1.Überblick über rezirkulierende Aquakultursysteme (RAS)
(1) Eigenschaften rezirkulierender Aquakultursysteme
Kreislaufaquakultursysteme (RAS) sind ein neuartiges Aquakulturmodell, das auf der Grundlage der intensiven Aquakultur entwickelt wurde und durch die Kreislaufführung und Wiederverwendung von Kulturwasser gekennzeichnet ist. Zusätzlich zu den Vorteilen der konventionellen Intensivaquakultur bieten RAS erhebliche Vorteile bei der Abwasserbehandlung, der Reduzierung des Wasserverbrauchs und der Minimierung der Abwassereinleitung. Durch eine optimierte Gestaltung des Wasserversorgungssystems und den koordinierten Betrieb mehrerer Anlagen und Geräte ermöglichen RAS die wiederholte Wiederverwertung der gesamten Kulturwassermenge. Im Vergleich zur herkömmlichen intensiven Aquakultur sind sie hinsichtlich der Energieeffizienz bei der Temperaturkontrolle, der Eindämmung der Umweltverschmutzung sowie der Vorbeugung und Bekämpfung von Krankheiten überlegen.
RAS erfordern die integrierte Nutzung einer umfassenden Reihe von Wasseraufbereitungs- und -aufbereitungsanlagen. Ihr Prozessdesign umfasst die Anwendung mehrerer Disziplinen und Industrietechnologien, darunter Strömungsmechanik, Biologie, Maschinenbau, Elektronik, Chemie und Automatisierungsinformationstechnologie. Ein gut konzipiertes RAS kann eine vollständige Kontrolle über Wasserqualitätsparameter wie Temperatur, gelösten Sauerstoff und Nährstoffe erreichen und unter allen Umständen können mehr als 90 % des Systemwassers durch Rezirkulation wiederverwendet werden.
(2) Wesen und Vorteile von RAS
Der Kern von Kreislaufaquakultursystemen (RAS) liegt in der Unterstützung und Optimierung der Aquakulturproduktion durch industrialisierte und modernisierte Ansätze. Durch die Ermöglichung einer vollständigen-Prozessregulierung der aquatischen Umwelt kann RAS externe Einschränkungen wie Temperatur, Wasserverfügbarkeit und Platz teilweise überwinden und so eine ganzjährige, kontinuierliche Produktion mehrerer-Chargen erreichen. Dies ermöglicht eine Landwirtschaft außerhalb-der Saison und einen gestaffelten Markteintritt, was den Erzeugern einen Wettbewerbsvorteil und höhere wirtschaftliche Erträge verschafft.
(3)Produktionseffizienz und Ressourcennutzung
Die hervorragende Produktionsleistung von RAS hängt eng mit seinen hochgradig kontrollierbaren und ressourceneffizienten Eigenschaften zusammen. Auf einer Pro-Einheit-Wasserbasis ist der Ertrag an aquatischen Produkten in RAS drei- bis fünfmal höher als der der traditionellen Durchfluss--intensiven Aquakultur und 8- bis 10-mal höher als der der Teichaquakultur, während die Überlebensraten um mehr als 10 % steigen. Darüber hinaus wird der Einsatz von Tierarzneimitteln und chemischen Arbeitsstoffen um fast 60 % reduziert. Diese umfassenden Verbesserungen der Leistungsindikatoren sichern sowohl den ökonomischen als auch den ökologischen Nutzen von RAS.
(4) Wasseraufbereitung und Systemintegration
In RAS wird Kulturwasser einer Reihe von Behandlungen unterzogen, darunter physikalische Filterung, biologische Reinigung, Sterilisation und Desinfektion, Entgasung und Sauerstoffanreicherung, die eine vollständige oder teilweise Wiederverwendung des Wassers ermöglichen. Gleichzeitig kann die Optimierung der Kulturumgebung in automatisierte Geräte wie automatische Feeder integriert werden, was einen gewissen Grad an Automatisierung und intelligentem Management ermöglicht.
(5)Technologische Grundlagen und Hauptmerkmale
RAS integrieren fortschrittliche Technologien aus der Fischereitechnik, mechanischer Ausrüstung, neuen umweltfreundlichen Materialien, mikroökologischer Regulierung und digitalem Management. Aufgrund der vollständig kontrollierten Produktionsumgebung, die nur minimal von äußeren Bedingungen beeinflusst wird, weisen RAS erhebliche Vorteile auf, darunter Wasser- und Landeinsparung, reduzierter Energiebedarf zur Temperaturregulierung, stabile Aufzuchtbedingungen, beschleunigte Wachstumsraten, hohe Besatzdichten und die Produktion umweltfreundlicher, schadstofffreier Produkte. Daher gelten RAS als „das vielversprechendste Aquakulturmodell und die vielversprechendste Investitionsrichtung des 21. Jahrhunderts“.
