第 39 卷 第 2 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol 39 No 2 150 2023 年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2023 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建與運行試驗分析 徐琰斐 單建軍 顧川川 高霞婷 張宇雷 倪 琦 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點實驗 室 上海 200092 摘 要 針對工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖廢棄物資源化利用難題 該研究將傳統(tǒng)魚菜共生技術(shù)進行改進 提出并構(gòu)建一種菜 魚復 合設(shè)施種養(yǎng)模式 通過設(shè)計 3 路水循環(huán)工藝流程 將工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖 蔬菜無土栽培 即魚菜共生系統(tǒng) 與傳統(tǒng)土壤 種植結(jié)合 以促進水產(chǎn)養(yǎng)殖固液廢棄物全循環(huán)利用 基于質(zhì)量平衡原理 根據(jù)投飼量和養(yǎng)殖尾水排放量提出魚菜生物量 配比和發(fā)酵裝置體積計算方式 以提高系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)利用效率 建立一套中試系統(tǒng) 使用該系統(tǒng)同時養(yǎng)殖大口黑鱸 種 植水培生菜和番茄 160 d 結(jié)果顯示 魚類生長良好 最終養(yǎng)成密度為 41 6 kg m 3 特定生長率為 0 42 存活率 99 95 餌料系數(shù)為 1 4 蔬菜長勢良好 收獲水培生菜 1 205 kg 收獲番茄果實 2 400 kg 水質(zhì)情況總體穩(wěn)定 總氨氮平均濃度 為 0 83 1 46 mg L 亞硝酸鹽平均濃度為 0 035 0 062 mg L 硝酸鹽平均濃度為 25 1 8 06 mg L 溶解氧濃 度范圍為 4 25 7 16 mg L pH 值平均為 6 8 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢棄物發(fā)酵后 可使水體中總磷含量提高 141 鉀離子含量提高 7 系統(tǒng)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益較好 年利潤約為 4 6 萬元 化肥施用量減少 4 5 農(nóng)藥施用量減少 3 4 日換水量小于 5 該研究可為推進水產(chǎn)養(yǎng)殖節(jié)水減排 促進循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持 關(guān)鍵詞 設(shè)施 蔬菜 魚 魚菜共生 循環(huán)水養(yǎng)殖 蔬菜無土栽培 土壤種植 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202210085 中圖分類號 S964 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2023 02 0150 07 徐琰斐 單建軍 顧川川 等 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建與運行試驗分析 J 農(nóng)業(yè)工程學報 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 近年來 國家高度重視水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展 提出 要加快推進養(yǎng)殖節(jié)水減排 鼓勵采取生物凈化 種植水 生蔬菜 花卉等技術(shù)推動養(yǎng)殖尾水資源化利用或達標排 放 并要求著力探索構(gòu)建漁業(yè)廢棄物資源化利用的有效 治理模式 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖以生產(chǎn)效率高 受環(huán)境制 約小 節(jié)水節(jié)地等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注 1 但因養(yǎng)殖密度高 