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第 39 卷 第 2 期 农 业 工 程 学 报 Vol 39 No 2 150 2023 年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2023 菜 鱼复合设施种养系统构建与运行试验分析 徐琰斐 单建军 顾川川 高霞婷 张宇雷 倪 琦 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室 农业农村部水产养殖设施工程重点实验 室 上海 200092 摘 要 针对工厂化循环水养殖废弃物资源化利用难题 该研究将传统鱼菜共生技术进行改进 提出并构建一种菜 鱼复 合设施种养模式 通过设计 3 路水循环工艺流程 将工厂化循环水养殖 蔬菜无土栽培 即鱼菜共生系统 与传统土壤 种植结合 以促进水产养殖固液废弃物全循环利用 基于质量平衡原理 根据投饲量和养殖尾水排放量提出鱼菜生物量 配比和发酵装置体积计算方式 以提高系统营养物质利用效率 建立一套中试系统 使用该系统同时养殖大口黑鲈 种 植水培生菜和番茄 160 d 结果显示 鱼类生长良好 最终养成密度为 41 6 kg m 3 特定生长率为 0 42 存活率 99 95 饵料系数为 1 4 蔬菜长势良好 收获水培生菜 1 205 kg 收获番茄果实 2 400 kg 水质情况总体稳定 总氨氮平均浓度 为 0 83 1 46 mg L 亚硝酸盐平均浓度为 0 035 0 062 mg L 硝酸盐平均浓度为 25 1 8 06 mg L 溶解氧浓 度范围为 4 25 7 16 mg L pH 值平均为 6 8 水产养殖废弃物发酵后 可使水体中总磷含量提高 141 钾离子含量提高 7 系统经济效益和生态效益较好 年利润约为 4 6 万元 化肥施用量减少 4 5 农药施用量减少 3 4 日换水量小于 5 该研究可为推进水产养殖节水减排 促进循环农业发展提供技术支持 关键词 设施 蔬菜 鱼 鱼菜共生 循环水养殖 蔬菜无土栽培 土壤种植 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202210085 中图分类号 S964 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2023 02 0150 07 徐琰斐 单建军 顾川川 等 菜 鱼复合设施种养系统构建与运行试验分析 J 农业工程学报 2023 39 2 150 156 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202210085 http www tcsae org XU Yanfei SHAN Jianjun GU Chuanchuan et al Constructing and operating synergy model of aquaponic system integrated with soil based cultivation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2023 39 2 150 156 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202210085 http www tcsae org 0 引 言 近年来 国家高度重视水产养殖业绿色发展 提出 要加快推进养殖节水减排 鼓励采取生物净化 种植水 生蔬菜 花卉等技术推动养殖尾水资源化利用或达标排 放 并要求着力探索构建渔业废弃物资源化利用的有效 治理模式 工厂化循环水养殖以生产效率高 受环境制 约小 节水节地等优点受到广泛关注 1 但因养殖密度高 生产过程中会产生大量养殖固液废弃物 其中约 80 为 有机物 2 3 直接排放会导致周边环境污染和水体富营 养化 因此 如何实现废弃物资源化利用是工厂化循环 水养殖亟待解决的问题 鱼菜共生技术 4 将工厂化循环水 养殖与蔬菜无土栽培结合 利用蔬菜吸收硝态氮 实现 生物量增长的同时能够循环利用养殖系统中排放的多余 氮 N 维持养殖水质可控 但未能有效解决鱼粪残饵 等固态废弃物循环利用问题 5 9 目前对养殖固态废弃物 的处理主要有人工湿地 10 堆肥 11 12 生物絮团 13 14 收稿日期 2022 10 12 修订日期 2023 01 10 基金项目 国家重点研发计划资助 2020YFD0900305 中国水产科学研究 院科技创新团队项目 2020TD78 作者简介 徐琰斐 副研究员 研究方向为水产养殖工程 