1. Преглед на рециркулиращите системи за аквакултури (RAS)
(1) Характеристики на системите за рециркулация на аквакултури
Рециркулиращите системи за аквакултура (RAS) са нов модел на аквакултура, разработен на базата на интензивна аквакултура, характеризираща се с рециркулация и повторна употреба на култивирана вода. В допълнение към предимствата на конвенционалната интензивна аквакултура, RAS предлага значителни предимства при пречистване на отпадъчни води, намаляване на потреблението на вода и минимизиране на изхвърлянето на отпадъчни води. Чрез оптимизиран дизайн на водоснабдителната система и координирана работа на множество съоръжения и устройства, RAS позволява многократно рециклиране на целия обем вода за култура. В сравнение с традиционните интензивни аквакултури, те са по-добри по отношение на енергийната ефективност за контрол на температурата, смекчаване на замърсяването на околната среда и превенция и контрол на болести.
RAS изискват интегрирано използване на цялостен набор от съоръжения за пречистване и третиране на вода. Техният дизайн на процеси включва прилагането на множество дисциплини и индустриални технологии, включително механика на флуидите, биология, машинно инженерство, електроника, химия и информационни технологии за автоматизация. Добре-проектираният RAS може да постигне пълен контрол на параметрите на качеството на водата като температура, разтворен кислород и хранителни вещества и при всякакви обстоятелства повече от 90% от водата в системата може да се използва повторно чрез рециркулация.
(2) Същност и предимства на RAS
Същността на рециркулиращите системи за аквакултури (RAS) се крие в подпомагането и оптимизирането на производството на аквакултури чрез индустриализирани и модернизирани подходи. Като позволява пълно-регулиране на процесите на водната среда, RAS може частично да преодолее външни ограничения като температура, наличие на вода и пространство, като по този начин постига целогодишно-много-серийно непрекъснато производство. Това позволява от-отглеждане извън сезона и поетапно навлизане на пазара, осигурявайки на производителите конкурентно предимство и по-висока икономическа възвръщаемост.
(3) Производствена ефективност и използване на ресурсите
Отличната производствена производителност на RAS е тясно свързана с неговите силно контролируеми и-ресурсоефективни характеристики. На база-единица-вода, добивът на водни продукти в RAS е 3–5 пъти по-висок от този на традиционния поток-чрез интензивна аквакултура и 8–10 пъти по-висок от този на езерна аквакултура, докато нивата на оцеляване се увеличават с повече от 10%. Освен това употребата на ветеринарни лекарства и химически агенти е намалена с близо 60%. Тези цялостни подобрения в показателите за ефективност гарантират както икономическите, така и екологичните ползи от RAS.
(4) Пречистване на водата и системна интеграция
В RAS културалната вода претърпява серия от обработки, включително физическа филтрация, биологично пречистване, стерилизация и дезинфекция, обезгазяване и оксигениране, което позволява пълно или частично повторно използване на водата. В същото време оптимизирането на културната среда може да бъде интегрирано с автоматизирано оборудване като автоматични хранилки, което позволява известна степен на автоматизация и интелигентно управление.
(5) Технологични основи и ключови характеристики
RAS интегрира напреднали технологии от риболовното инженерство, механично оборудване, нови екологични -материали, микроекологично регулиране и цифрово управление. Благодарение на напълно контролираната производствена среда, която е минимално повлияна от външните условия, RAS демонстрира значителни предимства, включително опазване на вода и земя, намалено търсене на енергия за регулиране на температурата, стабилни условия на отглеждане, ускорени темпове на растеж, висока гъстота на отглеждане и производство на екологични-съобразни,-незамърсяващи-продукти. Като такива, RAS се считат за "най-обещаващият модел на аквакултурата и инвестиционна посока на 21-ви век."
(6) Разработка и приложение в Китай
Към днешна дата повече от 900 широкомащабни-RAS са проектирани и конструирани в Китай, обхващащи големи крайбрежни провинции, както и вътрешни региони, стигайки дори до Синдзян. Тези системи, обхващащи както морски, така и сладководни приложения, бяха успешно комерсиализирани, отговаряйки на очакваните производствени цели и демонстрирайки отлична оперативна производителност. Производствените практики потвърждават, че RAS не само осигурява превъзходна производителност и екологични предимства, но също така постига значително по-ниски производствени разходи за единица добив в сравнение с други модели на аквакултури.
2. Ключови процеси и технологии на рециркулационни системи за аквакултури (RAS)
Рециркулиращите системи за аквакултури (RAS) използват широко индустриално инженерно оборудване и технологии. Обикновено те се състоят от технологични единици и съоръжения за отстраняване на твърди частици; отстраняване на суспендирани частици и разтворими органични вещества; елиминиране на токсични и вредни разтворими неорганични соли като амоняк и нитрити; контрол на патогените; отстраняване на въглероден диоксид от метаболизма на култивирани организми и микроорганизми; добавяне на кислород; и регулиране на температурата. Включените технически процеси включват топлоизолация и контрол на температурата, отстраняване на твърди частици, отстраняване на разтворим неорганичен азот и фосфор, дезинфекция и стерилизация, както и оксигениране.
