推荐 | 海水网箱网衣防污技术的研究进展

靶诘主 · 发表于每日资讯 2022-12-2 02:40:59

本文系统介绍了人工清除法、防污涂料法和机械清除法等海水网箱网衣防污技术的研究进展，分析了各自的特点，为我国网箱网衣防污技术升级及其养殖业的可持续发展提供参考。

01
海水网箱网衣分类与特点
1.1
网箱网衣分类
网衣是海水网箱的重要组成部分(亦称网片)。掌握网箱网衣分类及其特点，有助于网衣防污工作的开展。基于网箱类型、养殖海况、养殖品种、网衣价格和用户条件等因素，网目形状、网衣结构、编织方式及网衣材料等不尽相同，这使得网箱网衣种类繁多且复杂。
海水网箱网衣分类方法很多，根据形变大小，可分为柔性网衣和刚性网衣；根据网结有无，可分为有结网衣和无结网衣；根据编织方式，可分为机织网衣和手工网衣；根据定型与否，可分为定型网衣和未定型网衣；根据网目形状，可分为菱形网衣、方形网衣和六角形网衣等；根据网衣材料，可分为金属网衣、聚乙烯(PE)网衣、聚酰胺(PA)网衣、复合纤维网衣、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)网衣和半刚性聚酯单丝网衣[亦称龟甲网、(半刚性)PET网衣]等。
1.2
网箱网衣特点
网衣是影响海水网箱安全与整体性能的重要因素，因此需慎重选用适配性好的网衣产品。现有海水网箱养殖业代表性柔性网衣包括PE网衣、PA网衣和UHMWPE网衣等。
PE网衣由普通PE单丝加工而成(亦称乙纶网衣)，主要类型包括PE有结网、PE经编网和PE绞捻网等。PE网衣属于传统网箱网衣材料，具有密度小、不吸水、滤水性好和价格便宜等特点，是目前整个网箱养殖业用量最大的网衣材料[2]。
PA网衣由PA6纤维或PA66纤维等编织而成(亦称尼龙网衣、锦纶网衣)，主要类型包括PA经编网、PA有结网和PA绞捻网等。PA网衣也属于传统网箱网衣材料，具有密度较大、吸水性大、延伸性大、耐磨性好、价格适中等特点，目前在整个网箱养殖业用量仅次于PE网衣材料[2]。
UHMWPE网衣由UHMWPE纤维加工而成，主要类型包括UHMWPE经编网、UHMWPE有结网、UHMWPE绞捻网和UHMWPE辫编网等。UHMWPE网衣属于新型网箱网衣材料，具有密度小、强度高、耐磨性好、延伸性小、耐老化性好以及价格高等特点；随着网箱向离岸、深远海和大型化方向发展，在网箱上的应用将更加广泛。
近年来，国内外开展了UHMWPE网衣等高性能柔性网衣的研发与应用，推动了网箱网衣技术升级[3]。PE、PA、UHMWPE等柔性网衣材料因不同的特性应用于不同类型的网箱，但在海水中均易被海洋污损生物附着。目前海水网箱养殖业具有代表性的刚性网衣包括龟甲网、金属网衣等。龟甲网由特种半刚性PET单丝编织而成，主要品种包括EcoNet、HopeNet和HRNet等[3]。龟甲网属于新型网箱网衣材料，具有综合性能好、使用寿命长、表面光滑坚硬等特点，不易被海洋污损生物附着。网箱养殖用金属网衣由特种锌铝合金丝、镀锌钢丝、金属板材或铜(锌)合金丝等材料制备而成。铜合金网衣属于特种网箱网衣材料，具有“0”生物附着、高效低碳、健康环保等优点，但与普通合成纤维网衣相比，其单位面积网衣价格昂贵且重量大。
02
网箱网衣防污技术的研究进展
2.1
人工清除法
针对海水网箱网衣防污问题，人们最先使用的技术为人工清除法。人工清除法是指使用人力或手工来清除箱体网衣附着物的方法，该方法至今已有70多年的历史[3]。人工清除法包括换网工况下的人工清除法和不换网工况下的人工清除法[8]。
人工清除法目前仍在发展中国家广泛应用，究其原因是因为其技术要求低且每个养殖工人都可以操作，而普及其他防污方法条件尚不具备(如缺少购置智能洗网机所需的大笔资金等)。随着网箱养殖业的规模化发展及其新技术的创新，人工清除法将逐步被其他有竞争力的网衣防污技术所替代。

