工廠化水產養殖中的水處理技術
工廠化水產養殖是應用工程技術、水處理技術和高密度水產養殖技術進行漁業工業化生產的技術模式。隨著水產養殖業向現代化水平的發展，工廠化水產養殖技術作為我國水產養殖業現代化的支撐技術，受到科學研究者和漁業生產部門的高度重視，在相關的養殖工藝、水質控制、凈化處理等方面進行了深入研究，取得了較大進展，有些技術已經在生產中獲得應用。其中養殖水體的處理技術，作為工廠化養殖技術的關鍵技術之一，隨著研究的不斷深入，獲得較快發展，形成了機械、化學、生物和綜合處理等多項技術，為工廠化水產養殖的進一步發展奠定了基礎。 工廠化水產養殖水體的處理主要包括幾個方面，即：增氧、分離（分離固體物和懸浮物）、生物過濾（降低BOD、氨氮和亞硝酸鹽）和暴氣（去除二氧化碳等）、消毒、脫氮等處理過程，其中懸浮物和氨氮去除是需要解決的主要技術難點。 本文根據近年的研究進展和國內外研究資料，對養殖水處理技術及其應用進行了總結和歸納，為工廠化養殖的設計和管理提供必要的技術資料，并期望在此基礎上，進一步研究先進技術和處理方法、開發出相關的高效養殖工程設施和設備。
一、增氧技術
養殖水體的溶解氧是養殖魚類賴以生存和處理設備中的微生物生長的必備條件。在工廠化養殖系統中，魚類正常生長的溶解氧應該達到飽和溶解度的60%，或者在5mg/l以上；溶解氧低于2mg/l，用于工廠化養殖水體處理的硝化細菌就失去硝化氨氮的作用。一般情況下，工廠化養殖系統溶解氧消耗主要來自養殖魚類代謝、代謝物的分解、微生物氨氮處理等，系統所需溶解氧根據所養魚類的不同而有所變化，并隨著養殖密度和投餌的增加而增加。因此，在工廠化水產養殖的工藝設計中，要根據養殖對象、養殖密度、水體循環量等因素來確定增氧方式。
1、空氣增氧
由于各種增氧機械設備在工廠化養殖池很難應用，因此，空氣增氧多采用風機加充氣器的辦法，以小氣泡的形式增氧。這種辦法雖然具有使用方便、投資小的特點，但是增氧效率低，一般在1.3kg O2/kW-h(20℃溫度），28 ℃時僅為0.455kg O2/kW-h, 養殖密度也只能達到30-40kg/m3。研究工廠化養殖的增氧專用設備，是降低成本，提高效率的重要途徑。
2、純氧增氧
純氧根據選擇的方便性可分為氧氣瓶純氧，液體氧罐和純氧發生器三種。無論采用那種純氧增氧，象空氣增氧中利用充氣器的辦法都是非常浪費的，最高只有40%的純氧可以利用，其余沒有溶解的氧氣逸出水面而浪費。因此，必須有專門的設備充分利用氧氣。
3 、微氣泡增氧
在利用空氣和氧氣增氧的研究中，為了提高增氧效率和氧氣的利用率，各項研究集中在產生微氣泡的技術上，有些學者研究了氧氣氣泡在水中的形成與溶解變化過程，以確定適宜氧氣氣泡大小。日本東京大學研究了利用超聲波擊碎小氣泡的辦法，可產生平均直徑小于20μm的微氣泡，增加了增氧處理的效率 。
二、 懸浮物及其處理技術
工廠化水產養殖中的懸浮物主要由于餌料的投喂而引起。在一次性過流高密度養殖水體試驗中，根據餌料投喂量的不同，其含量在5～50mg/l左右。在飼料系數0.9～1.0情況下,魚體每增重1kg就會產生150～200g懸浮物。因此，作為循環使用的養殖水體，懸浮物在水中的積累是非常迅速的。 養殖水體中魚類的固體排泄物，在正常代謝的情況下，以懸浮物的形式存在于水體中。在流動的養殖水體中，懸浮物大部分以小于30μm的顆粒存在于水中。懸浮物的比重略大于水，顆粒小、流動性好、有一定的黏附性，在有水流的條件下呈懸浮狀態。從養殖水體中去除30μm以下的懸浮物，一直是工廠化水產養殖設計研究的重要方向。 養殖水體中的懸浮物的積累，使水體渾濁，影響養殖魚類鰓體的過濾和皮膚的呼吸, 增加魚類環境脅迫壓力，惡化水質、消耗水中的溶解氧。工廠化水產養殖過程中及時清除養殖水體中的懸浮物是非常必要的。
