國內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

蔡青霖　韓慶富

摘 要 與傳統(tǒng)的流水、池塘養(yǎng)殖模式相比，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約水資源、省時省力、高效管理、占用土地面積小等，符合當(dāng)前我國提倡的節(jié)能減排、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的策略需求。綜合分析了國內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)快速發(fā)展基本情況和主要問題，探討了這一技術(shù)模式的發(fā)展趨勢和亟需解決的重大問題，為今后我國工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的思路與對策。

關(guān)鍵詞 工廠化循環(huán)水；技術(shù)現(xiàn)狀；技術(shù)問題；展望

中圖分類號：S96 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.17.058

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖新模式是以養(yǎng)殖廢水在水處理設(shè)備凈化后再利用為核心技術(shù)特點(diǎn)，并交叉結(jié)合普通動物學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、環(huán)境工程學(xué)、計算機(jī)控制技術(shù)原理、土木工程學(xué)等多學(xué)科綜合衍生的一種新的集約化養(yǎng)殖模式。

1? 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的發(fā)展概況

國外的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式起源于20世紀(jì)60年代，歐洲發(fā)達(dá)國家的魚類集約化養(yǎng)殖，核心技術(shù)基礎(chǔ)來源于內(nèi)陸海洋水族館、智能化水族箱和流水高密度養(yǎng)殖模式等[1]，經(jīng)歷準(zhǔn)工廠化、工廠化和工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖3個階段，現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化、信息化和現(xiàn)代漁業(yè)科學(xué)管理智能化。隨著歐盟水框架指令的頒布，循環(huán)水養(yǎng)殖已成為歐美一些國家的國策和水產(chǎn)發(fā)展重點(diǎn)[2-4]。

歐洲循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（RAS）構(gòu)建技術(shù)早期主要發(fā)起于荷蘭和丹麥，以養(yǎng)殖非洲鰻魚、鱒魚和鯰魚等淡水養(yǎng)殖種類為主。荷蘭RAS通常是室內(nèi)封閉系統(tǒng)，用于非洲鯰魚和鰻魚的生產(chǎn)。丹麥典型RAS為戶外的半封閉式系統(tǒng)，用于養(yǎng)殖鱒魚。隨著RAS技術(shù)的發(fā)展和重視程度的遞增，循環(huán)水養(yǎng)殖的水產(chǎn)物種多樣性顯著性增多，主要養(yǎng)殖品種包括大西洋鮭、羅非魚、鰻魚、鱒魚、大菱鲆、非洲鯰魚、比目魚和蝦等十幾個品種[5-6]。

截至2014年，美國和歐洲共建成360家RAS養(yǎng)殖基地，其中挪威和加拿大循環(huán)水技術(shù)尤為先進(jìn)，循環(huán)水系統(tǒng)主要應(yīng)用于鮭魚養(yǎng)殖生產(chǎn)[5]。從1985到2000年，歐洲一個典型的農(nóng)場生產(chǎn)鮭魚苗的能力（以生物量核算）平均增長了約20倍。蘇格蘭的生產(chǎn)力從1996年到2006年翻了一番，現(xiàn)在每年可生產(chǎn)超過15萬尾鮭魚苗。在歐洲西北部及加拿大、智利等國家，大型國際水產(chǎn)養(yǎng)殖公司不斷收購較小的公司，形成專業(yè)化運(yùn)作的集團(tuán)企業(yè)。比如，蘇格蘭、挪威和荷蘭公司的產(chǎn)量占鮭魚總產(chǎn)量的比例高達(dá)85%以上[7]。

歐洲發(fā)達(dá)國家采用封閉循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)開展苗種培育和養(yǎng)殖的企業(yè)日益增多，如英國Bluewater Flatfish Farm，法國France Turbot SAS，德國Ecomares Marifarm GmbH等，并朝著專用化、大型化方向發(fā)展，形成養(yǎng)殖裝備制造、系統(tǒng)設(shè)施集成和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于一體的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

