Analiza recyrkulacyjnych systemów akwakultury (RAS) w zwiększaniu wydajności akwakultury
*Krajowy plan rozwoju rybołówstwa na 14.-okres obowiązywania planu pięcioletniego* wyraźnie wzywa do rozwijania inteligentnego rybołówstwa, promowania modernizacji sprzętu akwakultury oraz zwiększania wydajności hodowli i poziomu wykorzystania zasobów. Tradycyjne modele akwakultury stawowej stoją przed wyzwaniami, takimi jak wysokie zużycie wody, znaczne zajęcie gruntów i wpływ na środowisko, co utrudnia spełnienie wymagań nowoczesnego rozwoju akwakultury. Recyrkulacyjny system akwakultury (RAS), jako nowy model intensywnego rolnictwa, wykorzystuje technologie uzdatniania wody i recyklingu, aby osiągnąć-hodowlę organizmów wodnych o dużej gęstości w stosunkowo zamkniętym środowisku, oferując wyraźne zalety techniczne.
1. Przegląd systemów akwakultury z recyrkulacją
1.1 Podstawowe pojęcia i elementy konstrukcyjne
Recyrkulacyjny system akwakultury (RAS) to bardzo intensywny nowoczesny model akwakultury, który umożliwia-hodowlę organizmów wodnych o dużej gęstości w stosunkowo zamkniętym środowisku dzięki technologiom uzdatniania wody i recyklingu. RAS składa się głównie z trzech modułów funkcjonalnych: jednostki hodowli, jednostki uzdatniania wody oraz jednostki monitorowania i kontroli jakości wody.
1.2 Zasada działania
The operation of RAS is based on the principle of water purification and recycling. During the culture process, pollutants such as suspended solids and ammonia nitrogen produced by metabolism are first removed via mechanical filtration for particulate matter. The water then enters a biofilter where nitrifying bacteria convert toxic ammonia nitrogen into nitrite, which is further oxidized to nitrate. A protein skimmer removes dissolved organic matter through bubble adsorption, and a UV device eliminates pathogenic microorganisms. The multi-stage treated water is re-oxygenated, temperature-adjusted, and recirculated back into the culture tanks. During system operation, online monitoring equipment continuously tracks key parameters like pH (6.5–8.0), dissolved oxygen (>5 mg/L) i azot amonowy (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Analiza efektywności produkcji w RAS
2.1 Możliwość kontroli środowiska wodnego
Zdolność RAS do kontroli środowiska wodnego odzwierciedla się głównie w precyzyjnej regulacji parametrów jakości wody i szybkiej reakcji na czynniki stresogenne środowiskowe. W tym badaniu, przeprowadzonym na-wielkoskalowej bazie RAS, z trzema równoległymi systemami prób (każdy o objętości 50 m3 i gęstości obsady 25 kg/m3), monitorowano dane w sposób ciągły przez 180 dni, uzyskując wyniki wTabela 1.
Dane wskazują, że RAS wyjątkowo dobrze radzi sobie z regulacją poziomu rozpuszczonego tlenu. Nawet podczas szczytowego zużycia tlenu w nocy, idealny poziom jest utrzymywany dzięki synergicznemu działaniu pomp z napędem o zmiennej częstotliwości (VFD) i napowietrzania mikroporowatego. Regulacja pH za pomocą monitorowania online w połączeniu z automatycznym systemem dozowania alkaliów wykazała dobrą stabilność wyników ciągłego monitorowania. W przypadku usuwania azotu amonowego wydajność nitryfikacji biofiltra w warunkach standardowych uległa znacznej poprawie w porównaniu z metodami konwencjonalnymi.
Kontrola temperatury, osiągnięta za pomocą wymienników ciepła z rurkami tytanowymi i algorytmami regulacji PID, utrzymywała temperaturę wody na stabilnym poziomie nawet przy znacznych wahaniach temperatury otoczenia.
