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第三章循环水产养殖技术

1. 3.1 导言

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   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）。

2. 3.2 检讨水质管理水质检讨

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   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 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。

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   ** 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。

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   ** 图 3.3** 两个液体-气体转移示例图：封闭式罐体中的包装柱式曝气器和表面飞溅器。 包装塔式曝气器允许水流向封闭的容器，通常装有结构介质，空气通过使用风扇或鼓风机强迫。 池塘水产养殖中发现的表面飞溅物也可用于富含气体（通常为氧气）的封闭环境中进行气体转移

   液体-气体曝气器的基础是将水扩散到小水滴，以增加可用于与空气接触的表面积，或创造富含混合气体的大气（图 3.3）。 包装柱式曝气器（柯尔特和布克 1984 年）和低头氧合器（LHO）（瓦格纳等人，1995 年）是循环水产养殖中使用的液-气系统的例子。 然而，在池塘和户外农场中流行的其他液-气系统，如桨轮增气器（Fast 等人，1999 年）也用于 RAS。

   有大量关于气体交换理论和水中气体转移的基本原理的文献，鼓励读者不仅查阅水产养殖和水产养殖工程文本，还要参考工艺工程和废水处理材料，以便更好地了解这些进程。

   3.2.2 氨

   在水性介质中，氨以两种形式存在：对鱼类有毒的非离子形式（NHSub3/Sub）和对鱼类毒性较低的电离形式（NHSub4/SubP+/SUP）。 这两种形式的总氨氮（TAN），其中两种形式之间的比例由 pH 值、温度和盐度控制。 氨在饲养水中作为鱼类蛋白质代谢的产物（Altinok 和 Grizzle 2004）积累，如果不处理，可以达到毒性浓度。 在所研究的 35 种不同类型的淡水鱼中，氨的平均急性毒性值为 2.79 毫克 NH3/L（兰德尔和徐 2002 年）。

   传统上，氨通过硝化生物过滤器在再循环系统中进行处理，这种装置旨在促进微生物群落，将氨氧化成硝酸盐 (NOSuB3/Sub)。 虽然硝化生物过滤器的使用并不是新鲜事物，但现代 RAS 已经看到了生物过滤器设计的简化，只有少数几个经过深入研究的设计得到广泛接受。 过去几年还开发了其他高度创新的处理氨的技术，但并没有在商业上广泛应用（下文提到的例子）。

   氨在生物过滤器中被硝化细菌群体氧化。 硝化细菌是化学营养性生物，其中包括属种类 _ 亚硝糖菌 、 亚硝酸球菌 、 硝基菌 _ 和 _ 硝基球菌 _ (Prosser 1989)。 这些细菌通过无机氮化合物的氧化获得能量（Mancinelli 1996）和生长缓慢（复制速度比异养细菌慢 40 倍），因此，如果有机碳（主要存在于培养中悬浮的生物固体中）很容易被异养细菌竞争水，被允许积累（格雷迪和林 1980 年）。 在 RAS 运行期间，良好的系统管理在很大程度上依赖于通过适当的固体去除技术最大限度地减少悬浮固体（图 3.4）。

   硝化生物过滤器或生物过滤器反应器大致分为两大类：暂停生长和附着生长系统（马龙和 Pfeiffer，2006 年）。 在悬浮生长系统中，硝化细菌群落在水中自由生长，形成细菌群落，这些群落也拥有丰富的生态系统，其中存在原生动物、纤毛虫、线虫和藻类（Manan 等人，2017 年）。 通过适当的混合和曝气，藻类、细菌、浮游动物、饲料颗粒和粪便物质仍然悬浮在水柱中，并自然地凝聚在一起，形成颗粒给 biofloc 培养系统的名字（Brown 等人，2012 年）。 暂停生长系统的主要缺点是，随着工艺水流出反应堆，它们会失去细菌生物量，因此需要一种手段来捕获并返回该系统。 在附着的生长系统中，固体形式（砂粒、石头、塑料元素）被用作基材，以保留反应器内的细菌，因此不需要处理后固体捕获步骤。 通常，与悬浮生长系统相比，附着生长系统为细菌附着提供更多的表面积，并且在其流出过程中不会产生显著的固体，这是 RAS 中使用附着生长生物过滤器的主要原因之一。

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   图 3.4 硝化细菌 _ 硝基菌 _ (左) 和硝基菌 _ (右)。 （左图：博克等人，1983 年。 右图：默里和沃森 1965 年）

   已经努力对生物过滤器进行分类并记录其性能，以便帮助农民和设计人员确定更可靠的系统（Drennan 等人，2006 年；Gutierrez-Wing 和马龙，2006 年）。 近年来，水产养殖业选择了生物过滤器设计，这些设计得到了广泛的研究，因此可以提供可预测的性能。 移动床生物反应器（Rusten 等人，2006 年）、流化砂过滤器生物反应器（2006 年夏季）和固定床生物反应器（Emparanza 2009；Zhu 和 Chen 2002）都是附着生长生物过滤器设计的例子，这些设计已成为现代商业 RAS 的标准。 涓流过滤器（Díaz 等人，2012 年）是另一种流行设计，由于其相对较高的抽水要求和相对较大的尺寸，其受欢迎程度降低。

   3.2.3 生物固体

   RAS 中的生物固体来自鱼饲料、粪便和生物膜（Timmons 和 Ebeling 2010），是最关键和最难控制的水质参数之一。 由于生物固体是异养细菌生长的基质，其浓度的增加可能最终导致氧气消耗增加、生物过滤器性能差（Michaud 等人，2006 年）、水浊度增加，甚至系统部分部分的机械堵塞（Becke 等人，2016 年；Chen等人，1994 年；时装设计师等人，2009 年）。

