間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建及其養(yǎng)殖效果

李 華，田道賀，劉青松，段亞飛，張家松

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間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建及其養(yǎng)殖效果

李 華，田道賀，劉青松，段亞飛，張家松※

（中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，廣州 510300）

為改善工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)凈化效果，提高養(yǎng)殖密度和成活率，構(gòu)建了間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)。通過間歇運行生物膜反應器增加水力停留時間，充分降解含氮污染物；連續(xù)運行弧形篩及時去除固體顆粒物?？疾炝嗽撓到y(tǒng)的啟動過程及石斑魚高密度養(yǎng)殖效果。啟動初期，將硝化型生物絮團與海綿填料混合培養(yǎng)，生物膜22 d即可掛膜成功。以30.03 kg/m3為初始養(yǎng)殖密度開展石斑魚養(yǎng)殖試驗，經(jīng)66 d 養(yǎng)殖，石斑魚平均質(zhì)量從（273.00±12.22）增至（552.52± 107.04） g，最終養(yǎng)殖密度達到60.78 kg/m3，成活率為100%。養(yǎng)殖過程中，生物膜逐漸適應養(yǎng)殖環(huán)境，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率從13.33%、14.84%增至93.73%、93.50%。此外，在弧形篩進水槽增加曝氣形成曝氣式弧形篩，可進一步除去細小顆粒物，有效控制養(yǎng)殖水體濁度。

養(yǎng)殖；水質(zhì)；間歇式；循環(huán)水養(yǎng)殖；生物膜；石斑魚

0 引 言

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是在半自動或全自動的系統(tǒng)中，一方面對水產(chǎn)品高密度養(yǎng)殖的全過程進行監(jiān)管、控制，使養(yǎng)殖品種處在最佳的環(huán)境下獲得最快的生長速度；另一方面通過工程技術(shù)手段對養(yǎng)殖尾水進行凈化處理循環(huán)使用。實現(xiàn)了對整個養(yǎng)殖過程的監(jiān)控，基本上擺脫了季節(jié)、資源的限制，有力地緩解了海洋漁業(yè)和環(huán)境的壓力。節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、減排、安全和高效，是未來海水養(yǎng)殖的重要發(fā)展趨勢[1]。

中國工廠化養(yǎng)殖起步于20世紀70年代，發(fā)展時間上與國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)相比落后10余年，但在鲆（）、蝶（）類魚、鰻魚（）、鯰魚（）等品種的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中取得了一定成績[2]。目前工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)仍面臨諸多問題，如前期建設成本高、生物凈化穩(wěn)定性差、運行能耗大使得工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)在中國普及率較低[3]。養(yǎng)殖尾水屬輕度污染水，要達到循環(huán)利用，水質(zhì)處理是關(guān)鍵，因此，水處理技術(shù)就成為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式的關(guān)鍵核心環(huán)節(jié)[4]。現(xiàn)有的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)將機械過濾、生物過濾和殺菌增氧等環(huán)節(jié)串聯(lián)，尾水處理循環(huán)路線為單循環(huán)，采用24 h連續(xù)運行模式，日循環(huán)次數(shù)可達20次[5-6]。這種運行方式下，水處理系統(tǒng)中生物濾池的水力停留時間較短，大部分不超過1 h[7]。低濃度污染物使得生物濾池中微生物數(shù)量少，加上水力停留時間短導致了生物過濾去除效率和穩(wěn)定性存在問題。

