大连理工大学学术讲座之生物环境工程20150409

1、学习经历1997.9-2001.7：浙江大学，农业生物环境专业，博士学位。1994.9-1997.7：浙江大学，农业生物环境专业，硕士学位。1988.9-1992.7：西北农林科大学，水利与建工专业，学士学位工作经历2004.5- 至今：中国科学院海洋研究所，副研究员、研究员。2006.2-2007.2：法国国家海洋开发研究院IFREMER，访问学者2001.9-2004.4：中国科学院海洋研究所, 博士后。1997.9-2001.8：浙江大学，讲师。个人基本情况研究方向介绍n 海水生物工业化循环水养殖的生物学基础n 高效清洁生产的工程学原理与方法n 蓝色农业新生产体系综合调控途径殖环境工程海

2、洋所博士点环境科学水产养殖环 境 生 物工 程heallth主要讲课内容l水生动物生理与环境相互作用的机理、检测与控制装备的研究与应用进展l现代水产养殖工程学的基本原理和主要方法l工程技术在推动水产养殖业发展中的典型实例时间安排14:30-15:20 讲 课15:20-15:30 休 息15:30-16:10 讲 课16:10-16:30 讨 论223451 n 2012年全球水产总量已达1.58亿吨；自2001年起，捕捞产量一直维持在9000万吨；n 世界水产养殖产量从2001年的3460万吨增加到2012年的6660万吨，年均增幅6.1%，产值约在1053亿美元；n 2013年，中国养殖产

3、量占世界总产量62.5%（4541.68万吨）世界渔业现状（FAO,2014）名次国家产量（万吨）名次国家产量（万吨）2India3806Bangladesh1103Viet Nam2607Norway96.24Indonesia1708Chile79.35Thailand1409Japan78.7l水产养殖的全球生产不仅在数量上，而且在为人类直接消费的世界供应量的相对贡献方面持续增长；l捕捞渔业产量正在停滞:世界上75%的宝贵海洋鱼类或达到捕捞限度或过度捕捞；l有关渔民生计、商业捕捞量可持续性及其赖以产生的水生生态系统方面的关注正在增加；l大部分产量主要来自发展中国家。 n世界人口激增，造成

4、食品的需求激增；n对营养健康的要求日益增高，造成对水产品的需求日增；n海水捕捞量日减，造成对养殖渔业的依赖日深；nFAO（2014）指出：养殖渔业在未来20年，对全球粮食安全之贡献将会增加。l实现了野生海水动植物的规模化增养殖，养殖对象繁多，100多种；产量占世界海水养殖产量的70%以上；l一些养殖理论和技术实用而成功，倍受世界关注。l作为以最低的谷物以换取动物蛋白的方法，水产养殖已被国际权威专家认为是世界上获取动物蛋白最有效率的技术，是中国农业对世界的重大贡献之一。q“中国的水产养殖已为世界解决食物危机作了很好的示范” Lester Brown，2007q“水产养殖虽然不是解决世界粮食危机的

5、主要途径，但中国的实践表明，水产养殖是解决低收入人群动物食物的重要途径” Lester Brown，2007谁来养活中国？ Lester Brown 1994享受生活？破坏环境？020406080100120BohaiYellow seaEast China seaSouth ChinaseaEfficiency50s60s70s80s90s赤潮发生频率增加万亩虾池：沉痛的万亩虾池：沉痛的“辉煌辉煌”废弃的枯井密集的养殖大棚绵延几公里的抽水管产品安全产品安全质量安全与市场监管堪忧；生态安全生态安全陆源污染构成重大威胁，养殖生 产对环境的污染不容忽视；生产安全生产安全养殖空间压缩、科技创新支撑能

6、 力不足。 传统养殖发展模式面临的传统养殖发展模式面临的问题问题发展方向发展方向: :生态养殖和工业化养生态养殖和工业化养殖殖213452? ?.1m31m1m3 3水体可以养殖水体可以养殖 ? Kg? Kg鱼鱼封闭循环水养殖鳗鱼产量达到165kg/m165kg/m3 3。新西兰跑道式循环水养殖彩虹鲍鱼（H.Iris）生产支出循环水养殖流水养殖减少量能耗（KWH/kg）2894335劳动生产率（人/吨/年）0.400.6565%死亡率（）2050150（摘自：新西兰（摘自：新西兰www.uni-, 2007）围绕着生物体周围所有的事物。环 境：分类化学环境：生物周围的空气、土壤和水中的化学物质