   在 RAS 中，生物固体通常按照其大小和去除能力通过某些技术进行分类。 在 RAS 中产生的固体总部分中，可沉降的固体是大于 100 μm 的固体，可通过重力分离去除的固体。 悬浮固体，尺寸从 100 微米到 30 微米不等，是指那些没有脱离悬浮液，但可以通过机械（即筛选）手段去除的固体。 大小小于 30 微米的细固体通常是不能通过筛选去除的固体，必须通过物理化学过程、膜过滤工艺、稀释或生物澄清等其他手段加以控制（Chen 等人，1994 年；Lee 2014；夏日和霍赫海默 1997；蒂蒙斯和埃伯林2010 年；沃尔德等人，2014 年）。 控制可沉降和悬浮固体的技术是众所周知和发展的，关于这个问题的文献也有大量的文献。 例如，使用双排水罐、涡流分离器、径向流分离器和沉降盆是控制可沉降固体的常用手段 (Couturier 等人，2009 年；戴维森和夏季，2004 年；德卡瓦略等人，2013 年；Ebeling 等人，2006 年；Veerapen 等人，2005 年)。 显微屏过滤器是悬浮固体物质控制中最常用的方法（Dolan 等人，2013 年；Fernandes 等人，2015 年），通常用于工业用单一技术控制可沉降和悬浮固体。 其他流行的固体捕获装置包括深度过滤器，如珠子过滤器（Cripps 和 Bergheim 2000）和快速砂过滤器，这些过滤器在游泳池应用中也很受欢迎。 此外，在文献中也提供了防止固体积聚在储罐、管道、油槽和其他系统组件中的设计指南（戴维森和夏日，2004 年；乐康 2013；黄和皮德拉希塔 2000）。 最后，RAS 中的细固体通常通过臭氧化、生物澄清、泡沫分离或这些技术的组合处理。 在过去的几年中，RAS 开发的重点是更好地了解如何控制细固体部分，并了解其对鱼类福利和系统性能的影响。

   3.2.4 二氧化碳 (二氧化碳)

   在 RAS 中，溶解气体的控制不会随着向鱼提供氧气而停止。 其他溶解在饲养水中的气体如果不加控制，可能会影响鱼类福利。 高溶解二氧化碳 (COSub2/Sub) 浓度在水中抑制 COSub2/Sub 从鱼的血液中的扩散。 在鱼类中，增加 COSub2/Sub 在血液中降低血液的 pH 值，反过来，血红蛋白的氧气亲和力（诺加 2010 年）。 高 COSub2/Sub 浓度也与鲑鱼的器官肾钙质病、系统性肉芽肿和白垩沉积有关（Noga 2010 年）。 COSub2/Sub 在 RAS 中起源于鱼类和细菌异养呼吸的产物。 作为一种高溶解性气体，二氧化碳不像氧气或氮那么容易达到大气平衡，因此，它必须与高容量的空气接触，低浓度 COSub2/Sub，以确保转移出水（Summerfelt 2003）。 作为一般规则，供应纯氧的 RAS 需要某种形式的二氧化碳剥离，而提供氧气补充的 RAS 不需要活性 COSub2/Sub 剥离（Eschchar 等人，2003 年；Loyess 和马龙 1998 年）。

   理论上，任何向大气开放的气体转移/曝气装置都会提供某种形式的 COSub2/Sub 剥离。 然而，专用的二氧化碳剥离装置要求大量空气与工艺用水接触。 COSub2/Sub 剥离器的设计主要集中在级联式设备上，如级联曝气器、涓流生物过滤器，以及更重要的是包装柱曝气器（柯尔特和布克 1984；莫兰 2010；Summerfelt 2003），这已成为商用 RAS 纯氧运行的标准设备。 尽管包装柱曝气技术的发展在过去几年中取得了进展，但对该装置所做的大部分研究都侧重于了解其在不同条件下的性能（例如淡水与海水）以及设计变化，如高度、包装类型和通风率。 已知液压装载速率（单位面积单位流量）的影响对脱气器的效率有影响，但需要进一步研究才能更好地理解这一设计参数。

   3.2.5 总气体压力

   总气体压力 (TGP) 被定义为溶解在水溶液中的所有气体的部分压力之和。 气体的溶解性越低，它在水溶液中占据的 “房间” 就越多，因此，它在其中施加的压力就越大。 在主要的大气气体（氮气、氧气和二氧化碳）中，氮的溶解性最低（例如，溶性比氧气低 2.3 倍，可溶性比二氧化碳低 90 倍以上）。 因此，氮对总气压的贡献超过任何其他气体，但不会被鱼类或异养细菌消耗，因此除非剥离，否则会在水中积聚。 同样重要的是，如果气体转移过程不允许多余气体从溶液中排出，氧气也会导致高 TGP。 这方面的一个典型例子是池塘具有光自营养活性。 光自动物（通常是进行光合作用的植物生物）将氧气释放到水中，而一个安静的水面可能无法提供足够的气体交换，使多余的气体逃离到大气中，因此可能会出现过饱和。

   鱼类需要总气体压力等于大气压力。 如果鱼在总气压高的情况下呼吸水分，多余的气体（通常是氮气）会从血液中排出，形成气泡，对鱼类的健康造成严重影响（Noga 2010）。 在水产养殖中，这被称为气泡疾病。

   要避免高 TGP，需要仔细检查 RAS 中可能发生气体转移的所有区域。 高压氧气注入而不含脱气（允许多余的氮气从水中排出）也可能导致高 TGP。 在具有对 TGP 非常敏感的鱼类系统中，使用真空脱气剂是一种选择（柯尔特和 Bouck 1984）。 然而，使用二氧化碳剥离器（也可剥离氮气）和小心给药技术氧气，使用不受控制的气体加压区域的 RAS，足以使 TGP 在商业 RAS 中保持安全水平。

   3.2.6 硝酸盐

   由于硝酸盐的毒性相对较低，硝酸盐是硝酸化的最终产物，通常是 RAS 控制的最后一个参数（戴维森等人，2014 年；施罗德等人，2011 年；范赖恩 2013 年）。 这主要是因为它在鱼鳃膜中的渗透性低（卡马戈和阿隆索，2006 年）。 硝酸盐的毒性作用与亚硝酸盐相似，影响载氧分子的能力。 对 RAS 中硝酸盐浓度的控制传统上是通过稀释来实现的，通过有效控制液压保留时间或每日汇率。 然而，利用脱硝反应器对硝酸盐进行生物控制是 RAS 研究和开发的一个越来越多的领域。

   对硝酸盐的耐受性可能因水生物种和生命阶段而异，盐度对其毒性具有减轻作用。 RAS 操作员必须了解硝酸盐接触的慢性影响，而不是急性效应，因为在正常的 RAS 操作期间，急性浓度可能无法达到。

   3.2.7 碱度

   碱性被广义定义为水的 pH 缓冲能力（蒂蒙斯和埃伯林 2010 年）。 碱度控制在 RAS 中非常重要，因为硝化是一种酸性形成过程，会破坏它。 此外，硝化细菌需要恒定的碱性供应。 RAS 中的低碱度将导致 pH 值波动和硝化生物过滤器故障（夏天等人，2015 年；柯尔特，2006 年）。 RAS 中的碱性添加将取决于系统中的硝化活性，这反过来又与添加饲料有关，由化妆品（每日交换）水的碱度含量以及脱硝活性的存在，从而恢复碱度（van Rijn 等人，2006 年）。

3. 3.3 区域办事处的发展

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   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).

