1. Przegląd systemów akwakultury z recyrkulacją (RAS)
(1) Charakterystyka systemów akwakultury z recyrkulacją
Recyrkulacyjne systemy akwakultury (RAS) to nowatorski model akwakultury opracowany na bazie intensywnej akwakultury, charakteryzujący się recyrkulacją i ponownym wykorzystaniem wody hodowlanej. Oprócz zalet konwencjonalnej intensywnej akwakultury, RAS oferują znaczne korzyści w zakresie oczyszczania ścieków, zmniejszenia zużycia wody i minimalizacji zrzutu ścieków. Dzięki zoptymalizowanemu projektowi sieci wodociągowej oraz skoordynowanej pracy wielu obiektów i urządzeń, RAS umożliwia wielokrotny recykling całej objętości wody hodowlanej. W porównaniu z tradycyjną intensywną akwakulturą są one lepsze pod względem efektywności energetycznej w zakresie kontroli temperatury, łagodzenia zanieczyszczenia środowiska oraz zapobiegania chorobom i ich zwalczania.
RAS wymagają zintegrowanego wykorzystania kompleksowego zestawu urządzeń do oczyszczania i uzdatniania wody. Ich projektowanie procesów obejmuje zastosowanie wielu dyscyplin i technologii przemysłowych, w tym mechaniki płynów, biologii, inżynierii mechanicznej, elektroniki, chemii i technologii informatycznych w automatyce. Dobrze-zaprojektowany system RAS umożliwia pełną kontrolę parametrów jakości wody, takich jak temperatura, rozpuszczony tlen i składniki odżywcze, a w każdych okolicznościach ponad 90% wody w systemie można ponownie wykorzystać w drodze recyrkulacji.
(2) Istota i zalety RAS
Istota systemów akwakultury z recyrkulacją (RAS) polega na wspieraniu i optymalizacji produkcji akwakultury poprzez podejście uprzemysłowione i zmodernizowane. Umożliwiając pełną-regulację procesów w środowisku wodnym, RAS może częściowo pokonać ograniczenia zewnętrzne, takie jak temperatura, dostępność wody i przestrzeń, umożliwiając w ten sposób-całoroczną, wielo{3}}partyjną produkcję ciągłą. Umożliwia to prowadzenie-rolnictwa poza sezonem i stopniowe wchodzenie na rynek, zapewniając producentom przewagę konkurencyjną i wyższe zyski ekonomiczne.
(3) Efektywność produkcji i wykorzystanie zasobów
Doskonała wydajność produkcyjna RAS jest ściśle powiązana z jego wysoce kontrolowanymi i zasobooszczędnymi właściwościami. W przeliczeniu na-jednostkę-wody wydajność produktów wodnych w RAS jest 3–5 razy wyższa niż w przypadku tradycyjnego przepływu-przez intensywną akwakulturę i 8–10 razy większa niż w przypadku akwakultury w stawach, podczas gdy wskaźniki przeżycia zwiększają się o ponad 10%. Ponadto o blisko 60% zmniejsza się zużycie leków i środków chemicznych weterynaryjnych. Ta wszechstronna poprawa wskaźników wydajności zapewnia korzyści ekonomiczne i ekologiczne RAS.
(4) Uzdatnianie wody i integracja systemów
W RAS woda hodowlana poddawana jest szeregowi zabiegów, obejmujących filtrację fizyczną, oczyszczanie biologiczne, sterylizację i dezynfekcję, odgazowanie i natlenienie, co pozwala na pełne lub częściowe ponowne wykorzystanie wody. Jednocześnie optymalizację środowiska hodowli można zintegrować ze zautomatyzowanym sprzętem, takim jak automatyczne podajniki, umożliwiając pewien stopień automatyzacji i inteligentne zarządzanie.
(5) Podstawy technologiczne i kluczowe cechy
RAS łączy zaawansowane technologie z zakresu inżynierii rybołówstwa, sprzętu mechanicznego, nowych-materiałów przyjaznych środowisku, regulacji mikroekologicznych i zarządzania cyfrowego. Dzięki w pełni kontrolowanemu środowisku produkcyjnemu, na które warunki zewnętrzne mają minimalny wpływ, RAS wykazuje znaczące zalety, w tym ochronę wody i gruntów, zmniejszone zapotrzebowanie na energię do regulacji temperatury, stabilne warunki hodowli, przyspieszone tempo wzrostu, wysoką gęstość obsady oraz produkcję-przyjaznych dla środowiska i wolnych od zanieczyszczeń-produktów. W związku z tym RAS są uważane za „najbardziej obiecujący model akwakultury i kierunek inwestycji XXI wieku”.
