سیستم‌های آبزی پروری چرخشی (RAS): مرور کلی، فناوری‌های کلیدی و صنعتی‌سازی جهانی

1. مروری بر سیستم های آبزی پروری چرخشی (RAS)

(1) ویژگی های سیستم های آبزی پروری در گردش

سیستم های آبزی پروری چرخشی (RAS) یک مدل جدید آبزی پروری است که بر اساس آبزی پروری فشرده توسعه یافته است که با چرخش مجدد و استفاده مجدد از آب کشت مشخص می شود. علاوه بر مزایای آبزی پروری فشرده معمولی، RAS مزایای قابل توجهی در تصفیه فاضلاب، کاهش مصرف آب و به حداقل رساندن تخلیه پساب ارائه می دهد. RAS از طریق طراحی بهینه سیستم تامین آب و عملکرد هماهنگ چندین تاسیسات و دستگاه ها، امکان بازیافت مکرر کل حجم آب کشت را فراهم می کند. در مقایسه با آبزی پروری فشرده سنتی، از نظر بهره وری انرژی برای کنترل دما، کاهش آلودگی محیطی و پیشگیری و کنترل بیماری ها برتر هستند.

RAS نیاز به استفاده یکپارچه از مجموعه جامعی از تاسیسات تصفیه و تصفیه آب دارد. طراحی فرآیند آنها شامل کاربرد رشته ها و فن آوری های صنعتی متعدد از جمله مکانیک سیالات، زیست شناسی، مهندسی مکانیک، الکترونیک، شیمی و فناوری اطلاعات اتوماسیون است. یک RAS خوب طراحی شده می‌تواند به کنترل کامل پارامترهای کیفیت آب مانند دما، اکسیژن محلول و مواد مغذی دست یابد و تحت هر شرایطی، بیش از 90 درصد آب سیستم را می‌توان از طریق چرخش مجدد استفاده کرد.

(2) ماهیت و مزایای RAS

ماهیت سیستم های آبزی پروری چرخشی (RAS) در حمایت و بهینه سازی تولید آبزی پروری از طریق رویکردهای صنعتی و مدرن است. با فعال کردن-تنظیم کامل فرآیند محیط آبی، RAS می‌تواند تا حدی بر محدودیت‌های خارجی مانند دما، در دسترس بودن آب و فضا غلبه کند و در نتیجه به تولید مداوم-در طول سال، چند-دسته‌ای دست یابد. این امکان کشاورزی خارج{5}}فصل و ورود ناگهانی به بازار را فراهم می‌کند و مزیت رقابتی و بازده اقتصادی بالاتری را برای تولیدکنندگان فراهم می‌کند.

(3) کارایی تولید و استفاده از منابع

عملکرد عالی تولید RAS ارتباط نزدیکی با ویژگی های بسیار قابل کنترل و منابع{0}}ش دارد. بر اساس هر-واحد{3}}آب، عملکرد محصولات آبزی در RAS 3 تا 5 برابر بیشتر از جریان سنتی از طریق آبزی پروری فشرده و 8 تا 10 برابر بیشتر از آبزی پروری استخر است، در حالی که نرخ بقا بیش از 10٪ افزایش می یابد. علاوه بر این، استفاده از داروهای دامپزشکی و عوامل شیمیایی نزدیک به 60٪ کاهش یافته است. این بهبودهای جامع در شاخص های عملکرد، منافع اقتصادی و زیست محیطی RAS را تضمین می کند.

(4) تصفیه آب و یکپارچه سازی سیستم

در RAS، آب کشت تحت یک سری تصفیه‌ها، از جمله فیلتراسیون فیزیکی، تصفیه بیولوژیکی، استریل‌سازی و ضدعفونی، گاززدایی و اکسیژن‌سازی قرار می‌گیرد که امکان استفاده مجدد کامل یا جزئی از آب را فراهم می‌کند. در عین حال، بهینه سازی محیط فرهنگ را می توان با تجهیزات خودکار مانند فیدرهای خودکار ادغام کرد و درجه ای از اتوماسیون و مدیریت هوشمند را ممکن می سازد.

(5) مبانی فن آوری و ویژگی های کلیدی

RAS فناوری‌های پیشرفته مهندسی شیلات، تجهیزات مکانیکی، مواد جدید سازگار با محیط زیست، مقررات میکرواکولوژیکی و مدیریت دیجیتال را ادغام می‌کند. با توجه به محیط تولید کاملاً کنترل شده، که حداقل تحت تأثیر شرایط خارجی قرار دارد، RAS مزایای قابل توجهی از جمله حفاظت از آب و زمین، کاهش تقاضای انرژی برای تنظیم دما، شرایط پرورش پایدار، سرعت رشد سریع، تراکم بالا و تولید محصولات سازگار با محیط زیست و بدون آلودگی را نشان می‌دهد. به این ترتیب، RAS به عنوان "امیدبخش ترین مدل آبزی پروری و جهت سرمایه گذاری در قرن بیست و یکم" در نظر گرفته می شود.