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   ** 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）。

   已经成功地证明了阿氨氧反应堆原型（Tal 等人，2006 年，2009 年），同时怀疑在海洋脱硝化系统中发生变氨氧化活性（Klas 等人，2006 年）。 欧洲 FP7 项目 DEAMNRECIRC 还成功地创建了用于冷水和海水养殖应用的厌氧反应堆原型。 然而，作者尚未确定该技术的商业应用。

   ** 氨化学去除 **

   目前正在提出基于离子交换和电化学氧化过程的氨去除系统，作为硝化生物过滤器的替代品。 离子交换过程依赖于使用吸附材料，如分子筛或离子选择性树脂从水中提取溶解的氨（Lekang 2013），而电化学氧化工艺则通过多种复杂的氧化反应将氨转化为氮气（Lahav 等人，2015 年）。 相比之下，离子交换工艺适用于离子浓度较低的水域（即淡水），而电化学氧化工艺则利用水中存在的氯离子生成活性氯，这些氯很容易与氨发生反应（Lahav 等人，2015 年），因此适用于氯离子浓度较高的水域（即咸水和海洋水域）。

   尽管离子交换工艺并非新鲜工艺，但它们在 RAS 中的应用受到限制，因为它们随着时间的推移保持性能的能力：过滤材料最终会变得 “饱和”，失去其吸附能力，因此必须再生。 Gendel 和 Lahav（2013 年）提出了一种新的离子交换型氨工艺方法，与利用电化学氧化技术的创新吸附剂再生工艺相结合。 氨的电化学氧化是近年来越受到关注的一个过程，已经对几个概念进行了研究并在商业上推出，例如在西班牙的 EloxIRAs。

   限制这些技术应用于商用 RAS 的因素包括：在离子交换过程中，经济性能差，难以按需再生大量吸附剂材料（Lekang 2013），需要添加化学试剂的系统复杂性，高电力消耗和高度悬浮固体去除 (Lahav 等人, 2015 年), 这在大规模 RAS 中往往是不切实际的. 在氨电氧化过程中，需要主动去除的有毒反应物种的生产是其最重要的限制因素，尽管它们的固体控制要求很高，通常只有加压机械过滤器才能实现，这对于大流量 RAS 来说也是一个挑战。和低压力。

   3.3.3 精细固体控制

   细固体是 RAS 中的主要固体组分，其中颗粒\ 30 μm 形成培养水中悬浮固体总量的 90% 以上。 最近的调查发现，RAS 培养水中存在的固体有 94% 以上的体积为\ <20 微米或 “细”（Fernandes 等人，2015 年）。 细固体的积累主要发生在较大的固体绕过机械过滤器（效率不高），最终被泵分解，与表面的摩擦和细菌活性。 一旦固体大小减小，传统的机械过滤技术就变得毫无用处。

   近年来，不断探讨细固体的生产、控制、鱼类福利效应和系统性能影响。 最初通过渔业研究对细固体对鱼类福利的影响进行了调查（Chen 等人，1994 年）。 然而，直到最近，RAS 中的细固体对鱼类福利的直接影响尚未得到彻底调查。 令人惊讶的是，Becke 等人（2016 年）和 Fernandes 等人（2015 年）对虹鳟进行的分别研究表明，在持续 4 周和 6 周的暴露试验中，悬浮固体浓度高达 30 毫克/升的体系中没有任何负面福利影响。 尽管有这些研究结果，RAS 中细固体积聚的间接影响众所周知（Pedersen 等人，2017 年），并据报道主要与机会性微生物的增殖有关（Vadstein 等人，2004 年；Attramadal 等人，2014 年；Pedersen 等人，2017 年），因为细固体提供了高表面区域基底细菌殖民。 细固体积聚的另一个重要负面影响是浊度增加，这使得鱼类难以进行目视检查，并可能妨碍光周期控制策略，因为这些策略需要在水柱中进行光渗透。 现代 RAS 采用的精细固体控制策略包括臭氧化、蛋白质脱脂、浮选、滤芯过滤和膜过滤（Couturier 等人，2009 年；Cripps 和 Bergheim 2000；夏季和霍赫海默 1997；Wold 等人，2014 年）。 蛋白质脱脂器，也称为泡沫分离器，也是相对普遍的精细固体控制装置，特别是在海洋系统中（Badiola 等人，2012 年）。

   3.3.4 臭氧化

   自 1970 年代和 1980 年代以来，已经存在关于臭氧应用的知识（O<Sub3/Sub）（夏季和霍赫海默尔 1997 年）。 然而，其应用并没有像硝化生物过滤器或机械过滤器等其他工艺那样广泛（Badiola 等人，2012 年）。 除了精细的固体处理之外，臭氧作为一种强大的氧化剂，可用于 RAS 中去除微生物、亚硝酸盐和腐殖物质（Gonçalves 和 Gagnon 2011）。 近年来，人们对淡水和海洋空间污染物中所应用的臭氧潜力和局限性的了解有所增加。 重要的是，若干出版物（李等人，2015 年；Park 等人，2013 年，2015 年；Schroeder 等人，2011 年；夏季，2003 年；蒂蒙斯和埃伯林 2010 年）确认了可以安全实现的臭氧剂量，结论是臭氧剂量超过建议限值 (1) 不会进一步改善水质；(2) 可能造成负面福利影响，尤其是在海水系统中，臭氧过多会导致有毒残余氧化剂的形成。 在冷水 RAS 中，确定了对工艺流进行完全消毒的臭氧要求（Summerfelt 等人，2009 年）。