Email xuyanfei 通信作者 倪琦 研究员 研究方向为工厂化循环水养殖 Email niqi 发酵 15 等技术方式 但存在受外界环境影响大 操作和 管理繁琐 处理时间长 人工和土地成本高等不同问 题 16 17 为此 本研究针对水产养殖固液废弃物资源化 利用难题 结合蔬菜大棚生产中的节水 节肥需求 在 鱼菜共生技术基础上 提出一种菜 鱼复合设施种养模 式 对鱼粪残饵等养殖固态废弃物进行发酵矿化 18 并 利用发酵产物以 水肥一体化 方式浇灌土壤种植的蔬 菜 以期实现养殖废弃物全循环利用 1 材料与方法 1 1 菜 鱼复合设施种养系统组成 2020 年在宁夏回族自治区固原市姚磨村建立菜 鱼 复合设施种养中试系统 其布局示意图见图 1 由图 1 可 知 该系统由循环水养殖单元 无土栽培蔬菜单元和土 壤种植单元三部分构成 其中 养殖单元采用高密度循 环水养殖方式 包含鱼池 竖流沉淀器 转鼓式微滤机 移动床生物反应器 发酵装置 紫外杀菌器等水处理设 备 无土栽培蔬菜单元由管道立体栽培装置组成 土壤 种植单元为起垄栽培方式 系统主要设计参数见表 1 1 2 工艺设计 系统工艺流程如图 2 所示 共分为 3 路水循环 一 路为传统循环水养殖单元 recirculating aquaculture system RAS 内循环 养殖鱼池水通过重力自流作用进 入竖流沉淀器和转鼓式微滤机去除固体颗粒物 过滤后 农业生物环境与能源工程 第 2 期 徐琰斐等 菜 鱼复合设施种养系统构建与运行试验分析 151 的水通过重力自流进入泵池 经水泵提升进入移动床生 物反应器去除氨氮和亚硝酸盐等 再通过重力自流进入 紫外杀菌器经杀菌消毒后返回鱼池 完成循环水养殖单 元循环 另一路为 养殖鱼池 蔬菜无土栽培单元 即 传统鱼菜共生 循环 鱼池水经竖流沉淀器 转鼓微 滤机和移动床生物反应器过滤后进入泵池 通过水泵提 升到最高层的水培管道后通过重力逐层向下流 水中以 硝酸盐为主的无机盐离子被蔬菜吸收后 被净化的水体 通过重力自流回到泵池 完成系统循环过程 还有一路 为 养殖鱼池 土壤种植单元 循环 鱼池水经物理过 滤后的鱼粪残饵等为主的固体颗粒物被收集进入发酵 罐 经发酵矿化后 通过水泵抽取浇灌土壤种植单元的 蔬菜 其中 循环水养殖单元 RAS 内循环和 养殖 鱼池 蔬菜无土栽培单元 即传统鱼菜共生 两路水 循环同时进行 2 个水泵 24 h 运行 养殖鱼池 土壤 种植单元 水路循环则根据土壤种植蔬菜生长需要运行 通过水泵不定期抽取发酵罐中的水进行浇灌 整个生产 过程不向外界排放尾水 1 养殖鱼池 2 竖流沉淀器 3 转鼓式微滤机 4 移动床生物反应器 5 发 酵罐 6 集水池 7 紫外杀菌器 8 无土栽培装置 管道立体栽培 9 土壤 种植单元 10 罗茨风机 11 CO 2 脱气装置 可选 1 Fish tank 2 Radial flow clarifier 3 Micro screen drum filter 4 Moving bed biofilm reactor 5 Mineralisation tank 6 Sump tank 7 Ultraviolet sterilizer 8 Hydroponic system Circular pipes of nutrient film technique 9 Soil based cultivation unit 10 Roots blower 11 CO 2 degassing tower Optional 图 1 菜 鱼复合设施种养系统布局示意图 Fig 1 Layout diagram of synergy model of aquaponic system integrated with soil based cultivation 表 1 主要设计参数 Table 1 Main design parameters 参数 Parameter 设计值 Design value 养殖对象 Culture spiece 大口黑鲈 Micropterus salmoides 养殖水体量 Volume of aquaculture water m 3 28 3 设计养殖密度 Culture density kg m 3 50 日平均换水量 Average daily water exchange rate 5 系统水体循环率 Water circulation rate 次 h 1 1 2 种植管道长度 Length of circular pipes m 768 土壤种植面积 Soil based cultivation area m 2 450 1 3 关键配置参数计算 菜 