魚菜共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建及運(yùn)行效果分析

顧川川，徐琰斐，高霞婷，張海耿

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

0 引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水治理是“十四五”水產(chǎn)綠色健康養(yǎng)殖重點(diǎn)工作方向，污水資源化利用是近年來研究熱點(diǎn)和未來趨勢。魚菜共生系統(tǒng)(Aquaponics)作為基于循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)方法的創(chuàng)新型可持續(xù)發(fā)展水污染處理技術(shù)[1-2]，是一種循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)與植物水培系統(tǒng)相結(jié)合的綜合農(nóng)業(yè)技術(shù)[3-4]，利用微生物將工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖尾水中氨氮、亞硝酸鹽氮、磷和有機(jī)物等[5]轉(zhuǎn)化成植物可吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源和水的循環(huán)利用，解決水產(chǎn)養(yǎng)殖引起的水質(zhì)和土壤的污染等環(huán)境問題[6-7]。

植物部分是除RAS 養(yǎng)殖對象外提高魚菜共生系統(tǒng)附加經(jīng)濟(jì)價值的關(guān)鍵，植物的品種與質(zhì)量得到可控生產(chǎn)是提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素[8]。近幾年，魚菜共生系統(tǒng)植物部分對檸檬草[8]、中草藥[9]、芹菜[10-11]、水雍菜[12]和生菜[13-14]等蔬菜類植物研究較多，對果類植物的生長情況研究較少，也缺少系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算、裝備構(gòu)建和經(jīng)濟(jì)性等方面深入研究。草莓具有經(jīng)濟(jì)價值較高、水培技術(shù)[15-16]成熟等特點(diǎn)，但對草莓為種植對象的魚菜共生系統(tǒng)研究較少。魚菜系統(tǒng)研究常選用羅非魚和生菜作為試驗(yàn)對象，對其他魚類和植物的關(guān)注較少，但羅非魚和生菜的經(jīng)濟(jì)價值較低，且研究也較多。因此，本研究選用紅顏草莓和寶石鱸，一是產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價值較高，二是為魚菜共生增加新的研究對象。

本研究旨在探究紅顏草莓(Fragaria orientalis)和寶石鱸(Scortum barcoo)共生過程中，植物凈水情況、魚類生長情況及應(yīng)用推廣價值。通過集合旋流顆粒過濾器[17]、移動床生物過濾[18-19]、紫外殺菌[20]和浮筏式水培架[21]等高效水處理技術(shù)和裝備，運(yùn)用基于投飼量的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法確立系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)[3,22-23]，構(gòu)建一套草莓和寶石鱸魚菜共生系統(tǒng)。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

1.1.1 工藝流程設(shè)計(jì)考慮到2種養(yǎng)殖對象共用一個生存環(huán)境，維持水質(zhì)穩(wěn)定是關(guān)鍵。因此，本設(shè)計(jì)采用RAS 水處理工藝和設(shè)備，包括旋流顆粒過濾器、移動床生物過濾器、紫外殺菌裝置、冷暖機(jī)組和水培系統(tǒng)中的雙層水培種植架，魚菜共生系統(tǒng)工藝流程如圖1 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)總水體量約1.3 m3，設(shè)計(jì)最高養(yǎng)殖密度10 kg/m3，最大養(yǎng)殖生物量13 kg，最大日投喂量0.26 kg，日換水0 m3。

圖1 系統(tǒng)水處理工藝流程圖

1.1.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

（1）移動床生物過濾器濾料體積：根據(jù)最大氨氮產(chǎn)生量、填料硝化速率、填料比表面積，按公式(1)計(jì)算。

式中，rtan硝化速率，g/(m2·d)，溫度23℃時，值為0.3 g/(m2·d)[24]；SSA填料比表面積，MBBR填料[25]（型號K5）比表面積850 m2/m3。

PTAN最大氨氮產(chǎn)生量，kg/d，按公式(2)計(jì)算。

式中，F(xiàn)max系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大載魚量，取值13 kg；Rfeed日投飼率，2.00%/d；0.092為投喂每千克飼料所產(chǎn)生的氨氮質(zhì)量[3]；PC飼料中粗蛋白含量，48%。

