Aqu @teach: 循环水产养殖系统 (RAS) 技术
再循环水产养殖系统 (RAS) 由鱼缸和几个净化水的过滤装置组成。 在经典的 RAS 中，水从鱼缸中经过过滤系统持续流动，然后返回鱼缸（图 4）。 由于鱼的新陈代谢，离开水箱的水含有高浓度的固体物质、营养物质和二氧化碳，而与流入的水相比，它缺氧。 过滤装置的目标是减少固体物质、营养物质、毒素和二氧化碳浓度，并在返回鱼缸之前提高水中溶解氧的含量。
过滤系统由几个阶段组成（图 4）。 流出后的第一个处理步骤是固体分离（图 4，第 2 点），从水中去除固体（饲料残留物、粪便和细菌组合）。 在此之后，水被紫外线消毒（图 4，点 6）。 这一步骤并不总是在养鱼场实施，也可以放置在生物过滤器之后。 然后，水进入生物过滤器（图 4，第 3 点），细菌代谢部分有机负荷，然后将氨氧化成亚硝酸盐，然后转化为硝酸盐。 所有这些细菌代谢反应都使用溶解氧（O 2 ），像鱼一样，释放二氧化碳（CO 2 ）到水中。 因此，在生物过滤后，必须降低水中的 CO 2 。 这是在脱气单元中完成的，其中水对空气表面积增加，使 CO 2 为空气相（图 4，点 4）。 作为最后一步，必须将水中的氧浓度提高到适合鱼类的水平。 这是在氧化装置中完成的（图 4，点 5）。 以下各节将更详细地介绍这些系统组件。
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图 4：循环水产养殖系统（RAS）的主要组成部分
鱼缸
鱼缸是鱼的生长区域，因此也是 RAS 的核心组成部分。 “经典” 的罐体设计是圆形坦克和方形流道。 圆形罐体优于方形流通道的主要方面之一是通过圆形液压模式实现的自清洁效果（图 5）。 鱼缸内的流动有两个功能：(一) 流入水和鱼饲料均匀分布；(二) 将颗粒输送到罐中心。 主要旋转流是从入口流出的流量，然后顺时针/逆时针周围的流量。 它将可沉降的固体输送到底部。 主旋转流量产生二次径向流，并共同产生一个自清洁罐。
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图 5：初级和次级流动模式的作用：初级流量确保了入口水的良好水分配，二级流有助于有效去除固体物质（在 Timmons *等人 * 1999 年之后进行了调整
尽管圆形油箱比方形罐具有许多优势，但其主要缺点（低面积效率）往往使其成为 RAS 农场的不理想解决方案。 因此，在过去几十年中开发和测试了许多其他形式的罐体（详情见 第 12 章）。
由于 RAS 日益普及，这些系统也被计划成为大型企业（例如，[北欧 Aquafarm 计划在贝尔法斯特投资 5 亿美元的 RAS 农场]（https://salmonbusiness.com/nordic-to-invest-up-to-500mn-in-maine-ras/），美国缅因州），大型储罐设计变得越来越多重要的。 这些大型储罐通常（至少在理论上）比传统的小型罐体更具成本效益（图 6）。
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图 6：作为鲑鱼 RAS（[瑞士阿尔卑斯鱼]（https://swisslachs.ch/?lang=en）的一部分的大圆形罐（深 6 米，直径 32.5 米）
流动条件对鱼类健康有重要影响。 人们可以建立不同的水流，从而通过使用面板以液压方式构建盆地。 通过这种方式，鱼留在罐的最佳部分（图 7）。 重要的是要知道，游泳者需要游泳，换句话说，他们需要一个电流。 电流的速度必须适应鱼种。 一般来说，较小的鱼需要较低的电流速度，但它必须足够高，以确保固体分离仍然有效。 所有这一切也对鱼肉的质量产生影响。
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图 7：专门为养殖鲑鱼开发的流动系统，瑞士洛斯塔洛瑞士高山鱼股份公司
