赵骏凯，张健东，陈 刚，汤保贵，王忠良，黄建盛

（广东海洋大学水产学院，广东 湛江 524025）

循环水养殖模式可用物理、化学及生物方法高效去除养殖水体中氮素污染物、鱼的代谢废物和饲料残渣，使水质得以净化，实现水循环利用和高密度养殖，养殖效果良好[1-2]。宋协法等[3]使用循环水养殖系统养殖半滑舌鳎(Areliscus semilaevis)，养殖密度达到45 kg/m3。张宇雷等[4]构建超高密度全封闭循环水养殖系统用于吉富罗非鱼 (Oreochromis niloticus) 养殖试验，最高养殖密度可达到 104.2 kg/m3。与流水养殖模式相比，循环水养殖模式可节约水地资源，是节能减排的环境友好型生产模式[5]。杂交石斑鱼[Epinephelus fuscoguttatus(♀)×Epinephelus lanceolatus(♂)] （下称“珍珠龙趸”），是以褐点石斑鱼（俗称老虎斑）为母本、鞍带石斑鱼（俗称龙趸）为父本进行杂交而得。珍珠龙趸有母本抗病能力强、父本生长速度快的优势，营养价值高，肉质鲜美，是目前石斑鱼养殖的主要品种。珍珠龙趸对环境的适应能力较强，可在水温 14 ～35 ℃、盐度1 ～ 55条件下生存，在水温25 ～ 30 ℃和盐度15 ～ 20下可维持较好的摄食状况和生长性能[6-7]。常见的珍珠龙趸养殖模式为高位池及室内水泥池流水养殖，养殖效果良好[8-10]，但高位池、流水养殖会给环境带来生态负面效应。目前，关于珍珠龙趸循环水养殖的效果较佳[11-12]，但未解决循环水系统构建及挂膜启动运作的内容。笔者拟用一套新建的循环水养殖系统开展珍珠龙趸养殖试验，并与室内水泥池流水养殖进行对比，分析循环水系统水处理及养殖效果，为循环水处理系统的构建和养殖运行参数的优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 系统组成及参数设定

试验在湛江市东海岛东方实业有限公司进行。新建的循环水养殖系统工艺流程图见图1，主要由养殖池、微滤机、臭氧-蛋白分离器、生化过滤器、水质在线监控系统构成。系统有6个养殖池，面积25 m2，深1.50 m，实际体积为25 m3，总养殖水体约150 m3，使用罗茨鼓风机通过气石充气，给排水管路设施配备完整；转鼓式微滤机滚筒尺寸800 mm（直径）×1 060 mm，滤网网目孔径75 μm，内置反冲洗系统；臭氧-蛋白质分离器过滤精度20 μm，内置臭氧发生器氧化还原电位为 300 mV；生化过滤器由3个尺寸为1 200 mm（直径）×2 500 mm的罐体并联构成，其滤料为白色 FEB材质短管型颗粒，滤料比表面积 250 m2/m3，滤料密度约 0.93 kg/m3，内部填充滤料总质量163 kg。系统总水流量约50 m3/h，循环率为3 h，日循环8次，日补水率3% ～ 5%。试验期间水温 29 ～ 31 ℃，盐度 28 ～ 31，pH 6.9 ～ 7.4。对照组流水养殖系统有6个养殖池，面积25 m2，深1.50 m，实际体积为25 m3，总养殖水体150 m3，使用罗茨鼓风机通过气石充气，使用经沙滤沉淀精华的自然海水，每日换水率为100%。

图1 水处理流程Fig.1 Water treatment schematic diagram

1.2 试验设计

分为2个阶段：循环系统挂膜期与养殖试验期。本系统使用自然挂膜法，利用低密度（200 尾/池）珍珠龙趸养殖的自然微生物对新建系统进行挂膜30 d。挂膜结束后开始为期60 d珍珠龙趸养殖试验，在循环水系统及流水养殖系统各投放12 000 尾（每个池2 000 尾），平均体质量为（270.5±12）g，起始载鱼量21.64 kg/m3。每日投喂1次（8:00）配合饲料（“珊瑚”牌石斑鱼配合饲料，蛋白质质量分数约 45%），投喂量约为体质量的1%。喂前记录投料量。按照鱼体大小和进食状况调整饲料粒径。每日定时巡池，记录观察鱼群活动、鱼体各部位有无异常。出现死鱼及时捞出，准确计数并详细记录，分析判断死亡原因。