因此，為增加工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖水處理系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高循環(huán)水質(zhì)凈化效率，構(gòu)建了間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)。將機械過濾與生物過濾并聯(lián)運行，形成雙循環(huán)運行模式，通過間歇運行生物膜反應器增加水力停留時間，充分降解污染物，通過連續(xù)運行弧形篩及時快速去除固體顆粒物。最后利用該系統(tǒng)開展了虎龍斑（♀×♂）的高密度養(yǎng)殖試驗，考察了養(yǎng)殖過程中水質(zhì)變化、生物膜生長情況及石斑魚生長狀況，評價了該養(yǎng)殖系統(tǒng)的實際養(yǎng)殖效果，以期為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖及實物圖如圖1，因試驗系統(tǒng)搭建時在地面上布管，未考慮利用高程差，故水泵個數(shù)較多。系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖桶、弧形篩、生物膜反應器、調(diào)節(jié)池及紫外殺菌燈構(gòu)成。采用全自動運行模式，養(yǎng)殖桶、調(diào)節(jié)池及生物膜反應器進出水通過液位繼電器控制，生物膜反應器曝氣和沉淀時間由時間繼電器控制。循環(huán)線路一生物膜反應器運行周期約6 h，日循環(huán)次數(shù)約4次；循環(huán)線路二弧形篩連續(xù)運行。試驗所用材料均為市售，未進行加工處理，具體參數(shù)及運行工況如下。

1.養(yǎng)殖桶；2、8.球閥；3、5、7、9.水泵；4.生物膜反應器；6.調(diào)節(jié)池；10.弧形篩；11.紫外殺菌燈

1.Breeding barrel; 2,8.Ball valve; 3,5,7.9.Pump; 4.Biofilm reactor; 6.Balance tank; 10.Arc screen; 11.UV sterilizer

注：循環(huán)一(實線)：養(yǎng)殖桶1—生物膜反應器4—調(diào)節(jié)池6—紫外殺菌11—養(yǎng)殖桶1。循環(huán)二(虛線)：養(yǎng)殖桶1—弧形篩10—紫外殺菌燈11—養(yǎng)殖桶1。

Note: Cycle 1 (the solid line): breeding barrel 1- biofilm reactor 4- balance tank 6- UV sterilizer 11- breeding barrel 1. Cycle 2 (the dotted line): breeding barrel 1- arc screen 10- UV sterilizer 11- breeding barrel 1.

圖1 間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖和實物圖

Fig.1 Schematic diagram and image of sequencing batch-double cycle recirculating aquaculture system

養(yǎng)殖桶：玻璃鋼錐底養(yǎng)殖桶，直徑42 cm，高90 cm，養(yǎng)殖水體100 L，放養(yǎng)石斑魚初始質(zhì)量約（273.00±12.22）g，初始養(yǎng)殖密度30.03 kg/m3，水體溶解氧（DO，Dissolved Oxygen）維持在4～6 mg/L，定期檢測水體鹽度，補充淡水維持鹽度（33±2）；保持養(yǎng)殖水體溫度在26～29 ℃。

生物膜反應器：塑料圓桶，直徑57 cm，高60 cm，有效水體80 L，投加海綿生物填料20 L（2 cm×2 cm×2 cm，孔徑3～3.5 mm），間歇式運行，曝氣時間4 h，沉淀靜置1.0 h，DO維持在4 mg/L左右，定期檢測投加碳酸氫鈉使得pH值不低于7.2，水溫維持在26～29 ℃。

調(diào)節(jié)池：長方體整理箱，長寬高為56 cm×41 cm× 35 cm，體積50 L，內(nèi)置珊瑚砂和生化棉，定期檢查桶內(nèi)污物沉積情況，及時清理并更換生化棉。

弧形篩：長寬高為65 cm×40 cm×40 cm，篩網(wǎng)孔徑約106m（150目），進水流速1200 L/h。全天運行，單位面積處理量6.85 m3/h，每天早晚清理弧形篩進水槽、集污槽沉積物，更換、清洗篩網(wǎng)。

紫外殺菌燈：功率5 W，長21 cm，持續(xù)開啟；定期檢查清理紫外殺菌燈表面污物，保證殺菌效果。

1.2 試驗方法

1.2.1 檢測分析方法

水體溶氧、溫度和pH值采用WTW（Multi 3620，Germany）檢測，濁度采用上海悅豐數(shù)顯濁度計（SGZ-2BXJ）檢測。氨氮（次溴酸鹽氧化法）、亞硝酸鹽氮（萘乙二胺分光光度法）和化學需氧量CODMn（堿性高錳酸鉀法）均參照《海洋監(jiān)測規(guī)范-海水分析》（GB 17378.4-2007）進行測定。

