Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn công nghiệp (RAS), là một công nghệ nuôi trồng thủy sản mới nổi được thúc đẩy bởi các chính sách thủy sản của cơ sở quốc gia, đạt được sự thâm canh, hiệu quả cao và bền vững về môi trường trong nuôi trồng thủy sản thông qua việc tích hợp các thiết bị kỹ thuật công nghiệp và công nghệ kiểm soát môi trường. Của nólợi thế cốt lõibao gồm:tái chế nước tiết kiệm hơn 90% lượng nước, không phụ thuộc vào các hạn chế theo khu vực và theo mùa, điều chỉnh chính xác các yếu tố môi trường quan trọng như nhiệt độ nước và oxy hòa tan, cải thiện đáng kể năng suất đất và tỷ lệ chuyển đổi thức ăn. Đây được coi là hướng đi quan trọng cho sự phát triển bền vững của nuôi trồng thủy sản. Được đặc trưng bởi "đầu tư cao, mật độ cao và sản lượng cao", việc áp dụng rộng rãi nó bị hạn chế bởi các yếu tố như đầu tư ban đầu cao (chi phí cơ sở vật chất và thiết bị) và rào cản kỹ thuật cao (thích nghi hạt giống và quản lý chất lượng nước).
Cá quýt (Siniperca chuatsi), là loài nuôi trồng thủy sản nước ngọt có giá trị-cao, phải đối mặt với những thách thức trong canh tác truyền thống như bệnh thường xuyên xảy ra, khó kiểm soát chất lượng nước và năng suất không ổn định. Hiện tại, dự trữ kỹ thuật cho RAS công nghiệp của cá Mandarin vẫn chưa đủ, đặc biệt là thiếu thực hành có hệ thống trong các lĩnh vực như tối ưu hóa quy trình nuôi, thiết kế thiết bị chuyên dụng và quy trình lọc nước. Nghiên cứu này tập trung vào việc tái chế và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước nhằm xây dựng hệ thống thiết bị xử lý cho nuôi trồng thủy sản công nghiệp trên đất liền-của cá Mandarin. Thông qua việc tối ưu hóa các thiết bị xả chất thải-có độ nhiễu thấp và tích hợp công nghệ liên kết thiết bị, nghiên cứu thử nghiệm về các chỉ số chính như hiệu suất lọc nước và khả năng-tải trọng sinh học được tiến hành. Mục tiêu là phát triển giải pháp kỹ thuật có thể nhân rộng để hỗ trợ sự phát triển-chất lượng cao của ngành nuôi cá Mandarin.
1. Quy trình nuôi trồng thủy sản tuần hoàn công nghiệp
Cốt lõi của RAS công nghiệp là đạt được sự cân bằng và tái chế nước động thông qua một-quy trình khép kín của "lọc vật lý - thanh lọc sinh học - khử trùng và oxy hóa". "Nuôi cá bắt đầu từ việc nuôi nước"; các thông số như tốc độ dòng nước, nhiệt độ, độ pH, nồng độ nitơ amoniac và mức oxy hòa tan ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường phát triển của cá Mandarin. Thiết kế hệ thống này tuân theo nguyên tắc "hệ thống nhỏ, nhiều đơn vị". Logic cốt lõi của nó là: tốc độ dòng chảy nhanh hơn có thể cải thiện hiệu quả xử lý hệ thống, giảm sự phân hủy của chất thải hạt lớn và giảm mức tiêu thụ năng lượng xử lý tiếp theo; việc loại bỏ chất ô nhiễm tuân theo trình tự "rắn → lỏng → khí", xử lý chất thải rắn được phân loại theo "kích thước hạt lớn → kích thước hạt nhỏ" và các quá trình lọc và khử trùng được kết nối tuần tự.
Như thể hiện trongHình 1, quy trình của hệ thống là: hệ thống thoát nước từ bể nuôi trải qua quá trình tiền xử lý để loại bỏ chất thải hạt lớn, đi vào giai đoạn lọc thô và mịn để loại bỏ chất rắn lơ lửng mịn, sau đó đi qua bộ lọc sinh học để phân hủy các chất có hại như nitơ amoniac và cuối cùng, sau khi khử trùng và oxy hóa, quay trở lại bể nuôi, đạt được chất lượng nước được kiểm soát và tái chế nước trong suốt quá trình.
