Analyse van recirculerende aquacultuursystemen (RAS) ter verbetering van de efficiëntie van de aquacultuur
Het *Nationaal Visserijontwikkelingsplan voor de 14e vijf- Planperiode* roept expliciet op tot het ontwikkelen van slimme visserijen, het bevorderen van de modernisering van aquacultuurapparatuur en het verbeteren van de kweekefficiëntie en het gebruik van hulpbronnen. Traditionele aquacultuurmodellen voor vijvers worden geconfronteerd met uitdagingen zoals een hoog waterverbruik, aanzienlijke landbezetting en gevolgen voor het milieu, waardoor het moeilijk wordt om aan de eisen van de moderne aquacultuurontwikkeling te voldoen. Het Recirculating Aquaculture System (RAS) maakt, als nieuw intensief landbouwmodel, gebruik van waterbehandelings- en recyclingtechnologieën om de kweek van waterorganismen met hoge-dichtheid in een relatief gesloten omgeving te bereiken, wat duidelijke technische voordelen biedt.
1. Overzicht van recirculerende aquacultuursystemen
1.1 Basisconcepten en structurele componenten
Een recirculerend aquacultuursysteem (RAS) is een zeer intensief modern aquacultuurmodel dat de kweek van waterorganismen met hoge-dichtheid in een relatief gesloten omgeving bereikt door middel van waterbehandelings- en recyclingtechnologieën. RAS bestaat hoofdzakelijk uit drie functionele modules: de cultuureenheid, de waterbehandelingseenheid en de monitoring- en controle-eenheid voor de waterkwaliteit.
1.2 Werkingsprincipe
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) en ammoniakstikstof (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Analyse van productie-efficiëntie in RAS
2.1 Vermogen om het watermilieu te beheersen
Het vermogen van RAS om het watermilieu te beheersen komt vooral tot uiting in de nauwkeurige regeling van waterkwaliteitsparameters en de snelle reactie op omgevingsstressoren. Bij dit onderzoek, uitgevoerd op een grootschalige RAS-basis- met drie parallelle proefsystemen (elk volume van 50 m³, bezettingsdichtheid 25 kg/m³), werden de gegevens gedurende 180 dagen continu gecontroleerd, wat de resultaten opleverde inTabel 1.
Uit gegevens blijkt dat RAS uitzonderlijk goed presteert bij de regulering van opgeloste zuurstof. Zelfs tijdens het piekzuurstofverbruik 's nachts worden ideale niveaus gehandhaafd door het synergetische effect van pompen met variabele frequentie (VFD) en microporeuze beluchting. pH-regulering, waarbij gebruik werd gemaakt van online monitoring in combinatie met een automatisch alkalidoseersysteem, liet een goede stabiliteit zien in de resultaten van continue monitoring. Voor de verwijdering van ammoniakstikstof was de nitrificatie-efficiëntie van het biofilter onder standaardomstandigheden aanzienlijk verbeterd vergeleken met conventionele methoden.
Temperatuurregeling, bereikt met behulp van warmtewisselaars met titanium buizen en PID-regelalgoritmen, hield de watertemperatuur stabiel, zelfs onder aanzienlijke schommelingen in de omgevingstemperatuur.
Door 180 dagen continu gebruik zijn het nalevingspercentage en de stabiliteit van alle waterkwaliteitsindicatoren in het systeem aanzienlijk verbeterd vergeleken met traditionele kweekmodellen, wat de technische voordelen en toepassingswaarde van RAS bij de controle van het watermilieu volledig aantoont. Bovendien bereikte het nalevingspercentage voor de belangrijkste waterkwaliteitsindicatoren 98,5%, waarbij de stabiliteit van kernindicatoren zoals opgeloste zuurstof, pH en ammoniakstikstof 47% hoger was dan in de traditionele cultuur.
2.2 Biologische groeiprestaties
Deze studie selecteerde de zoetwatervisgraskarper (Ctenopharyngodon idella) als onderwerp om de verschillen in groeiprestaties tussen RAS en traditionele vijvercultuur te vergelijken. De proefgroep bestond uit drie RAS-units van 50 m³, terwijl de controlegroep drie standaard kweekvijvers van 500 m² gebruikte, beide gedurende een cyclus van 180 dagen (gegevens weergegeven inTabel 2).
De resultaten toonden aan dat de nauwkeurige omgevingscontrole en het voermanagement in RAS de groeiprestaties van graskarpers aanzienlijk verbeterden. Het constante temperatuureffect en de stabiliteit van de waterkwaliteit bevorderden de voeractiviteit en verbeterden de voerconversie-efficiëntie.
2.3 Operationele efficiëntie van faciliteiten en apparatuur
De operationele efficiëntie van RAS wordt voornamelijk geëvalueerd via de Comprehensive Energy Consumption Index (IEC), die als volgt wordt berekend:
IEC=(P × T × η) / (V × Y)
Waar:
IEC=Uitgebreide energieverbruiksindex (kW·h/kg)
P=Totaal geïnstalleerd systeemvermogen (kW)
T=Bedrijfstijd (u)
η=Belastingsfactor van apparatuur
V=Volume kweekwater (m³)
Y=Opbrengst per eenheid watervolume (kg/m³)
Analyse van operationele gegevens toonde de volgende belangrijke prestatieparameters voor grote RAS-apparatuur aan: het bedrijfsrendement van het pompsysteem bereikte 85%, een verbetering van 18% ten opzichte van traditionele pompen; de ammoniak-stikstofbehandelingsbelasting van het biofilter bedroeg 0,8 kg/m³·d, een stijging van 40% vergeleken met conventionele biofilters; en de UV-desinfectie-eenheid handhaafde een sterilisatie-efficiëntie van meer dan 99,9%.
