淺談淡水養(yǎng)殖水質(zhì)凈化技術與設備的現(xiàn)狀和發(fā)展

艾紅霞，劉 燁，曾慶東

（1. 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

水產(chǎn)品已成為人類食物蛋白質(zhì)的第三大來源，其在全球范圍內(nèi)的市場需求隨著生活水平的提高而呈上升趨勢[1]，截至2021 年，我國水產(chǎn)品產(chǎn)量占全球60 %以上，位居世界水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模第一[2]。為滿足市場需要，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)由傳統(tǒng)土塘散養(yǎng)的養(yǎng)殖模式，向高密度規(guī)?；B(yǎng)模式轉(zhuǎn)型升級的進程越來越快，隨之產(chǎn)生的池塘尾水量也日益增多，若不進行有效處置，則會引發(fā)嚴重的生態(tài)污染問題。處理好水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水，能改善人類生產(chǎn)生活的環(huán)境，提升水產(chǎn)品的質(zhì)量?！笆奈濉比珖r(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃強調(diào)，要積極推動全國池塘尾水治理，做好水產(chǎn)養(yǎng)殖新技術與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的應用推廣，鼓勵我國漁業(yè)向高質(zhì)量的目標發(fā)展。分析淡水養(yǎng)殖水質(zhì)凈化技術與設備的現(xiàn)狀，并探討其發(fā)展問題，對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)健康養(yǎng)殖具有非常重要的意義。

1 淡水養(yǎng)殖水質(zhì)凈化技術與設備的現(xiàn)狀

總體來看，現(xiàn)階段我國淡水養(yǎng)殖業(yè)以魚塘養(yǎng)殖為主。水產(chǎn)品效益的上升主要是通過魚塘高密度精養(yǎng)、加大飼料投放量和增加魚藥劑量這三大途徑來實現(xiàn)的[3]，但市面上常規(guī)售賣的商品魚藥飼料質(zhì)量參差不齊[4]，大多養(yǎng)殖戶會選擇成本低而轉(zhuǎn)化效率不高的飼料和魚藥。導致大量過剩的餌料被微生物分解，溶解氧消耗加劇，當超出魚塘自消自凈的能力時，則會因缺氧而產(chǎn)生危害水產(chǎn)動物生存和生長繁殖的有毒代謝物質(zhì)（如氨氮和亞硝酸鹽）[5]?；诖?，大部分魚塘養(yǎng)殖戶選擇機械增氧設備（如葉輪式增氧機等）作為改善水產(chǎn)動物生存環(huán)境的水質(zhì)凈化設備。

從20 世紀80 年代開始，為提高水產(chǎn)生產(chǎn)與尾水處理效率，我國小部分水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)嘗試引進國外工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，包括配套的水質(zhì)凈化技術與設備。但目前我國淡水養(yǎng)殖水質(zhì)凈化技術與設備的發(fā)展與國外存在一定差距，早在20 世紀60年代國外就出現(xiàn)了工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，該模式將養(yǎng)魚桶和水質(zhì)凈化系統(tǒng)結(jié)合形成可獨立操作的部分，具有代表性的是日本的鰻魚生產(chǎn)與澳大利亞的淡水蝦養(yǎng)殖[6]。近年來，國外的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)凈化技術與設備愈發(fā)成熟，歐洲、美國、泰國等國家的水質(zhì)凈化系統(tǒng)已經(jīng)能保障水產(chǎn)養(yǎng)殖健康與可持續(xù)發(fā)展[7]，相比傳統(tǒng)魚塘養(yǎng)殖節(jié)水90%，為全球提供了典范。整個系統(tǒng)的搭建包括增氧技術與設備、過濾分離技術與設備、化學凈化技術與設備、生物凈化技術與設備等（如圖1 所示）。

圖1 工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)

