Litopenaeus vannamei, algemeen bekend als de Pacifische witte garnaal, is een euryhaliene soort die wordt gewaardeerd om zijn hoge vleesopbrengst, sterke stresstolerantie en snelle groei. Het is een van de belangrijkste garnalensoorten die in China worden gekweekt. Momenteel omvatten de primaire landbouwmodellen voor L. vannamei in China buitenvijvers, kleine kasvijvers en vijvers op hoog-niveau. De binnenlandse productie kan echter nog steeds niet voldoen aan de marktvraag, waardoor aanzienlijke importen noodzakelijk zijn. Bovendien heeft de snelle uitbreiding van modellen zoals de kleine glastuinbouw problemen aan het licht gebracht zoals een onvolledig technisch raamwerk, frequente uitbraken van ziekten en uitdagingen bij de behandeling van afvalwater. Tegen de achtergrond van het pleiten voor behoud van hulpbronnen en duurzame ontwikkeling heeft het Recirculating Aquaculture System (RAS), erkend als een intensief, efficiënt en milieuvriendelijk landbouwmodel, de afgelopen jaren brede aandacht gekregen in de sector.
RAS maakt gebruik van industriële methoden om het watermilieu actief te reguleren. Het beschikt over een laag waterverbruik, een kleine voetafdruk, minimale milieuvervuiling en levert hoogwaardige, veilige producten met minder ziekten en een hogere bezettingsdichtheid. De productie ervan is grotendeels onbeperkt door geografie of klimaat. Dit model kan bogen op een hoge efficiëntie bij het gebruik van hulpbronnen en wordt gekenmerkt door hoge investeringen en hoge productie, wat een cruciale route vertegenwoordigt naar de duurzame ontwikkeling van de aquacultuursector. Momenteel is de binnenlandse landbouw van L. vannamei geconcentreerd in kustgebieden, waarbij voornamelijk gebruik wordt gemaakt van natuurlijk zeewater. Landinwaartse regio's worden, beperkt door de beschikbaarheid van waterbronnen en milieuregelgeving, geconfronteerd met een aanzienlijke discrepantie tussen aanbod en consumentenvraag. Het verkennen van RAS met behulp van kunstmatig zeewater in het binnenland is van grote betekenis voor het bevoorraden van lokale markten en het bevorderen van regionale economische ontwikkeling. Dit experiment construeerde met succes een binnen-RAS voor L. vannamei in een landinwaartse omgeving en voerde een succesvolle kweekcyclus uit. De methoden en gegevens met betrekking tot systeemconstructie, kunstmatige zeewaterbereiding en boerderijbeheer kunnen dienen als referentie voor de L. vannamei-landbouw in het binnenland.
1. Materialen en methoden
1.1 Materialen
De proef werd uitgevoerd op de originele kweekboerderij van Leiocassis longirostris in de provincie Sichuan. De post-larvale L. vannamei (P5-stadium) was afkomstig van de Huanghua-basis van Qingdao Hainen Aquatic Seed Industry Technology Co., Ltd. en verkeerde in goede gezondheid. Het gebruikte voer was het merk "Xia Gan Qiang" van Tongwei Group Co., Ltd. De belangrijkste componenten waren: ruw eiwit groter dan of gelijk aan 44,00%, ruw vet groter dan of gelijk aan 6,00%, ruwe celstof kleiner dan of gelijk aan 5,00% en ruwe as kleiner dan of gelijk aan 16,00%.
1.2 Kunstmatige bereiding van zeewater
Als bronwater werd grondwater uit een put gebruikt. Het werd achtereenvolgens behandeld met desinfectie (bleekpoeder 30 mg/l, 72 uur belucht), verwijdering van restchloor (natriumthiosulfaat, 15 mg/l) en ontgifting [ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA), 10-30 mg/l] voordat het werd gebruikt voor kunstmatige zeewaterbereiding.