De systeemapparatuur maakt gebruik van intelligente koppelingscontrole, waarbij het bedrijfsvermogen en de looptijd automatisch worden aangepast op basis van de waterkwaliteitsparameters. Apparatuur voor temperatuurregeling kan bijvoorbeeld tijdens perioden met stabiele temperaturen met een lagere belasting (bijvoorbeeld 30%) werken, en beluchtingssystemen kunnen in energiebesparende modus met variabele frequentie werken -tijdens perioden met laag zuurstofverbruik 's nachts. Dankzij deze intelligente apparatuurcontrole was de gemiddelde Comprehensive Energy Consumption Index van het systeem 2,1 kW·h/kg, 45% lager dan bij traditionele kweekmodellen.
3. Kwantificering van de uitgebreide voordelen van RAS
3.1 Kwantitatieve indicatoren voor productievoordelen
Deze studie heeft een kwantitatief evaluatiesysteem voor RAS-productievoordelen opgezet, dat drie dimensies omvat: outputvoordeel, kwaliteitsvoordeel en tijdsvoordeel. Op basis van gegevensanalyse van tien grootschalige- RAS-bases bereikte de uitgebreide productievoordeelindex van het systeem 0,85, een verbetering van 56% ten opzichte van traditionele cultuurmodellen.
Bij de beoordeling van de outputvoordelen wordt ook rekening gehouden met de -toegevoegde waarde van een verbeterde productkwaliteit. Aquatische producten van RAS vertoonden aanzienlijke verbeteringen in sensorische indicatoren zoals de vleestextuur en het intramusculaire vetgehalte in vergelijking met de traditionele cultuur, waardoor een marktpremie van 15%-20% werd bereikt. In termen van kwaliteitsvoordeel resulteerden nauwkeurige voeding en omgevingscontrole in het systeem in een uniformere productgrootte en een opmerkelijke stijging van het premium producttarief. Tijdens de latere cultuurstadia bereikte de uniformiteit van de productgrootte meer dan 92%, wat gestandaardiseerde verwerking en verkoop op grote- schaal mogelijk maakte.
3.2 Beoordeling van het hulpbronnenverbruik
Er werd een Life Cycle Assessment (LCA)-methode gebruikt om het hulpbronnenverbruik tijdens de werking van het systeem te kwantificeren. De belangrijkste evaluatie-indicatoren waren onder meer het zoetwaterverbruik, het elektriciteitsverbruik en de voerinvoer (gegevens weergegeven inTabel 3).
Uit een analyse van de efficiëntie van het gebruik van hulpbronnen bleek dat het systeem een hoge efficiëntie en behoud van hulpbronnen bereikt door middel van waterbehandelings- en recyclingtechnologieën, waarbij de grootste besparingen te zien zijn op het gebied van water- en landbronnen. De resultaten van de milieueffectrapportage gaven aan dat de koolstofemissie-intensiteit van het systeem 52% lager was dan die van de traditionele cultuur.
De voordelen van het systeem op het gebied van het behoud van hulpbronnen komen ook tot uiting in een verbeterde efficiëntie van het voergebruik. Het gebruik van intelligente voersystemen in combinatie met monitoringgegevens van de waterkwaliteit maakte nauwkeurig, kwantitatief voeren mogelijk, waardoor de voerverspilling aanzienlijk werd verminderd. Uit onderzoek blijkt dat de voederconversie in RAS met 25%-30% verbetert in vergelijking met de traditionele cultuur. Wat de benutting van menselijke hulpbronnen betreft, daalden de arbeidsuren per ton product door automatisering en intelligente monitoring van 0,48 uur in de traditionele cultuur naar 0,15 uur, waardoor de arbeidsinput aanzienlijk werd verminderd en tegelijkertijd de werkomgeving werd verbeterd.
3.3 Analyse van de economische haalbaarheid
De economische haalbaarheid werd beoordeeld met behulp van de methoden Net Present Value (NPV) en Payback Period. De initiële investering omvat civiele techniek, aankoop van apparatuur, installatie en inbedrijfstelling. De bedrijfskosten omvatten energie, arbeid, voer en onderhoud. Inkomstenbronnen zijn onder meer de verkoop van aquatische producten en voordelen uit besparingen op watervoorraden.
EG= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
Waar:
NPV=Netto contante waarde (10.000 CNY)
I0=Initiële investering (10.000 CNY)
Ct=Kasstroom in jaar t (10.000 CNY/jaar)
Ot=Kasuitstroom in jaar t (10.000 CNY/jaar)
r=Kortingspercentage (%)
t=Berekeningsperiode (jaren)
Berekend voor een jaarlijkse productieschaal van 500 ton, vereist het systeem een initiële investering van 8,5 miljoen CNY, jaarlijkse bedrijfskosten van 4,2 miljoen CNY en een jaarlijkse verkoopopbrengst van 7,5 miljoen CNY. Bij gebruik van een benchmarkdiscontovoet van 8% bedraagt de terugverdientijd 3,2 jaar en bedraagt de Financial Internal Rate of Return (IRR) 28,5%. Gevoeligheidsanalyse laat zien dat het project een goede risicobestendigheid behoudt, zelfs bij productprijsschommelingen van ±20%.
4. Conclusie
Recirculerende aquacultuursystemen (RAS) presteren aanzienlijk beter dan traditionele kweekmodellen op het gebied van wateromgevingscontrole, biologische groeiprestaties en operationele efficiëntie van apparatuur. Toekomstig onderzoek moet zich richten op het verbeteren van de systeemintelligentie, het optimaliseren van de operationele efficiëntie van apparatuur en het onderzoeken van modellen voor grootschalige promotie om de uitgebreide voordelen van recirculerende aquacultuur verder te verbeteren.