn)行能耗高等諸多問題，本文以工業(yè)化養(yǎng)殖理念為指導(dǎo)，基于RAS設(shè)計(jì)原理，瞄準(zhǔn)節(jié)能減排總目標(biāo)，以鲆鰈類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系已經(jīng)建成的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為基礎(chǔ)，全面提升設(shè)施型工藝，構(gòu)建集固體廢棄有機(jī)物去除、脫除水體中有害物質(zhì)，集殺菌消毒、增氧于一體，形成精準(zhǔn)化的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。預(yù)估本系統(tǒng)的功能全，投資小、運(yùn)行成本低、易于智能化管理，養(yǎng)殖排放水能夠充分循環(huán)利用，從而可以緩解日益匱乏的地下水資源和環(huán)境污染壓力。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)動(dòng)物育苗與養(yǎng)成生產(chǎn)，進(jìn)一步可以為精準(zhǔn)化水產(chǎn)養(yǎng)殖工程體系的改進(jìn)與升級(jí)提供參考。

2 RAS養(yǎng)殖模式

2.1 RAS構(gòu)建目標(biāo)

集約化養(yǎng)殖引起的資源高消耗問題、動(dòng)物品質(zhì)問題和環(huán)境問題，給養(yǎng)殖業(yè)、人們健康和生活環(huán)境帶來了諸多負(fù)面影響[2]。就水產(chǎn)養(yǎng)殖而言，我國從20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)先進(jìn)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，該養(yǎng)殖模式和技術(shù)很快在國內(nèi)一些有實(shí)力的企業(yè)推廣應(yīng)用。但是，高經(jīng)濟(jì)附加值的養(yǎng)殖品種較少，運(yùn)行RAS養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)性能難以體現(xiàn)，至今未能被廣泛采用。因此，構(gòu)建投資小、運(yùn)行成本低、易管理、效益高、健康生產(chǎn)、產(chǎn)品安全、節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)的養(yǎng)殖模式，無疑循環(huán)水養(yǎng)殖是我國當(dāng)前迫在眉睫的總體發(fā)展目標(biāo)。

2.2 RAS構(gòu)建的類型

從設(shè)施構(gòu)建和設(shè)備運(yùn)行的類型上，可分為設(shè)備型RAS和設(shè)施型RAS。

設(shè)備型RAS以發(fā)達(dá)國家成功運(yùn)行的養(yǎng)殖系統(tǒng)為模板，以系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行來凈化養(yǎng)殖用水，可按不同養(yǎng)殖魚類的生活習(xí)性、水體流態(tài)以及水處理工藝特性，將其歸納為常規(guī)游泳性魚類、鲆鰈類、鮭鱒類、鰻鱺等4種典型魚類的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝[13]。其工藝流程見圖1：養(yǎng)殖池→轉(zhuǎn)鼓或盤式微顆粒機(jī)→泵池→蛋白分離器→流化床生物凈化→紫外線消毒池→增氧池→養(yǎng)殖池，這種工藝流程為封閉式循環(huán)。

設(shè)施型RAS，是國內(nèi)多年來借鑒國外RAS技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，利用系統(tǒng)高位差和增建設(shè)施（池）對(duì)養(yǎng)殖用水進(jìn)行處理和循環(huán)利用，構(gòu)建形成簡易型的循環(huán)系統(tǒng)養(yǎng)殖模式。其工藝流程見圖2：多養(yǎng)殖池→弧形篩池（內(nèi)置弧形篩）→泵池→氣浮池→三級(jí)生物過濾池→脫氣池→紫外線消毒池→增氧池→多養(yǎng)殖池，成為目前通用型的國產(chǎn)化封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模板。

圖1 設(shè)備型封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)Fig.1 Equipment closed recirculating aquaculture system

圖2 設(shè)施型封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)Fig.2 Installation closed recirculating aquaculture system

