Analyse rezirkulierender Aquakultursysteme (RAS) zur Steigerung der Aquakultureffizienz
Der *Nationale Fischereientwicklungsplan für den 14. Fünfjahresplanzeitraum* fordert ausdrücklich die Entwicklung intelligenter Fischereien, die Förderung der Modernisierung der Aquakulturausrüstung sowie die Verbesserung der Zuchteffizienz und der Ressourcennutzung. Herkömmliche Modelle der Teichaquakultur stehen vor Herausforderungen wie hohem Wasserverbrauch, erheblicher Landbelegung und Umweltauswirkungen, was es schwierig macht, den Anforderungen der modernen Aquakulturentwicklung gerecht zu werden. Das Recirculated Aquaculture System (RAS) als neues Modell der intensiven Landwirtschaft nutzt Wasseraufbereitungs- und Recyclingtechnologien, um eine hochdichte Kultivierung von Wasserorganismen in einer relativ geschlossenen Umgebung zu erreichen, was deutliche technische Vorteile bietet.
1. Überblick über rezirkulierende Aquakultursysteme
1.1 Grundkonzepte und Strukturkomponenten
Ein Kreislaufaquakultursystem (RAS) ist ein hochintensives modernes Aquakulturmodell, das durch Wasseraufbereitungs- und Recyclingtechnologien eine hoch{0}dichte Kultivierung von Wasserorganismen in einer relativ geschlossenen Umgebung erreicht. RAS besteht im Wesentlichen aus drei Funktionsmodulen: der Kultureinheit, der Wasseraufbereitungseinheit und der Einheit zur Überwachung und Steuerung der Wasserqualität.
1.2 Funktionsprinzip
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 mg/L) und Ammoniakstickstoff (<0.5 mg/L), which are regulated via automated control devices to maintain the optimal culture environment
2. Analyse der Produktionseffizienz in RAS
2.1 Fähigkeit zur Kontrolle der Wasserumgebung
Die Fähigkeit von RAS zur Wasserumweltkontrolle spiegelt sich hauptsächlich in der präzisen Regulierung der Wasserqualitätsparameter und der schnellen Reaktion auf Umweltstressoren wider. Diese Studie, die auf einer groß angelegten RAS-Basis mit drei parallelen Versuchssystemen (jeweils 50 m³ Volumen, Besatzdichte 25 kg/m³) durchgeführt wurde, überwachte die Daten 180 Tage lang kontinuierlich und lieferte die Ergebnisse inTabelle 1.
Die Daten zeigen, dass RAS bei der Regulierung des gelösten Sauerstoffs außergewöhnlich gute Leistungen erbringt. Selbst während des höchsten Sauerstoffverbrauchs in der Nacht werden durch den Synergieeffekt von Pumpen mit variablem Frequenzantrieb (VFD) und mikroporöser Belüftung ideale Werte aufrechterhalten. Die pH-Regulierung mittels Online-Überwachung in Verbindung mit einem automatischen Alkali-Dosiersystem zeigte eine gute Stabilität bei den Ergebnissen der kontinuierlichen Überwachung. Bei der Entfernung von Ammoniakstickstoff konnte die Nitrifikationseffizienz des Biofilters unter Standardbedingungen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich verbessert werden.
Die Temperaturregelung, die mithilfe von Titanrohr-Wärmetauschern mit PID-Regelungsalgorithmen erreicht wurde, hielt die Wassertemperatur auch bei erheblichen Schwankungen der Umgebungstemperatur stabil.
Durch 180 Tage Dauerbetrieb wurden die Konformitätsrate und die Stabilität aller Wasserqualitätsindikatoren im System im Vergleich zu herkömmlichen Kulturmodellen erheblich verbessert, was die technischen Vorteile und den Anwendungswert von RAS bei der Kontrolle der Wasserumgebung voll und ganz demonstriert. Darüber hinaus erreichte die Compliance-Rate für wichtige Wasserqualitätsindikatoren 98,5 %, wobei die Stabilität von Kernindikatoren wie gelöstem Sauerstoff, pH-Wert und Ammoniakstickstoff 47 % höher war als in der traditionellen Kultur.