2.2
防污涂料法
随着网箱养殖规模扩大，人们开始寻求以低劳动强度“省力”型网衣防污技术来替代传统防污技术——人工清除法。受益于船舶防污技术的启发，人们研发了网箱网衣防污涂料。在网箱技术领域，通过涂料来防止海洋生物附着或污损网衣的方法称为防污涂料法。
与船舶防污涂料相比，网衣防污涂料更加复杂，这主要表现在：①防污涂料与养殖鱼类等养殖对象密切接触；②使用防污涂料的网衣为多孔结构柔性网衣；③涂装防污涂料的网衣需在浪、流和外力等不断变化的海洋环境下长期防污；④网箱养殖地域广阔，优势污损生物品种繁多，等等。
网衣防污涂料一般由成膜物质、防污剂、颜料、填料、助剂和溶剂等组分构成[7]。现有网衣防污涂料已呈现出百花齐放的局面，主要类型包括低表面自由能防污涂料、硅酸盐防污涂料、导电防污涂料、仿生防污涂料、酶基防污涂料、含植物提取物的防污涂料(如辣素防污涂料)和氧化亚铜类防污涂料(目前在网衣防污涂料中占主导地位)等。绿色环保、广谱有效或长久高效的网衣防污涂料不但对网箱养殖生产意义重大，而且市场潜在用量巨大(除用于网箱养殖业外，产品还可在扇贝笼、养殖围栏等其他养殖设施中应用)。
相较于人工清除法，网箱网衣防污涂料法具有如下特点：①防污期内可实现网衣免清洗与免换网；②现有普通防污涂料防污期一般为4~6个月(个别防污涂料防污期达到10个月)，防污期结束后需要重新进行防污处理；③不同环境下的污损生物优势种类存在差异，养殖业需优选合适类型的防污涂料；④防污涂料应具有良好的抗冲击性，以防止其在风浪流作用下从网衣上脱落；⑤部分国产防污涂料销量小、广谱性差且价格较高，导致养殖业应用防污涂料的积极性不高；⑥与无防污涂料网衣网箱相比，防污涂料网衣网箱需增加涂料成本与涂装成本；⑦防污涂料网衣网箱的海况条件需满足特定要求等。目前我国网箱养殖业仅少数网箱应用防污涂料法，这主要是因为普通防污涂料防污期短、防污涂料价格较高且需增加复杂的涂层处理工序以及网箱所在海区海况恶劣且分布区域广阔等。
2.3
机械清除法
随着渔业装备技术的发展，洗网机(亦称网衣清洗机) 等网箱配套装备应运而生。现有网箱洗网机主要有机械毛刷洗网机、射流毛刷组合洗网机和高压射流水下洗网机等。利用洗网机等机械设备来清除或刮除网箱网衣附着物的方法称为机械清除法[3]。针对机械清除法，日本洋马公司、AKVA集团等开展了大量研发应用工作，积累了先进的洗网机技术，并已实现一些高端洗网机产供销的整体配套 (图1、图 2)[3,7]。

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图1 日本洋马公司NCL型智能养殖网清洗机器人

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图2 AKVA FNC8 型网衣清洗机

相较于人工清除法，机械清除法具有如下特点：①工作效率高 (工效提高 4~5倍以上)；②人工成本低；③作业范围大；④工人劳动强度小； ⑤洗网作业时不需要潜水员操作；⑥避免了换网对鱼类正常生长发育的影响；⑦洗网机一次性投入高 (要求用户有一定的经济实力或达到一定的养殖规模)；⑧用户有机械化或智能化养殖装备技术需求；⑨清洗时，可以检查网衣是否破损 (仅限 NCL 型智能养殖网清洗机器人等高端智能洗网机)等。
在我国海水网箱养殖生产中，很少使用机械清除法，这主要是因为：进口高端智能洗网机价格昂贵、国产普通洗网机多属于项目试制产品而非网箱产业用商品、适合海上作业的国产普通洗网机至今未能实现量产销售、国产智能洗网机技术尚未取得突破等等。展望未来，如果进口高端智能洗网机能因降价而大量进口、国产普通洗网机整体性能优越且能量产销售、国产智能洗网机关键技术取得突破并能实现规模化制造与应用，那么洗网机有望在我国规模大的养殖企业率先应用，并会逐步推广到规模小的养殖企业或个体户。
2.4
金属合金网衣防污法
铜合金等特种金属合金材料具有抑菌性和抑制水生生物的作用，因此被用来研制成防污网衣，并在水产养殖领域试验或应用[7]。通过使用具有防污功能的金属合金网衣来防止或抑制网衣附着物的方法称为金属合金网衣防污法[3]。迄今为止，金属合金网衣及其防污法已在日本、智利、挪威、美国、韩国、中国、比利时、澳大利亚等国水产养殖业中试验或应用。
随着深远海网箱养殖业的发展，我国在单柱半潜式深海渔场—“海峡1号”上应用铜合金网衣，以解决深远海养殖网衣的污损问题，相关工作目前正在进行中，最终结果可为大型深远海网箱网衣优选提供参考(图3)。