我國作為世界水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，在國家藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)大構(gòu)想的思路指引下，正在實(shí)施海陸聯(lián)動(dòng)計(jì)劃，大力推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)向高端、精準(zhǔn)、節(jié)能、高產(chǎn)方向發(fā)展，以海水魚類養(yǎng)殖為先導(dǎo)，在產(chǎn)區(qū)內(nèi)建立示范樣板，不斷提升封閉式高端循環(huán)水養(yǎng)殖模式，將對(duì)糧食安全和水產(chǎn)品質(zhì)量的提高起到舉足輕重的意義。我國的海水魚類工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖，以鲆鰈類養(yǎng)殖為例，根據(jù)我國的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，通過10多年的努力，已經(jīng)成功開發(fā)了國產(chǎn)化的高效、節(jié)能、低成本RAS及其配套設(shè)施[12，15]。下一步將抓住有利時(shí)機(jī)借鑒西方高成本的設(shè)備型系統(tǒng)，為我所用轉(zhuǎn)化為國產(chǎn)化低成本的設(shè)施型系統(tǒng)，進(jìn)一步創(chuàng)造出具有區(qū)域特色的、能夠普及推廣的國產(chǎn)化系統(tǒng)模式。

2.3 設(shè)施型代替設(shè)備型的探索

發(fā)達(dá)國家的RAS，主要依靠設(shè)備模塊的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)來維持高端產(chǎn)業(yè)的連續(xù)運(yùn)行，從經(jīng)濟(jì)和節(jié)能角度考慮，購買這套設(shè)備和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用相當(dāng)高，而使發(fā)展中國家難以承受和推廣。為了打開水處理設(shè)備這一核心禁區(qū)，對(duì)其設(shè)備系統(tǒng)實(shí)施國產(chǎn)化改造，主要利用設(shè)施取代設(shè)備功能，或兩者兼容達(dá)到組裝、配套、集成運(yùn)行：即在養(yǎng)魚池末端增設(shè)一小型低位池（弧形篩池）和增加一無動(dòng)力的弧形篩來代替微濾機(jī)設(shè)備[16]。改進(jìn)現(xiàn)行的氣浮池和生物濾池非常重要，尤其在凈化養(yǎng)殖用水的核心技術(shù)上，要突破單一生物濾池的瓶頸，研究物理或電化學(xué)過濾的新路，以替代蛋白分離器設(shè)備和使用液態(tài)氧替代制氧機(jī)等設(shè)備，使整個(gè)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，無論在系統(tǒng)構(gòu)建上，還是在系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)上，都將大幅度降低建設(shè)成本和能耗，擺脫養(yǎng)殖過程中對(duì)電能、機(jī)械能的過度依賴。全面優(yōu)化設(shè)施系統(tǒng)的功能契合，同時(shí)增建進(jìn)、排水系統(tǒng)的合理位差，使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)只保留一級(jí)提水泵，其他均由系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)施形成的位差自流來完成，以達(dá)到高效、節(jié)能、減排的效果。這就是當(dāng)前推進(jìn)國產(chǎn)化循環(huán)系統(tǒng)不斷升級(jí)改造、優(yōu)化系統(tǒng)工程的主體思路。

3 設(shè)施型RAS構(gòu)建和設(shè)計(jì)原理

設(shè)施型RAS養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖2。，車間內(nèi)一般由養(yǎng)殖設(shè)施、水處理設(shè)施、輔助設(shè)施等3部分組成。

3.1 RAS工藝流程與設(shè)施設(shè)備構(gòu)成

3.1.1 工廠化車間

目前比較常見的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間，一般寬度為15m、長度約80m。其車間大小主要根據(jù)使用場(chǎng)地的大小而定，車間大體分為養(yǎng)殖區(qū)、水處理區(qū)和操作管理區(qū)3個(gè)區(qū)域；車間內(nèi)設(shè)1～2套循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，每8～12個(gè)養(yǎng)殖池配置循環(huán)系統(tǒng)一套。為降低車間建設(shè)、運(yùn)行和管理成本，企業(yè)家常采用多連體或多連跨車間設(shè)計(jì)。

