Аналіз рециркуляційних систем аквакультури (RAS) для підвищення ефективності аквакультури
*Національний план розвитку рибного господарства на 14-й п’яти--річний плановий період* прямо закликає до розвитку розумного рибальства, сприяння модернізації обладнання для аквакультури та підвищення ефективності розведення та рівнів використання ресурсів. Традиційні моделі ставкової аквакультури стикаються з такими проблемами, як велике використання води, значна зайнятість землі та вплив на навколишнє середовище, що ускладнює задоволення вимог сучасного розвитку аквакультури. Система рециркуляційної аквакультури (RAS), як нова модель інтенсивного землеробства, використовує технології очищення та переробки води для досягнення високої-щільності культивування водних організмів у відносно закритому середовищі, пропонуючи явні технічні переваги.
1. Огляд рециркуляційних систем аквакультури
1.1 Основні поняття та структурні компоненти
Система рециркуляційної аквакультури (RAS) – це високоінтенсивна сучасна модель аквакультури, яка забезпечує високу-щільність культивування водних організмів у відносно закритому середовищі за допомогою технологій очищення та переробки води. RAS в основному складається з трьох функціональних модулів: блок культури, блок очищення води та блок моніторингу та контролю якості води.
1.2 Принцип роботи
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 мг/л) та аміачний азот (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Аналіз ефективності виробництва в РАС
2.1 Можливість контролю водного середовища
Здатність RAS контролювати водне середовище в основному відображається в точному регулюванні параметрів якості води та швидкій реакції на екологічні стресори. Це дослідження, проведене на широкомасштабній-базі RAS з трьома паралельними дослідними системами (об’ємом 50 м³ кожна, щільність посадки 25 кг/м³), безперервно відстежувало дані протягом 180 днів, що дало результати вТаблиця 1.
Дані показують, що RAS надзвичайно добре регулює розчинений кисень. Навіть під час пікового споживання кисню вночі ідеальний рівень підтримується завдяки синергічному ефекту насосів із змінною частотою (VFD) і мікропористої аерації. Регулювання рН за допомогою онлайн-моніторингу в поєднанні з автоматичною системою дозування лугу показало хорошу стабільність результатів постійного моніторингу. Для видалення аміачного азоту ефективність нітрифікації біофільтра за стандартних умов була значно покращена порівняно зі звичайними методами.
Контроль температури, досягнутий за допомогою теплообмінників з титановою трубкою з алгоритмами PID-контролю, підтримував температуру води стабільною навіть за значних коливань температури навколишнього середовища.
Через 180 днів безперервної роботи рівень відповідності та стабільність усіх показників якості води в системі були значно покращені порівняно з традиційними моделями вирощування, повністю демонструючи технічні переваги та цінність застосування RAS у контролі водного середовища. Крім того, рівень відповідності ключовим показникам якості води досяг 98,5%, при цьому стабільність основних показників, таких як розчинений кисень, рН та аміачний азот, була на 47% вищою, ніж у традиційних культурах.
2.2 Ефективність біологічного росту
Це дослідження вибрало прісноводну рибу білого амура (Ctenopharyngodon idella) як об’єкт для порівняння відмінностей у продуктивності росту між RAS та традиційним ставковим вирощуванням. Дослідна група складалася з трьох установок RAS об’ємом 50 м³, тоді як контрольна група використовувала три стандартні ставки для культури 500 м², обидва протягом 180-денного циклу (дані наведені вТаблиця 2).
Результати показали, що точний контроль навколишнього середовища та управління годівлею в RAS значно покращили продуктивність росту білого амура. Постійний вплив температури та стабільність якості води сприяли активності годівлі та покращували ефективність перетворення корму.
2.3 Експлуатаційна ефективність приміщень і обладнання
Ефективність роботи RAS в основному оцінюється за допомогою комплексного індексу енергоспоживання (IEC), який розраховується наступним чином:
IEC=(P × T × η) / (V × Y)
Де:
IEC=Комплексний індекс енергоспоживання (кВт·год/кг)
P=Загальна встановлена потужність системи (кВт)
T=Час роботи (год)
η=Коефіцієнт завантаження обладнання
V=Об’єм культуральної води (м³)
Y=Вихід на одиницю об’єму води (кг/м³)
Аналіз експлуатаційних даних показав наступні ключові параметри продуктивності основного обладнання RAS: ефективність роботи насосної системи досягла 85%, що на 18% більше, ніж у традиційних насосів; навантаження біофільтра для обробки аміачним азотом становило 0,8 кг/м³·день, що на 40% більше порівняно зі звичайними біофільтрами; а блок УФ-дезінфекції підтримував ефективність стерилізації вище 99,9%.
