3.1 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。

在上个世纪后半叶，发表了许多关于 RAS 早期发展的文章。 Rosenthal（1980 年）阐述了西欧再循环系统的状况，而 Bovendeur 等人（1987 年）则在废物生产和废物清除动力学方面开发了一个用于养殖非洲鲶鱼的水循环系统（提出了一个由一个初级澄清器和一个有氧固定薄膜反应堆, 在非洲鲶鱼的高密度培养方面取得了令人满意的成果). 这项工作是直到 1990 年代中期在北欧和西欧（罗森塔尔和布莱克 1993 年）以及北美（柯尔特 1991 年）鱼类养殖系统迅速发展的一部分。 新的分类，例如按水产养殖系统流动方式进行的分类，提供了关于对鱼类生产至关重要的水质过程的关键见解（Krom 和 van Rijn 1989 年）。 van Rijn 随后的工作 (1996 年) 提出了一些概念, 侧重于处理系统所依据的生物过程. 这项工作得出的结论是，采用减少污泥和硝酸盐积累的方法，使培养单位内的水质条件更加稳定。 在此期间，RAS 产量在数量和物种多样性方面显著增加（罗森塔尔 1980 年；韦雷斯和西德 1993 年；马丁斯等人，2005 年）。 今天，RAS 生产了 10 多种（非洲鲶鱼、鳗鱼和鳟鱼作为主要淡水品种，海龟、海鲷和鱼尾作为主要海洋物种）（Martins 等人 2010 年 b），RAS 也成为生产不同物种幼虫和幼虫的关键因素。

虽然许多水生野生动物种的最大可持续产量已经达到或即将达到，许多鱼种已经过度捕捞，但 RAS 被认为是一项关键技术，将帮助水产养殖部门满足未来几十年对水生物种的需求（Ebeling 和 Timons 2012）。

#3.1.2 RAS 背景下水体学的短史

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** 图 3.1** 中美洲的中国浮动花园 —— 人工岛屿建设作为水生技术的先驱。 （来自马佐利诺/肖特斯托克）

Aquaponics 是一个在 20 世纪 70 年代 “创造” 的术语，但实际上有着古老的根源 —— 尽管还有关于它的第一次出现的讨论。 阿兹特克人种植的农业岛屿被称为中国安帕斯（最早的 1150—1350CE），在一些人认为是农业用水的第一种形式（图 3.1）。 在这种系统中，植物在稳定或有时可移动和浮动的岛屿上饲养，这些岛屿可以从中南帕运河疏浚营养丰富的泥浆，并将其置于岛上，以支持植物生长（Crossley，2004 年）。

一个更早的水上乐器的例子开始于世界的另一边在华南地区，据信已经蔓延到东南亚，在那里，来自云南的中国定居者约 5 CE。 农民与鱼一起在稻田种植和养殖稻米 (粮农组织 2001 年). 许多远东国家都存在着这些多文化养殖制度，用于养殖东方泥鳅（Misgurnus Anguillicaudatus）（富田-横谷等人，2009 年），沼泽鳗鱼（fam。 鲤科, 鲤鱼 (鲤科 _) 和十字鲤 (卡拉西亚) (粮农组织 2004 年). 然而，从本质上讲，这些不是水生养殖系统，而是最好的描述为综合水产养殖系统的早期例子（戈麦斯，2011 年）。 20 世纪 70 年代，刘易斯和纳格尔（刘易斯和韦尔 1976 年；纳格尔 1977 年；Lewis 等人 1978 年）的工作，首次尝试在蔬菜一起建立实用、高效和综合的鱼类生产系统。 瓦滕和布希于 1984 年设计了更多的早期系统，1989 年由拉科奇设计（Palm 等人，2018 年）。