RAS 水產養殖用的循環水系統

• 陸地上的魚蝦養殖已經成為現實的生產模式，可以滿足人類的食物增長的需求。相對于池塘養殖和開放性海水養殖，設計良好的循環水水產養殖系統可以提供很多的優勢。本身的目的就在于節約用地和水資源，循環水系統可以安置于任何地點，操作者對于魚類養殖環境有很高的控制度。也可以有很好的回報率。RAS 對于環境的負面影響很小，水產品也不容易得病。

水產養殖關乎到食物供給的安全和穩定，它也為人類提供了安全的食物和高質量的蛋白質，也與保護海洋的生物多樣性和過度捕撈有關。2016年，全球魚類生產 (魚類，甲殼類動物 和 軟體動物) 總量大約是1.7億噸，其中47%是來自于水產養殖部分，單純依靠捕撈很難滿足人類對于事物的需求的增長 (1)。

溶解氧: 魚類呼吸會消耗氧氣（O2）并產生二氧化碳（CO2），生物濾膜(2)也是如此。水中CO2濃度較高的時候，會使魚類比較興奮，同時會降低水的pH值，曝氣會除去水中的 CO2。在水罐中加入“堿性”物質可以調節水的pH值。對于大多數養殖水產而言，溶解氧濃度為5 mg/l是一個界限，溶解氧濃度低于這個數值時，水中的生物的健康、生長就會收到抑制。通常使用電化學儀器測量水中的溶解氧，儀器通常使用膜電極 (clark 原理) 或者 熒光法電極。像 SD 400 Oxi 這的溶解氧測量儀器會更好一些，因為：

• 不需要定期更換電極膜
• 電極可以隨時使用，不需要極化
• 測量結果不受水流速度的影響
• 維護工作量小

b. 濁度/懸浮固體 (TSS). 隨著水體中懸浮固體濃度的增加，魚類的增重和壽命都會大幅下降 (3)。水中的顆粒物還有可能會攜帶一些致病菌，增加魚類死亡的風險，微生物可能會隱藏在水體中的顆粒物上，會躲過紫外（UV）消毒設備的作用，循環水系統中的懸浮固體的主要來源是沒有吃掉的食物、魚類排泄物、藻類和從生物濾膜上脫落的有機物質，這些懸浮物通常會被從水槽中除去 (11)。研究顯示，每喂食1 Kg食物會產生0.3-0.4 Kg的懸浮固體 (3)。水體中的懸浮固體會影響循環系統中其它過程的工作效率，他們是化學需氧量（COD）和水體營養物質的主要來源，會影響循環系統中魚類的健康，主要是會損害魚鰓藏匿致病菌。對于淡水魚養殖而言，懸浮固體的上限是 25 mg TSS/L，通常不超過 10 mg TSS/L。濁度是采用光學方式測量的，將光束射入水體會產生光的散射，測量散射光的強度會得到散射法濁度值（NTU），為了得到mg/l / 懸浮固體單位，則需要用懸浮固體做校準。濁度儀主要測量的是小尺寸的顆粒物 ( 0,1 - 10 um ) ，這些也是循環系統中很難去除的顆粒物，所以濁度儀是循環系統成功運行的必備儀器。濁度儀也可以幫助判斷過濾系統工作是否正常。水體中溶解的有機物也會消耗氧氣，而氧氣的成本也不低。一般水產養殖的水的濁度要控制在5 NTU 一下。 TB 211 IR 濁度儀使用紅外光源 (IR)，紅外光不收水體顏色的影響，也不受雜散光和陽光的干擾，可以為使用者提供穩定、可靠的數據。

e. M-堿度 是衡量水的pH緩沖能力或者酸中和能力的指標，堿度的定義，就是可以水中用滴定法測量的、以mg/L為單位的、與CaCO3為等量的所有物質的總量，基本上就是碳酸根離子（CO32-）和碳酸氫根離子（HCO3-）的總量。對于水生系統而言，總堿度是一個很重要的變化參數，水體中的總堿度較高或者越高，光合作用碎玉無機碳的獲取就會增加，也就可以更好地緩沖誰提的pH值的變化，淡水的堿度從軟水的小于5 mg/L 到高過 500 mg/L，取決于地質學上蓄水層的情況。海水的堿度通常在120 mg/L CaCO3左右。如果沒有水的更換，循環水系統的堿度有可能會因為生物膜的硝化而很快下降，通常 1 mg/L 硝酸銨的硝化會減少大約7.14 mg/L 的堿度，快速額硝化有可能會導致一天內很明顯的堿度的減少。M-堿度可以簡單和快速地測量出來，可以用Lovibond公司的MD600便攜式光度計、采用甲基橙片劑進行測量 ( Lovibond® Method 30，測量范圍 5 … 500 mg/l)