1.3 系统挂膜，水质及珍珠龙趸生长数据的测定及数据分析

在循环水养殖系统挂膜期，观察生化过滤器水位观察玻璃管、罐体内部水色，滤料触感，滤料颜色变化，定期剪取滤料在显微镜下检查。且每 2 d于9:00采集并测定生化过滤器处理前后的水样，以了解挂膜状况。养殖实验期间每2 d于9:00分别采集循环养殖系统中养殖池，以及经微滤机处理、臭氧-蛋白分离器处理及生化过滤器处理的水样，流水养殖系统则取养殖池四角及中央点位的水样，每采样点4个样本，测定如下水质指标并计算平均值。

水质指标：氨氮（NH4+-N）、亚硝酸盐（NO2--N）、硝酸盐（NO3--N）、化学需氧量（COD）、固体粒子（Suspended Solids，SS）（每10 d测1次）、溶氧（Dissolved Oxygen，DO）质量浓度，pH。NH4+-N采用靛酚蓝法，NO2--N采用盐酸萘乙二胺分光光度法，NO3--N采用锌镉还原法，COD采用碱性高锰酸钾法，SS采用重量法，DO采用YSI溶氧仪，pH采用酸碱度测定器。

循环系统各项水质指标去除率计算：

去除率=（养殖池内浓度 - 生化过滤器处理后浓度）/ 养殖池内浓度×100%。

因生化过滤器是水处理流程最后环节，其出水的水质指标代表系统处理后的水质指标。

每10 d记录1次生长状况，用G&G电子秤（精度为0.01 g）每池随机测量10尾鱼的体质量，结果以平均值±标准差表示。

存活率：ç= (N0-N死亡) /N0× 100%，

增重率：RWRG= (mf-m0) /m0× 100%，

特定生长率：RSRG= (lnmf- lnmi) /t×100%，

饲料系数：F=G/m，

式中：N0为初始鱼数量；N死亡为试验期间鱼死亡数；m0、mf分别为初始与终末体质量，g；t为试验时间（d）；G为总投饵量，g；m为总增加体质量，g。

数据统计分析与作图用Excel 2010 和SPSS17软件进行。

2 结果与分析

2.1 循环养殖系统生化过滤器挂膜效果

在挂膜期的1 ～ 7 d，水位观察管、水色并无明显变化，滤料颜色变化不大，其表面有些许黏滑物质；挂膜7 ～ 22 d，水位观察管壁覆盖有黄褐色薄膜物质，水色呈微黄色，滤料呈微黄色，黏滑物质触感明显，镜检发现，滤料表面有丝状和球状等菌胶团；挂膜22 ～ 27 d，水位观察管壁膜状物质明显加厚，呈褐黄色，水色呈微褐黄色；滤料呈微褐黄色，黏滑物质触感明显，镜检发现，滤料表面有较厚的丝状和球状等菌胶团，并有纤毛虫和管状虫。

挂膜期生化过滤器出水的氨氮以及亚硝酸盐浓度变化如图2。在挂膜期的前半段，出水的氨氮浓度逐渐上升，前5 d低于0.02 mg/L，15 d时达0.149 mg/L，随后逐渐下降，23 d后维持在0.05 mg/L以下。出水的亚硝酸盐逐渐累积，在挂膜的后半期基本维持在0.04 mg/L以上。

图2 挂膜期间生化过滤器出水氨氮与亚硝浓度变化Fig.2 NH4+-N and NO2--N concentration changes of the effluent of biofilter in formation period

2.2 试验期间循环水养殖系统水质变化

2.2.1 微滤机与蛋白质分离器的水处理效果 由表1可知，微滤机对于COD与SS均有显著的处理效果 (P＜0.05)，经微滤机处理后，水中 COD与SS分别维持在（4.19±0.24）mg/L和（41.04±2.20）mg/L。而从图3和图4可见，微滤机在实验期间可持续处理COD和SS。

