石斑魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)及水源熱泵應(yīng)用研究

辛乃宏， 朋禮全， 于學(xué)權(quán)， 楊永海， 張樹森

(1 中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450；2 天津市海發(fā)珍品實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，天津 300452)

石斑魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)及水源熱泵應(yīng)用研究

辛乃宏1， 朋禮全2， 于學(xué)權(quán)2， 楊永海2， 張樹森2

(1 中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450；2 天津市海發(fā)珍品實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，天津 300452)

通過構(gòu)建石斑魚的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)及水源熱泵加溫系統(tǒng)，達(dá)到在北方大規(guī)模養(yǎng)殖石斑魚的目的。養(yǎng)殖系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、弧型篩、循環(huán)泵、蛋白分離器、浸沒式生物濾池、脫氣池、溶氧池、紫外線滅菌器、液氧站組成。采用養(yǎng)殖廢水收集及過濾裝置處理后的養(yǎng)殖廢水作為水源熱泵的水源，通過2個(gè)冬季的運(yùn)行，其冬季制熱的平均制熱能效比(COP)為2.66。在系統(tǒng)中養(yǎng)殖的第1批青斑魚11個(gè)月內(nèi)由24.41 g生長到480.66 g，存活率超過97%。養(yǎng)殖的第2批青斑12個(gè)月內(nèi)由23.36 g生長到400.46 g，存活率達(dá)到84.5%。養(yǎng)殖的珍珠龍膽石斑7個(gè)月內(nèi)由48.46 g生長到511.36 g，存活率達(dá)到71.24%。養(yǎng)殖的東星斑12個(gè)月內(nèi)由41.13 g生長到223.56 g，存活率達(dá)到65.52%。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)青斑、珍珠龍膽石斑、東星斑等品種的常年均衡生長，并可降低石斑魚的養(yǎng)殖成本。

石斑魚;循環(huán)水養(yǎng)殖;水源熱泵;養(yǎng)殖廢水;制熱能效比

石斑魚類養(yǎng)殖是中國主要的海水魚養(yǎng)殖品種[1]。近年來由于海洋生態(tài)環(huán)境不斷惡化，養(yǎng)殖水域環(huán)境污染不斷加劇，病害頻發(fā)，致使石斑魚養(yǎng)殖效益下降，傳統(tǒng)的網(wǎng)箱和池塘養(yǎng)殖方式已難以大幅度提高單位面積產(chǎn)量，這也促使了工廠化石斑魚養(yǎng)殖的迅速發(fā)展[2-4]。石斑魚屬熱帶品種，最適生長溫度在25 ℃～28 ℃ ，而我國北方地區(qū)主要是溫帶大陸性氣候，冬季寒冷，夏季溫?zé)?，氣溫年較差大，氣溫日較差亦大。最冷出現(xiàn)在1月，最熱在7月，春溫高于秋溫。從本文所述石斑魚試驗(yàn)養(yǎng)殖基地所處的天津地區(qū)的月平均氣溫來看，每年只有6、7、8月及9月上旬平均氣溫在25 ℃以上，養(yǎng)殖石斑魚每年需要加溫的時(shí)間長達(dá)8個(gè)月?？刂起B(yǎng)殖過程中的加熱成本是北方工廠化石斑魚養(yǎng)殖的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的長流水養(yǎng)殖需要大量換水，因此會(huì)明顯增加石斑魚養(yǎng)殖的加熱成本。因此，構(gòu)建節(jié)能型循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)成為北方工廠化養(yǎng)殖石斑魚的關(guān)鍵[5]。

能耗是魚類陸基設(shè)施化養(yǎng)殖成本的主要構(gòu)成之一。據(jù)報(bào)道，我國北方流水式和循環(huán)水養(yǎng)殖的能耗分別達(dá)到8.66(kW·h)/kg和5. 07(kW·h)/kg[6]；流水式工廠化養(yǎng)殖過程中加熱的能源消耗更是占到90%[7]。利用可再生能源是解決設(shè)施化養(yǎng)殖溫度控制的一個(gè)途徑[8]。熱泵作為一種高效節(jié)能裝置，具有巨大的節(jié)能潛力[9]。把熱泵控溫技術(shù)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)具有重要的節(jié)能與環(huán)保及經(jīng)濟(jì)價(jià)值[10]。水源熱泵是熱泵的一種，在制熱時(shí)能從自然界的水中獲取低品位熱，經(jīng)過電力做功，輸出高品位熱能，水源熱泵具有既可制熱又可制冷的優(yōu)勢(shì)。但水源熱泵需要穩(wěn)定的水源保障，水溫和水量是影響水源熱泵系統(tǒng)工作效果的關(guān)鍵因素。應(yīng)用試驗(yàn)表明，養(yǎng)殖廢水可以作為一個(gè)溫度穩(wěn)定的熱泵水源[11-13]。

