Анализ на рециркулиращите системи за аквакултури (RAS) за подобряване на ефективността на аквакултурите
*Националният план за развитие на рибарството за 14-ия пет-годишен планов период* изрично призовава за развитие на интелигентен риболов, насърчаване на модернизацията на оборудването за аквакултури и повишаване на ефективността на развъждането и нивата на използване на ресурсите. Традиционните модели на езерни аквакултури са изправени пред предизвикателства като високо потребление на вода, значително заемане на земя и въздействие върху околната среда, което затруднява посрещането на изискванията на съвременното развитие на аквакултурите. Системата за рециркулираща аквакултура (RAS), като нов модел на интензивно земеделие, използва технологии за пречистване на водата и рециклиране, за да постигне високо-отглеждане на водни организми в относително затворена среда, предлагайки различни технически предимства.
1. Преглед на рециркулиращите системи за аквакултура
1.1 Основни понятия и структурни компоненти
Системата за рециркулираща аквакултура (RAS) е високоинтензивен модерен модел на аквакултура, който постига високо-отглеждане на водни организми в относително затворена среда чрез технологии за пречистване на вода и рециклиране. RAS основно се състои от три функционални модула: единица за култивиране, единица за пречистване на водата и единица за мониторинг и контрол на качеството на водата.
1.2 Принцип на работа
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) и амонячен азот (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Анализ на ефективността на производството в RAS
2.1 Възможност за контрол на водната среда
Способността на RAS за контрол на водната среда се отразява главно в прецизното регулиране на параметрите на качеството на водата и бързата реакция на стресовите фактори на околната среда. Това проучване, проведено в широкомащабна-база на RAS с три паралелни системи за изпитване (всяка с обем 50 m³, плътност на отглеждане 25 kg/m³), наблюдава данни непрекъснато в продължение на 180 дни, давайки резултатите вТаблица 1.
Данните показват, че RAS се представя изключително добре при регулиране на разтворения кислород. Дори по време на пикова консумация на кислород през нощта, идеалните нива се поддържат чрез синергичния ефект на помпи с променлива честота (VFD) и микропореста аерация. Регулирането на рН, използвайки онлайн мониторинг, съчетан с автоматична алкална дозираща система, показа добра стабилност в резултатите от непрекъснатия мониторинг. За отстраняване на амонячен азот ефективността на нитрификация на биофилтъра при стандартни условия беше значително подобрена в сравнение с конвенционалните методи.
Контролът на температурата, постигнат с помощта на топлообменници с титаниеви тръби с алгоритми за PID контрол, поддържа температурата на водата стабилна дори при значителни температурни колебания на околната среда.
Чрез 180 дни непрекъсната работа степента на съответствие и стабилността на всички показатели за качество на водата в системата бяха значително подобрени в сравнение с традиционните модели на култура, демонстрирайки напълно техническите предимства и стойността на приложение на RAS в контрола на водната среда. Освен това степента на съответствие за ключови показатели за качество на водата достигна 98,5%, като стабилността на основните показатели като разтворен кислород, рН и амонячен азот е с 47% по-висока, отколкото в традиционната култура.
2.2 Ефективност на биологичния растеж
Това проучване избра сладководния бял амур (Ctenopharyngodon idella) като обект за сравнение на разликите в растежа между RAS и традиционната езерна култура. Пробната група се състоеше от три 50 m³ RAS единици, докато контролната група използва три 500 m² стандартни езера за отглеждане, и двете за 180-дневен цикъл (данните са показани вТаблица 2).
Резултатите показват, че прецизният контрол на околната среда и управлението на храненето в RAS значително подобряват растежа на белия амур. Постоянният температурен ефект и стабилността на качеството на водата насърчават активността на хранене и подобряват ефективността на преобразуване на фуража.
2.3 Ефективност на съоръженията и оборудването
Оперативната ефективност на RAS се оценява основно чрез Индекса за цялостна консумация на енергия (IEC), изчислен както следва:
IEC=(P × T × η) / (V × Y)
където:
IEC=Пълен индекс на потребление на енергия (kW·h/kg)
P=Обща инсталирана мощност на системата (kW)
T=Работно време (h)
η=Коефициент на натоварване на оборудването
V=Обем на културалната вода (m³)
Y=Добив на единица воден обем (kg/m³)
Анализът на оперативните данни показа следните ключови параметри на производителност за основно RAS оборудване: работната ефективност на помпената система достигна 85%, което е 18% подобрение спрямо традиционните помпи; натоварването на третирането с амонячен азот на биофилтъра беше 0,8 kg/m³·d, 40% увеличение в сравнение с конвенционалните биофилтри; а модулът за UV дезинфекция поддържа ефективност на стерилизация над 99,9%.