鱼复合设施种养系统关键配置参数包括鱼菜生 物量配置和发酵罐装置容量 鱼菜生物量配置是指鱼和 水培蔬菜生物量配比 以确保水培蔬菜能够吸收利用水 产养殖产生的大部分硝酸盐 实现水培蔬菜生物量增长 的同时能够净化养殖水体 保持系统水质稳定 减少换 水量 发酵罐装置容量是指发酵罐有效容积 以确保其 能够容纳每日排入养殖固态废弃物 并在罐内停留 24 48 h 经发酵后灌溉土壤种植单元 图 2 菜 鱼复合设施种养模式工艺流程图 Fig 2 Process flow chart of synergy model of aquaponic system integrated with soil based cultivation 1 3 1 鱼菜生物量配置 菜 鱼复合设施种养系统主要投入品为鱼饲料 鱼 菜生物量配置主要以投入鱼饲料中的氮 N 元素质量 平衡为基础 根据养殖生物量 饲料投喂量 蔬菜品种 等因素确定 首先应确定系统最大载鱼量 然后根据投 喂系数确定日投喂饲料质量 最后根据单位数量水培蔬 菜对饲料中氮素 主要是硝酸盐 的日需求量 即可得 到与载鱼量相匹配的水培蔬菜生物量范围 19 20 按 式 1 计算 A B T G 1 000 1 式中 A 为匹配蔬菜种植数量 株 B 为本系统设计最大 载鱼量的 80 根据养殖水体量为 28 3 m 3 养殖密度 为 50kg m 3 可得最大载鱼量约为 1 400 kg 则 B 约为 1 100 kg T 为饲料投喂系数 取 1 0 G 为每 100 株 叶菜对氮 N 元素需求量所对应的饲料投喂量 一般 为 300 g 100 株 20 由式 1 及以上参数 得到 A 约为 3 700 综合考 虑蔬菜大棚面积和水培管道布置条件 系统共设置水培 管道 96 根 每根长 8 m 并设 38 个种植孔 实际共种植 水培蔬菜为 3 648 株 1 3 2 发酵装置容量 系统不设置外排水口 发酵罐用于收集全部养殖固 液废弃物 并在发酵后用于土壤种植单元 其体积配置 应满足能完全容纳系统每日养殖尾水排放需求 并使其 停留 24 48 h V 为发酵罐体积量 m 3 按照式 2 计算 V 2 2 V sl V wl 2 式中 V sl 为每次竖流沉淀器向发酵罐中排放固液混合物体 积 根据竖流沉淀器横断面直径约 0 6 m 椎体与圆柱体 可容纳水体高度约 0 8 m计算 V sl 为 0 168 m 3 并按 2 次 d 计 V wl 为微滤机每天反冲洗进发酵罐中的固液混合物体 积 反冲洗泵流量为 1 5 m h 按每天反冲洗约 24 次 农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 152 每次运行 1 min 则为 0 6 m 3 由此得 V 为 1 88 考虑到一定冗余量 发酵罐体积 V 设为 2 m 3 1 4 运行管理 系统于 2020 年 10 月投入使用 并经一个生产周期 试运行 本试验于 2021 年 5 月 21 日开始 至 10 月 28 日结束 共 160 d 养殖对象为大口黑鲈 Micropterus salmoides 水培对象为美国大速生菜 Lactuca sativa 土壤种植蔬菜为普罗旺斯番茄 Lycopersicon esculentum 水产养殖选用的饲料为市售膨化配合饲料 艾菲科 Efico 直径 4 5 mm 日投喂量为体质量的 1 0 21 每天分 2 次投喂 分别为 09 00 和 16 00 竖流 沉淀器每天需要人工干预进行排污 2 次 固定每天 10 00 16 00 点定时向发酵罐中排污至分离器底部不存在明显污 物 转鼓式微滤机根据液位情况进行反冲洗 反冲洗频 率约为 1 次 h 每次运行约 1 min 1 5 水质检测及数据统计方法 水温 溶解氧和 pH 值等常规水质参数使用 YSI pro 1020 型一体化测试仪 量程 溶解氧 Dissolved oxygen DO 0 50 mg L 温度 5 55 pH 值 0 14 检测 其他测定指标为总氨氮 total ammonia nitrogen TAN 亚硝酸盐 NO 2 N 硝酸盐 NO 3 N 及总 磷 total phosphorus TP 和钾离子 K 含量 水体总 氨氮含量采用纳氏试剂分光光度法 亚硝酸盐含量采用 盐酸萘乙二胺分光光度法 硝酸盐含量采用紫外分光光 度法 总磷采用钼锑抗分光光度法 钾离子采用电感耦 合等离子体质谱仪 inductively coupled plasma mass spectrometry ICP MS 指定元素定量法 22 鱼和蔬菜 质量使用磅秤 精度 0 01 kg 进行称量 数据采用 Excel 2016 软件进行处理 