Litopenaeus vannamei, allgemein bekannt als die Pazifische Weiße Garnele, ist eine euryhaline Art, die für ihren hohen Fleischertrag, ihre starke Stresstoleranz und ihr schnelles Wachstum geschätzt wird. Es handelt sich um eine der wichtigsten Garnelenarten, die in China gezüchtet werden. Derzeit umfassen die wichtigsten Anbaumodelle für L. vannamei in China Freilandteiche, kleine Gewächshausteiche und Hochteiche. Allerdings kann die inländische Produktion die Marktnachfrage immer noch nicht decken, sodass erhebliche Importe erforderlich sind. Darüber hinaus hat die rasche Ausweitung von Modellen wie der Landwirtschaft in kleinen Gewächshäusern Probleme wie unvollständige technische Rahmenbedingungen, häufige Krankheitsausbrüche und Herausforderungen bei der Abwasserbehandlung aufgedeckt. Vor dem Hintergrund des Engagements für Ressourcenschonung und nachhaltige Entwicklung hat das Recirculated Aquaculture System (RAS), das als intensives, effizientes und umweltfreundliches Landwirtschaftsmodell anerkannt ist, in den letzten Jahren in der Branche große Aufmerksamkeit erregt.
RAS setzt industrielle Methoden ein, um die Wasserumgebung aktiv zu regulieren. Es zeichnet sich durch einen geringen Wasserverbrauch, einen kleinen Fußabdruck, eine minimale Umweltverschmutzung aus und liefert qualitativ hochwertige, sichere Produkte mit weniger Krankheiten und höheren Besatzdichten. Seine Produktion unterliegt weitgehend keiner geografischen oder klimatischen Einschränkung. Dieses Modell zeichnet sich durch eine hohe Ressourcennutzungseffizienz aus und zeichnet sich durch hohe Investitionen und einen hohen Output aus, was einen entscheidenden Weg zur nachhaltigen Entwicklung der Aquakulturindustrie darstellt. Derzeit konzentriert sich die heimische Zucht von L. vannamei auf Küstengebiete, wobei hauptsächlich natürliches Meerwasser genutzt wird. In Binnenregionen, die durch die Verfügbarkeit von Wasserquellen und Umweltvorschriften eingeschränkt sind, besteht ein erhebliches Missverhältnis zwischen Angebot und Verbrauchernachfrage. Die Erforschung von RAS mittels künstlichem Meerwasser im Binnenland ist von großer Bedeutung für die Versorgung lokaler Märkte und die Förderung der regionalen Wirtschaftsentwicklung. Dieses Experiment baute erfolgreich ein Indoor-RAS für L. vannamei im Landesinneren auf und führte einen erfolgreichen Kultivierungszyklus durch. Die Methoden und Daten zum Systemaufbau, zur künstlichen Meerwasseraufbereitung und zum Farmmanagement können als Referenz für die L. vannamei-Landwirtschaft im Landesinneren dienen.
1. Materialien und Methoden
1.1 Materialien
Der Versuch wurde auf der ursprünglichen Zuchtfarm Leiocassis longirostris der Provinz Sichuan durchgeführt. Die post-Larven von L. vannamei (P5-Stadium) stammten von der Huanghua-Basis der Qingdao Hainen Aquatic Seed Industry Technology Co., Ltd. und waren in gutem Gesundheitszustand. Das verwendete Futter war die Marke „Xia Gan Qiang“ der Tongwei Group Co., Ltd. Seine Hauptbestandteile waren: Rohprotein größer oder gleich 44,00 %, Rohfett größer oder gleich 6,00 %, Rohfaser kleiner oder gleich 5,00 % und Rohasche kleiner oder gleich 16,00 %.
1.2 Künstliche Meerwasseraufbereitung
Als Quellwasser wurde Grundwasser aus einem Brunnen verwendet. Es wurde nacheinander mit Desinfektion (Bleichpulver 30 mg/L, belüftet für 72 Stunden), Restchlorentfernung (Natriumthiosulfat, 15 mg/L) und Entgiftung [Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), 10–30 mg/L] behandelt, bevor es zur künstlichen Meerwasseraufbereitung verwendet wurde.