固体分离
有几个原因去除固体。 首先，通过减少有机固体来改善水质，减少矿化（有氧呼吸），从而有助于稳定氧含量。 第二，保持水质也有利于饲料吸收和库存控制。 此外，固体去除减少细菌负荷，因为它消除了微生物的食物来源。 高细菌活性在水柱导致不必要的氧气消耗。
固体去除的另一个好处是防止鱼鳃堵塞，这可能导致生长缓慢甚至鱼类死亡。 然而，这取决于鱼种。 与许多鲤鱼类一样，过滤饲养鱼类甚至可能依赖于其自然栖息地中的一定数量的悬浮化合物，因此在 RAS 中也能承受较多的悬浮固体，例如鲑鱼类（[Avnimelech 2014]（http://www.was.org/Shopping/biofloc-technology-a-practical-guidbook-3rd-edition))。
固体需要去除的最重要的技术原因之一是生物过滤器的潜在堵塞（C.f. 第 9 章）。 此外，通过去除固体，提高了通过消毒减少细菌的有效性（C.f. 第 9 章）。 鱼水中的固体大小不同，去除这些固体的处理方法根据其大小而有所不同（图 8）。
废水处理和污泥处理是密集化 RAS 的重要成本因素。 RAS 需要每公斤生产的鱼类进行 300-1000 升的水交换，并产生 100-200 克干重污泥。 为了最大限度地减少废水量，可以对固体分离产生的污泥水进行处理。 通过这种方式，即使是低技术过滤系统，也可以大幅减少最终废水量。
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图 8：固体去除过程和颗粒尺寸范围（以 μm 为单位），这些过程最有效（在 [蒂蒙斯和埃伯林 2007 年]（https://www.amazon.com/Recirculating-Aquaculture-M-B-Timmons-Ebeling/dp/0971264627）之后进行了调整）
消毒
细菌性疾病和病毒性疾病可能会在密集 RAS 中造成严重问题。 使用臭氧或紫外线辐照对水进行消毒是最常见的方法。 紫外线在一定强度下可以破坏生物生物的 DNA，如病原体和单细胞生物。 在 RAS 中，UV 光（图 9）主要包含在机械过滤装置（例如滚筒过滤器）和生物过滤器之间的一条短管内。 紫外线的强度或剂量可以用 µWS/cm 2 表示（每个区域的能量）。 在 RAS 中，杀死（停用）大约 90% 的生物所需的紫外线剂量介于 2000 至 10 000 微生物/立方厘米之 间 。 然而，杀死所有真菌和小寄生虫的剂量高达 20 万 µWS/cm 2 是必要的。 为了获得最大效率，必须将紫外光放置在机械过滤系统之后，以免被悬浮固体阻塞。
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图 9：紫外反应器（[AKR 紫外线系统]（http://www.ultraviolete.com/products/uv-systems-for-water-disinfection/aquaculture/hanovia-photon-pmd-range/）
增加臭氧 (O 3 ) 是减少 RAS 中病原体和其他有害生物的另一种有效方法。 在与水接触时，它分成 O 2 一个自由氧自由基 O. 这种激进的 “攻击” 和氧化有机物质. 这会导致悬浮颗粒或某些物质的降解（澄清水浊度，腐殖酸形成颜色）。 同样，生物体的生物细胞壁也受到臭氧分子的自由基 O 的攻击，杀死细菌、浮动和丝状藻类。 然而，臭氧具有很强的反应性，也可能会损害生物过滤器中的硝化细菌，如果使用量过高，还会对鱼鳃造成伤害。 因此，必须对剂量进行永久监测。 化学制剂可用于准时处理，以减少水中的胚芽浓度。 过氧化氢（H 2 O 2 ）通常使用，有时通过过乙酸（CH 3 CO 3 H）稳定。 过量服用会对鱼类健康产生严重影响，并可能损害过滤细菌。