(6) Entwicklung und Anwendung in China
Bis heute wurden in China mehr als 900 große RAS entworfen und gebaut, die sich über große Küstenprovinzen sowie Binnenregionen und sogar bis nach Xinjiang erstrecken. Diese Systeme, die sowohl Meeres- als auch Süßwasseranwendungen umfassen, wurden erfolgreich kommerzialisiert, erfüllten die erwarteten Produktionsziele und zeigten eine hervorragende Betriebsleistung. Produktionspraktiken bestätigen, dass RAS nicht nur eine überlegene Produktivität und Umweltvorteile bieten, sondern im Vergleich zu anderen Aquakulturmodellen auch deutlich niedrigere Produktionskosten pro Ertragseinheit erzielen.
2. Schlüsselprozesse und Technologien rezirkulierender Aquakultursysteme (RAS)
Kreislaufaquakultursysteme (RAS) nutzen in großem Umfang industrietechnische Geräte und Technologien. Typischerweise bestehen sie aus Prozesseinheiten und Einrichtungen zur Entfernung fester Partikel; Entfernung von Schwebeteilchen und löslicher organischer Substanz; Beseitigung giftiger und schädlicher löslicher anorganischer Salze wie Ammoniak und Nitrit; Krankheitserregerkontrolle; Kohlendioxidentfernung aus dem Stoffwechsel kultivierter Organismen und Mikroorganismen; Sauerstoffergänzung; und Temperaturregulierung. Zu den technischen Prozessen gehören Wärmedämmung und Temperaturkontrolle, Feststoffpartikelentfernung, Entfernung von löslichem anorganischem Stickstoff und Phosphor, Desinfektion und Sterilisation sowie Sauerstoffanreicherung.
(1)Industrialisierte und intensive Produktionsmerkmale
RAS verbessern die intensiven Eigenschaften der industriellen Aquakultur weiter, indem sie eine hohe Produktionseffizienz und einen geringen Flächenverbrauch bieten und gleichzeitig die Beschränkungen der Land- und Wasserressourcen überwinden. Als Landwirtschaftsmodell mit hohem-Input, hohem-Output, hoher-Dichte und hoher-Effizienz steht RAS im Einklang mit Chinas übergeordneten Zielen für eine ökologische Zivilisation und nachhaltige Entwicklungsstrategien.
(2) Ökologische und strategische Bedeutung
Mit seinen intensiven, effizienten, energiesparenden, emissionsreduzierenden und umweltfreundlichen Eigenschaften ist RAS zu einer wichtigen Richtung für die Umgestaltung und Modernisierung der Aquakultur in China hin zu einer kohlenstoffarmen und umweltfreundlichen Entwicklung geworden. RAS wurde mehrere Jahre in Folge vom chinesischen Ministerium für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten als eine der wichtigsten empfohlenen Aquakulturtechnologien aufgeführt.
(3)Aktuelle Entwicklung und Trends
Derzeit hat dieses Modell in China sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie breite Anerkennung gefunden. Der Umfang des Baus neuer Systeme und die gesamte Zuchtkapazität haben in den letzten Jahren stetig zugenommen, was RAS zu einem der wichtigsten zukünftigen Entwicklungstrends der chinesischen Aquakulturindustrie macht.
3.Überblick über Forschung und Industrialisierung von zirkulierenden Aquakultursystemen (RAS)
(1)Internationale Forschung und Industrialisierung
Frühe Forschung und Entwicklung
Das früheste Kreislaufaquakultursystem (RAS) entstand in den 1950er Jahren in Japan. Anschließend begannen viele Länder mit der Erforschung von Wasseraufbereitungs- und Aquakulturtechnologien für RAS. Ursprünglich basierten diese Studien auf kommunalen Abwasserbehandlungsprozessen und Aquariensystemen (mit Kulturdichten von nur 0,16–0,48 kg/m³). Solche Ansätze berücksichtigten jedoch nicht die besonderen Anforderungen der kommerziellen Aquakultur-insbesondere im Hinblick auf Systemkosten, Ressourcenverbrauch, Verhältnis zwischen Kultur- und Reinigungswasservolumen und Systemtragfähigkeit (typischerweise 50–300 kg/m³). Infolgedessen erlitten die Forschungsbemühungen viele Rückschläge, verbrauchten große Mengen an Ressourcen und kamen nur langsam voran.