1、固定式濾床
固定過濾床一般由粗濾、中濾和細濾三層濾料組成。根據其工作水流的不同可分為噴水式濾床(Trickling filter)和壓力式濾床(Pressed filter),是比較普遍的過濾方式。固定式濾床可根據需要調整濾料的粒度和過濾層的厚度，過濾不同大小的懸浮顆，達到理想的過濾效果。其應用難度在于設備龐大、效率低、長時間運轉容易堵塞，反沖困難。
2、濾網過濾
濾網過濾是用細篩網進行懸浮物的過濾，主要有平盤濾網過濾和轉鼓濾網過濾。其中轉鼓濾網過濾在不斷過濾的同時進行反沖洗，過濾效率高、效果好，應用普遍。濾網的網目一般約為30～100μm，可過濾36～67%的懸浮物，網目越小過濾越徹底，但是網目小于60μm就會影響過水性能。為了改善其過濾性能，增加過濾面積，防止堵塞，減少尺寸和反沖用水是進一步研究的重點。
3、浮式濾床
浮式濾床應用比水比重小的塑料球作為過濾介質，在過濾過程中懸浮于水中形成過濾層。塑料浮球具有表面積大、吸附性強、過水阻力小的特點，形成過濾層可有效過濾懸浮物。浮球直徑為3 mm 左右濾床，可過濾100%的30 μm以上 79% 的30 μm以下的懸浮物顆粒，獲得很好過濾效果。由于養殖水體中的懸浮物具有結塊的特性，為了防止反沖時堵塞和較好的過流量，浮球生物濾器需要頻繁的反沖，增加了用水量和應用成本。為了改善其應用效果，必須進一步研究防止堵塞的結構和方法。
4、自然沉淀處理
自然沉淀技術是應用魚池特殊結構或沉淀池，使懸浮物沉淀、集聚并不斷排出。設計良好的沉淀池可去除59%～90%懸浮物,其中設計的關鍵是確定懸浮物的沉降流速。有資料表明，應用自然沉淀處理，過流流速應低于4 m/min，適宜流速為1 m/min；單位面積的流量為1.0–2.7 m3 /m2 h 。自然沉淀雖然具有較好的效果，但是限制了水體循環的流量，從而使結構龐大，增加了成本。
5、氣泡浮選處理
氣泡浮選處理的原理是通過氣泡發生器持續不斷的在水中釋放氣泡，使氣泡形成象篩網一樣的過濾屏幕，并利用氣泡表面的張力吸附水中的懸浮物。產生微小氣泡（直徑為10 ～100 μm ），使氣泡均勻持續與水體有效混合,可有效去除水產養殖水體中的懸浮物。氣泡越小，效率越高。因此，研究產生微小氣泡的發生裝置，是該項技術應用的關鍵。
三、養殖水體中的氨氮及其處理技術
工廠化養殖水體中的氨氮主要是由于養殖魚類的代謝、殘餌和有機物的分解而引起。一次性過流試驗表明，高密度流水養殖排水中的氨氮濃度一般為1.4 mg/l 左右。投喂的飼料中，大約有40%飼料蛋白的氮被鮭鱒魚類轉化成氨氮（NH3 + NH4+），在餌料系數為1.0的情況下，鮭鱒魚類每增長1kg就會產生33g N 。如不進行處理，氨氮在循環養殖水體中的積累呈快速直線上升的趨勢。
養殖魚類排泄的氨氮中，大約只有7–32%的總氮是包含在懸浮物中，大部分溶解于養殖水體中，分別以離子銨NH4+和非離子氨NH3的形式存在，并且隨著pH值和溫度的變化而相互轉化。研究物理、化學和生物的氨氮處理先進技術和有效方法，是工廠化水產養殖的重要課題。