表 1：在 RAS 中使用紫外线、臭氧和过氧化氢（H 2 O 2 ）消毒的优点和缺点
| 消毒剂 | |||
|---|---|---|---|
| 紫外线 | 臭氧 | H 2 O | |
| 优势 | 仅在紫外反应器中本地工作 可在不伤害鱼类的情况下使用 简单的管理便宜 | 非常有效地杀死病原体等不必要的生物 将复杂分子分解为可生物降解的小型化合物 将亚硝酸盐氧化为硝酸盐 | 非常有效地杀死病原体等不必要的生物 |
| 缺点 | 对水浊度敏感，在固体负荷高的水中无效 灯泡需要更换（每年） 如果辐射周期太短（即系统流速过高），则 UV-消毒无效 | 复杂的加药 可能会伤害鱼类和生物过滤器 臭氧系统的开关可能会导致亚硝酸盐水平的变化，并减少生物过滤器中硝化细菌的数量 相对昂贵 | 有限的应用，例如对空罐和设备进行消毒或减少鱼缸中的细菌负荷 过量可能会严重损害鱼！ 也损坏过滤器 |
#生物过滤
硝化过程在生物过滤器中进行, 以便将有毒的无铵氧化成有毒的亚硝酸盐, 并最终达到无毒的硝酸盐. 硝化细菌是生物过滤器的核心。 这些细菌生长在过滤介质表面。 介质可以固定（例如滴流过滤器）或移动（例如移动床过滤器）。 硝化细菌对系统中的水质变化（特别是 pH 值和温度）敏感，因此应避免快速变化或缓慢地进行，否则大量硝化细菌可能会消失，从而导致系统中的氨和亚硝酸盐尖峰。 此外，由于硝化细菌是有氧的，生物过滤器中的溶解氧含量应始终保持在一定的阈值（也取决于水温）。 生物过滤器中发生的化学反应在 第 5 章 中解释。 有关选择正确生物滤的更多详细信息，请参阅 第 12 章。
脱气和曝气
当一相中存在亚饱和度时，液体和气相之间的气体转移会发生。 气体溶解度取决于压力、温度、盐度和气体部分压力。 转移发生在气体和液体之间的接触面上。 ** 曝气 ** 增加水中的氧气含量。 ** 脱气 ** 从水中去除二氧化碳等气体。
脱气
气体，特别是由鱼类和细菌呼吸产生的二氧化碳，积累在系统水中。 如果浓度过高，这些可能对鱼类产生有害影响。 因此，通常在密集型 RAS 中添加脱气装置。 通过增加水和空气之间的接触面积来实现气体排出（脱气），或者通过水柱的曝气或通过在空气中洒水来实现。 不同的生物过滤器已经具有较高的脱气效果：在涓流过滤器中，水通过空气，而在移动床过滤器中，空气通过水。 因此，这可能会使一个额外的脱气装置多余。
氧合
溶解氧 (O 2 ) 含量是 RAS 中最重要的水质参数之一，也常常是紧急情况下（例如停电、泵故障等）的第一个限制因素。 有许多技术来丰富溶解的氧气在水中。 通过以下方式可以增强气体的摄入量 (曝气)：(一) 通过使用旋涡或小气泡最大限度地扩大氧/水接触面积；(二) 使用小气泡直径和/或缓慢水流，最大限度地提高氧/水接触周期；(三) 增加压力 (增加溶解度) — 水位、水位、水位、压力(iv) 增加 O 2 的部分压力（增加溶解度）— 纯氧。
高效氧气输入
在密集型 RAS 中，氧合技术取决于使用纯氧而不是简单的曝气，在某些鱼类密度下变得不切实际。 氧气要么在现场使用氧气发生器生产，要么由外部公司供应，然后储存在水产养殖设施外的液氧罐中。
低效氧气输入
在广泛的鱼池中，低效率的氧气输入通常就足够了。 这是通过以下方式实现的：(i) 保持水冷，因为这会溶解更多的氧气，(ii) 增加水的运动。 不同的曝气模式可以支持这一点（见 第 12 章）。
泵和泵坑
泵是 RAS 什么心脏对人体。 如果失败，结果可能是灾难性的。 因此，购买泵时不应该免除任何费用。 如果需要，可以使用速度控制泵减少流量。 通过使用带止回阀的平行系列泵，可以降低系统故障的可能性。 在购买泵之前，应该计算管道中的压力损失，例如在这个在线计算器的帮助下：http://www.pressure- Drop.com/在线计算器/.
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