1.1 增氧技術與設備

水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化的關鍵點之一是提高水體中的溶解氧（dissolved oxygen，DO）含量[8]，數(shù)據(jù)顯示，溶解氧是影響攝食率、飼料利用率、增重率和發(fā)病率的關鍵因素[9]，能保證水產(chǎn)品的成活率、品質(zhì)與產(chǎn)量以及養(yǎng)殖水域環(huán)境的質(zhì)量。而在淡水養(yǎng)殖業(yè)中，提高或維持水體中溶解氧含量的主要措施之一是使用增氧設備。

1.1.1 機械增氧設備

1972 年，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所開發(fā)出我國第一臺葉輪式增氧機[10]，這意味著當時我國已開始意識到傳統(tǒng)魚塘無法提高產(chǎn)量的主要原因是由于溶氧量不足，需要借助機械增氧設備來解決問題。因此隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)慢慢從低密度、低產(chǎn)量向高密度、高產(chǎn)量發(fā)展，水車式增氧機、涌浪式增氧機、射流式增氧機以及微孔曝氣式增氧機等類型的增氧機產(chǎn)品也逐步在中國問世[11]。

1）葉輪式或水車式增氧機。我國常用的傳統(tǒng)機械增氧設備是葉輪式增氧機和水車式增氧機，它們的工作原理是通過葉輪、水車等機械式的攪動，讓空氣中的部分氧氣能溶入水中變成溶解氧[12]，其中葉輪式增氧機的綜合增氧性能要遠優(yōu)于水車式和涌浪式。

2）射流式增氧機。該設備是利用水力剪切和氣泡擴散兩個作用達到攪拌混合和曝氣充氧的目的。上世紀中期，國外就出現(xiàn)了關于射流器用作曝氣增氧設備的研究[13]；而國內(nèi)學者在上世紀后期也開始探究射流增氧設備在污水處理方向上的應用[14]。通常來說，射流式增氧機的優(yōu)點是混合攬拌作用強，但也有增氧效率較低的缺點，所以一般配合其它增氧機使用。

3）微孔曝氣與微泡曝氣設備。微孔曝氣設備主要由空氣壓縮機、微孔曝氣器、曝氣管道組成，其原理是利用空氣壓縮機將空氣導入微孔曝氣器形成微氣泡，再從布好的曝氣管道由底部向上分散到水體。該技術最早出現(xiàn)于1915 年的英國，隨后在北美及歐州普遍應用[15]；而中國則是在2000 年以后才在淡水養(yǎng)殖業(yè)中推廣應用微孔曝氣這種底部增氧技術?，F(xiàn)今國際上比較先進的微孔曝氣設備有韓國某公司制造的微孔曝氣器，其優(yōu)勢是采用不易堵塞且耐用性好的材料制造燒結(jié)與微孔膜片。

微泡曝氣與微孔曝氣原理不同，如日本某公司設計的納米級超微泡發(fā)生裝置，其原理是氣體和水同時在壓力下通過主體內(nèi)部的納米混合器（混合單元），從而實現(xiàn)氣體和水的超細混合。超細氣泡是由氣體和水的超細混合產(chǎn)生的，通過改變產(chǎn)生超細氣泡的氣體，可以輕松控制液體中的溶解氧。

就我國精養(yǎng)魚塘現(xiàn)狀而言，基于成本控制，百分之九十左右的水產(chǎn)養(yǎng)殖戶會首選葉輪式增氧機[16]。但僅靠葉輪式增氧機無法達到現(xiàn)有高密度健康養(yǎng)魚所需溶氧的標準，需要增加微孔曝氣系統(tǒng)或其他機械增氧裝備與之配套使用，讓魚塘面部和底部的養(yǎng)殖水體能夠上下循環(huán)，達到更好的整體增氧效果。但因成本相對較高，只有少數(shù)的魚塘養(yǎng)殖戶愿意購置微孔曝氣設備與增氧機搭配使用。