經(jīng)計(jì)算，Vmedia=0.045 m3。

（2）系統(tǒng)循環(huán)量計(jì)算

根據(jù)移動床生物過濾器濾料體積、填料填充率和水力停留時間，按公式(3)計(jì)算。

式中，QTAN系統(tǒng)循環(huán)量，m3/h；PR填料填充率，%，本設(shè)計(jì)取35%；HRT生物濾器水力停留時間，其值為10～30 min，本設(shè)計(jì)取30 min；計(jì)算結(jié)果：QTAN=0.25 m3/h。

（3）根據(jù)光合作用光量子通量密度的總量和光照時間，按公式(4)計(jì)算日積累光照量(DLT)。日積累光照量(daily light integral，DLT)是光照強(qiáng)度和光周期的乘積，合適的DLT 有助于改善植株生長，提高光能利用效率。

式中，PPFD單位時間、單位面積上到達(dá)或通過的光合有效輻射的光量子數(shù)，光合作用光量子通量密度，本裝置選用LED燈具作為光源，其值為300 μ·mol/(m2·s)。t光照時間，取值12 h，計(jì)算結(jié)果：DLI=12.96 mol/(m2·d)。1.1.3 關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)使用的水處理裝備主要有旋流顆粒過濾器、移動床生物過濾器。以及提供植物生長環(huán)境的雙層水培種植架裝置。

（1）旋流顆粒過濾器。

作為水處理第一道環(huán)節(jié)，物理過濾，主要去除水體中糞便和殘餌。因?yàn)閷毷|糞便不成形、發(fā)散的特點(diǎn)，運(yùn)用過濾器中心管旋流向下的原理，有效截留較輕的顆粒物，具有沉淀效率高，建設(shè)成本低和維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。

（2）移動床生物過濾器。

生物過濾是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，此次設(shè)計(jì)采用移動床生物過濾器作為系統(tǒng)的主要生物凈化設(shè)備。該濾器采用密度小于1.0 g/cm3的K5 顆粒濾料作為生物填料，填充率35%，水力停留時間(HRT)30 min。濾料長時間浸泡在水里之后，密度接近于水，在曝氣作用下，濾料在水里翻騰，濾料表面附著生長的硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌群通過與水完全混合，從而有效降解水中有害物質(zhì)，負(fù)責(zé)去除系統(tǒng)氨氮總產(chǎn)生量70%。

（3）雙層水培種植架。

水培種植架由水培槽、種植浮筏和LED 燈光組成。水培槽為深液流模式(deep flow technique，DFT)，與養(yǎng)殖水體進(jìn)行循環(huán)，為植物根部提供養(yǎng)分和溶解氧。種植浮筏面積1 m2，可提供生菜25～30 株，草莓12～15 株和番茄3～5 株等[2]。本實(shí)驗(yàn)采用的人工光源為發(fā)光二極管(LED)，能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光，LED 不僅節(jié)能而且能量轉(zhuǎn)化效率非常高，白光LED 的電能轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到80%。DLT 在11.5～17.3 mol/(m2·d)之間有利于提高草莓質(zhì)量[26]，本實(shí)驗(yàn)DLT取值12.96 mol/(m2·d)，可供草莓正常生長。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行管理

系統(tǒng)建于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2021年4月2日系統(tǒng)正式投入運(yùn)行，移動床生物過濾器中K5顆粒濾料進(jìn)行掛膜處理，以積累硝化細(xì)菌，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，正式試驗(yàn)時間自2021年5月6日—6月9日，共持續(xù)69 d。系統(tǒng)選用寶石鱸和紅顏草莓作為養(yǎng)殖對象，飼料為通威寶石鱸專用飼料，成份見表1。魚類養(yǎng)殖采用人工投喂，日投喂量為魚體質(zhì)量的2%，早晚各一次。草莓養(yǎng)殖采用人工授粉的方式，每周2次。

表1 飼料組成成分

本研究使用碳酸氫鈣[Ca(OH)2]進(jìn)行pH 調(diào)節(jié)，并以此作為植物生長所需的Ca離子的補(bǔ)充[11]。每隔2周向系統(tǒng)中添加螯合鐵30 g，以防止草莓植株因缺鐵導(dǎo)致葉片發(fā)黃等問題。為能滿足草莓必要營養(yǎng)元素鉀和磷，掛膜結(jié)束后，向系統(tǒng)中投入磷酸二氫鉀200 mg/L[27-29]。實(shí)驗(yàn)期間采用生物防治害蟲的方法對植物進(jìn)行防護(hù)。整個試驗(yàn)期間，除了用于補(bǔ)充因水面蒸發(fā)、植物蒸騰和吸收而損失的水，系統(tǒng)不進(jìn)行水體交換。