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图3 铜合金网衣在单柱半潜式深海渔场上的应用

相较于人工清除法，金属合金网衣防污法具有如下特点：①金属合金网衣具有良好的防污功能，在特定条件下使用期内可以免换网；②金属合金网衣具有较好的强度等物理机械性能，可防止外来生物对养殖鱼类的攻击；③与同等规格的合成纤维网衣网箱相比，金属合金网衣网箱重，间接提高了网箱装配难度和浮力系统要求；④金属合金网衣单位面积成本高，增加了网箱养殖业的初始投资、生产成本和防污成本；⑤金属合金网衣网箱规格、集中用量、装配技术及其海况条件等需满足特定要求，等等。
因为金属合金网衣初始投资高、产业用租赁回收商业模式缺失等原因，金属合金网衣防污法目前在网箱养殖业大规模产业化应用很少。未来若能实现金属合金网衣价格大幅度降低、创制适合恶劣海况的新型金属合金网衣网箱结构、发明具有广谱防污功能的高性价比具有广谱防污功能的金属合金网衣新材料、培育出高价适养鱼类新品种并能实施金属合金网衣租赁回收商业模式，则可推动金属合金网衣防污法在网箱养殖业的应用。
2.5
箱体转动防污法
在网箱养殖生产活动中，人们发现网衣附着物经过风吹日晒过程后会发生(部分)死亡、脱落等现象；受此启发，水产养殖业发明了箱体转动防污法。所谓箱体转动防污法是指借助网箱箱体的转动使水中(部分)网衣外露于水面，以通过风吹日晒等方法来去除或(部分)杀灭出水网衣上附着物的方法。箱体转动防污法已经在挪威、美国和中国等网箱养殖业中试验或应用示范[2-3]。Cailloue[47]开展了一种高密度鱼类养殖用可旋转式网箱的研发与应用 (图4)，通过风干和太阳曝晒(转动出水)网衣来去除网衣附着物，海上应用试验表明该方法切实可行。此外，对球形网箱而言，人们可以通过调节网箱系缆位置、锚泊系统载重等措施来使网箱水下网衣部分转动出水，实现网衣防污[2]。箱体转动防污法将网衣防污变为简便化，降低养殖工人劳动强度，提高养殖工作效率。

