1. Prehľad recirkulačných akvakultúrnych systémov (RAS)
(1) Charakteristiky recirkulačných akvakultúrnych systémov
Recirkulačné akvakultúrne systémy (RAS) sú novým modelom akvakultúry vyvinutý na základe intenzívnej akvakultúry, ktorá sa vyznačuje recirkuláciou a opätovným využívaním kultúrnej vody. Okrem výhod konvenčnej intenzívnej akvakultúry ponúka RAS významné výhody pri čistení odpadových vôd, znižovaní spotreby vody a minimalizácii vypúšťania odpadových vôd. Prostredníctvom optimalizovaného návrhu vodovodného systému a koordinovanej prevádzky viacerých zariadení a zariadení umožňujú RAS opakovanú recykláciu celého objemu kultúrnej vody. V porovnaní s tradičnou intenzívnou akvakultúrou sú lepšie z hľadiska energetickej účinnosti pri regulácii teploty, zmierňovaní znečistenia životného prostredia a prevencii a kontrole chorôb.
RAS vyžadujú integrované používanie komplexného súboru zariadení na čistenie a úpravu vody. Ich procesný dizajn zahŕňa aplikáciu viacerých disciplín a priemyselných technológií vrátane mechaniky tekutín, biológie, strojárstva, elektroniky, chémie a automatizačných informačných technológií. Dobre-navrhnutý systém RAS môže dosiahnuť plnú kontrolu parametrov kvality vody, ako sú teplota, rozpustený kyslík a živiny, a za každých okolností možno viac ako 90 % vody v systéme opätovne použiť prostredníctvom recirkulácie.
(2)Podstata a výhody RAS
Podstata recirkulačných akvakultúrnych systémov (RAS) spočíva v podpore a optimalizácii produkcie akvakultúry prostredníctvom industrializovaných a modernizovaných prístupov. Umožnením úplnej{1}}procesnej regulácie vodného prostredia môže RAS čiastočne prekonať vonkajšie obmedzenia, ako je teplota, dostupnosť vody a priestor, a dosiahnuť tak celoročnú-viac{3}}dávkovú nepretržitú výrobu. Umožňuje to mimosezónne poľnohospodárstvo a postupný vstup na trh, čo výrobcom poskytuje konkurenčnú výhodu a vyššiu ekonomickú návratnosť.
(3) Efektívnosť výroby a využívanie zdrojov
Vynikajúci produkčný výkon RAS je úzko spätý s jeho vysoko kontrolovateľnými a zdrojovo-efektívnymi charakteristikami. Na základe-jednotky-vody je výťažok vodných produktov v RAS 3 – 5-krát vyšší ako pri tradičnom toku-intenzívnou akvakultúrou a 8 – 10-krát vyšší ako pri rybníkovej akvakultúre, pričom miera prežitia sa zvyšuje o viac ako 10 %. Okrem toho sa používanie veterinárnych liečiv a chemických prostriedkov znižuje takmer o 60 %. Tieto komplexné zlepšenia ukazovateľov výkonnosti zabezpečujú ekonomické aj ekologické výhody RAS.
(4) Úprava vody a integrácia systému
V RAS prechádza kultúrna voda sériou úprav vrátane fyzickej filtrácie, biologického čistenia, sterilizácie a dezinfekcie, odplynenia a okysličovania, čo umožňuje úplné alebo čiastočné opätovné použitie vody. Zároveň je možné optimalizáciu prostredia kultúry integrovať s automatizovanými zariadeniami, ako sú automatické podávače, čo umožňuje určitý stupeň automatizácie a inteligentného riadenia.
(5)Technologické základy a kľúčové vlastnosti
RAS integruje pokročilé technológie z oblasti rybného hospodárstva, mechanického vybavenia, nových ekologických{0}}materiálov, mikroekologickej regulácie a digitálnej správy. Vďaka plne kontrolovanému výrobnému prostrediu, ktoré je minimálne ovplyvnené vonkajšími podmienkami, RAS vykazuje významné výhody vrátane ochrany vody a pôdy, zníženej energetickej náročnosti na reguláciu teploty, stabilných podmienok chovu, zrýchleného rastu, vysokej hustoty zástavu a výroby ekologických-produktov bez-znečistenia. Ako také sú RAS považované za „najsľubnejší model akvakultúry a investičný smer 21. storočia“.