天津市海發(fā)珍品實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，目前的日換水量為養(yǎng)殖水體的20%，按16 000 m3水體的凈養(yǎng)殖水體計(jì)算，每天需要向外界排放養(yǎng)殖廢水3 200 m3，同時(shí)需要補(bǔ)充等量新水。冬季時(shí)外源水的溫度最低可至0 ℃。為了維持水溫，冬季時(shí)補(bǔ)充新水需要加熱到30 ℃以上。按傳統(tǒng)的加熱方式，需要消耗大量能源。海發(fā)公司石斑魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)每天排出的3 200 m3養(yǎng)殖廢水，常年溫度大約在25 ℃左右，是水源熱泵可利用的最好水源?；诖?，建設(shè)了一套用于石斑魚養(yǎng)殖的水源熱泵調(diào)溫系統(tǒng)，可以維持冬季水溫在25 ℃以上，實(shí)現(xiàn)石斑魚冬季養(yǎng)殖。

1 材料與方法

1.1 石斑魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)天津的地域特點(diǎn)，經(jīng)過多年探索并借鑒國外先進(jìn)的循環(huán)水養(yǎng)殖工藝，通過對(duì)原養(yǎng)殖系統(tǒng)不斷改進(jìn)和完善，最終形成針對(duì)石斑魚的養(yǎng)殖工藝流程(圖1)。

圖1 養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝流程

養(yǎng)殖系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、弧型篩、離心泵、蛋白分離器、3級(jí)浸沒式生物濾池、溶氧池、紫外線滅菌器、液氧站等組成。針對(duì)石斑魚的生活習(xí)性，充分考慮生物濾池中不同種類微生物對(duì)水質(zhì)的凈化作用，在1、2級(jí)生物濾池填充彈性毛刷填料，有利于顆粒物的攔截和生物濾池的清污。在3級(jí)生物濾池中選擇比表面積大的新型生物填料PE絲狀濾料，以增加生物濾池的處理能力；在3級(jí)濾池底部安裝曝氣盤，以增加生物濾池的脫氣功能，減少養(yǎng)殖系統(tǒng)的日換水量。在有機(jī)顆粒物去除方面，用弧型篩和蛋白分離器替代傳統(tǒng)的滾筒過濾裝置，以增加對(duì)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的去除效率，降低能耗。用液氧代替空氣充氣，以增加溶氧。使用紫外線滅菌，以減少魚的發(fā)病率。

1.2 石斑魚養(yǎng)殖水源熱泵調(diào)溫系統(tǒng)

1.2.1 養(yǎng)殖廢水收集及過濾處理

養(yǎng)殖廢水?dāng)y帶大量的糞便、殘餌等，這些有機(jī)物會(huì)沉積到管道或水源熱泵換熱管的管壁，造成管道堵塞，影響換熱效率。因此，養(yǎng)殖廢水需要預(yù)先處理。在控溫系統(tǒng)中建立了一套養(yǎng)殖廢水收集及過濾系統(tǒng)，以滿足水源熱泵對(duì)水質(zhì)的要求。本處理系統(tǒng)利用循環(huán)水養(yǎng)殖車間現(xiàn)有的排水溝，在每條排水溝的出口位置安裝PE繞絲濾料，排水溝的出口與1條Φ500的PVC管道相連，管道與直徑2 m深2 m的圓形水泥集水井相連(圖2)，養(yǎng)殖廢水通過中心排水管和排水口排入排水溝。

圖2 養(yǎng)殖廢水過濾及收集系統(tǒng)

排水溝出口安裝PE繞絲濾料，一方面可截留大顆粒有機(jī)物，另一方面濾料上附著的異氧菌可分解養(yǎng)殖廢水中的有機(jī)物。經(jīng)過處理后的養(yǎng)殖廢水經(jīng)過收集管道匯到集水井，用于熱泵的連續(xù)水源。

1.2.2 水源熱泵機(jī)組選型

本試驗(yàn)選用貝萊特空調(diào)有限公司生產(chǎn)的LSBLG860Z水源熱泵熱水機(jī)1臺(tái)，技術(shù)參數(shù)為：額定制熱量800 kW，產(chǎn)水量165 m3/h，輸入功率161 kW，最高出水溫度60 ℃，制冷劑類型R134a。配置數(shù)量2臺(tái)，溫控養(yǎng)殖面積16 000 m2，冬季養(yǎng)殖溫度極限>25 ℃。

