Sistema di acquacoltura industriale a ricircolo (RAS), in quanto tecnologia emergente dell'acquacoltura guidata dalle politiche nazionali sulla pesca, raggiunge l'intensificazione, l'elevata efficienza e la sostenibilità ambientale nell'acquacoltura attraverso l'integrazione di attrezzature di ingegneria industriale e tecnologie di controllo ambientale. Suovantaggi fondamentaliincludere:riciclo dell'acqua: risparmio di oltre il 90% dell'acqua, indipendenza dai vincoli regionali e stagionali, regolazione precisa di fattori ambientali chiave come la temperatura dell'acqua e l'ossigeno disciolto, miglioramento significativo della produttività del terreno e dei tassi di conversione dei mangimi. È riconosciuta come una direzione cruciale per lo sviluppo sostenibile dell’acquacoltura. Caratterizzata da “alti investimenti, alta densità e alto rendimento”, la sua adozione diffusa è limitata da fattori quali elevati investimenti iniziali (costi di strutture e attrezzature) ed elevate barriere tecniche (acclimatazione dei semi e gestione della qualità dell’acqua).
Pesce mandarino (Siniperca chuatsi), in quanto specie di acquacoltura d'acqua dolce-di alto valore, deve affrontare sfide nell'agricoltura tradizionale come malattie frequenti, difficoltà nel controllo della qualità dell'acqua e rese instabili. Attualmente, le riserve tecniche per il RAS industriale del pesce mandarino rimangono insufficienti, soprattutto in mancanza di una pratica sistematica in aree come l’ottimizzazione dei processi agricoli, la progettazione di attrezzature dedicate e i processi di purificazione dell’acqua. Questa ricerca si concentra sul riciclaggio e sull'utilizzo efficienti delle risorse idriche, con l'obiettivo di costruire il sistema di apparecchiature di processo per l'acquacoltura industriale terrestre-del pesce mandarino. Attraverso l'ottimizzazione di dispositivi di scarico dei rifiuti a basso-disturbo e l'integrazione della tecnologia di collegamento delle apparecchiature, viene condotta una ricerca sperimentale su indicatori chiave come l'efficienza della purificazione dell'acqua e la capacità di carico biologico-. L'obiettivo è sviluppare una soluzione tecnica replicabile per supportare lo sviluppo di alta-qualità del settore dell'allevamento del pesce mandarino.
1. Flusso del processo di acquacoltura a ricircolo industriale
Il fulcro di un RAS industriale è il raggiungimento di un bilancio idrico dinamico e il riciclaggio attraverso un processo a ciclo chiuso-di "filtrazione fisica - purificazione biologica - disinfezione e ossigenazione". "L'allevamento dei pesci inizia con il sollevamento dell'acqua"; parametri come la velocità del flusso dell'acqua, la temperatura, il pH, la concentrazione di azoto ammoniacale e il livello di ossigeno disciolto influiscono direttamente sull'ambiente di crescita dei pesci mandarino. La progettazione di questo sistema segue il principio di "piccoli sistemi, unità multiple". La sua logica fondamentale è: portate più veloci possono migliorare l'efficienza di elaborazione del sistema, ridurre la rottura di rifiuti particolati di grandi dimensioni e ridurre il successivo consumo energetico di elaborazione; la rimozione degli inquinanti segue la sequenza "solido → liquido → gas", il trattamento dei rifiuti solidi è classificato in base a "dimensione delle particelle grandi → dimensioni delle particelle piccole" e i processi di filtrazione e disinfezione sono collegati in sequenza.
Come mostrato inFigura 1, il flusso del sistema è il seguente: il drenaggio dalla vasca di coltura viene sottoposto a pretrattamento per rimuovere i rifiuti particolati di grandi dimensioni, entra nelle fasi di filtrazione grossolana e fine per rimuovere i solidi sospesi fini, quindi passa attraverso un biofiltro per degradare sostanze nocive come l'azoto ammoniacale e infine, dopo la disinfezione e l'ossigenazione, ritorna alla vasca di coltura, ottenendo una qualità dell'acqua controllata e il riciclaggio dell'acqua durante tutto il processo.