2. Thiết kế và nghiên cứu cơ sở vật chất và thiết bị nuôi cá Mandarin
Thiết kế cơ sở nuôi trồng thủy sản truyền thống thường dựa vào kinh nghiệm, dễ dẫn đến thiết bị kém hiệu quả và lãng phí chi phí. Như thể hiện trongHình 2, nghiên cứu này dựa trên nguyên tắc cân bằng khối lượng, xây dựng mô hình về khả năng mang sinh khối tối đa của cá Mandarin. Bằng cách tính toán tỷ lệ cho ăn tối đa, tổng chất thải và sản lượng nitơ amoniac, việc lựa chọn thiết bị khoa học sẽ đạt được. Lấy một doanh nghiệp nuôi cá Mandarin ở Giang Tây làm nghiên cứu điển hình, trọng tâm là tối ưu hóa thiết bị xả chất thải-có độ nhiễu thấp và hệ thống liên kết thiết bị. Sơ đồ nhà xưởng được thể hiện trongHình 3. Bố cục của RAS công nghiệp trên đất liền{1}}cho Mandarin Fish được thể hiện trongHình 4.
2.1 Thiết kế thông số tuần hoàn nước nuôi cấy
Tốc độ tuần hoàn là chìa khóa để vận hành hệ thống hiệu quả và cần được xác định một cách toàn diện dựa trên mật độ thả cá Mandarin, lượng nước và khả năng xử lý nước.
Công thức tính lượng nước tuần hoàn:Q = V × N
Trong đó: Q là lưu lượng nước tuần hoàn (m³/h);
V là thể tích nước nuôi (m³);
N là số lần tuần hoàn trong ngày (lần/d).
Thiết kế bể nuôi: Bể đơn đường kính 6m, cao 1,2m, đáy côn cao 0,3m.
Thể tích tính toán là π×32×1.2 + 1/3×π×3²×0,3 ≈ 33,91 m³, thể tích nước nuôi thực tế khoảng 30 m³. Một xưởng có 10 bể nuôi, tổng thể tích nước 300 m³.
Thông số vận hành: Tốc độ tuần hoàn N được đặt ở mức 3-5 lần/d; Tuần hoàn nước bổ sung là 10% tổng lượng nước (để bù đắp cho sự bay hơi và thất thoát khi xả), được điều chỉnh theo thời gian thực thông qua giám sát trực tuyến.
2.2 Thiết kế bể nuôi cấy và thiết bị xả chất thải
Như thể hiện trongHình 5, bể nuôi được thiết kế với mục tiêu “xả chất thải nhanh và phân phối nước đồng đều” sử dụng thân bể hình tròn kết hợp với cấu trúc đáy hình nón. Một thiết bị "Nhà vệ sinh cá" được lắp đặt ở phía dưới để đạt được hiệu suất xả chất thải thấp{1}}. Nhà vệ sinh cá được tối ưu hóa như sau:
- Đường kính ống vào/ra được chuẩn hóa thành 200mm để tăng tốc độ dòng chảy.
- Tấm che sử dụng thiết kế xoay hợp lý để nâng cao hiệu ứng xả xoay trên cặn lắng ở đáy và cải thiện khả năng tự làm sạch.
3. Nghiên cứu và thiết kế quy trình xử lý hạt rắn
Các hạt rắn được xử lý theo phân loại kích thước bằng cách sử dụng quy trình ba-giai đoạn "tiền xử lý - lọc thô - lọc mịn". Thông số cụ thể được thể hiện ởBảng 1.
3.1 Quy trình tiền xử lý
Sử dụng thiết bị lắng dòng thẳng đứng được liên kết với hệ thống thoát nước-bên và đáy{1}}của bể nuôi cấy, sử dụng phương pháp tách trọng lực để loại bỏ các hạt Lớn hơn hoặc bằng 100μm. Bể lắng được kết nối trực tiếp với bể nuôi để giảm tổn thất vận chuyển qua đường ống và giảm tải cho các giai đoạn lọc tiếp theo.
3.2 Quá trình lọc thô
Như thể hiện trongHình 6, quá trình lọc thô tập trung vào bộ lọc trống vi màn hình. Nguyên tắc thiết kế bao gồm: bố trí thiết bị gần bể nuôi nhằm rút ngắn chiều dài đường ống và giảm tiêu hao năng lượng.
Sử dụng hệ thống điều khiển PLC để thực hiện rửa ngược tự động (4-6 lần/ngày), phối hợp với giám sát chất lượng nước trực tuyến để điều chỉnh thông số theo thời gian thực.
Sử dụng thiết kế dòng chảy trọng lực để giảm mức tiêu thụ điện năng của máy bơm và giảm chi phí vận hành.
3.3 Quá trình lọc tinh
Như thể hiện trongHình 7, quy trình lọc tinh giúp làm sạch hơn nữa chất lượng nước thông qua hoạt động phối hợp của bộ lọc sinh học và thiết bị khử trùng.
