Industriellt recirkulerande vattenbrukssystem (RAS), som en framväxande vattenbruksteknik som drivs av nationell anläggningsfiskepolitik, uppnår intensifiering, hög effektivitet och miljömässig hållbarhet inom vattenbruket genom integrering av industriteknisk utrustning och miljökontrollteknik. Desskärnfördelaromfatta:vattenåtervinning sparar över 90 % av vattnet, oberoende av regionala och säsongsmässiga begränsningar, exakt reglering av viktiga miljöfaktorer som vattentemperatur och löst syre, vilket avsevärt förbättrar markens produktivitet och foderomvandlingshastigheter. Det är erkänt som en avgörande riktning för en hållbar utveckling av vattenbruket. Kännetecknas av "höga investeringar, hög densitet och hög produktion", dess utbredda användning begränsas av faktorer som höga initiala investeringar (kostnader för anläggningar och utrustning) och höga tekniska hinder (utsädesacklimatisering och vattenkvalitetshantering).
Mandarinfisk (Siniperca chuatsi), som en hög-värd vattenbruksart i sötvatten, möter utmaningar inom traditionellt jordbruk, såsom frekventa sjukdomar, svårigheter att kontrollera vattenkvaliteten och instabila skördar. För närvarande är de tekniska reserverna för industriell RAS av mandarinfisk otillräckliga, särskilt saknar systematisk praxis inom områden som optimering av odlingsprocesser, dedikerad utrustningsdesign och vattenreningsprocesser. Den här forskningen fokuserar på effektiv återvinning och utnyttjande av vattenresurser, i syfte att konstruera processutrustningssystemet för landbaserat industriellt vattenbruk av mandarinfisk. Genom optimering av låg-avfallsutsläppsanordningar och integrering av utrustningslänkningsteknik genomförs experimentell forskning om nyckelindikatorer som vattenreningseffektivitet och bio-belastningskapacitet. Målet är att utveckla en replikerbar teknisk lösning för att stödja utvecklingen av hög-kvalitet inom Mandarin Fish-odlingsindustrin.
1. Industriellt recirkulerande vattenbruksprocessflöde
Kärnan i ett industriellt RAS är att uppnå dynamisk vattenbalans och återvinning genom en sluten-loopprocess av "fysisk filtrering - biologisk rening - desinfektion och syresättning". "Att föda upp fisk börjar med att höja vatten"; parametrar som vattenflödeshastighet, temperatur, pH, ammoniak-kvävekoncentration och nivån av löst syre påverkar direkt tillväxtmiljön för Mandarin Fish. Denna systemdesign följer principen om "små system, flera enheter". Dess kärnlogik är: snabbare flödeshastigheter kan förbättra systemets bearbetningseffektivitet, minska brytningen av stora partikelavfall, och lägre efterföljande förbrukning av vätskeformigt energiflöde, → vätskeflödessekvensen av förorenande energi; → gas" klassificeras behandling av fast avfall efter "stor partikelstorlek → liten partikelstorlek", och filtrerings- och desinfektionsprocesser kopplas sekventiellt.
Som visas iBild 1, systemflödet är: dränering från odlingstanken genomgår förbehandling för att ta bort stora partikelavfall, går in i grov- och finfiltreringsstadier för att avlägsna fina suspenderade partiklar, passerar sedan genom ett biofilter för att bryta ned skadliga ämnen som ammoniakkväve, och slutligen, efter desinfektion och syresättning, återgår det till återvinningstanken för odlingsvattnet och uppnår kvalitetskontroll av vattnet.
2. Design och forskning om vattenbruksanläggningar och utrustning för mandarinfisk
Traditionell design av vattenbruksanläggningar bygger ofta på erfarenhet, vilket lätt leder till ineffektiv utrustning och kostnadsslöseri. Som visas iFigur 2, denna studie, baserad på principen om massbalans, konstruerar en modell för den maximala bärförmågan för biomassa hos Mandarin Fish. Genom att beräkna den maximala matningshastigheten, totalt avfall och produktion av ammoniakkväve uppnås ett vetenskapligt urval av utrustning. Genom att använda ett Mandarin Fish-odlingsföretag i Jiangxi som fallstudie låg fokus på att optimera avfallsutmatningsanordningen för låg-störning och utrustningskopplingssystemet. Verkstadslayouten visas iFigur 3. Layouten för det land-baserade industriella RAS för mandarinfisk visas iFigur 4.
2.1 Kultur Vattenrecirkulation Parameter Design
Återcirkulationshastigheten är nyckeln till effektiv systemdrift och måste bestämmas heltäckande baserat på mandarinfiskens besättningstäthet, vattenvolym och vattenbehandlingskapacitet.
Formel för beräkning av vattenåtercirkulationsvolym:Q = V × N
Där: Q är vattenåtercirkulationsvolymen (m³/h);
V är odlingsvattenvolymen (m³);
N är antalet återcirkulationer per dag (tider/d).
Culture Tank Design: Enkel tank diameter 6m, höjd 1,2m, kon bottenhöjd 0,3m.
Beräknad volym är π×3²×1.2 + 1/3×π×3²×0,3 ≈ 33,91 m³, den faktiska odlingsvattenvolymen är cirka 30 m³. En verkstad innehåller 10 odlingstankar, total vattenvolym 300 m³.
Driftsparametrar: Återcirkulationshastigheten N är inställd på 3-5 gånger/d; påfyllningsvattencirkulationen är 10 % av den totala vattenvolymen (för att kompensera för förluster av avdunstning och utsläpp), justerad i realtid genom onlineövervakning.