   臭氧化提高了显微屏滤镜的性能，并最大限度地减少了影响水色的溶解物质的积累（Summerfelt 等人，2009 年）。

   然而，过度臭氧化可能对养殖鱼造成严重影响，包括组织病理组织损伤（理查森等人，1983 年；Reiser 等人，2010 年）和喂食行为的改变（Reiser 等人，2010 年）以及氧化应激（Ritola 等人，2000 年，2002 年；利文斯通，2003 年）。 此外，臭氧副产品可能是有害的。 溴酸盐是其中之一，具有潜在毒性。 探戈和加农（2003 年）显示，臭氧化的海洋 RAS 含有溴酸盐浓度，可能损害鱼类健康。 Reiser 等人（2011 年）研究了亚致命臭氧产生的慢性氧化剂（OPO）毒性，同时 Good 等人（2011 年）评估了虹鳟鱼在臭氧化物和非臭氧化物 RAS 中的健康和福利状况。 在臭氧化 RAS 中将虹鳟鱼提高到市场规模，改善了鱼的性能，但不会对鱼类的健康和福利产生显著影响，同时高 OPO 剂量影响幼鱼的福利。

   3.3.5 脱硝化

   在大多数循环水产养殖系统中，硝酸盐是硝酸化的最终产物，往往会积累。 这种积累通常是通过稀释（在系统中引入新的水）来控制的。 通过稀释控制硝酸盐可能是一个限制性因素，因为环境法规、新水供应不足、处理进水和污水流的成本，或与新水冷却或加热有关的费用。

   RAS 中硝酸盐的生物去除可以通过传感厌氧细菌在碳和硝酸盐存在的情况下使用异常途径将硝酸盐转化为氮气（van Rijn 等人，2006 年）。 因此，脱硝反应堆是一种生物反应堆，通常在厌氧条件下运行，通常装有某种碳源，如乙醇、甲醇、葡萄糖、糖蜜等。自 1990 年代以来，一直在开发脱硝技术（van Rijn 和 Riviera 1990），但它在再循环水产养殖业中的普及率在过去几年不断增加, 提供了创新的脱硝反应器解决方案.

   脱硝化系统在水产养殖中最显著的应用之一是 “零交换” RAS（Yogev 等人，2016 年），该系统采用厌氧消化系统中生产的生物固体，生产挥发性脂肪酸（VFA），然后被脱硝剂用作碳源。 Klas at al.（2006 年）开发了一种 “单一凝土” 脱硝系统，通过生物固体生产 VFA 和脱硝化发生在一个单一的混合反应堆中。 Suhr 等人（2014 年）进一步开发了单水泥概念，将其适用于养鱼污水的末端处理，并增加了一个额外的步骤，将 VFA 生产与水解罐中的脱硝反应堆分离开来。 这些工作为使用水产养殖生物固体而不是昂贵的无机碳来进行脱硝化的可能性提供了宝贵的信息。 此外，Christianson 等人（2015 年）研究了自营养、硫基反硝化反应堆作为常规异养反硝化反应堆替代品的有效性。 自营养反应堆产生的生物量（固体）较少，可以供应硫粒子，这比传统的无机碳来源便宜。

   VFA 也是生产用于生产可降解塑料的聚氢烷酸盐（PHA）等生物聚合物的前体成分（Pittmann 和 Steinmetz，2013 年）。 这可能使采用厌氧活性污泥工艺的养殖场成为废水处理厂 “生物精炼厂” 概念的一部分.

   3.3.6 微生物控制

   微生物群落是水生生态系统的重要组成部分。 在水产养殖生产系统中，它们在养分回收、有机物降解以及疾病治疗和控制方面发挥着重要作用（Zeng 等人，2017 年）。 开发高效、高效、生物安全和无疾病的 RAS 需要全面了解所有生命支持过程，从物理和化学（气体转移、热处理、臭氧、紫外线照射、pH 值和盐度调整）到生物过程（硝化、脱硝化）和有氧异营养活动）。 虽然可以控制物理和化学过程，但生物过滤系统依赖于微生物群落之间的相互作用及其环境之间的相互作用，作为养分输入 (鱼废物输出) 的结果，因此不易控制 (Schreier 等人，2010 年)。 最近使用分子工具进行的研究不仅有助于评估 RAS 中的微生物多样性，而且还提供了一些深入了解它们的活动，从而更好地了解微生物群落的相互作用。 这些方法肯定会提供新的 RAS 流程安排，并深入了解新的流程和工具，以加强和监测这些系统 (Schreier 等人, 2010 年)。 目前对淡水和海洋系统中 RAS 生物滤波器微生物多样性的了解是基于使用 16S rRNA 和功能性基因特异探针或 16S rRNA 基因库而不是基于培养技术的研究（表 3.1）。

   对 RAS 微生物群时空动态的了解仍然有限（Schreier 等人，2010 年），缺乏维持或恢复有益微生物群落的潜在解决方案（Rurangwa 和 Verdegem，2015 年）。 除了可净化水的微生物群落之外，RAS 中的微生物群也可以包含病原体或产生引起异味的化合物（Guttman 和 van Rijn，2008 年）。 鉴于在操作过程中很难治疗疾病，而不会对有益微生物群产生负面影响，RAS 中的微生物管理是从启动到整个生产过程的必要条件。 微生物通过不同途径引入 RAS：化妆水、空气、动物媒介、饲料、鱼放养、肮脏设备，并通过工作人员或访客（Sharrer 等人，2005 年；Blancheton 等人，2013 年）。 另一方面，特定微生物也可以有意地应用于引导微生物殖植，以改善系统性能或动物健康（Rurangwa 和 Verdegem，2015 年）。

   ** 表 3.1** 与 RAS 生物过滤装置和参与微生物有关的主要活动。 （来自施赖尔等人，2010 年）

   表 海神 tr 类 = "标题” 进程/th 三次行动 大肠杆菌 = "2" 微生物 /th /tr tr TD/td TD/td TD/鲜水/TD TD海运/TD /tr /thead Tbody tr 类 = "偶数” 化/TD TD/td TD/td TD/td /tr tr 类 = "奇数” 氧化/td td NHSUB4/分支 + /SUP + 1.5 分/分 → 2HSUP +/SUP + HSub2/SubO /td 体/i/td 第二硝基体单胞菌 SP. /i/td /tr tr 类 = "偶数” TD/td TD/td TD/td 硝基体菌低温分子 /i/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td TD/td TD/td 欧洲/i/td /tr tr 类 = "偶数” TD/td TD/td TD/td //i/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td TD/td TD/td 转移动/i/td /tr tr 类 = "偶数” 酸盐氧化/td td 二次供应/SUP + H2O → 第三次供应/SUP + 2 次以上 -/sup