生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量養(yǎng)殖固液廢棄物 其中約 80 為 有機物 2 3 直接排放會導致周邊環(huán)境污染和水體富營 養(yǎng)化 因此 如何實現(xiàn)廢棄物資源化利用是工廠化循環(huán) 水養(yǎng)殖亟待解決的問題 魚菜共生技術(shù) 4 將工廠化循環(huán)水 養(yǎng)殖與蔬菜無土栽培結(jié)合 利用蔬菜吸收硝態(tài)氮 實現(xiàn) 生物量增長的同時能夠循環(huán)利用養(yǎng)殖系統(tǒng)中排放的多余 氮 N 維持養(yǎng)殖水質(zhì)可控 但未能有效解決魚糞殘餌 等固態(tài)廢棄物循環(huán)利用問題 5 9 目前對養(yǎng)殖固態(tài)廢棄物 的處理主要有人工濕地 10 堆肥 11 12 生物絮團 13 14 收稿日期 2022 10 12 修訂日期 2023 01 10 基金項目 國家重點研發(fā)計劃資助 2020YFD0900305 中國水產(chǎn)科學研究 院科技創(chuàng)新團隊項目 2020TD78 作者簡介 徐琰斐 副研究員 研究方向為水產(chǎn)養(yǎng)殖工程 Email xuyanfei 通信作者 倪琦 研究員 研究方向為工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖 Email niqi 發(fā)酵 15 等技術(shù)方式 但存在受外界環(huán)境影響大 操作和 管理繁瑣 處理時間長 人工和土地成本高等不同問 題 16 17 為此 本研究針對水產(chǎn)養(yǎng)殖固液廢棄物資源化 利用難題 結(jié)合蔬菜大棚生產(chǎn)中的節(jié)水 節(jié)肥需求 在 魚菜共生技術(shù)基礎(chǔ)上 提出一種菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)模 式 對魚糞殘餌等養(yǎng)殖固態(tài)廢棄物進行發(fā)酵礦化 18 并 利用發(fā)酵產(chǎn)物以 水肥一體化 方式澆灌土壤種植的蔬 菜 以期實現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物全循環(huán)利用 1 材料與方法 1 1 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)組成 2020 年在寧夏回族自治區(qū)固原市姚磨村建立菜 魚 復合設(shè)施種養(yǎng)中試系統(tǒng) 其布局示意圖見圖 1 由圖 1 可 知 該系統(tǒng)由循環(huán)水養(yǎng)殖單元 無土栽培蔬菜單元和土 壤種植單元三部分構(gòu)成 其中 養(yǎng)殖單元采用高密度循 環(huán)水養(yǎng)殖方式 包含魚池 豎流沉淀器 轉(zhuǎn)鼓式微濾機 移動床生物反應器 發(fā)酵裝置 紫外殺菌器等水處理設(shè) 備 無土栽培蔬菜單元由管道立體栽培裝置組成 土壤 種植單元為起壟栽培方式 系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表 1 1 2 工藝設(shè)計 系統(tǒng)工藝流程如圖 2 所示 共分為 3 路水循環(huán) 一 路為傳統(tǒng)循環(huán)水養(yǎng)殖單元 recirculating aquaculture system RAS 內(nèi)循環(huán) 養(yǎng)殖魚池水通過重力自流作用進 入豎流沉淀器和轉(zhuǎn)鼓式微濾機去除固體顆粒物 過濾后 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 第 2 期 徐琰斐等 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建與運行試驗分析 151 的水通過重力自流進入泵池 經(jīng)水泵提升進入移動床生 物反應器去除氨氮和亞硝酸鹽等 再通過重力自流進入 紫外殺菌器經(jīng)殺菌消毒后返回魚池 完成循環(huán)水養(yǎng)殖單 元循環(huán) 另一路為 養(yǎng)殖魚池 蔬菜無土栽培單元 即 傳統(tǒng)魚菜共生 循環(huán) 魚池水經(jīng)豎流沉淀器 轉(zhuǎn)鼓微 濾機和移動床生物反應器過濾后進入泵池 通過水泵提 升到最高層的水培管道后通過重力逐層向下流 水中以 硝酸鹽為主的無機鹽離子被蔬菜吸收后 被凈化的水體 通過重力自流回到泵池 完成系統(tǒng)循環(huán)過程 