表1可知，安装在微滤机之后的臭氧-蛋白质分离器对于 COD与 SS均有显著的处理效果（P＜0.05），处理后水中COD与SS分别维持在（3.59±0.26）mg/L和（18.04±1.36）mg/L。从图3、4可见，臭氧-蛋白质分离器可进一步净化微滤机处理后的废水，去除COD和SS。循环水养殖系统中，微滤机与臭氧-蛋白质分离器可稳定、高效地去除COD和SS，对COD去除率为39.92%，对SS的去除率为80.61%。

表1 循环水养殖系统水质Table 1 Statistics of water quality of RAS mg/L

图3 各装置COD浓度Fig.3 COD concentration changes of water treatment units

图4 各装置SS浓度Fig.4 SS concentration changes of water treatment units

2.2.2 生化过滤器的水处理效果 由表1可知，生化过滤器对氨氮有显著处理效果 (P＜0.05)，出水氨氮质量浓度为（0.09±0.03）mg/L。生化过滤器氨氮的去除率达72.72%。由图5可知，生化过滤器出水氨氮浓度的曲线在1 ～ 15 d时出现较大波动，后期维持在较低浓度水平。

由表1可知，生化过滤器对亚硝酸盐有显著处理效果（P＜0.05），出水亚硝质量浓度为（0.09±0.03）mg/L，对亚硝酸盐去除率达49.51%。由图6可知，在养殖期前半段，生化过滤器出水亚硝酸盐浓度波动幅度较大，后期渐趋稳定，并维持在较低水平。

循环水养殖系统中，生化过滤器对氨氮和亚硝酸盐的去除能力较佳，氨氮去除率为65.93%，亚硝去除率为48.51%。

图5 生化过滤器进出水NH4+-N浓度及去除率的变化Fig.5 Ammonia-nitrogen concentration and removal rate changes in influent and effluent of bio-filter

图6 生化过滤器进出水NO2--N浓度及去除率的变化Fig.6 Nitrite-nitrogen concentration and removal rate changes in influent and effluent of bio-filter

循环水养殖系统中，生化过滤器进出水的硝酸盐浓度可评估生化过滤器内部硝化细菌群落的硝化反应效果。由表1可知，系统生化过滤器出水硝酸盐浓度显著高于进水浓度，系统生化过滤器进出水的亚硝酸盐浓度变化如图7，系统内NO3--N在前15 d上升缓慢，随后上升幅度提升，出水硝酸盐浓度上升的速度加快，系统内硝酸盐出现累积。硝酸盐浓度的变化与氨氮与亚硝酸盐浓度变化基本一致。

图7 生化过滤器进出水NO3--N浓度Fig.7 NO3--N concentration changes in effluent of biofilter

2.2.3 循环水养殖系统溶氧水平 循环水养殖系统中，溶解氧浓度关键的指标，影响鱼的生长，以及系统的运作。表2可见，系统运行期间各装置平均溶氧质量浓度保持在5 mg/L以上，满足珍珠龙趸生长及系统正常运转的需求。

表2 各装置DO浓度Table 2 DO of water treatment units

2.3 循环水养殖与流水养殖水质状况对比

由表3可知，试验期间，循环水养殖池中氨氮浓度显著低于流水养殖池（P＜0.05），流水养殖池中亚硝酸盐浓度显著低于循环水养殖池（P＜0.05），化学需氧量浓度相似，而循环水养殖池中 SS浓度显著低于流水养殖池（P＜0.05）。从图8可知，循环水养殖池氨氮浓度基本维持在0.4 mg/L以下，而流水养殖池的氨氮浓度水平则更高。其中在18、30、50 d时采取了较大量的排水换水，因此流水养殖池的氨氮浓度大幅度下降。从图9可知，流水养殖池的亚硝酸盐浓度始终处于较低水平，而循环水养殖池中亚硝酸盐浓度在试验前期波动幅度较大，在试验后期浓度水平则相对较低。

从图10可知，循环养殖池中SS浓度稳定在较低水平，流水养殖池中 SS浓度水平更高，且如上述所言，在实验期间流水养殖池有3次大量的排水换水，从而降低了各个水质指标的浓度。