2.2 Biologische Wachstumsleistung
In dieser Studie wurde der Süßwasserfisch-Graskarpfen (Ctenopharyngodon idella) als Versuchsobjekt ausgewählt, um die Wachstumsleistungsunterschiede zwischen RAS und traditioneller Teichkultur zu vergleichen. Die Versuchsgruppe bestand aus drei 50-m³-RAS-Einheiten, während die Kontrollgruppe drei 500-m²-Standardkulturteiche nutzte, beide über einen 180-Tage-Zyklus (Daten dargestellt inTabelle 2).
Die Ergebnisse zeigten, dass die präzise Umweltkontrolle und das Fütterungsmanagement in RAS die Wachstumsleistung von Graskarpfen deutlich verbesserten. Der konstante Temperatureffekt und die Stabilität der Wasserqualität förderten die Fressaktivität und verbesserten die Effizienz der Futterverwertung.
2.3 Betriebseffizienz von Anlagen und Geräten
Die betriebliche Effizienz von RAS wird hauptsächlich anhand des Comprehensive Energy Consumption Index (IEC) bewertet, der wie folgt berechnet wird:
IEC=(P × T × η) / (V × Y)
Wo:
IEC=Umfassender Energieverbrauchsindex (kW·h/kg)
P=Gesamte installierte Systemleistung (kW)
T=Betriebszeit (h)
η=Ausrüstungslastfaktor
V=Volumen des Kulturwassers (m³)
Y=Ertrag pro Wasservolumeneinheit (kg/m³)
Die Analyse der Betriebsdaten zeigte die folgenden wichtigen Leistungsparameter für wichtige RAS-Geräte: Der Betriebswirkungsgrad des Pumpensystems erreichte 85 %, was einer Verbesserung von 18 % gegenüber herkömmlichen Pumpen entspricht; Die Ammoniak-Stickstoff-Behandlungslast des Biofilters betrug 0,8 kg/m³·d, eine Steigerung von 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Biofiltern. und die UV-Desinfektionseinheit behielt eine Sterilisationseffizienz von über 99,9 % bei.
Die Systemausrüstung nutzt eine intelligente Verbindungssteuerung, die Betriebsleistung und Laufzeit automatisch an die Wasserqualitätsparameter anpasst. Beispielsweise können Temperaturkontrollgeräte während stabiler Temperaturperioden mit reduzierter Last (z. B. 30 %) betrieben werden, und Belüftungssysteme können während nächtlicher Perioden mit geringem Sauerstoffverbrauch im energiesparenden Modus mit variabler Frequenz betrieben werden. Durch diese intelligente Gerätesteuerung lag der durchschnittliche Gesamtenergieverbrauchsindex des Systems bei 2,1 kWh/kg, 45 % niedriger als bei herkömmlichen Kulturmodellen.
3. Quantifizierung der umfassenden Vorteile von RAS
3.1 Quantitative Produktionsnutzenindikatoren
Diese Studie etablierte ein quantitatives Bewertungssystem für RAS-Produktionsvorteile, das drei Dimensionen abdeckt: Outputvorteil, Qualitätsvorteil und Zeitvorteil. Basierend auf der Datenanalyse von zehn großen RAS-Stützpunkten-erreichte der umfassende Produktionsnutzenindex des Systems 0,85, eine Verbesserung um 56 % gegenüber herkömmlichen Kulturmodellen.
Bei der Bewertung des Output-Nutzens wird auch der Mehrwert-der verbesserten Produktqualität berücksichtigt. Aquatische Produkte von RAS zeigten im Vergleich zur traditionellen Kultur deutliche Verbesserungen bei sensorischen Indikatoren wie Fleischtextur und intramuskulärem Fettgehalt und erreichten eine Marktprämienrate von 15–20 %. Im Hinblick auf den Qualitätsvorteil führten die präzise Zuführung und Umgebungskontrolle im System zu einer gleichmäßigeren Produktgröße und einer deutlichen Steigerung der Premium-Produktrate. In den späteren Kulturstadien erreichte die Einheitlichkeit der Produktgrößen über 92 %, was eine standardisierte Verarbeitung und Verkäufe in großem Maßstab erleichterte.
