基于物質(zhì)平衡的對蝦高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設計與試驗

楊 菁，管崇武，宋紅橋，劉興國，顧兆俊，郭益頓

（1. 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2. 喃嶸水產(chǎn)（上海）有限公司，上海 201700）

基于物質(zhì)平衡的對蝦高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設計與試驗

楊 菁1，管崇武1，宋紅橋1，劉興國1，顧兆俊1，郭益頓2

（1. 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2. 喃嶸水產(chǎn)（上海）有限公司，上海 201700）

為建立一種高效、低成本的高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建技術，采用物質(zhì)平衡相關原理，結(jié)合水凈化設施構(gòu)建技術，精準設計確立水處理系統(tǒng)物理過濾設施體積、生物過濾設施體積、循環(huán)量及供氧量等關鍵參數(shù)，并優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立融斜管沉淀設施、流化床生物過濾設施、增氧于一體的設施型高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。應用該系統(tǒng)開展凡納濱對蝦運行試驗，結(jié)果表明：pH值7.43～8.03，溶解氧5.32～7.82 mg/L，氨氮值0.06～0.54 mg/L，水質(zhì)調(diào)控良好；系統(tǒng)養(yǎng)殖負荷2.26 kg/m3，飼料系數(shù)1.17，成活率81.3%，取得高效養(yǎng)殖生長結(jié)果；單茬利潤3.34萬元，畝均年利潤2.67萬元（按1年3茬計），獲得良好經(jīng)濟效益。該研究系統(tǒng)主要參數(shù)設定值（預期值）與實測值吻合較好，可為高位池養(yǎng)殖模式可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

養(yǎng)殖；設計；水處理；物質(zhì)平衡；高位池；循環(huán)水養(yǎng)殖

0 引 言

高位池養(yǎng)殖是中國對蝦生產(chǎn)方式中的一種重要生產(chǎn)模式。其特定設計的池底高程及排污系統(tǒng)能有效集污，及時排出池底污物，養(yǎng)殖用水均經(jīng)消毒處理，避免病毒、細菌橫向傳播，具高密度集約化、產(chǎn)量高、病害少等特點，為中國對蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要作用[1-2]。但是隨著該模式高速發(fā)展，其弊端日益顯現(xiàn)，包括水資源利用率低下、水域環(huán)境惡化進一步加劇、污染的養(yǎng)殖水域?qū)ιa(chǎn)影響等，嚴重制約該模式可持續(xù)發(fā)展。

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是當今世界水產(chǎn)養(yǎng)殖系列模式中可達技術精準化、養(yǎng)殖水環(huán)境高度可控的一種先進模式，具有節(jié)能、減排、節(jié)水、節(jié)地、可控性強、低風險集約化、產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點，是當前水產(chǎn)養(yǎng)殖先進生產(chǎn)力的發(fā)展方向[3-5]。國外將循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)應用于大西洋鮭、虹鱒、歐洲鰻、尼羅羅非魚等養(yǎng)殖，創(chuàng)造了巨大的商業(yè)利潤[6-9]。國內(nèi)通過引進消化、科技攻關,針對鲆鰈、舌鰨、對蝦等不同養(yǎng)殖對象及工廠化養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖、高位池養(yǎng)殖等不同生產(chǎn)方式，先后開展循環(huán)水養(yǎng)殖模式探索與實踐[10-15]。高效、低成本的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研發(fā)是目前循環(huán)水養(yǎng)殖模式發(fā)展和推廣面臨的重要課題。

本文以凡納濱對蝦為對象，探討高效、低成本的高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建。運用物質(zhì)平衡相關原理，結(jié)合水凈化設施構(gòu)建技術，設計優(yōu)化高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)并開展運行研究，以期為高位池養(yǎng)殖模式可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)及技術支持。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)設計及優(yōu)化

1.1.1 總體思路

針對高位池養(yǎng)殖模式高密度集約化特點，圍繞目前制約循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)推廣應用的技術瓶頸，運用物質(zhì)平衡相關原理，結(jié)合水凈化設施構(gòu)建技術，精準設計確立水處理系統(tǒng)關鍵參數(shù)，并優(yōu)化設施結(jié)構(gòu)，建立融物理過濾、生物過濾、增氧于一體的設施型高效、低成本的高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1.1.2 基本概況及工藝流程

