3. 系统物料平衡与负荷计算

循环水养殖系统的运行优化，归根结底是在“输入—转化—输出”之间维持平衡。饲料是系统最主要的物质与能量输入，鱼体只保留其中一部分氮和能量，其余以氨氮、粪便、二氧化碳和耗氧的形式进入水体，再由生物滤器、脱气、增氧和固液分离等单元承担负荷。若不能把投饵量换算成氨氮生成速率、耗氧速率和固体废物产生量，就无法判断生物滤器、增氧机和微滤机是否匹配，也无法解释水质为何在某个投饵水平下突然恶化。本节建立这套定量关系，作为后续水力停留时间、滤料体积、增氧配置和换水率计算的基础。

一、投饵量与营养物输入

投饵量通常以日投饵率表示，即每日投饵质量占鱼体总生物量的百分比。设养殖生物量为 B（kg），日投饵率为 r（%/d），则日投饵量为：

F = B × r / 100        （kg/d）
示例：B = 5000 kg，r = 1.5%  →  F = 75 kg/d

饲料的营养组成决定后续负荷。以常见冷水鱼膨化饲料为例，可假设粗蛋白约 42%、脂肪约 18%、碳水化合物约 20%，含水率约 8%。蛋白质含氮量按 16% 估算，则每千克饲料的氮输入约为 1000 × 42% × 16% ≈ 67 g N。这个数字是全部氮负荷的源头，鱼体增重只保留其中一部分，其余进入水体。需要强调，以下参数均为教学示例假设，实际工程应以饲料标签和现场测定为准。

二、氮的分配：排泄、氨氮与固体

鱼类摄入的氮大致分为三部分：用于生长的氮、以氨氮形式经鳃排出的氮、以及随粪便排出的氮。在集约化养殖中，可近似认为摄入氮中约 25%～35% 用于生长，约 45%～55% 以氨氮形式排出，其余 15%～25% 进入固体粪便。取一组示例值：生长保留 30%，氨氮排出 50%，粪便氮 20%。

按上例日投饵 75 kg、饲料氮 67 g/kg 计算，日氮输入约 5025 g N/d。其中氨氮生成量约为 5025 × 50% ≈ 2513 g N/d。由于氨氮以 NH₃-N 计，该值即为总氨氮（TAN）生成速率，约 2.5 kg N/d。若换算为氨氮浓度负荷，还需除以系统水量，但生成速率本身已可用于生物滤器设计。

固体废物方面，粪便干物质产生量通常按投饵量的 20%～30% 估算，取 25% 则约 18.75 kg/d（干重），实际湿重和悬浮物浓度还受饲料消化率、粪便粒径和破碎程度影响。这部分固体若不能及时被微滤机或沉淀装置移除，会在水中矿化，额外释放氨氮并增加耗氧，因此“固液分离效率”直接改变后续氨氮负荷，是物料平衡中不可忽略的一环。

三、耗氧量的估算

鱼类耗氧与投饵、生长和温度密切相关。工程上常用“每千克饲料耗氧量”进行粗略估算，配合鱼体维持耗氧。示例取饲料耗氧系数 0.4 kg O₂/kg 饲料，则 75 kg/d 投饵对应约 30 kg O₂/d 的鱼类呼吸耗氧；再考虑粪便和残饵矿化的异养耗氧，按投饵量的 0.15 kg O₂/kg 估算，约 11.25 kg O₂/d。系统总耗氧约 41 kg O₂/d，尚未计入生物滤器硝化耗氧。

硝化耗氧不可忽视：氧化 1 g 氨氮约消耗 4.57 g O₂。按 TAN 生成 2.5 kg N/d 计，硝化耗氧约 11.4 kg O₂/d。因此系统总需氧量约为 52～53 kg O₂/d。这个数值是增氧机选型和曝气布置的核心依据，也说明为什么高投饵密度下“增氧能力”往往比“过滤能力”更早成为瓶颈。

四、从负荷到运行判断

把上述关系串起来，可以得到一条实用的校核链：投饵量决定氮输入，氮分配决定 TAN 生成速率和固体产生量，TAN 生成速率决定硝化耗氧与滤料负荷，总耗氧决定增氧配置。以示例系统为例，若生物滤器设计 TAN 去除能力为 3 kg N/d，而实际生成 2.5 kg N/d，表面看有余量，但需注意低温或 pH 波动会降低硝化速率，实际运行中应保留 20%～30% 的余量，否则投饵稍增即出现氨氮累积。

运行中还应关注“表观平衡”与“真实平衡”的偏差。若按投饵量计算的 TAN 生成速率明显高于实测氨氮上升速率，说明硝化或换水在起作用；若实测氨氮持续上升而投饵未变，则可能是滤器效率下降、固体矿化加剧或溶解氧不足抑制硝化。此时应回到物料平衡表，逐项核对投饵记录、饲料蛋白含量、鱼体生物量估算和固液分离运行状态，而不是盲目加大换水。

需要提醒的是，本节所有系数均为教学示例假设，不同鱼种、规格、水温、饲料配方和投喂方式都会改变分配比例。实际工程中应优先采用本场饲料标签数据、生长数据和历史水质记录进行校准，把“通用系数”修正为“本场系数”，物料平衡才真正具备运行优化的决策价值。