工厂化水产养殖中的水处理技术
工厂化水产养殖是应用工程技术、水处理技术和高密度水产养殖技术进行渔业工业化生产的技术模式。随着水产养殖业向现代化水平的发展，工厂化水产养殖技术作为我国水产养殖业现代化的支撑技术，受到科学研究者和渔业生产部门的高度重视，在相关的养殖工艺、水质控制、净化处理等方面进行了深入研究，取得了较大进展，有些技术已经在生产中获得应用。其中养殖水体的处理技术，作为工厂化养殖技术的关键技术之一，随着研究的不断深入，获得较快发展，形成了机械、化学、生物和综合处理等多项技术，为工厂化水产养殖的进一步发展奠定了基础。 工厂化水产养殖水体的处理主要包括几个方面，即：增氧、分离（分离固体物和悬浮物）、生物过滤（降低BOD、氨氮和亚硝酸盐）和暴气（去除二氧化碳等）、消毒、脱氮等处理过程，其中悬浮物和氨氮去除是需要解决的主要技术难点。 本文根据近年的研究进展和国内外研究资料，对养殖水处理技术及其应用进行了总结和归纳，为工厂化养殖的设计和管理提供必要的技术资料，并期望在此基础上，进一步研究先进技术和处理方法、开发出相关的高效养殖工程设施和设备。
一、增氧技术
养殖水体的溶解氧是养殖鱼类赖以生存和处理设备中的微生物生长的必备条件。在工厂化养殖系统中，鱼类正常生长的溶解氧应该达到饱和溶解度的60%，或者在5mg/l以上；溶解氧低于2mg/l，用于工厂化养殖水体处理的硝化细菌就失去硝化氨氮的作用。一般情况下，工厂化养殖系统溶解氧消耗主要来自养殖鱼类代谢、代谢物的分解、微生物氨氮处理等，系统所需溶解氧根据所养鱼类的不同而有所变化，并随着养殖密度和投饵的增加而增加。因此，在工厂化水产养殖的工艺设计中，要根据养殖对象、养殖密度、水体循环量等因素来确定增氧方式。
1、空气增氧
由于各种增氧机械设备在工厂化养殖池很难应用，因此，空气增氧多采用风机加充气器的办法，以小气泡的形式增氧。这种办法虽然具有使用方便、投资小的特点，但是增氧效率低，一般在1.3kg O2/kW-h(20℃温度），28 ℃时仅为0.455kg O2/kW-h, 养殖密度也只能达到30-40kg/m3。研究工厂化养殖的增氧专用设备，是降低成本，提高效率的重要途径。
2、纯氧增氧
纯氧根据选择的方便性可分为氧气瓶纯氧，液体氧罐和纯氧发生器三种。无论采用那种纯氧增氧，象空气增氧中利用充气器的办法都是非常浪费的，最高只有40%的纯氧可以利用，其余没有溶解的氧气逸出水面而浪费。因此，必须有专门的设备充分利用氧气。
3 、微气泡增氧
在利用空气和氧气增氧的研究中，为了提高增氧效率和氧气的利用率，各项研究集中在产生微气泡的技术上，有些学者研究了氧气气泡在水中的形成与溶解变化过程，以确定适宜氧气气泡大小。日本东京大学研究了利用超声波击碎小气泡的办法，可产生平均直径小于20μm的微气泡，增加了增氧处理的效率 。
二、 悬浮物及其处理技术
工厂化水产养殖中的悬浮物主要由于饵料的投喂而引起。在一次性过流高密度养殖水体试验中，根据饵料投喂量的不同，其含量在5～50mg/l左右。在饲料系数0.9～1.0情况下,鱼体每增重1kg就会产生150～200g悬浮物。因此，作为循环使用的养殖水体，悬浮物在水中的积累是非常迅速的。 养殖水体中鱼类的固体排泄物，在正常代谢的情况下，以悬浮物的形式存在于水体中。在流动的养殖水体中，悬浮物大部分以小于30μm的颗粒存在于水中。悬浮物的比重略大于水，颗粒小、流动性好、有一定的黏附性，在有水流的条件下呈悬浮状态。从养殖水体中去除30μm以下的悬浮物，一直是工厂化水产养殖设计研究的重要方向。 养殖水体中的悬浮物的积累，使水体浑浊，影响养殖鱼类鳃体的过滤和皮肤的呼吸, 增加鱼类环境胁迫压力，恶化水质、消耗水中的溶解氧。工厂化水产养殖过程中及时清除养殖水体中的悬浮物是非常必要的。