系統(tǒng)位于喃嶸水產(chǎn)（上海）有限公司養(yǎng)殖溫室內(nèi)，由高位池及相應水處理設施、設備組成，包括帶式過濾裝置、斜管沉淀設施、三相流化床生物過濾設施、循環(huán)泵等。養(yǎng)殖對象：凡納濱對蝦，養(yǎng)殖水體：2 800 m3，設計養(yǎng)殖負荷：2.5 kg/m3。原水采用經(jīng)室外池塘充分氧化后的地下井水，其主要水質(zhì)參數(shù)：pH值7.5～8.1，DO 7.0 mg/L，鹽度3‰～4‰。

工藝流程如圖1所示，養(yǎng)殖污水經(jīng)歷帶式裝置過濾、斜管設施沉淀、流化床生物過濾、增氧后回至養(yǎng)殖池，實現(xiàn)水體循環(huán)利用?？紤]高位池養(yǎng)殖模式特點，除水處理設施區(qū)設有鼓風增氧外，在養(yǎng)殖區(qū)另置有增氧設備，保證系統(tǒng)充沛溶氧。

圖1 試驗系統(tǒng)工藝流程圖Fig. 1 Process flow chart of experimental system

1.1.3 關鍵參數(shù)計算

1）流化床生物過濾設施體積計算

根據(jù)系統(tǒng)總氨氮去除量、濾床氨氮去除負荷、濾床填料填充率，則有如下公式

式中Vbiofilm為生物過濾設施體積，m3；Rbiofilm為濾床氨氮去除負荷，g/(m3·h)，Malone等[16]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荷為35～350 g/(m3·d)，考慮流化床性能，本計算取為200 g/(m3·d)；PR為濾床填料填充率，%，根據(jù)濾床性能其值為30%～45%，本計算取為35%；RTAN為系統(tǒng)總氨氮去除量，g/h，基于總氨氮物質(zhì)平衡相關原理，有如下公式[17]

式中QA為系統(tǒng)補水量，m3/h，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)工作原理，其值為系統(tǒng)總水體量1%～6%，本計算取為3%；CTAN為系統(tǒng)氨氮濃度，mg/L，根據(jù)中國漁業(yè)水質(zhì)標準[18]中非離子氨閾值，對其在25 ℃水溫及 pH值 為7.0 的條件下折算取得系統(tǒng)氨氮濃度控制在3.5 mg/L以下[19]；PTAN為系統(tǒng)總氨氮產(chǎn)生量，g/h，有如下公式[20]

式中BM為系統(tǒng)養(yǎng)殖生物量，kg，設計為7 000 kg；rfeed為日投飼率，2.5%/d；PC為飼料中粗蛋白含量，40%；aTAN為投喂每千克飼料蛋白所產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量，取0.10[20]。經(jīng)計算，Vbiofilm=95.8 m3。

2）循環(huán)量計算

依據(jù)氨氮計算：

根據(jù)生物過濾設施體積及濾床水力停留時間，則有如下公式

式中QTAN為系統(tǒng)循環(huán)量，m3/h；HRT為濾床水力停留時間，h，其值為0.2～0.4 h，本設計取值0.35 h。經(jīng)計算，QTAN=273.7 m3/h。

依據(jù)溶解氧計算：

根據(jù)硝化反應耗氧量及進、出水溶解氧濃度，則有如下公式

式中QDO為系統(tǒng)循環(huán)量，m3/h；CfDOin為生物濾床進水溶解氧濃度，mg/L，設定為6.5 mg/L；CfDOout為生物濾床出水溶解氧濃度，mg/L，Burden[21]研究表明，其值取2.0 mg/L；RNOD為硝化反應耗氧量，g/h，根據(jù)基礎生化反應方程式，每1 g氨氮氧化成硝酸鹽需要耗氧4.57 g的氧氣。則有如下公式[17]