(6) Vývoj a aplikácia v Číne
K dnešnému dňu bolo v Číne navrhnutých a skonštruovaných viac ako 900-veľkých RAS, ktoré pokrývajú hlavné pobrežné provincie, ako aj vnútrozemské regióny, až po Sin-ťiang. Tieto systémy, ktoré zahŕňajú morské aj sladkovodné aplikácie, boli úspešne komercializované, spĺňajú očakávané výrobné ciele a vykazujú vynikajúci prevádzkový výkon. Výrobné postupy potvrdzujú, že RAS prináša nielen vynikajúcu produktivitu a environmentálne výhody, ale dosahuje aj výrazne nižšie výrobné náklady na jednotku výnosu v porovnaní s inými modelmi akvakultúry.
2. Kľúčové procesy a technológie recirkulačných akvakultúrnych systémov (RAS)
Recirkulačné akvakultúrne systémy (RAS) vo veľkej miere využívajú zariadenia a technológie priemyselného inžinierstva. Zvyčajne pozostávajú z procesných jednotiek a zariadení na odstraňovanie pevných častíc; odstránenie suspendovaných častíc a rozpustnej organickej hmoty; odstránenie toxických a škodlivých rozpustných anorganických solí, ako je amoniak a dusitany; kontrola patogénov; odstránenie oxidu uhličitého z metabolizmu kultúrnych organizmov a mikroorganizmov; doplnenie kyslíka; a regulácia teploty. Technické procesy zahŕňajú tepelnú izoláciu a kontrolu teploty, odstraňovanie pevných častíc, odstraňovanie rozpustného anorganického dusíka a fosforu, dezinfekciu a sterilizáciu, ako aj okysličovanie.
(1)Industrializované a intenzívne výrobné funkcie
RAS ďalej zlepšuje intenzívne charakteristiky priemyselnej akvakultúry, ponúka vysokú efektivitu produkcie a malé zábery pôdy a zároveň prekonáva obmedzenia pôdy a vodných zdrojov. RAS ako model poľnohospodárstva s vysokým-vstupom, vysokým{2}}výstupom, vysokou-hustotou a vysokou{4}}efektivitou je v súlade s hlavnými cieľmi Číny v oblasti ekologickej civilizácie a stratégií trvalo udržateľného rozvoja.
(2) Ekologický a strategický význam
Vďaka svojim intenzívnym, efektívnym, energeticky -úsporným, emisiám{1}}redukujúcim a ekologickým funkciám sa RAS stal dôležitým smerom pre transformáciu a modernizáciu akvakultúry v Číne smerom k nízkouhlíkovému a zelenému rozvoju. Už niekoľko po sebe nasledujúcich rokov je RAS uvedený na zozname Ministerstva poľnohospodárstva a vidieckych záležitostí Číny ako hlavná odporúčaná technológia akvakultúry.
(3)Aktuálny vývoj a trendy
V súčasnosti si tento model získal široké uznanie akademickej obce aj priemyslu v Číne. Rozsah výstavby nového systému a celková kapacita chovu sa v posledných rokoch neustále zvyšuje, vďaka čomu je RAS jedným z kľúčových budúcich trendov rozvoja čínskeho odvetvia akvakultúry.
3. Prehľad výskumu a industrializácie recirkulačných akvakultúrnych systémov (RAS)
(1)Medzinárodný výskum a industrializácia
Skorý výskum a vývoj
Najskorší recirkulačný akvakultúrny systém (RAS) sa objavil v Japonsku v 50. rokoch 20. storočia. Následne mnohé krajiny začali s výskumom technológií úpravy vody a akvakultúry pre RAS. Pôvodne boli tieto štúdie založené na procesoch čistenia komunálnych odpadových vôd a systémoch v štýle akvárií (s hustotou kultúry iba 0,16 – 0,48 kg/m³). Takéto prístupy však nezohľadnili jedinečné požiadavky komerčnej akvakultúry-, najmä pokiaľ ide o náklady na systém, využitie zdrojov, pomer medzi objemami kultivačnej a čistiacej vody a nosnú kapacitu systému (zvyčajne 50 – 300 kg/m³). Výsledkom bolo, že výskumné úsilie narazilo na mnohé neúspechy, spotrebovalo veľké množstvo zdrojov a napredovalo pomaly.