3.1.2 主題養(yǎng)殖區(qū)

養(yǎng)殖區(qū)包括多個(gè)養(yǎng)殖池和進(jìn)排水管道。養(yǎng)殖池多采用圓形或圓角形養(yǎng)殖池，長寬高規(guī)格一般在5.5m×5.5m×1.0m～7.0m×7.0m×1.2m，圓角形養(yǎng)殖池的圓角半徑應(yīng)大于養(yǎng)殖池半徑的1/2，池底采用中間低四周高的“鍋底型”，排水口置于池中央最低處，鍋底一般為坡度1∶10，以利于池底殘餌糞便等污物順利排出；池壁要防水處理，池面光滑、不掛臟，池內(nèi)建議用養(yǎng)殖池專用涂料粉刷，以防污物和細(xì)菌等致病源藏躲其內(nèi)，以減少病害的發(fā)生。RAS管道系統(tǒng)包括進(jìn)水管道、回水管道及外源水補(bǔ)充管道。進(jìn)水管道是指由水處理系統(tǒng)進(jìn)入養(yǎng)殖池的管道系統(tǒng)，由進(jìn)水主管和入池管組成，進(jìn)水主管置于車間兩側(cè)的池臺(tái)上，通常選用直徑為20～25 cm的PVC管，入池管直徑為7.5～9.0 cm。回水管道是指從養(yǎng)殖池流向水處理系統(tǒng)的管道，由回水裝置和回水主管組成，回水裝置[15]位于養(yǎng)殖池外側(cè)，此裝置具有快速排污、清除養(yǎng)殖池水面雜質(zhì)、調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池水位和將系統(tǒng)內(nèi)任意養(yǎng)殖池脫離系統(tǒng)外進(jìn)行流水養(yǎng)殖等功能；回水主管通常置于中間過道下的地溝兩側(cè)，通常選用直徑為30 cm左右的PVC管。外源水補(bǔ)充管道的功能是向RAS添加和補(bǔ)充新水，可在泵池、一級(jí)截污生物凈化池末端及每個(gè)養(yǎng)殖池都安置新水補(bǔ)充管頭。

3.1.3 核心水質(zhì)處理區(qū)

水處理區(qū)由大顆粒過濾池（內(nèi)設(shè)弧形篩）、提水低位池（提水泵）、氣浮池、一二三級(jí)截污生物凈化過濾池、脫氣池、紫外消毒池和增氧池組成[17]，水處理區(qū)面積約占車間總面積的13%；大顆粒過濾池和提水池處于低位，應(yīng)為磚混結(jié)構(gòu)，池壁厚12 cm；其他池處于高位，為安全起見多設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池壁厚20 cm。

大顆粒過濾池內(nèi)設(shè)有弧形篩，可將60目以上的固體顆粒物，如殘餌、糞便、顆粒絮狀物等過濾掉，若有機(jī)顆粒物在RAS中停留時(shí)間過長，將會(huì)分解并大量積累為氨氮、亞硝酸氮、磷等，使養(yǎng)殖水質(zhì)惡化[18]。因此，增添此設(shè)施和無動(dòng)力的弧形篩來代替全自動(dòng)微粒機(jī)是比較可行的，可節(jié)約運(yùn)行能耗，減少養(yǎng)殖成本[16]。