(1) Характеристики на индустриализираното и интензивно производство
RAS допълнително подобряват интензивните характеристики на промишлената аквакултура, предлагайки висока производствена ефективност и малко заемане на земя, като същевременно преодолява ограниченията на земните и водните ресурси. Като селскостопански модел с висока-вложеност, висок-изход, висока-плътност и висока-ефективност, RAS е в съответствие с основните цели на Китай за екологична цивилизация и стратегии за устойчиво развитие.
(2) Екологично и стратегическо значение
Със своите интензивни, ефективни, енерго-спестяващи,-намаляващи емисиите и щадящи околната среда характеристики, RAS се превърна във важна посока за трансформиране и надграждане на аквакултурата в Китай към ниско-въглеродно и зелено развитие. В продължение на няколко последователни години RAS е включена в списъка на Министерството на земеделието и селските райони на Китай като основна препоръчителна технология за аквакултура.
(3) Текущо развитие и тенденции
Понастоящем този модел е получил широко признание както от академичните среди, така и от индустрията в Китай. Мащабът на изграждането на нова система и цялостният капацитет за отглеждане се увеличават стабилно през последните години, превръщайки RAS в една от ключовите бъдещи тенденции за развитие на китайската аквакултурна индустрия.
3. Преглед на изследванията и индустриализацията на рециркулационни системи за аквакултури (RAS)
(1)Международни изследвания и индустриализация
Ранни изследвания и разработки
Най-ранната рециркулираща система за аквакултура (RAS) се появява в Япония през 50-те години на миналия век. Впоследствие много страни започнаха изследвания върху технологиите за пречистване на вода и аквакултури за RAS. Първоначално тези проучвания се основаваха на процеси за пречистване на битови отпадъчни води и системи в стил-аквариум (с плътност на културата от само 0,16–0,48 kg/m³). Подобни подходи обаче не отчитат уникалните изисквания на търговската аквакултура-особено по отношение на системните разходи, използването на ресурсите, съотношението между обемите на културата и пречистващата вода и капацитета на системата (обикновено 50–300 kg/m³). В резултат на това изследователските усилия срещнаха много неуспехи, изразходваха големи количества ресурси и напредваха бавно.
Разпознаване на динамични характеристики
Ранните проучвания също пренебрегнаха важна характеристика на RAS: нейната динамична природа. Степента на производство и разграждане на рибните метаболитни отпадъци трябва да достигне динамично равновесие, за да може системата да остане стабилна и здрава. До средата на-80-те години на миналия век, с нарастващото разбиране на параметрите за качество на водата-като рН, разтворен кислород (DO), общ азот (TN), нитрат (NO₃⁻), биохимична нужда от кислород (BOD) и химическа потребност от кислород (COD) – и моделите на техните вариации във водата за аквакултури, тези динамични промени бяха постепенно интегрирани в дизайна на системата. Например недостигът на кислород може бързо да бъде коригиран чрез аериране, но реакцията на нитрифициращите бактерии към нарастващите концентрации на амоняк често изостава значително. По този начин по-задълбоченото познаване на взаимодействащите ограничаващи фактори става все по-важно за ефективното проектиране и експлоатация на системата.
Предизвикателства в ранните практики
Много практикуващи аквакултури имаха опит с поток-през интензивни системи, но им липсваха познания за работата на RAS. В резултат на това те често не успяват да контролират правилно гъстотата на отглеждане, количествата на хранене, честотата на хранене и управлението на качеството на водата, което води до дисбаланси в системния воден поток и кръговрата на материала и в крайна сметка причинява оперативни повреди. Тази липса на научно разбиране и опит в управлението се отразява в нивата на плътност на културата: RAS в-лабораторен мащаб обикновено постига само 10–42 kg/m³, докато RAS в ранен комерсиален-мащаб поддържа само 6,7–7,9 kg/m³. След повече от половин век на технологичен напредък-включително оптимизиране на процеси, аериране и оксигениране (напр. използване на течен кислород), автоматизирано хранене и подбор на подходящи видове-модерните RAS са преодолели много ограничаващи фактори и сега могат да поддържат висока плътност на културите от 50–300 kg/m³.
Индустриален растеж и технологични иновации
Тъй като традиционната езерна аквакултура беше изправена пред стагнация поради конкуренцията върху земята и натиска върху околната среда, RAS в Европа и Северна Америка претърпяха бърз растеж между 1980-те и 1990-те години. Тази промишлена експанзия беше придружена от технологични подобрения, включително използването на филтри под налягане и без -налягане за големи суспендирани твърди частици, озониране за дезинфекция и разграждане на органична материя и разработването на множество биологични филтри като потопени филтри, капещи филтри, бутални филтри, въртящи се биологични контактори, барабанни биофилтри и реактори с кипящ слой, както и анаеробни единици за денитрификация. С този напредък RAS постепенно узрява и навлиза в търговско приложение.