1.2? 挪威的大西洋鮭工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)世界領(lǐng)先

挪威擁有全球大西洋鮭工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖最先進(jìn)的技術(shù)，是北歐（丹麥、法羅群島、芬蘭、冰島和瑞典）唯一保持水產(chǎn)養(yǎng)殖快速發(fā)展的國家。并建立了大西洋鮭種質(zhì)保護(hù)、良種選育、育苗、大規(guī)格苗種養(yǎng)成的全過程工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)和裝備體系（見圖1）。20世紀(jì)60年代后期，由于自然資源的嚴(yán)重衰退，政府開始支持鮭魚養(yǎng)殖，80年代，鮭魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)開啟大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)作模式。由于擴(kuò)大養(yǎng)殖區(qū)域，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)力、飼料及管理水平，挪威大西洋鮭養(yǎng)殖業(yè)取得顯著成效。大西洋鮭產(chǎn)量從1970年的50 t增長到2015年的130萬t，占全球大西洋鮭總量的60%。挪威大西洋鮭工廠化育苗結(jié)合網(wǎng)箱養(yǎng)殖的陸海接力模式被認(rèn)為是當(dāng)今世界海水工廠化養(yǎng)殖最成功的典范之一[8-9]。

養(yǎng)殖品種鮭鱒魚是智利水產(chǎn)業(yè)比較主要的品種，其高效養(yǎng)殖產(chǎn)量僅次于挪威，是全球第二大鮭鱒魚類工廠化養(yǎng)殖的產(chǎn)量國。水產(chǎn)養(yǎng)殖品種一般有大西洋鮭、虹鱒和銀鮭。2009年，三大主養(yǎng)品種產(chǎn)量達(dá)60.5萬t。智利三文魚養(yǎng)殖模式大部分采取挪威等歐洲發(fā)達(dá)國家較為先進(jìn)的養(yǎng)殖技術(shù)，控制技術(shù)智能化，養(yǎng)殖企業(yè)的水處理設(shè)備配套技術(shù)先進(jìn)，一般擁有從繁育場、培育場、海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖場到加工出口的一條完整養(yǎng)殖生產(chǎn)過程[8]。

1.3? 國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

國外依托發(fā)達(dá)的工業(yè)基礎(chǔ)，養(yǎng)殖關(guān)鍵設(shè)施裝備性能優(yōu)越。在養(yǎng)殖系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備制造方面，挪威的AKVA公司生產(chǎn)包括魚類繁育、養(yǎng)殖、采捕、加工等全過程的設(shè)施裝備，以及海上養(yǎng)殖工船等大型設(shè)備；冰島的VAKI公司主要生產(chǎn)吸魚泵、分魚機(jī)、投餌機(jī)等養(yǎng)殖管理配套設(shè)備；瑞典的HYDROTECH公司，以生產(chǎn)高品質(zhì)的微濾機(jī)為主。挪威AKVA公司研發(fā)的Fishtalk-control智能化投喂管理系統(tǒng)如圖2所示。此外，還有美國ETI公司研發(fā)的Feedmaster、芬蘭Arvo-Tec公司研發(fā)的投飼機(jī)器人等，都是處于國際領(lǐng)先的投喂設(shè)施裝備。

2? 國內(nèi)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1? 循環(huán)水養(yǎng)殖模式的水體動力學(xué)初步發(fā)展

計算流體力學(xué)模擬技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計。計算流體力學(xué)模擬技術(shù)最早應(yīng)用于航空航天研究領(lǐng)域，近年來逐漸在養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計中得到應(yīng)用，使水產(chǎn)養(yǎng)殖池、養(yǎng)殖設(shè)備的設(shè)計不再單純依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。養(yǎng)殖池的設(shè)計要求能在池內(nèi)建立起具有足夠水流速度的理想流動模式，以便為魚類提供最佳游泳速度的同時及時清除池內(nèi)固體污物[10]。國外利用計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)對養(yǎng)殖設(shè)備的研究已有較長歷史，對于養(yǎng)殖池內(nèi)的流場特征與集污性能等方面的研究具有很高的水平。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，但已取得顯著成效，國內(nèi)學(xué)者傾向于研究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中各因素對于污水處理裝置性能的影響，最近幾年對養(yǎng)殖池集污效果的研究也逐漸增多。

利用計算流體動力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了3種微孔曝氣管道在矩形池中的污物收集和曝氣性能，查明采用四角式曝氣管進(jìn)行污物收集的最優(yōu)曝氣條件，建立了矩形養(yǎng)殖池的高效集污方案[11]。劉飛等[12]利用CFD模擬方法對不同設(shè)定條件下含斜坡槽體中的水流對顆粒狀污染物的排放情況進(jìn)行定量分析，優(yōu)化了池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)。李源等[13]利用計算流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型，研究了不同結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)下反應(yīng)器液體流場、液體循環(huán)流量、氣含率的變化規(guī)律，查明了導(dǎo)流筒直徑、導(dǎo)流筒高度與反應(yīng)器的內(nèi)徑比的最優(yōu)值。李建平等[14]對旋流分離裝置內(nèi)部的流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，查明了不同入口流量、不同入口濃度對固液分離性能的影響。