經(jīng)計算，QDO=283.6 m3/h。

依據(jù)氨氮計算所得QTAN小于依據(jù)溶解氧計算所得QDO，故系統(tǒng)循環(huán)量取為285 m3/h。

3）斜管沉淀設施體積計算

根據(jù)設施面積及設施總高，則有如下公式

式中Vfilter為斜管沉淀設施體積，m3；H為斜管沉淀設施總高，m，由清水區(qū)高、斜管區(qū)高、配水區(qū)高、排污區(qū)高之和確定[22]，根據(jù)水質(zhì)特性并兼顧建設成本，本設計上述各區(qū)高相應取值為0.5、0.9、0.5、0.3 m；Afilter為斜管沉淀設施表面積，m2，有如下公式[22]：

式中Q為系統(tǒng)循環(huán)量，m3/h；q為斜管沉淀設施表面負荷，m3/(m2·h)，其與截留沉速密切相關。

截留沉速是指沉淀設施中可以去除的顆粒中粒徑最小顆粒的沉速，是影響沉淀設施性能的重要參數(shù)。截留沉速愈小，懸浮顆粒去除率愈高，出水濁度愈低，但截留沉速太小，會導致設施表面負荷降低，不經(jīng)濟[23]。本文所應用的物質(zhì)平衡相關設計原理，其重要前提是物理過濾設施充分發(fā)揮作用，能將系統(tǒng)中糞便和殘飼在未被分解前，就快速排出系統(tǒng)。因此，合適截留沉速選擇尤為重要，既能獲得高懸浮顆粒去除率，又能使設施建設投入經(jīng)濟合理。

楊鐳[24]依據(jù)相關資料，提出了合適截留沉速理論設計點：將顆粒群中數(shù)量占比份額最大顆粒的沉速作為沉淀設施設計截留沉速，可使單位沉淀設施表面積懸浮顆粒去除率達最大值。推導出了斜管沉淀設施表面負荷與截留沉速關系式，

式中U0為截留沉速，m/s；L為斜管長度，m，本設計取1 m；θ為斜管水平傾角，本設計取60°；d為斜管管徑，m，本設計取0.03 m。并建議運行良好用于污水處理的斜管沉淀設施的截留沉速取值范圍0.13～0.19 mm/s。根據(jù)上述原理，筆者運用斯托克斯公式[25]計算高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)截留沉速合適取值，

式中g為重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；ρs為懸浮顆粒密度，kg/m3，取1 100 kg/m3[26]；ρ為水體密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；d為顆粒直徑，m，根據(jù)系統(tǒng)養(yǎng)殖水體懸浮顆粒分布特性，取40×10–6m；μ為水體黏度，Pa·s，取0.893 7×10–3Pa·s（設水溫 25 ℃）。經(jīng)計算，U0=0.10 mm/s，略小于前述建議值。

將此截留沉速值代入式（9），取得斜管沉淀設施表面負荷為 5.56 m3/(m2·h)，即本設計取值。經(jīng)計算，Vfilter=112.8 m3。

4）供氧量計算

基于溶解氧物質(zhì)平衡相關原理，有如下公式[17]

式中PDO為系統(tǒng)中溶解氧供應量，g/h；CDOout為系統(tǒng)出水溶解氧濃度，mg/L，設定為6.5 mg/L；CDOin為系統(tǒng)補水溶解氧濃度，mg/L，取為7.0 mg/L；RDO為系統(tǒng)中溶解氧消耗量，g/h，有如下公式[17]

式中RNOD為硝化反應耗氧量，g/h；RBOD為生化反應耗氧量，g/h，按1/3RNOD估算；Rresp為養(yǎng)殖生物耗氧量，g/h，有如下公式

式中Rshrimp為蝦單位呼吸速率，mg/(g·h)，取值0.34 mg/(g·h)[27]。

經(jīng)計算，PDO=4 075.9 g/h。

1.1.4 參數(shù)確定

1）養(yǎng)殖池

養(yǎng)殖區(qū)主體?？紤]管理、運行成本，池型呈方形，尺寸50 m×50 m×2.5 m，養(yǎng)殖面積2 500 m2。池堤以1∶1坡比設計；池底則以微小坡度順向中央直徑為4 m集污區(qū)；集污區(qū)水泥結(jié)構(gòu)，上設帶頂蓋的 6條導流槽，以利集污，導流槽由圓周通向中央集污口，其外圍則覆以篩網(wǎng)（圖2）。池堤及池底上覆地膜，地膜厚0.5 mm。