Erkennung dynamischer Eigenschaften
Frühe Studien übersahen auch ein wichtiges Merkmal von RAS: seine dynamische Natur. Damit das System stabil und gesund bleibt, müssen die Produktions- und Abbauraten der Stoffwechselabfälle der Fische ein dynamisches Gleichgewicht erreichen. Mitte der 1980er Jahre wurden diese dynamischen Veränderungen mit zunehmendem Verständnis von Wasserqualitätsparametern wie pH-Wert, gelöstem Sauerstoff (DO), Gesamtstickstoff (TN), Nitrat (NO₃⁻), biochemischem Sauerstoffbedarf (BSB) und chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) sowie deren Variationsmustern im Aquakulturwasser nach und nach in das Systemdesign integriert. Beispielsweise kann ein Sauerstoffmangel durch Belüftung schnell behoben werden, doch die Reaktion nitrifizierender Bakterien auf steigende Ammoniakkonzentrationen bleibt oft deutlich zurück. Daher wurde eine tiefere Kenntnis der interagierenden begrenzenden Faktoren für einen effektiven Systementwurf und -betrieb immer wichtiger.
Herausforderungen in der frühen Praxis
Viele Praktiker der Aquakultur hatten Erfahrung mit Durchfluss-{0}Intensivsystemen, aber es mangelte ihnen an Kenntnissen über den RAS-Betrieb. Infolgedessen versäumten sie es oft, die Besatzdichte, die Fütterungsmengen, die Fütterungshäufigkeit und das Wasserqualitätsmanagement richtig zu kontrollieren, was zu Ungleichgewichten im Systemwasserfluss und im Materialkreislauf führte und letztendlich zu Betriebsausfällen führte. Dieser Mangel an wissenschaftlichem Verständnis und Managementerfahrung spiegelte sich in der Kulturdichte wider: RAS im Labormaßstab erreichte normalerweise nur 10–42 kg/m³, während RAS im frühen kommerziellen Maßstab nur 6,7–7,9 kg/m³ betrug. Nach mehr als einem halben Jahrhundert technologischer Fortschritte-einschließlich Prozessoptimierung, Belüftung und Sauerstoffanreicherung (z. B. Verwendung von flüssigem Sauerstoff), automatisierter Fütterung und Auswahl geeigneter Arten-haben moderne RAS viele einschränkende Faktoren überwunden und können nun hohe Kulturdichten von 50–300 kg/m³ unterstützen.
Industrielles Wachstum und technologische Innovationen
Da die traditionelle Teichaquakultur aufgrund von Landkonkurrenz und Umweltbelastungen stagnierte, verzeichneten RAS in Europa und Nordamerika zwischen den 1980er und 1990er Jahren ein schnelles Wachstum. Diese industrielle Expansion ging mit technologischen Verbesserungen einher, darunter der Einsatz von unter Druck stehenden und nicht unter Druck stehenden Filtern für große Schwebstoffe, Ozonierung zur Desinfektion und zum Abbau organischer Stoffe sowie die Entwicklung mehrerer biologischer Filter wie Tauchfilter, Tropffilter, Kolbenfilter, rotierende biologische Kontaktoren, Trommelbiofilter und Wirbelschichtreaktoren sowie anaerobe Denitrifikationseinheiten. Mit diesen Fortschritten entwickelte sich RAS allmählich weiter und gelangte in die kommerzielle Anwendung.
Der Fall der Vereinigten Staaten
Die Vereinigten Staaten haben eine führende Position sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten RAS-Forschung behauptet und umfassen Bereiche wie die Ernährung und Physiologie intensiv genutzter Arten, Krankheitsprävention und Wasseraufbereitungstechnologien. Ein wesentliches Merkmal von US RAS ist ihr hoher Automatisierungs- und Mechanisierungsgrad bei der Wasserqualitätskontrolle. Computergestützte Systeme regulieren automatisch den Gehalt an gelöstem Sauerstoff, pH-Wert, Leitfähigkeit, Trübung und Ammoniak sowie Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Lichtintensität. Die USA nutzen ihre fortschrittliche Industriebasis und haben in großem Umfang High-Tech-Ausrüstung für die Sauerstoffanreicherung, biologische Reinigung, Feststoffentfernung, Sortierung und Ernte eingeführt. Beispielsweise umfasst das experimentelle RAS, das vom Center of Marine Biotechnology der University of Maryland entwickelt wurde, anaerobe Behandlungsprozesse, die den von Aquatec-Solutions in Dänemark entwickelten Systemen sehr ähneln.
