1. Přehled recirkulačních akvakulturních systémů (RAS)
(1) Charakteristiky recirkulačních systémů akvakultury
Recirkulační systémy akvakultury (RAS) jsou novým modelem akvakultury vyvinutým na základě intenzivní akvakultury, která se vyznačuje recirkulací a opětovným využitím kulturní vody. Kromě výhod konvenční intenzivní akvakultury nabízí RAS významné výhody při čištění odpadních vod, snížení spotřeby vody a minimalizaci vypouštění odpadních vod. Prostřednictvím optimalizovaného návrhu systému zásobování vodou a koordinovaného provozu více zařízení a zařízení umožňují RAS opakovanou recyklaci celého objemu kulturní vody. Ve srovnání s tradiční intenzivní akvakulturou jsou lepší, pokud jde o energetickou účinnost pro regulaci teploty, zmírnění znečištění životního prostředí a prevenci a kontrolu nemocí.
RAS vyžadují integrované používání komplexní sady zařízení na čištění a úpravu vody. Jejich procesní návrh zahrnuje aplikaci různých oborů a průmyslových technologií, včetně mechaniky tekutin, biologie, strojního inženýrství, elektroniky, chemie a automatizační informační technologie. Dobře-navržený RAS může dosáhnout plné kontroly nad parametry kvality vody, jako je teplota, rozpuštěný kyslík a živiny, a za všech okolností lze více než 90 % vody v systému znovu využít prostřednictvím recirkulace.
(2)Podstata a výhody RAS
Podstata recirkulačních akvakulturních systémů (RAS) spočívá v podpoře a optimalizaci produkce akvakultury prostřednictvím industrializovaných a modernizovaných přístupů. Umožněním úplné{1}}regulace procesů ve vodním prostředí může RAS částečně překonat vnější omezení, jako je teplota, dostupnost vody a prostor, a dosáhnout tak celoroční-celoroční, více{3}}dávkové nepřetržité výroby. To umožňuje mimosezónní zemědělství a postupný vstup na trh, což poskytuje výrobcům konkurenční výhodu a vyšší ekonomickou návratnost.
(3) Efektivita výroby a využití zdrojů
Vynikající produkční výkon systému RAS je úzce spjat s jeho vysoce ovladatelnými a{0}}efektivními vlastnostmi zdrojů. V přepočtu na-jednotku-vody je výtěžnost vodních produktů v RAS 3–5krát vyšší než u tradičního toku-intenzivní akvakulturou a 8–10krát vyšší než u rybniční akvakultury, přičemž míra přežití se zvyšuje o více než 10 %. Kromě toho se používání veterinárních léčiv a chemických prostředků snižuje o téměř 60 %. Tato komplexní vylepšení ukazatelů výkonnosti zajišťují ekonomické i ekologické přínosy RAS.
(4) Úprava vody a integrace systému
V RAS prochází kultivační voda řadou úprav, včetně fyzikální filtrace, biologického čištění, sterilizace a dezinfekce, odplyňování a okysličování, což umožňuje úplné nebo částečné opětovné použití vody. Současně lze optimalizaci prostředí kultury integrovat s automatizovaným zařízením, jako jsou automatické podavače, což umožňuje určitý stupeň automatizace a inteligentního řízení.
(5)Technologické základy a klíčové vlastnosti
RAS integruje pokročilé technologie z oblasti rybářského inženýrství, mechanického vybavení, nových ekologických-materiálů, mikroekologické regulace a digitální správy. Díky plně kontrolovanému produkčnímu prostředí, které je minimálně ovlivněno vnějšími podmínkami, vykazuje RAS významné výhody včetně ochrany vody a půdy, snížené energetické náročnosti na regulaci teploty, stabilních podmínek chovu, zrychlené rychlosti růstu, vysoké hustoty osazení a výroby ekologických-produktů,-bez znečištění. Jako takové jsou RAS považovány za „nejslibnější model akvakultury a investiční směr 21. století“.
(6) Vývoj a aplikace v Číně
K dnešnímu dni bylo v Číně navrženo a zkonstruováno více než 900-rozsáhlých RAS, pokrývajících hlavní pobřežní provincie i vnitrozemské regiony, až po Sin-ťiang. Tyto systémy, zahrnující jak mořské, tak sladkovodní aplikace, byly úspěšně komercializovány, splňují očekávané výrobní cíle a vykazují vynikající provozní výkon. Výrobní postupy potvrzují, že RAS přináší nejen vynikající produktivitu a ekologické výhody, ale také dosahuje výrazně nižších výrobních nákladů na jednotku výnosu ve srovnání s jinými modely akvakultury.
2. Klíčové procesy a technologie recirkulačních akvakulturních systémů (RAS)
Recirkulační systémy akvakultury (RAS) široce využívají zařízení a technologie průmyslového inženýrství. Obvykle se skládají z procesních jednotek a zařízení pro odstraňování pevných částic; odstranění suspendovaných částic a rozpustné organické hmoty; odstranění toxických a škodlivých rozpustných anorganických solí, jako je amoniak a dusitany; kontrola patogenů; odstraňování oxidu uhličitého z metabolismu kulturních organismů a mikroorganismů; suplementace kyslíkem; a regulace teploty. Technické procesy zahrnují tepelnou izolaci a kontrolu teploty, odstraňování pevných částic, odstraňování rozpustného anorganického dusíku a fosforu, dezinfekci a sterilizaci a také okysličování.