   /td 迪尼特龙螺旋菌 /i/td TD/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td TD/td 迪尼特罗斯海洋/伊苏巴/sup/td 迪尼特罗斯海洋/伊苏巴/sup/td /tr tr 类 = "偶数” TD/td TD/td 迪尼特罗斯莫斯科/伊苏帕/sup/td 迪尼特罗斯莫斯科/伊苏帕/sup/td /tr tr 类 = "奇数” TD化/TD TD/td TD/td TD/td /tr tr 类 = "偶数” /TD td 本次级方案/分支机构 + 1.6 个分支机构/分支机构 + 1.6 个小时 +/sup

   → /td TD/td /i/td /tr tr 类 = "奇数” td（依赖硫化物）/td td SOUB4/次级单位/单位 + 0.8nSub2/ 子 (g) + 0.8 小时/次级单位 /td TD/td Tdithiothrix 弟子/伊苏巴/Sup/td /tr tr 类 = "偶数” TD/td TD/td TD/td /isupa/Sup/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td TD/td TD/td 二氢化合物 /i/td /tr tr 类 = "偶数” TD/TD 异性物质 td 5 分钟/次级食品 /SUP + 8 个能源/分支机构/SUP + 3 个小时 +/sup

   → /td TD/td 单胞菌荧光 /i/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td td 10小组/分支机构/单位/单元+4NSub2/ 分 (g) + 4 小时/次级 /td 双胞胎单胞菌。 /i/td /i/td /tr tr 类 = "偶数” TD/td TD/td 三角金属属 /i/td 双胞胎单胞菌。 /i/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td TD/td TD/td TDI 发生反剂/i/td /tr tr 类 = "偶数” 二分/td td NOSuB3/分支/SUP + 2 六分钟 + /SUP + 4 小时/分 → NHSU4/ 分支机构 +/SUP + 3 小时/次级机构 /td TD/td Tdiia 各种蛋白细胞和原子细胞/I/TD /tr tr 类 = "奇数” 氨 (DNRA) /td TD/td TD/td TD/td /tr tr 类 = "偶数” Tdan氧化体/td td NHSUB4/分支机构 +/SUP + 缺席/分支机构 /SUP → NSub2/Sub (g) + 2 小时 2 分 /td TD/td T-细胞切除菌株 spp. /i/td /tr tr 类 = "奇数” 酸氧化（变压器）/td TD/td TD/td 二溴联苯醚 /isupa/sup/td /tr tr 类 = "偶数” 酸盐减少/td td SO4SUP2/SUP + 中浓缩/次级食品/SUP + 3HSUP + /SUP → /td TD/td 二硫磺病毒 SP. , /i/td /tr tr 类 = "奇数” TD/td 技术人口支助署-/SUP +2HCOS 分支机构/分支机构 /SUP +3HSUP TD/td 二硫代硫磺病毒 SP. , /i/td /tr tr 类 = "偶数” TD/td TD/td TD/td TDI 无菌生产者 /i SP., iBacteos SP. /i/td /tr tr 类 = "奇数” 硫化硫化物氧化 td HSSUP /SUP + 2OB2/ 子 → 硫磺酸/亚磺酸/SUP + HSUP +/SUP /td TD/td 二硫霉菌螺旋菌 /i/td /tr tr 类 = "偶数” TD-甲烷发生 td 4hSub2/sub + 六氯环己烷 + /SUP + 六氯化碳素/次级服务/SUP → 三分之四/子 (g) + 3Hsub2 /td TD/td TDD 甲烷原古菌 [米佐扬和毛, 未发表] /td /tr /tbody /表格

   单根据部分16S rRNA 基因或功能基因序列鉴定的超微生物

   抑制病原体殖植的方法之一是使用益生菌，这些益生菌可能会竞争营养物质，产生生长抑制剂，或者淬火细胞间的通信（仲裁感知），以便在生物膜内沉降（Defoirdt 等人，2007 年，2008 年；Kesarcodic-Watson 等人，2008 年）。 益生菌包括 _ 芽孢杆菌 、 假单胞菌 _（克萨科德-沃森等人，2008 年）和 _ 玫瑰菌 _ spp。 (Bruhn 等人, 2005 年), 与这些相关的细菌也在 RAS 生物过滤器中发现 (Schreier 等人, 2010 年) (表 3.1). 为了获得管理 RAS 微生物稳定性所需的信息，Rojas-Tirado 等人（2017 年）确定了影响细菌动态变化的因素，其丰度和活性。 他们的研究表明，在水相中，细菌活性不是一个简单的可预测参数，因为相同 RAS 中的硝酸盐-N 水平显示出意外的突然变化/波动。 RAS 中的悬浮颗粒提供了可被细菌殖民的表面积。 随着再循环强度的增加，更多的颗粒积聚，从而有可能增加系统的细菌承载能力。 Pedersen 等人（2017 年）探讨了淡水 RAS 中颗粒总面积（TSA）与细菌活性之间的关系。 它们表明，在所有具有低到中等循环强度的系统中，TSA 与细菌活性之间存在着强烈、正、线性相关性。 然而，在再循环强度最高的系统中，这种关系显然不再存在。 这很可能是由于维持自由生存细菌种群的溶解营养物质的积累，和/或悬浮胶体和细颗粒直径小于 5 微米，这些物质在研究中没有得到特征，但可能提供相当大的表面积。

   在 RAS 中，各种化学化合物（主要是硝酸盐和有机碳）在饲养水中积累。 这些化学亚层调节了生物过滤器上细菌群落的生态生理学，并对其硝化效率和可靠性产生影响。 Michaud 等人（2014 年）研究了两种不同生物过滤器中细菌群落结构和主要分类群相对丰度的变化，得出结论认为，细菌群落适应流入水变化的动态和灵活性似乎与生物过滤器的性能有关。 提高 RAS 可靠性和可持续性的关键方面之一是适当管理生物过滤器细菌种群，这与 C (碳) 的供应量直接相关（Avnimelech，1999 年）。 值得注意的是，RAS 具有实际上有助于微生物稳定性的特性，包括较长的保水时间和较大的表面积用于细菌生长的生物过滤器，这可能会限制饲养水中机会微生物增殖的机会（阿特拉马达尔等人，2012 年 a)。