Rozpoznanie dynamických charakteristík
Skoré štúdie tiež prehliadali dôležitú charakteristiku RAS: jeho dynamickú povahu. Rýchlosť produkcie a degradácie metabolických odpadov rýb musí dosiahnuť dynamickú rovnováhu, aby systém zostal stabilný a zdravý. V polovici-80. rokov 20. storočia, s rastúcim pochopením parametrov kvality vody-, ako je pH, rozpustený kyslík (DO), celkový dusík (TN), dusičnany (NO₃⁻), biochemická spotreba kyslíka (BSK) a chemická spotreba kyslíka (CHSK) – a ich variačné vzorce vo vode akvakultúry, boli tieto dynamické zmeny postupne integrované do návrhu systému. Napríklad nedostatok kyslíka možno rýchlo korigovať prevzdušňovaním, ale reakcia nitrifikačných baktérií na stúpajúce koncentrácie amoniaku často výrazne zaostáva. Hlbšie znalosti o vzájomne sa ovplyvňujúcich obmedzujúcich faktoroch sa tak stávali čoraz dôležitejšími pre efektívny návrh a prevádzku systému.
Výzvy v ranej praxi
Mnohí odborníci v oblasti akvakultúry mali skúsenosti s prietokom-intenzívnymi systémami, ale chýbali im znalosti o prevádzke RAS. V dôsledku toho často nedokázali správne kontrolovať hustotu obsádky, množstvá krmiva, frekvenciu kŕmenia a riadenie kvality vody, čo viedlo k nerovnováhe v prietoku vody v systéme a kolobehu materiálu a v konečnom dôsledku spôsobili prevádzkové poruchy. Tento nedostatok vedeckého pochopenia a skúseností s riadením sa odzrkadlil v úrovniach hustoty kultúry: laboratórne -mierka RAS zvyčajne dosahovala iba 10 – 42 kg/m³, zatiaľ čo ranná komerčná-mierka RAS sa udržiavala na nízkej úrovni 6,7 – 7,9 kg/m³. Po viac ako polstoročí technologického pokroku{10}}vrátane optimalizácie procesov, prevzdušňovania a okysličovania (napr. používanie tekutého kyslíka), automatizovaného kŕmenia a výberu vhodných druhov-moderné RAS prekonali mnohé limitujúce faktory a teraz môžu podporovať vysoké hustoty kultúry 50 – 300 kg/m³.
Priemyselný rast a technologické inovácie
Keďže tradičná rybničná akvakultúra čelila stagnácii v dôsledku hospodárskej súťaže na pôde a environmentálnych tlakov, RAS v Európe a Severnej Amerike zaznamenali medzi 80. a 90. rokmi 20. storočia rýchly rast. Táto priemyselná expanzia bola sprevádzaná technologickými vylepšeniami, vrátane použitia tlakových a netlakových filtrov pre veľké suspendované pevné látky, ozonizácie na dezinfekciu a degradáciu organických látok a vývoja viacerých biologických filtrov, ako sú ponorné filtre, skvapkávacie filtre, piestové filtre, rotačné biologické kontaktory, bubnové biofiltre a fluidné reaktory na aeróbnu vrstvu, ako aj denitrifikačné reaktory. S týmto pokrokom RAS postupne dozrel a vstúpil do komerčnej aplikácie.
Prípad Spojených štátov
Spojené štáty americké si udržali vedúce postavenie v základnom aj aplikovanom výskume RAS, ktorý pokrýva oblasti ako výživa a fyziológia intenzívne chovaných druhov, prevencia chorôb a technológie úpravy vody. Kľúčovou črtou US RAS je ich vysoký stupeň automatizácie a mechanizácie pri kontrole kvality vody. Počítačové-systémy automaticky regulujú rozpustený kyslík, pH, vodivosť, zákal a hladiny amoniaku, ako aj podmienky prostredia, ako je teplota, vlhkosť a intenzita svetla. USA využívajú svoju vyspelú priemyselnú základňu a vo veľkej miere prijali špičkové-technologické zariadenia na okysličovanie, biologické čistenie, odstraňovanie pevných látok, triedenie a zber. Napríklad experimentálny RAS vyvinutý Centrom morskej biotechnológie na University of Maryland zahŕňa procesy anaeróbneho čistenia, ktoré sa veľmi podobajú systémom navrhnutým spoločnosťou Aquatec{10}}Solutions v Dánsku.