Обладнання системи використовує інтелектуальне керування з’єднанням, автоматично регулюючи робочу потужність і час роботи на основі параметрів якості води. Наприклад, обладнання для контролю температури може працювати зі зниженим навантаженням (наприклад, 30%) протягом періодів стабільної температури, а системи аерації можуть працювати в-енергозберігаючому режимі змінної частоти під час періодів низького споживання кисню вночі. Завдяки цьому інтелектуальному управлінню обладнанням середній комплексний індекс енергоспоживання системи склав 2,1 кВт·год/кг, що на 45% нижче, ніж у традиційних культурних моделях.
3. Кількісна оцінка комплексних переваг RAS
3.1 Кількісні показники виробничої вигоди
У цьому дослідженні була створена система кількісної оцінки виробничих переваг RAS, що охоплює три виміри: переваги виробництва, переваги якості та переваги часу. На основі аналізу даних із десяти широкомасштабних-баз RAS, комплексний індекс виробничої вигоди системи досяг 0,85, що на 56% більше, ніж у моделях традиційної культури.
Оцінка вигоди від виробництва також враховує-вартість, додану від покращення якості продукції. Водна продукція з RAS продемонструвала значні покращення сенсорних показників, таких як текстура м’якоті та вміст внутрішньом’язового жиру, порівняно з традиційною культурою, досягнувши рівня ринкової премії на 15–20%. З точки зору переваги якості, точна подача та контроль навколишнього середовища в системі призвели до отримання більш однорідного розміру продукту та помітного збільшення ціни продукту преміум-класу. На пізніших стадіях культури однорідність розміру продукту сягала понад 92%, сприяючи стандартизованій обробці та широкомасштабним-продажам.
3.2 Оцінка споживання ресурсів
Для кількісної оцінки споживання ресурсів під час роботи системи використовувався метод оцінки життєвого циклу (LCA). Ключові показники оцінки включали споживання прісної води, споживання електроенергії та споживання кормів (дані наведені вТаблиця 3).
Аналіз ефективності використання ресурсів показав, що система досягає високої ефективності та економії ресурсів завдяки технологіям водоочищення та переробки, причому найбільша економія спостерігається у водних та земельних ресурсах. Результати оцінки впливу на навколишнє середовище показали, що інтенсивність викидів вуглецю системою була на 52% нижчою, ніж традиційна культура.
Переваги системи в економії ресурсів також очевидні в покращенні ефективності використання корму. Використання інтелектуальних систем годівлі в поєднанні з даними моніторингу якості води забезпечило точне, кількісне годування, значно зменшивши відходи корму. Дослідження показують, що коефіцієнт конверсії корму в RAS покращується на 25%–30% порівняно з традиційною культурою. Що стосується використання людських ресурсів, завдяки автоматизації та інтелектуальному моніторингу кількість робочих годин на тонну продукту зменшилася з 0,48 години в традиційній культурі до 0,15 години, суттєво зменшивши затрати праці, а також покращивши робоче середовище.
3.3 Аналіз економічної доцільності
Економічну доцільність оцінювали за методами чистої теперішньої вартості (NPV) і періоду окупності. Початкові інвестиції включають будівництво, придбання обладнання, монтаж і введення в експлуатацію. Експлуатаційні витрати включають енергію, оплату праці, корми та обслуговування. Джерела доходу включають продажі водної продукції та вигоди від економії водних ресурсів.
ЕК= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
Де:
NPV=Чиста теперішня вартість (10 000 CNY)
I0=Початкова інвестиція (10 000 CNY)
Ct=Грошові надходження за рік t (10 000 CNY/рік)
Ot=Відтік грошових коштів у році t (10 000 CNY/рік)
r=Ставка дисконту (%)
t=Розрахунковий період (роки)
Розрахована на річний масштаб виробництва 500 тонн, система потребує початкових інвестицій у розмірі 8,5 мільйонів юанів, річних операційних витрат у 4,2 мільйона юанів і річного доходу від продажів у 7,5 мільйонів юанів. Використовуючи еталонну ставку дисконтування 8%, період окупності становить 3,2 року, а внутрішня фінансова норма прибутку (IRR) становить 28,5%. Аналіз чутливості показує, що проект зберігає хорошу стійкість до ризику навіть при коливаннях цін на продукт ±20%.
4. Висновок
Системи рециркуляційної аквакультури (RAS) значно перевершують традиційні моделі вирощування з точки зору контролю водного середовища, продуктивності біологічного росту та ефективності роботи обладнання. Майбутні дослідження мають бути зосереджені на підвищенні рівня інтелекту системи, оптимізації ефективності роботи обладнання та дослідженні моделей широкомасштабного-просування для подальшого покращення комплексних переваг рециркуляційної аквакультури.