W ciągu 180 dni ciągłej pracy stopień zgodności i stabilność wszystkich wskaźników jakości wody w systemie uległy znacznej poprawie w porównaniu z tradycyjnymi modelami hodowli, w pełni demonstrując zalety techniczne i wartość aplikacyjną RAS w kontroli środowiska wodnego. Co więcej, stopień zgodności w zakresie kluczowych wskaźników jakości wody osiągnął 98,5%, a stabilność podstawowych wskaźników, takich jak rozpuszczony tlen, pH i azot amonowy, była o 47% wyższa niż w tradycyjnej hodowli.
2.2 Wydajność wzrostu biologicznego
W badaniu tym wybrano karpia słodkowodnego (Ctenopharyngodon idella) jako obiekt w celu porównania różnic w wydajności wzrostu pomiędzy RAS i tradycyjną hodowlą stawową. Grupa badana składała się z trzech jednostek RAS o pojemności 50 m3, podczas gdy grupa kontrolna korzystała z trzech standardowych stawów hodowlanych o powierzchni 500 m2, oba w cyklu 180-dniowym (dane pokazane wTabela 2).
Wyniki wykazały, że precyzyjna kontrola środowiska i zarządzanie karmieniem w RAS znacząco poprawiły wydajność wzrostu amuru. Stały wpływ temperatury i stabilność jakości wody sprzyjały aktywności żywieniowej i poprawiały efektywność wykorzystania paszy.
2.3 Wydajność operacyjna obiektu i sprzętu
Efektywność operacyjną RAS ocenia się przede wszystkim za pomocą kompleksowego wskaźnika zużycia energii (IEC), obliczanego w następujący sposób:
IEC=(P × T × η) / (V × Y)
Gdzie:
Kompleksowy wskaźnik zużycia energii IEC=(kW·h/kg)
P=Całkowita zainstalowana moc systemu (kW)
T=Czas pracy (h)
η=Współczynnik obciążenia sprzętu
V=Objętość wody hodowlanej (m³)
Y=Wydajność na jednostkę objętości wody (kg/m3)
Analiza danych operacyjnych wykazała następujące kluczowe parametry wydajności głównych urządzeń RAS: wydajność operacyjna układu pomp osiągnęła 85%, co stanowi poprawę o 18% w porównaniu z tradycyjnymi pompami; obciążenie azotem amonowym w biofiltrze wyniosło 0,8 kg/m3·d, co stanowi wzrost o 40% w porównaniu z konwencjonalnymi biofiltrami; a jednostka do dezynfekcji UV utrzymała skuteczność sterylizacji powyżej 99,9%.
Wyposażenie systemu wykorzystuje inteligentną kontrolę połączeń, automatycznie dostosowując moc roboczą i czas pracy w oparciu o parametry jakości wody. Na przykład urządzenia do kontroli temperatury mogą pracować przy zmniejszonym obciążeniu (np. 30%) w okresach stabilnej temperatury, a systemy napowietrzania mogą działać w trybie{{4}oszczędzania energii ze zmienną częstotliwością w okresach niskiego zużycia tlenu w nocy. Dzięki inteligentnemu sterowaniu sprzętem średni całkowity wskaźnik zużycia energii w systemie wyniósł 2,1 kW·h/kg, czyli był o 45% niższy w porównaniu z tradycyjnymi modelami hodowli.
3. Kwantyfikacja kompleksowych korzyści RAS
3.1 Ilościowe wskaźniki korzyści produkcyjnych
W badaniu tym ustanowiono ilościowy system oceny korzyści produkcyjnych RAS, obejmujący trzy wymiary: korzyści w zakresie wyników, korzyści w zakresie jakości i korzyści w zakresie czasu. Z analizy danych z dziesięciu-wielkoskalowych baz RAS wynika, że kompleksowy wskaźnik korzyści produkcyjnych systemu osiągnął 0,85, co stanowi poprawę o 56% w porównaniu z tradycyjnymi modelami hodowli.
Ocena korzyści wyjściowych uwzględnia także wartość-dodaną wynikającą z poprawy jakości produktu. Produkty wodne firmy RAS wykazały znaczną poprawę wskaźników sensorycznych, takich jak tekstura miąższu i zawartość tłuszczu śródmięśniowego, w porównaniu z kulturami tradycyjnymi, osiągając stawkę premii rynkowej na poziomie 15–20%. Jeśli chodzi o korzyści jakościowe, precyzyjne podawanie i kontrola środowiska w systemie zaowocowały bardziej jednolitą wielkością produktu i zauważalnym wzrostem wskaźnika produktu premium. Na późniejszych etapach hodowli jednorodność wielkości produktu osiągnęła ponad 92%, co ułatwiło ustandaryzowane przetwarzanie i sprzedaż-na dużą skalę.