圖2 集污區(qū)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Chart of sewage collection area

2）帶式過濾裝置

固定于一體化設施區(qū)內(nèi)，為物理過濾首道環(huán)節(jié)，對水中較大粒徑懸浮物予以截留。由于系統(tǒng)循環(huán)量高達285 m3/h，采用處理量大、可連續(xù)運行具反洗功能的帶式過濾裝置。篩網(wǎng)120目，過濾能力300 m3/h，功率2.2 kW。

3）斜管沉淀設施

一體化設施區(qū)主體，為物理過濾關鍵環(huán)節(jié)，對水中懸浮物予以截留?？紤]高位池養(yǎng)殖模式特點，采用污水凈化中應用廣泛的異向流斜管沉淀，其處理量大、沉淀效率高、水利條件好、管理方便[22]。為提高單位體積過濾效率，降低構(gòu)建成本，減輕生物凈化設施負荷，根據(jù)計算結(jié)果同時兼顧與流化床等設施的結(jié)構(gòu)銜接，斜管沉淀設施結(jié)構(gòu)、運行及性能參數(shù)確立結(jié)果見表1。

表1 斜管沉淀設施結(jié)構(gòu)、運行及性能參數(shù)Table 1 Facilities construction, operation and performance parameters of inclined sedimentation

4）循環(huán)泵

考慮節(jié)能，采用流量大、揚程低的軸流泵。置于一體化設施區(qū)內(nèi)，一次提水。循環(huán)流量285 m3/h，揚程3 m，功率4.0 kW。

5）三相流化床生物過濾設施

一體化設施區(qū)主體，為系統(tǒng)核心環(huán)節(jié)，對水體中溶解性有機物予以降解。采用的自主研發(fā)三相生物流化床其載體呈流化狀態(tài)，氣、液、固三相得以充分接觸，生物膜更新快，傳質(zhì)效率高。結(jié)構(gòu)、運行及性能參數(shù)確立結(jié)果見表2。

6）增氧

系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)。高位池養(yǎng)殖模式是一種高密度精養(yǎng)方式，需要保持良好溶氧水平，以滿足生物呼吸耗氧及硝化、生化反應所需氧量。根據(jù)模式特性及所需供氧量，采用羅茨風機、增氧機等分別對系統(tǒng)供氧。曝氣設施均勻置于流化床生物過濾設施底部，每分鐘供氣量達養(yǎng)殖水體0.17%以上，風機功率2.2 kW。增氧機等置于養(yǎng)殖池內(nèi)，包括水車式增氧機2臺及涌浪機1臺?？紤]水體流態(tài)，涌浪機置于池中央，水車式增氧機布置于養(yǎng)殖池對側(cè)，設備在增氧的同時推動水流，形成良好集污流態(tài)。涌浪機功率0.75 kW，增氧能力1.14 kg/h；水車式增氧機功率1.5 kW，增氧能力2.36 kg/h。

1.1.5 主要技術參數(shù)

系統(tǒng)主要技術參數(shù)見表3。

表3 主要技術參數(shù)Table 3 Main technical parameters

1.2 運行試驗與管理

2015年5月投入試驗運行。投放凡納濱對蝦苗40萬尾，放苗密度：160尾/m2。選用蛋白質(zhì)量分數(shù)高達40%優(yōu)質(zhì)配合飼料投喂，日投餌量為總蝦質(zhì)量的2.5%。涌浪機及水車式增氧機在養(yǎng)殖全期均開啟，根據(jù)養(yǎng)殖不同階段溶氧需求定時使用。水凈化系統(tǒng)則在養(yǎng)殖中、后期由于有機負荷加大而投入運行，實現(xiàn)水體循環(huán)使用。定時排污。每天定時測定溫度、pH值、溶氧、氨氮、亞硝酸鹽氮，系統(tǒng)運行二周穩(wěn)定后記錄。每間隔15 d及試驗畢取蝦20尾進行體質(zhì)量及體長測定并記錄。