2.2 Utformning av kulturtank och avfallsutmatningsanordning
Som visas iFigur 5, är odlingstanken utformad med målen "snabb avfallsutsläpp och enhetlig vattenfördelning", med hjälp av en cirkulär tankkropp kombinerad med en konbottenstruktur. En "fisktoalett"-enhet är installerad i botten för att uppnå låga-störningsavfallsutsläpp. Fisktoaletten optimerades enligt följande:
- Inlopps-/utloppsrörets diameter standardiserad till 200 mm för att öka flödeshastigheten.
- Täckplattan har en roterande strömlinjeformad design för att förbättra rotationsspolningseffekten på bottensediment och förbättra självrengöringsförmågan.
3. Processdesign och forskning för behandling av fasta partiklar
Fasta partiklar behandlas genom storleksklassificering med hjälp av en tre-process av "förbehandling - grovfiltrering - finfiltrering". Specifika parametrar visas iTabell 1.
3.1 Förbehandlingsprocess
Använder en vertikal flödesavskiljare kopplad till odlingstankens-sidodränering och botten-avloppssystem, med hjälp av gravitationsseparation för att avlägsna partiklar som är större än eller lika med 100 μm. Settlern är direkt ansluten till odlingstanken för att minska rörledningens transportförluster och minska belastningen på efterföljande filtreringssteg.
3.2 Grovfiltreringsprocess
Som visas iBild 6, är grovfiltreringsprocessen centrerad på ett mikrosiltrumfilter. Designprinciper inkluderar: att placera utrustningen nära odlingstankarna för att förkorta rörledningens längd och minska energiförbrukningen.
Använder ett PLC-kontrollsystem för att uppnå automatisk backspolning (4-6 gånger/d), koordinerad med online-övervakning av vattenkvalitet för realtidsparameterjustering.
Använder gravitationsflödesdesign för att minska pumpens energiförbrukning och lägre driftskostnader.
3.3 Finfiltreringsprocess
Som visas iFigur 7, finfiltreringsprocessen renar vattenkvaliteten ytterligare genom den synergistiska effekten av biofiltret och desinfektionsutrustningen.
- Biofilter: Väljer media med hög-specifik-yta-yta, hydraulisk retentionstid 1-2 timmar, bibehåller löst syre Större än eller lika med 5 mg/L, bryter ned ammoniakkväve och nitrit.
- Desinfektionsutrustning: Ultraviolett sterilisator (dos 3-5 × 10⁴ μW·s/cm²) eller ozongenerator (koncentration 0,1-0,3 mg/L, kontakttid 10-15 min) för att döda patogena mikroorganismer.
- Syresystem: Ren oxygenator som används i kombination med luftare för att säkerställa stabila nivåer av löst syre.
4. Rörledningslayout och styrsystem
4.1 Design av rörledningslayout
Rörledningar kategoriseras efter funktion i fyra typer: vattenförsörjning, recirkulation, avfallsutsläpp och tillsatsvatten. Designprinciper: Optimera layout centrerad kring odlingstankar, minska armbågarna och rörledningens längd för att minimera huvudförlusten; säkerställa balanserat in- och utflöde för att upprätthålla stabila vattennivåer i odlingstankar; avloppsrör har en lutning (större än eller lika med 3 %) för att underlätta själv-insamling av avfall.
4.2 Utformning av styrsystem
Systemet använder en sluten-slinga-arkitektur av "Sensorer - Controller - Actuators" som visas iBild 8. Kärnfunktioner inkluderar:
- Övervakning av vattenkvalitet i realtid-: Online datainsamling via sensorer för löst syre, pH och ammoniakkväve.
- Styrning av utrustningslänkar: Automatisk justering av mikroskärmsbackspolning, oxygenatoreffekt och desinfektionsutrustningens gångtid baserat på vattenkvalitetsparametrar.
- Fel varning: Hörbara och visuella larm som utlöses av onormala parametrar, skjuts till ledningsterminaler via Ethernet eller trådlös kommunikation.
5. Analys av data för test av utrustningsprestanda
Som visas iBild 9, genomfördes en sex-månaders försöksverksamhet på en Mandarin Fish-odlingsbas i Jiangxi. Systemet upplevde inga avvikelser i vattenbehandlingen och systemet för övervakning och tidig varning fungerade stabilt.
Inga avvikelser i vattenbehandlingen hittades under appliceringen, övervakningen, tidig varning och kontrollsystemet fungerade stabilt. Luftning i odlingstankarna användes i kombination med kontroll av löst syre under odlingsprocessen. Prestandautvärderingen av huvudutrustningen visas iTabell 2.
Under försöket nådde besättningstätheten 50-60 fisk/m³, överlevnadsgrad Större än eller lika med 90 %, tillväxttakten ökade med 20 % jämfört med traditionellt jordbruk, och vattenåtervinningsgraden nådde 92 %, vilket uppnådde målen för energibesparing och utsläppsminskning.
6. Sammanfattning
Det landbaserade-industriella RAS för mandarinfisk uppnår vattenbruksmålen "vattenbesparing, hög effektivitet och miljöskydd" genom integrering av ingenjörskonst, anläggningsbaserad-och digital-intelligent teknik. Innovationerna i denna forskning ligger i: att optimera val av utrustning baserat på modellen för bärkraft för biomassa för att förbättra systemmatchningen; förbättra avfallsutmatningsanordningen för låg-störning för att förbättra effektiviteten i avfallsborttagningen; konstruera ett kontrollsystem för utrustningslänkar för att uppnå exakt reglering av vattenkvaliteten.
Detta system kan främjas och tillämpas på annan sötvattensfiskodling, vilket ger en teknisk referens för intensifiering av omvandlingen av vattenbruk. Framtida arbete behöver för att ytterligare minska utrustningskostnaderna och optimera sensorprestanda för att öka teknikens penetrationshastighet.