1、固定式滤床
固定过滤床一般由粗滤、中滤和细滤三层滤料组成。根据其工作水流的不同可分为喷水式滤床(Trickling filter)和压力式滤床(Pressed filter),是比较普遍的过滤方式。固定式滤床可根据需要调整滤料的粒度和过滤层的厚度，过滤不同大小的悬浮颗，达到理想的过滤效果。其应用难度在于设备庞大、效率低、长时间运转容易堵塞，反冲困难。
2、滤网过滤
滤网过滤是用细筛网进行悬浮物的过滤，主要有平盘滤网过滤和转鼓滤网过滤。其中转鼓滤网过滤在不断过滤的同时进行反冲洗，过滤效率高、效果好，应用普遍。滤网的网目一般约为30～100μm，可过滤36～67%的悬浮物，网目越小过滤越彻底，但是网目小于60μm就会影响过水性能。为了改善其过滤性能，增加过滤面积，防止堵塞，减少尺寸和反冲用水是进一步研究的重点。
3、浮式滤床
浮式滤床应用比水比重小的塑料球作为过滤介质，在过滤过程中悬浮于水中形成过滤层。塑料浮球具有表面积大、吸附性强、过水阻力小的特点，形成过滤层可有效过滤悬浮物。浮球直径为3 mm 左右滤床，可过滤100%的30 μm以上 79% 的30 μm以下的悬浮物颗粒，获得很好过滤效果。由于养殖水体中的悬浮物具有结块的特性，为了防止反冲时堵塞和较好的过流量，浮球生物滤器需要频繁的反冲，增加了用水量和应用成本。为了改善其应用效果，必须进一步研究防止堵塞的结构和方法。
4、自然沉淀处理
自然沉淀技术是应用鱼池特殊结构或沉淀池，使悬浮物沉淀、集聚并不断排出。设计良好的沉淀池可去除59%～90%悬浮物,其中设计的关键是确定悬浮物的沉降流速。有资料表明，应用自然沉淀处理，过流流速应低于4 m/min，适宜流速为1 m/min；单位面积的流量为1.0–2.7 m3 /m2 h 。自然沉淀虽然具有较好的效果，但是限制了水体循环的流量，从而使结构庞大，增加了成本。
5、气泡浮选处理
气泡浮选处理的原理是通过气泡发生器持续不断的在水中释放气泡，使气泡形成象筛网一样的过滤屏幕，并利用气泡表面的张力吸附水中的悬浮物。产生微小气泡（直径为10 ～100 μm ），使气泡均匀持续与水体有效混合,可有效去除水产养殖水体中的悬浮物。气泡越小，效率越高。因此，研究产生微小气泡的发生装置，是该项技术应用的关键。
三、养殖水体中的氨氮及其处理技术
工厂化养殖水体中的氨氮主要是由于养殖鱼类的代谢、残饵和有机物的分解而引起。一次性过流试验表明，高密度流水养殖排水中的氨氮浓度一般为1.4 mg/l 左右。投喂的饲料中，大约有40%饲料蛋白的氮被鲑鳟鱼类转化成氨氮（NH3 + NH4+），在饵料系数为1.0的情况下，鲑鳟鱼类每增长1kg就会产生33g N 。如不进行处理，氨氮在循环养殖水体中的积累呈快速直线上升的趋势。
养殖鱼类排泄的氨氮中，大约只有7–32%的总氮是包含在悬浮物中，大部分溶解于养殖水体中，分别以离子铵NH4+和非离子氨NH3的形式存在，并且随着pH值和温度的变化而相互转化。研究物理、化学和生物的氨氮处理先进技术和有效方法，是工厂化水产养殖的重要课题。
氨氮在养殖水体中的积累会对鱼类产生毒性作用，其中非离子氨对鱼类毒性作用很大。工厂化养殖水体的氨氮总量一般不应超过1mg/l ，非离子氨不应超过0.05mg/l。由于离子铵NH4+和非离子氨NH3在不同pH值和温度条件下相互转换，因此在控制养殖水体氨氮积累的同时，应注意根据温度的变化调节pH值，从而使非离子氨保持在较低水平。