7、成份组成。生物环境：生物个体之外的其它所有生物，包括空气、土壤、水体中的微生物、生物体内及体外的寄生物，以及周围的其它同类群体等。物理环境：生物周围的温度、光照、空气和水的运动状态等。环环 境境是影响生物的生长发育，决定其产品质量和品质的 重要因素。1 利比希最小因子定律（Liebigs law of minimum）低于某种生物需要的最小量的任何特定因子，是决定该种生物生存和分布的根本因素。该定律只在物质和能量的输入和输出处于平衡状态时，才能应用。该定律只在物质和能量的输入和输出处于平衡状态时，才能应用。任何生态因子，当接近或超过某种生物的耐受性极限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散时，这个因素

8、称为。2 限制因子定律（Law of limiting factors）3 耐受性定律（law of tolerance）任何一个生态因子在数量上或质量上的不足或过多，即当其接近或达到某种生物的耐受限度时会使该种生物衰退或不能生存。生态幅生态幅（ecological amplitude）:耐受限度的调整每一种生物对每一种生态因子都有一个耐受范围，即有一个生态上的最低点和最高点。在最低点和最高点之间的范围。生物环境工程通过工程手段有效调控动植物生产中的温、光、水、气等环境因素，创造最优的生长发育环境，改变传统生产依赖于自然气候条件的被动性，有效避免不利自然条件和自然灾害影响，摆脱地域和集结的限制

9、能够以有限的土地和水资源消耗，达到较高的生产效率，实现稳定的周年连续生产，以优质的农产品，周年稳定地供应市场，满足人民生活的需要。工厂化养殖的生产比率（FAO，2005）From Phillips, et al., 1991 and Timmons 2001111001,340,000封闭循环水养封闭循环水养殖罗非鱼殖罗非鱼16017711,000-21,3404,200-11,000池塘养殖池塘养殖对对 虾虾2,1009210,000150,000流水养殖流水养殖虹虹 鳟鳟4004483,000-5,0003,000池塘养殖池塘养殖斑点鮰斑点鮰2107721,00017,400池塘养殖尼罗罗

10、池塘养殖尼罗罗非鱼非鱼用水量与循环水用水量与循环水的比率的比率占用土地面积占用土地面积与循环水比率与循环水比率用水量用水量 ( (升升/kg)/kg)产量产量kg/kg/公顷公顷/ /年年养殖种类养殖种类和方式和方式循环水养殖与池塘、流水养殖方式对比循环水养殖与池塘、流水养殖方式对比各类生产性建筑或构筑物。l 各类生产建筑作用：利用具有一定保温隔热效果，限制水、气自由移动的维护结构，为水生动植物生长发育提供一个与外界自然环境相对隔离的空间，以有效减弱外界不利环境环境条件对动植物的直接作用。聚丙稀材料鱼池保温墙面银河屋顶养殖温室如采暖设备、通风与降温设备、光照设备、水处理设备等。l 能够对环境因

11、子进行调控的各种设备增温设备太阳能调温设备上升流砂滤器转鼓式机械过滤器 转鼓式生物滤器利用环境自动控制系统对设施内环境进行实时监测，通过控制各种环境设备的运行进行及时调控。l 环境自动检测与控制系统自动化控制系统自动化控制精准计量投饵机212453l 水产工程学是把生物学、机械学、电子学以及建筑学的原理与方法结合到水生动植物养殖上的一门交叉学科，主要进行水产养殖设施、设备的设计与建造及生产工艺、营渔模式和管理方法的研制与实施。研究内容n 养殖水生经济动植物的适宜生态环境，量化和评价鱼类生活生长的适宜环境参数，为工程设计提供依据。n 健康养殖与增值的工程技术方法与措施，即在养殖技术条件不变的情况

12、下，通过适当的工程技术来达到养殖对象经济增值的目的。 Aquacultural EngineeringPreserving our natural fish populations and habitats through improved aquacultural practices.System design for fish farmsWater quality, machinery, feeding, ventilationPollution reduction and water conservationEcological reuse or disposal of waste Pr