還有一路 為 養(yǎng)殖魚池 土壤種植單元 循環(huán) 魚池水經(jīng)物理過 濾后的魚糞殘餌等為主的固體顆粒物被收集進入發(fā)酵 罐 經(jīng)發(fā)酵礦化后 通過水泵抽取澆灌土壤種植單元的 蔬菜 其中 循環(huán)水養(yǎng)殖單元 RAS 內(nèi)循環(huán)和 養(yǎng)殖 魚池 蔬菜無土栽培單元 即傳統(tǒng)魚菜共生 兩路水 循環(huán)同時進行 2 個水泵 24 h 運行 養(yǎng)殖魚池 土壤 種植單元 水路循環(huán)則根據(jù)土壤種植蔬菜生長需要運行 通過水泵不定期抽取發(fā)酵罐中的水進行澆灌 整個生產(chǎn) 過程不向外界排放尾水 1 養(yǎng)殖魚池 2 豎流沉淀器 3 轉(zhuǎn)鼓式微濾機 4 移動床生物反應器 5 發(fā) 酵罐 6 集水池 7 紫外殺菌器 8 無土栽培裝置 管道立體栽培 9 土壤 種植單元 10 羅茨風機 11 CO 2 脫氣裝置 可選 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 圖 1 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)布局示意圖 Fig 1 Layout diagram of synergy model of aquaponic system integrated with soil based cultivation 表 1 主要設(shè)計參數(shù) Table 1 Main design parameters 參數(shù) Parameter 設(shè)計值 Design value 養(yǎng)殖對象 Culture spiece 大口黑鱸 Micropterus salmoides 養(yǎng)殖水體量 Volume of aquaculture water m 3 28 3 設(shè)計養(yǎng)殖密度 Culture density kg m 3 50 日平均換水量 Average daily water exchange rate 5 系統(tǒng)水體循環(huán)率 Water circulation rate 次 h 1 1 2 種植管道長度 Length of circular pipes m 768 土壤種植面積 Soil based cultivation area m 2 450 1 3 關(guān)鍵配置參數(shù)計算 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵配置參數(shù)包括魚菜生 物量配置和發(fā)酵罐裝置容量 魚菜生物量配置是指魚和 水培蔬菜生物量配比 以確保水培蔬菜能夠吸收利用水 產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的大部分硝酸鹽 實現(xiàn)水培蔬菜生物量增長 的同時能夠凈化養(yǎng)殖水體 保持系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定 減少換 水量 發(fā)酵罐裝置容量是指發(fā)酵罐有效容積 以確保其 能夠容納每日排入養(yǎng)殖固態(tài)廢棄物 并在罐內(nèi)停留 24 48 h 經(jīng)發(fā)酵后灌溉土壤種植單元 圖 2 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)模式工藝流程圖 Fig 2 Process flow chart of synergy model of aquaponic system integrated with soil based cultivation 1 3 1 魚菜生物量配置 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)主要投入品為魚飼料 魚 菜生物量配置主要以投入魚飼料中的氮 N 元素質(zhì)量 平衡為基礎(chǔ) 根據(jù)養(yǎng)殖生物量 飼料投喂量 蔬菜品種 等因素確定 首先應確定系統(tǒng)最大載魚量 然后根據(jù)投 喂系數(shù)確定日投喂飼料質(zhì)量 最后根據(jù)單位數(shù)量水培蔬 菜對飼料中氮素 主要是硝酸鹽 的日需求量 即可得 到與載魚量相匹配的水培蔬菜生物量范圍 19 20 按 式 1 計算 A B T G 1 000 1 式中 A 為匹配蔬菜種植數(shù)量 株 B 為本系統(tǒng)設(shè)計最大 載魚量的 80 根據(jù)養(yǎng)殖水體量為 28 