(6) Rozwój i zastosowanie w Chinach
Do tej pory w Chinach zaprojektowano i zbudowano ponad 900-wielkich systemów RAS, obejmujących główne prowincje przybrzeżne, a także regiony śródlądowe, sięgające nawet do Xinjiangu. Systemy te, obejmujące zarówno zastosowania morskie, jak i słodkowodne, zostały pomyślnie skomercjalizowane, spełniając oczekiwane cele produkcyjne i wykazując doskonałą wydajność operacyjną. Praktyki produkcyjne potwierdzają, że RAS nie tylko zapewnia wyższą produktywność i korzyści dla środowiska, ale także pozwala osiągnąć znacznie niższe koszty produkcji na jednostkę plonu w porównaniu z innymi modelami akwakultury.
2.Kluczowe procesy i technologie recyrkulacyjnych systemów akwakultury (RAS)
Recyrkulacyjne systemy akwakultury (RAS) w szerokim zakresie wykorzystują sprzęt i technologie inżynierii przemysłowej. Zwykle składają się z jednostek procesowych i urządzeń do usuwania cząstek stałych; usuwanie zawieszonych cząstek i rozpuszczalnej materii organicznej; eliminacja toksycznych i szkodliwych rozpuszczalnych soli nieorganicznych, takich jak amoniak i azotyn; kontrola patogenów; usuwanie dwutlenku węgla z metabolizmu hodowanych organizmów i mikroorganizmów; suplementacja tlenu; i regulacja temperatury. Zastosowane procesy techniczne obejmują izolację termiczną i kontrolę temperatury, usuwanie cząstek stałych, usuwanie rozpuszczalnego nieorganicznego azotu i fosforu, dezynfekcję i sterylizację, a także natlenianie.
(1) Cechy produkcji uprzemysłowionej i intensywnej
RAS w jeszcze większym stopniu wzmacniają intensywne właściwości akwakultury przemysłowej, oferując wysoką wydajność produkcji i niewielkie zajęcie terenu, przy jednoczesnym pokonywaniu ograniczeń związanych z zasobami gruntów i wody. Jako model rolnictwa charakteryzujący się wysokim-nakładem,-wydajnością, dużą-gęstością i-wysoką wydajnością, RAS jest zgodny z nadrzędnymi celami Chin w zakresie cywilizacji ekologicznej i strategii zrównoważonego rozwoju.
(2) Znaczenie ekologiczne i strategiczne
Dzięki swoim intensywnym, wydajnym,-energooszczędnym,-funkcjom przyjaznym dla środowiska, RAS stał się ważnym kierunkiem transformacji i modernizacji akwakultury w Chinach w kierunku niskoemisyjnego-i zielonego rozwoju. Przez kilka lat z rzędu RAS znajdowała się na liście chińskiego Ministerstwa Rolnictwa i Spraw Wiejskich jako główna zalecana technologia w akwakulturze.
(3)Aktualny rozwój i trendy
Obecnie model ten zyskał szerokie uznanie zarówno w środowisku akademickim, jak i przemyśle w Chinach. Skala budowy nowych systemów i ogólna wydajność hodowli stale rosły w ostatnich latach, co czyni RAS jednym z kluczowych przyszłych trendów rozwojowych chińskiego przemysłu akwakultury.
3. Przegląd badań i industrializacji systemów akwakultury z recyrkulacją (RAS)
(1)Międzynarodowe badania i industrializacja
Wczesne badania i rozwój
Najwcześniejszy system akwakultury z recyrkulacją (RAS) pojawił się w Japonii w latach pięćdziesiątych XX wieku. Następnie wiele krajów rozpoczęło badania nad technologiami uzdatniania wody i akwakultury na potrzeby RAS. Początkowo badania te opierały się na procesach oczyszczania ścieków komunalnych i systemach-akwaryjnych (o gęstości hodowli wynoszącej zaledwie 0,16–0,48 kg/m3). Jednak takie podejścia nie uwzględniały wyjątkowych wymagań akwakultury komercyjnej,-szczególnie pod względem kosztów systemu, wykorzystania zasobów, stosunku objętości wody hodowlanej do wody oczyszczającej oraz nośności systemu (zwykle 50–300 kg/m3). W rezultacie wysiłki badawcze napotkały wiele niepowodzeń, pochłonęły duże ilości zasobów i postępowały powoli.