13、oduct harvesting, sorting and processing未未来来水产养殖业水产养殖业发展之挑战发展之挑战l确保实现水产养殖的全部潜能；l生产可为社会各阶层供应、接受及取得有营养、安全及品质佳的产品。n发展新方法、新设备，以利于消耗更少资源(空间、时间、人力、水、电、饲料等)，生产更多食物，且对环境的影响最小。未未来对来对水产养殖工程人员的的挑战挑战工程化养殖工厂化养殖（工业化养殖）：有严格的工艺流程，有科学的操作规范，产品是连续生产。是工程化养殖的高级阶段。集约化养殖（高密度养殖）：较传统池塘养殖的产量高，注意了水环境的调控。是工程化养殖的初级阶段。设施养殖（渔业）：工

14、程化养殖、网箱养殖、筏式养殖、人工鱼礁、都市渔业、海洋馆、水族馆、水族箱等。212354最成功的养殖产业：大西洋鲑Atlantic Salmon (Salmo salar )n 大西洋鲑鱼原产于大西洋北部；大西洋鲑鱼原产于大西洋北部；n 从英格兰、加拿大东海岸到北极圈附近的西欧、南到葡萄牙都有从英格兰、加拿大东海岸到北极圈附近的西欧、南到葡萄牙都有分布分布n 智利、澳大利亚、新西兰、日本和美国与加拿大西海岸均有引进智利、澳大利亚、新西兰、日本和美国与加拿大西海岸均有引进（FAO，2008） 大西洋鲑生活史l淡水生活1-2年入海；l成体在海岬中生活3到6年后开始朔河洄游，也有11年的。 l洄游距

15、离10到600英里。l5-6月进入河流 Vertical traysUp-flow incubatorfreshwater tank culture of smoltsFreshwater nursery tanksParrvaccinationOutdoor tanksn 自1987年以来，挪威三文鱼养殖中使用的抗生素用量已减少了98%，而养殖产量增长了10倍以上；n 抗生素用量的大幅减少，是采用疫苗注射、改进养殖方式的结果。先进的视频系统：远程控制的、全彩色的水下和水面视频系统，用来全程监视整个三文鱼养殖过程水下监控：摄像机、球形感应器、环境感应器保证了鱼类生长准确的饲料投喂和健康的环境条

16、件无线图/文传输装置温度感应器水流感应器溶氧感应器水下摄像机多普勒球形感应器spraying feed into a cageAutomatic feederUnder camera monitor高科技的中央控制投喂和感应系统、可装载3000-5000吨的饲料投喂驳船，可降低养殖成本和减少饲料浪费。类胡萝卜素天然色素grading to remove grilse and small salmonDivers remove dead fish先进的生物安全型活鱼运输船，拥有先进的自动吸鱼泵、分级设备、 三文鱼计数器和活鱼捕捞系统冰鲜三文鱼，从捕捞到空运到中国，只需要三到四天时间。n生产过程（

17、育种、育苗、营养饲料、病害防控）的科学化、规范化、标准化n养殖管理的自动化、精准化、数字化n设施工程技术日趋普及化、大型化和产业化n生产全程的安全监管n与山东东方海洋科技股份有限公司合作n项目区有28口地下深井，井深在50m-112m；静水位12m-30m，动水位10m-36m；水温13.6 -15；盐度25.0-31.7；出水量50-140m3/h。l 如何把资源优势转化为产业优势？l 如何通过科技促推产业升级？问 题？技术路线技术路线养殖池弧形筛蛋白分离器生物滤池开敞式UV消毒LHO增氧残饵粪便快速分离水 泵03一级提水，两次过滤部分消毒，充分净化u将适用性、可靠性、经济性贯穿于工程设计全

18、过程；u实现少（无）人化操作；将自动化控制和人工管理有效结合，提高系统可靠性；u关键设备多重保障（现场报警、远程报警）；u多重监测（水质在线监测、视屏监测）；u紧急事件充纯氧自动启动保障系统，维生24h，最大限度地减少损失。研发思路1. 自动化控制精准计量投饵机2. 池底污物生态捕集器3. 固液旋转生态分离器4. 工业化循环水养殖自动化控制系统5. 装配式紫外线消毒系统6. 多孔流化悬浮环填料7. 养殖生产日常管理系统 鱼病档案管理系统自动分鱼机10.自动数鱼机 11. 养殖车间视频监控系统12. 鱼重自动称量系统 13. 三文鱼肉色自动评判系统 养殖环境智能监控系统 15.活鱼运输车16.