1.1.2 純氧增氧設備

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式具有高產(chǎn)高效、節(jié)約資源、水產(chǎn)品質(zhì)量好、污染集中控制能力強等特點[17]，是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)未來發(fā)展的方向之一。目前國外有很多成熟的案例可參考，如英國水產(chǎn)養(yǎng)殖公司Great British Prawns（GBP）在蘇格蘭建造的陸基循環(huán)水養(yǎng)蝦工廠、挪威公司Nordic Aquafarms 旗下的陸基養(yǎng)殖三文魚項目設施等。傳統(tǒng)的魚塘機械增氧設備（如葉輪式或水車式增氧機）已經(jīng)不能滿足工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖高密度的時代需求，數(shù)據(jù)顯示，采用空氣增氧的方式，養(yǎng)殖密度大概在30～50 kg/m3的范圍內(nèi)[18]；而采用純氧增氧的方式，養(yǎng)殖密度可提高到100 kg/m3以上[19]。這說明純氧增氧技術可以充分發(fā)揮工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的優(yōu)勢并增加經(jīng)濟效益，因此，為適應工廠化水產(chǎn)高密度養(yǎng)殖的需求，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)開始關注并研究純氧增氧設備。

張宇雷、倪琦等評估了在水體中低壓的條件下，純氧增氧設備的影響因素以及工作性能等[20]；陳有光等測試了純氧曝氣錐（常用設備）在水體中的增氧規(guī)律，觀察到采用純氧曝氣比空氣曝氣的功率低、氧氣利用率高[21]；賈惠文等研究了一種可應用在循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)RAS（Recirculating Aquaculture System）的純氧增氧裝置，是先讓純凈氧氣與水的接觸時間增加使水和氧充分混合后，再采用射流泵將高溶氧水推入養(yǎng)殖池，并將未溶解到水體中的氧氣進行回收[22]。這些研究為開發(fā)應用在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的純氧增氧設備奠定了基礎。

1.2 過濾分離技術與設備

過濾分離技術（也被稱作物理分離技術），指的是將過剩飼料、水產(chǎn)養(yǎng)殖動物糞便等顆粒沉淀或懸浮狀污染物從水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中去除的技術[23]。常用的固液分離技術以機械過濾設備居多，如沉淀器、微濾機、氣浮機等。

1）沉淀器。也被稱為魚糞殘餌集污器，用于收集魚糞殘餌，因為影響水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)及周邊生態(tài)環(huán)境的主要污染物就是魚類糞便和過量投放的飼料魚藥[24]。該設備一般呈現(xiàn)為豎流式筒狀或立式圓柱加圓錐狀，便于被引入的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水在內(nèi)部從上向下的豎向流動。這樣使得養(yǎng)殖廢水的運動方向與懸浮狀顆粒的運動方向相反，其截留速度與水流上升速度相等，因此上升速度等于沉降速度的顆粒將懸浮在水體中形成一層懸浮層[25]。當懸浮層經(jīng)過沉降作用進入底部錐形的淤泥漏斗后，中部比較清澈的水會沿周邊的堰槽溢流而出[26]。

沉淀器安裝簡單方便，減輕了水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水后續(xù)處理設備的負荷，是較常用的預處理設備。

2）微濾機。是由微孔篩網(wǎng)和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的機械設備[27]，用于過濾水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中的微小顆粒有機物、浮藻或大型細菌微生物等固體污染物?，F(xiàn)階段應用的微濾機一般都具備自動反沖洗的功能，即可通過新增噴淋管路定時對微孔濾網(wǎng)進行沖洗，或者利用反接進出水管道的方式使得濾網(wǎng)實現(xiàn)自我清潔。

微濾機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、壽命長、效率高、過濾精度高，出水水質(zhì)穩(wěn)定，占地小，運行費用低，可實現(xiàn)全自動連續(xù)工作，無需專人看管，是常用的過濾去除設備。

3）氣浮機。該設備是通過納米進氣裝置將空氣制成大量的微小氣泡打入水體中，從而利用微小氣泡表面張力吸附水中細小絮狀懸浮物，使水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中的雜質(zhì)浮出水面形成泡沫，然后通過對泡沫的清理使這些微小顆粒污染物從尾水中去除[28]，大體分為超效淺層氣浮機，渦凹氣浮機，平流式氣浮機三大類[29]。對于水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中含有的一些比重接近于純水且難于下沉或上浮的細小污染物，可采用該設備去除。