2. Progettazione e ricerca su strutture e attrezzature per l'acquacoltura del pesce mandarino
La progettazione tradizionale degli impianti di acquacoltura spesso si basa sull’esperienza, il che porta facilmente ad attrezzature inefficienti e sprechi di costi. Come mostrato inFigura 2, questo studio, basato sul principio del bilancio di massa, costruisce un modello per la massima capacità di trasporto della biomassa del pesce mandarino. Calcolando la velocità massima di alimentazione, i rifiuti totali e la produzione di azoto ammoniacale, si ottiene la selezione dell'attrezzatura scientifica. Utilizzando come caso di studio un'azienda di allevamento di pesci mandarini nello Jiangxi, l'attenzione si è concentrata sull'ottimizzazione del dispositivo di scarico dei rifiuti a basso-disturbo e del sistema di collegamento delle apparecchiature. Il layout dell'officina è mostrato inFigura 3. È mostrato il layout del RAS industriale a terra-per il pesce mandarinoFigura 4.
2.1 Progettazione dei parametri di ricircolo dell'acqua di coltura
La velocità di ricircolo è fondamentale per un funzionamento efficiente del sistema e deve essere determinata in modo completo in base alla densità di allevamento del pesce mandarino, al volume dell’acqua e alla capacità di trattamento dell’acqua.
Formula per il calcolo del volume dell'acqua di ricircolo:Q = V × N
Dove: Q è il volume dell'acqua di ricircolo (m³/h);
V è il volume dell'acqua di coltura (m³);
N è il numero di ricircoli al giorno (volte/giorno).
Design del serbatoio di coltura: diametro del serbatoio singolo 6 m, altezza 1,2 m, altezza fondo cono 0,3 m.
Il volume calcolato è π×3²×1.2 + 1/3×π×3²×0,3 ≈ 33,91 m³, il volume effettivo dell'acqua di coltura è di circa 30 m³. Un singolo laboratorio contiene 10 vasche di coltura, volume totale dell'acqua 300 m³.
Parametri operativi: la velocità di ricircolo N è impostata su 3-5 volte/giorno; La circolazione dell'acqua di reintegro rappresenta il 10% del volume totale dell'acqua (per compensare l'evaporazione e le perdite di scarico), regolata in tempo reale attraverso il monitoraggio online.
2.2 Progettazione del serbatoio di coltura e del dispositivo di scarico dei rifiuti
Come mostrato inFigura 5, la vasca di coltura è progettata con gli obiettivi di "scarico rapido dei rifiuti e distribuzione uniforme dell'acqua", utilizzando un corpo vasca circolare combinato con una struttura a fondo conico. Nella parte inferiore è installato un dispositivo "WC per pesci" per ottenere uno scarico dei rifiuti a basso-disturbo. La toilette per pesci è stata ottimizzata come segue:
- Diametro del tubo di ingresso/uscita standardizzato a 200 mm per aumentare la velocità del flusso.
- La piastra di copertura adotta un design aerodinamico rotante per migliorare l'effetto di lavaggio rotazionale sui sedimenti del fondo e migliorare la capacità auto-pulente.
3. Progettazione e ricerca del processo di trattamento del particolato solido
Le particelle solide vengono trattate in base alla classificazione dimensionale utilizzando un processo in tre- fasi di "pretrattamento - filtrazione grossolana - filtrazione fine". I parametri specifici sono mostrati inTabella 1.
3.1 Processo di pretrattamento
Utilizza un sedimentatore a flusso verticale collegato ai sistemi di scarico laterale-e inferiore-del serbatoio di coltura, utilizzando la separazione per gravità per rimuovere le particelle maggiori o uguali a 100μm. Il sedimentatore è direttamente collegato alla vasca di coltura per ridurre le perdite di trasporto nella tubazione e diminuire il carico nelle successive fasi di filtrazione.
3.2 Processo di filtrazione grossolana
Come mostrato inFigura 6, il processo di filtrazione grossolana è incentrato su un filtro a tamburo a microschermo. I principi di progettazione includono: posizionare l'attrezzatura vicino ai serbatoi di coltura per accorciare la lunghezza della tubazione e ridurre il consumo di energia.
Utilizzo di un sistema di controllo PLC per ottenere il controlavaggio automatico (4-6 volte al giorno), coordinato con il monitoraggio online della qualità dell'acqua per la regolazione dei parametri in tempo reale.
Utilizzo del design del flusso per gravità per ridurre il consumo energetico della pompa e abbassare i costi operativi.
3.3 Processo di filtrazione fine
Come mostrato inFigura 7, il processo di filtrazione fine purifica ulteriormente la qualità dell'acqua attraverso l'azione sinergica del biofiltro e delle apparecchiature di disinfezione.