(6) توسعه و کاربرد در چین

تا به امروز، بیش از 900 RAS در مقیاس بزرگ در چین طراحی و ساخته شده است که استان‌های ساحلی بزرگ و همچنین مناطق داخلی را در بر می‌گیرد و حتی تا سین‌کیانگ نیز امتداد دارد. این سیستم‌ها، شامل کاربردهای دریایی و آب شیرین، با موفقیت تجاری‌سازی شده‌اند و اهداف تولید مورد انتظار را برآورده می‌کنند و عملکرد عملیاتی عالی را نشان می‌دهند. شیوه‌های تولید تأیید می‌کند که RAS نه تنها بهره‌وری برتر و مزیت‌های زیست‌محیطی را ارائه می‌کند، بلکه هزینه‌های تولید به‌طور قابل‌توجهی کمتری را در هر واحد تولید در مقایسه با سایر مدل‌های آبزی پروری به دست می‌آورد.

2. فرآیندها و فناوری‌های کلیدی سیستم‌های آبزی پروری در گردش (RAS)

سیستم های آبزی پروری چرخشی (RAS) به طور گسترده از تجهیزات و فناوری های مهندسی صنایع استفاده می کنند. به طور معمول، آنها از واحدهای فرآیند و امکانات برای حذف ذرات جامد تشکیل شده اند. حذف ذرات معلق و مواد آلی محلول؛ حذف نمک های معدنی محلول سمی و مضر مانند آمونیاک و نیتریت. کنترل پاتوژن؛ حذف دی اکسید کربن از متابولیسم موجودات و میکروارگانیسم های کشت شده؛ مکمل اکسیژن؛ و تنظیم دما فرآیندهای فنی شامل عایق حرارتی و کنترل دما، حذف ذرات جامد، حذف نیتروژن معدنی و فسفر محلول، ضدعفونی و استریل کردن و همچنین اکسیژن‌سازی می‌شود.

(1) ویژگی های تولید صنعتی و فشرده

RAS ویژگی های فشرده آبزی پروری صنعتی را افزایش می دهد، بازده تولید بالا و اشغال زمین کوچک را ارائه می دهد، در حالی که بر محدودیت های منابع زمین و آب غلبه می کند. RAS به عنوان یک مدل کشاورزی-با ورودی،-بالا-با تراکم-بالا-و{4}}بازدهی بالا، با اهداف کلی چین برای تمدن زیست‌محیطی و استراتژی‌های توسعه پایدار همسو می‌شود.

(2) اهمیت اکولوژیکی و استراتژیک

RAS با ویژگی های فشرده، کارآمد، صرفه جویی در انرژی، کاهش انتشار{1} و سازگار با محیط زیست، به یک جهت مهم برای تبدیل و ارتقاء آبزی پروری در چین به سوی توسعه کم کربن{{2} و سبز تبدیل شده است. برای چندین سال متوالی، RAS توسط وزارت کشاورزی و امور روستایی چین به عنوان یک فناوری توصیه شده عمده آبزی پروری در فهرست قرار گرفته است.

(3) توسعه و روند فعلی

در حال حاضر، این مدل از دانشگاه و صنعت چین به رسمیت شناخته شده است. مقیاس ساخت و ساز سیستم جدید و ظرفیت کلی کشاورزی در سال های اخیر به طور پیوسته در حال افزایش بوده است و RAS را به یکی از روندهای توسعه کلیدی آینده صنعت آبزی پروری چین تبدیل کرده است.

3. بررسی اجمالی تحقیق و صنعتی سازی سیستم های آبزی پروری در گردش (RAS)

(1) تحقیقات بین المللی و صنعتی سازی

تحقیق و توسعه اولیه

اولین سیستم آبزی پروری چرخشی (RAS) در دهه 1950 در ژاپن پدیدار شد. متعاقباً، بسیاری از کشورها تحقیق در مورد فن آوری های تصفیه آب و آبزی پروری را برای RAS آغاز کردند. در ابتدا، این مطالعات بر اساس فرآیندهای تصفیه فاضلاب شهری و سیستم‌های سبک آکواریومی (با تراکم کشت تنها 0.16-0.48 کیلوگرم بر متر مکعب) بود. با این حال، چنین رویکردهایی نیازهای منحصر به فرد آبزی پروری تجاری-به ویژه از نظر هزینه های سیستم، استفاده از منابع، نسبت بین حجم آب کشت و تصفیه، و ظرفیت حمل سیستم (معمولاً 50 تا 300 کیلوگرم بر متر مکعب) را در نظر نمی گیرند. در نتیجه، تلاش‌های تحقیقاتی با شکست‌های زیادی مواجه شد، منابع زیادی مصرف کرد و به کندی پیشرفت کرد.