1.3 水質(zhì)檢測方法及數(shù)據(jù)處理

溫度、pH值、溶氧： YSI-556多參數(shù)水質(zhì)測定儀；氨氮：納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮：N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

將測得的水環(huán)境因子變化用折線圖表示。平均值數(shù)據(jù)采用平均值±標準差表達。根據(jù)統(tǒng)計值計算飼料系數(shù)。飼料系數(shù)=單位時間攝食餌料量/單位時間對蝦體質(zhì)量增量。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度、pH值及溶解氧變化

高位池水體主要理化因子變化見圖3。溫度變化范圍23.1～31.2 ℃，均值（27.1±1.85） ℃；pH 值變化范圍 7.43～8.03，均值7.72±0.12；溶解氧變化范圍5.32～7.82 mg/L，均值（6.76±0.78）mg/L。各項指標均處于對蝦適宜生長范圍內(nèi)。水溫在養(yǎng)殖全程呈逐漸上升趨勢；pH值及溶解氧在養(yǎng)殖早、中期基本穩(wěn)定，但至養(yǎng)殖后期，由于負荷加大，二者略有下降。

圖3 溫度、pH值及溶解氧變化情況Fig. 3 Variation of temperature, pH value and dissolved oxygen

2.2 氨氮及亞硝酸鹽氮變化

高位池水體氨氮及亞硝酸鹽氮變化見圖4。氨氮變化范圍0.06～0.54 mg/L，均值（0.28±0.07） mg/L；亞硝酸鹽氮變化范圍0.01～0.08 mg/L，均值（0.03±0.02） mg/L。水體有機物有效降解，硝化及生化反應良好。自試驗運行始，氨氮逐漸積累濃度上升，第36天達峰值后快速下降，之后穩(wěn)定在0.20 mg/L上下；亞硝酸鹽氮則相對平穩(wěn)，除了第38天、第40天出現(xiàn)次峰值及峰值外，基本維持在0.05 mg/L以下。

圖4 氨氮及亞硝酸鹽氮變化情況Fig.4 Variation of ammonia and nitrate nitrogen

2.3 養(yǎng)殖生長情況

試驗歷時85 d，對蝦平均體長及體質(zhì)量變化見圖5。對蝦平均體長從（3.2±0.72） cm（第15天）長至（11.9±0.45）cm（第85天），平均體質(zhì)量從（2.5±0.84）g（第15天）增至（19.5±0.61）g（第 85 天）。養(yǎng)殖負荷 2.26 kg/m3，飼料系數(shù)1.17，成活率81.3%（按終末平均體質(zhì)量計）。

圖5 平均體長及體質(zhì)量變化情況Fig.5 Variation of average length and weight

3 討 論

3.1 主要參數(shù)設定值（預期值）與實測值比較

表 4列出了高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要參數(shù)設定值（預期值）與實測值，并進行了比較。比較方法為參數(shù)的相對偏差[28]

式中E（P）為參數(shù)的相對偏差，%；Pexp為參數(shù)設定值；Ptest為參數(shù)實測值。

水溫、pH值、溶氧及養(yǎng)殖負荷參數(shù)設定值（預期值）與實測值吻合較好，偏差范圍 4%～10.3%，氨氮實測值則遠低于設定值（預期值），偏差達92%。系統(tǒng)運行實測值是涉及設計構(gòu)建、養(yǎng)殖技術、運行管理、氣候狀況等多因素影響的綜合反映。本文對高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要水質(zhì)參數(shù)及養(yǎng)殖負荷進行合理設定（預期），基于物質(zhì)平衡相關原理，同時結(jié)合水凈化設施構(gòu)建技術，開展系統(tǒng)精準設計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完成系統(tǒng)構(gòu)建，并在養(yǎng)殖技術、合適運行管理方式支持下開展試驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，主要理化因子與養(yǎng)殖負荷設定值（預期值）與實測值吻合良好。 至于氨氮實測值遠低于設定值（預期值），分析原因，一是該設定值（預期值）是由中國漁業(yè)水質(zhì)標準中非離子氨閾值在25 ℃水溫及pH 值為7.0的條件下折算而得的，是系統(tǒng)氨氮控制限值。二是系統(tǒng)實際負荷量低于其設定值（預期值），進一步導致氨氮值下降。

