Industrielles Kreislauf-Aquakultursystem (RAS)Als aufstrebende Aquakulturtechnologie, die von der nationalen Fischereipolitik vorangetrieben wird, erreicht sie durch die Integration industrieller technischer Ausrüstung und Umweltkontrolltechnologien eine Intensivierung, hohe Effizienz und ökologische Nachhaltigkeit in der Aquakultur. Es istKernvorteileenthalten:Wasserrecycling, Einsparung von über 90 % des Wassers, Unabhängigkeit von regionalen und saisonalen Einschränkungen, präzise Regulierung wichtiger Umweltfaktoren wie Wassertemperatur und gelöster Sauerstoff, deutliche Verbesserung der Landproduktivität und der Futterverwertungsraten. Es gilt als entscheidende Richtung für die nachhaltige Entwicklung der Aquakultur. Gekennzeichnet durch „hohe Investitionen, hohe Dichte und hohen Ertrag“, wird seine weitverbreitete Einführung durch Faktoren wie hohe Anfangsinvestitionen (Kosten für Einrichtungen und Ausrüstung) und hohe technische Hindernisse (Saatgutakklimatisierung und Wasserqualitätsmanagement) eingeschränkt.
Mandarinfisch (Siniperca chuatsi) ist als wertvolle Süßwasseraquakulturart in der traditionellen Landwirtschaft mit Herausforderungen wie häufigen Krankheiten, Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Wasserqualität und instabilen Erträgen konfrontiert. Derzeit sind die technischen Reserven für die industrielle RAS von Mandarinfischen nach wie vor unzureichend, insbesondere mangelt es an systematischer Praxis in Bereichen wie Optimierung von Zuchtprozessen, speziellem Gerätedesign und Wasseraufbereitungsprozessen. Diese Forschung konzentriert sich auf das effiziente Recycling und die Nutzung von Wasserressourcen und zielt darauf ab, das Prozessausrüstungssystem für die industrielle Aquakultur von Mandarinfischen an Land zu konstruieren. Durch die Optimierung störungsarmer Abfallentsorgungsgeräte und die Integration von Geräteverknüpfungstechnologie werden experimentelle Untersuchungen zu Schlüsselindikatoren wie Wasserreinigungseffizienz und Bio{6}}Beladungskapazität durchgeführt. Das Ziel besteht darin, eine reproduzierbare technische Lösung zu entwickeln, um die qualitativ hochwertige Entwicklung der Mandarinfischzuchtindustrie zu unterstützen.
1. Prozessablauf der industriellen Kreislaufaquakultur
Der Kern einer industriellen RAS ist die Erzielung eines dynamischen Wasserhaushalts und Recyclings durch einen geschlossenen -Kreislaufprozess von „physikalische Filterung - biologische Reinigung - Desinfektion und Sauerstoffanreicherung". "Die Aufzucht von Fischen beginnt mit der Wasseraufzucht"; Parameter wie Wasserströmungsgeschwindigkeit, Temperatur, pH-Wert, Ammoniakstickstoffkonzentration und Gehalt an gelöstem Sauerstoff wirken sich direkt auf die Wachstumsumgebung von Mandarinenfischen aus. Dieses Systemdesign folgt dem Prinzip „kleine Systeme, mehrere Einheiten". Die Kernlogik lautet: Schnellere Durchflussraten können die Verarbeitungseffizienz des Systems verbessern, den Bruch von großen Partikelabfällen reduzieren und den Energieverbrauch bei der nachfolgenden Verarbeitung senken; die Schadstoffentfernung folgt der Reihenfolge „fest → flüssig → gasförmig“, die Behandlung fester Abfälle wird nach „große Partikelgröße → kleine Partikelgröße“ eingestuft, und die Filtrations- und Desinfektionsprozesse sind sequentiell verbunden.
Wie in gezeigtAbbildung 1Der Systemablauf ist wie folgt: Die Entwässerung aus dem Kulturtank wird einer Vorbehandlung unterzogen, um große Partikelabfälle zu entfernen, gelangt in die Grob- und Feinfiltrationsstufen, um feine Schwebstoffe zu entfernen, durchläuft dann einen Biofilter, um schädliche Substanzen wie Ammoniakstickstoff abzubauen, und kehrt schließlich nach Desinfektion und Sauerstoffanreicherung in den Kulturtank zurück, wodurch eine kontrollierte Wasserqualität und Wasserrecycling während des gesamten Prozesses erreicht werden.