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相较于人工清除法，箱体转动防污法具有如下特点：①网衣防污操作简便，可降低养殖工人劳动强度、提高工作效率；②适用范围小，仅能在箱体可以转动的网箱上适用；③为实现网衣防污，该方法牺牲了部分养殖水体(间接增加了单位鱼类的生产成本)；④旋转机构增加了网箱制造成本，等等。箱体转动防污法目前已在旋转式网箱、可翻转网箱和球形网箱等网箱上应用，其防污效果值得充分肯定。如果今后能发明并批量产出高性价比的转动型网箱、实现网箱转动系统价格的大幅度降低、构建渔旅结合产业模式等，那么箱体转动防污法将会得到更广泛的应用。
2.6
生物防污法
在网箱养殖业，人们将一些可以清除网衣附着物的鱼类(如斑石鲷、篮子鱼和绿鳍马面鲀等)称为清污鱼类[2]。清污鱼类在网箱养殖中，常以附着在网衣上的丝状绿藻、褐藻、硅藻或贝类等为食，人们因此可以利用它们刮食植物或摄食动物的行为习性来防除污损生物。在网箱等养殖设施内，通过混养一定比例的清污鱼类来防除网衣附着物的方法称为生物防污法[2,8]。
相较于人工清除法，生物防污法具有如下特点：①可降低养殖工人劳动强度、提高工作效率；②适用范围小，仅能在适合混养清污鱼类的网箱养殖中适用；③混养清污鱼类密度合适时，生物防污具有较好的防污效果，养殖过程中可实现免换网与免清洗等等。
目前海水网箱养殖业中很少应用生物防污法，究其原因是因为缺少高回报清污鱼类适养品种、成熟可行的“主养品种+清污鱼类”混养商业模式尚未建立、生物防污法系统研究与产业化应用示范缺乏等。生物防污法实施中对环境无毒副作用，有助于网箱养殖的绿色发展，今后若能培育出清污鱼类适养品种，并成功实现“主养品种+清污鱼类”混养商业模式的产业化应用，则可实现“网衣防污+网箱收入”双丰收。随着我国水产养殖绿色发展战略的实施，生物防污法今后有望成为一种特色的网衣防污方法。
2.7
网衣本征防污法
在高海况养殖环境下，网箱网衣上防污涂料易发生脱落失效问题，这已经成为制约防污涂料法产业化应用的主要问题之一[7]。为解决上述问题，人们在大量艰辛试验的基础上，综合应用复合材料新技术，将适合纺丝的高效防污剂复配到特种纺丝原料中，创制出具有本征防污功能的复合纤维及其网衣材料(该材料具有长效防污特点)，这为网衣防污技术提供了一种新的技术路径。防污复合纤维网衣本征防污法是近几年刚刚发明的一种网衣防污新技术，目前主要由我国专业技术人员开展相关工作，已取得一些研究成果。
相较于人工清除法，网衣本征防污法具有如下特点：①将网箱网衣防污工作简化，可降低工人劳动强度、提高工作效率；②高效防污剂的创新应用使复合纤维网衣本身具有较好的防污性能；③采用特种纺丝工艺将高效防污剂复合到纺丝原料中，减少了防污涂料涂装工序且避免了防污剂从网衣上脱落；④防污复合纤维制备难度大，需采用特种纺丝工艺与纺丝设备；⑤筛选的防污剂应满足纺丝要求，以确保复合纤维网衣具有较好的防污功效等等。网衣本征防污法将繁琐的网箱防污工作大幅度简化，可避免防污剂从网衣上脱落失效等问题，特别适合我国东海区等高海况水域网箱应用。
2.8
其他网衣防污技术的研究进展
针对网箱网衣防污，人们研发、试验或应用了形式多样的防污方法。除上述防污技术外，人们还开展了错时错位养殖防污法、网衣升降防污法、增大网目防污法和多元联用技术防污法等防污技术研究，推动了网衣防污技术升级。海洋污损生物种类繁多，它们随着网箱养殖海区、养殖季节和养殖网衣所处深度等时空的不同而发生明显变化，据此人们发明了错时错位养殖防污法。所谓错时错位养殖防污法是指通过规避污损生物高发期与高发水层高发区域来减少网箱网衣附着物的方法[2,7-8]。
水中(部分)养殖网衣升至水面之上，通过风干日晒等方法来去除或杀灭露出水外网衣附着物的方法称为网衣升降防污法。网衣升降防污法已在升降式网箱养殖中试验或应用[2-3]。如中集蓝制备了“长鲸一号”深远海智能化坐底式网箱，可借助配置在网箱框架上的两台提升绞车实现网衣系统(部分)出水，既可集鱼捕捞和检查网衣，又可通过风干日晒出水网衣等方法来满足网箱防污需求等等(图5)[3]。

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图5“长鲸一号”深远海智能化坐底式网箱

针对大孔径网衣能减少单位面积污损生物附着量的特点，网箱养殖业一般会采用增大网目防污法。增大网目防污法已在水产养殖业应用。根据养殖鱼类形态、规格和行为特征等实际情况，人们在网箱设计或养殖生产中也会尽量选用大网目网衣，这在其他条件相同的前提下既可有效减少网衣附着量、重量与成本，又可增加网衣内外的水体交换率、促进养殖鱼类健康生长。
随着防污技术的发展，人们发现单一防污技术有时难以获得理想的网箱防污效果。为此人们发明了多元协同防污法（亦称多元联用技术防污法）。所谓多元协同防污法是指通过综合应用两种或多种防污技术来减少网箱网衣附着物的方法[5,7-8]。相比单一防污技术，多元协同防污技术将多种防污途径有机结合，功能一体化，实现了协同防污，可得到优异的处理效果和性价比。
相较于人工清除法，上述其他网衣防污技术具有如下特点：①可降低养殖工人劳动强度、提高工作效率；②适用范围小，仅能在适合增大网目、可实现网衣升降或适合错时错位养殖等特定情况下适用；③相关防污技术因地制宜应用时，具有一定的防污效果，但在养殖过程中无法实现免换网与免清洗；④实施相关防污技术的经济效益和养殖技术可行等等。目前海水网箱养殖业中很少应用错时错位养殖防污法等网衣防污技术，究其原因主要是缺少合适的养殖对象等。今后若能培育出高价错时错位养殖新品种、研制出养殖用新型网箱、大力发展升降式网箱养殖模式、开发出多元协同防污技术，则可驱动错时错位养殖防污法等其他网衣防污技术推广应用。
03
发展需求与展望