1.3 水質(zhì)檢測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

水溫、溶氧(DO)和pH等指標(biāo)采用YSI多參數(shù)水質(zhì)測定儀檢測；氨氮(TAN)測量采用納氏試劑光度法；亞硝酸鹽氮(NO2--N)光度法；硝酸鹽氮(NO3--N)含量采用紫外分光光度法；活性磷(PO43--P)采用鉬銻抗比色法；鉀離子(K+)采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)指定元素定量法。體質(zhì)量測量使用磅秤稱量。尺寸使用游標(biāo)卡尺測量。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。數(shù)據(jù)采用Excel 2016統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 寶石鱸生長情況

系統(tǒng)于2021 年4 月2 日開始運(yùn)行，為期69 d 養(yǎng)殖試驗(yàn)，寶石鱸生長情況見表2。初期投放寶石鱸24尾，考慮到生物濾器的掛膜周期，運(yùn)行1 個月后再投放12尾，于5 月6 日，投放總尾數(shù)36 尾，養(yǎng)殖密度10.1±1.2 kg/m3。從表中可以看出，整個養(yǎng)殖試驗(yàn)周期魚類存活率100.0%，平均養(yǎng)殖密度達(dá)到13.01±1.36 kg/m3。

表2 實(shí)驗(yàn)期間寶石鱸的生長情況

2.2 草莓生長情況

實(shí)驗(yàn)期間，草莓生長情況見表3 所示。初期種植草莓共計(jì)12 顆，設(shè)置的株距、行距分別20 cm，栽種密度是12株/m2。經(jīng)過一個月的生長，5月10日之后集中3次采摘成熟果實(shí)，共計(jì)428.51±0.02 g。實(shí)驗(yàn)期間，作物周期之間的水果果形指標(biāo)沒有顯著差異(p＞0.05)，草莓果形指數(shù)平均1.11±0.01，其中最大橫徑33.30±0.1 mm，最大縱徑38.87±0.1 mm。

表3 實(shí)驗(yàn)期間草莓的生長情況

2.3 系統(tǒng)水質(zhì)情況

2.3.1 溫度、溶解氧(DO)和pH 養(yǎng)殖期間養(yǎng)殖池的水溫、DO和pH的變化情況見圖2所示。水溫波動較小，基本維持在20.0～23.5℃，均在寶石鱸、草莓適宜生長的溫度范圍內(nèi)[30-31]。其中，實(shí)驗(yàn)初期水溫較低，實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谒疁剌^高，采用空調(diào)機(jī)組和恒溫自動加熱棒進(jìn)行調(diào)控。養(yǎng)殖期間，平均水溫22.23±1.02 ℃，平均pH 7.11±0.58，平均DO 7.38±0.61 mg/L。

圖2 養(yǎng)殖周期內(nèi)水溫、溶解氧和pH變化情況

2.3.2 氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮養(yǎng)殖期間，每2～4 d 從魚池取一定量水樣進(jìn)行TAN、NO2--N、NO3--N 檢測，變化情況如圖3所示。從圖中可以明顯看出，在系統(tǒng)運(yùn)行的前1個月，濾料表面的生物膜尚未掛膜成熟，硝化細(xì)菌不足，隨著系統(tǒng)負(fù)荷在逐步增加，水體中的TAN逐漸增加，最高達(dá)1.03±0.03 mg/L，隨后變化范圍穩(wěn)定在0.6～1.07 mg/L。NO2--N在實(shí)驗(yàn)開始前期，由于硝化細(xì)菌不足，不能及時將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮的情況下，NO2--N質(zhì)量濃度上升很快，第8天達(dá)到峰值0.64±0.02 mg/L，但積累時間較短，而后急劇下降，第20天達(dá)到最低值0.024±0.007 mg/L。之后隨著系統(tǒng)運(yùn)行，NO2--N 呈現(xiàn)小幅波動，最終變化范圍穩(wěn)定在0.084～0.293 mg/L。