1.2.2 生物膜反應器啟動

采用接種掛膜啟動生物膜反應器，將堆積體積為20 L的海綿填料放入馴化培養(yǎng)成熟的硝化型生物絮團[8]中進行接種掛膜。生物絮團體積40 L，初始濃度2.14 g/L。每天投加10 g石斑魚配合飼料粉末，緩慢攪拌使飼料粉末充分混合。維持反應器內(nèi)DO 4～5 mg/L，pH值不低于7.2，水溫26～29 ℃，鹽度33。每天投加飼料粉末前測定水體DO、溫度和pH值，取水樣檢測氨氮、亞硝酸鹽氮和CODMn濃度。每兩天取反應器內(nèi)海綿填料，切片后在光學顯微鏡下觀察生物膜附著生長情況。

填料掛膜共歷時22 d，期間生物膜在填料上附著生長（圖2），填料顏色由白色（圖2a）逐漸變成與生物絮團顏色一致的黃褐色（圖2b）。初期填料上附著生物膜較少（圖2c），隨著生物絮團逐漸轉(zhuǎn)移生長至填料上，填料上附著的生物膜逐漸增厚，第22天填料上的生物膜變得緊實（圖2d）。掛膜期間水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度在第4天出現(xiàn)快速增長，至第9天達到最高分別為7.25L、1.28 mg/L。之后第13～22天氨氮、亞硝酸鹽氮濃度快速下降，并維持相對穩(wěn)定，氨氮濃度趨近于0，最高濃度僅為0.04 mg/L；亞硝酸鹽氮濃度在0.07～0.17 mg/L范圍波動。掛膜第1～13天CODMn緩慢增長，13～22 d趨于穩(wěn)定，CODMn保持在38.01～42.77 mg/L范圍。至此，填料上生物膜生長狀況良好，且各項水質(zhì)指標趨于穩(wěn)定表明填料掛膜成功，將掛膜成功的填料移入生物膜反應器，進行接下來的養(yǎng)殖試驗。

圖2 掛膜過程中填料照片及顯微照片

1.2.3 石斑魚投喂方法

選擇適口餌料，每日投喂一次，投喂量按照魚質(zhì)量的2%～3%投喂，視攝食狀態(tài)而定，以食欲出現(xiàn)減弱時為度；每天早上8:00～8:30投喂，投喂時，分批緩慢遍灑，等前批飼料搶食完再灑下一批，直至部分石斑魚游離不再搶食為止。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集

每天早上投喂前測量養(yǎng)殖桶、生物膜反應器的水溫、pH值、DO，測定養(yǎng)殖水體濁度；每兩天取水樣（投喂前）測定同一循環(huán)周期內(nèi)生物膜反應器進出水，養(yǎng)殖桶進出水的氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和CODMn濃度；每7 d取生物膜反應器內(nèi)掛膜填料觀察生物膜狀態(tài)；每月稱量石斑魚質(zhì)量，計算質(zhì)量增長率、特定生長率、餌料系數(shù)。計算公式如下：

式中WGr為總質(zhì)量增長率，%；0為試驗開始時石斑魚總質(zhì)量，g；W為試驗結(jié)束時石斑魚總質(zhì)量，g；RSG為特定生長率；為養(yǎng)殖天數(shù)，d；FCR為餌料系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物膜反應器水處理效率及養(yǎng)殖水質(zhì)分析