Rozpoznawanie charakterystyk dynamicznych
Wczesne badania pominęły także ważną cechę RAS: jego dynamiczną naturę. Szybkość produkcji i degradacji odpadów metabolicznych ryb musi osiągnąć dynamiczną równowagę, aby system pozostał stabilny i zdrowy. W połowie-lat 80. XX wieku, wraz z rosnącym zrozumieniem parametrów jakości wody-takich jak pH, rozpuszczony tlen (DO), azot całkowity (TN), azotany (NO₃⁻), biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT) i chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT) – oraz ich wzorce zmienności w wodzie akwakultury, te dynamiczne zmiany zostały stopniowo uwzględnione w projektowaniu systemu. Na przykład niedobór tlenu można szybko skorygować poprzez napowietrzanie, ale reakcja bakterii nitryfikacyjnych na rosnące stężenie amoniaku często jest znacznie opóźniona. Zatem głębsza wiedza na temat oddziałujących czynników ograniczających staje się coraz ważniejsza dla efektywnego projektowania i działania systemu.
Wyzwania we wczesnych praktykach
Wielu specjalistów w dziedzinie akwakultury miało doświadczenie w przepływie-przez systemy intensywne, ale brakowało im wiedzy na temat działania RAS. W rezultacie często nie kontrolowali odpowiednio gęstości obsady, ilości i częstotliwości karmienia oraz zarządzania jakością wody, co prowadziło do braku równowagi w przepływie wody w systemie i obiegu materiału, a ostatecznie do awarii operacyjnych. Ten brak wiedzy naukowej i doświadczenia w zarządzaniu znalazł odzwierciedlenie w poziomach gęstości hodowli: RAS w skali laboratoryjnej zwykle osiągał jedynie 10–42 kg/m3, podczas gdy RAS na wczesną-komercyjną skalę utrzymywał się na poziomie zaledwie 6,7–7,9 kg/m3. Po ponad pół wieku postępu technologicznego,-w tym optymalizacji procesów, napowietrzania i natleniania (np. stosowania ciekłego tlenu), automatycznego karmienia i selekcji odpowiednich gatunków,-nowoczesne systemy RAS pokonały wiele czynników ograniczających i mogą obecnie zapewniać wysoką gęstość hodowli wynoszącą 50–300 kg/m3.
Rozwój przemysłu i innowacje technologiczne
Ponieważ tradycyjna akwakultura stawowa stanęła w obliczu stagnacji spowodowanej konkurencją o ziemię i presją środowiskową, w latach 80. i 90. XX wieku RAS w Europie i Ameryce Północnej doświadczył szybkiego wzrostu. Tej ekspansji przemysłowej towarzyszyły udoskonalenia technologiczne, obejmujące zastosowanie filtrów ciśnieniowych i bez-ciśnieniowych do dużych zawiesin, ozonowanie do dezynfekcji i degradacji materii organicznej oraz rozwój wielu filtrów biologicznych, takich jak filtry zanurzeniowe, filtry zraszane, filtry tłokowe, obrotowe kontaktory biologiczne, biofiltry bębnowe i reaktory ze złożem fluidalnym, a także jednostki do beztlenowego denitryfikacji. Dzięki tym postępom RAS stopniowo dojrzewał i wszedł do zastosowań komercyjnych.
Sprawa Stanów Zjednoczonych
Stany Zjednoczone utrzymały wiodącą pozycję zarówno w badaniach podstawowych, jak i stosowanych w zakresie RAS, obejmujących takie obszary, jak żywienie i fizjologia gatunków intensywnie hodowanych, zapobieganie chorobom i technologie uzdatniania wody. Kluczową cechą US RAS jest wysoki stopień automatyzacji i mechanizacji kontroli jakości wody. Systemy wspomagane komputerowo-automatycznie regulują rozpuszczony tlen, pH, przewodność, zmętnienie i poziom amoniaku, a także warunki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność i natężenie światła. Wykorzystując swoją zaawansowaną bazę przemysłową, Stany Zjednoczone powszechnie wdrożyły-zaawansowany technologicznie sprzęt do natleniania, oczyszczania biologicznego, usuwania ciał stałych, sortowania i zbioru. Na przykład eksperymentalny RAS opracowany przez Centrum Biotechnologii Morskiej na Uniwersytecie Maryland obejmuje procesy oczyszczania beztlenowego, bardzo przypominające systemy zaprojektowane przez firmę Aquatec-Solutions w Danii.