表4 參數(shù)設定值（預期值）與實測值比較Table 4 Parameters value (expected value) compared with measured values

3.2 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

系統(tǒng)運行成本包括苗種、飼料、電費、管理費、投資折舊等，每茬(3月/茬)運行成本見表5。

表5 系統(tǒng)每茬運行成本Table 5 Running cost of system per crop

系統(tǒng)運行3月，收獲凡納濱對蝦6 338 kg。按每千克25元計，每茬收入 15.85萬元，扣除運行成本，每茬利潤3.34萬元。按1年3茬計，年利潤10.02萬元，畝均年利潤2.67萬元，獲得較好經(jīng)濟效益。

構(gòu)建的高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在高效率生產(chǎn)同時，節(jié)水、節(jié)地、養(yǎng)殖污水零排放，是一種符合國家循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式戰(zhàn)略需求的高密度養(yǎng)蝦模式。

4 結(jié) 論

運用物質(zhì)平衡相關原理，同時結(jié)合水凈化設施構(gòu)建技術，精準設計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，建立了融斜管沉淀設施、流化床生物過濾設施、增氧于一體的設施型高效、低成本的高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。

系統(tǒng)運行 3月，pH 值 7.43～8.03，溶解氧 5.32～7.82 mg/L，氨氮值0.06～0.54 mg/L，亞硝酸鹽氮值0.01～0.08 mg/L，水質(zhì)調(diào)控良好。系統(tǒng)養(yǎng)殖負荷2.26 kg/m3，飼料系數(shù)1.17，成活率81.3%。為高位池集約化養(yǎng)蝦可持續(xù)發(fā)展做出了有益探索。

[1] 何建國，孫成波．高位池對蝦精養(yǎng)技術及病害防治[J]．中山大學學報：自然科學版，2004，43(6)：6－10．HE Jianguo, Sun Chengbo .Technology of intensive penaeid shrimp culture and disease control[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2004, 43(6): 6－10. (in Chinese with English abstract)

[2] 苻澤雄．南美白對蝦高密度高產(chǎn)養(yǎng)殖研究[M]．北京：海洋出版社，2002．

[3] Timmons M B，Ebeling J M．The role for recirculating aquaculture systems[J]．AES News, 2007, 10(1)：2－9．

[4] Tal Y, Schreier H J, Sowers K R, et a1. Environmentally sustainable land-based marine aquaculture[J]. Aquaculture,2009, 286: 28－35．

[5] 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，2014，16(3)：14－20．Lei Jilin, Huang Bin, Liu Bin, et al．Strategic research on the construction of high-end farming industry in China based on the concept of aquatic animal welfare[J]. Engineering Sciences, 2014, 16(3): 14－20. (in Chinese with English abstract)

[6] Bergheim A, Drengstig A, Ulgenes Y, et a1. Production of Atlantic salmon smolts in Europe-Current characteristics and future trends[J]. Aquacultural Engineering, 2009, 41: 46－52．

[7] Dalsgaard J, Lund I, Thorarinsdottir R, et a1. Farming different species in RAS in Nordic countries：Current status and future perspectives[J]. Aquacultural Engineering, 2013,53: 2－13.