1、空气吹脱
空气吹脱的原理是应用气液相平衡和介质传递亨利定律，在大量充气的条件下，减少了可溶气体的分压，溶解于水体中的氨NH3穿过界面，向空中转移，达到去除氨氮的目的。空气吹脱的效率直接受到pH值的影响，在高pH值的条件下，氨氮大部分以非离子氨的形式存在，形成溶于水的氨气： HH4+ + OH- NH4OH H2O + NH3↑ 在pH值为11.5时，水气体积比为1：107的条件下，空气吹脱可去除95%的氨氮，在正常养殖水体也可获得一定的效果。 空气吹脱应用的关键是pH值的调整，使处理过程既能提高处理的效率，又能适应养殖鱼类对水体pH值的要求。同时空气吹脱需要空气的流量大，养殖水体水温易受影响。
2、离子交换吸附
离子交换吸附是应用氟石或交换树脂对水体中的氨氮进行交换和吸附。氟石的吸附能力约为1mg/g，设计适宜可吸附95%的氨氮，在达到吸附容量后，可用10%的盐水喷林24小时进行再生，重复使用。在工厂化养殖中应用氟石有较好的效果，但其再生操作烦琐、时间长。有些研究利用氟石作为生物处理的介质，在氟石上接种硝化细菌，达到提高生物处理效率的目的。
3、生物处理
生物处理是利用硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌对水中的氨氮进行转化和去除。亚硝化细菌 (Nitrosomonas europaea and Nitrosococcus mobilis)把氨氮转化为亚硝酸盐、硝化细菌(Nitrobacter winogradski and Genus Nitrospira)把亚硝酸盐转化为硝酸盐。如果进行彻底脱氮处理，可利用反硝化细菌进行处理。由于反硝化过程是在厌氧条件下（溶解氧低于1mg/l）进行，应用于水产养殖有一定的困难。研究表明，硝酸盐对鱼类的影响很小，一些养殖鱼类可抵抗大于 200 mg/l浓度的硝酸盐。因此，水产养殖水体的处理，很少应用反硝化过程。 生物处理具有投资少，效率高的特点，受到广泛的关注和应用。有资料显示，应用硝化和亚硝化细菌附着浮球进行氨氮处理，氨氮的转化率为380g /（m3·day），饵料负荷能力为32kg/（m3·day）。 但是，硝化细菌的最佳生长温度在30℃以上，温度降低其活性降低，处理能力下降，低于15℃已经很难利用。有些研究涉及了低温下优势细菌的驯化、培养和利用技术，获得低温下生物处理的良好效果，是水产养殖水体处理的重要研究方向。
4、臭氧氧化处理
臭氧作为消毒和去除悬浮物在水产养殖上获得广泛应用，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体中氨氮的25.8%，在加入催化剂的条件下，可大幅度提高其氧化效率。臭氧氧化氨氮的方法在水产养殖上还没有深入研究，利用催化方法提高臭氧氧化氨氮的效率，应用于养殖水体的处理，可为水产养殖的氨氮处理开辟新途径。
5、电渗析处理
电渗析处理的原理是水体在电场的两极流动时，水中的带电离子在直流电场的作用下定向移动，阴离子透过阴膜进入阴离子集水槽，阳离子通过阳膜进入阳离子集水槽，从而可把水体中的离子氨去除。由于氨氮在pH值为7的中性条件下，非离子氨仅为氨氮总量的0.55%，99% 以上是离子氨，所以电渗析处理可获得好的处理效果。 电渗析处理具有分离效率高、装置紧凑、自动化容易的特点，已经广泛地应用于化工、食品、冶金和航天领域的水处理工程。结合工厂化水产养殖的实际，研究可用于养殖水体处理的电渗析设备，应是工厂化水产养殖水处理技术研究的新领域。
