欧洲循环水养殖系统研究进展

《渔业现代化》2011年第38卷第5期53欧洲循环水养殖系统研究进展丁建乐,鲍旭腾,梁澄(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092)摘要:欧洲循环水养殖系统技术随着欧盟和欧洲各国环保法规的加强而不断创新和发展。本文对欧洲正在使用生命周期法对循环水养殖进行环境影响评估的状况,以及欧洲应用独特的循环水养殖系统技术增加了养殖的品种进行了介绍和分析。并着重介绍了欧洲循环水养殖系统新技术的应用及其发展状况,特别阐述了脱硝反应技术、淤泥浓缩技术和臭氧技术等新技术在循环水养殖系统的应用情况。在此基础上,指出了循环水养殖可能面临的新挑战。关键词:循环水养殖系统;生命周期评估法;脱硝反应器;淤泥浓缩;臭氧处理;欧洲水产养殖图分类号:S969.38文献标识码:A文章编号:10079580(2011)055305的换水量约为9000L5。1概述据报道6,欧洲水产孵化生产也正转向使用循环水养殖系统( Recirculating Aquaculture循环水养殖系统。在法罗群岛,2000年以后,大System,RAS)是一种将系统中的水经过处理后重西洋二龄鲑鱼已全部从流水式养殖生产转向循环复使用的养殖系统。系统中的每一步水处理水养殖生产,其养成尺寸也从流水式养殖系统中都是为了在满足养殖系统对废物控制要求的前提的50-70g,增加到循环水养殖系统中的140下减少系统的水交换量。按不同的水交换率分170g。这种转向的原因来自于:(1)预计未来可类养殖系统又可分为流水式( flow through)养殖能存在水源短缺,用水质量会有所降低,以及水的系统(每投喂1kg饲料换水量>50m3)、水再利李节性温差大等因素;(2)用循环系统生产的二用( re-use)养殖系统(每投喂1kg饲料换水量1龄鲑鱼质量更佳(转到海中养殖后生长和存活情况好)切。在挪威,采用循环水养殖系统生产的50m3)和传统型循环水养殖系统(每投喂1kg二龄健鱼预计将达8500尾饲料换水量0.1~1.0m3),以及下一代( next gen目前,采用循环水养殖系统的欧洲国家越来eration))或创新型( Innovative)循环水养殖系统越多。但总体而言,与网箱养殖、流水式养殖或池(每投喂1kg饲料换水量<01m3)2)。塘养殖等养殖方式相比,循环水养殖系统在欧洲欧洲建立起循环水养殖生产技术的国家主要的应用仍显缓慢。循环水养殖方式对养殖生产的是荷兰和丹麦。在荷兰,几乎全封闭的典型的室贡献份额仍只占小部分。原因之一是建设循环水内循环水养殖系统(每投喂1kg饲料每天换水30养殖系统需要高昂的初期资金投入;另一重要原300L)3,主要用于生产淡水品种的非洲鲶鱼因是如何控制系统中鱼类疾病的爆发。和鳗鱼;丹麦则是室外的半封闭式的循环水养殖随着欧洲各国环保法规的愈加严厉,欧盟水系统,主要用于鳟鱼的养成生产,投喂千克饲料的管理法令的颁布实施欧洲循环水养殖系统的研换水量约3900L,是传统鳟鱼养殖换水率的l/发和应用也得到了很好的创新和发展。尽管欧盟134。而在法国,按照丹麦模式循环水养殖系统水管理法令并没有直接涉及水产养殖业的条款建造运行的一个鳟鱼养殖场,投喂千克饲料每天但它对促进环境友好型水产养殖生产系统的发展收稿日期:20110821修回日期:201109-10TH中国煤化工基金项目:国家鲆鳔类产业技术体系( nyhyzx50)作者简介:丁建乐(1963-),男,工程师,主要从事渔业装备信息研究。E-mil: dingjian@CNMHG《渔业现代化》2011年第38卷第5期具有推动作用。欧洲再循环水产养殖系统在技个鳟鱼养殖场将饲料转化率减少30%,结果可导术、环境可持续发展以及生态层面上均有新的进致该养殖场对环境的影响减少几乎20%9。而展。循环水养殖系统能够全年为鱼类提供最佳的环境条件,有利于鱼类福利和饲料转化率的最小化,最2生命周期评估法(LCA)的应用终提高了饲料效率。生命周期评估法( Life Cycle Assessment,根据LCA计算,循环水养殖系统的耗能(每LCA)是设计用于评价一个产品或工艺对环境的产出千克鱼耗电16kW·h,16kW·hkg)比流全球性和区域性影响的一个国际性标准化方水式养殖系统的能耗高出40%~80%。而且,法。将LCA应用于评估水产养殖系统的环境通过在水的气提充氧与水循环的最优化设计之可持续性,已有近10年的历史,主要采用全球性间,在反冲洗与生物过滤器的运作之间,或者在循和区域性两个层次的环境影响指标进行评估。