1.3 化學凈化技術與設備

該類設備可有針對性地向水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中投加化學藥劑或者是向水中導入電流，使得廢水中污染物發(fā)生分解以達到水質(zhì)凈化目標[30]，其核心是化學技術。目前，在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)應用的化學凈化設備通常有電解設備與氧化消毒設備[31]。

1）電解技術與設備。該設備工作時，讓適當強度的電流通入水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，使得廢水中含有的無機氮（NH+4、NO-3鹽、NO-2鹽、NH3和氮氧化合物NxOy等[32]）發(fā)生氧化還原反應，從而被去除。在實際應用時，電解設備的操作存在2 個難點：一是要能夠?qū)㈦娊膺^程中陽極區(qū)生成的強氧化劑的量實現(xiàn)自動控制；二是要確保強氧化劑HClO 的生成，也需精準把握向不含Cl-或Cl-濃度很低的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中額外投加氯離子的量，否則極易引發(fā)養(yǎng)殖水體的二次污染。因此要求工作人員對相關化學藥劑的投加量進行嚴格把控，操作難度較大。

2）氧化消毒技術與設備。氧化消毒設備中一般配有氧化劑和紫外燈，運行時向水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中投加劑量嚴格設定的H2O2、ClO2以及O3等相應的化學藥品，這些物質(zhì)既是強氧化試劑又是消毒劑[33]，在與有機污染物發(fā)生氧化反應使得其分解的同時，又可以對水產(chǎn)養(yǎng)殖水體進行消毒；再配合紫外線UV 迅速進入到細胞內(nèi)壁，從而殺死致病源[34]，達到凈化水質(zhì)目的。

現(xiàn)在很多水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理成套設備包括一體化小型凈水設備都含有氧化消毒這一環(huán)節(jié)，通過將氧化消毒法和其他凈化技術有機結(jié)合，就可以更有效地達到提高水中溶氧量、增加水體養(yǎng)殖密度的目的。

1.4 生物凈化技術與設備

生物凈化技術與設備，其核心關鍵是運用植物或微生物的生長特性來實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的凈化，以更低的成本去除水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的污染物，并且在處理的過程中幾乎沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生，減少了后續(xù)的處理步驟。

傳統(tǒng)魚塘養(yǎng)殖較為常用的是植物修復技術[35]，而工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖主要應用生物濾池、蛋白質(zhì)分離器以及微生物過濾器等設備，它們的核心是生物膜技術。

1）植物修復技術。該方式可細分為生態(tài)浮床以及人工濕地等方法，主要采用的是在池塘水面或周圍栽培對磷、氮等營養(yǎng)元素有著強吸收能力且生命力較為頑強的水生植物，使養(yǎng)殖水體中的污染物得以部分去除。例如，早在1997 年，宋福等[36]選取當時富營養(yǎng)化較嚴重的滇池作為處理對象，探究苦草和金魚藻等7 個種類的水生植物對其水體的凈化作用，發(fā)現(xiàn)這7 種水草及藻類均可明顯吸收水中的總磷、總氮。但后來張毅等[37]認為藻類最終移除比較困難，所以選擇植物型的方法是更方便有效的。宋碧玉等[38]試驗后得到水生植物能夠增加湖泊水體中原生動物種類并提升水域生物多樣性的結(jié)論。VERA M?NICA DE VASCONCELOS 等[39]發(fā)現(xiàn)利用水葫蘆、鳳眼蓮和飛仙草屬植物處理養(yǎng)魚廢水是有效的。

這一系列的研究結(jié)論說明在水產(chǎn)養(yǎng)殖水域或周圍培養(yǎng)水生植物，不但可以調(diào)節(jié)水域生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，加快物質(zhì)循環(huán)的速度，改善水體水質(zhì)，抑制有害藻類繁殖，并且能夠促進水域生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的提高，讓養(yǎng)殖水域的環(huán)境更具穩(wěn)定性。

