第三章循环水产养殖技术
3.6 RAS 和水上乐器
Aquaponic 系统是循环水产养殖技术的一个分支，其中包括植物作物，以实现企业生产多样化，提供额外的水过滤能力，或者两者的结合。 作为 RAS 的一个分支，水生系统与 RAS 中发生的相同的物理、化学和生物现象绑定在一起。 因此，水生态学、流体力学、气体转移、水净化等相同的基本要素或多或少地适用于水生物，但水质控制除外，因为植物和鱼类可能具有特定和不同的要求。 RAS 和水生动物的基本经济现实也是相关的。 这两种技术都是资本密集型和高度技术性的，并受到规模经济、组件的适当设计、对市场条件的依赖和操作者的专门知识的影响。 3.6.1 福利 在水生系统中，应最大限度地吸收养分，以便健康生产植物生物量，但不忽视鱼类在水质方面的最佳福利条件（Yildiz 等人，2017 年）。 采取措施减少引入或传播疾病或感染的风险以及加强水产生物安全也很重要。 还应考虑到化感化学品，即植物释放的化学品可能产生的影响。 此外，应仔细考虑饮食消化率、粪便颗粒大小和沉降比对水质的影响。 目前仍然缺乏关于植物所需矿物质的适当水平与鱼类新陈代谢、健康和福利之间的关系的知识（Yildiz 等人，2017 年），需要进一步研究。 #3.6.2 微生物多样性与控制 正如本章前面提到的那样，水产养殖系统将循环水产养殖系统与水培单元结合在一起。 其中一个最重要的特点是对细菌及其代谢产品的依赖。 此外，[第 3.2.6 节]（/社区/文章/3-2-评论 Ras #326-硝酸盐水质控制）。讨论了微生物群落及其控制在 RAS 中的重要性。 细菌是连接高铵浓度鱼类排泄物与植物肥料的桥梁，而植物肥料应该是低铵和高硝酸盐的组合（Somerville 等人，2014 年）。 由于水生系统可以有不同的亚装置，即鱼缸、生物过滤器、滚筒过滤器、沉淀罐和水培装置，每个装置都有不同的设计和不同的最佳条件，因此这些组成部分中的微生物群落可能会有很大差异。 这提供了一个有趣的研究主题，最终目标是改进系统管理流程。 Schmautz 等人（2017 年）试图对水生生物系统不同区域中的微生物群落进行表征。 他们得出结论认为，鱼类粪便包含一个单独的群落，以 Cetobacterium_ 属细菌为主，而植物根系、生物过滤器和周围植物的样品则更加相似，细菌群落更加多样化。 生物过滤器样本中含有大量的 _硝基脊虫（占总群落的 3.9%），这些物质在周围植物或植物根系中发现的数量很少。 另一方面，在同一样本中只发现了少量的亚硝基体 _ (0.64%) 和硝基菌 _ (0.11%)。 第二组生物通常被测试是否存在于水生生物系统中，因为它们主要负责硝化（鲁朗瓜和 Verdegem 2015；邹等人，2016 年）；_硝基斯皮拉 _ 最近才被描述为总硝化剂（Daims 等人，2015 年），能够直接转换铵在系统中硝酸盐。 因此，Nitospira 的主导地位在这些系统中是一个新奇的，可能与基本设置的差异相关（Graber 等人，2014 年）。 Schmautz 等人（2017 年）还强调指出，由于未测量其代谢活性，_硝基脊虫的增加并不一定与系统中这些生物的更大活性相关。 此外，许多物种的细菌和大肠杆菌本质上存在于水生循环生物过滤器中，用于对有机物和鱼类废物进行转化。 这意味着存在许多微生物，可以是植物和鱼类的病原体，以及人类。 为此，一些微生物被视为系统中产品和水质的安全指标（Fox 等人，2012 年）。 其中一些安全指标是大肠杆菌 _ 和沙门氏菌 _ spp。 因此，最近进行了急需的研究，以确定水生产品的微生物安全性（Fox 等人，2012 年；Sirsat 和 Neal，2013 年）。 Munguia-Fragozo 等人（2015 年）确定了水生物学中微生物活性分析的未来方向，他回顾了微生物群落分析的 Omic 技术。 他们得出结论认为，元基因组学和元基因组学分析对未来水生物系统微生物多样性的研究至关重要。