Künstliches Meerwasser mit einem Salzgehalt von 8 wurde unter Verwendung von Meersalzkristallen als Hauptbestandteil hergestellt; Seine Hauptbestandteile sind in aufgeführtTabelle 1. Zur Ergänzung der Ca-, Mg- und K-Elemente wurden CaCl₂, MgSO₄ und KCl in Lebensmittelqualität verwendet. Nach der Zubereitung wurde NaHCO₃ in Lebensmittelqualität verwendet, um die Gesamtalkalität auf 250 mg/L (als CaCO₃) einzustellen, und NaHCO₃ wurde zusammen mit Zitronensäuremonohydrat verwendet, um den pH-Wert auf 8,2–8,4 einzustellen.
1.3 RAS-Konstruktion
1.3.1 Gesamtdesignkonzept
Durch die Kombination von unabhängigem Design und integrierter Anwendung wurde ein RAS für L. vannamei unter Verwendung einer mehrstufigen physikalischen Behandlung und Biofiltration konstruiert. Entsprechend den Wachstumsanforderungen der Garnelen in verschiedenen Phasen wurden entsprechende Systembetriebsstrategien, Protokolle zur Anpassung der Wasserqualität und wissenschaftliche Fütterungsstrategien implementiert, mit dem Ziel eines stabilen Betriebs, eines wirtschaftlichen Inputs und eines effizienten Outputs.
1.3.2 Hauptprozessablauf und technische Parameter
Ein bestehendes Container-basiertes Fischzuchtsystem wurde modifiziert, um das L. vannamei RAS zu etablieren, bestehend aus Kulturtanks, einer zusammengesetzten Hülle/Partikelsammelvorrichtung (Drei-{2}}Entwässerung), Biofilter, Umwälzpumpen usw. Der Prozessablauf ist in dargestelltAbbildung 1.
Das gesamte geplante Wasservolumen des Systems betrug 750 m³, mit einem Wasseraufbereitungssystemvolumen von 150 m³ und einem effektiven Kulturvolumen von 600 m³. Die geplante Kulturbelastung betrug 7 kg/m³. Die wichtigsten technischen Parameter sind in aufgeführtTabelle 2.
1.3.3 Strukturelles Design
Die sechs achteckigen Kulturbehälter waren in zwei Reihen angeordnet. Unter Berücksichtigung der Verwaltungsfreundlichkeit, der Umweltstabilität und der Investitionskosten bestand die Hauptstruktur der Tanks aus Ziegelbeton. Die Abmessungen betrugen: Länge 10,0 m, Breite 10,0 m, Tiefe 1,2 m, mit Schnittkanten von 3,0 m. Das effektive Wasservolumen pro Tank betrug 100 m³. Der Tankboden hatte ein Gefälle (16 %) zum zentralen Abfluss hin (Abbildung 2).
Die Drei-Wege-Entwässerungsvorrichtung bestand aus einem zentralen Sammler (für tote Garnelen, Muscheln und große Partikel), einem Vertikalfluss-Sedimentationssammler (für zerbrochene Muscheln, mittlere Partikel, Kot) und einem Siphon-seitigen Abfluss-Sammelkasten (für feine Muscheln und kleine bis -mittlere Partikel) (Abbildung 2).
Eine Seite des Konditionierungstanks enthielt einen Medienrahmen aus Kunststoffbürsten zum Sammeln und Entfernen von Schalen und Partikeln aus dem Tankauslass. In diesem Tank können Anpassungen für Kalzium, Magnesium, Gesamtalkalität und pH-Wert vorgenommen werden. Das Tankvolumen betrug 20 m³, bei einer hydraulischen Verweilzeit von 0,13 h.
Die Umwälzpumpe befand sich auf der anderen Seite des Konditionierungstanks und nutzte aus Gründen der Energieeffizienz eine einstufige Pumpe. Basierend auf der Garnelenökologie und -belastung wurde die Rezirkulationsrate auf 2–6 Mal pro Tag ausgelegt. Die Förderleistung der Pumpe betrug 150 m³/h, die Förderhöhe 10 m und die Leistung 5,5 kW.