我国是世界第一海水网箱养殖大国，海水网箱养殖为水产蛋白质的供给、国家海洋权益维护、渔民转产转业等做出了巨大贡献，各级政府纷纷从政策、资金等方面大力支持网箱养殖业(尤其是深水网箱与深远海网箱养殖业)。目前，我国海水网箱已形成一个产、供、销、研、用相结合的巨大产业。网衣防污技术作为网箱养殖业的一项重要技术，它将在养殖生产中扮演重要角色。基于海洋污损生物种类繁多、网箱养殖海况千变万化、网衣结构类型复杂多变、网衣防污又要求安全环保、养殖企业或养殖户的自身条件千差万别等原因，决定了网衣防污工作的长期性、复杂性、艰巨性和差异性。网衣附着物除影响网箱内的溶解氧、鱼类生长发育、网衣内外水体交换以及养成鱼类品质外，还容易对网箱设施的水动力特性造成许多负面影响。
网箱网衣防污技术成果的市场潜力巨大，其转化应用前景非常广阔。通过对海水网箱网衣防污技术研究进展的分析与回顾，结合本课题组在网衣防污方面的研究历程，我们发现网衣防污一直是网箱养殖技术领域的研究热点与难点。目前，在中国等网箱养殖发展中国家，以中小规模的养殖企业或养殖户为主(网箱规格也以中小型网箱为主)，在网衣防污上主要采用人工清除法。目前普及机械清除法等网衣防污技术的条件尚不具备，人工清除法今后还将继续在网箱养殖发展中国家长期存在。随着海水网箱逐步向离岸、大型化、规模化和深远海方向发展，人工清除法将越来越不适应网箱养殖业的发展需求，未来它将逐步被其他具有省力、省时、高效等特点的网衣防污技术所替代。因地制宜开展适合我国国情的网衣防污技术研发与应用非常重要。
深入开展机械清除法等现代网衣防污技术研究，践行绿色发展理念，在确保网箱养殖业绿色发展的前提下进一步提高我国网衣防污技术，对于驱动我国由网箱养殖大国向网箱养殖强国转变具有重要作用。网衣防污技术事关网箱养殖业的成败，加快推进网衣防污技术研究，逐步解决网衣防污技术瓶颈具有重要意义。
与挪威等网箱养殖发达国家相比，我国网衣防污技术落后，尚未形成适合我国国情的产业用先进网衣防污技术，存在顶层设计规划空缺、研发投入严重不足、基础研究非常薄弱等一系列问题。展望未来，今后我国海水网箱网衣防污技术重要研究方向主要包括网衣涂料的防污机理研究、洗网机的智能化技术研究、具有防污功能金属合金网衣的综合性能研究、具有本征防污功能的复合纤维纺丝技术研究以及多元协同防污技术研究，等等。为加快推进我国水产养殖绿色发展战略，建议尽快编制网箱防污技术发展规划、加大网箱防污技术研发投入、加强网箱防污技术研究(尤其是基础研究或应用基础研究)，创制适合我国国情、养殖海况、养殖网箱、水产养殖绿色发展要求的产业用先进防污技术，形成支撑现代网箱养殖业可持续发展的技术体系。我国海水网箱养殖业前景广阔，但网衣防污等工作艰巨而复杂，需要几代水产人的不懈努力，才能走出一条让世人瞩目的海水网箱养殖繁荣之路。

石建高

1

，余雯雯

1*

，赵奎

2

，刘永利

1

，王磊

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，许爱蔡

3

，王立群

4

，常向玉

5

，王越

1,6

，孙斌

1,6

，舒爱艳

1,6

1. 中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；
2. 东莞市方中运动制品有限公司，广东东莞 523751；
3. 海南科维功能材料有限公司，海南海口  570100；
4. 上海迈奥新材料科技有限公司，上海  200090；
5. 淄博美标高分子纤维有限公司，山东淄博  255400；
6. 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306
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