- Biofiltro: Seleziona mezzi ad alta-specifica-superficiale-, tempo di ritenzione idraulica 1-2 ore, mantiene l'ossigeno disciolto maggiore o uguale a 5 mg/l, degrada l'azoto ammoniacale e il nitrito.
- Attrezzature per la disinfezione: Sterilizzatore ultravioletto (dose 3-5 × 10⁴ μW·s/cm²) o generatore di ozono (concentrazione 0,1-0,3 mg/L, tempo di contatto 10-15 min) per uccidere i microrganismi patogeni.
- Sistema di ossigenazione: Ossigenatore a ossigeno puro utilizzato insieme agli aeratori per garantire livelli stabili di ossigeno disciolto.
4. Sistema di disposizione e controllo della pipeline
4.1 Progettazione del layout della pipeline
Le condotte sono classificate in base alla funzione in quattro tipi: approvvigionamento idrico, ricircolo, scarico dei rifiuti e acqua di reintegro. Principi di progettazione: ottimizzare il layout incentrato sui serbatoi di coltura, ridurre i gomiti e la lunghezza della tubazione per ridurre al minimo le perdite di carico; garantire un afflusso e un deflusso equilibrati per mantenere stabili i livelli dell'acqua nelle vasche di coltura; i tubi di scarico dei rifiuti hanno una pendenza (maggiore o uguale al 3%) per facilitare la raccolta del flusso automatico dei rifiuti.
4.2 Progettazione del sistema di controllo
Il sistema adotta un'architettura a circuito chiuso- di "Sensori - Controller - Attuatori" come mostrato inFigura 8. Le funzioni principali includono:
- Monitoraggio della qualità dell'acqua in tempo reale-: Raccolta dati online tramite sensori di ossigeno disciolto, pH e azoto ammoniacale.
- Controllo del collegamento dell'attrezzatura: Regolazione automatica del controlavaggio del microschermo, della potenza dell'ossigenatore e del tempo di funzionamento dell'attrezzatura di disinfezione in base ai parametri di qualità dell'acqua.
- Colpa avvertimento: Allarmi acustici e visivi attivati da parametri anomali, inviati ai terminali di gestione tramite comunicazione Ethernet o wireless.
5. Analisi dei dati dei test sulle prestazioni delle apparecchiature
Come mostrato inFigura 9, è stata condotta un'operazione di prova di sei- mesi presso una base di allevamento di pesci mandarini nello Jiangxi. Il sistema non ha riscontrato anomalie nel trattamento dell'acqua e il sistema di monitoraggio e allarme rapido ha funzionato stabilmente.
Non sono state riscontrate anomalie nel trattamento dell'acqua durante l'applicazione, il sistema di monitoraggio, allarme rapido e controllo ha funzionato stabilmente. L'aerazione nelle vasche di coltura è stata utilizzata in combinazione con il controllo dell'ossigeno disciolto durante il processo agricolo. La valutazione delle prestazioni delle apparecchiature principali è mostrata inTabella 2.
Durante la prova, la densità di allevamento ha raggiunto 50-60 pesci/m³, un tasso di sopravvivenza maggiore o uguale al 90%, un tasso di crescita aumentato del 20% rispetto all’allevamento tradizionale e un tasso di riciclaggio dell’acqua raggiunto il 92%, raggiungendo gli obiettivi di risparmio energetico e riduzione delle emissioni.
6. Riepilogo
Il RAS industriale terrestre-per Mandarin Fish raggiunge gli obiettivi dell'acquacoltura di "risparmio idrico, alta efficienza e protezione ambientale" attraverso l'integrazione di tecnologie ingegneristiche, basate sulle strutture e digitali-intelligenti. Le innovazioni di questa ricerca risiedono nell'ottimizzazione della selezione delle attrezzature in base al modello della capacità di carico della biomassa per migliorare l'adattamento del sistema; miglioramento del dispositivo di scarico dei rifiuti a basso-disturbo per migliorare l'efficienza della rimozione dei rifiuti; costruire un sistema di controllo del collegamento delle apparecchiature per ottenere una regolazione precisa della qualità dell'acqua.
Questo sistema può essere promosso e applicato ad altri allevamenti ittici d’acqua dolce, fornendo un riferimento tecnico per l’intensificazione della trasformazione dell’acquacoltura. Il lavoro futuro dovrà ridurre ulteriormente i costi delle apparecchiature e ottimizzare le prestazioni dei sensori per aumentare il tasso di penetrazione della tecnologia.