3.2 Ocena zużycia zasobów
Do ilościowego określenia zużycia zasobów podczas działania systemu wykorzystano metodę oceny cyklu życia (LCA). Kluczowe wskaźniki oceny obejmowały zużycie słodkiej wody, zużycie energii elektrycznej i wsad paszy (dane pokazane wTabela 3).
Analiza efektywności wykorzystania zasobów wykazała, że system osiąga wysoką wydajność i ochronę zasobów dzięki technologiom uzdatniania wody i recyklingu, przy czym najbardziej znaczące oszczędności widać w zasobach wodnych i gruntowych. Wyniki oceny oddziaływania na środowisko wykazały, że intensywność emisji dwutlenku węgla przez system była o 52% niższa niż w przypadku upraw tradycyjnych.
Zalety systemu w zakresie ochrony zasobów są również widoczne w zwiększonej efektywności wykorzystania paszy. Zastosowanie inteligentnych systemów karmienia w połączeniu z danymi z monitorowania jakości wody umożliwiło precyzyjne, ilościowe żywienie, znacznie zmniejszając straty paszy. Badania wskazują, że współczynnik wykorzystania paszy w RAS poprawia się o 25–30% w porównaniu z tradycyjną kulturą. Jeśli chodzi o wykorzystanie zasobów ludzkich, dzięki automatyzacji i inteligentnemu monitorowaniu, liczba godzin pracy na tonę produktu zmniejszyła się z 0,48 h w tradycyjnej kulturze do 0,15 h, co znacznie zmniejsza nakład pracy, a jednocześnie poprawia środowisko pracy.
3.3 Analiza wykonalności ekonomicznej
Wykonalność ekonomiczną oceniono przy użyciu metod wartości bieżącej netto (NPV) i okresu zwrotu. Inwestycja początkowa obejmuje prace inżynieryjne, zakup sprzętu, instalację i uruchomienie. Koszty operacyjne obejmują energię, robociznę, paszę i konserwację. Źródła przychodów obejmują sprzedaż produktów wodnych i korzyści wynikające z oszczędzania zasobów wodnych.
WE= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
Gdzie:
Wartość bieżąca netto=Wartość bieżąca netto (10 000 CNY)
I0=Inwestycja początkowa (10 000 CNY)
Ct=Wpływ środków pieniężnych w roku t (10 000 CNY/rok)
Ot=Wypływ środków pieniężnych w roku t (10 000 CNY/rok)
r=Stopa rabatu (%)
t=Okres obliczeniowy (lata)
Obliczony dla rocznej skali produkcji 500 ton, system wymaga początkowej inwestycji w wysokości 8,5 miliona CNY, rocznych kosztów operacyjnych w wysokości 4,2 miliona CNY i rocznych przychodów ze sprzedaży w wysokości 7,5 miliona CNY. Przy zastosowaniu referencyjnej stopy dyskontowej wynoszącej 8% okres zwrotu wynosi 3,2 roku, a finansowa wewnętrzna stopa zwrotu (IRR) wynosi 28,5%. Analiza wrażliwości pokazuje, że projekt utrzymuje dobrą odporność na ryzyko nawet przy wahaniach cen produktów rzędu ±20%.
4. Wniosek
Recyrkulacyjne systemy akwakultury (RAS) znacznie przewyższają tradycyjne modele hodowli pod względem kontroli środowiska wodnego, wydajności wzrostu biologicznego i wydajności operacyjnej sprzętu. Przyszłe badania powinny koncentrować się na zwiększaniu poziomu inteligencji systemów, optymalizacji wydajności operacyjnej sprzętu i badaniu modeli promocji na dużą-skalę w celu dalszej poprawy kompleksowych korzyści płynących z akwakultury z recyrkulacją.