表3 循环水养殖池与流水养殖池水质浓度对比Table 3 Comparison of water quality in tanks between RAS and flow culture mg/L

图8 循环水养殖池与流水养殖池NH4+-N浓度对比Fig.8 Comparison of NH4+-N in tanks between RAS and

图9 循环水养殖池与流水养殖池NO2--N浓度对比Fig.9 Comparison of NO2--N in tanks between RAS and flow culture

图10 循环水养殖池与流水养殖池SS浓度Fig.10 SS in tanks of RAS and flow culture

2.4 循环水养殖与流水养殖珍珠龙趸生长对比

由表4可知，循环水养殖珍珠龙趸的存活率、特定生长率、增重率及饲料系数均优于流水养殖模式。由图11可知，在试验过程中，循环水养殖的珍珠龙趸体质量均高于流水养殖，养殖试验结束时，循环水养殖珍珠龙趸体质量达 (491.7±16)g，显著高于流水养殖的 (446.4±19)g（P＜0.05） 。

表4 珍珠龙趸的生长状况Table 4 Comparison of growth and survival of hybrid grouper between RAS and flow culture

图11 试验期间循环养殖与流水养殖珍珠龙趸体质量比较Fig.11 Comparison of fish weight between RAS and flow culture in every period

3 讨论

3.1 循环养殖系统挂膜与水处理效果

循环水养殖系统的核心是生化过滤器，细菌在过滤器内部滤料表面聚集成膜，通过菌膜中细菌生长代谢净化系统的养殖废水，挂膜是使生化过滤器实现良好水处理效果的关键环节[13]。本研究的自然挂膜法有如下优点：1）挂膜微生物充足；2）低密度养殖带来的有机物浓度适宜；3）挂膜期与养殖期物种均为珍珠龙趸，生物膜稳定性更高[14-15]。通过对生化过滤器的表观观察，在挂膜中后期可明显从水色和滤料颜色以及镜检观察生物膜厚度等，了解生化过滤器滤料表面生物膜逐渐成熟[14]。生化过滤器出水的氨氮浓度在挂膜中期达到最高值之后逐渐下降，而亚硝酸盐浓度在挂膜中期上升后增加逐渐放缓，在挂膜后期稳定在一定水平，说明生化过滤器菌膜中氨氧化细菌群落和硝化细菌群落先后繁殖演替，可发挥对氨氮、亚硝酸盐去除作用[16]。

在循环水养殖模式中，对氨氮与亚硝酸盐的处理能力是衡量系统水处理能力的关键。傅雪军等[17]构建了一套12个养殖池，总有效养殖体积为240 m3的循环水养殖系统进行半滑舌鳎（Cynoglossus semilaevisGünther）养殖试验，每池投放2 200尾，试验期间氨氮与亚硝酸盐去除率分别为 58.13%、19.47%。Pedersen等[18]构建一套虹鳟（Oncorhynchus mykiss）循环水养殖系统，其氨氮去除率维持在50%～ 60%。宋协法等[19]构建用不同填料进行生物处理的循环水系统，其平均氨氮去除率为 53.2%。Li等[20]用稻田生态循环水养殖系统养殖草鱼（Ctenopharyngodon idellus），其氨氮与亚硝酸盐去除率分别为40.5%、43.5%。本研究中，生化过滤器在养殖试验期间水处理能力较佳，系统的氨氮为（0.095±0.03）mg/L，亚硝酸盐为（0.092±0.034）mg/L，去除率分别达 65.93%、48.51%，与前人结果相比有一定优势。系统出水的氨氮与亚硝酸盐浓度在养殖试验前中期波动较大，中后期趋于稳定，处理能力逐渐提升。良好的氨氮处理能力对于循环水养殖模式极为重要，可避免系统氨氮累积对养殖对象的影响[21-23]。亚硝酸盐处理能力亦较重要，可避免高浓度亚硝酸盐对鱼类血液机能的伤害[24]。

