PIECs技術(shù)參數(shù)優(yōu)化探究及模式設(shè)計比較

胡廷尖 ，李倩 ，程海華 ，葛鵬彪

（1.浙江省淡水水產(chǎn)研究所浙江 湖州 313001；2.蘇州鼎新斯沃水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備有限公司，江蘇 蘇州 215131）

2015年我國淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量達到3000萬t以上，淡水養(yǎng)殖業(yè)取得顯著成就的同時，也面臨著水資源環(huán)境破壞較為嚴重、工程設(shè)施薄弱、集約化程度較低、發(fā)展空間受到擠壓等突出問題。針對這些問題，2013年，江蘇吳江引進一種新型養(yǎng)殖模式,該模式源于（2007年）—美國奧本大學的In-Pond RacewaySystem(IPR)，后由美國大豆出口協(xié)會介紹引進我國。該系統(tǒng)名稱繁多，2015年江蘇省海洋與漁業(yè)局將該系統(tǒng)歸稱為“池塘工業(yè)化生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)”（PIECs）。據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年全國已建成水槽面積約15.682萬m2，其中，江蘇超過10萬m2。目前還有安徽、浙江、上海等14個省市正在推廣。

1 系統(tǒng)組成及機理

PIECs是在傳統(tǒng)池塘中通過改造和加接，把池塘“開放式散養(yǎng)”模式改變成“生態(tài)圈養(yǎng)”模式。目前這套系統(tǒng)主要由攔柵、增氧推水設(shè)備、底增氧設(shè)備、流水養(yǎng)魚池、廢棄物收集池、吸污裝置、池塘凈化區(qū)等組成。該系統(tǒng)集成了工業(yè)化養(yǎng)魚理念和池塘自然生態(tài)修復(fù)功能，其技術(shù)核心要求“通過推水循環(huán)流動友好圈養(yǎng)、盡可能多收集排出污物及通過生化自然減解作用保證適宜的水質(zhì)”。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)工廠化循環(huán)養(yǎng)殖的最大差別在于具有大面積池塘凈化區(qū),依靠池塘種水生植物及魚、蝦、貝、藻等混養(yǎng)技術(shù)凈化處理水質(zhì)替代工廠化循環(huán)養(yǎng)殖的“生物膜”凈化處理水質(zhì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大增加，投資較低，相關(guān)技術(shù)容易為廣大養(yǎng)殖者掌控。

2 PIECs系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)設(shè)計與實測結(jié)果

系統(tǒng)目前主要技術(shù)參數(shù)缺乏依據(jù)，特別表現(xiàn)在攔魚柵、推水速度及廢棄物吸污效果方面，筆者根據(jù)魚類生理需求對技術(shù)參數(shù)提出改進設(shè)計，同時對四種收集魚類糞便試驗的模式進行比較研究。

2.1 攔魚柵

攔魚柵的材料光潔度、空隙大小和適時更換問題都直接影響圈養(yǎng)魚安全。

2.2 推水速度調(diào)節(jié)

通常魚類的活動主要包括巡航式游動、爆發(fā)式游動和持續(xù)式游動，盡量使魚類處于比較輕松的巡航式游動。根據(jù)魚類的生物學習性，調(diào)節(jié)養(yǎng)魚池的流水速度。增氧推水設(shè)備功率大小要適應(yīng)養(yǎng)殖對象，理想的推水速度要根據(jù)不同品種和規(guī)格作以調(diào)整。筆者設(shè)計系統(tǒng)推水速度從溶解氧和氨氮量兩個主要因子入手，以羅非魚為例，通過單位水體載魚量來反過來計算流水速度的大小，最終調(diào)控增氧推水設(shè)備功率大小變化。