1.2.3 水源熱泵系統(tǒng)調(diào)溫工藝流程

水源熱泵系統(tǒng)調(diào)溫工藝流程見圖3。

圖3 冬季水溫調(diào)控圖

24 ℃～26 ℃的養(yǎng)殖廢水，通過廢水收集泵向熱泵機(jī)組供水，熱泵機(jī)組通過出口處的循環(huán)泵與板式換熱器相連。需要補(bǔ)充的外源水經(jīng)過地?zé)崴A(yù)調(diào)溫至23 ℃～25 ℃ ，再與熱泵機(jī)組的出水進(jìn)行熱交換，將補(bǔ)充的外源水的水溫提升到31 ℃～33 ℃，以維持冬季石斑魚的養(yǎng)殖水溫在24 ℃～26 ℃。

1.2.4 調(diào)溫系統(tǒng)能耗

整個(gè)石斑魚熱泵調(diào)溫系統(tǒng)由1臺(tái)熱泵機(jī)組(161 kW)、1臺(tái)廢水收集泵(11 kW)、1臺(tái)循環(huán)泵(18.5 kW)、1臺(tái)外源水供水泵(15 kW)組成，額定功率為205.5 kW。

1.2.5 石斑魚養(yǎng)殖條件及投喂策略

試驗(yàn)期間的水質(zhì)指標(biāo)控制：水溫25 ℃～28 ℃、鹽度28～30、溶氧5～8 mg/L、氨氮0.2 mg/L以下、亞硝酸鹽氮0.02 mg/L以下、pH 7.8～8.5。投喂膨化顆粒飼料和冰鮮小雜魚，魚的體重100 g以下每天投喂顆粒飼料 3～4次，體重100 g以上每天投喂2次，上午投喂小雜魚，下午投顆粒飼料。試驗(yàn)期間，石斑魚根據(jù)生長情況，人工分級(jí)2～3次，每天統(tǒng)計(jì)每批試驗(yàn)養(yǎng)殖石斑魚的死亡數(shù)，每月抽樣測(cè)石斑魚體重，以此統(tǒng)計(jì)每批石斑魚的月累計(jì)成活率和月平均體重。

2 結(jié)果

2.1 水源熱泵溫控系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)價(jià)

2.2 水源熱泵調(diào)溫系統(tǒng)實(shí)際制熱能效比評(píng)價(jià)

制熱能效比(COP)是制熱循環(huán)中產(chǎn)生的制熱量與制熱所耗電功率之比，COP越高越節(jié)能。按公式(1)計(jì)算整個(gè)石斑魚養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)的制熱能效比。

NCOP=Q/W

(1)

式中：NCOP—制熱能效比；W—輸入能耗，焦耳(J)；Q—輸出的熱能，焦耳(J)。

輸出的熱能Q按公式(2)計(jì)算

Q=qm×cp×△T

(2)

式中：qm—介質(zhì)的流量；cp—介質(zhì)的定壓比熱，本試驗(yàn)介質(zhì)海水cp為4.2×103J/(kg·℃)；△T—換熱溫差。

本試驗(yàn)中 ，外源補(bǔ)充水的流量為67 m3/h，qm約為67 000 kg/h。水溫從25 ℃提升到32 ℃，△T為7 ℃。

將以上數(shù)值代入公式(2)，計(jì)算出本系統(tǒng)輸出的熱能為1.969 8×109J/h。

將整個(gè)溫控系統(tǒng)輸入功率205.5 kW/h換算為以J為單位的輸入能耗(1 kW相當(dāng)于3.6×106J)：W=205.5 kW/h×3.6×106J/kW=7.398×108J/h

將輸出的熱能Q(1.969 8×109J/h)，輸入能耗W(7.398×108J/h)代入公式(1)，計(jì)算整個(gè)石斑魚養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)制熱能效比(COP)為2.66。

2.3 幾種石斑魚在系統(tǒng)中的生長狀況

在系統(tǒng)中大規(guī)模養(yǎng)殖青斑、珍珠龍膽石斑、東星斑等品種。第1批青斑魚11個(gè)月內(nèi)由24.41g生長到480.66 g，存活率超過97%(圖4)；第2批青斑12個(gè)月內(nèi)由23.36 g生長到400.46 g，存活率達(dá)到84.5%(圖5)；養(yǎng)殖的珍珠龍膽石斑7個(gè)月內(nèi)由48.46 g生長到511.36 g，成活率達(dá)到71.24%(圖6)；養(yǎng)殖的東星斑12個(gè)月內(nèi)由41.13 g生長到223.56 g，存活率達(dá)到65.52%(圖7)。