环回路中增添反硝化环节等方面找到一个能耗平用于养殖场的全球性层面环境影响评估指衡点可以进一步减少能耗。在最新的循环水养标,通常有:(1)全球温室效应潜能值(GWP),它殖系统设计中,通过降低系统中各单元之间的高用于衡量二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等气体的排度差,采用更具能效的水泵或用气提泵取代水泵放对全球温室效应的影响;(2)能源使用量(Eu),等,均收到了降低系统能耗的效果。同时,减少鱼它对应于养殖系统中除饲料用能外的所有形式的饲料原料的运输数量和距离都可进一步降低系统能源(煤炭、燃气、核能等);(3)占地表面积的能耗(2。(m2),它代表在养殖生产系统的整个养殖生产过程中所用到的土地表面积;(4)有时还采用净初3欧洲循环水养殖品种日渐增多级产品使用量(NPPU)这一指标,它表示作为生挪威龙虾养殖公司( Norwegian Lobster Farm)物资源的净初级产品的使用情况。而在区域性层面的指标包括:富营养化潜能值(EP),它衡量氮建成的世界上首个欧洲龙虾水产养殖场,是循环和磷等常量营养物对生态系统的环境影响;以及水养殖系统不断扩大养殖品种的一个典型案例。酸化潜势(AP),它用于评估酸化污染物(二氧化挪威龙虾养殖公司在2000年启动了一个龙虾循硫,氨,NH3,亚硝酸盐,二氧化氮,氧化氮,NO环水养殖研发项目,以评估商业化养殖生产市场等)对生态系统的影响。适销大小龙虾(20cm/300g)的潜在可能。在LCA对循环水养殖系统和流水式养殖系统过去的数年间,该公司开发了6种不同的龙虾养所做的比较分析显示,在这两个系统中饲料对所殖技术并比选出一个最优的龙虾养殖技术且在有的环境影响评价指标具有显著影响,鱼的养殖23个国家申请了专利。该技术将甲壳类动物养生产和废物占系统富营养化潜能的50%~60%,殖业从二维空间提升到了三维空间水平。所开发能源消耗主要来自运行系统和生产饲料所需的电的循环水养殖系统的主要水质指标完全达到了龙力能耗。系统运行电力能耗,在循环水系统中占虾养殖的理想水质水温18-22℃,盐度28总能耗的2/3,在流水式系统中占总能耗的1/2。35,氧含量>6mg/L(70%氧饱和度),pH值78饲料生产电力能耗,在循环水系统中占总能耗的82,未电离氨的N含量<14gM/Lm。该公1/3,在流水式系统中占总能耗的1/2。系统其它司挪威建成的第一个商业规模养殖单元目前的年方面对环境的影响<6.5%,其中,系统设备占生产量已达到20t,在近期内将达70t,计划最终4%,基础设施的影响<2%,化学品影响<年产量达120。在如今的欧洲,英国法国和0.2%19德国分别建起了舌齿鲈鲑鱼和海水鱼循环水养由于饲料对水产养殖可持续发展具有显著影殖系统。应用循环水养殖系统进行养殖生产的水数新减耐H中国煤化工鱼和鳟鱼是3CNMHG鲈和拟庸鲽减小水产养殖系统对环境影响的首选方案。如一是3个主要的海水养殖鱼种)。《渔业现代化》2011年第38卷第5期低了10%12)。 USB-MDR的不足之处:初期投资4欧洲循环水养殖系统新技术较高,系统运行需要一定的技术含量,而且总溶解近年来涌现出的诸如脱硝反应、淤泥浓缩技性固体会在系统中积聚。术和臭氧处理等创新技术使循环水养殖系统的用水、废物排放和耗能等又有了进一步减少。而且由于从系统中排放出的废物更为浓稠,更有利于将废物作为肥料进行再利用。这些技术进展无疑增进了循环水养殖的可持续发展。4.1脱硝反应器在循环水养殖系统中的应用荷兰创新开发的上流式沉淀物污泥床脱硝反应器( USB-MDR)是一个圆柱形的厌氧(无游离氧)反应器(图1)。流入脱硝反应器的是循环水污泥排放口系统中的经过固体物去除处理后的废水流,该废水流中含有溶解性的和微粒状的有机物、细菌絮凝物和无机化合物。废水流从反应器的底部中央位置流进反应器,从而形成一个上升流速。该上废水进口升流速被设计成小于主要颗粒废物的沉淀速度,以便在反应器的底部形成一个可沉淀颗粒废物的图1上流式沉淀物污泥床脱硝反应器淤泥床区域Fig. 1 The upflow sludge bed-manure denitrifying在淤泥床中,含碳废物被反硝化细菌所消化reactor结果:(1)产生细菌生物量;(2)硝酸盐转化成氮气而减少,并产生二氧化碳;(3)产生碱;(4)产生4.2淤泥浓缩技术热量。在淤泥床中的颗粒废物还充当了反硝化细带式脱水系统和土工布灌泥袋或管状袋等应菌赖以生长的介质。