   Attramadal 等人（2012 年 a）将具有中度臭氧（至 350 mV）的 RAS 中微生物群落的发育与同一组大西洋鳕鱼 Gadus morhua 的常规流通系统（FTS）进行了比较。 他们发现细菌组成的变异性较小的 RAS 复制鱼缸之间的鱼缸之间的 FTS。 RAS 具有更均匀的微生物群落结构，物种多样性较高，机会主义者的比例也较低。 尽管接触物理化学水质明显较差，但 RAS 中的鱼的性能比其在 FTS 中的控制要好。 在研究中度臭氧或高强度紫外线辐照对海鱼幼虫 RAS 微生物环境的影响时，Attramadal 等人（2012 年 b）强调，对这种幼虫采用的 RAS 可能不应包括强烈的消毒，因为它会导致细菌数量的减少，这有可能造成微生物群落的不稳定. 此外，研究结果证实了 RAS 作为一种微生物控制策略的假设。

   RAS 和微生物成熟作为 K-选择微生物群落的工具是 Attramadal 等人（2014 年）的研究主题，他们假设在 K-战略家（成熟的微生物群落）为主的水中养殖的鱼幼虫将表现更好，因为它们不太可能接触机会性（R 选择）微生物，并发展不利的宿主-微生物相互作用。 实验结果表明, 采用 K 选择细菌具有很大的潜力, 这是一种便宜和简单的方法, 可用于各种新的或现有的水产养殖系统。 水处理管理（有机负荷和水成熟）的小变化给鱼缸中的微生物群显著不同（Attramadal 等人，2016 年）。 另一方面，腐殖性物质（HS）是天然有机化合物，包括各种高有机重量的色素聚合物。 它们是复杂有机化合物降解的最终产品，如果丰富，则会产生典型的棕色至深褐色的土壤和水色（Stevenson 1994 年）。 在零排放水产养殖系统中，在养殖水和鱼血中检测到 HS 类物质（Yamin 等人，2017a）。 据报告，HS 对接触有毒金属的鱼类产生了保护作用（Peuranen 等人，1994 年；Hammock 等人，2003 年）和毒性氨和亚硝酸盐浓度（Meinelt 等人，2010 年）。 此外，还提供了证据证明它们对鱼类病原体 — — 寄生虫 — — 的真菌效应（Meinelt 等人，2007 年）。 在暴露于 (a) 湿润丰富的水和再循环系统中的污泥、(b) 合成腐殖酸和 (c) 富含莱纳迪的湿润提取物中，感染率分别降低到 14.9%、17.0% 和 18.8%，而对照对照中的感染率为 46.8%治疗 (亚明等人, 2017 年 b). 同样，由于孔雀鱼（网状网状鱼 _），感染单基因 _陀螺杆菌 _ 和 Dactylogyrus sp. 与湿润丰富的培养水和饲料接触，降低了两个寄生虫的感染率（被感染鱼的百分比）和感染强度（每只鱼的寄生虫）(2007 年 c)

   据认为，RAS 中硝化反应堆系统微生物生态学领域的基础研究可能提供创新，大幅度改变和/或提高反应堆的性能。 到目前为止，反应堆中的微生物群落仍然难以控制（Leonard 等人，2000 年，2002 年；米绍等人，2006 年，2009 年；施雷尔等人，2010 年；罗哈斯-蒂拉多等人，2017 年），该系统效率低下的许多原因是这一点（马丁斯等人，2010 年 b）。

   3.3.7 能源效率

   在循环水产养殖系统中，鱼类生产的经济可行性部分取决于最大限度地减少运营这些设施的能源需求。 RAS 需要比开放式系统更高的技术基础设施，因此 RAS 中的能源成本已被评为主要限制因素，可能妨碍该技术的广泛应用（Singh 和 Marsh 1996）。 在与 RAS 电力使用有关的所有费用中，通风和水冷却通常是最重要的。 在室内 RAS 中，建筑通风对于控制湿度和二氧化碳水平至关重要。 湿度控制不良可能导致建筑结构迅速恶化，而大气中的二氧化碳积累将影响 RAS 中运行的二氧化碳剥离过程，并导致工人头晕。 为了在设施内保持可接受的气氛，通风或空调设备广泛运行（Gehlert 等人，2018 年）。 这些通风系统可配备减少能源使用的措施。 此外，为了开发环境上可持续的 RAS，可以假定能源是一个关键的驱动参数，特别是能源可以被视为一项重要指标。 Kucuk 等人（2010 年）对 RAS 进行了高能性能分析，以促进 RAS 的能源管理。 为了提高 RAS 的能量性能，他们建议根据该系统的鱼类生产能力，优化和改进部件的运行条件，特别是泵的运行条件。

   为了提高效率，RAS 经理需要准则和工具来优化生产。 能源审计可以提供可用于决策的真实数据。 Badiola 等人（2014 年）对 RAS 鳕鱼系统持续 14 个月的总能耗（千瓦时）进行了调查，并确定热泵是需要高水热处理的饲养鱼类的最大能源消费者。 Gohlert 等人（2018 年）的结论是，通风装置为 RAS 节能提供了巨大潜力。 大多数情况下，当设施中的气候参数保持在所需范围内时，空气流量可以保持在较低水平以节约能源。 此外，RAS 的节能措施可能包括：含有能源性能数据的软件、用于加热水的替代能源和使用变频器（Badiola 等人，2014 年）。

4. 3.4 动物福利问题

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   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）。

   除了满足生理需要之外，FAWC（2014 年）还建议鱼类 “需要足够的空间，以最小的疼痛、压力和恐惧表现出最正常的行为”。 因此，饲养密度是一个表明物种差异的重要性和影响鱼类福利的复杂互动因素网络的存在的领域。 Calabrese 等人（2017 年）研究了后大西洋鲑鱼（Salmosalar L.）的放养密度限值，重点是生产性能和福利，其中观察到鱼翅损伤和白内障在 100 kg mSup-3/sup 及以上的放养密度。 然而，饲养密度对福利措施的影响因物种而异。 例如，如皮质醇、与生俱来的免疫反应和与压力相关的基因的表达所示，海鲈 (双中拉布拉克 ) 在高密度下表现出较高的应激水平（Vazzana 等人，2002 年；Gornati 等人，2004 年）。 少年金头鲷（S. aurata_）的高放养密度也会产生慢性压力，这反映在皮质醇水平高、免疫抑制和新陈代谢改变（Montero 等人，1999 年）。 与此形成对照的是，在高密度储存时，北极炭 (沙尔维纳斯 _) 饲料和生长良好，同时在低密度下，食物摄入量和生长率较低（Jorgensen 等人，1993 年）。