圖4 青斑(1批)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的生長狀況和存活率

圖5 青斑(2批)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的生長情況和存活率

圖6 珍珠龍膽石斑在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的生長情況和存活率

圖7 東星斑在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的生長情況和存活率

3 討論

3.1 養(yǎng)殖系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)的構(gòu)建及運(yùn)行

本試驗(yàn)使用的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，由于采用弧形篩結(jié)合蛋白分離的低成本物理過濾，以及較大水處理單元養(yǎng)殖單元體積比(1∶2)的生物濾池設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的石斑魚養(yǎng)殖承載量超過了30 kg/m3，單位能耗降低到7.54 kW/kg石斑魚，日換水量降低20%，且水質(zhì)維持在一個(gè)較好的水平[14]。水源熱泵溫控系統(tǒng)，通過養(yǎng)殖廢水收集和處理系統(tǒng)，使水源水質(zhì)達(dá)到水源熱泵的要求，養(yǎng)殖廢水回收率達(dá)到80%以上。通過水源熱泵將外源水的水溫提高了7 ℃，達(dá)到31 ℃～33 ℃，滿足了冬季最冷時(shí)石斑魚的養(yǎng)殖水溫在25 ℃以上的要求。在必要的保養(yǎng)條件下該系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行了2年。

水源熱泵溫控系統(tǒng)冬季制熱時(shí)的熱效率(COP)為2.66(266%)，符合吳麗娜等[11]對(duì)應(yīng)用養(yǎng)殖廢水作為水源熱泵水源時(shí)熱效率的推算，遠(yuǎn)高于燃煤鍋爐(COP約為64%)、燃油鍋爐(COP約為85%)、燃?xì)忮仩t(COP約為75%)的熱效率。通過測(cè)算，通過水源熱泵的應(yīng)用，年節(jié)約地?zé)崴s15萬m3。

3.2 石斑魚養(yǎng)殖結(jié)果

養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖的青斑、龍膽石斑、東星斑、老虎斑、老鼠斑、赤點(diǎn)石斑均獲得了成功。包括熱水井和水源熱泵在內(nèi)的石斑魚養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)有效地將水溫維持在最適溫度范圍內(nèi)(24 ℃～28 ℃)。從幾種石斑魚的生長曲線來看，冬季和夏季石斑魚的生長未出現(xiàn)明顯差異。兩批次的青斑生長和成活率的差異，主要取決于苗種的來源和養(yǎng)殖過程中病害的防控。在養(yǎng)殖系統(tǒng)中，預(yù)防石斑魚神經(jīng)壞死病病和腐皮癥是提高養(yǎng)殖成活率的關(guān)鍵。在第2批青斑、龍膽石斑、東星斑養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖前期都遇到了這兩種病癥，后期隨著石斑魚對(duì)這兩種病害免疫力的提高，養(yǎng)殖成活率趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

石斑魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)建，將石斑魚養(yǎng)殖的日換水量降低到20%以下；系統(tǒng)中養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用顯著降低了北方工廠化養(yǎng)殖冬季時(shí)的加溫費(fèi)用；系統(tǒng)較少的熱源在冬季可以維持養(yǎng)殖溫度在25 ℃以上，石斑魚實(shí)現(xiàn)了全年均衡生長。采用養(yǎng)殖廢水作為水源的水源熱泵加溫系統(tǒng)，可有效提取養(yǎng)殖廢水中的熱量；冬季制熱時(shí)水源熱泵的熱效率(COP)為2.66(266%)，可顯著降低用于系統(tǒng)加溫的地下熱水的用量，既降低了養(yǎng)殖成本，又節(jié)省了自然資源。本研究為北方石斑魚工廠化養(yǎng)殖以及養(yǎng)殖廢水的綜合利用開創(chuàng)了一條新的途徑。

□

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Research on application of recirculating aquaculture system and water source heat pump for grouper

XIN Naihong1, PENG Liquan2, YU Xuequan2, YANG Yonghai2, ZHANG Shusen2

(1 Engineering Technology Institute Co., LTD. of CNSIC, Tianjin 300450, China;2 Tianjin Haifa Zhenpin Industrial Development Co., Ltd., Tianjin 300452, China )

grouper; recirculating aquaculture; water source heat pump; aquaculture wastewater; coefficient of performance (COP)

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.002

2017-06-04

天津市水產(chǎn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(ITTFRS2017017)

辛乃宏(1962—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)及裝備。Email:xinnaihong626@163.com

S965.334

A

1007-9580(2017)04-009-06