Kunstmatig zeewater met een zoutgehalte van 8 werd bereid met zeezoutkristallen als hoofdingrediënt; de belangrijkste componenten ervan worden vermeld inTabel 1. Voedsel-kwaliteit CaCl₂, MgSO₄ en KCl werden gebruikt als aanvulling op de Ca-, Mg- en K-elementen. Na de bereiding werd NaHCO₃ van voedselkwaliteit gebruikt om de totale alkaliteit aan te passen naar 250 mg/l (als CaCO₃), en werd NaHCO₃ samen met citroenzuurmonohydraat gebruikt om de pH aan te passen naar 8,2–8,4.
1.3 RAS-constructie
1.3.1 Algemeen ontwerpconcept
Door een onafhankelijk ontwerp te combineren met een geïntegreerde toepassing, werd een RAS voor L. vannamei gebouwd met gebruikmaking van meer- fases van fysieke behandeling en biofiltratie. Overeenkomstige systeemoperatiestrategieën, protocollen voor aanpassing van de waterkwaliteit en wetenschappelijke voedingsstrategieën werden geïmplementeerd in overeenstemming met de groeibehoeften van de garnalen in verschillende stadia, met als doel een stabiele werking, economische input en efficiënte output.
1.3.2 Hoofdprocesstroom en technische parameters
Een bestaand op containers-gebaseerd viskweeksysteem werd aangepast om de L. vannamei RAS te realiseren, bestaande uit kweektanks, een composiet omhulsel/deeltjesopvangapparaat (drie-drainage), biofilter, circulatiepompen, enz. De processtroom wordt weergegeven inFiguur 1.
Het totale ontworpen watervolume van het systeem bedroeg 750 m³, met een waterbehandelingssysteemvolume van 150 m³ en een effectief kweekvolume van 600 m³. De ontworpen kweekbelasting bedroeg 7 kg/m³. De belangrijkste technische parameters staan vermeld inTabel 2.
1.3.3 Structureel ontwerp
De zes achthoekige kweektanks waren in twee rijen opgesteld. Rekening houdend met het gemak van beheer, de stabiliteit van het milieu en de investeringskosten, was de hoofdstructuur van de tanks van baksteen-beton. Afmetingen waren: lengte 10,0 m, breedte 10,0 m, diepte 1,2 m, met snijkanten van 3,0 m. Het effectieve watervolume per tank bedroeg 100 m³. De tankbodem had een helling (16%) richting de centrale afvoer (Figuur 2).
Het drie-drainageapparaat bestond uit een centrale opvangbak (voor dode garnalen, schelpen en grote deeltjes), een sedimentatiecollector met verticale stroom (voor gebroken schelpen, middelgrote deeltjes, uitwerpselen) en een sifon-afvoeropvangbak (voor fijne schelpen en kleine- tot- middelgrote deeltjes) (Figuur 2).
Eén zijde van de conditioneringstank bevatte een kunststof borstelmediaframe voor het verzamelen en verwijderen van granaten en deeltjes uit de tankafvoer. In deze tank kunnen aanpassingen worden gedaan voor calcium, magnesium, totale alkaliteit en pH. Het tankvolume bedroeg 20 m³, met een hydraulische verblijftijd van 0,13 uur.
De circulatiepomp bevond zich aan de andere kant van de conditioneringstank en maakte gebruik van een een-trapspomp voor energie-efficiëntie. Op basis van de ecologie en belasting van de garnalen werd de recirculatiesnelheid ontworpen op 2-6 keer per dag. Het pompdebiet was 150 m³/h, opvoerhoogte 10 m, vermogen 5,5 kW.