3 m 3 養(yǎng)殖密度 為 50kg m 3 可得最大載魚量約為 1 400 kg 則 B 約為 1 100 kg T 為飼料投喂系數(shù) 取 1 0 G 為每 100 株 葉菜對氮 N 元素需求量所對應的飼料投喂量 一般 為 300 g 100 株 20 由式 1 及以上參數(shù) 得到 A 約為 3 700 綜合考 慮蔬菜大棚面積和水培管道布置條件 系統(tǒng)共設(shè)置水培 管道 96 根 每根長 8 m 并設(shè) 38 個種植孔 實際共種植 水培蔬菜為 3 648 株 1 3 2 發(fā)酵裝置容量 系統(tǒng)不設(shè)置外排水口 發(fā)酵罐用于收集全部養(yǎng)殖固 液廢棄物 并在發(fā)酵后用于土壤種植單元 其體積配置 應滿足能完全容納系統(tǒng)每日養(yǎng)殖尾水排放需求 并使其 停留 24 48 h V 為發(fā)酵罐體積量 m 3 按照式 2 計算 V 2 2 V sl V wl 2 式中 V sl 為每次豎流沉淀器向發(fā)酵罐中排放固液混合物體 積 根據(jù)豎流沉淀器橫斷面直徑約 0 6 m 椎體與圓柱體 可容納水體高度約 0 8 m計算 V sl 為 0 168 m 3 并按 2 次 d 計 V wl 為微濾機每天反沖洗進發(fā)酵罐中的固液混合物體 積 反沖洗泵流量為 1 5 m h 按每天反沖洗約 24 次 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2023 年 152 每次運行 1 min 則為 0 6 m 3 由此得 V 為 1 88 考慮到一定冗余量 發(fā)酵罐體積 V 設(shè)為 2 m 3 1 4 運行管理 系統(tǒng)于 2020 年 10 月投入使用 并經(jīng)一個生產(chǎn)周期 試運行 本試驗于 2021 年 5 月 21 日開始 至 10 月 28 日結(jié)束 共 160 d 養(yǎng)殖對象為大口黑鱸 Micropterus salmoides 水培對象為美國大速生菜 Lactuca sativa 土壤種植蔬菜為普羅旺斯番茄 Lycopersicon esculentum 水產(chǎn)養(yǎng)殖選用的飼料為市售膨化配合飼料 艾菲科 Efico 直徑 4 5 mm 日投喂量為體質(zhì)量的 1 0 21 每天分 2 次投喂 分別為 09 00 和 16 00 豎流 沉淀器每天需要人工干預進行排污 2 次 固定每天 10 00 16 00 點定時向發(fā)酵罐中排污至分離器底部不存在明顯污 物 轉(zhuǎn)鼓式微濾機根據(jù)液位情況進行反沖洗 反沖洗頻 率約為 1 次 h 每次運行約 1 min 1 5 水質(zhì)檢測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 水溫 溶解氧和 pH 值等常規(guī)水質(zhì)參數(shù)使用 YSI pro 1020 型一體化測試儀 量程 溶解氧 Dissolved oxygen DO 0 50 mg L 溫度 5 55 pH 值 0 14 檢測 其他測定指標為總氨氮 total ammonia nitrogen TAN 亞硝酸鹽 NO 2 N 硝酸鹽 NO 3 N 及總 磷 total phosphorus TP 和鉀離子 K 含量 水體總 氨氮含量采用納氏試劑分光光度法 亞硝酸鹽含量采用 鹽酸萘乙二胺分光光度法 硝酸鹽含量采用紫外分光光 度法 總磷采用鉬銻抗分光光度法 鉀離子采用電感耦 合等離子體質(zhì)譜儀 inductively coupled plasma mass spectrometry ICP MS 指定元素定量法 22 魚和蔬菜 質(zhì)量使用磅秤 精度 0 01 kg 進行稱量 數(shù)據(jù)采用 Excel 2016 軟件進行處理 2 結(jié)果與分析 2 1 水溫 溶解氧和 pH 值等基礎(chǔ)水質(zhì)情況 試驗期內(nèi)水溫 溶解氧和 pH 值等三項基礎(chǔ)水質(zhì)指標 情況如圖 3 所示 平均水溫為 21 8 溶解氧平均濃度 為 5 41 mg L pH 值平均為 6 8 圖 3a 顯示 水溫自 5 月底至 8 月總體呈逐步升高的趨勢 進入 10 月以后水溫 下降明顯 夏季 6 月至 8 月 平均水溫為 23 1 秋季 9 月至 10 月 平均水溫為 19 6 試驗養(yǎng)殖對象大口黑 鱸最適水溫為 15 30 最佳生長水溫為 20 25 23 水培對象美國大速生菜生長適溫為 18 22 適宜 pH 值為 6 0 6 9 24 因此 在該試驗條件下 能夠保證養(yǎng)殖 