本研究中，系统的生化过滤器在挂膜后期出水氨氮和亚硝酸盐浓度分别维持在 0.05、0.04 mg/L以下，在进入放养密度和养殖负荷更大的循环养殖期，其出水的氨氮和亚硝酸盐质量浓度均维持在低于0.1 mg/L水平，说明生化过滤器经挂膜期及养殖试验期后，氨氮及亚硝酸盐去除能力较佳。循环水养殖系统生化过滤器对氮素污染物的处理，主要依靠滤料菌膜中的硝化细菌生长代谢对于氮素物质的消耗及转换，主要途径为氨氮转化为亚硝酸盐，以及亚硝酸盐转化为硝酸盐[25]。本研究的养殖实验期间，生化过滤器进出水的氨氮与亚硝酸盐浓度相继降低并维持在较低水平，而硝酸盐浓度则持续累积上升，表明在硝化细菌作用下，氨氮转化为亚硝酸盐进而转化为硝酸盐。系统中硝酸盐浓度虽呈升高趋势，但浓度尚属于较低水平，低毒性的硝酸盐不会对养殖鱼类造成毒害作用[26-27]。在实际养殖中硝酸盐浓度过高，则会导致pH值过低，对养殖物种有害，应对措施常为投放额外碳源以调整水体碳氮比，通过反硝化作用去除硝酸盐，以及投放碱或水质制剂将pH值控制在适宜范围[28]。

傅雪军等[16]在循环水系统中进行半滑舌鳎养殖试验，COD和SS去除率分别为25.36%、30.30%。郭浩等[29]在循环水养殖系统中进行鲟鱼（Acipenser sinensis）和虹鳟阶梯式养殖，COD去除率为39.8%。Johnson等[30]构建垂直流动式水处理装置的循环水系统，SS去除率高达 82%。本研究中，循环水系统出水COD为 (3.39±0.23) mg/L，去除率39.92%；出水SS为 (18.28±6.22) mg/L，去除率80.61%，与前人结果基本相符。高浓度 COD会消耗水体溶氧，败坏水质，影响鱼的生理生长；而 SS来源主要为残饵和粪便，亦会污染水质，影响养殖效果。本研究中，去除COD与SS的装置主要为微滤机与臭氧-蛋白质分离器，生化过滤器对二指标并未去除，可能因为经过微滤机与蛋白质分离器处理后COD与SS的水平较低，未使生化过滤器发挥功效，同时生化过滤器滤料菌膜老化和菌体脱落也成为COD和SS的部分来源。

溶解氧浓度是水产养殖的关键指标，较高浓度的DO可降低氨氮与亚硝酸氮的毒性，还可提高养殖系统的氧气利用率，提高养殖效益[22,31]。本研究采用增氧机和均匀悬挂的气石供氧，在较高的养殖密度下，DO质量浓度维持在5.2 mg/L以上，可确保养殖鱼的健康生长。如系统继续增加养殖负荷，可采用充纯氧来进一步提高DO浓度。

3.2 循环养殖系统与流水养殖系统的比较

流水养殖是目前养殖效果较佳的养殖方式，为评价循环水养殖效果，本研究在相同养殖负荷下开展流水养殖对照试验。流水养殖池的氨氮及 SS浓度显著高于循环水养殖池。这是因为同为 24 h换水，循环水系统总水流速度达到50 m3/h，日循环次数达到8次，而流水养殖池水更替率为1次，速度相对较缓慢，未能及时排出污染物质，造成氨氮及SS的累积。

对比两种模式下珍珠龙趸的养殖效果，循环水模式养殖珍珠龙趸的增重率、特定生长率以及饲料系数均优于流水养殖模式。本研究中，珍珠龙趸放养密度较高，对水质的要求更为严格，而循环水养殖系统水处理模块良好的水处理效果可为鱼的生长提供稳定优质的水质环境。本研究中，在换水率较高的条件下，流水养殖模式亦有良好的养殖效果，但流水养殖需大量的换水、排水，既造成水资源的浪费，也会污染周边环境，不利于水产养殖的可持续发展[28,32]。

综上，本试验期间，循环水养殖系统各个装置运行良好，系统水处理效果稳定，珍珠龙趸养殖效果良好，与流水养殖相比，在水质环境与养殖效果上均有一定优势。使用循环水养殖模式，提高管理水平，灵活调整喂养和养殖策略，充分发挥养殖和环保方面的可持续发展优势，有广阔的发展前景和推广价值。