4. Herausforderungen und Gegenmaßnahmen für die Entwicklung industrialisierter Kreislaufaquakultursysteme (RAS)
(1) Unzureichende Integration von Einrichtungen und Ausrüstung
Obwohl sich Chinas Wasseraufbereitungs-, automatische Fütterungs-, Desinfektions- und Belüftungsgeräte allmählich dem international fortgeschrittenen Niveau angenähert haben, bleibt die Gesamtsystemintegration unzureichend. Der Mangel an Großunternehmen, die in der Lage sind, komplette Sätze von RAS-Geräten herzustellen, hat die Baukosten und die Komplexität erhöht und dadurch die schnelle Weiterentwicklung von Haushaltsgeräten behindert.
(2) Optimierungsbedarf bei Spezialmischfuttermitteln
Derzeit sind Aquafutterformeln in China sehr homogen und es mangelt an Spezialfuttermitteln für RAS und bestimmte Zuchtarten. Dies erhöht die Betriebsbelastung von Wasseraufbereitungssystemen und beeinträchtigt die landwirtschaftliche Leistung. Es ist notwendig, art{2}spezifische RAS-Futtermittel mit ausgewogener Ernährung, geringen Auswaschungsraten und günstigen Futterverwertungsverhältnissen zu entwickeln.
(3) Krankheitsprävention und -bekämpfung erfordern eine höhere Präzision
Eine Landwirtschaft mit hoher{0}}Dichte und-Effizienz erhöht das Risiko von Krankheitsausbrüchen, sobald Systemungleichgewichte auftreten, und Krankheitserreger sind in geschlossenen Systemen schwer zu beseitigen. Die Systemoptimierung sollte verbessert werden, um die Pufferkapazität zu verbessern, während sich die Forschung auf die Fischphysiologie, Stressreaktionen, frühe Krankheitsindikatoren und wirksame Krankheitswarnmechanismen konzentrieren sollte.
(4) Erheblicher Druck beim Energieverbrauch und bei der Kostensenkung
Hohe Bauinvestitionen und ein hoher Energieverbrauch sind unvermeidbare Herausforderungen für RAS. Maßnahmen zur Energieeinsparung sollten sowohl auf Geräte- als auch auf Systemebene umgesetzt werden, einschließlich der Entwicklung von Niedrigenergiefiltern, Geräten zur CO₂-Entfernung, Abwasseraufbereitungstechnologien und Anwendungen für erneuerbare Energien wie Solar-, Wind- und Wasserwärmepumpen.
(5) Mangelnde Standardisierung in Betrieb und Management
Derzeit gibt es in China keine einheitlichen technischen Standards oder Normen für RAS. Infolgedessen variieren Systemdesign, Managementpraktiken und landwirtschaftliche Leistung stark und es kommt häufig zu Betriebsausfällen. Es ist wichtig, einen standardisierten technischen Rahmen für eine gesunde Aquakultur zu schaffen, Prozess- und Managementstandards zu verbessern und Demonstrationsprojekte für eine standardisierte Produktion zu fördern.
(6) Bedarf an verstärkter Grundlagenforschung
Das wissenschaftliche Verständnis mehrerer Aspekte ist nach wie vor unzureichend, darunter der Gesundheitszustand kultivierter Arten unter hohen -Dichten und spezifischen Wasserqualitätsbedingungen, strukturelle Veränderungen des Biofilms während des Systembetriebs, Mechanismen des Nährstoffkreislaufs und optimale Methoden zur Entfernung und harmlosen Behandlung fester Partikel. Diese Lücken behindern die Weiterentwicklung relevanter Technologien und Geräte.
(7) Zukünftige Entwicklungstrends und -chancen
Trotz dieser Herausforderungen bietet RAS erhebliche Vorteile in Bezug auf Produktionseffizienz, Umweltverträglichkeit und Tierschutz. Als grünes, ökologisches, zirkuläres und effizientes Landwirtschaftsmodell passt es zu den globalen Trends hin zu einer kohlenstoffarmen Entwicklung. Mit der Modernisierung der chinesischen Fischerei, der Weiterentwicklung der ökologischen Zivilisation und der Beschleunigung der CO2-Neutralitätsziele wird RAS voraussichtlich in eine neue Phase rasanter Entwicklung eintreten.