Анализ оборотных систем аквакультуры (УЗВ) в повышении эффективности аквакультуры
*Национальный план развития рыболовства на 14-й пятилетний-летний период* прямо призывает к развитию умного рыболовства, содействию модернизации оборудования для аквакультуры, а также повышению эффективности разведения и уровня использования ресурсов. Традиционные модели прудовой аквакультуры сталкиваются с такими проблемами, как интенсивное использование воды, значительная занятость земель и воздействие на окружающую среду, что затрудняет удовлетворение потребностей современного развития аквакультуры. Система рециркуляционной аквакультуры (УЗВ), как новая модель интенсивного ведения сельского хозяйства, использует технологии очистки и рециркуляции воды для достижения высокой-плотности культивирования водных организмов в относительно закрытой среде, предлагая явные технические преимущества.
1. Обзор систем рециркуляционной аквакультуры
1.1 Основные понятия и структурные компоненты
Система рециркуляционной аквакультуры (УЗВ) – это высокоинтенсивная современная модель аквакультуры, которая обеспечивает выращивание водных организмов с высокой-плотностью в относительно закрытой среде за счет технологий очистки и переработки воды. УЗВ в основном состоит из трех функциональных модулей: блока культивирования, блока очистки воды и блока мониторинга и контроля качества воды.
1.2 Принцип работы
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) и аммиачный азот (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Анализ эффективности производства в УЗВ.
2.1 Возможность контроля водной среды
Возможности УЗВ по управлению водной средой выражаются главным образом в точном регулировании параметров качества воды и быстром реагировании на стрессовые факторы окружающей среды. В этом исследовании, проведенном на крупномасштабной-базе СУЗ с тремя параллельными экспериментальными системами (объемом 50 м³ каждая, плотностью посадки 25 кг/м³), данные отслеживались непрерывно в течение 180 дней, что дало результаты вТаблица 1.
Данные показывают, что РАС исключительно хорошо справляется с регуляцией растворенного кислорода. Даже во время пикового потребления кислорода в ночное время идеальный уровень поддерживается за счет синергетического эффекта насосов с частотно-регулируемым приводом (ЧРП) и микропористой аэрации. Регулирование pH с использованием онлайн-мониторинга в сочетании с автоматической системой дозирования щелочи показало хорошую стабильность результатов непрерывного мониторинга. При удалении аммиачного азота эффективность нитрификации биофильтра в стандартных условиях была значительно улучшена по сравнению с традиционными методами.
Регулирование температуры, достигаемое с помощью теплообменников из титановых трубок с алгоритмами ПИД-регулирования, поддерживало стабильную температуру воды даже при значительных колебаниях температуры окружающей среды.
За 180 дней непрерывной работы степень соответствия и стабильность всех показателей качества воды в системе были значительно улучшены по сравнению с традиционными культуральными моделями, полностью демонстрируя технические преимущества и прикладную ценность УЗВ в контроле водной среды. Кроме того, уровень соблюдения ключевых показателей качества воды достиг 98,5%, при этом стабильность основных показателей, таких как растворенный кислород, pH и аммиачный азот, была на 47% выше, чем в традиционной культуре.
2.2 Показатели биологического роста
В этом исследовании в качестве объекта для сравнения различий в показателях роста между RAS и традиционным прудовым выращиванием была выбрана пресноводная рыба белый амур (Ctenopharyngodon idella). Экспериментальная группа состояла из трех установок RAS объемом 50 м³, тогда как контрольная группа использовала три стандартных пруда для выращивания культур площадью 500 м², оба в течение 180-дневного цикла (данные показаны на рис.Таблица 2).
Результаты показали, что точный контроль окружающей среды и управление кормлением в УЗВ значительно улучшили показатели роста белого амура. Постоянное температурное воздействие и стабильность качества воды способствовали активности кормления и повышению эффективности переработки корма.
2.3 Эффективность эксплуатации объектов и оборудования
Эксплуатационная эффективность УЗВ в первую очередь оценивается с помощью Комплексного индекса энергопотребления (IEC), рассчитываемого следующим образом:
МЭК=(P × T × η) / (V × Y)
Где:
Комплексный индекс энергопотребления IEC=(кВт·ч/кг)
P=Общая установленная мощность системы (кВт)
T=Время работы (ч)
η=Коэффициент загрузки оборудования
V=Объем культуральной воды (м³)
Y=Выход на единицу объема воды (кг/м³)
Анализ эксплуатационных данных показал следующие ключевые параметры производительности основного оборудования СУЗ: эффективность работы насосной системы достигла 85%, что на 18% выше, чем у традиционных насосов; нагрузка на очистку аммиачного азота в биофильтре составила 0,8 кг/м³·сут, что на 40% больше, чем в обычных биофильтрах; а установка УФ-дезинфекции поддерживала эффективность стерилизации выше 99,9%.