   饮食也可以在压力敏感性发挥重要作用。 非洲鲶鱼（Claras gariepinus）在早期发育期间接受高补充抗坏血酸（维生素 C）的饮食表现出较低的应激敏感性（Merchie 等人，1997 年）。 另一方面，普通鲤鱼（Cyprinus carpio），喂养大剂量的维生素 C，显示出更明显的皮质醇（伴随压力释放的类固醇激素），因应压力增加，相比鱼喂养的建议水平的维生素（Dabrowska 等人，1991 年）。 Tort 等人（2004 年）表明，改良的饮食提供补充剂量的维生素和微量矿物质来协助免疫系统，可能有助于共同减少冬季疾病综合征的一些影响。 阿什利（2007 年）审查了与动物福利和压力有关的其他常见水产养殖疾病。

   3.4.3 工艺水中物质的积累

   密集型和 “零放电” RAS 具有显著的环境优势。 然而，在不断回收的水中养殖鱼类引起的问题是，鱼类释放到水中的物质是否会累积，从而导致生长率下降和福利受到损害。 Martins 等人利用 RAS 养殖鱼类的生长、喂食行为和应激反应与不同累积物质（TAN、NOSuB2/Subn 和 NOSuB3/Subn、正磷酸磷）进行了比较，研究了尼罗河罗非鱼生长迟缓的存在性。。 结果表明，大个体在累积最高的 RAS 中有生长迟缓的趋势，而小个体，相反，在这种系统中，基于高水平的血糖作为一个压力指标的增长较好。 同一作者对鲤鱼胚胎和幼虫进行的一项类似研究（Martins 等人，2011 年）发现，研究结果表明，物质（骨磷酸磷、硝酸盐、砷和铜）的浓度可能会影响其发育。 尽管有这些结论，提交人声称，总体而言，与其他研究相比，研究报告中记录的死亡率和畸形百分比相对较低。 在这两项研究中，作者在脱硝反应堆的帮助下使用了水交换率非常有限的系统（每公斤饲料每天 30 升新水）。 同样，古德等人 2014 年，2017 年研究了冷水沙蒙类 RAS 中激素的积累。 他们在 2014 年的研究发现水交换率与激素积累（睾丸激素除外）之间既没有关系，也没有激素积累与大西洋鲑鱼的早熟成熟之间的联系，但建议进一步研究。 他们在 2017 年的研究重点是在同一 RAS 中使用臭氧减少激素，但在类固醇激素积累方面没有结论性结果，但臭氧还原了雌二醇的积累。

   另一方面，"零交换" RAS 中腐殖物质的积累已证明对细菌感染（Yamin 等人，2017a）和外寄生虫（Yamin 等人，2017b）具有保护作用。 腐殖酸也被证明可降低氨和亚硝酸盐毒性（Meinelt 等人，2010 年）。 这对于使用臭氧作用的 RAS 产生了影响，因为臭氧可以改善水质，同时牺牲腐殖物质的明显有益影响。

   3.4.4 健康与行为

   良好福利的基本特点是健康状况良好，没有疾病，而且在水产养殖方面具有良好的生产力（特恩布尔和卡德里 2007 年；Volpato 等人，2007 年）。 虽然动物的身体健康对于良好福利至关重要（阿什利，2007 年；Duncan 2005 年），但动物健康并不一定意味着其福利状况是充分的。 因此，福利是一个比健康概念更广泛和更全面的概念。 生理和行为方面的措施有着内在的联系，相互依赖，以便对福利作出正确解释（Dawkins，1998 年）。

   动物的行为以及在我们的情况下，鱼类的行为代表着对环境的反应，因为鱼类认为环境，因此行为是鱼类福利的一个关键因素。 觅食行为、刺激通风活动、侵略、个人和团体游泳行为、陈规定型和异常行为等方面的变化与水产养殖中的急性和慢性压力因素有关，因此可能被视为福利不良的指标 (Martins 等人，2011 年)。 行为福利指标具有快速易于观察的优点，因此是 “农场” 使用的好选择。 常用作福利指标的行为实例包括食物预期行为、饲料摄入量、游泳活动和通风率的变化（Huntingford 等人，2006 年）。 然而，Barreto 和 Volpato（2004 年）告诫使用通风频率作为鱼类压力的指标，因为尽管通风频率是对干扰的非常敏感的反应，但它的用途有限，因为它没有反映刺激的严重性。

   3.4.5 噪声

   养殖鱼在相同颜色和相同形状的同一水槽中经过长时间培养，并接触到相同的潜在有害的背景噪音（Martins 等人，2012 年）。 密集型水产养殖系统，特别是再循环系统利用诸如曝气器、空气泵和水泵、鼓风机和过滤系统等设备，这些设备无意中增加鱼类养殖罐中的噪音水平。 在密集水产养殖系统内测量的声水平和频率都在鱼听到的范围内，但水产养殖生产噪音对物种的特定影响尚未明确界定（Davidson 等人，2009 年）。

   Bart 等人（2001 年）发现，各种密集水产养殖系统的平均宽带声压水平（SPL）有所不同。 在他的研究中，在运行中的曝气器附近的土池中测量了 135 dB 重 1μPa 的声级，而循环系统内的大型玻璃纤维罐（直径 14 米）的声级最高为 153 dB，重 1μPa。

   实地和实验室研究表明，强烈声音会对鱼类的行为和生理造成负面影响。 Terhune 等人（1990 年）观察到，在玻璃纤维罐中，大西洋鲑鱼 Salar 的生长和淡化率下降，水下声音水平在 100—500 赫兹时高于水平 2—10 dB，重 1μPa。 因此，长期接触水产养殖生产噪音可能会增加压力，降低生长率和饲料转化效率，并降低生存率。 然而，Davidson 等人（2009 年）发现，经过 5 个月的噪音暴露，在平均体重、长度、比生长率、条件因素、饲料转化或虹鳟鱼的存活率之间没有发现显著差异。 Wvysocki 等人 (2007 年) 也介绍了类似的调查结果。 然而，这些调查结果不应在所有养殖鱼类中普遍推广，因为包括鲶鱼和塞浦路斯在内的许多物种比虹鳟鱼具有更大的听觉敏感性，并且可能受到噪音的影响。 例如，Papoutsoglou 等人 (2008 年) 提供了初步证据，表明在特定饲养条件下的音乐传播可能会增强生长性能的影响，至少在特定的鱼类尺寸上。 此外，观察到的音乐对鱼类生理学若干方面的影响 (例如消化酶、脂肪酸成分和脑神经递质) 意味着某些音乐可能进一步提高生长、质量、福利和生产。