Het borstelfilter was voorzien van meerdere filterzakken. De zakken werden via pijpfittingen verbonden met de filterinlaat en vastgezet met klemmen. Het afvalwater kwam via leidingen in de zakken terecht. De zakken waren gemaakt van polypropyleen (PP), gevuld met plastic borstelmedia, waardoor deeltjes groter dan 0,125 mm effectief werden onderschept. De elastische mediatank bestond uit het tanklichaam (rechthoekig, diepte 2 m), roosterframes (parallel aan het oppervlak) en elastische media geïnstalleerd op de frames (Figuur 3). De media bestonden uit talloze plastic ringen met dubbele- ringen en polyesterfilamenten, die vezelbundels vormden die door de tank waren verspreid. Het werkingsprincipe ervan bestond uit het creëren van een langzaam-sedimentatie-effect via de onderschepping van de media en het gebruik van de biofilm die op het oppervlak was gevormd om anorganische stikstof en fosfor te absorberen, af te breken en te transformeren.
Het biofilter omvatte het tanklichaam (rechthoekig, diepte 2 m), beluchtingscomponenten en bio-media (Figuur 4). Het beluchtingssamenstel omvatte luchtverdeelleidingen. Lucht kwam van boven naar binnen en werd van onderen afgevoerd, waardoor een volledig gemengd stromingspatroon ontstond. De tank was gevuld met Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-media. Door gerichte nitrificatieverbetering en aanpassing van de alkaliteit hechten grote aantallen nitrificerende bacteriën zich aan de media, consumeren organisch materiaal en bereiken ammoniak- en nitrietverwijdering, waardoor een nitrificerend biofilter wordt geconstrueerd. Inlaat- en uitlaatleidingen bevonden zich aan weerszijden, met een uitlaatscherm op de binnenwand. In deze proef werd het effectieve volume van het biofilter ingesteld op 25% van het systeemkweekvolume, met een mediavulratio van 30%, met behulp van K5-media.
Systeembeluchting combineerde mechanische en zuivere zuurstofmethoden. Toen de opgeloste zuurstof (DO) hoog was, was mechanische beluchting primair: het gebruik van een hoge-drukwervelventilator en hoogwaardige- microporeuze buizen als diffusors om de efficiëntie van de O₂-overdracht te maximaliseren en het geluid te verminderen. Toen de DO laag was, werd zuivere zuurstofbeluchting aangevuld: met behulp van een zuurstofgenerator + micro-bubbelwaterpropeller. De zuurstofgenerator levert een O₂-concentratie van meer dan 90%, verspreid via een nano-keramische schijf in de propeller. Onder hoge belasting fungeerde een combinatie van zuurstofgenerator en zuurstofkegel als extra beluchting, waarbij gebruik werd gemaakt van een boosterpomp om zuurstof-oververzadigd water in de kegel te creëren.
1.4 Meting van de waterkwaliteit
De ammoniak- en nitrietconcentraties (als N) werden gemeten met behulp van een Aokedan multi-wateranalysator. Het totaal aan zwevende vaste stoffen (TSS) werd gemeten met behulp van een Hach DR 900 multi-parameteranalysator.
1.5 Bedrijfsbeheer en systeembediening
Het proces begon op 8 augustus 2022 en duurde 74 dagen. Alle zes tanks waren gevuld. De bezettingsgrootte was 961 individuen/kg, de dichtheid ongeveer 403 individuen/m³, met in totaal 241.800 post-larven. De voerfrequentie was zes keer per dag, waarbij het dagelijkse rantsoen afnam van ongeveer 7,0% (vroeg) tot 2,5% (laat) van de geschatte biomassa.
De systeemcirculatie begon 3 dagen na-bevoorrading, aanvankelijk met 2 cycli/dag, later oplopend tot 4 cycli/dag. In het begin van de proef vond er dagelijks drainage plaats, waarbij alleen het water werd aangevuld dat verloren was gegaan door drainage en verdamping. Later volgde elke voeding een drainage (1 uur erna), waarbij de dagelijkse wateruitwisseling minder dan 10% van het aanvullingsvolume in de vroege- fase bedroeg.