· Aquaponics Food Production Systems3.5 RAS 中的可扩展性挑战
RAS 是资本密集型业务，需要用于设备、基础设施、流入和污水处理系统、工程、建筑和管理等方面的大量资金支出。 RAS 农场建成后，还需要营运资金，直到实现收获和成功销售。 业务支出也很大，主要包括固定费用，如租金、贷款利息、折旧和可变成本，如鱼饲料、种子 (鱼苗或卵)、劳动力、电力、技术氧气、pH 缓冲液、电力、销售/营销、维护成本等。 在比较生产率和经济性时，RAS 总是会与其他形式的鱼类生产，甚至其他供人类消费的蛋白质生产来源竞争。 这种竞争可能会对鱼的销售价格造成下降压力，而鱼价必须足够高，才能使 RAS 业务获利。 如同其他形式的水产养殖生产一样，实现更高的规模经济通常是降低生产成本并从而获得市场准入的一种途径。 在较大的设施中可以降低生产成本的一些例子包括： 降低了饲料、化学品、氧气批量订单的运输成本。 购买大量设备的折扣。 获得工业用电费。 农场过程的自动化，例如过程监控和控制、饲料、收获、屠宰和加工。 最大限度地利用劳动力：需要同样的人力来照顾 10 吨鱼类，就像处理 100 吨或更多鱼类所需的那样。 随着净笔水产养殖部门的规模经济增长，目前正在按十年前没有考虑的规模开发较大的 RAS。 在过去十年中，建造了每年生产能力达到数千吨的设施，而 RAS 设施规模的扩大正带来新的技术挑战，下一节将探讨这些挑战。 #3.5.1 流体动力学与水运输 适当控制鱼缸中的流体动力条件对于确保水质统一和足够的固体物质运输至关重要 (Masaló 2008；Oca 和 Masalo 2012)。 不能够迅速冲洗代谢物的罐体承载能力较低。 确保鱼缸中的适当流体动力学性能是一个重要的水产养殖工程研究课题，帮助业界设计和操作不同形状和尺寸的水箱。 但是，商用 RAS 中使用的罐体尺寸越来越大，给设计师和操作员带来了新的工程挑战。 最近正在进行研究，通过研究挪威 Smolt 设施使用的大型罐体中鱼类生物量、几何形状以及进口和出口结构的影响，优化用于鲑鱼生产的大型八角形罐体的流体动力学特性（Gorle 等人，2018 年）。 同样，Summerfelt 等人（2016 年）发现，与十多年前在挪威 Smolt 设施建造的罐体相比，现代储罐中每单位流量的进料装载率呈下降趋势。 随着循环水的处理速度更快，降低饲料负担有效地改善了水箱的水质，从而防止了代谢物的积累和氧气的耗尽，与较旧的水罐相比，在较高的饲料负担下运行的水槽相比，进一步防止了罐内的氧气耗尽。 今后的工作可能会提供更多关于容积超过 1000 msup3/SUP 的罐体流体动力学的信息。 目前正在使用的巨型储罐的其他例子是 RAS 2020 系统中使用的罐体 (丹麦克鲁格) 或尼里概念 (挪威尼里). 只要实现适当的流体动力学条件，使用较大的罐体采用这些新概念将在其盈利能力方面发挥至关重要的作用。 3.5.2 股票亏损风险 在 RAS 中，如果系统出现故障，密集饲养条件可能导致鱼类突然和灾难性的损失。 系统故障的根源可能包括泵系统和 RAS 设备的机械故障、停电、氧气/曝气系统的损失、硫化氢的积聚和释放、运营事故等。 需要查明这些风险和解决这些风险的办法，并将其纳入业务程序。
· Aquaponics Food Production Systems3.4 动物福利问题
3.4.1 导言 在过去十年中，鱼类福利受到了很多关注，这导致水产养殖业纳入了一些专门为改善这一方面而开发的养殖做法和技术。 大脑皮层在人类中是产生痛苦主观经验的神经机制的重要组成部分，但鱼类和非哺乳动物缺乏，有人认为，鱼类中没有它表明鱼类不会受到影响。 然而，另一种强烈的看法是，具有复杂行为的动物，如鱼类，可能有遭受痛苦的能力，尽管这可能在程度和种类上与这种状态的人类经历不同（Huntingford 等人，2006 年）。 英国政府的农场和动物福利委员会 (FAWC) 以 “五大自由” 框架为基础，该框架定义了理想状态，而不是具体的可接受福利水平（FAWC 2014）。 