5. 3.5 RAS 中的可扩展性挑战

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   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：

   1. 降低了饲料、化学品、氧气批量订单的运输成本。

   2. 购买大量设备的折扣。

   3. 获得工业用电费。

   4. 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。

   5. 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。

   渔业活动规模不断扩大，也可能意味着如果发生灾难性的鱼类损失，财务损失风险会增加。 另一方面，降低风险措施和系统冗余也可能增加 RAS 项目的成本，因此，设计人员和工程师必须在这些要素之间达成平衡。

   除了行业和媒体报道之外，对于商业 RAS 企业的风险几乎没有做过学术研究。 Badiola 等人（2012 年）对 RAS 农场进行了调查，并分析了主要的技术问题，发现系统设计差、水质问题和机械问题是影响 RAS 生存能力的主要风险因素。

   3.5.3 经济

   关于 RAS 经济可行性的辩论主要集中在回流水产养殖场的资本启动成本高昂，鱼类准备上市之前的准备时间很长，以及关于 RAS 养殖场运营成本高的看法。 De Ionno 等人（2007 年）研究了 RAS 农场的商业绩效，得出结论认为，随着业务规模的增加，经济可行性也会增加。 根据这项研究，在进行研究的澳大利亚背景下，每年生产能力小于 100 吨的农场只能获得微乎其微的利润。 Timmons 和 Ebeling (2010 年) 也提供了实现大规模经济的理由 (每年生产数千吨)，从而通过包括加工设施、孵化场或饲料等纵向一体化项目降低生产成本磨坊。 Liu 等人（2016 年）研究了一个理论 RAS 农场的经济表现，该农场的年产能为 3300 吨，与传统的净笔农场相比。 在这种规模下，RAS 运营达到的生产成本与净笔养殖场相比相似，但较高的资本投资使投资回收期翻了一番，即使 RAS 养殖场的鱼以溢价出售也是如此。 今后, 需要良好环境绩效的昂贵和严格的许可证, 可能会提高 RAS 作为生产大西洋鲑鱼的竞争性选择的可行性.

   3.5.4 鱼类处理

   在陆地养殖场，鱼类处理往往是出于各种原因需要的：将鱼类分为重量级，减少鱼种密度，跨越种植部门运送鱼类（即从幼儿园到不断增长的部门），或者在准备市场时收获鱼类。 根据 Lekang（2013 年），鱼类的处理方法最有效，例如鱼泵，还采用被动方法，例如使用视觉或化学信号，使鱼类能够从农场的一个地方移动到另一个地方。

   Summerfeltet 人（2009 年）研究了使用 Cornell 型双排水管从大型圆形坦克中拥挤和采集鲑鱼的多种方法。 策略包括用围网围网拥挤鱼、翻盖式酒吧拥挤和放牧鱼类，利用它们对二氧化碳的固有避免应对措施。 捕捞技术包括通过 Cornell 型双排水槽的侧壁排放口提取鱼类，或利用空运将拥挤的鱼类提升到脱水箱。 AquaMaof（以色列）使用共用一个共用墙壁的游泳道和水槽以被动方式将鱼类转移到农场，并在泳道末端使用扶梯（阿基米德螺杆泵）进行收获。 克鲁格（丹麦）的 RAS2020 概念产品使用永久安装在甜甜圈形或圆形滚道槽中的棒材平地机/挤压机来移动和挤满鱼类，而无需使用鱼泵。

   尽管关于这一主题的持续发展，但 RAS 养殖场规模不断扩大，这将使设计师和操作人员在如何安全、经济和无压力地处理鱼类方面面临挑战。 RAS 养殖场的设计范围不断扩大, 生产中的物种和运营密度可能导致各种新颖的鱼类运输和捕捞技术.

6. 3.6 RAS 和水上乐器

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   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。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。

   -从技术整合到工业实施的新时代，RAS 技术在过去二十年中取得了相当大的发展。 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。 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。

   -Aquaponics 将循环水产养殖系统与水培单元结合在一起。 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。

   -溶解氧 (DO) 通常是密集水生系统中最重要的水质参数。 然而，在饲养水中添加足够的氧气可以相对简单地实现，因此，对其他水参数的控制变得更加困难。

   -高溶解二氧化碳 (COSub2/Sub) 浓度对鱼类生长产生负面影响。 由于其高溶解度和脱气设备效率有限，从水中去除 COSub2/Sub 至浓度低于 15 mg/L，因此具有挑战性。

   -传统上用硝化生物过滤器在再循环系统中处理氨。 目前正在探索一些新兴技术，作为去除氨的替代品。

   -RAS 中的生物固体来自鱼饲料、粪便和生物膜，是需要控制的最关键和最困难的水质参数之一。 多步处理系统是最常见的方法，其中不同尺寸的固体，并通过不同的机制去除不同的固体。

   -臭氧作为一种强大的氧化剂，可用于 RAS 中去除微生物，亚硝酸盐和腐殖物质。 臭氧化提高了显微屏滤镜的性能，并最大限度地减少了影响水色的溶解物质的积累。

   -脱硝反应堆是一种生物反应堆，通常在厌氧条件下运行，并且通常用乙醇、甲醇、葡萄糖和糖蜜等某种类型的碳来源进行加药。 脱硝化系统在水产养殖中最显著的应用之一是 “零交换” RAS。

   -在水产养殖生产系统中，微生物群落在养分回收、有机物降解以及疾病治疗和控制方面发挥着重要作用。 利用微生物成熟水控制机会病原体的想法，对水消毒在 RAS 中的作用提出了挑战。

   -在密集 RAS 中，动物福利与系统的性能紧密相连。 RAS 动物福利研究的主要目标是建立和运行能够最大限度地提高生产力并最大限度地减少压力和死亡率的系统。