Der Bürstenfilter war mit mehreren Filterbeuteln ausgestattet. Die Beutel wurden über Rohrverschraubungen mit dem Filtereinlass verbunden und mit Klammern gesichert. Das Abwasser gelangte über Rohre in die Beutel. Die Beutel bestanden aus Polypropylen (PP) und waren mit Kunststoffbürstenmedien gefüllt, die Partikel mit einer Größe von mehr als 0,125 mm effektiv abfingen. Der Tank für elastische Medien bestand aus dem Tankkörper (rechteckig, Tiefe 2 m), Gitterrahmen (parallel zur Oberfläche) und auf den Rahmen installierten elastischen Medien (Abbildung 3). Das Medium bestand aus zahlreichen doppelringigen Kunststoffringen mit Polyesterfilamenten, die im gesamten Tank verteilte Faserbündel bildeten. Sein Funktionsprinzip bestand darin, durch das Abfangen des Mediums und die Nutzung des auf seiner Oberfläche gebildeten Biofilms einen langsam fließenden Sedimentationseffekt zu erzeugen, um anorganischen Stickstoff und Phosphor zu absorbieren, zu zersetzen und umzuwandeln.
Der Biofilter umfasste den Tankkörper (rechteckig, Tiefe 2 m), Belüftungskomponenten und Bio-Medien (Abbildung 4). Die Belüftungsbaugruppe umfasste Luftverteilungsrohre. Luft trat von oben ein und wurde von unten wieder abgegeben, wodurch ein völlig gemischtes Strömungsmuster entstand. Der Tank war mit Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-Medium gefüllt. Durch gezielte Nitrifizierungsverstärkung und Alkalitätsanpassung heften sich große Mengen nitrifizierender Bakterien an das Medium, verbrauchen organisches Material und erreichen die Entfernung von Ammoniak und Nitrit, wodurch ein nitrifizierender Biofilter aufgebaut wird. Einlass- und Auslassrohre befanden sich auf gegenüberliegenden Seiten, mit einem Auslasssieb an der Innenwand. In diesem Versuch wurde das effektive Biofiltervolumen unter Verwendung von K5-Medium auf 25 % des Systemkulturvolumens eingestellt, mit einem Medienfüllverhältnis von 30 %.
Systembelüftung kombiniert mechanische und reine Sauerstoffmethoden. Wenn der gelöste Sauerstoff (DO) hoch war, stand die mechanische Belüftung im Vordergrund: Verwendung eines Hochdruck-Wirbelgebläses und hochwertiger mikroporöser Röhren als Diffusoren, um die O₂-Übertragungseffizienz zu maximieren und den Lärm zu reduzieren. Wenn der Sauerstoffgehalt niedrig war, wurde die Belüftung mit reinem Sauerstoff ergänzt: mit einem Sauerstoffgenerator + einem Mikro--Blasenwasserpropeller. Der Sauerstoffgenerator gibt eine O₂-Konzentration von über 90 % ab, die über eine Nano-Keramikscheibe im Propeller verteilt wird. Bei hoher Belastung diente eine Kombination aus Sauerstoffgenerator und Sauerstoffkegel als Hilfsbelüftung, wobei eine Druckerhöhungspumpe verwendet wurde, um im Kegel sauerstoff-übersättigtes Wasser zu erzeugen.
1.4 Messung der Wasserqualität
Die Konzentrationen von Ammoniak und Nitrit (als N) wurden mit einem Aokedan-Multiparameter-Wasseranalysator gemessen. Die Gesamtmenge an suspendierten Feststoffen (TSS) wurde mit einem Hach DR 900 Multiparameter-Analysegerät gemessen.
1.5 Farmmanagement und Systembetrieb
Der Prozess begann am 8. August 2022 und dauerte 74 Tage. Alle sechs Tanks waren bestückt. Die Besatzgröße betrug 961 Individuen/kg, die Dichte etwa 403 Individuen/m³, also insgesamt 241.800 Post--Larven. Die Fütterungshäufigkeit betrug 6 Mal pro Tag, wobei die tägliche Ration von etwa 7,0 % (früh) auf 2,5 % (spät) der geschätzten Biomasse sank.
Die Systemzirkulation begann 3 Tage nach-der Lagerung, zunächst mit 2 Zyklen/Tag, später stieg sie auf 4 Zyklen/Tag. Zu Beginn des Versuchs erfolgte eine tägliche Entwässerung, bei der nur das durch Entwässerung und Verdunstung verlorene Wasser wieder aufgefüllt wurde. Später folgte nach jeder Fütterung eine Entleerung (eine Stunde danach), wobei der tägliche Wasseraustausch weniger als 10 % des Nachschubvolumens im Frühstadium betrug.