免于饥饿和渴望、不适、痛苦、伤害、疾病、恐惧和痛苦，以及表达正常行为的自由，为我们提供了评估福利问题的明确框架。 身体健康是最普遍接受的福利衡量标准，无疑是实现良好福利的必要条件。 在竞争激烈、不断扩大的新兴行业中，将福利考虑纳入日常畜牧业的水产养殖者可以通过提高消费者对其产品的认识和信心，获得竞争优势并增加价格溢价（Olesen 等人，2010 年）。 Grimsrud 等人 (2013 年) 提供的证据表明，挪威所有家庭都高度愿意支付，通过增加对疾病和鲑鱼虱的抵抗力，改善养殖大西洋鲑鱼的福利，这可能意味着在生产过程中减少使用药品和化学品。 在密集的 RAS 中，动物福利与系统的性能紧密相连。 在过去几年中，RAS 的动物福利主要是从水质和鱼群对生长性能、压力生物指标或健康障碍发展的影响的角度进行研究。 RAS 动物福利研究的主要目标是建立和操作系统，最大限度地提高生产力，最大限度地减少压力和死亡率。 感兴趣的主题包括：储存密度极限（卡拉布雷斯等人，2017 年）、饲养水中含氮化合物的浓度限值（戴维森等人，2014 年）、溶解二氧化碳的浓度限值（Good 等人，2018 年）、臭氧化的影响（Good 等人，2011 年；Reiser 等人）和较小程度, 在 RAS 中积累的顽固化合物 (范瑞恩和努西诺维奇 1997) 与有限的水交换和噪音 (马丁斯等人. 2012; 戴维森等人. 2017). ！ 图片-3 ** 图 3.6** 物理、化学和其他感知的压力因素可能会影响鱼类并引起原发、次要和/或全身反应。 （2002 年巴顿之后） #3.4.2 压力 鱼类的应激反应是一种适应功能，在面对平衡感到的威胁，压力生理学并不一定等同于痛苦和福利减弱（Ashley 2007）（图 3.6）。 压力反应是一个非常重要的功能，以保护个人。 因此，水产养殖的福利措施在很大程度上与压力反应的第三效应有关，这种反应通常表明长期、反复或不可避免的压力（Conte 2004 年）。 饲养密度是影响水产养殖业鱼类福利的一个关键因素，特别是 RAS，因为在狭窄环境中，高密度是为了提高生产率。 虽然很少有定义，但饲养密度通常用来指水流通过保持环境的单位时间内每单位体积或单位体积的鱼的重量（Ellis 等人，2001 年）。 鱼类最小空间的概念比陆地物种更为复杂，因为鱼类利用三维介质（Conte 2004 年）。
· Aquaponics Food Production Systems3.3 区域办事处的发展
在过去几年里，再循环水产养殖场的数量和规模都有所增加，尤其是在欧洲。 随着技术的接受程度的提高，与传统工程方法相比的改进、创新和新的技术挑战不断出现。 以下部分介绍了水产养殖技术的关键设计和工程趋势以及新挑战。 #3.3.1 主流氧合 现代 RAS 中溶解氧的控制旨在提高氧转移效率，降低该过程的能量需求。 可以通过设计能够将氧气与水接触时间保持更长时间的系统来提高输氧效率，同时通过使用低头氧传输系统或使用根本不使用电力的系统，例如液氧，可以降低能源需求系统连接到氧气扩散器只能通过压力操作。 低头氧合器的一个决定因素是与高压系统相比，溶解浓度相对较低。 为了克服这一限制，低头氧气装置被战略性地放置，以处理全循环流量，而不是使用较小的高饱和水旁路，从而确保充分的氧气质量输送。 使用安装在主循环流中的氧化装置可节省电力消耗，因为避免使用能源密集型高压系统，而这种系统是在小流量中实现高溶氧浓度所必需的。 低头氧气系统还可能减少所需泵送系统的数量，因为高压氧合系统通常被放置在通往鱼缸的管道的旁路上。 相比之下，低头氧气装置往往比较大，因为它们需要处理较大的流动，因此，其初始成本可能更高。 