2.2? 計算機(jī)視覺技術(shù)引入生物量識別和飼料投喂策略的研究

機(jī)器視覺、圖像識別、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展和在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的研究應(yīng)用，促進(jìn)了智能投喂、生物量識別技術(shù)的快速發(fā)展。有實(shí)驗(yàn)研究中，利用圖像識別計數(shù)養(yǎng)殖池中對蝦存有量，為養(yǎng)殖投喂管理、投喂策略的科學(xué)制定提供了基礎(chǔ)[15]。趙建等[16]利用計算機(jī)在線視覺監(jiān)測技術(shù)來分別實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)魚群局部異常行為的檢測識別，檢測識別準(zhǔn)確率分別可達(dá)98.91%、91.67%和89.89%。另外，有研究提出了一種濾除水面反射對先前結(jié)果影響的方法，基于這些數(shù)據(jù)，確定了基于計算機(jī)視覺的攝食活動指數(shù)（CVFAI），用測量任意給定持續(xù)時間內(nèi)魚的攝食活動[17]。有研究者開發(fā)了一種準(zhǔn)確率很高（準(zhǔn)確率為97.89%）的基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理系統(tǒng)（ANFIS），用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料決策，可基本模擬魚類的實(shí)際食物搜尋行為[18]。

2.3? 共性技術(shù)與設(shè)備研發(fā)帶動循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)提升

在生物凈化技術(shù)方面，對生物反應(yīng)器和生物膜載體填料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高去除氨氮和硝酸鹽氮的效果[19-20]；史明明等[21]對低溫工況下不同啟動方式下流化床生物濾器效果進(jìn)行了比較研究，優(yōu)化了適宜低溫地區(qū)的生物膜掛膜方法；張海耿等[22]提出濾器床層下部是硝化作用發(fā)生的主要部位；于冬冬等[23]研制出了可邊工作邊反沖洗的氣提式砂濾器；李亞峰等[24]比較研究了不同生物濾料污水處理效果，自然掛膜比接種掛膜更有利于生物濾器運(yùn)行穩(wěn)定；侯志偉等[25]開展了水力停留時間（HRT）對固相反硝化處理效果的研究等。

在凈水裝備方面，開展了臭氧、紫外線、電化學(xué)等水體消毒滅菌和凈化技術(shù)的設(shè)備研究。開展了臭氧對細(xì)菌微生物和懸浮顆粒物作用機(jī)理和效果研究，發(fā)現(xiàn)適宜濃度的臭氧不僅能夠很好地控制細(xì)菌，而且可降低水體濁度[26-27]；開發(fā)了臭氧-紫外線反應(yīng)系統(tǒng)，殺菌率達(dá)到97%。從篩縫規(guī)格、安裝角度及水處理量等方面，開展了弧形篩對顆粒物的去除效果研究[28]；研制了多向流重力沉淀裝置，能較高效地去除懸浮顆粒物[29]；紫外線殺菌消毒裝置布設(shè)位置，對養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境及魚類的生長均有影響[30]；臭氧優(yōu)先降低UV254和水色，顯著提高水的可生化性；采用電化學(xué)方式處理廢水，電流密度上升可加快污染物去除；設(shè)計了脫二氧化碳、管式曝氣、葉輪氣浮等裝置，可有效凈化水質(zhì)。

2.4? 建立魚蝦藻貝參等多元化的循環(huán)水養(yǎng)殖模式

如前所述，我國在魚、蝦工廠化養(yǎng)殖方面，已經(jīng)擁有了成熟的規(guī)模化工廠化養(yǎng)殖技術(shù)與裝備體系。此外，在微藻、貝類及刺參等水產(chǎn)品工廠化養(yǎng)殖方面也開展了大量研究和產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐工作，尤其在單胞藻培養(yǎng)、貝類、刺參等育苗方面建立了成熟的工廠化養(yǎng)殖和繁育技術(shù)體系。中科院海洋所研發(fā)了一種封閉式微藻規(guī)模化培養(yǎng)的管道光生物反應(yīng)器，并用于雨生紅球藻的規(guī)?；a(chǎn)，建立成套的紅球藻提取蝦青素生產(chǎn)工藝體系。華東理工大學(xué)采用“異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)”連續(xù)培養(yǎng)工藝實(shí)現(xiàn)小球藻工廠化高密度培養(yǎng)，解決了傳統(tǒng)光自養(yǎng)培養(yǎng)細(xì)胞密度低、生長速率和產(chǎn)率低、藻細(xì)胞采收成本高、產(chǎn)品質(zhì)量難以保障等諸多問題。貝類、刺參等重要水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動物的工廠化育苗技術(shù)發(fā)展成熟，且均具有相當(dāng)規(guī)模。然而，當(dāng)前貝類、刺參等生物的苗種培育仍主要采用換水式的工廠化養(yǎng)殖模式進(jìn)行，設(shè)施化、自動化程度低，在養(yǎng)殖模式上具有很大的提升空間。