2. Design und Forschung zu Aquakulturanlagen und -geräten für Mandarinenfische
Die traditionelle Gestaltung von Aquakulturanlagen basiert oft auf Erfahrung, was leicht zu ineffizienter Ausrüstung und Kostenverschwendung führt. Wie in gezeigtAbbildung 2Diese auf dem Prinzip der Massenbilanz basierende Studie erstellt ein Modell für die maximale Biomassetragfähigkeit von Mandarinfischen. Durch die Berechnung der maximalen Zufuhrrate, des Gesamtabfalls und der Ammoniak-Stickstoffproduktion wird die Auswahl der wissenschaftlichen Ausrüstung erreicht. Am Beispiel eines Mandarin-Fischzuchtunternehmens in Jiangxi lag der Schwerpunkt auf der Optimierung der störungsarmen Abfallentsorgungsvorrichtung und des Geräteverbindungssystems. Der Workshop-Layout ist in dargestelltAbbildung 3. Der Aufbau des landbasierten industriellen RAS für Mandarinenfische ist in dargestelltAbbildung 4.
2.1 Design der Kulturwasser-Rezirkulationsparameter
Die Umwälzrate ist für einen effizienten Systembetrieb von entscheidender Bedeutung und muss umfassend auf der Grundlage der Besatzdichte von Mandarinfischen, des Wasservolumens und der Wasseraufbereitungskapazität bestimmt werden.
Formel zur Berechnung des Wasserumwälzvolumens:Q = V × N
Wobei: Q das Wasserrückführungsvolumen (m³/h) ist;
V ist das Kulturwasservolumen (m³);
N ist die Anzahl der Umwälzungen pro Tag (mal/d).
Design des Kulturtanks: Einzeltankdurchmesser 6 m, Höhe 1,2 m, Kegelbodenhöhe 0,3 m.
Das berechnete Volumen beträgt π×3²×1.2 + 1/3×π×3²×0,3 ≈ 33,91 m³, das tatsächliche Kulturwasservolumen beträgt etwa 30 m³. Eine einzelne Werkstatt enthält 10 Kulturtanks, Gesamtwasservolumen 300 m³.
Betriebsparameter: Die Rezirkulationsrate N ist auf 3-5 Mal/Tag eingestellt; Die Zusatzwasserzirkulation beträgt 10 % des gesamten Wasservolumens (um Verdunstungs- und Abflussverluste auszugleichen) und wird in Echtzeit durch Online-Überwachung angepasst.
2.2 Design des Kulturtanks und der Abfallentsorgungsvorrichtung
Wie in gezeigtAbbildung 5Der Kulturtank ist mit dem Ziel einer „schnellen Abfallentsorgung und gleichmäßigen Wasserverteilung“ konzipiert und verwendet einen kreisförmigen Tankkörper in Kombination mit einer kegelförmigen Bodenstruktur. Am Boden ist eine „Fischtoilette“ installiert, um eine störungsarme Abfallentsorgung zu erreichen. Die Fischtoilette wurde wie folgt optimiert:
- Der Durchmesser des Einlass-/Auslassrohrs ist auf 200 mm standardisiert, um die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
- Die Abdeckplatte verfügt über ein rotierendes, stromlinienförmiges Design, um den Rotationsspüleffekt auf Bodensedimente zu verstärken und die Selbstreinigungsfähigkeit zu verbessern.
3. Prozessdesign und Forschung zur Behandlung fester Partikel
Feste Partikel werden durch Größenklassifizierung mit einem dreistufigen Prozess behandelt: „Vorbehandlung - Grobfiltration - Feinfiltration“. Spezifische Parameter werden in angezeigtTabelle 1.
3.1 Vorbehandlungsprozess
Verwendet einen vertikalen Strömungsabscheider, der mit den seitlichen -Abfluss- und Bodenabflusssystemen-des Kulturtanks verbunden ist, und nutzt die Schwerkraftabscheidung, um Partikel größer oder gleich 100 μm zu entfernen. Der Absetzbehälter ist direkt mit dem Kulturtank verbunden, um Transportverluste in der Rohrleitung zu reduzieren und die Belastung nachfolgender Filtrationsstufen zu verringern.
3.2 Grobfiltrationsprozess
Wie in gezeigtAbbildung 6Im Mittelpunkt des Grobfiltrationsprozesses steht ein Mikrosieb-Trommelfilter. Zu den Konstruktionsprinzipien gehört: Platzierung der Ausrüstung in der Nähe der Kulturtanks, um die Rohrleitungslänge zu verkürzen und den Energieverbrauch zu senken.
Verwendung eines SPS-Steuerungssystems zur Erzielung einer automatischen Rückspülung (4-6 Mal/Tag), koordiniert mit einer Online-Überwachung der Wasserqualität zur Parameteranpassung in Echtzeit.
Nutzung des Schwerkraftflussdesigns zur Reduzierung des Pumpenstromverbrauchs und zur Senkung der Betriebskosten.
3.3 Feinfiltrationsprozess
Wie in gezeigtAbbildung 7Der Feinfiltrationsprozess reinigt die Wasserqualität durch die synergistische Wirkung des Biofilters und der Desinfektionsausrüstung weiter.