4. Wyzwania i środki zaradcze stojące przed rozwojem uprzemysłowionych systemów akwakultury z recyrkulacją (RAS)
(1) Niewystarczająca integracja obiektów i sprzętu
Chociaż chińskie urządzenia do uzdatniania wody, automatycznego podawania, dezynfekcji i napowietrzania stopniowo osiągnęły międzynarodowy poziom zaawansowany, ogólna integracja systemu pozostaje niewystarczająca. Brak dużych-przedsiębiorstw zdolnych do produkcji kompletnych zestawów sprzętu RAS zwiększył koszty i złożoność budowy, utrudniając w ten sposób szybki rozwój sprzętu domowego.
(2) Potrzeba optymalizacji specjalistycznych mieszanek paszowych
Obecnie receptury pasz wodnych w Chinach są wysoce jednorodne i brakuje w nich specjalistycznej paszy przeznaczonej dla RAS i określonych gatunków hodowlanych. Zwiększa to obciążenie operacyjne systemów uzdatniania wody i wpływa na wydajność rolnictwa. Konieczne jest opracowanie-odpowiednich dla danego gatunku pasz RAS o dobrze-zbilansowanym żywieniu, niskim współczynniku wymywania i korzystnych współczynnikach wykorzystania paszy.
(3) Zapobieganie i kontrola chorób wymagają większej precyzji
Rolnictwo o dużej-gęstości i{1}}wysokiej wydajności zwiększa ryzyko wybuchu choroby w przypadku wystąpienia braku równowagi w systemie, a patogeny są trudne do wyeliminowania w systemach zamkniętych. Należy udoskonalić optymalizację systemu, aby poprawić zdolność buforowania, natomiast badania powinny skupiać się na fizjologii ryb, reakcjach na stres, wczesnych wskaźnikach chorób i skutecznych mechanizmach-ostrzegania o chorobach.
(4) Znacząca presja na zużycie energii i redukcję kosztów
Wysokie początkowe inwestycje budowlane i zużycie energii to nieuniknione wyzwania dla RAS. Należy wdrożyć-środki oszczędzania energii zarówno na poziomie sprzętu, jak i systemu, w tym rozwój-filtrów niskoenergetycznych, urządzeń usuwających CO₂, technologii oczyszczania ścieków oraz zastosowań energii odnawialnej, takich jak pompy ciepła wykorzystujące energię słoneczną, wiatrową i wodną-.
(5) Brak standaryzacji w działaniu i zarządzaniu
Obecnie w Chinach nie ma ujednoliconych standardów technicznych ani norm dotyczących RAS. W rezultacie projekt systemu, praktyki zarządzania i wydajność rolnictwa znacznie się różnią, a awarie operacyjne są częste. Niezbędne jest ustanowienie standardowych ram technicznych dla zdrowej akwakultury, poprawa standardów procesów i zarządzania oraz promowanie projektów demonstracyjnych na rzecz standaryzowanej produkcji.
(6) Potrzeba wzmocnionych badań podstawowych
Naukowe zrozumienie kilku aspektów pozostaje niewystarczające, w tym stanu zdrowia gatunków hodowanych w-o dużym zagęszczeniu i określonych warunkach jakości wody, zmian strukturalnych biofilmu podczas działania systemu, mechanizmów obiegu składników odżywczych oraz optymalnych metod usuwania i nieszkodliwego oczyszczania cząstek stałych. Luki te utrudniają dalszy rozwój odpowiednich technologii i sprzętu.
(7) Przyszłe trendy i możliwości rozwoju
Pomimo tych wyzwań, RAS oferuje znaczące korzyści w zakresie wydajności produkcji, zrównoważenia środowiskowego i dobrostanu zwierząt. Jako ekologiczny, ekologiczny, wydajny i wydajny model rolnictwa wpisuje się w światowe trendy w kierunku rozwoju niskoemisyjnego-. Oczekuje się, że wraz z modernizacją chińskiego rybołówstwa, postępem cywilizacji ekologicznej i przyspieszeniem realizacji celów neutralności węglowej, RAS wejdzie w nową fazę szybkiego rozwoju.