与传统的RAS相比减少了用于对淤泥进行脱水,可减少废物的排放体积为控制硝酸盐而提供的补充水,减少了硝态氮的而在循环水养殖系统中使用土工布灌泥袋脱水,排放。由于减少了补充水的供应量和 USB-MDR对从系统中排放出的总悬浮固体(TSS)进行脱水反应器中能通过细菌生物量产生热量,以及鼓式提供了一个很好的预处理解决方案。此外,将土过滤器的过滤废物更为浓稠,从而降低了能量消工布灌泥管状袋结合带脱硝反应器的循环水养殖耗。由于 USB-MDR已对颗粒固体做了前期浓缩系统并用聚合物加以辅助对每周从脱硝反应器和消化故可以减小后道水处理设备的尺寸或容中排放的淤泥进行凝聚/絮凝,经过7d的脱水,量减少营养废物(TAN、硝酸盐、有机态氮和有机浓缩后的废物固体颗粒干物质含量可达物质)的排放而系统碱度的增加可使pH值呈适91%。但在法国和意大利的鳟鱼养殖生产于鱼类养殖的中性环境。中,应用聚合物辅助浓缩淤泥试验显示,其成本太荷兰 Zon Aquaculture公司在传统的循环水养高无法确保可持续养殖生产。殖系统中集成了USB-MDR后的运行数据显磷是集约化养殖废水受纳水体的富营养化最示1,废物的排放均有不同程度的减少,氮减少重要的营养物之一。因此养殖废水中的磷含量了81%,coD减少了59%,总需氧量减少了有任何降低,都将增进循环水养殖系统的环境可61%,二氧化碳减少了30%,总溶解固体减少了持续性。而在一个絮凝装置中结合使用明矾/聚58%。在循环水系统中集成了 USB-MDR脱硝反合物,对养殖废水中总悬浮固体(TS9),磷酸盐应器后实际上已无需再添加碳酸氢盐。有USB-(P),总磷中国煤化工和化学需MDR的RAS系统实际生产成本比传统RAS系统氧量(COD)CNMH〔疑聚/絮凝辅助物对养殖废水中TAN,NO3,NO2,和总氮《渔业现代化》2011年第38卷第5期(TN)的去除作用明显,其含量分别平均减少了生物的厌氧消化能产出生物气体。溶解性的水产64%50%、68%和87%。养殖废物还可在藻类塘中进行处理,反过来,产生4.3臭氧处理和紫外线照射的藻类生物质对于特定的水生品种又是一个食物臭氧处理可提升微孔筛网过滤器的性能,并资源。高效藻类塘(HRAP)每天每立方米最多可能将影响水体颜色的可溶性物质的积聚降至最去除生化需氧量(BOD)175g,而一般的废物稳定低。投喂1kg饲料使用13-24g臭氧,可维塘只能去除5~10g"。在法国的一个舌齿鲈循持循环水系统的良好水质和鱼的健康。在结合使环水养殖系统中,结合进了1个HRAP用来进行用紫外线照射的情况下,使用臭氧对循环水进行二级废水处理,以减少系统的营养物排放经处理消毒对灭活细菌尤其有效。研究显示,高剂量的废水可重新用于循环水系统中。在配备和没有的紫外线照射(45-12.7mJ/cm2)后,再配以配备HRAP的循环养殖系统中,鱼的生长情况相中等剂量的臭氧,可以几乎完全灭活淡水循环水同。采用HRAP处理水对循环系统的整体功养殖系统中的全部的异养细菌和大肠杆菌。能作用有限,但循环水系统和HRAP系统的结合但臭氧处理产生的副产品可能是有害的。溴使用能使鱼的存活率更高,而无机氮和磷的浓度酸盐的产生就是其副作用之一,它具有潜在的毒也更低而且除了铬和砷之外,鱼的肌肉和肝脏中性。有研究显示海水循环水养殖系统的臭氧处理的金属积聚减少。产生的一定浓度的溴酸盐有可能损害鱼的健康。应用臭氧处理对鱼产生的后果还应作进一步研6结语究综观现今所有的水产养殖生产系统,循环水5综合性水产养殖系统养殖系统为实现髙生产率、保持最佳环境条件、确保动物福利并将生态影响降至最低提供了可能虽然从严格意义上讲,1个循环水养殖系统性。在欧洲采用循环水养殖系统养成淡水鱼种在最低程度上应该包含1个养鱼池和1套水处理(鳗鱼鲶鱼)和海水品种(大菱鲆舌齿鲈和鳎装置,而有时候1个止水式养殖塘可被当作1个鱼)的例子越来越多而且还采用循环水养殖系单一反应器的循环水养殖系统。在循环水养殖系统生产淡水和海水稚鱼。目前的研究主要是为了统中的各个独立反应器中所维持的所有反应过提高水处理效率(脱硝反应器污泥浓缩技术和程,同样也出现在池塘中:藻类或水生植物的生臭氧处理),从而减少换水率形成几乎封闭的养产,沉淀,硝化作用,反硝化作用,酸化,磷酸盐沉殖系统,而产生的度物量更少、更易处理,并且产淀好氧分解与厌氧分解,鱼类生产,发热或降温生的度物在养殖灌溉综合系统(MA)和多营养层等。最近,将湿地和藻类池塘用作循环水养殖系级综合养殖系统(IMTA)具备再利用价值。虽然统中的水处理单元受到了很多的关注。