可以处理整个流量的装置包括低头氧气器（LHO）（Wagner 等人，1995 年），首先将水泵入生物过滤器和包装柱（Summerfelt 等人，2004 年），低头氧锥，Speece 锥的变体（Ashley 等人，2008 年；Timmons 和 Timons）Losordo 1994) 在低压下运行, 深轴锥 (克鲁格卡尔德内斯, 挪威), 也是 Speece 锥的一个变体, 旨在通过增加的静压力来达到更高的工作压力, 由于放置设备低于鱼缸和泵水槽, U 型管氧气器和其设计变体, 如 Farrell 管或专利氧溶解系统 (AquaMaOF, 以色列), 以及在深层鱼缸中使用扩散氧气作用 (图 3.5). ！ 图片-3 ** 图 3.5** 再循环水返回鱼缸的气体转移替代办法。 如果气体接触容器允许加压，则氧气可以在相对较小的高压流（a、b）中以高浓度转移。 然而，浓度较低的氧气可以转移到主再循环环环路，但为此，氧气转移装置必须大得多才能处理系统的全流（c） #3.3.2 硝化生物滤替代品 虽然硝化生物过滤器仍然是商用 RAS 中主要的氨去除方法，但近年来已开发出新的脱氮技术。 其中一些技术考虑采用替代生物途径从培养水中去除氨，而另一些技术则旨在取代硝化生物过滤器或同时工作，以减少固有的限制。 这些问题包括反应堆尺寸大、易碰撞、启动时间长以及冷水和海洋系统的性能较差。 ** 基于苯胺氧化物的工艺 ** RAS 考虑的另一种生物氨去除途径是在厌氧条件下发生的反氨氧过程（Tal 等人，2006 年）。 厌氧氨氧化是一种通过氨和亚硝酸盐结合产生氮气来消除氮气的过程（van Rijn 等人，2006 年）。 RAS 感兴趣的是亚氨氧化工艺，因为它允许完全自营氮去除，这与传统的硝化生物过滤器和需要有机碳添加的异养性反硝化系统相比（van Rijn 等人，2006 年）。 此外，在厌氧通路中，鱼类释放的氨中只有一半被有氧氧化成亚硝酸盐（需要氧气），而另一半与产生的亚硝酸盐一起被厌氧转化为氮气。 这可以节省 RAS 的氧气和能源使用（van Rijn 等人，2006 年）。
· Aquaponics Food Production Systems3.2 检讨水质管理水质检讨
RAS 是复杂的水生生产系统，涉及一系列物理、化学和生物相互作用（Timmons 和 Ebeling 2010）。 了解这些相互作用以及系统中的鱼与所用设备之间的关系对于预测水质和系统性能的任何变化至关重要。 有 40 多个水质参数可用于确定水产养殖中的水质（蒂蒙斯和 Ebeling，2010 年）。 其中只有少数 (如 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4, [3.2.5](#325-总-气体压力-t2.6], 3.gp 和 3.2.7) 传统上是在主再循环中控制的 #326 #327过程, 因为这些过程可以迅速影响鱼类的生存, 并且随着饲料系统的增加而易发生变化. 许多其他水质参数通常不受监测或控制，因为 (1) 水质分析可能很昂贵，(2) 需要分析的污染物可以通过每日换水来稀释，(3) 含有这些参数的潜在水源被排除使用，或 (4) 因为其潜在的负面在实践中没有观察到影响。 因此，以下水质参数通常在 RAS 中进行监测。 3.2.1 溶解氧 溶解氧 (DO) 通常是密集水生系统中最重要的水质参数，因为低溶氧含量可能很快导致鱼类的高应力、硝化生物过滤器故障以及鱼类的严重损失。 通常，养殖密度、饲料添加量、温度以及鱼类对缺氧的耐受性将决定一个系统的氧气需求。 由于在大气条件下氧气可以以高于其饱和浓度的浓度转移到水中（这称为过饱和度），因此存在一系列设备和设计来确保鱼类获得足够的氧气。 在 RAS 中，溶氧可以通过曝气、加入纯氧或这些组合来控制。 由于曝气只能将溶氧浓度提高到大气饱和点，因此该技术通常只适用于轻载系统或具有耐受物种的系统，例如 Tilapia 或鲶鱼。 然而，曝气器也是商用 RAS 的一个重要组成部分，通过将低溶解氧含量的水充气回饱和点，然后再使用技术氧过饱和水，从而减少昂贵的技术氧气的使用。 ！ 图片-3 ** 图 3.2** 两个气体-液体转移示例图：扩散曝气和文丘里喷射器/吸气器 RAS 可以使用多种类型的曝气器和氧气器，它们分为两大类：气-液和液-气系统（Lekang 2013）。 气-液曝气器主要由气体（空气或氧气）转移到水中的扩散曝气系统组成，形成气泡，与液体介质交换气体（图 3.2）。 其他气体-液体系统包括通过扩散器、穿孔管道或穿孔板来制造气泡，使用文丘里喷射器产生大量小气泡，或者在水流中捕获气泡的装置，例如 Speece 锥体和 U 型管氧气器。 ！ 图片-3