19、履带式过滤机 17. 鱼泵18. 锥式增氧装置创制的养殖新设施设备填补了国内外空白自动化控制系统自动化控制系统自动数鱼机自动化控制精准计量投饵机名 称特 点 创新之处挪威ECO-TRAP分离残饵粪便快速，价格贵（4万/个）l排污间隙可调，可适应不同规格的鱼l独特L形卡锁装置l单玻璃观察窗，增加强度，降低造价l流线型排污坡道设计，形成涡状水流，快速排除残饵粪便。国产固液分离器操作管理方便，价格便宜（0.3万/个）集成创新的新设施设备和国外同类型产品性能接近，但价格仅为其1/3-1/10n 挪威66孔，国产64孔；n 梅花形外缘形状；n 填充材料的添加，进一步改善了填料的比重，适于海水使用；n 价

20、格仅为国外产品的1/5。创新！多孔流化悬浮环填料引进再创新的新设施设备打破了国外垄断国产化设备大大节省了投资 (a)标准比色箱 (b) 标准肉色卡 (c) 肉色评价分级软件 鱼重自动称量系统养殖车间视频监控系统鱼病档案管理系统鱼的规格存池数量（尾）存池重量（kg）均 重（g）养殖密度（kg/m3）成活率（%）大鱼15761128744218245081.5小鱼202307686073385194.7备注备注：统计截至日期：2012年12月15日；大鱼入池时间2011年2月；小鱼入池时间：2011年9月，n 系统三级安全报警；n 设备模块化设计n 水处理系统造价约为挪威的1/41/5；n 吨水处

21、理价格0.05元。n 日新水量小于总水量20%。n 单位水体产量40kg/m3；n 人均产量50吨/年n 养殖全程可控，安全追朔n 可视化和数字化的管理n 3-4kg开始上市n 达到欧洲的质量要求系统稳定可靠经济适用系统稳定可靠经济适用养殖过程高效精准养殖过程高效精准产品优质健康产品优质健康l天津市海发珍品实业发展有限公司l山东潍坊华海水产养殖公司l天津乾海源水产养殖公司l青岛通用水产养殖有限公司n 自动化程度不断提高； n 养殖新品种的开发依赖循环水养殖技术；n 网箱养殖有向陆基循环水养殖转移的趋势；n 环境政策、食品安全及绿色消费要求进一步促进循环水养殖的发展；n 高新化、规模化、普及化、

22、产业化、国际化。借鉴1：采用降低水处理系统水力负荷的快速排污技术 成功=系统的研究+科学的设计+严格的管理AABBBA“ECO-TRAP”型双管排污装置（仿Hobers，1997）A：悬浮颗粒物水流（颗粒物含量少，流量大） B：可沉淀颗粒物水流（颗粒物含量多，流量小）挪威“ECO-TRAP”排污装置 借鉴2：养殖池体的精细化工程设计技术 排水口直径深度理想的直径:深 = 3:1勿大于4.5 : 1进水口次级旋转次级旋转排水口当直径：深 4.5:1不合理的设计在池体中部会产生死角区域！无旋转区进水口6无旋转区1借鉴2：养殖池体的精细化工程设计技术 排水口50 mmelbow50 mmelbow5

23、0 mmball valve50 mmelbow50 mmx 100 mmreducerbushing (note: do not glue the 50 mm pipe into the 50 x 100 mm reducer bushing.)100 mm x 100 mm x 25 mmreducer tee25 mmelbow25 mmclearPVC100 mm cap10 mmholes spacedevery 5 cmon centerDetails for Vertical ManifoldFishCultureTank可沉淀颗粒物排出悬浮颗粒悬浮颗粒物排出物排出借鉴2：养殖池