提水低位池和提水泵，通過弧形篩的水通過落位差自流入提水低位池，低位池內(nèi)設(shè)有提水泵，也稱循環(huán)泵，可將最低位的水提到高位的氣浮池中。

氣浮池的作用是利用氣浮泵將養(yǎng)殖水通過微氣泡的表面張力吸附水中的微細(xì)懸浮顆粒物和膠狀物質(zhì)，再以泡沫形式排出系統(tǒng)外，起到凈化水質(zhì)的作用，其氣水比是蛋白質(zhì)泡沫分離器的3倍，而造價(jià)為后者的1/5。結(jié)合弧形篩可有效地降低了水中有機(jī)物的含量，減少生物濾池的負(fù)載和水系統(tǒng)中的營養(yǎng)鹽[16]。增添的設(shè)施組合池比傳統(tǒng)的機(jī)械物理處理方式（滾筒過濾機(jī)、蛋白分離器）節(jié)省設(shè)備投資，且設(shè)備易維修，運(yùn)行成本低。養(yǎng)殖水經(jīng)過氣浮池設(shè)施之后，一般只含有水溶解性營養(yǎng)鹽，可用生物來處理[19]。

生物凈化過濾池和生物膜（包）培養(yǎng)是循環(huán)水養(yǎng)殖的關(guān)鍵設(shè)備，也是RAS的技術(shù)核心[20，21]。生物凈化是由附著在生物濾池中生物填料表面的生物膜完成的，生物膜由多種硝化細(xì)菌、有機(jī)碎屑和多糖等組成，其主要作用是分解養(yǎng)殖水中的有機(jī)質(zhì)、氨氮、亞硝酸鹽、硫化物及磷酸鹽等有害物質(zhì)[19]。實(shí)踐中，生物凈化池不但能分解氨氮等有害物質(zhì)，而且其截污沉淀能力，對(duì)于顆粒物的去除、維持系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)清新也發(fā)揮著不可忽視的作用，因此，生物凈化池設(shè)計(jì)是整個(gè)RAS設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。生物凈化過濾池由3級(jí)濾池組成，考慮沖洗時(shí)的可操作性，將原來3級(jí)濾池中的彈性毛刷濾料集中安裝到第1，2級(jí)生物濾池中，使第1，2級(jí)生物濾池具有較強(qiáng)的有機(jī)物攔截能力。毛刷上附著異養(yǎng)菌菌膜，也能夠有效分解進(jìn)入生物濾池的有機(jī)物，彈性毛刷的性質(zhì)也有利于第1，2級(jí)生物濾池的清洗。第3級(jí)生物濾池中，使用了比表面積達(dá)到300m2/kg的塑料片濾料，使生物濾池具有較高的生物處理能力[22]。生物凈化過濾池大小決定于系統(tǒng)最大生物承載量、養(yǎng)殖品種的攝食與消化能力、填料比表面積和生物膜的凈化能力，其計(jì)算公式為

實(shí)踐中，生物濾池體積一般設(shè)計(jì)為有效養(yǎng)殖水體的35%，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)養(yǎng)殖品種的攝食能力和糞便的成型情況作適當(dāng)調(diào)整。

從弧形篩和氣浮池剩余的微細(xì)顆粒物，多數(shù)通過3級(jí)生物凈化過濾池填料的攔截作用，被大量沉積在池底。為此，在1級(jí)生物濾池和2級(jí)生物濾池底部設(shè)計(jì)了專門的斗狀集污槽。

脫氣池是將魚類代謝及生物凈化過程中產(chǎn)生的大量CO2從系統(tǒng)水中脫去。因CO2在水中大量富集容易導(dǎo)致養(yǎng)殖水pH值急速下降，當(dāng)pH值低于7.0時(shí)，不但會(huì)影響魚類的攝食與生長，而且會(huì)抑制生物膜的生物凈化作用[23]。解決循環(huán)水養(yǎng)殖水pH值下降問題是當(dāng)前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也引起國內(nèi)業(yè)界的高度重視。脫氣是解決這一問題的主要方法之一，在水處理系統(tǒng)中專門增設(shè)了脫氣池，其作用是通過大量曝氣以加快水中CO2的溢出。

因生物濾池在養(yǎng)殖系統(tǒng)中的地位和作用非常重要，但改進(jìn)的難度又很大，為此建議今后一定要立專項(xiàng)研究，實(shí)施多學(xué)科交叉融合，另辟蹊徑，探索出一條水處理的新路。