氨氮在養殖水體中的積累會對魚類產生毒性作用，其中非離子氨對魚類毒性作用很大。工廠化養殖水體的氨氮總量一般不應超過1mg/l ，非離子氨不應超過0.05mg/l。由于離子銨NH4+和非離子氨NH3在不同pH值和溫度條件下相互轉換，因此在控制養殖水體氨氮積累的同時，應注意根據溫度的變化調節pH值，從而使非離子氨保持在較低水平。
1、空氣吹脫
空氣吹脫的原理是應用氣液相平衡和介質傳遞亨利定律，在大量充氣的條件下，減少了可溶氣體的分壓，溶解于水體中的氨NH3穿過界面，向空中轉移，達到去除氨氮的目的。空氣吹脫的效率直接受到pH值的影響，在高pH值的條件下，氨氮大部分以非離子氨的形式存在，形成溶于水的氨氣： HH4+ + OH- NH4OH H2O + NH3↑ 在pH值為11.5時，水氣體積比為1：107的條件下，空氣吹脫可去除95%的氨氮，在正常養殖水體也可獲得一定的效果。 空氣吹脫應用的關鍵是pH值的調整，使處理過程既能提高處理的效率，又能適應養殖魚類對水體pH值的要求。同時空氣吹脫需要空氣的流量大，養殖水體水溫易受影響。
2、離子交換吸附
離子交換吸附是應用氟石或交換樹脂對水體中的氨氮進行交換和吸附。氟石的吸附能力約為1mg/g，設計適宜可吸附95%的氨氮，在達到吸附容量后，可用10%的鹽水噴林24小時進行再生，重復使用。在工廠化養殖中應用氟石有較好的效果，但其再生操作煩瑣、時間長。有些研究利用氟石作為生物處理的介質，在氟石上接種硝化細菌，達到提高生物處理效率的目的。
3、生物處理
生物處理是利用硝化細菌、亞硝化細菌和反硝化細菌對水中的氨氮進行轉化和去除。亞硝化細菌 (Nitrosomonas europaea and Nitrosococcus mobilis)把氨氮轉化為亞硝酸鹽、硝化細菌(Nitrobacter winogradski and Genus Nitrospira)把亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。如果進行徹底脫氮處理，可利用反硝化細菌進行處理。由于反硝化過程是在厭氧條件下（溶解氧低于1mg/l）進行，應用于水產養殖有一定的困難。研究表明，硝酸鹽對魚類的影響很小，一些養殖魚類可抵抗大于 200 mg/l濃度的硝酸鹽。因此，水產養殖水體的處理，很少應用反硝化過程。 生物處理具有投資少，效率高的特點，受到廣泛的關注和應用。有資料顯示，應用硝化和亞硝化細菌附著浮球進行氨氮處理，氨氮的轉化率為380g /（m3·day），餌料負荷能力為32kg/（m3·day）。 但是，硝化細菌的最佳生長溫度在30℃以上，溫度降低其活性降低，處理能力下降，低于15℃已經很難利用。有些研究涉及了低溫下優勢細菌的馴化、培養和利用技術，獲得低溫下生物處理的良好效果，是水產養殖水體處理的重要研究方向。
4、臭氧氧化處理
臭氧作為消毒和去除懸浮物在水產養殖上獲得廣泛應用，其也有一定的氨氮氧化效果。研究表明臭氧的直接氧化可去除水體中氨氮的25.8%，在加入催化劑的條件下，可大幅度提高其氧化效率。臭氧氧化氨氮的方法在水產養殖上還沒有深入研究，利用催化方法提高臭氧氧化氨氮的效率，應用于養殖水體的處理，可為水產養殖的氨氮處理開辟新途徑。
5、電滲析處理
電滲析處理的原理是水體在電場的兩極流動時，水中的帶電離子在直流電場的作用下定向移動，陰離子透過陰膜進入陰離子集水槽，陽離子通過陽膜進入陽離子集水槽，從而可把水體中的離子氨去除。由于氨氮在pH值為7的中性條件下，非離子氨僅為氨氮總量的0.55%，99% 以上是離子氨，所以電滲析處理可獲得好的處理效果。 電滲析處理具有分離效率高、裝置緊湊、自動化容易的特點，已經廣泛地應用于化工、食品、冶金和航天領域的水處理工程。結合工廠化水產養殖的實際，研究可用于養殖水體處理的電滲析設備，應是工廠化水產養殖水處理技術研究的新領域。