(1)Industrializované a intenzivní výrobní funkce
RAS dále posiluje intenzivní charakteristiky průmyslové akvakultury, nabízí vysokou efektivitu produkce a zabírá malé území a zároveň překonává omezení půdy a vodních zdrojů. Jako model zemědělství s vysokým-vstupem, vysokým-výstupem, vysokou-hustotou a vysokou{4}}efektivitou se RAS shoduje s obecnými cíli Číny pro ekologickou civilizaci a strategie udržitelného rozvoje.
(2) Ekologický a strategický význam
Díky svým intenzivním, účinným, energeticky -úsporám, snižování emisí- a ekologickým funkcím se RAS stal důležitým směrem k transformaci a modernizaci akvakultury v Číně směrem k nízkouhlíkovému a zelenému rozvoji. Již několik po sobě jdoucích let je RAS uveden na seznamu Ministerstva zemědělství a záležitostí venkova Číny jako hlavní doporučená technologie akvakultury.
(3)Současný vývoj a trendy
V současné době si tento model získal široké uznání jak ze strany akademické obce, tak průmyslu v Číně. Rozsah výstavby nového systému a celková kapacita chovu se v posledních letech neustále zvyšuje, což z RAS činí jeden z klíčových budoucích trendů rozvoje čínského odvětví akvakultury.
3. Přehled výzkumu a industrializace recirkulačních akvakulturních systémů (RAS)
(1)Mezinárodní výzkum a industrializace
Raný výzkum a vývoj
Nejstarší recirkulační akvakulturní systém (RAS) se objevil v Japonsku během 50. let 20. století. Následně mnoho zemí zahájilo výzkum technologií úpravy vody a akvakultury pro RAS. Zpočátku byly tyto studie založeny na procesech čištění komunálních odpadních vod a akváriových-systémech (s hustotou kultury pouze 0,16–0,48 kg/m³). Tyto přístupy však nezohledňovaly jedinečné požadavky komerční akvakultury-zejména pokud jde o náklady na systém, využití zdrojů, poměr mezi objemy kultivační a čisticí vody a nosnou kapacitu systému (obvykle 50–300 kg/m³). V důsledku toho se výzkumné úsilí setkalo s mnoha neúspěchy, spotřebovalo velké množství zdrojů a postupovalo pomalu.
Rozpoznávání dynamických charakteristik
První studie také přehlížely důležitou charakteristiku RAS: jeho dynamickou povahu. Rychlost produkce a degradace rybího metabolického odpadu musí dosáhnout dynamické rovnováhy, aby systém zůstal stabilní a zdravý. V polovině-80. let, s rostoucím porozuměním parametrům kvality vody-, jako je pH, rozpuštěný kyslík (DO), celkový dusík (TN), dusičnany (NO₃⁻), biochemická spotřeba kyslíku (BSK) a chemická spotřeba kyslíku (CHSK) – a jejich variační vzorce ve vodě akvakultury, byly tyto dynamické změny postupně integrovány do návrhu systému. Například nedostatek kyslíku lze rychle upravit provzdušňováním, ale reakce nitrifikačních bakterií na stoupající koncentrace amoniaku často výrazně zaostává. Hlubší znalost vzájemně se ovlivňujících omezujících faktorů se tak stala stále důležitější pro efektivní návrh a provoz systému.
Výzvy v rané praxi
Mnoho praktiků akvakultury mělo zkušenosti s prouděním-intenzivními systémy, ale postrádali znalosti o provozu RAS. V důsledku toho často nedokázali správně kontrolovat hustotu osazení, množství krmení, frekvenci krmení a řízení kvality vody, což vedlo k nerovnováze v toku vody v systému a koloběhu materiálu a nakonec způsobily provozní poruchy. Tento nedostatek vědeckých znalostí a zkušeností s řízením se odrážel v úrovních hustoty kultury: laboratorní-rozsah RAS obvykle dosahoval pouze 10–42 kg/m³, zatímco raný komerční-rozsah RAS se udržoval na nízké úrovni 6,7–7,9 kg/m³. Po více než půlstoletí technologického pokroku{10}}včetně optimalizace procesů, provzdušňování a okysličování (např. používání kapalného kyslíku), automatizovaného krmení a výběru vhodných druhů-moderní RAS překonaly mnoho omezujících faktorů a nyní mohou podporovat vysoké hustoty kultury 50–300 kg/m³.