臭氧及紫外線消毒池，添加臭氧的作用是在RAS中殺菌消毒、分解氨氮和除色去味[24]。其具體表現(xiàn)為3個(gè)方面：殺菌消毒，臭氧不但可以殺滅各種細(xì)菌，而且對(duì)紫外線不能殺滅的寄生蟲、寄生蟲卵、真菌及真菌孢子體等具有很強(qiáng)的殺傷力；分解氨氮，一個(gè)臭氧與一個(gè)氨氮結(jié)合生成二氧化氮和水；除色去味，通常情況下，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間以后，養(yǎng)殖水會(huì)變黃和略帶腥臭味，添加臭氧以后，通過臭氧的強(qiáng)氧化作用，很快使水質(zhì)變得清澈和清新。

增氧池及設(shè)備，在增氧池中水高溶氧是開展高密度養(yǎng)殖和提高生物濾池生物凈化效率的保障，增氧池設(shè)在水處理系統(tǒng)的末端，養(yǎng)殖水在經(jīng)過增氧池后直接進(jìn)入進(jìn)水主管流向養(yǎng)殖池，通常以液態(tài)氧作氧源，采用板式納米增氧器以氣水對(duì)流的形式來達(dá)到高效溶氧的目的。該方法使增氧系統(tǒng)造價(jià)下降了90%，該裝置的溶氧效率達(dá)75%，水體溶氧量可維持在10mg/L以上，也可根據(jù)所需來調(diào)整，能滿足養(yǎng)殖密度40 kg/m3的溶氧需求[25]。

水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)追蹤和檢測(cè)RAS水質(zhì)指標(biāo)的變化情況，并根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)及時(shí)做出管理上的調(diào)整，同時(shí)，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以與氣浮泵、紫外消毒器、臭氧發(fā)生器、自動(dòng)投餌機(jī)及外源水補(bǔ)充閥聯(lián)動(dòng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)[26]，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化、工業(yè)化養(yǎng)殖。

3.1.4 操作區(qū)及其他

操作區(qū)主要包括飼料室、消毒間、值班室、監(jiān)控室、儲(chǔ)藏間等，約占車間總面積的4%。車間還包括燈光照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。

3.2 RAS設(shè)計(jì)原理

3.2.1 基于系統(tǒng)氧物質(zhì)平衡的設(shè)計(jì)原理

在RAS的設(shè)計(jì)中，水中溶氧是水生養(yǎng)殖動(dòng)物賴以生存和生長的重要的水質(zhì)因子，關(guān)乎水質(zhì)的好壞和養(yǎng)殖的成敗[27]。水作為對(duì)魚類的氧氣輸送介質(zhì)和對(duì)氨和其他廢物的去除介質(zhì)。養(yǎng)殖品種生理生長耗氧和系統(tǒng)外供氧是RAS中氧物質(zhì)平衡兩大輸出和輸入因素。在RAS養(yǎng)殖品種耗氧量取決于各種因素，如養(yǎng)殖品種種類、規(guī)格、呼吸速率、放養(yǎng)密度、飽食量和水溫等。

3.2.2 基于系統(tǒng)總氨氮物質(zhì)平衡的設(shè)計(jì)原理

RAS的設(shè)計(jì)需要提供足夠的容納氮的能力，保持總系統(tǒng)內(nèi)的總氨氮（TAN）在可接受的水平，并不斷將硝酸鹽或轉(zhuǎn)換為氮?dú)猓摰?，反硝化作用）。RAS的氮投入和轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行量化，這也決定了生物濾器的規(guī)模和水流量的大小。TAN的生產(chǎn)率和硝化作用硝酸鹽速度必須能夠被準(zhǔn)確計(jì)算[28]。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)一般使用高蛋白飼料，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物及殘餌在系統(tǒng)內(nèi)降解，就產(chǎn)生了TAN。TAN的產(chǎn)生量由RAS飼料投入量（1%～5%的生物量/d）和飼料的蛋白質(zhì)含量決定（30%～60%）。生物過濾效率和TAN的產(chǎn)生量可確定每日所需水流量，使生物過濾器可以保持理想的TAN水平。此外，每天通過換水使硝酸鹽含量維持在可接受的范圍內(nèi)，也可以計(jì)算出來[29]。