j. 硝酸根 是硝化過程的最終產物，也是毒性最小的含氮化合物，在水產循環水系統里面，通常采用每天換水的方法來控制硝酸鹽的水平。在低換水率或者高水滯留系統里面，反硝化過程變得越來越重要。硝酸鹽濃度對于減少循環水系統中厭氧部分H2S的產生還是很關鍵的，一般建議把硝酸鹽的濃度控制在 40 mg/l的水平上，如果硝酸鹽濃度降低，水中的硝酸鈣可能會產生沉淀。 胺、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度都可以用光度計和比色計加上相應的試劑進行測量，使用片劑試劑的好處就是不會加錯量，而這點對于液體試劑和粉末試劑是不容易做到的，而且片劑試劑的有效期非常長，能到2-5年，有的甚至可以到10年。

k. 磷是一個重要的營養元素，也是食物的一部分，從很多角度看，正磷酸根的增加不會對生物的健康有負面的影響 (10)。淡水和海水里面的正磷酸根的濃度不太一樣，都會 > 50 ppm。 磷是水中藻類的營養元素 (加上陽光)，而RAS系統中的藻類是沒有什么用處的，所以要控制磷酸根的濃度。 循環養殖系統可以很好地控制磷的濃度，因為系統的設計可以使得廢水濃縮并有效地處理。但是，大部分的磷還是會隨著可過濾的或者沉降的污泥排出循環系統 (Bergheim et al., 1993, Heinen et al., 1996) 。因此，所有有助于污泥排出的機械都會有助于磷的排出，反硝化過程也會有助于磷的排出，所以，通過反硝化過程來控制磷的水平也是一個好的辦法 (9)。 可以用類似于氨氮測量的比色法來測量磷的濃度，也可以用光度計來測量正磷酸根的濃度 (Lovibond® 方法 320 / 片劑試劑)，測量范圍是0.05 - 4 mg/l PO4，便攜式的 Lovibond® MD 600 光度計可以在15分鐘之內給出測量結果。 l. 硫化物/ 硫酸鹽：硫化氫是一種有毒氣體，很少量的硫化氫就可以引起魚類的大量死亡。必須避免一些可能會在循環水系統中產生有毒硫化物氣體的做法。當廠子里面生成了污泥，特別是污泥有一定的厚度的時候，就會在污泥里面產生缺氧的環境，在這種缺氧環境中，會將硫酸根還原的細菌會通過反硝化過程生成H2S。由于海水中的硫酸根濃度遠高于淡水 ( 2 ppm 比 2000 ppm)，所以海水中生成H2S的情況會更嚴重。污泥會在很對地方產生，比如管道、生物濾膜，以及所有水流速度很低的地方。仔細控制硝酸鹽的濃度可以有助于與H2S的斗爭 ( 4)。使用羅威邦公司MD600便攜式多參數光度計可以在幾分鐘之內測量硫化物和硫酸根的濃度 ( 硫化物 Lovibond® 方法 365，量程 0,04 - 0,5 mg/l；硫酸根 Lovibond® 方法355，量程 5 - 100 mg/l )。 Lovibond® 用于水生循環系統的測量參數 / 匯總：

c. 鹽度 數值來自于電導率電極的測量，表示海水中各種離子（鹽）的濃度，每種水生生物有其自己適宜的鹽度。鹽度也會影響氧氣和氨氮在水體中的溶解度，鹽度增加會導致氧氣和氨氮的水中溶解度的下降。