2）生物膜技術及其設備。生物膜技術的主要形式表現(xiàn)為蛋白質(zhì)分離器、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床等設備，特點是能處理低濃度污水，能耗較低。其根本原理是將搭配好的微生物菌群投放于裝有載體的設備中，當通入水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水時，微生物菌群便會吸收并利用相關污染物進行代謝生長，從而達到脫除污染物的目的[30]。一般來說，生物過濾器是再循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）的核心，如今國際上比較先進的有單通道微生物過濾器，其占地面積小，節(jié)約用水量，即插即用，適用于小規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖。

1.5 其他相關技術與設備

為了突破傳統(tǒng)方法降解效率低、耗時長的技術瓶頸，曹強等[40]合作開發(fā)了一種新型的連續(xù)液流微反應器（如圖2），即讓臭氧氧化技術與微型填充床反應器聯(lián)動結(jié)合，并實現(xiàn)連續(xù)處理的設備，對微污染和高污染的養(yǎng)殖廢水均可有效處理。其關鍵技術體現(xiàn)在微型填充床反應器部分能夠提升氣液傳質(zhì)速率，帶動臭氧在水體中溶解量的提升，進而增加了水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中有機污染物的降解效率。該設備在高效連續(xù)分解沙星類抗生素與孔雀石綠等有機毒害物質(zhì)的同時，可以將過量的臭氧轉(zhuǎn)化為氧氣，轉(zhuǎn)化率可達99.9 %。這就解決了在實際使用臭氧氧化技術時，臭氧引發(fā)二次污染的問題，還額外提升了水中的溶解氧含量。

圖2 連續(xù)液流微反應器原理圖

2 發(fā)展存在的問題與建議

2.1 傳統(tǒng)魚塘養(yǎng)殖方面

整體而言，我國魚塘養(yǎng)殖現(xiàn)有增氧設備的自動化程度較低[41]，常規(guī)使用的還是機械式增氧設備（純氧增氧設備成本太高），在使用過程中仍存在諸多問題，譬如設備增氧能力不強、水體上下層增氧不均勻、池塘底層溶氧低、消耗能量較多、對整體水質(zhì)改善效果不理想、池塘底層大量遺體殘骸積累破壞水質(zhì)等。

因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧設備的發(fā)展趨勢是節(jié)能與自動化，多種機械增氧方法搭配使用，以及與化學或生物凈化技術相結(jié)合開發(fā)新型增氧技術等。如，孫秋慧提出了一種氣泡式的膜曝氣生物膜反應器（membrane aeration biofilm reactor，MABR）[42]，該設備既具有高氧轉(zhuǎn)移效率又可使水體溶解氧均勻分布，是生物膜技術與機械增氧設備的結(jié)合。同理，其他魚塘養(yǎng)殖尾水處理設備也可按上述思路進行改善與創(chuàng)新。

2.2 工廠化養(yǎng)殖方面

現(xiàn)階段，我國大多數(shù)工廠化養(yǎng)殖基地的設施在結(jié)構(gòu)和設備上仍處于不太成熟的階段，標準化和自動化程度不高，尤其是現(xiàn)代化的水體維護與水質(zhì)凈化設備比較缺少[43]。這不僅影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的總體效益，同時也限制了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[44]?；诖?，建議采用科技攻關與技術引進相結(jié)合的方式去探索和早日實現(xiàn)中國式工廠化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

3 結(jié)語

本文對目前應用于淡水養(yǎng)殖的增氧技術與設備、過濾分離技術與設備、化學凈化技術與設備、生物凈化技術與設備等進行了分類說明，并分析了其發(fā)展現(xiàn)狀?？偨Y(jié)我國魚塘養(yǎng)殖的需求仍以機械增氧為主，指出了工廠化養(yǎng)殖是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖的方向之一，但目前可供市場選擇的設備種類較少，且更新迭代緩慢，自動化設備存在較大缺口。

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)為全球的發(fā)展貢獻了一份力量，但養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的大量廢水如不及時有效解決則會導致生態(tài)環(huán)境污染問題，因此其廢水處理的意義重大。探索水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)凈化的新技術新設備，可以更有效的實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展，讓水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)走得更遠。