- Lọc sinh học: Chọn vật liệu có diện tích bề mặt-dụ riêng--cao, thời gian lưu thủy lực 1-2 giờ, duy trì lượng oxy hòa tan Lớn hơn hoặc bằng 5 mg/L, phân hủy nitơ amoniac và nitrit.
- Thiết bị khử trùng: Máy khử trùng bằng tia cực tím (liều 3-5 × 10⁴ μW·s/cm²) hoặc máy tạo ozone (nồng độ 0,1-0,3 mg/L, thời gian tiếp xúc 10-15 phút) để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh.
- Hệ thống oxy hóa: Máy tạo oxy oxy tinh khiết được sử dụng kết hợp với máy sục khí để đảm bảo lượng oxy hòa tan ổn định.
4. Hệ thống điều khiển và bố trí đường ống
4.1 Thiết kế bố trí đường ống
Đường ống được phân loại theo chức năng thành bốn loại: cấp nước, tuần hoàn, xả chất thải và nước bổ sung. Nguyên tắc thiết kế: Tối ưu hóa cách bố trí tập trung xung quanh bể nuôi, giảm khuỷu tay và chiều dài đường ống để giảm thiểu tổn thất đầu; đảm bảo cân bằng dòng nước vào và ra để duy trì mực nước ổn định trong bể nuôi; Ống xả chất thải có độ dốc ( Lớn hơn hoặc bằng 3%) để tạo điều kiện thuận lợi cho việc-tự thu gom chất thải.
4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển
Hệ thống sử dụng cấu trúc-vòng kín của "Bộ cảm biến - Bộ điều khiển - Bộ truyền động" như minh họa trongHình 8. Các chức năng cốt lõi bao gồm:
- Giám sát chất lượng nước theo thời gian thực: Thu thập dữ liệu trực tuyến thông qua cảm biến oxy hòa tan, pH và nitơ amoniac.
- Kiểm soát liên kết thiết bị: Tự động điều chỉnh thời gian rửa ngược màn hình vi mô, công suất máy tạo oxy và thời gian chạy thiết bị khử trùng dựa trên các thông số chất lượng nước.
- Lỗi cảnh báo: Cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh được kích hoạt bởi các thông số bất thường, được gửi đến các thiết bị đầu cuối quản lý thông qua Ethernet hoặc giao tiếp không dây.
5. Phân tích dữ liệu kiểm tra hiệu suất thiết bị
Như thể hiện trongHình 9, một hoạt động thử nghiệm kéo dài sáu{0}}tháng đã được tiến hành tại cơ sở nuôi cá Mandarin ở Giang Tây. Hệ thống không có bất thường về xử lý nước, hệ thống giám sát, cảnh báo sớm hoạt động ổn định.
Trong quá trình sử dụng không phát hiện bất thường về xử lý nước, hệ thống giám sát, cảnh báo sớm và điều khiển hoạt động ổn định. Sục khí trong bể nuôi được sử dụng kết hợp với kiểm soát oxy hòa tan trong quá trình nuôi. Việc đánh giá hiệu suất của thiết bị chính được thể hiện trongBảng 2.
Trong quá trình thử nghiệm, mật độ thả nuôi đạt 50-60 con/m³, tỷ lệ sống Lớn hơn hoặc bằng 90%, tốc độ tăng trưởng tăng 20% so với nuôi truyền thống và tỷ lệ tái chế nước đạt 92%, đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.
6. Tóm tắt
RAS công nghiệp-trên đất liền dành cho Mandarin Fish đạt được các mục tiêu nuôi trồng thủy sản là "tiết kiệm nước, hiệu quả cao và bảo vệ môi trường" thông qua việc tích hợp các công nghệ kỹ thuật, cơ sở-và kỹ thuật số-thông minh. Điểm đổi mới của nghiên cứu này nằm ở chỗ: tối ưu hóa việc lựa chọn thiết bị dựa trên mô hình khả năng vận chuyển sinh khối để cải thiện khả năng kết hợp hệ thống; cải tiến thiết bị xả chất thải-có độ nhiễu thấp để nâng cao hiệu quả loại bỏ chất thải; xây dựng hệ thống điều khiển liên kết thiết bị để đạt được quy định chất lượng nước chính xác.
Hệ thống này có thể được thúc đẩy và áp dụng cho các hoạt động nuôi cá nước ngọt khác, cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật cho việc chuyển đổi nuôi trồng thủy sản thâm canh. Công việc trong tương lai cần giảm hơn nữa chi phí thiết bị và tối ưu hóa hiệu suất cảm biến để tăng tỷ lệ thâm nhập công nghệ.