Aanvankelijk werd gebruik gemaakt van mechanische beluchting (vortexblower). Vanwege de later toegenomen systeembelasting werd een combinatie van mechanische beluchting, zuurstofgenerator + nano-keramische schijf en zuurstofgenerator + zuurstofkegel gebruikt.
DO, temperatuur, pH, ammoniak en nitriet in de tanks werden regelmatig gemeten. De groei en voeding van garnalen werden geobserveerd en geregistreerd.
1.6 Gegevensverwerking en analyse
Gegevens werden georganiseerd met behulp van WPS Office Excel. Grafieken zijn gemaakt met Origin 2021.
De volgende formules werden gebruikt om de waterwisselkoers (R), de voerconversieverhouding (FCR), en overlevingspercentage (RS):
R = 100% × V₁ / (V × t) ... (1)
FCR = W / (Wₜ − W₀) ... (2)
RS = 100% × S / N ... (3)
Waarbij: R de dagelijkse waterwisselkoers is (%/d); V₁ is het totale uitgewisselde watervolume (m³); V is het totale watervolume van het systeem (m³); Het zijn cultuurdagen (d). FCRis de voederconversieratio; W is de totale voerinput (kg); Wₜ en W₀ zijn de eindoogstmassa en de initiële voorraadmassa (kg). RSis het overlevingspercentage (%); S is het totale aantal geoogste dieren (individuen); N is het totale aantal opgeslagen dieren (individuen).
2. Resultaten
2.1 Wateruitwisseling
Tijdens de proef bedroeg de totale wateruitwisseling 1.000 m³, met een gemiddelde dagelijkse wisselkoers van 1,8%.
2.2 Ammoniak en nitriet
De ammoniakconcentratie in de tanks bleef onder de 1,3 mg/l (behalve op dag 5) en de nitrietconcentratie bleef onder de 1,6 mg/l, beide op relatief stabiele niveaus (Figuur 5).
In het vroege stadium (eerste 15 dagen) nam de ammoniak in de tank snel af, terwijl het nitriet snel toenam, wat wijst op de vorming van biofilms in het biofilter en de omzetting van ammoniak in nitriet. In het midden- stadium (15-50 dagen), met verhoogde voeding, bleven de ammoniak- en nitrietconcentraties stabiel, wat wijst op gesynchroniseerde ammoniak- en nitrietoxidatie in het biofilter en een stabiele werking van het systeem. Na dag 50 vertoonden zowel ammoniak als nitriet een neerwaartse trend, wat mogelijk wijst op een grotere nitrificatiecapaciteit en een volwassener systeem. Dit kon niet verder worden bevestigd toen het proces eindigde.
Figuur 6laat zien dat de ammoniaktrends in de inlaat en uitlaat van het biofilter vergelijkbaar waren, maar dat de kloof tussen de curven geleidelijk groter werd, wat erop wijst dat de ammoniakverwijdering verbeterde. De nitrietcurven voor inlaat en uitlaat overlapten elkaar bijna en vertoonden geen algemene stijgende trend, wat erop wijst dat het systeem tot het einde de nitrietoxidatiecapaciteit behield.
2.3 Opgeloste zuurstof en totale alkaliteit
Zoals weergegeven inFiguur 7ondanks de toenemende systeembelasting hielden de gecombineerde beluchtingsmethoden de DO in de tank boven 6 mg/l. Bovendien werd door toevoeging van NaHCO₃ de totale alkaliteit tussen 175 en 260 mg/l gehandhaafd.
2.4 Totaal zwevende stoffen
Trends in de TSS-concentratie op belangrijke systeempunten worden weergegeven inFiguur 8. De TSS in de instroom naar de sedimentcollector met verticale stroming en de zijkast van de sifon (onderdeel van de drie-drainage) weerspiegelde de TSS-trends in de tanks. Over het geheel genomen nam de TSS geleidelijk toe, stabiliseerde zich tijdens de midden-late stadia (na dag 35) en vertoonde een dalende trend gedurende de opeenvolgende behandelingsfasen.