Системное оборудование использует интеллектуальное управление связью, автоматически регулируя рабочую мощность и время работы в зависимости от параметров качества воды. Например, оборудование для контроля температуры может работать с пониженной нагрузкой (например, 30%) в периоды стабильной температуры, а системы аэрации могут работать в энергосберегающем режиме переменной частоты в периоды низкого потребления кислорода в ночное время. Благодаря этому интеллектуальному управлению оборудованием средний комплексный индекс энергопотребления системы составил 2,1 кВт·ч/кг, что на 45 % ниже, чем у традиционных культурных моделей.
3. Количественная оценка комплексных преимуществ УЗВ
3.1 Количественные показатели производственной выгоды
В этом исследовании была создана система количественной оценки производственных выгод УЗВ, охватывающая три измерения: выгода от выпуска, выгода от качества и выгода от времени. На основе анализа данных десяти крупных-баз RAS комплексный индекс производственной выгоды системы достиг 0,85, что на 56 % лучше, чем у традиционных культурных моделей.
При оценке выгод на выходе также учитывается-добавленная стоимость от улучшения качества продукта. Продукты из водного сырья, полученные из RAS, продемонстрировали значительные улучшения сенсорных показателей, таких как текстура мякоти и содержание внутримышечного жира, по сравнению с традиционными культурами, достигнув рыночной надбавки в размере 15–20%. С точки зрения качества, точная подача и контроль окружающей среды в системе привели к более однородному размеру продукта и заметному увеличению доли продукции премиум-класса. На более поздних стадиях развития единообразие размеров продукции достигало более 92 %, что способствовало стандартизированной обработке и-крупномасштабным продажам.
3.2 Оценка потребления ресурсов
Для количественной оценки потребления ресурсов во время работы системы использовался метод оценки жизненного цикла (LCA). Ключевые показатели оценки включали потребление пресной воды, потребление электроэнергии и потребление корма (данные показаны на рис.Таблица 3).
Анализ эффективности использования ресурсов показал, что система достигает высокой эффективности и сохранения ресурсов за счет технологий очистки и переработки воды, при этом наиболее значительная экономия наблюдается на водных и земельных ресурсах. Результаты оценки воздействия на окружающую среду показали, что интенсивность выбросов углекислого газа системой была на 52% ниже, чем у традиционной культуры.
Преимущества системы в сохранении ресурсов также очевидны в повышении эффективности использования корма. Использование интеллектуальных систем кормления в сочетании с данными мониторинга качества воды позволило обеспечить точное и количественное кормление, значительно сократив потери корма. Исследования показывают, что коэффициент конверсии корма в УЗВ улучшается на 25–30% по сравнению с традиционным выращиванием. Что касается использования человеческих ресурсов, то благодаря автоматизации и интеллектуальному мониторингу количество человеко-часов на тонну продукции сократилось с 0,48 часа в традиционной культуре до 0,15 часа, что существенно снизило трудоемкость и одновременно улучшило рабочую среду.
3.3 Анализ экономической целесообразности
Экономическая целесообразность оценивалась с использованием методов чистой приведенной стоимости (NPV) и периода окупаемости. Первоначальные инвестиции включают в себя гражданское строительство, закупку, установку и ввод в эксплуатацию оборудования. Эксплуатационные затраты включают энергию, рабочую силу, корм и техническое обслуживание. Источники доходов включают продажу продукции водного промысла и выгоду от экономии водных ресурсов.
ЕС= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
Где:
Чистая приведенная стоимость NPV=(10 000 юаней)
I0=Первоначальные инвестиции (10 000 юаней)
Ct=Приток денежных средств в году t (10 000 юаней в год)
От=Отток денежных средств в году t (10 000 юаней/год)
r=Ставка скидки (%)
t=Расчетный период (лет)
При годовом объёме производства 500 тонн система требует первоначальных инвестиций в размере 8,5 миллионов юаней, ежегодных эксплуатационных расходов в размере 4,2 миллиона юаней и годового дохода от продаж в размере 7,5 миллионов юаней. При базовой ставке дисконтирования 8% период окупаемости составит 3,2 года, а финансовая внутренняя норма доходности (IRR) составит 28,5%. Анализ чувствительности показывает, что проект сохраняет хорошую устойчивость к рискам даже при колебаниях цен на продукцию ±20%.
4. Заключение
Рециркуляционные системы аквакультуры (УЗВ) значительно превосходят традиционные модели культивирования с точки зрения контроля водной среды, показателей биологического роста и эффективности работы оборудования. Будущие исследования должны быть сосредоточены на повышении уровня системного интеллекта, оптимизации эксплуатационной эффективности оборудования и изучении моделей крупномасштабного-продвижения для дальнейшего улучшения комплексных преимуществ замкнутой аквакультуры.