3? 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的國際問題分析

3.1? 建設(shè)成本和能耗偏高是循環(huán)水養(yǎng)殖模式存在的主要問題

根據(jù)相關(guān)的研究報道[31-33]，工廠化養(yǎng)殖在能源消耗（電能和燃料）及建造成本方面高于其他傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，是工廠化養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。工廠化養(yǎng)殖通常采用集約化的生產(chǎn)系統(tǒng)，減少了水和土地的使用，然而能耗高的缺點(diǎn)會增加運(yùn)營成本，同時增加使用化石燃料所產(chǎn)生的潛在環(huán)境和能源影響。

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，必須在用水、廢物排放、能源消耗和生產(chǎn)效率之間找到最佳的搭配方案。開展工廠化養(yǎng)殖設(shè)施節(jié)能減排技術(shù)相關(guān)研究，研發(fā)工廠化養(yǎng)殖綠色高效的新技術(shù)、新裝備，將是未來工廠化養(yǎng)殖發(fā)展中需要重點(diǎn)解決的產(chǎn)業(yè)問題。

3.2? 病害問題制約工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式的健康發(fā)展

各種病害問題是影響工廠化養(yǎng)殖健康發(fā)展的重要因素之一。鮭魚傳染性貧血（ISA）是由鮭魚傳染性貧血病毒引起的嚴(yán)重病毒性疾病。受該病影響，智利大西洋鮭魚產(chǎn)量在2009—2010年連續(xù)出現(xiàn)大幅減產(chǎn)。而嗜冷黃桿菌引起的虹鱒魚苗綜合征（RTFS）是全世界鮭魚養(yǎng)殖業(yè)面臨的另一重大疾病問題[34]。這種疾病是由一種克氏桿菌的革蘭氏陰性細(xì)菌引起的。被感染的虹鱒脾臟、肝臟和腎臟會出現(xiàn)壞死，停止進(jìn)食并表現(xiàn)出異常的游泳行為，該疾病對鮭魚苗的致死率很高，每年對鮭魚苗種生產(chǎn)造成巨大損失[35-36]。對蝦工廠化養(yǎng)殖面臨的病害問題比魚類更為嚴(yán)重。常見的對蝦疾病有幾十種之多，如白斑?。╓SD）、黃頭病（YHD）等困擾著工廠化養(yǎng)蝦行業(yè)，成為養(yǎng)蝦產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要障礙[37]。

4? 展望

高效、智能、精準(zhǔn)養(yǎng)殖是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)未來綠色發(fā)展的重要方向，將突破水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器人與智能裝備的研究與研制，與基于養(yǎng)殖生物特性的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相整合，從而構(gòu)建陸基工廠化“無人”智能漁場。隨著水質(zhì)監(jiān)測傳感器國產(chǎn)化、信息數(shù)據(jù)處理智能化和物聯(lián)網(wǎng)平臺的快速發(fā)展，可能實(shí)現(xiàn)將智能化技術(shù)成果應(yīng)用到工廠化養(yǎng)殖模式當(dāng)中[38]。然而必須明確的是，只有在充分研究和明晰養(yǎng)殖對象生理狀況、行為特征及其變化規(guī)律、生長曲線及能量收支規(guī)律、養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中水環(huán)境變化及調(diào)控機(jī)理等的基礎(chǔ)上，才能集成物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集與分析，構(gòu)建養(yǎng)殖對象健康監(jiān)測與評估、養(yǎng)殖過程管理、水質(zhì)監(jiān)控、養(yǎng)殖設(shè)備操控等為一體的養(yǎng)殖專家管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧漁業(yè)的目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）

收稿日期：2023-03-24

作者簡介：蔡青霖（1985—），男，廣西北海人，碩士，從事水產(chǎn)養(yǎng)殖工程學(xué)、養(yǎng)殖水環(huán)境調(diào)控及魚類行為學(xué)研究。E-mail：2743435563@qq.com。