圖3 養(yǎng)殖周期內(nèi)氨氮和亞硝酸鹽氮濃度變化情況

養(yǎng)殖期間，養(yǎng)殖池水質(zhì)的NO3--N的變化情況如圖4 所示。從圖中可以明顯看出，掛膜期NO3--N 穩(wěn)步上漲至18.77±2.53 mg/L，是因?yàn)椴葺诟~生長期，根部生長旺盛，其附著很多硝化細(xì)菌，從而將NO2--N 硝化成NO3--N，因此前期NO2--N 能在短期內(nèi)迅速穩(wěn)定。隨后，隨著投喂負(fù)荷的增加，上漲至峰值64±1.97 mg/L，最后變化范圍穩(wěn)定在39.17～62.93 mg/L。NO3--N 質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出逐步升高的趨勢，一是由于系統(tǒng)不換水，NO3--N會始終積累在系統(tǒng)中，二是由于NO3--N產(chǎn)生量多于水培草莓吸收量，導(dǎo)致其在系統(tǒng)中積累，質(zhì)量濃度逐步升高與其他魚菜共生系統(tǒng)變化趨勢類似[11-12]。

圖4 養(yǎng)殖周期內(nèi)硝酸鹽氮濃度變化情況

2.3.3 活性磷(PO43--P)和鉀離子(K+) 養(yǎng)殖期間，養(yǎng)殖池PO43--P和K+的含量變化情況如圖5所示。掛膜期間的活性磷(PO43--P)和鉀離子(K+)主要來源于投喂的飼料積累，穩(wěn)定在20 mg/L以內(nèi)。添加磷酸二氫鉀后，PO43--P 的含量迅速升高，最高值159.27±6.66 mg/L，隨著草莓生育期轉(zhuǎn)為開花結(jié)果期，對于磷元素的需求增加，導(dǎo)致PO43--P減少，隨后漸漸下降至50.63±5.56 mg/L。而K+的含量變化較穩(wěn)定，范圍在80.76～96.40 mg/L。主要因?yàn)轱暳现锈浽睾渴橇自睾康?3倍（見表1），隨著投喂的積累，K+被有效回收在系統(tǒng)中且含量較豐富，該現(xiàn)象與其他魚菜共生系統(tǒng)[15]研究結(jié)果一致。

圖5 養(yǎng)殖周期內(nèi)活性磷和K離子含量濃度變化情況

2.4 系統(tǒng)耗電量情況

為期69 d的養(yǎng)殖試驗(yàn)，寶石鱸從平均體質(zhì)量63.3±14.9 g增加至119.7±12.5 g，草莓產(chǎn)量共計(jì)428.51±0.02 g，系統(tǒng)共計(jì)耗電量862 kW·h（見表4）。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)出2 種經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物。從草莓產(chǎn)量上來看，未達(dá)到理想的地步，考慮到2 種情況，一是水培經(jīng)驗(yàn)缺乏，人工授粉不均、環(huán)境控制等原因；二是草莓幼苗來自網(wǎng)絡(luò)平臺采購，并未嚴(yán)格篩選符合水培模式的苗種，導(dǎo)致出果率低、植株病害等問題。

表4 本研究魚菜共生系統(tǒng)電量明細(xì)表

魚菜共生，一種新型養(yǎng)殖模式漸漸被人們熟悉，投入一種飼料同時生產(chǎn)出魚和植物，今后可進(jìn)一步通過提升植物產(chǎn)量、品質(zhì)來進(jìn)一步提高魚菜共生系統(tǒng)生產(chǎn)效率，但一種投入，兩種產(chǎn)出，對于養(yǎng)殖技術(shù)管理將更具挑戰(zhàn)。雖然魚菜共生系統(tǒng)還有一些不足之處，但其環(huán)境友好，生產(chǎn)效率高和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，具有可觀的應(yīng)用前景和推廣價值。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