Случаят на Съединените щати
Съединените щати поддържат водеща позиция както във фундаменталните, така и в приложните изследвания на RAS, обхващащи области като храненето и физиологията на интензивно отглеждани видове, превенция на болести и технологии за пречистване на водата. Ключова характеристика на US RAS е тяхната висока степен на автоматизация и механизация в контрола на качеството на водата. Компютърно-подпомаганите системи автоматично регулират нивата на разтворен кислород, pH, проводимост, мътност и амоняк, както и условия на околната среда като температура, влажност и интензитет на светлината. Възползвайки се от напредналата си промишлена база, САЩ широко внедриха високо-технологично оборудване за оксигениране, биологично пречистване, отстраняване на твърди частици, сортиране и прибиране на реколтата. Например експерименталната RAS, разработена от Центъра по морска биотехнология към Университета на Мериленд, включва процеси на анаеробно третиране, много наподобяващи системи, проектирани от Aquatec-Solutions в Дания.
4. Предизвикателства и контрамерки за развитието на индустриализирани рециркулационни системи за аквакултура (RAS)
(1) Недостатъчна интеграция на съоръжения и оборудване
Въпреки че оборудването за пречистване на вода, автоматично захранване, дезинфекция и аериране в Китай постепенно се приближи до международното напреднало ниво, цялостната системна интеграция остава неадекватна. Липсата на широкомащабни-предприятия, способни да произвеждат пълни комплекти RAS оборудване, увеличи строителните разходи и сложността, като по този начин възпрепятства бързото развитие на местното оборудване.
(2) Необходимост от оптимизиране на специализираните комбинирани фуражи
Понастоящем формулите за водни храни в Китай са силно хомогенни и им липсват специализирани фуражи, предназначени за RAS и специфични култивирани видове. Това увеличава експлоатационната тежест на системите за пречистване на вода и влияе върху производителността на земеделието. Необходимо е да се разработят видове-специфични RAS фуражи с добре-балансирано хранене, ниски нива на излугване и благоприятни коефициенти на преобразуване на фуража.
(3) Превенцията и контролът на заболяванията изискват по-голяма прецизност
Високата-гъстота и високо-ефективното земеделие увеличават риска от огнища на болести, след като се появят системни дисбаланси, а патогените трудно се елиминират в затворени системи. Оптимизацията на системата трябва да бъде подобрена, за да се подобри капацитетът за буфериране, докато изследванията трябва да се съсредоточат върху физиологията на рибите, реакциите на стрес, ранните индикатори за заболяване и ефективните-механизми за предупреждение за заболяване.
(4) Значителен натиск за потребление на енергия и намаляване на разходите
Високите първоначални строителни инвестиции и потреблението на енергия са неизбежни предизвикателства пред RAS. Мерките за-спестяване на енергия трябва да бъдат приложени както на ниво оборудване, така и на ниво система, включително разработването на ниско{2}}енергийни филтри, устройства за отстраняване на CO₂, технологии за пречистване на отпадъчните води и приложения за възобновяема енергия като слънчеви, вятърни и-водни термопомпи.
(5) Липса на стандартизация в работата и управлението
Понастоящем в Китай няма унифицирани технически стандарти или норми за RAS. В резултат на това дизайнът на системата, практиките за управление и производителността на земеделието варират значително и оперативните повреди са често срещани. От съществено значение е да се създаде стандартизирана техническа рамка за здравословна аквакултура, да се подобрят стандартите за процеси и управление и да се насърчават демонстрационни проекти за стандартизирано производство.
(6) Необходимост от засилени фундаментални изследвания
Научното разбиране на няколко аспекта остава недостатъчно, включително здравословното състояние на култивираните видове при условия с висока-гъстота и специфично качество на водата, структурни промени на биофилма по време на работа на системата, механизми за цикъл на хранителни вещества и оптимални методи за отстраняване и безвредно третиране на твърди частици. Тези пропуски възпрепятстват по-нататъшното развитие на съответните технологии и оборудване.
(7) Бъдещи тенденции и възможности за развитие
Въпреки тези предизвикателства, RAS предлага значителни предимства в ефективността на производството, екологичната устойчивост и хуманното отношение към животните. Като екологичен, екологичен, кръгов и ефективен земеделски модел, той е в съответствие с глобалните тенденции към ниско-въглеродно развитие. С модернизирането на риболова в Китай, напредъка на екологичната цивилизация и ускоряването на целите за въглеродна неутралност се очаква RAS да навлезе в нова фаза на бързо развитие.