شناخت ویژگی های پویا

مطالعات اولیه همچنین یک ویژگی مهم RAS را نادیده گرفتند: ماهیت پویا آن. نرخ تولید و تخریب ضایعات متابولیک ماهی باید به تعادل دینامیکی برسد تا سیستم پایدار و سالم بماند. در اواسط دهه 1980، با درک فزاینده از پارامترهای کیفیت آب مانند pH، اکسیژن محلول (DO)، نیتروژن کل (TN)، نیترات (NO3-)، اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD) و تقاضای اکسیژن شیمیایی (COD) - و این تغییرات در سیستم تغییر دینامیکی آب به تدریج ایجاد شد. طراحی به عنوان مثال، کمبود اکسیژن را می توان به سرعت با هوادهی اصلاح کرد، اما واکنش باکتری های نیتریف کننده به افزایش غلظت آمونیاک اغلب به طور قابل توجهی عقب است. بنابراین، دانش عمیق تر از عوامل محدود کننده تعاملی برای طراحی و عملیات موثر سیستم اهمیت فزاینده ای پیدا کرد.

چالش ها در تمرینات اولیه

بسیاری از تمرین‌کنندگان آبزی پروری در مورد جریان-از طریق سیستم‌های فشرده تجربه داشتند، اما از عملکرد RAS آگاهی نداشتند. در نتیجه، آنها اغلب نتوانستند تراکم انبار، مقادیر تغذیه، فرکانس تغذیه و مدیریت کیفیت آب را به درستی کنترل کنند، که منجر به عدم تعادل در جریان آب سیستم و چرخه مواد و در نهایت باعث خرابی عملیاتی می شود. این فقدان درک علمی و تجربه مدیریت در سطوح تراکم کشت منعکس شد: مقیاس آزمایشگاهی RAS معمولاً تنها 10-42 کیلوگرم بر متر مکعب به دست می‌آورد، در حالی که مقیاس تجاری اولیه RAS تا 6.7-7.9 کیلوگرم بر متر مکعب حفظ می‌شد. پس از بیش از نیم قرن پیشرفت فن‌آوری،{10}}از جمله بهینه‌سازی فرآیند، هوادهی و اکسیژن‌رسانی (مثلاً استفاده از اکسیژن مایع)، تغذیه خودکار، و انتخاب گونه‌های مناسب-راس مدرن بر بسیاری از عوامل محدودکننده غلبه کرده است و اکنون می‌تواند از تراکم بالای کشت 50 تا 300 کیلوگرم بر متر پشتیبانی کند.

رشد صنعتی و نوآوری های تکنولوژیکی

همانطور که آبزی پروری استخر سنتی به دلیل رقابت زمین و فشارهای محیطی با رکود مواجه شد، RAS در اروپا و آمریکای شمالی بین دهه 1980 و 1990 رشد سریعی را تجربه کرد. این گسترش صنعتی با پیشرفت‌های فن‌آوری همراه بود، از جمله استفاده از فیلترهای تحت فشار و غیر تحت فشار برای مواد جامد معلق بزرگ، ازن‌زنی برای گندزدایی و تخریب مواد آلی، و توسعه فیلترهای بیولوژیکی متعدد مانند فیلترهای غوطه‌ور، فیلترهای چکنده، فیلترهای رفت و برگشتی، فیلترهای سیال در حال چرخش به عنوان فیلترهای بیولوژیکی دوار. واحدهای نیترات زدایی بی هوازی با این پیشرفت ها، RAS به تدریج بالغ شد و وارد کاربرد تجاری شد.

مورد ایالات متحده

ایالات متحده جایگاه پیشرو در تحقیقات بنیادی و کاربردی RAS را حفظ کرده است که حوزه هایی مانند تغذیه و فیزیولوژی گونه های کشاورزی فشرده، پیشگیری از بیماری ها و فن آوری های تصفیه آب را پوشش می دهد. یکی از ویژگی های کلیدی US RAS درجه بالای اتوماسیون و مکانیزه بودن آنها در کنترل کیفیت آب است. سیستم‌های رایانه‌ای{4}}به‌طور خودکار اکسیژن محلول، pH، رسانایی، کدورت و سطوح آمونیاک و همچنین شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و شدت نور را تنظیم می‌کنند. ایالات متحده با استفاده از پایگاه صنعتی پیشرفته خود، تجهیزات{8}فناوری بالا را برای اکسیژن‌رسانی، تصفیه بیولوژیکی، حذف مواد جامد، درجه‌بندی و برداشت به‌طور گسترده به کار گرفته است. برای مثال، RAS آزمایشی که توسط مرکز بیوتکنولوژی دریایی در دانشگاه مریلند توسعه یافته است، فرآیندهای تصفیه بی هوازی را در خود جای داده است، که بسیار شبیه به سیستم‌های طراحی شده توسط Aquatec{10}}Solutions در دانمارک است.