Průmyslový růst a technologické inovace
Vzhledem k tomu, že tradiční rybniční akvakultura čelila stagnaci kvůli konkurenci půdy a tlakům na životní prostředí, RAS v Evropě a Severní Americe zaznamenala mezi 80. a 90. léty rychlý růst. Tato průmyslová expanze byla doprovázena technologickými vylepšeními, včetně použití tlakových a netlakových filtrů pro velké suspendované pevné látky, ozonizace pro dezinfekci a degradaci organických látek a vývoj četných biologických filtrů, jako jsou ponorné filtry, skrápěcí filtry, pístové filtry, rotační biologické stykače, bubnové biofiltry a fluidní a naerobní reaktory a také denitrační anaerobní reaktory. S těmito pokroky RAS postupně dozrával a vstoupil do komerčního využití.
Případ Spojených států
Spojené státy si udržely vedoucí postavení v základním i aplikovaném výzkumu RAS, zahrnujícím oblasti, jako je výživa a fyziologie intenzivně chovaných druhů, prevence nemocí a technologie úpravy vody. Klíčovým rysem US RAS je jejich vysoký stupeň automatizace a mechanizace při kontrole kvality vody. Počítačové-asistované systémy automaticky regulují rozpuštěný kyslík, pH, vodivost, zákal a hladinu amoniaku a také podmínky prostředí, jako je teplota, vlhkost a intenzita světla. Spojené státy využívají svou vyspělou průmyslovou základnu a široce zavedly špičkové{8}}technické vybavení pro okysličování, biologické čištění, odstraňování pevných látek, třídění a sklizeň. Například experimentální RAS vyvinutý Centrem mořské biotechnologie na University of Maryland zahrnuje procesy anaerobního čištění, které se velmi podobají systémům navrženým společností Aquatec{10}}Solutions v Dánsku.
4. Výzvy a protiopatření pro rozvoj průmyslových recirkulačních systémů akvakultury (RAS)
(1) Nedostatečná integrace zařízení a vybavení
Přestože se čínská zařízení na úpravu vody, automatické krmení, dezinfekci a provzdušňování postupně přiblížila mezinárodní pokročilé úrovni, celková integrace systému zůstává nedostatečná. Nedostatek velkých-podniků schopných vyrábět kompletní sady zařízení RAS zvýšil stavební náklady a složitost, což brání rychlému rozvoji domácího vybavení.
(2) Potřeba optimalizace specializovaných krmných směsí
V současné době jsou aquafeed receptury v Číně vysoce homogenní a postrádají specializované krmivo určené pro RAS a specifické kulturní druhy. To zvyšuje provozní zátěž systémů úpravy vody a ovlivňuje výkonnost zemědělství. Je nutné vyvinout druhově-specifická krmiva RAS s dobře-vyváženou výživou, nízkou mírou vyluhování a příznivými poměry konverze krmiva.
(3) Prevence a kontrola nemocí vyžadují větší přesnost
Vysoká{0}}hustota a vysoce{1}}efektivní zemědělství zvyšuje riziko propuknutí onemocnění, jakmile dojde k systémové nerovnováze, a patogeny se v uzavřených systémech obtížně eliminují. Optimalizace systému by se měla zlepšit, aby se zlepšila vyrovnávací kapacita, zatímco výzkum by se měl zaměřit na fyziologii ryb, reakce na stres, včasné ukazatele onemocnění a účinné mechanismy-varování před nemocemi.
(4) Významný tlak na spotřebu energie a snížení nákladů
Vysoké počáteční stavební investice a spotřeba energie jsou nevyhnutelné výzvy RAS. Opatření na-úsporu energie by měla být implementována na úrovni zařízení i systému, včetně vývoje nízkoenergetických filtrů, zařízení na odstraňování CO₂, technologií úpravy zadní vody a aplikací obnovitelné energie, jako jsou solární, větrná a vodní-tepelná čerpadla.
(5) Nedostatek standardizace v provozu a řízení
V současné době neexistují v Číně jednotné technické standardy nebo normy pro RAS. V důsledku toho se návrh systému, postupy správy a výkon hospodaření značně liší a provozní poruchy jsou běžné. Je nezbytné vytvořit standardizovaný technický rámec pro zdravou akvakulturu, zlepšit standardy procesů a řízení a podporovat demonstrační projekty pro standardizovanou produkci.
(6) Potřeba posíleného základního výzkumu
Vědecké porozumění několika aspektům zůstává nedostatečné, včetně zdravotního stavu kulturních druhů ve vysoké{0}}hustě a podmínkách specifické kvality vody, strukturálních změn biofilmu během provozu systému, mechanismů koloběhu živin a optimálních metod odstraňování a neškodného zpracování pevných částic. Tyto mezery brání dalšímu rozvoji příslušných technologií a zařízení.
(7) Budoucí vývojové trendy a příležitosti
Navzdory těmto výzvám nabízí RAS významné výhody z hlediska efektivity výroby, udržitelnosti životního prostředí a dobrých životních podmínek zvířat. Jako ekologický, ekologický, oběhový a efektivní model zemědělství je v souladu s globálními trendy směrem k nízkouhlíkovému-rozvoji. Očekává se, že s modernizací čínského rybolovu, rozvojem ekologické civilizace a urychlením cílů uhlíkové neutrality vstoupí RAS do nové fáze rychlého rozvoje.