2 结果与分析 2 1 水温 溶解氧和 pH 值等基础水质情况 试验期内水温 溶解氧和 pH 值等三项基础水质指标 情况如图 3 所示 平均水温为 21 8 溶解氧平均浓度 为 5 41 mg L pH 值平均为 6 8 图 3a 显示 水温自 5 月底至 8 月总体呈逐步升高的趋势 进入 10 月以后水温 下降明显 夏季 6 月至 8 月 平均水温为 23 1 秋季 9 月至 10 月 平均水温为 19 6 试验养殖对象大口黑 鲈最适水温为 15 30 最佳生长水温为 20 25 23 水培对象美国大速生菜生长适温为 18 22 适宜 pH 值为 6 0 6 9 24 因此 在该试验条件下 能够保证养殖 和种植对象正常生长 图 3b 显示 溶解氧浓度与水温变 化趋势相反 初期随水温升高逐步下降 后期随水温降 低又逐步升高 最低值为 4 25 mg L 仍能处于鱼类安全 生长需求范围内 pH 值在试验第 20 至 30 天左右有一次 明显下降过程 从 6 85 下降到 4 99 后通过及时换水和 加大 Ca OH 2 溶液添加量调节 pH 值 使其回到 7 12 后续始终维持在 6 7 之间 确保同时满足鱼和蔬菜生 长需求 a 水温 a Water temperature b 溶解氧和 pH 值 b Dissolved oxygen and pH value 注 横坐标为试验天数 5 月 21 日为第 0 天 Note The abscissa represents the test days and May 21st is day 0 图 3 试验期间水温 溶解氧和 pH 值变化情况 Fig 3 Variations of water temperature dissolved oxygen and pH value during the experiment 2 2 水体中三态氮含量变化 图 4 为试验期间总氨氮 亚硝酸盐和硝酸盐的质量 浓度变化情况 图 4a 显示 水体中总氨氮和亚硝酸盐质 量浓度在 30 d 左右达到峰值 其中总氨氮质量浓度为 7 99 mg L 亚硝酸盐质量浓度为 0 437 mg L 随后下降 并在 40 d 后始终保持在较低水平 40 d 后的总氨氮质量 浓度范围为 0 14 0 68 mg L 亚硝酸盐质量浓度范围为 0 008 0 057 mg L 图 4b 显示 硝酸盐质量浓度总体保 持稳定 并呈现出一定规律的波动 主要原因是水产养 殖单元产生硝酸盐与水培蔬菜单元吸收硝酸盐的动态平 衡过程 导致硝酸盐浓度呈现规律性变化 此外 硝酸 盐浓度分别在 15 32 53 60 和 100 120 d 出现一段 时期的小幅持续下降过程 分析主要与水培生菜生长周 期有关 试验期间分别于第 0 32 和 91 天定植了水培生 菜 定植后的 10 20 d 生菜恰好处于快速生长期 对硝 酸盐吸收量增加导致其质量浓度在短时期内呈连续下降 趋势 25 总体看 系统中的总氨氮和亚硝酸盐的含量都较 低 总氨氮平均浓度为 0 83 1 46 mg L 亚硝酸盐平 均浓度为 0 035 0 062 mg L 硝酸盐质量浓度范围为 22 1 41 3 mg L 平均浓度为 25 1 8 06 mg L 氮 N 元素主要以硝酸盐形式存在 在满足蔬菜生长需求 的同时不会对鱼类生长造成影响 26 2 3 发酵前后水体中总磷 TP 和钾离子 K 的含量 变化 图 5 为试验期间发酵罐进出水口总磷和钾离子的质 量浓度变化情况 图 5a 显示 发酵前进水口水体中的总 磷质量浓度范围为 3 3 11 2 mg L 之间 平均值为 5 9 2 5 mg L 发酵后出水口水体中的总磷质量浓度范 围为 9 9 23 4 mg L 平均值为 14 2 5 0 mg L 平均 第 2 期 徐琰斐等 菜 鱼复合设施种养系统构建与运行试验分析 153 质量浓度增加 141 图 5b 显示 发酵前进水口水体中 的钾离子质量浓度范围为 9 7 19 5 mg L 之间 平均值为 13 7 3 0 mg L 发酵后出水口水体中的钾离子质量浓度 范围为 10 2 21 4 mg L 之间 平均值为 14 7 4 4 mg L 平均质量浓度增加 7 结果表明 水产养殖系统的固液 废弃物经发酵矿化后 可使其中的磷 钾等大量元素以 离子形式释放到水中 对水体中的总磷含量提升比较明 显 钾离子含量提升不明显 a 总氨氮和亚硝酸盐浓度 a Concentrations of TAN vegetables fish aquaponics recirculating aquaculture system hydroponics soil based cultivation