[8] Steinar S, Sten Ivar S, Bjorn-Steinar S. Coldwater RAS in an Arctic charr farm in Northern Norway[J]. Aquacultural Engineering, 2009, 41: 114－121．

[9] Baer A, Schulz C, Traulsen I, et a1. Analysing the growth of turbot (Pseaa maxima)in a commercial recirculation system with the use of three diferent growth models[J]. Aquaculture International, 2011, 19: 497－511．

[10] 孫國祥，李勇，田喆，等．流速對封閉循環(huán)水養(yǎng)殖大菱鲆生長、攝食及水質(zhì)氮素的影響[J]．海洋科學，2011，35(5)：53－60．Sun Guoxiang, Li Yong, Tian Zhe, et a1．Effects of flow rate on the growth, feed intake and water nitrogen in a closed recirculation aquaculture system of turbots (Scophthatmus maximusL.)[J]. Marine Sciences, 2011, 35(5): 53－60. (in Chinese with English abstract)

[11] 宋協(xié)法，李強，彭磊，等．半滑舌鰨封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設計與應用[J]．中國海洋大學學報，2012，42(10)：26－32．Song Xiefa, Li Qiang, Peng Lei, et a1. Designing of recirculating aquaculture system and its application for half-smooth tongue sole(Cynoglossus semilaevis) [J].Periodical of Ocean University of China, 2012, 42(10): 26－32. (in Chinese with English abstract)

[12] 楊菁，倪琦，張宇雷，等．對蝦工程化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建技術[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26(8)：136－140．Yang Jing, Ni Qi, Zhang Yulei, et a1. Construction technology on RAS for shrimp culture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(8): 136－140. (in Chinese with English abstract)

[13] 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)設計及運行效果分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(15)：151－156．Zhang Yulei, Wu Fan, Wang Zhenhua, et a1. Engineering design and performance evaluation of super high density recirculating aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(15): 151－l56. (in Chinese with English abstract)

[14] 程果峰，吳宗凡，時旭，等．溫室池塘高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建[J]．上海海洋大學學報，2014，23(1)：37－42．Cheng Guofeng, Wu Zongfan, Shi Xu, et a1. High density recirculating aquaculture system with greenhouse pond for California perch (Micropterus salmonides) and culture[J].Journal of Shanghai Ocean University, 2014, 23(1): 37－42.(in Chinese with English abstract)

[15] 魏小嵐，李純厚，頡曉勇，等．對蝦高位池循環(huán)水養(yǎng)殖水體懸浮物等環(huán)境因子的變化特征[J]. 安全與環(huán)境學報，2012，12(1)：11－15．Wei Xiaolan, Li Chunhou, Xie Xiaoyong, et al. On variation features of the aquatic environmental factors due to the suspending substances in the terraced shrimp-culturing ponds with water-recycling systems[J]. Journal of Safety and Environment, 2012, 12(1): 11－15. (in Chinese with English abstract)

[16] Malone R F, Beecher L E. Use of floating bead filters to recondition recirculating waters in warmwater aquaculture production systems[J]. Aquacultural Engineering, 2000, 22:57－73.

[17] Timmons M B, Losordo T M. Aquaculture Water Reuse Systems: Engineering Design and Management[M].Amsterdam: Elsevier Science B.V, 1994.

[18] 漁業(yè)水質(zhì)標準：GB 11607－1989 [S]．

[19] 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)設計[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(2)：161－166．Liu Huang, Chen Jun, Ni Qi, et al. Design of a recirculating aquaculture system based on mass balance[J] . Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2009, 25(2)：161－166. (in Chinese with English abstract)

[20] Timmons M B, Ebeling J M, Wheaton F W, et al.Recirculating Aquaculture Systems [M]. 2ndEdition.NewYork: Cayuga Aqua Ventuers, 2002.

[21] Burden D G. Development of Design of a Fluidized Bed/Upflow Sand Filter Configuration for Use in Recirculating Aquaculture Systems[D]. Baton Rouge: Louisiana State University, 1988.

[22] 中國市政設計院華北設計研究院．給水排水設計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001．

[23] 唐受印，汪大翚．廢水處理工程[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2002．

[24] 楊鐳．沉淀池表面負荷率與截留沉速應用討論[J]．華南建設學院西院學報，1994，2(1)：36－40．

[25] Stokes G G. On the effect of the internal friction of fluids in the motion of pendulums [J]. Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 1850, 9(2): 38.