d. pH 值 極端的pH值對于水體中的生物是致命的，但是調節椎體的pH值以達到化學平衡對于水產品也是有很大的間接影響的，水體的pH值取決于其中的總堿度和緩沖能力，pH一般是處在5 – 9之間，來自于 碳酸氫根-碳酸根之間的平衡。對于水產品的健康和成長最佳的pH值范圍是6.5-9.0之間，為了保證氨氮的濃度不至于增加到致死的水平，誰提的pH值應該不超過8。使用電化學的 ( Lovibond® SD 305 (僅pH ) 或者SD 335 (多參數，pH 和鹽度)可以得到準確的水中pH的數值。 SD 335 Multi (Set 1) - pH/Con 電導率：0 - 200 mS/cm pH -2 - 16 ORP：-2000.0 - 2000.0 mV 鹽度：0 - 70 g/kg TDS：0 - 200 g/l 溫度：-10 - 110 ° C

f. 硬度 (總硬度，以CaCO3計). 水體的硬度對于幼體魚類的成長是非常重要的，因為骨骼/殼體的成長需要水中溶解的礦物質，對于藻類和蝦類而言，硬度也是很重要的參數。使用MD 600光度計可以在不到3分鐘的時間內測量水中的鈣硬度 ( Lovibond® 方法號 191，量程 0 … 500 mg/l，以 CaCO3 計)

g. 銅和鐵 是植物和動物所需的基本營養元素，對于蝦和一些無脊椎生物而言，銅特別的重要，因為銅是組成其血液中血藍蛋白的重要成分。由于銅又可以殺死生物膜中的細菌，所以要保證水體中銅的濃度不太高，一般要在0,2 mg/l 左右。可以用MD 600測量水中銅的濃度 ( Lovibond® 方法號 150，量程 0,05 … 5 mg/l )。鐵 ( Fe2+ 和 Fe3+) 也可以用MD 600測量 ( Lovibond® 方法號 220，量程范圍 0,02 … 1 mg/l)。

h. 氮: 魚類和淡水無脊椎生物會排泄胺/氨 (我們把二者分別表示為胺( NH4+) 和 氨 ( NH3 氣態))。只有 NH3 是有毒的，還有較低的pH值，二者的平衡式是 NH4+。pH值增加“1”，比如從6.5 增加到 7.5，有毒的NH3會增加10倍，氨的濃度為 0,3 ppm 就已經會對魚類造成毒害。通過生物 / 微生物過程，有毒的氨會被叫亞硝化菌的細菌氧化為亞硝酸根，而后再被氧化為無害的硝酸根。 胺和氨之間的平衡與水的溫度和pH值有關，在pH=8的條件下，水中含有10%的氨和90%的胺。

i. 亞硝酸鹽 是胺轉化為硝酸鹽的硝化過程的中間產物，盡管亞硝酸根很快就會被臭氧或者生物濾膜上的細菌轉化為硝酸根，但是水體中一直會有亞硝酸根的存在，所以魚類就會一直暴露在有亞硝酸根的水體中，這就是個問題。所以，亞硝酸根就是水質的一個重要指標，需要檢測和調整亞硝酸根的濃度在一個限度之內，通常是不超過0.1 ppm。亞硝酸根的毒性主要體現在影響血液中血紅素攜帶氧氣的能力，亞硝酸根進入學業后，它會氧化血紅擔保細胞的二價鐵變成三價鐵，其產物叫做高鐵血紅蛋白，呈現棕色，所以通常也把這種叫做“棕血病”。

m. 這些參數的建議測量頻率： 溶解氧和pH都是電化學參數，很重要，在水體中的變化也很快，所以，通常水產養殖者會安裝在線測量儀表做連續的監測，并且設置“超標報警”功能，便攜的儀器可以用于比對在線儀器的準確性，以及在魚類排卵處或者比較小的池塘里面測量這兩個參數。 最重要的參數是氨氮和硝酸鹽氮，這兩個參數需要每天每個池子測量2次。 M 堿度或者鈣硬度：每周測量一次 氮和磷的測量：每周一次 鐵、銅 只是在特出情況下才做測量 ( 主要是測量一些飼養水產的食物中的鐵、銅的含量) 硫化物是有毒的，在循環水系統的下列區域發生問題時，測量硫化物就很重要，如厭氧區、管道中的污泥、閥門等，建議每3天測一次 在水產循環系統運行初期，可以不那么頻繁地測量硝酸鹽、堿度、硫化物和磷酸鹽等參數，但是在收獲季可能要更頻繁底側梁這些參數