3.2.3 基于系統(tǒng)固體有機(jī)物平衡的設(shè)計(jì)原理

研究表明，向系統(tǒng)中投喂每1 kg飼料就能生成250～300 g的固體廢物（殘餌和糞便）。這個(gè)指標(biāo)可以用來計(jì)算預(yù)期的懸浮固體濃度。RAS固體移除構(gòu)件（即弧形篩、氣浮池、3級(jí)生物凈化過濾池等）的去除效率也需要在質(zhì)量平衡中計(jì)算[30]。通過這一過程，可以適當(dāng)增添處理設(shè)施和機(jī)械過濾元件。

4 RAS運(yùn)行生態(tài)原理與自我維護(hù)

4.1 生物生態(tài)控制原理

RAS是一個(gè)菌魚共生小生態(tài)系統(tǒng)[31，32]。利用3級(jí)生物過濾池來進(jìn)行生物凈化處理，不但是養(yǎng)殖水處理系統(tǒng)的核心，也是養(yǎng)好魚的基礎(chǔ)。RAS建設(shè)并調(diào)試完成后，快速培養(yǎng)生物膜、構(gòu)建穩(wěn)定的生物凈化功能是啟動(dòng)RAS的前提，也是生產(chǎn)中最關(guān)鍵的技術(shù)。海水RAS研究表明：在水溫20℃左右、鹽度3.5%的條件下，海水生物凈化器的生物膜預(yù)培養(yǎng)大約需耗時(shí)40～60 d[22]。耗時(shí)長的主要原因是海水中的鹽分對(duì)氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性具有顯著抑制作用。采取邊養(yǎng)魚、邊培養(yǎng)和熟化生物膜的方法，可解決此問題。系統(tǒng)啟動(dòng)初期，通過大量添加外源水把養(yǎng)殖水指標(biāo)控制在安全范圍以內(nèi)，利用魚類代謝氮源培養(yǎng)生物膜，隨著膜凈化功能的完善，逐步減少外源水的補(bǔ)充量。系統(tǒng)啟動(dòng)初期的放養(yǎng)密度最好控制在10 kg/m3以內(nèi)[22]。

4.2 物質(zhì)輸入與病害防控

向養(yǎng)殖池中投喂飼料是魚獲得生長和增重的最重要物質(zhì)來源。為了保證飼料轉(zhuǎn)化率高，在RAS中投喂優(yōu)質(zhì)的飼料，首先是營養(yǎng)價(jià)值高、飼料利用率高，其次還要求飼料不帶致病菌、飼喂后魚的糞便成型性好[33]。優(yōu)質(zhì)飼料可以最大限度地減輕水處理系統(tǒng)的處理負(fù)荷，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。采取少量多次和控制80%的飽食量的飼喂方法，不但可以提高飼料利用率、避免浪費(fèi)，而且能起到增強(qiáng)魚的體質(zhì)、減少疾病發(fā)生的作用。外源水補(bǔ)充是循環(huán)水養(yǎng)殖過程中維系水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定的重要手段，補(bǔ)充點(diǎn)可以在泵池、也可以在1級(jí)截污生物凈化過濾池，新水補(bǔ)充量應(yīng)根據(jù)養(yǎng)殖水的氨氮、亞硝酸鹽及pH值指標(biāo)來決定[34]。