2.2.1 溶解氧對水流速限制 流水養(yǎng)魚池的載魚量主要取決于溶解氧，為了提高餌料利用率，使羅非魚生長不受抑制，必須滿足下列條件：

水體供給流水養(yǎng)魚池溶氧—水體帶出流水養(yǎng)魚池（溶解氧臨界值）≥羅非魚索餌后耗氧量+其它耗氧量

表1 晴-多云WT=25℃2017年6月19日中午12:00采集

另外假定羅非魚活動造成水交換和魚體阻礙作用及其他因素引起溶解氧量的變化忽略不計。

現(xiàn)把有關(guān)生理參數(shù)列在下面：

W=0.25/kg/尾（羅非魚規(guī)格）；

OO=4mg/L（WT=25℃，pH=6.7，D1N1=1.3ppm時開始抑制羅非魚生產(chǎn)的臨界值）；

m=200mgO2/kg/h（羅非魚索餌后的耗氧量）；

m’=1.1mgO2/L水/h（流水養(yǎng)魚池內(nèi)浮游生物，細菌及排泄物的耗氧量）

D.N’=1.3mg/L（在 pH=6.7，WT=25℃，DO=4mg/L時開始抑制羅非魚生長的氨氮量）

QN=20mg/kg/h（羅非魚排出氨氮量（1-pce））

LeH=為流水養(yǎng)魚池規(guī)格（5m×20m×2.0m）。

D.N代表池塘推進養(yǎng)魚池的溶氧量，d代表載魚量（本文假設(shè)50kg/m3）。

ΣD.O：（流進跑道水的溶氧量）

ΣDOO：（流出進跑道水的溶氧量）

dmLeH：（羅非魚索餌后的耗氧量）

m’LeH（流水養(yǎng)魚池內(nèi)浮游生物，細菌及排泄物的耗氧量）

根據(jù)流進跑道水的溶氧量-流出進跑道水的溶氧量≥羅非魚索餌后的耗氧量+流水養(yǎng)魚池內(nèi)浮游生物、細菌及排泄物耗氧量的要求

即：LeHD.O-LeHD.OO≥dmLeH+m’LeH

得：V≤(dmL+Dm’L)/ΣD.O-ΣDOO

如果把具體數(shù)代入上式可得：

V≤0.05m/s。

2.2.2 氨氮對水流速限制 羅非魚生理對水體中的氨氮有一定濃度要求，為了使生長不受抑制，流水養(yǎng)魚池內(nèi)非離解氨（NH3）長期存在濃度不宜超過0.025mg/L（歐洲內(nèi)陸水域漁業(yè)咨詢委員會，1970年），在pH=6.7，DO=4mg/L，WT=25℃具體生態(tài)條件下，經(jīng)計算評估認為羅非魚長期忍受氨氮濃度為1.3mg/L。也就是：

流出流水養(yǎng)魚池氨氮濃度-流入流水養(yǎng)魚池時氨氮濃度≥羅非魚產(chǎn)生氨氮濃度,

即：ΣDN’-ΣDN≥ΣQN，具體數(shù)代入得

如果載魚量50kg/m3，氨氮對水流速限制是V≤0.025m/s，可見就筆者測定水質(zhì)而言，限制載魚量首先表現(xiàn)為溶氧。這個密度的流水養(yǎng)魚池流水速度大小平均0.05m/s可以滿足，最終控制增氧推水設(shè)備輸出功率大小及變化。

表2 ：表層下深度（m）中央與平均流速度(m/s)關(guān)系

2.2.3 實際測試流水速度 根據(jù)江蘇省漁業(yè)技術(shù)推廣中心測試的結(jié)果，生產(chǎn)當中水槽內(nèi)末端整個截面的平均流速是3～8cm/s，筆者認為目前生產(chǎn)中養(yǎng)魚池流水速度偏大，特別開始養(yǎng)殖階段，超實際養(yǎng)殖中魚類生理需要，增加生產(chǎn)成本。

3 魚糞收集四種模式設(shè)計比較研究

自然沉降法主要針對的是固體懸浮物密度略大于淡水的顆粒，不同固體懸浮物相對密度之間的差異影響了沉降的速度。目前PIECs普遍利用重力作用使魚糞和殘餌自然沉降在特定區(qū)域的方法。

通常情況下，密度與沉降度呈正相關(guān)，沉降度與水流流量呈負相關(guān)。在流水養(yǎng)魚水槽中，魚的糞便和殘餌直接排放。魚類在水槽中不斷運動，沉積物中顆粒物仍然會被攪起，在這種情況下，在增氧和喂食時，養(yǎng)殖水槽中魚類的劇烈活動會顯著加快固體懸浮物的分解，影響收集的效果。

下面就國內(nèi)幾種收集魚糞試驗?zāi)Ｊ阶饕槐容^（表 3）。

圖1 仿吸塵器式排污圖

圖2 虹吸式排污圖

圖3 履帶式微濾分離排污圖

圖4 氣浮式分離排污收集圖

表3 幾種魚糞收集試驗?zāi)Ｊ奖容^

4 對PIECs研究的建議

從池塘工業(yè)化生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)(PIECs)圈養(yǎng)區(qū)看，魚類飼料只有不到30%營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化魚肉，其他將以代謝物質(zhì)排入養(yǎng)殖水體，代謝物質(zhì)主要是糞便形式，所以魚糞收集研究和收集效果是決定養(yǎng)殖水體水質(zhì)好壞的關(guān)鍵因素。

當人們把池塘工業(yè)化生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)作為一個整體，池塘凈化區(qū)看作RAS中生物濾池時，改善底泥、微生物及水體浮游動植物種類組成、密度、生物量等等群落結(jié)構(gòu)更加重要；特別所有生物和非生物載體上微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其脫氮機制，如何要能夠控制養(yǎng)殖系統(tǒng)中總氮（TAN）濃度不超過規(guī)定的上限，提高總氮（TAN）轉(zhuǎn)化率，直接決定池塘凈水能力。從這個角度看研究改進池塘凈化區(qū)相關(guān)生物組成技術(shù)和工藝任重道遠。