Zunächst kam eine mechanische Belüftung (Wirbelgebläse) zum Einsatz. Aufgrund der späteren erhöhten Systembelastung wurde eine Kombination aus mechanischer Belüftung, Sauerstoffgenerator + Nano-Keramikscheibe und Sauerstoffgenerator + Sauerstoffkegel verwendet.
Sauerstoffgehalt, Temperatur, pH-Wert, Ammoniak und Nitrit in den Tanks wurden regelmäßig gemessen. Das Wachstum und die Fütterung der Garnelen wurden beobachtet und aufgezeichnet.
1.6 Datenverarbeitung und -analyse
Die Daten wurden mit WPS Office Excel organisiert. Diagramme wurden mit Origin 2021 erstellt.
Die folgenden Formeln wurden zur Berechnung der Wasseraustauschrate (R) und des Futterumwandlungsverhältnisses (F) verwendetCR) und Überlebensrate (RS):
R = 100% × V₁ / (V × t) ... (1)
FCR = W / (Wₜ − W₀) ... (2)
RS = 100% × S / N ... (3)
Wobei: R die tägliche Wasseraustauschrate (%/Tag) ist; V₁ ist das gesamte ausgetauschte Wasservolumen (m³); V ist das Gesamtwasservolumen des Systems (m³); Es sind Kulturtage (d). FCRist das Futterverwertungsverhältnis; W ist der gesamte Futtereinsatz (kg); Wₜ und W₀ sind die endgültige Erntemasse und die anfängliche Besatzmasse (kg). RSist die Überlebensrate (%); S ist die Gesamtzahl der geernteten Tiere (Individuen); N ist die Gesamtzahl der Tiere (Individuen).
2. Ergebnisse
2.1 Wasseraustausch
Während des Versuchs betrug der gesamte Wasseraustausch 1.000 m³, bei einer durchschnittlichen täglichen Austauschrate von 1,8 %.
2.2 Ammoniak und Nitrit
Die Ammoniakkonzentration in den Tanks blieb unter 1,3 mg/L (außer Tag 5) und die Nitritkonzentration blieb unter 1,6 mg/L, beide auf relativ stabilen Werten (Abbildung 5).
Im Frühstadium (erste 15 Tage) nahm der Ammoniakgehalt im Tank schnell ab, während der Nitritwert rasch anstieg, was auf die Bildung eines Biofilms im Biofilter und die Umwandlung von Ammoniak in Nitrit hindeutet. Im mittleren -Stadium (15–50 Tage) blieben die Ammoniak- und Nitritkonzentrationen bei erhöhter Fütterung stabil, was auf eine synchronisierte Ammoniak- und Nitritoxidation im Biofilter und einen stabilen Systembetrieb hinweist. Nach dem 50. Tag zeigten sowohl Ammoniak als auch Nitrit einen Abwärtstrend, was möglicherweise auf eine erhöhte Nitrifikationskapazität und ein ausgereifteres System hindeutet. Dies konnte am Ende des Prozesses nicht weiter bestätigt werden.
Abbildung 6zeigt, dass die Ammoniaktrends am Biofiltereinlass und -auslass ähnlich waren, die Lücke zwischen den Kurven jedoch allmählich größer wurde, was auf eine verbesserte Ammoniakentfernung hinweist. Die Nitritkurven für Einlass und Auslass überlappten sich nahezu und zeigten keinen insgesamt steigenden Trend, was darauf hindeutet, dass das System die Nitritoxidationskapazität bis zum Ende aufrechterhielt.
2.3 Gelöster Sauerstoff und Gesamtalkalität
Wie in gezeigtAbbildung 7Trotz zunehmender Systemlast hielten die kombinierten Belüftungsmethoden den Sauerstoffgehalt im Tank über 6 mg/L. Darüber hinaus wurde durch die Zugabe von NaHCO₃ die Gesamtalkalität zwischen 175 und 260 mg/L gehalten.
2.4 Gesamtmenge an suspendierten Feststoffen
Trends der TSS-Konzentration an wichtigen Systempunkten werden in dargestelltAbbildung 8. Der TSS im Zufluss zum vertikalen Sedimentsammler und zum Siphon-Seitenkasten (Teil der Drei-{1}}-Wege-Entwässerung spiegelte TSS-Trends in den Tanks wider. Der Gesamt-TSS stieg allmählich an, stabilisierte sich im mittleren -Spätstadium (nach Tag 35) und zeigte in den aufeinanderfolgenden Behandlungsstadien einen abnehmenden Trend.