生物膜反應器水處理效率如圖3所示，養(yǎng)殖試驗期間，生物膜降解性能逐漸趨于穩(wěn)定，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率不斷增加。在養(yǎng)殖試驗初期0～28 d，生物膜對氨氮、亞硝酸鹽氮的去除不穩(wěn)定，去除率波動較大，氨氮、亞硝酸鹽氮最高去除率分別為76.80%、94.73%，最低為2.41%、5.46%。前期氨氮去除率的下降導致養(yǎng)殖水體氨氮濃度快速增長，氨氮從養(yǎng)殖第4天逐漸升高，至第12 d最高達到4.62 mg/L。氨氮濃度的快速升高，使得石斑魚在第9～16 d出現(xiàn)停食現(xiàn)象，據(jù)文獻報道此氨氮濃度對體長約20 cm的石斑魚毒性較小[9]，因此石斑魚未出現(xiàn)死亡，并在養(yǎng)殖水體氨氮濃度下降后第17天恢復攝食。養(yǎng)殖前期0～28 d，養(yǎng)殖水體亞硝酸鹽氮濃度相對氨氮變化幅度較小，亞硝酸鹽氮濃度緩慢增加。養(yǎng)殖中期28～44 d，生物膜降解性能緩慢提升，氨氮去除率在13.33%～31.81%范圍內(nèi)變化，亞硝酸鹽氮去除率在14.84%～36.40%之間，養(yǎng)殖水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度分別在0.59、1.23 mg/L上下波動。養(yǎng)殖后期第44～66天，生物膜降解性能不斷提升至穩(wěn)定狀態(tài)，氨氮、亞硝酸鹽氮最高去除率分別達到93.73%、93.50%并保持相對穩(wěn)定，氨氮、亞硝酸鹽氮濃度穩(wěn)定在0.05、0.1 mg/L上下。

在整個養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖水體硝酸鹽氮濃度不斷增長（如圖4）。直至養(yǎng)殖試驗結(jié)束，養(yǎng)殖水體中硝酸鹽氮濃度達到46.98 mg/L。在養(yǎng)殖前14 d，養(yǎng)殖水體CODMn快速增長，之后保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，CODMn濃度圍繞26.48 mg/L上下波動。

圖4 養(yǎng)殖水體硝酸鹽氮、化學需氧量（CODMn）濃度變化

表1中列出了文獻報道的單循環(huán)運行養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖水質(zhì)等結(jié)果?？梢钥闯觯瑔窝h(huán)運行模式，養(yǎng)殖密度在28.65～49.9 kg/m3之間，出水可維持氨氮濃度小于0.2 mg/L、亞硝酸鹽氮濃度小于0.5 mg/L；但在部分養(yǎng)殖品種中氨氮、亞硝酸鹽氮濃度較高[15]。且在美國紅魚（）和羅非魚（）的循環(huán)水養(yǎng)殖中同樣出現(xiàn)了硝酸鹽累積現(xiàn)象，硝酸鹽氮濃度分別達到了63.58和70～100 mg/L。本試驗采用雙循環(huán)模式后，生物膜反應器停留時間長，硝化作用完全，在最終養(yǎng)殖密度為60.78 kg/m3的情況下，出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度仍可穩(wěn)定在0.05、0.1 mg/L，水質(zhì)凈化效果較好。

圖5所示為養(yǎng)殖水體養(yǎng)殖期間濁度變化情況，在養(yǎng)殖前30 d，由于弧形篩對粒徑小于100m的顆粒物去除效果較小，養(yǎng)殖水體中小顆粒物濃度逐漸增加，濁度升高，導致水體透明度降低。濁度由養(yǎng)殖初期的0.9 NTU （Nephelometric Turbidity Unit）經(jīng)32 d養(yǎng)殖增長至5.3 NTU。為了增加弧形篩對小顆粒物的去除效果，利用蛋白分離器的原理，在弧形篩進水槽設置納米管進行曝氣（圖1弧形篩實物圖），納米曝氣管產(chǎn)生的細小氣泡將養(yǎng)殖水體中的小顆粒物吸附、聚集，最后流經(jīng)篩網(wǎng)濾出，養(yǎng)殖水體濁度可維持在1.0 NTU左右。圖6為弧形篩增加曝氣前后，養(yǎng)殖水體透明度變化照片，圖6 a中，由于養(yǎng)殖水體中顆粒物較多，水體渾濁，無法看清桶底的石斑魚，而在弧形篩增加曝氣后，顆粒物去除效果增加，養(yǎng)殖水體濁度降低，桶底石斑魚清晰可見（圖7b）。

表1 不同工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖結(jié)果對比

注：—未提供；本試驗數(shù)據(jù)為養(yǎng)殖試驗后期（60～66 d）平均值。

Note: — Not provided; The mean values in this study were calculated from the results obtained from Days 60 to 66.