技术发展有利于促进循环养殖系统的环境可持续湿地主要用于处理经过浓缩后的养殖废水性,但因减少换水率而导致的物质在水中潜在的并被认为是一个低成本且可行的生物处理方法。积累可能会带来新的挑战。对鱼和循环水养殖系也有用湿地直接处理从集约化非洲鲶鱼养殖系统统之间相互影响的深入理解将有助于应对这些挑中排放度水的案例。废水首先需流经一个鲤鱼养战。殖塘,再流入由池塘改成的湿地。在这个池塘参考文献湿地组合系统中,TAN、PO和有机悬浮固体的] ROSENTHAL H, CASTELL J C, CHIBA K,el. Flow-through去除率达到了90%以上,无机氮化合物、总氮and recirculation systems: report of the working group on termi(TN)和总磷(TP)的去除率达65%~80%,NOnology, format, and units of measurement[ R]. European Inland的去除率为38%6。Fisheries Adn. Rome. Fond and agriculture Or-ganization ofl中国煤化工微藻用于废水处理,可对COD、BOD、营养[2]MARTINSACNMH GAMC. e al.物重金属和致病菌的去除提供帮助,而藻类细菌New developments in recirculating aquaculture systems in Eu《渔业现代化》2011年第38卷第5期57A[EB/OL].2010(20100805)[201107-20].hp://ww.cultural Engineering, 2010, 43(3): 83-93aesweb, org/ newsletters/13_02. pdf.[3]MARTINS C M, OCHOLA D, ENDE S S W, et al. Is growth [11] DRENGSTIG A, BERGHEIM A Single cage technology forretardation present in Nile tilapia Oreochromis niloticus culturedgrowing of European lobsters in RAS[ EB/OL]. 2010(201003-23)[2011-07-12].https://www.wasorg/documentsAquaculture,2009,298(12):43-50.Meeting Presentations/AQ2010/AQ2010-_0961. pd[4]JOKUMSEN A, PPEDERSEN E B, DALSGAARD A JT, et al. [12] Eding E, Verdegem M, Martins C, et al. 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This pa-per introduced and analyzed the development status of European recirculating aquaculture system, such as thepplication of Life Cycle Assessment( LCA )method for evaluating the environmental impact of RAS, and theincreasing species diversity of RAS production, etc. The paper also highlighted the application of denitrifyingreaction technology, sludge concentration technology, and ozone treatment technology in RAS. On this basisthe paper pointed out the new challenges with which the recirculating ac中国煤化工edKey words: Life cycle analysis(LCa); denitrifying reactor; sludge coneCNMHGintegratedaquaculture system