魚菜共生系統(tǒng)從其結(jié)構(gòu)形式，可分為耦合型和按需耦合型兩種模式。耦合型模式[7]主要是水產(chǎn)養(yǎng)殖單元和水培單元形成一個單向閉路循環(huán)，循環(huán)水中的氮磷鉀等元素能被充分有效地利用，該模式能提高水體中氮磷鉀等元素的轉(zhuǎn)化率[10]，減少向環(huán)境排放造成的環(huán)境污染，但僅靠飼料作為營養(yǎng)元素來源，因?yàn)槿鄙贍I養(yǎng)元素供給可能導(dǎo)致植物生長緩慢或致病。按需耦合型模式[32]主要是水產(chǎn)養(yǎng)殖單元和水培單元具有3種循環(huán)回路，可調(diào)整為獨(dú)立循環(huán)模式，如植物收成、病蟲害等問題時實(shí)現(xiàn)2 個單元互不影響的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)按需管理。該模式管理靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，但工藝復(fù)雜造成裝備和運(yùn)行成本增加。

本試驗(yàn)采用耦合型養(yǎng)殖模式，探究寶石鱸和草莓耦合模式下的共生情況。從循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)情況看，平均水溫22.23℃，平均pH 7.11，平均DO 7.38mg/L，系統(tǒng)總體運(yùn)行情況穩(wěn)定。試驗(yàn)期間，系統(tǒng)中活性磷質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，鉀離子的質(zhì)量濃度變化穩(wěn)定，說明草莓對磷元素需求較大，可適當(dāng)?shù)脑黾恿追?，提高坐果率[33]。試驗(yàn)后期，NO3--N 質(zhì)量濃度保持穩(wěn)定，表明草莓植株能夠吸收利用水體中的硝酸鹽實(shí)現(xiàn)氮元素的轉(zhuǎn)化，起到凈化水質(zhì)的作用。從循環(huán)水養(yǎng)殖魚類生長情況看，寶石鱸存活率高達(dá)到100%，餌料系數(shù)1.4，與工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖條件下的餌料系數(shù)相當(dāng)[23,34]。史東杰等[35]研究了魚菜共生養(yǎng)殖模式對錦鯉生長、消化酶活力的影響，研究顯示10%的空心菜生物浮床覆蓋面積時特定生長率0.62%，本研究結(jié)果顯示，寶石鱸的特定生長率0.3%，比較其原因，因魚菜共生水體中寡營養(yǎng)狀態(tài)不足以維持草莓果實(shí)的生長，添加磷酸二氫鉀作為植物的營養(yǎng)鹽補(bǔ)充，可能對寶石鱸幼魚的生長產(chǎn)生一定影響，可更改添加模式和添加量解決問題。從草莓植株生長情況看，單株草莓平均采收果數(shù)7.03左右，與營養(yǎng)液水培紅顏草莓單株果數(shù)6～9.33 接近[36]。Chow 等[21]研究了深流式水培草莓生長和產(chǎn)量的營養(yǎng)要求，研究顯示單株草莓平均采收果重74.3 g 左右，本研究結(jié)果顯示，單株草莓平均采收果重36.71 g 左右，分析原因，一是試驗(yàn)?zāi)┢谝颦h(huán)境溫度超過25℃[36]，植株感染紅蜘蛛，致病后無法繼續(xù)生長；二是可能缺少其他微量元素和未及時授粉導(dǎo)致，可適當(dāng)添加必要微量元素和飼養(yǎng)熊蜂解決授粉問題。

3.2 結(jié)論

以實(shí)驗(yàn)為目的構(gòu)建一套草莓和寶石鱸共生浮筏式系統(tǒng)，通過集合旋流顆粒過濾器、移動床生物過濾、紫外殺菌和浮筏式水培架等高效水處理技術(shù)和裝備，為期69 d的養(yǎng)殖試驗(yàn)。結(jié)果顯示，寶石鱸生長情況良好，最高養(yǎng)殖密度13.01±1.36 kg/m3，成活率100%；草莓生長情況良好，產(chǎn)量共計(jì)428.51±0.02 g。水質(zhì)情況良好，氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度分別維持在0.56±0.01 mg/L、0.175±0.019 mg/L和31.13±1.75 mg/L，溶解氧濃度維持在7.38±0.61 mg/L，pH 維持在pH 7.11±0.58。系統(tǒng)平均日耗電量12.49 kW·h。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)出2種經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物，為魚菜共生系統(tǒng)推廣提供技術(shù)支持。