4. چالش ها و اقدامات متقابل برای توسعه سیستم های صنعتی آبزی پروری چرخشی (RAS)

(1) ادغام ناکافی امکانات و تجهیزات

اگرچه تجهیزات تصفیه آب، تغذیه خودکار، ضدعفونی و هوادهی چین به تدریج به سطح پیشرفته بین المللی نزدیک شده است، یکپارچگی کلی سیستم ناکافی است. فقدان شرکت‌های مقیاس بزرگ که قادر به تولید مجموعه‌های کامل تجهیزات RAS باشند، هزینه‌ها و پیچیدگی ساخت و ساز را افزایش داده و در نتیجه مانع از پیشرفت سریع تجهیزات داخلی شده است.

(2) نیاز به بهینه سازی خوراک مرکب تخصصی

در حال حاضر، فرمول های آکوافید در چین بسیار همگن هستند و فاقد خوراک تخصصی طراحی شده برای RAS و گونه های کشت شده خاص هستند. این امر بار عملیاتی سیستم های تصفیه آب را افزایش می دهد و بر عملکرد کشاورزی تأثیر می گذارد. لازم است که گونه‌های-خوراک RAS خاص با تغذیه مناسب-تغذیه متعادل، نرخ شستشوی پایین و نسبت تبدیل خوراک مطلوب ایجاد شوند.

(3) پیشگیری و کنترل بیماری به دقت بیشتری نیاز دارد

کشاورزی با چگالی بالا و-بالا، خطر شیوع بیماری را پس از بروز عدم تعادل سیستم افزایش می‌دهد و حذف پاتوژن‌ها در سیستم‌های بسته دشوار است. بهینه‌سازی سیستم باید برای بهبود ظرفیت بافر افزایش یابد، در حالی که تحقیقات باید بر فیزیولوژی ماهی، پاسخ‌های استرس، شاخص‌های اولیه بیماری و مکانیسم‌های هشدار دهنده مؤثر بیماری متمرکز شود.

(4) فشار قابل توجه مصرف انرژی و کاهش هزینه

سرمایه گذاری اولیه بالای ساخت و ساز و مصرف انرژی از چالش های اجتناب ناپذیر RAS است. اقدامات صرفه جویی در انرژی باید هم در سطح تجهیزات و هم در سطح سیستم اجرا شود، از جمله توسعه فیلترهای کم

(5) عدم استانداردسازی در عملیات و مدیریت

در حال حاضر هیچ استاندارد یا استاندارد فنی واحدی برای RAS در چین وجود ندارد. در نتیجه، طراحی سیستم، شیوه های مدیریت، و عملکرد کشاورزی به طور گسترده ای متفاوت است، و شکست های عملیاتی رایج هستند. ایجاد یک چارچوب فنی استاندارد برای آبزی پروری سالم، بهبود استانداردهای فرآیند و مدیریت و ترویج پروژه های نمایشی برای تولید استاندارد ضروری است.

(6) نیاز به تقویت تحقیقات پایه

درک علمی از جنبه‌های مختلف، از جمله وضعیت سلامت گونه‌های کشت‌شده در شرایط با چگالی بالا و کیفیت خاص آب، تغییرات ساختاری بیوفیلم در طول عملیات سیستم، مکانیسم‌های چرخه مواد مغذی، و روش‌های بهینه برای حذف و درمان بی‌ضرر ذرات جامد، ناکافی است. این شکاف ها مانع از توسعه بیشتر فناوری ها و تجهیزات مربوطه می شود.

(7) روندها و فرصت های توسعه آینده

با وجود این چالش ها، RAS مزایای قابل توجهی در بهره وری تولید، پایداری زیست محیطی و رفاه حیوانات ارائه می دهد. به‌عنوان یک مدل کشاورزی سبز، زیست‌محیطی، دایره‌ای و کارآمد، با روندهای جهانی به سمت توسعه کربن پایین همسو می‌شود. با نوسازی شیلات چین، پیشرفت تمدن زیست محیطی و تسریع اهداف بی طرفی کربن، انتظار می رود RAS وارد مرحله جدیدی از توسعه سریع شود.