Оборудването на системата използва интелигентно управление на връзките, автоматично регулиращо работната мощност и времето на работа въз основа на параметрите за качество на водата. Например оборудването за контрол на температурата може да работи при намалено натоварване (напр. 30%) по време на стабилни температурни периоди, а системите за аериране могат да работят в енергоспестяващ режим с променлива честота по време на периоди на ниска консумация на кислород през нощта. Чрез това интелигентно управление на оборудването, средният Индекс на цялостна консумация на енергия на системата беше 2,1 kW·h/kg, с 45% по-нисък от традиционните културни модели.
3. Количествена оценка на всеобхватните ползи от RAS
3.1 Количествени показатели за ползите от производството
Това проучване установи система за количествена оценка на ползите от производството на RAS, обхващаща три измерения: полза от продукцията, полза от качеството и полза от времето. Въз основа на анализ на данни от десет широко{1}}мащабни RAS бази, цялостният индекс на ползите от производството на системата достигна 0,85, което е 56% подобрение спрямо традиционните културни модели.
Оценката на изходните ползи също така взема предвид стойността,-добавена от подобреното качество на продукта. Водните продукти от RAS показаха значителни подобрения в сензорните показатели като текстура на плътта и съдържание на интрамускулна мазнина в сравнение с традиционната култура, постигайки пазарна премия от 15%–20%. От гледна точка на ползите от качеството, прецизното хранене и контрол на околната среда в системата доведоха до по-равномерен размер на продукта и значително увеличение на ставката на премиум продукта. По време на по-късните етапи на културата еднаквостта на размера на продукта достига над 92%, което улеснява стандартизираната обработка и широкомащабните-продажби.
3.2 Оценка на потреблението на ресурси
Използван е метод за оценка на жизнения цикъл (LCA) за количествено определяне на потреблението на ресурси по време на работа на системата. Ключовите показатели за оценка включват консумация на прясна вода, консумация на електроенергия и вложен фураж (данните са показани вТаблица 3).
Анализът на ефективността на използване на ресурсите показа, че системата постига висока ефективност и запазване на ресурсите чрез технологии за пречистване на водата и рециклиране, като най-значителните спестявания се наблюдават във водните и земните ресурси. Резултатите от оценката на въздействието върху околната среда показват, че интензивността на въглеродните емисии на системата е с 52% по-ниска от традиционната култура.
Предимствата на системата за опазване на ресурсите също са очевидни в подобрената ефективност на използване на фуража. Използването на интелигентни системи за хранене, комбинирани с данни за мониторинг на качеството на водата, позволи прецизно, количествено хранене, значително намалявайки отпадъците от фураж. Изследванията показват, че коефициентът на преобразуване на фуража в RAS се подобрява с 25%–30% в сравнение с традиционната култура. По отношение на използването на човешките ресурси, чрез автоматизация и интелигентно наблюдение, работните часове за тон продукт намаляват от 0,48 часа в традиционната култура на 0,15 часа, което значително намалява вложения труд, като същевременно подобрява работната среда.
3.3 Анализ на икономическата осъществимост
Икономическата осъществимост беше оценена с помощта на методите на нетната настояща стойност (NPV) и периода на изплащане. Първоначалната инвестиция включва строителство, закупуване на оборудване, монтаж и въвеждане в експлоатация. Оперативните разходи включват енергия, труд, храна и поддръжка. Източниците на приходи включват продажби на водни продукти и ползи от спестяване на водни ресурси.
ЕК= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
където:
NPV=нетна настояща стойност (10 000 CNY)
I0=Първоначална инвестиция (10 000 CNY)
Ct=Парични потоци през година t (10 000 CNY/година)
Ot=Изходящ паричен поток през година t (10 000 CNY/година)
r=Дисконтов процент (%)
t=Период на изчисление (години)
Изчислено за годишен производствен мащаб от 500 тона, системата изисква първоначална инвестиция от 8,5 милиона CNY, годишни оперативни разходи от 4,2 милиона CNY и годишни приходи от продажби от 7,5 милиона CNY. При използване на референтен дисконтов процент от 8%, периодът на изплащане е 3,2 години, а вътрешната финансова норма на възвръщаемост (IRR) е 28,5%. Анализът на чувствителността показва, че проектът поддържа добра устойчивост на риск дори при колебания в цената на продукта от ±20%.
4. Заключение
Системите за рециркулация на аквакултури (RAS) значително превъзхождат традиционните модели за отглеждане по отношение на контрола на водната среда, ефективността на биологичния растеж и оперативната ефективност на оборудването. Бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху повишаване на нивата на интелигентност на системата, оптимизиране на оперативната ефективност на оборудването и проучване на модели за широко{1}}промоция за по-нататъшно подобряване на всеобхватните ползи от рециркулационната аквакултура.