24、体的精细化工程设计技术 (RBC)Low Pressure Air InflowWater Inflowfrom Culture TankWater Return to Culture TankBiofilter MediaPlastic Blocks or Plastic RingsRotating WaterDistributionArm借鉴3：生物滤池的标准化设计理论与稳定运行管理技术 TANNO2NO3time (days)mg l-104015借鉴4：日趋先进的养殖环境监控技术，确保养殖过程的稳定性 借鉴4：日趋先进的养殖环境监控技术，确保养殖过程的稳定性 养殖水质断水断电设备故障n

25、 DO/Ph/T超标，现场报警；远程报警；n 自适应调节（pH、DO）n 若自适应调节不能完成，纯氧启动，可维持24h。n 现场报警；n 远程报警；n 水处理系统停止，纯氧启动，可维持24h。n 现场报警；n 远程报警；n 纯氧启动，可维持24h。借鉴5：高效生产管理技术n人均产量50吨/年n3个人的育苗场年产苗种200万尾亲 鱼苗 种养殖过程市 场餐 桌全程追朔体系Fish-talk软件n 生产控制Production Controln 生产计划Planningn 产品追朔Traceabilityn 生产记录Documentationn 分析和报告Analysis & Reporti

26、ngn 评判 Benchmarking 基于专家系统的精准投喂welfare国内鲆鲽类养殖区的生产成本欧洲200吨大菱鲆养殖成本分析生产成本构成国内大菱鲆养殖成本与欧洲的对比项 目 中 国 欧 洲苗种成本比例22.2%18%饲料成本比例26.7%27%人工成本比例4.4%12%电能成本比例35.6%11%鱼药成本比例6.7%1%纯氧成本比例（包含在电能中）3%保险成本比例4%其它直接成本比例（水处理、资源费等）2%管理办公成本比例4%折旧成本比例4.4%12%金融成本比例6%成本（元/kg）4052售价（元/kg）5576.5利润*（元/kg）1524.5海水水泵的能耗较大，大约占总能耗的90

27、%。能耗构成20072007200620062005200520042004国内国内20112011每公斤幼鲑成本2.131.581.851.942.5每公斤饲料成本9.078.367.468.4717.0每公斤保险费20.250每公斤工资成本1.381.431.381.420.6每公斤历史折旧0.890.740.830.764.0每公斤其他操作成本1.912.231.521.689.0（电和氧气）每公斤财务净成本0.430.230.550.631.2每公斤生产成本每公斤生产成本15.9614.7413.8015.1534.3（未包含死亡率）每公斤屠宰成本2.252.09

28、2.392.43每公斤总成本每公斤总成本18.2116.8316.1917.58q 表中数据来源于挪威渔业理事会，单位为挪威克朗，中国的单位为人民币。 适宜养殖密度的确定？封闭循环水养殖系统封闭循环水养殖系统的适宜养殖密度？反映养殖密度合理性的indicator有哪些？ 投喂策略问题？投喂频率投喂时间投喂次数 光照？性成熟问题能源成本问题饵料效率问题光色光强光周期性成熟问题能源成本问题性成熟问题饵料效率问题能源成本问题性成熟问题 循环率？补充新水量？0556.21011547.064627.0)(qqF水循环率与饵料系数水循环率与养殖周期水循环率水循环率(h(h-1-1) )0.50.51 1

29、1.51.52 2预测值预测值(d)(d)341.57341.57294.03294.03273.97273.97259.74259.74标准偏差标准偏差55.4155.4139.8539.8532.171BiofliterF去除氨氮、亚硝酸盐氮、有机悬浮物、二氧化碳以及增氧等。 是封闭循环水养殖系统投资和能耗最 大的水处理单元，也是系统稳定运行的关键！F目前对海水生物滤器硝化动力学过程研究有限，仍被认为是转化氨氮的“黑盒子”。生物滤器生物滤器流动水层生物膜液膜BODH2OO2O2NH3空气空气CH4H2SCO2BODNH3厌厌氧氧好好 氧氧O2废水载体填料的筛选生物膜的结构与功能生物滤器的硝化动力学过程科学问题鱼 病病原体环 境鱼 体病原体进入系统途径：n 水、饵料、n 鱼、养殖池n 操作者、工具 p 苗种质量苗种质量p 营养调控营养调控p 管理操作管理操作p 水质p 微生物p 设备运行稳定性