圖5 養(yǎng)殖水體濁度變化

圖6 弧形篩增加曝氣前后養(yǎng)殖水體透明度變化

2.2 養(yǎng)殖過程中生物膜變化

如圖7所示，養(yǎng)殖期間，海綿填料上生物膜形態(tài)發(fā)生較大變化。養(yǎng)殖初期（圖7a），海綿填料內(nèi)部填充了大量接種的生物絮團，養(yǎng)殖第2周（圖7b），由于受到系統(tǒng)運行進出水沖刷，以及反應器內(nèi)營養(yǎng)源與掛膜期間不同的影響，微生物活性較弱，生物膜開始脫落，填料孔隙內(nèi)游離的生物絮團消失，附著生長的生物膜變薄。至養(yǎng)殖第3、4周（圖7c、7d），填料孔隙內(nèi)游離生物絮團已全部流失，附著生物膜僅余少量，造成反應器出水氨氮、亞硝酸鹽氮出現(xiàn)短暫升高。從養(yǎng)殖第5周起（圖7e~j），隨著生物膜逐漸適應養(yǎng)殖環(huán)境，填料上的生物膜厚度逐漸增長，新增長的生物膜緊緊裹住填料骨架，孔隙中游離的生物膜則相對變少，填料骨架上的生物膜結(jié)構(gòu)變得更加緊實，此時生物膜反應器氨氮、亞硝酸鹽氮去除率逐漸增加，出水水質(zhì)逐漸穩(wěn)定。

圖7 養(yǎng)殖期間生物膜變化(10×4)

2.3 石斑魚生長指標

表2中列出了養(yǎng)殖期間石斑魚質(zhì)量變化，經(jīng)過66 d的養(yǎng)殖試驗，石斑魚由初始平均質(zhì)量（273.00±12.22）增長至（552.52±107.04） g，系統(tǒng)中石斑魚成活率為100%。通過計算，養(yǎng)殖試驗結(jié)束時，經(jīng)66 d的養(yǎng)殖，系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)殖密度達到60.78 kg/m3，石斑魚質(zhì)量增長率102.39%，特定生長率為1.068，餌料系數(shù)為1.288。對比在普通網(wǎng)箱養(yǎng)殖石斑魚試驗中，300 g的石斑魚放養(yǎng)密度為5 kg/m3，池塘中養(yǎng)殖的赤點石斑魚（）的放養(yǎng)密度為0.08 kg/m3。在循環(huán)水養(yǎng)殖模式中，200～250 g的鞍帶石斑魚（）養(yǎng)殖密度可達12.7 kg/m3，最高可達32.5 kg/m3[18]。在辛乃宏等[19]構(gòu)建的封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，點帶石斑魚（）的養(yǎng)殖承載量可達到30 kg/m3，可見工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖在高密度養(yǎng)殖方面具有較大優(yōu)勢。一般連續(xù)運行工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式（表1）養(yǎng)殖密度可達到28.65～49.9 kg/m3，成活率在90%～100%。本試驗構(gòu)建的雙循環(huán)間歇式系統(tǒng)水處理效率提升后，初始養(yǎng)殖密度即可達到30.03 kg/m3，系統(tǒng)最大承載量為60.78 kg/m3，成活率實現(xiàn)100%，具有較高的養(yǎng)殖生物承載能力和成活率。