2.5 Landwirtschaftliche Ergebnisse
Der Gesamtbesatz betrug 241.800 Post---Larven mit einer durchschnittlichen Größe von 0,52 g, verteilt auf 6 Becken, bei einer durchschnittlichen Dichte von 403 Individuen/m³. Nach 74 Tagen betrug die Gesamternte 3.012,2 kg, die durchschnittliche Größe 15,82 g, die durchschnittliche Überlebensrate 78,75 %, der durchschnittliche Ertrag 5,02 kg/m³. Der gesamte Futtereinsatz betrug 3.386,51 kg, FCR1.18. Die kalkulierten Kosten (Saatgut, Futtermittel, Gesundheitsprodukte, Strom, künstliches Meerwasser, Desinfektion) beliefen sich auf insgesamt 155.870,6 CNY. Der Umsatz aus Garnelenverkäufen betrug 192.780,8 CNY, was zu einem Gewinn von 36.910,2 CNY für den Zyklus führte.
3. Diskussion
In den letzten Jahren hat sich RAS zu einer vielversprechenden Richtung für die L. vannamei-Landwirtschaft entwickelt. Im Rahmen dieses Versuchs wurde ein RAS einschließlich Kulturtanks, zusammengesetzter Schalen-/Partikelsammlung, Bürstenfilter, Biofilter und Belüftungsausrüstung konstruiert und ein Zyklus der Indoor-Landwirtschaft im Landesinneren erfolgreich durchgeführt.
Im Vergleich zum herkömmlichen RAS ist dieses System einfacher. Strukturell wurde auf Geräte wie Trommelfilter und Eiweißabschäumer verzichtet, die relativ höhere Fix- und Wartungskosten verursachen. Stattdessen wurden einfachere Wasseraufbereitungsgeräte verwendet, um eine mehrstufige Verbundbehandlung für Partikel und gelöste Schadstoffe zu schaffen und so eine gute Wasserqualitätskontrolle mit einfacheren Prozessen und geringeren Kosten zu erreichen.
Durch den Einsatz verschiedener Wasserqualitätsmanagementmethoden, die auf unterschiedliche Wachstumsstadien und Systemlasten zugeschnitten sind, hielt das System Ammoniak und Nitrit unter 1,3 bzw. 1,6 mg/L und DO über 6 mg/L und erreichte letztendlich einen Ertrag von 5,02 kg/m³. Dies kommt den Ergebnissen von Yang Jing et al. nahe. Darüber hinaus kontrollierte das Wasseraufbereitungssystem den durchschnittlichen täglichen Wechselkurs auf 1,8 %, wodurch die Aufbereitungskapazität voll ausgenutzt und die Kosten erheblich gesenkt wurden.
RAS bietet Vorteile für die Umwelt, Produktsicherheit und weniger Krankheiten. Aufgrund von Transportbeschränkungen verfügt L. vannamei über ein großes Marktpotenzial im Landesinneren. Die Durchführung von RAS für L. vannamei im Landesinneren entspricht den Branchentrends. Die derzeitige Binnengarnelenzucht erfolgt hauptsächlich im Süßwasser, wobei Ertrag und Qualität hinter der Meereszucht zurückbleiben. Die Verwendung von künstlichem Meerwasser in diesem Versuch konnte diese Lücke teilweise schließen. Die derzeit hohen Kosten für künstliches Meerwasser erfordern jedoch eine Optimierung der RAS-Prozesse zur Entfernung von Stickstoff und Phosphor, um die Wiederverwendung von Wasser zu ermöglichen. Dies ist eine wirksame Möglichkeit zur Kostensenkung und sollte ein zentraler Forschungsschwerpunkt für die RAS im Binnenland von L. vannamei sein.
FCRist ein wichtiger Indikator für die RAS-Leistung. Das letzte FCRvon 1,18 in diesem Versuch ist vergleichbar mit der traditionellen Intensivlandwirtschaft. Als geschlossenes System liegt der Vorteil von RAS in der Wiederverwendung von Eingaben. Basierend auf der Verbesserung der Wasseraufbereitungskapazität und der Formulierung präziser Fütterungsstrategien zur Senkung von FCRsollte der nächste Optimierungsschwerpunkt sein.