4. Výzvy a protiopatrenia pre rozvoj industrializovaných recirkulačných akvakultúrnych systémov (RAS)
(1) Nedostatočná integrácia zariadení a vybavenia
Hoci sa čínske zariadenia na úpravu vody, automatické kŕmenie, dezinfekciu a prevzdušňovanie postupne priblížili k medzinárodnej pokročilej úrovni, celková integrácia systému zostáva nedostatočná. Nedostatok veľkých-podnikov schopných vyrábať kompletné súpravy zariadení RAS zvýšil náklady na výstavbu a zložitosť, čím bráni rýchlemu rozvoju domácich zariadení.
(2) Potreba optimalizácie špecializovaných kŕmnych zmesí
V súčasnosti sú vodné krmivá v Číne vysoko homogénne a chýba im špecializované krmivo určené pre RAS a špecifické kultúrne druhy. To zvyšuje prevádzkovú záťaž systémov úpravy vody a ovplyvňuje výkonnosť poľnohospodárstva. Je potrebné vyvinúť druhovo-špecifické RAS krmivá s dobre-vyváženou výživou, nízkou rýchlosťou vylúhovania a priaznivými pomermi konverzie krmiva.
(3) Prevencia a kontrola chorôb si vyžadujú väčšiu presnosť
Vysoká{0}}hustota a vysoká{1}}účinnosť poľnohospodárstva zvyšuje riziko prepuknutia choroby, keď dôjde k systémovej nerovnováhe a patogény sa v uzavretých systémoch ťažko eliminujú. Optimalizácia systému by sa mala zlepšiť, aby sa zlepšila vyrovnávacia kapacita, zatiaľ čo výskum by sa mal zamerať na fyziológiu rýb, reakcie na stres, včasné indikátory chorôb a účinné mechanizmy-varovania pred chorobami.
(4) Značný tlak na spotrebu energie a zníženie nákladov
Vysoké počiatočné stavebné investície a spotreba energie sú nevyhnutné výzvy RAS. Opatrenia na{1}}úsporu energie by sa mali implementovať na úrovni zariadení aj systémov vrátane vývoja nízkoenergetických filtrov, zariadení na odstraňovanie CO₂, technológií na úpravu zadnej vody a aplikácií obnoviteľnej energie, ako sú solárne, veterné a vodné tepelné čerpadlá-.
(5) Nedostatok štandardizácie v prevádzke a riadení
V súčasnosti v Číne neexistujú jednotné technické normy alebo normy pre RAS. V dôsledku toho sa dizajn systému, postupy riadenia a výkon farmy značne líšia a prevádzkové zlyhania sú bežné. Je nevyhnutné vytvoriť štandardizovaný technický rámec pre zdravú akvakultúru, zlepšiť normy procesov a riadenia a podporiť demonštračné projekty pre štandardizovanú produkciu.
(6) Potreba posilneného základného výskumu
Vedecké pochopenie niekoľkých aspektov je stále nedostatočné, vrátane zdravotného stavu kultúrnych druhov vo vysokej{0}}hustite a špecifických podmienkach kvality vody, štrukturálnych zmien biofilmu počas prevádzky systému, mechanizmov kolobehu živín a optimálnych metód odstraňovania a neškodného spracovania pevných častíc. Tieto medzery bránia ďalšiemu rozvoju príslušných technológií a zariadení.
(7) Budúce vývojové trendy a príležitosti
Napriek týmto výzvam ponúka RAS významné výhody v oblasti efektívnosti výroby, environmentálnej udržateľnosti a dobrých životných podmienok zvierat. Ako ekologický, ekologický, obehový a efektívny model poľnohospodárstva je v súlade s celosvetovými trendmi smerujúcimi k nízkouhlíkovému-rozvoju. Očakáva sa, že s modernizáciou čínskeho rybolovu, pokrokom v ekologickej civilizácii a zrýchlením cieľov uhlíkovej neutrality vstúpi RAS do novej fázy rýchleho rozvoja.