[26] 張明華，丁永良，楊菁，等．工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)的裝備技術及應用研究[J]．漁業(yè)現(xiàn)代化，2002(5)：3－5．

[27] 李松青，林小濤，李卓佳，等．攝食對凡納濱對蝦耗氧率和氮、磷排泄率的影響[J]．熱帶海洋學報，2006，25(2)：44－48．Li Songqing, Lin Xiaotao, Li Zhuojia, et al. Feeding of effects on metabolism of white Pacific shrimp (Litopenaeus vannamei)[J]. Journal of Tropical Oceanorgaphy, 2006, 25(2):44－48.

[28] Olowson P A, Almstedt A E. Influence of pressure on the minimum fluidization velocity[J]. Chemical Engineering Science, 1991, 46(2): 637－640.

Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond

Yang Jing1, Guan Chongwu1, Song Hongqiao1, Liu Xingguo1, Gu Zhaojun1, Guo Yidun2
(1.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai200092,China;2.Nanrong Aquatic Products (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai201700,China)

Higher place shrimp pond is an important production mode in China's shrimp production mode, but there are problems such as low utilization rate of water resources and pollution of aquacultural waters. In this papervannameias an object, using material balance principle and water purification facilities construction technology, including total ammonia balance, nitrification reaction oxygen balance, dissolved oxygen balance and the relationship between surface load and sedimentation rate of inclined pipe precipitation facility. To construct a highly efficient, low-cost of high pool recirculating aquaculture system, fluidized bed biological filtration facility volume were calculated using total ammonia balance. Based on the principle of dissolved oxygen balance, the oxygen demand of the system was calculated based on the oxygen consumption of nitrification and the dissolved oxygen concentration. Several key parameters were precisely established, such as physical filtration equipment of water treatment system volume, the volume of biological filtration facility, the circulating volume,oxygen supply and so on. According to the calculation results as well as taking into account the structure of the facilities between the convergence, and considering management and other factors, structure parameters of the system were determined,and a high pool recirculating aquaculture system were established, which including higher place shrimp pond and corresponding water treatment facilities and equipment, belt filter, pipe chute sedimentation facilities, fluidized bed biological filtration facility, aerobics facilities, circulating pumps and so on. The main technical parameters were: Aquacultural water of the system were 2 800 m3, the designed cultural density load was 2.5 kg/m3, the circulated flow rate was 285 m3/h, the water supply was 3.5 m3/h and the power was 12.15 kW. The system covered an area of 2 750 m2. Application of the system to carry outvannameibreeding experiment in May 2015 lasted for 85 days, the results showed that: pH value of 7.43-8.03, DO of 5.32-7.82 mg/L, ammonia nitrogen value of 0.06-0.54 mg/L, the water quality controlled well good. The breeding system load reached to 2.26 kg/m3, feed coefficient was 1.17, the survival rate was 81.3% (by final average body weight), which achieved a efficient growth results. The single crop profited 33 400 yuan, which accessed good economic returns. The set values (expected value) of main parameters such as water temperature, pH value, dissolved oxygen and aquaculture load were in good agreement with the measured values, and the deviation range between set value and the measured value was 4%-10.3%. The results provide a reference for the higher place pond culture model of sustainable development.

aquaculture; design; water treatment; mass balance; higher place shrimp pond; recirculating

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030

S969.19

A

1002-6819(2017)-14-0217-06

楊 菁，管崇武，宋紅橋，劉興國，顧兆俊，郭益頓. 基于物質(zhì)平衡的對蝦高位池循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(14)：217－222.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030 http://www.tcsae.org

Yang Jing, Guan Chongwu, Song Hongqiao, Liu Xingguo, Gu Zhaojun, Guo Yidun. Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 217－222. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.030 http://www.tcsae.org

2017-03-22

2017-06-25

國家科技支撐計劃（2012BAD25B03）；上海市科技興農(nóng)重點攻關項目（滬農(nóng)科攻字（2013）第6-4號）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項資金（蝦）（nycytx-46）

楊 菁，女，研究員，研究方向：水產(chǎn)養(yǎng)殖工程。上海 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，200092。Email：yangjing@fmiri.ac.cn