3.2 Bewertung des Ressourcenverbrauchs
Zur Quantifizierung des Ressourcenverbrauchs während des Anlagenbetriebs wurde eine Life Cycle Assessment (LCA)-Methode eingesetzt. Zu den wichtigsten Bewertungsindikatoren gehörten der Frischwasserverbrauch, der Stromverbrauch und der Futtermitteleinsatz (Daten siehe unten).Tabelle 3).
Die Analyse der Ressourcennutzungseffizienz zeigte, dass das System durch Wasseraufbereitungs- und Recyclingtechnologien eine hohe Effizienz und Ressourcenschonung erreicht, wobei die größten Einsparungen bei den Wasser- und Landressourcen zu verzeichnen waren. Die Ergebnisse der Umweltverträglichkeitsprüfung zeigten, dass die Kohlenstoffemissionsintensität des Systems um 52 % geringer war als bei der traditionellen Kultur.
Die Vorteile des Systems bei der Ressourcenschonung zeigen sich auch in einer verbesserten Futterverwertungseffizienz. Der Einsatz intelligenter Fütterungssysteme in Kombination mit Daten zur Überwachung der Wasserqualität ermöglichte eine präzise, quantitative Fütterung und reduzierte die Futterverschwendung erheblich. Untersuchungen zeigen, dass sich die Futterverwertungsrate bei RAS im Vergleich zur traditionellen Kultur um 25–30 % verbessert. Was die Auslastung der Humanressourcen anbelangt, so sanken die Arbeitsstunden pro Tonne Produkt durch Automatisierung und intelligente Überwachung von 0,48 Stunden in der traditionellen Kultur auf 0,15 Stunden, was den Arbeitsaufwand erheblich reduzierte und gleichzeitig das Arbeitsumfeld verbesserte.
3.3 Wirtschaftliche Machbarkeitsanalyse
Die wirtschaftliche Machbarkeit wurde anhand der Methoden „Net Present Value“ (NPV) und „Amortisationszeit“ bewertet. Die Erstinvestition umfasst den Tiefbau, den Kauf der Ausrüstung, die Installation und die Inbetriebnahme. Zu den Betriebskosten zählen Energie, Arbeit, Futter und Wartung. Zu den Einnahmequellen gehören der Verkauf von Wasserprodukten und Vorteile aus der Einsparung von Wasserressourcen.
EC= Σ [ (Ct - Ot) / (1 + r)^t ] - I0
Wo:
Kapitalwert=Nettobarwert (10.000 CNY)
I0=Erstinvestition (10.000 CNY)
Ct=Mittelzufluss im Jahr t (10.000 CNY/Jahr)
Ot=Mittelabfluss im Jahr t (10.000 CNY/Jahr)
r=Diskontsatz (%)
t=Berechnungszeitraum (Jahre)
Berechnet für eine jährliche Produktionsmenge von 500 Tonnen erfordert das System eine Anfangsinvestition von 8,5 Millionen CNY, jährliche Betriebskosten von 4,2 Millionen CNY und einen Jahresumsatz von 7,5 Millionen CNY. Bei einem Benchmark-Abzinsungssatz von 8 % beträgt die Amortisationszeit 3,2 Jahre und die finanzielle interne Rendite (IRR) beträgt 28,5 %. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass das Projekt auch bei Produktpreisschwankungen von ±20 % eine gute Risikoresistenz aufweist.
4. Fazit
Kreislaufaquakultursysteme (RAS) übertreffen herkömmliche Kulturmodelle in Bezug auf die Kontrolle der Wasserumgebung, die Leistung des biologischen Wachstums und die Betriebseffizienz der Ausrüstung deutlich. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Verbesserung der Systemintelligenz, die Optimierung der Betriebseffizienz der Ausrüstung und die Erforschung von Modellen für groß angelegte Werbung konzentrieren, um die umfassenden Vorteile der Kreislaufaquakultur weiter zu verbessern.