表2 石斑魚質(zhì)量及養(yǎng)殖密度隨時間變化

3 討 論

本試驗選用海綿填料接種預先培養(yǎng)的硝化型生物絮團，海綿較常用的彈性立體填料、聚乙烯懸浮填料密度小、孔隙率高，接種快，縮短了填料掛膜的啟動時間[16]。但接種過程中無水流沖刷，導致形成的生物膜結(jié)構(gòu)松散[20-22]。此外，由于試驗水體較小，緩沖作用小，在填料轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)的生物膜反應器運行后，大量生物膜受進出水水流沖刷流失，導致養(yǎng)殖試驗初期氨氮與亞硝酸鹽氮去除率下降[23-24]?？赏ㄟ^模擬養(yǎng)殖系統(tǒng)進出水方式接種掛膜，縮短生物膜適應時間。此外，生物膜反應器中DO高，有機碳濃度低，抑制了反硝化細菌的生長，養(yǎng)殖水體出現(xiàn)硝酸鹽氮積累[25]?？稍陴B(yǎng)殖系統(tǒng)調(diào)節(jié)池中引入水生植物對其進行吸收移除，后續(xù)將繼續(xù)開展相關(guān)試驗研究。

在養(yǎng)殖初期，系統(tǒng)氨氮、亞硝酸鹽氮濃度最高達到了4.63和1.23 mg/L，持續(xù)約4 d時間。據(jù)文獻[9]報道氨氮對平均全長10.5 cm斜帶石斑魚苗（）96 h半致死濃度LC50及安全質(zhì)量濃度分別為51.4及5.13 mg/L，亞硝酸鹽氮對全長10.5 cm的斜帶石斑魚苗的96 h半致死濃度LC50及安全質(zhì)量濃度分別為208.4及20.8 mg/L。試驗中出現(xiàn)的最高氨氮及亞硝酸鹽氮濃度雖然低于安全質(zhì)量濃度，但仍出現(xiàn)石斑魚短暫停食現(xiàn)象，雖未導致石斑魚死亡但仍然會產(chǎn)生脅迫作用。預計在優(yōu)化掛膜方式和增加水生植物后啟動循環(huán)水系統(tǒng)可避免此現(xiàn)象發(fā)生。

為構(gòu)建間歇式雙循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，本試驗前期對弧形篩的篩網(wǎng)孔徑和進水流量開展了優(yōu)化試驗，篩選出過濾效果較優(yōu)的參數(shù)應用于系統(tǒng)運行中；其次對用于生物膜反應器啟動的硝化型生物絮團也開展了系統(tǒng)研究，縮短了生物膜反應器的啟動時間；最后在系統(tǒng)正式運行前進行了反復多次預實驗。通過前期優(yōu)化和長期運行，減小了無平行組試驗造成的誤差。最終間歇式雙循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理效率提升，最大承載量達到了60.78 kg/m3。此外，間歇式運行減少了水泵運行時間，為降低能耗提供了可能。再者曝氣式弧形篩將傳統(tǒng)弧形篩與蛋白分離器的作用結(jié)合，可省去蛋白分離器。加上弧形篩運行成本較微濾機等機械過濾設備低，十分有利于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)減少前期設備投資和運行能耗。后續(xù)將進一步開展間歇式雙循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)較大規(guī)模的優(yōu)化降耗研究，進一步完善試驗結(jié)果。

4 結(jié) 論

間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)增加了水力停留時間，接種生物膜在適應養(yǎng)殖環(huán)境后，出水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度可穩(wěn)定在0.05、0.1 mg/L，保持養(yǎng)殖水體水質(zhì)良好。試驗構(gòu)建的曝氣式弧形篩能有效去除大顆粒物和粒徑小于100m的小顆粒物，保持養(yǎng)殖水體濁度為1.00 NTU左右。在養(yǎng)殖效果評估中，經(jīng)66 d的養(yǎng)殖，石斑魚平均質(zhì)量從（273.00±12.22）增加至（552.52±107.04）g，成活率100%，最終養(yǎng)殖密度達到60.78 kg/m3。綜上，試驗構(gòu)建的間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)實現(xiàn)了對水質(zhì)的穩(wěn)定有效控制，提高了石斑魚養(yǎng)殖密度和成活率，增加了經(jīng)濟效益，應用前景較好。