四、有害气体处理
工厂化养殖水体中的有害气体主要是鱼类代谢呼吸产生的二氧化碳气体，以微气泡的形式存在于水中。水中的二氧化碳对鱼类健康非常有害，二氧化碳气体含量超过20mg/l时，养殖鱼类就会产生气体压力反应，表现为向水面或增氧设备集中，摄饲明显减少。 在一定条件下二氧化碳气体可与水结合进行可逆反应形成碳酸。碳酸是弱酸，也会降低养殖水体的pH值，从而影响水质。碳酸极不稳定，在空气中很容易分解为水与二氧化碳。因此，采取措施使养殖水体充分与空气接触，就可及时去除养殖水体中的二氧化碳气体。
1、机械设备去除
利用增氧机或暴气设备，在养殖水体中形成上下交换的水流，使水体充分与大气接触，达到分解碳酸，去除二氧化碳的目的。
2、水力设计去除
在设计过程中，回水管和回水槽间留有一定高度的落差，使水流在回水过程中充分暴露在大气中，分解碳酸，去除二氧化碳。
3、充气去除
在水流通过的水道上设置微气泡释放装置，利用气泡相互积累的特性，使散布于水中的二氧化碳与释放的气泡结合，由气泡把二氧化碳带上水面，达到去除的目的。
五、消毒杀菌
工厂化水产养殖由于养殖密度高、饵料负载量大，鱼类的代谢在水体中富集了大量营养物资，为细菌的繁殖和生长提供了很好的环境条件，如不及时杀菌消毒，很容易发生疾病，在高密度养殖条件下，发生疾病，很快就会蔓延，对养殖生产造成灾难性的后果。因此，在系统设计中设置有效的灭菌消毒设备是十分必要的。消毒杀菌主要有臭氧杀菌消毒和紫外线杀菌消毒。
1、臭氧杀菌消毒
臭氧是一种极不稳定的强氧化剂，在一定浓度下可破坏细菌、病毒和寄生虫的细胞膜，杀死病原。有资料表明，根据不同需要，养殖水体中含有0.1-0.2mg/l的臭氧，持续1-30分钟就可以达到杀菌消毒的理想效果。臭氧还具有沉淀悬浮物和氧化氨氮的作用，如果能提高其综合利用效率，臭氧将会在工厂化水产养殖中得到广泛的应用。
2、紫外线杀菌消毒
研究表明，一定波长的紫外线（180-300nm）具有很好的灭菌消毒效果。一般养殖水体中消毒的强度为15,000-30,000 μ w sec./cm2,在紫外线强度为 30 000μW/cm 时 ,紫外辐射消毒对几种常见鱼病具有良好的防治效果 ,如100 %杀灭对虾白斑病需 2.67 s;鲤科鱼类的水霉病和病毒性出血性败血症都只需 1.60 s。有些研究进行了紫外线臭氧发生器的试验，在紫外线消毒杀菌的同时，产生一定浓度的臭氧，进行消毒和氨氮的氧化，达到了综合利用目的。 工厂化水产养殖水处理技术的开发是利用物理、化学和生物有关理论进行应用技术研究的过程，是一个由理论— 方法 — 技术 —工艺—设备的过程，是理论研究和生产实际结合的总结。实际研究和设计中，应更加注重多项技术的集成应用研究和一项技术的综合利用研究。在设计循环水工厂化水产养殖中，就要集成各种处理技术为一体，形成有效的综合处理工艺；有关臭氧氧化氨氮的研究，就是在其具有消毒、沉淀悬浮物功能的基础上增加应用范围和利用效率研究；各种虑床接种或挂膜硝化细菌的研究，可使滤床在具有悬浮物过滤的基础上具有较好的氨氮硝化能力；气泡浮选处理技术的研究，使处理过程具有增氧、悬浮物分离和去除氨氮、有机物的功效。进行这些研究的宗旨，就是为了提高处理效率、降低成本、扩大使用范围，为工厂化水产养殖提供高效、廉价、操作和使用方便、自动化程度高的工艺、设施和设备。