和種植對象正常生長 圖 3b 顯示 溶解氧濃度與水溫變 化趨勢相反 初期隨水溫升高逐步下降 后期隨水溫降 低又逐步升高 最低值為 4 25 mg L 仍能處于魚類安全 生長需求范圍內(nèi) pH 值在試驗第 20 至 30 天左右有一次 明顯下降過程 從 6 85 下降到 4 99 后通過及時換水和 加大 Ca OH 2 溶液添加量調(diào)節(jié) pH 值 使其回到 7 12 后續(xù)始終維持在 6 7 之間 確保同時滿足魚和蔬菜生 長需求 a 水溫 a Water temperature b 溶解氧和 pH 值 b Dissolved oxygen and pH value 注 橫坐標為試驗天數(shù) 5 月 21 日為第 0 天 Note The abscissa represents the test days and May 21st is day 0 圖 3 試驗期間水溫 溶解氧和 pH 值變化情況 Fig 3 Variations of water temperature dissolved oxygen and pH value during the experiment 2 2 水體中三態(tài)氮含量變化 圖 4 為試驗期間總氨氮 亞硝酸鹽和硝酸鹽的質(zhì)量 濃度變化情況 圖 4a 顯示 水體中總氨氮和亞硝酸鹽質(zhì) 量濃度在 30 d 左右達到峰值 其中總氨氮質(zhì)量濃度為 7 99 mg L 亞硝酸鹽質(zhì)量濃度為 0 437 mg L 隨后下降 并在 40 d 后始終保持在較低水平 40 d 后的總氨氮質(zhì)量 濃度范圍為 0 14 0 68 mg L 亞硝酸鹽質(zhì)量濃度范圍為 0 008 0 057 mg L 圖 4b 顯示 硝酸鹽質(zhì)量濃度總體保 持穩(wěn)定 并呈現(xiàn)出一定規(guī)律的波動 主要原因是水產(chǎn)養(yǎng) 殖單元產(chǎn)生硝酸鹽與水培蔬菜單元吸收硝酸鹽的動態(tài)平 衡過程 導致硝酸鹽濃度呈現(xiàn)規(guī)律性變化 此外 硝酸 鹽濃度分別在 15 32 53 60 和 100 120 d 出現(xiàn)一段 時期的小幅持續(xù)下降過程 分析主要與水培生菜生長周 期有關(guān) 試驗期間分別于第 0 32 和 91 天定植了水培生 菜 定植后的 10 20 d 生菜恰好處于快速生長期 對硝 酸鹽吸收量增加導致其質(zhì)量濃度在短時期內(nèi)呈連續(xù)下降 趨勢 25 總體看 系統(tǒng)中的總氨氮和亞硝酸鹽的含量都較 低 總氨氮平均濃度為 0 83 1 46 mg L 亞硝酸鹽平 均濃度為 0 035 0 062 mg L 硝酸鹽質(zhì)量濃度范圍為 22 1 41 3 mg L 平均濃度為 25 1 8 06 mg L 氮 N 元素主要以硝酸鹽形式存在 在滿足蔬菜生長需求 的同時不會對魚類生長造成影響 26 2 3 發(fā)酵前后水體中總磷 TP 和鉀離子 K 的含量 變化 圖 5 為試驗期間發(fā)酵罐進出水口總磷和鉀離子的質(zhì) 量濃度變化情況 圖 5a 顯示 發(fā)酵前進水口水體中的總 磷質(zhì)量濃度范圍為 3 3 11 2 mg L 之間 平均值為 5 9 2 5 mg L 發(fā)酵后出水口水體中的總磷質(zhì)量濃度范 圍為 9 9 23 4 mg L 平均值為 14 2 5 0 mg L 平均 第 2 期 徐琰斐等 菜 魚復合設(shè)施種養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建與運行試驗分析 153 質(zhì)量濃度增加 141 圖 5b 顯示 發(fā)酵前進水口水體中 的鉀離子質(zhì)量濃度范圍為 9 7 19 5 mg L 之間 平均值為 13 7 3 0 mg L 發(fā)酵后出水口水體中的鉀離子質(zhì)量濃度 范圍為 10 2 21 4 mg L 之間 平均值為 14 7 4 4 mg L 平均質(zhì)量濃度增加 7 結(jié)果表明 水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的固液 廢棄物經(jīng)發(fā)酵礦化后 可使其中的磷 鉀等大量元素以 離子形式釋放到水中 對水體中的總磷含量提升比較明 顯 鉀離子含量提升不明顯 a 總氨氮和亞硝酸鹽濃度 a Concentrations of TAN vegetables fish aquaponics recirculating aquaculture system hydroponics soil based cultivation