四、有害氣體處理
工廠化養殖水體中的有害氣體主要是魚類代謝呼吸產生的二氧化碳氣體，以微氣泡的形式存在于水中。水中的二氧化碳對魚類健康非常有害，二氧化碳氣體含量超過20mg/l時，養殖魚類就會產生氣體壓力反應，表現為向水面或增氧設備集中，攝飼明顯減少。 在一定條件下二氧化碳氣體可與水結合進行可逆反應形成碳酸。碳酸是弱酸，也會降低養殖水體的pH值，從而影響水質。碳酸極不穩定，在空氣中很容易分解為水與二氧化碳。因此，采取措施使養殖水體充分與空氣接觸，就可及時去除養殖水體中的二氧化碳氣體。
1、機械設備去除
利用增氧機或暴氣設備，在養殖水體中形成上下交換的水流，使水體充分與大氣接觸，達到分解碳酸，去除二氧化碳的目的。
2、水力設計去除
在設計過程中，回水管和回水槽間留有一定高度的落差，使水流在回水過程中充分暴露在大氣中，分解碳酸，去除二氧化碳。
3、充氣去除
在水流通過的水道上設置微氣泡釋放裝置，利用氣泡相互積累的特性，使散布于水中的二氧化碳與釋放的氣泡結合，由氣泡把二氧化碳帶上水面，達到去除的目的。
五、消毒殺菌
工廠化水產養殖由于養殖密度高、餌料負載量大，魚類的代謝在水體中富集了大量營養物資，為細菌的繁殖和生長提供了很好的環境條件，如不及時殺菌消毒，很容易發生疾病，在高密度養殖條件下，發生疾病，很快就會蔓延，對養殖生產造成災難性的后果。因此，在系統設計中設置有效的滅菌消毒設備是十分必要的。消毒殺菌主要有臭氧殺菌消毒和紫外線殺菌消毒。
1、臭氧殺菌消毒
臭氧是一種極不穩定的強氧化劑，在一定濃度下可破壞細菌、病毒和寄生蟲的細胞膜，殺死病原。有資料表明，根據不同需要，養殖水體中含有0.1-0.2mg/l的臭氧，持續1-30分鐘就可以達到殺菌消毒的理想效果。臭氧還具有沉淀懸浮物和氧化氨氮的作用，如果能提高其綜合利用效率，臭氧將會在工廠化水產養殖中得到廣泛的應用。
2、紫外線殺菌消毒
研究表明，一定波長的紫外線（180-300nm）具有很好的滅菌消毒效果。一般養殖水體中消毒的強度為15,000-30,000 μ w sec./cm2,在紫外線強度為 30 000μW/cm 時 ,紫外輻射消毒對幾種常見魚病具有良好的防治效果 ,如100 %殺滅對蝦白斑病需 2.67 s;鯉科魚類的水霉病和病毒性出血性敗血癥都只需 1.60 s。有些研究進行了紫外線臭氧發生器的試驗，在紫外線消毒殺菌的同時，產生一定濃度的臭氧，進行消毒和氨氮的氧化，達到了綜合利用目的。 工廠化水產養殖水處理技術的開發是利用物理、化學和生物有關理論進行應用技術研究的過程，是一個由理論— 方法 — 技術 —工藝—設備的過程，是理論研究和生產實際結合的總結。實際研究和設計中，應更加注重多項技術的集成應用研究和一項技術的綜合利用研究。在設計循環水工廠化水產養殖中，就要集成各種處理技術為一體，形成有效的綜合處理工藝；有關臭氧氧化氨氮的研究，就是在其具有消毒、沉淀懸浮物功能的基礎上增加應用范圍和利用效率研究；各種慮床接種或掛膜硝化細菌的研究，可使濾床在具有懸浮物過濾的基礎上具有較好的氨氮硝化能力；氣泡浮選處理技術的研究，使處理過程具有增氧、懸浮物分離和去除氨氮、有機物的功效。進行這些研究的宗旨，就是為了提高處理效率、降低成本、擴大使用范圍，為工廠化水產養殖提供高效、廉價、操作和使用方便、自動化程度高的工藝、設施和設備。