放養(yǎng)健康優(yōu)質(zhì)苗種、保持系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定、科學(xué)投喂高營養(yǎng)價(jià)值飼料是RAS中預(yù)防疾病發(fā)生的重要措施。一旦發(fā)病，切忌在系統(tǒng)內(nèi)使用任何抗生素，因?yàn)榭股卦跉⑺乐虏【耐瑫r(shí)也會(huì)破壞生物膜上的益生菌，最好的方法是盡快把發(fā)病的魚及養(yǎng)殖池脫離RAS，在系統(tǒng)外完成病魚的治療和養(yǎng)殖池的消毒后，再并入系統(tǒng)中[35]。

5 結(jié)語

本文基于“國家鲆鰈類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”多年來的實(shí)踐與研究成果，整合國內(nèi)外同類信息與技術(shù)資源，緊密結(jié)合我國國情實(shí)際，以RAS的優(yōu)化、高效運(yùn)行為發(fā)展目標(biāo)，分析了RAS工藝流程、解決系統(tǒng)功能集成的方法，抓住產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有利時(shí)機(jī)，提出了增添系統(tǒng)功能設(shè)施、優(yōu)化高精度水處理技術(shù)；論述了RAS運(yùn)行原理與自我維護(hù)體系的構(gòu)筑，并深入討論了構(gòu)建我國節(jié)能減排、優(yōu)質(zhì)高效，以及有精準(zhǔn)化內(nèi)涵的陸基循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)方案?？梢酝茰y(cè)，該系統(tǒng)具有建設(shè)成本低廉、操作簡便、運(yùn)行平穩(wěn)、能耗較低和功能完善等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)減少資源浪費(fèi)、保障產(chǎn)品質(zhì)量安全和環(huán)境保護(hù)，將啟迪新的發(fā)展思路和解決方案，同時(shí)也將為我國下一步在“藍(lán)色糧倉”的主產(chǎn)區(qū)，廣泛構(gòu)建現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖工程體系，提供理論和技術(shù)支撐。

[1] 雷霽霖，黃 濱，劉 濱，等.構(gòu)建基于水產(chǎn)福利養(yǎng)殖理念的高端養(yǎng)殖戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學(xué)，2014，16（3）：14-20.

[2] Tal Y，Schreier H J，Sowers K R，etal.Environmentally sustainable land-based marine aquaculture[J].Aquaculture，2009，286：28-35.

[3] 劉 鷹，劉寶良.我國海水工業(yè)化養(yǎng)殖面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39（6）：1-4.

[4] Bergheim A，Drengstig A，Ulgenes Y，et al.Production of Atlantic salmon smolts in Europe-Current characteristics and future trends[J].Aquacultural Engineering，2009，41：46-52.

[5] Baer A，Schulz C，Traulsen I，etal.Analysing the grow th of turbot（Psetta maxima） in a commercial recirculation system with the use of three different grow thmodels[J].Aquaculture International，2011，19：497-511.

[6] Magnesen T，Jacobsen A.Effectofwater recirculation on seawater quality and production of scallop（Pecten maximus） larvae[J].AquaculturalEngineering，2012，47（3）：1-6.

[7] Zhang Shiyang，Li Gu，Wu Huibi，et al.An integrated recirculating aquaculture system（RAS）for land-based fish farming:the effects on water quality and fish production[J].Aquacultural Engineering，2011，45（3）：93-102.

[8] Steinar S，Sten Ivar S，Bj?rn-Steinar S.Cold water RAS in an Arctic charr farm in Northern Norway[J].Aquacultural Engineering，2009，41：114-121.

[9] Bertrand B，Jean-Paul B，Jean-Yves C，etal.Mass transfer efficiency of a vacuum airlift-Application towater recycling in aquaculture systems[J].Aquacultural Engineering，2012，46：18-26.

[10] 雷霽霖.中國海水養(yǎng)殖大產(chǎn)業(yè)架構(gòu)的戰(zhàn)略思考[J].中國水產(chǎn)科學(xué)，2010（17）：600-609.

[11] 王 峰，雷霽霖，高淳仁，等.國內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖研究進(jìn)展[J].中國水產(chǎn)科學(xué)，2013，20（5）：1100-1111.