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Construction and effect of sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system

Li Hua, Tian Daohe, Liu Qingsong, Duan Yafei, Zhang Jiasong※

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Recirculating aquaculture system (RAS) can make the intensive fish production compatible with the environmental sustainability in fish farming. However, high operating cost and low stability of water treatment have limited its application in recent years. In this study, a sequencing batch double-cycle RAS was constructed, in order to increase the stocking density and survival rate for the better RAS water treatment stability. The special designed RAS was designed and operated from April to October 2019, in Shenzhen city, Guangdong Province, China. Both biofilter and mechanical filter were concurrently operated in the double-cycle RAS. The biofilm reactor was run in a 6 h cycle, where each cycle comprised of feeding (30 min), aerobic reaction (4 h), settling (1 h) and discharge (30 min). Hydraulic retention time increased with the intermittent biofilter, in order to completely degrade nitrogen pollutants. The arc screen was run continuously to remove solid particulate matter timely. A systematic investigation has been conducted to explore the system startup and its effect on high density grouper stocking. Nitrifying biofloc was first precultured as the seed sludge to startup the biofilm reactor. It took about 22 days to cultivate the biofilm on sponge fillers using the inoculation with nitrifying biofloc. The mature biofilm showed the high removal efficiency of nitrogen. In effluent, the concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen approached 0 and 0.1 mg/L, respectively. The sponge fillers with matured biofilm were transferred to the biofilm reactor, and then a grouper culture experiment was carried out with the initial stocking density of 30.03 kg/m3. In 0-28 days of culture, the biofilm on the sponge fillers was first detached as the water flow, followed by the regrowth after acclimation. The removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen decreased as the biofilm was detached, whereas, the ammonia concentration in culture water increased to 4.62 mg/L in day 12. High concentration of ammonia induced the grouper no eating during 9-16 d. However, the grouper was return to normal on 17th day, as the concentration of ammonia was far below the reported safe level. The removal rates of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen gradually increased to 93.73% and 93.50%, respectively, as the biofilm regrew on the fillers. The final concentrations of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen were stabilized at 0.05 and 0.1 mg/L, respectively. In addition, an aerated arc screen combined with foam separation and arc screen can remove fine particles, where obviously decrease the turbidity of culture water when the particle size was below 100 μm. The turbidity of culture water decreased from 5.3 NTU to 1.00 NTU, while kept the level in the subsequent culture experiment. Finally, the average weight of grouper increased from 273±12.22 g to 552.52±107.04 g, after 66 days culture, while the final stocking density reached 60.78 kg/m3, and the survival rate was 100%. This sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system has demonstrated the highly efficient water treatment, high stocking density, and high survival rate. Therefore, the proposed system can be expected for a wide application in fish farming in the near future.

aquaculture; water quality; sequencing batch; recirculating aquaculture; biofilm; grouper

李華，田道賀，劉青松，等. 間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建及其養(yǎng)殖效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(13)：299-305.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035 http://www.tcsae.org

Li Hua, Tian daohe, Liu Qingsong, et al. Construction and effect of sequencing batch double-cycle recirculating aquaculture system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 299-305. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035 http://www.tcsae.org

2019-12-24

2020-05-19基金項目：廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團隊項目（2019KJ150）；中國水產(chǎn)科學研究院基本科研業(yè)務費資助（2019CY0103）

李華，博士，助理研究員，研究方向：養(yǎng)殖排放水處理技術(shù)。Email：babybluedaisy@163.com

張家松，博士，研究員，研究方向：水產(chǎn)養(yǎng)殖。Email：jiasongzhang@hotmail.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.035

S968.1

A

1002-6819(2020)-13-0299-07