- Biofilter: Wählt Medien mit hoher-spezifischer-Oberfläche-Fläche aus, hydraulische Verweilzeit 1–2 Stunden, hält gelösten Sauerstoff größer oder gleich 5 mg/L aufrecht, baut Ammoniak, Stickstoff und Nitrit ab.
- Desinfektionsausrüstung: UV-Sterilisator (Dosis 3–5 × 10⁴ μW·s/cm²) oder Ozongenerator (Konzentration 0,1–0,3 mg/L, Kontaktzeit 10–15 Minuten) zur Abtötung pathogener Mikroorganismen.
- Sauerstoffsystem: Reinsauerstoff-Oxygenator, der in Verbindung mit Belüftern verwendet wird, um einen stabilen Gehalt an gelöstem Sauerstoff sicherzustellen.
4. Pipeline-Layout und Steuerungssystem
4.1 Pipeline-Layout-Design
Rohrleitungen werden nach ihrer Funktion in vier Typen eingeteilt: Wasserversorgung, Rückführung, Abwasserentsorgung und Ergänzungswasser. Designprinzipien: Optimieren Sie das Layout rund um die Kulturtanks, reduzieren Sie Bögen und Rohrleitungslängen, um Druckverluste zu minimieren. Sorgen Sie für einen ausgewogenen Zu- und Abfluss, um einen stabilen Wasserstand in Kulturtanks aufrechtzuerhalten. Abfallableitungsrohre haben ein Gefälle (größer oder gleich 3 %), um die selbst-Sammlung des Abfalls zu erleichtern.
4.2 Steuerungssystemdesign
Das System verwendet eine geschlossene -Schleifenarchitektur aus „Sensoren - Controller - Aktoren“, wie in gezeigtAbbildung 8. Zu den Kernfunktionen gehören:
- Überwachung der Wasserqualität in Echtzeit: Online-Datenerfassung über Sensoren für gelösten Sauerstoff, pH-Wert und Ammoniakstickstoff.
- Steuerung der Geräteverknüpfung: Automatische Anpassung der Mikrosieb-Rückspülung, der Leistung des Oxygenators und der Laufzeit der Desinfektionsausrüstung basierend auf den Wasserqualitätsparametern.
- Fehler Warnung: Akustische und visuelle Alarme, die durch abnormale Parameter ausgelöst werden und über Ethernet oder drahtlose Kommunikation an Verwaltungsterminals weitergeleitet werden.
5. Analyse der Geräteleistungstestdaten
Wie in gezeigtAbbildung 9, wurde ein sechsmonatiger Testbetrieb in einer Mandarinfischzuchtbasis in Jiangxi durchgeführt. Im System traten keine Auffälligkeiten bei der Wasseraufbereitung auf und das Überwachungs- und Frühwarnsystem funktionierte stabil.
Während der Anwendung wurden keine Auffälligkeiten bei der Wasseraufbereitung festgestellt, das Überwachungs-, Frühwarn- und Kontrollsystem funktionierte stabil. Die Belüftung in den Kulturtanks wurde in Kombination mit der Kontrolle des gelösten Sauerstoffs während des Zuchtprozesses eingesetzt. Die Leistungsbewertung der Hauptausrüstung ist in dargestelltTabelle 2.
Während des Versuchs erreichte die Besatzdichte 50–60 Fische/m³, die Überlebensrate lag bei mindestens 90 %, die Wachstumsrate erhöhte sich um 20 % im Vergleich zur traditionellen Landwirtschaft und die Wasserrecyclingrate erreichte 92 %, wodurch die Ziele der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung erreicht wurden.
6. Zusammenfassung
Das landbasierte industrielle RAS für Mandarinfische erreicht die Aquakulturziele „Wassereinsparung, hohe Effizienz und Umweltschutz“ durch die Integration technischer, anlagenbasierter und digitaler-intelligenter Technologien. Die Innovationen dieser Forschung liegen in der Optimierung der Geräteauswahl auf der Grundlage des Biomassetragfähigkeitsmodells zur Verbesserung der Systemanpassung; Verbesserung der störungsarmen Abfallentsorgungsvorrichtung, um die Effizienz der Abfallbeseitigung zu steigern; Aufbau eines Steuerungssystems für die Geräteverknüpfung, um eine präzise Regulierung der Wasserqualität zu erreichen.
Dieses System kann gefördert und auf andere Süßwasserfischzuchten angewendet werden und bietet eine technische Referenz für die Intensivierung der Transformation der Aquakultur. Zukünftige Arbeiten müssen die Ausrüstungskosten weiter senken und die Sensorleistung optimieren, um die Technologiedurchdringungsrate zu erhöhen.