· Aquaponics Food Production Systems3.1 导言
再循环水产养殖系统 (RAS) 描述了密集型鱼类生产系统，这些系统使用一系列水处理步骤对养鱼水净化并促进其再利用。 RAS 一般包括：(1) 从水中去除由鱼粪、未食饲料和细菌雀斑组成的固体颗粒的装置 (Chen 等人, 1994 年；Couturier 等人，2009 年)；(2) 硝化生物过滤器将鱼排出的氨氧化为硝酸盐 (Gutierrez-Wing 和 Malone, 2006) 和第 3) 和第 3)的气体交换装置，以去除鱼类排出的溶解二氧化碳以及/或添加鱼类和硝化细菌所需的氧气（柯尔特和瓦滕 1988 年；莫兰 2010 年；夏季，2003 年；瓦格纳等人，1995 年）。 此外，RAS 还可以使用紫外线照射进行水消毒（夏尔雷尔等人，2005 年；夏日等人，2009 年）、臭氧和蛋白脱脂用于细固体和微生物控制（Attramadal 等人，2012 年 a；贡萨尔维斯和加格农 2011 年；夏季毛毡和霍赫海默尔 1997 年）以及去硝酸脱硝酸盐系统(范里因等人, 2006 年). 现代循环水产养殖技术已经发展了 40 多年，但新技术越来越多地提供了改变传统 RAS 模式的途径，包括改进固体捕获、生物滤清和气体交换等传统工艺。 RAS 在规模、生产能力和市场接受度方面也经历了重要的发展，系统越来越大，越来越强大。 本章讨论 RAS 技术在过去二十年中如何从技术整合到工业实施的新时代。 3.1.1 RAS 的历史 20 世纪 50 年代在日本进行的最早的 RAS 科学研究侧重于鲤鱼生产的生物过滤器设计，这是因为需要更有效地利用当地有限的水资源（Murray 等人，2014 年）。 在欧洲和美国，科学家们同样试图调整为家庭废水处理开发的技术，以便在循环系统内更好地再利用水（例如，用于污水处理、涓流、淹没和下流生物过滤器的活性污泥工艺，以及几种机械过滤系统). 这些早期的努力主要包括关于鱼类和甲壳动物生产的海洋系统的工作，但很快在农业部门受到供水限制的干旱地区采用。 在水产养殖方面，设计了不同的解决方案，以最大限度地利用水，包括高密集的循环系统，这些系统包括水过滤器、生物过滤器、蛋白质脱脂器和氧气注射系统（Hulata 和 Simon，2011 年）。 尽管业界的先驱者对其工作的商业可行性有强烈的信念，但大多数早期的研究都专注于蛋白质代谢产生的有毒无机氮废物的氧化问题。 公共水族馆和家庭水族馆的成功运作加强了对技术的信任，水族馆通常配有超大的处理装置，以确保水晶清澈。 此外，库存密度极低和相关的饲料输入意味着，与密集型 RAS 相比，这种过度工程对系统的资本和运营成本的贡献仍然相对较小。 因此，与规模变化有关的过程动态变化没有得到考虑，导致 RAS 处理单元规模不足，以尽量减少资本成本。 因此，安全幅度过于狭窄或根本不存在 (Murray 等人, 2014 年)。 由于许多先驱科学家具有生物学背景，而不是工程背景，科学家、设计师、施工人员和操作人员之间沟通不当，技术改进也受到限制。 1980 年制定了标准化术语、计量单位和报告格式 (欧洲经济交流中心/国际海洋研究中心 1980 年)，有助于解决这一问题，尽管区域差异依然存在。 直到 1980 年代中期，循环水质参数才被公认为是池塘生产的重要性，例如定期测量 pH 值、氧气、TAN（氨氮总量）、NO2（硝酸盐）、BOD（生物化学需氧量）和 COD（化学需氧量）的浓度。
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