2.5 Landbouwresultaten
De totale bezetting bestond uit 241.800 post-larven met een gemiddelde grootte van 0,52 g, verdeeld over 6 tanks met een gemiddelde dichtheid van 403 individuen/m³. Na 74 dagen was de totale oogst 3.012,2 kg, gemiddelde grootte 15,82 g, gemiddelde overleving 78,75%, gemiddelde opbrengst 5,02 kg/m³. De totale voerinvoer bedroeg 3.386,51 kg, FCR1.18. De berekende kosten (zaad, voer, gezondheidsproducten, elektriciteit, kunstmatig zeewater, desinfectie) bedroegen in totaal 155.870,6 CNY. De omzet uit de verkoop van garnalen bedroeg 192.780,8 CNY, wat resulteerde in een winst van 36.910,2 CNY voor de cyclus.
3. Discussie
De afgelopen jaren is RAS een veelbelovende richting geworden voor de L. vannamei-landbouw. Deze proef bouwde een RAS op inclusief kweektanks, composiet omhulsel/deeltjesverzameling, borstelfilter, biofilter en beluchtingsapparatuur, en voerde met succes één cyclus van binnenlandbouw uit.
Vergeleken met traditionele RAS is dit systeem eenvoudiger. Structureel is apparatuur als trommelfilters en eiwitafschuimers achterwege gelaten, die relatief hogere vaste kosten en onderhoudskosten met zich meebrengen. In plaats daarvan gebruikte het eenvoudigere waterbehandelingsapparatuur om een samengestelde behandeling op meerdere-niveaus voor deeltjes en opgeloste verontreinigende stoffen te creëren, waardoor een goede waterkwaliteitscontrole werd bereikt met eenvoudigere processen en lagere kosten.
Door verschillende methoden voor waterkwaliteitsbeheer toe te passen, afgestemd op de verschillende groeifasen en systeembelastingen, kon het systeem de ammoniak en nitriet onder respectievelijk 1,3 en 1,6 mg/l houden, en de DO boven de 6 mg/l, waardoor uiteindelijk een opbrengst van 5,02 kg/m³ werd bereikt. Dit komt dicht in de buurt van de resultaten van Yang Jing et al. Bovendien beheerste het waterbehandelingssysteem de gemiddelde dagelijkse wisselkoers tot 1,8%, waardoor de zuiveringscapaciteit volledig werd benut en de kosten aanzienlijk werden verlaagd.
RAS biedt voordelen voor het milieu, productveiligheid en minder ziekten. Vanwege transportbeperkingen heeft L. vannamei een groot marktpotentieel in het binnenland. Het uitvoeren van RAS voor L. vannamei in het binnenland sluit aan bij trends in de sector. De huidige garnalenkweek in het binnenland vindt voornamelijk plaats in zoet water, waarbij de opbrengst en kwaliteit achterblijven bij de mariene kweek. Het gebruik van kunstmatig zeewater in deze proef heeft deze leemte gedeeltelijk aangepakt. De huidige hoge kosten van kunstmatig zeewater maken het echter noodzakelijk om RAS-processen voor de verwijdering van stikstof en fosfor te optimaliseren om hergebruik van water mogelijk te maken, wat een effectieve manier is om de kosten te verlagen en een belangrijk onderzoeksfocus zou moeten zijn voor het L. vannamei RAS in het binnenland.
FCRis een belangrijke indicator voor RAS-prestaties. De laatste FCRvan 1,18 in deze proef is vergelijkbaar met traditionele intensieve landbouw. Als gesloten systeem ligt het voordeel van RAS in het hergebruik van input. Gebaseerd op het verbeteren van de waterzuiveringscapaciteit, het formuleren van nauwkeurige voedingsstrategieën om de FCRzou de volgende optimalisatiefocus moeten zijn.