[12] 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）：1-9.

[13] Martins C IM，Eding E H，Verdegem M C J.New developments in recirculating aquaculture systems in Europe：A perspective on environmental sustainability[J].Aquacul tural Engineering，2010，43：83-93.

[14] TimmonsM B，Ebeling JM，Wheaton FW，etal.Recirculating Aquaculture Systems（2nd Edition）[M].New York：Cayuga Aqua Ventuers，2002.

[15] 朱建新，曲克明，劉 慧，等.海水魚類工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)多功能回水裝置[P].中國專利：CN102613131A，2012.

[16] 倪 琦，張成林，莊保陸.水產(chǎn)養(yǎng)殖用弧形篩過濾設(shè)備[P].中國專利：CN102029084A，2011.

[17] 王 峰，雷霽霖，高淳仁，等.國內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式水質(zhì)處理研究進(jìn)展[J].中國工程科學(xué)，2013，15（10）：16-23.

[18] 王振華.循環(huán)水養(yǎng)魚系統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)關(guān)系分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014（8）：57-62.

[19] 于冬冬，倪 琦，莊保陸，等.氣提式砂濾器在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的水質(zhì)凈化效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014（5）：57-64.

[20] 張海耿，張宇雷，張業(yè)韡，等.循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中流化床生物濾器凈水效果影響因素[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013（10）：3849-3855.

[21] 柳 瑤，宋協(xié)法，梁振林，等.工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中生物流化床的流化特性研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（1）：41-45.

[22] 張 正，王印庚，曹 磊，等.海水循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生物膜快速掛膜試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（28）：157-162.

[23] Wout A，Ainhoa B G，Jonathan A C，et al.The effect of temperature and pH on the grow th and physiological response of juvenile yellow tail king fish Seriola lalandi in recirculating aquaculture systems[J].Aquaculture，2012，330：130-136.

[24] Schroedera JP，Croota P L，Von Dew itza B，et al.Potential and limitations of ozone for the removal of ammonia，nitrite，and yellow substances in marine recirculating aquaculture systems[J].Aquacultural Engineering，2011，45：35-41.

[25] Jeonghwan P，Youhee K，Pyong-Kih K，et al.Effects of two different ozone doses on seawater recirculating systems for black sea bream Acanthopagrus schlegeli（Bleeker）：Removal of solids and bacteria by foam fractionation[J].Aquacultural Engineering，2011，44（1）：19-24.

[26] 劉金權(quán).構(gòu)建軟硬結(jié)合的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)解決方案[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（6）：10-11.

[27] 朱明瑞，曹廣斌，蔣樹義，等.工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22（3）：226-230.

[28] 黃志濤.彩虹貝循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].青島：中國海洋大學(xué)博士論文，2013.

[29] Simon PG，Paul JD，David F，et al.Nitrogen removal and changes to microbial communities inmodel flood/drain and submerged biofilters treating aquaculture wastewater[J].Aquacultural Engineering，2012，50：37-45.

[30] 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)，2010（25）：161-165.

[31] 劉艷紅，羅國芝，朱學(xué)寶.海水閉合循環(huán)系統(tǒng)生物濾器微生物特性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004（23）：540-544.

[32] Tomoko S，Tadashi A，Tetsuo M，et al.Phylogenetic diversity of ammonia-oxidizing archae a and bacteria in biofilters of recirculating aquaculture systems[J].Marine Genomics，2012（7）：27-31.

[33] 牛化欣，雷霽霖.鲆鰈類專用擠壓飼料特性及研發(fā)[J].水產(chǎn)前沿，2012（7）：59-62.

[34] 黃 濱，劉 濱，雷霽霖，等.工業(yè)化循環(huán)水福利養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)與智能裝備的研究[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào)，2013(11)：1750-1760.

[35] 王印庚，陳 君，潘傳燕，等.鲆鰈類循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中病原菌的分布及殺除工藝[J].漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展，2013（3）：75-81.