1.Tổng quan về hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)
(1) Đặc điểm của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) là một mô hình nuôi trồng thủy sản mới được phát triển trên cơ sở nuôi trồng thủy sản thâm canh, đặc trưng bởi sự tuần hoàn và tái sử dụng nước nuôi. Ngoài những lợi thế của nuôi trồng thủy sản thâm canh thông thường, RAS còn mang lại những lợi ích đáng kể trong việc xử lý nước thải, giảm lượng nước tiêu thụ và giảm thiểu xả nước thải. Thông qua thiết kế tối ưu hóa hệ thống cấp nước và vận hành phối hợp nhiều cơ sở và thiết bị, RAS cho phép tái chế lặp đi lặp lại toàn bộ lượng nước nuôi. So với nuôi trồng thủy sản thâm canh truyền thống, chúng vượt trội hơn về hiệu quả năng lượng trong việc kiểm soát nhiệt độ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cũng như phòng ngừa và kiểm soát dịch bệnh.
RAS yêu cầu sử dụng tích hợp một bộ cơ sở xử lý và lọc nước toàn diện. Thiết kế quy trình của họ liên quan đến việc áp dụng nhiều ngành và công nghệ công nghiệp, bao gồm cơ học chất lỏng, sinh học, cơ khí, điện tử, hóa học và công nghệ thông tin tự động hóa. RAS được thiết kế tốt-có thể kiểm soát hoàn toàn các thông số chất lượng nước như nhiệt độ, oxy hòa tan và chất dinh dưỡng và trong mọi trường hợp, hơn 90% lượng nước của hệ thống có thể được tái sử dụng thông qua tuần hoàn.
(2)Bản chất và ưu điểm của RAS
Bản chất của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) nằm ở việc hỗ trợ và tối ưu hóa sản xuất nuôi trồng thủy sản thông qua các phương pháp công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Bằng cách cho phép-điều chỉnh toàn bộ quá trình của môi trường nước, RAS có thể khắc phục một phần các hạn chế bên ngoài như nhiệt độ, lượng nước sẵn có và không gian, từ đó đạt được sản xuất liên tục-nhiều đợt, quanh năm. Điều này cho phép-nông nghiệp trái mùa và gia nhập thị trường so le, mang lại cho nhà sản xuất lợi thế cạnh tranh và lợi nhuận kinh tế cao hơn.
(3) Hiệu quả sản xuất và sử dụng tài nguyên
Hiệu suất sản xuất tuyệt vời của RAS gắn liền với các đặc tính tiết kiệm tài nguyên và có khả năng kiểm soát cao-. Trên cơ sở trên một-đơn vị-nước, sản lượng thủy sản trong RAS cao hơn 3–5 lần so với sản lượng của dòng chảy truyền thống-thông qua nuôi trồng thủy sản thâm canh và cao hơn 8–10 lần so với nuôi trồng thủy sản trong ao, trong khi tỷ lệ sống tăng hơn 10%. Hơn nữa, việc sử dụng thuốc thú y và hóa chất giảm gần 60%. Những cải tiến toàn diện về các chỉ số hoạt động này đảm bảo cả lợi ích kinh tế và sinh thái của RAS.
(4) Tích hợp hệ thống và xử lý nước
Trong RAS, nước nuôi trải qua một loạt các phương pháp xử lý, bao gồm lọc vật lý, lọc sinh học, khử trùng và khử trùng, khử khí và oxy hóa, cho phép tái sử dụng toàn bộ hoặc một phần nước. Đồng thời, việc tối ưu hóa môi trường nuôi có thể được tích hợp với các thiết bị tự động như máy cho ăn tự động, cho phép tự động hóa ở mức độ nào đó và quản lý thông minh.
(5) Nền tảng công nghệ và các tính năng chính
RAS tích hợp các công nghệ tiên tiến từ kỹ thuật thủy sản, thiết bị cơ khí, vật liệu-thân thiện với môi trường mới, quy định vi sinh thái và quản lý kỹ thuật số. Nhờ môi trường sản xuất được kiểm soát hoàn toàn và ít bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bên ngoài, RAS thể hiện những lợi thế đáng kể bao gồm bảo tồn nước và đất, giảm nhu cầu năng lượng để điều chỉnh nhiệt độ, điều kiện nuôi ổn định, tốc độ tăng trưởng nhanh, mật độ thả giống cao và sản xuất các sản phẩm-thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm-. Vì vậy, RAS được coi là “mô hình nuôi trồng thủy sản và hướng đầu tư hứa hẹn nhất của thế kỷ 21”.
(6) Phát triển và ứng dụng ở Trung Quốc
Cho đến nay, hơn 900-RAS quy mô lớn đã được thiết kế và xây dựng ở Trung Quốc, trải rộng khắp các tỉnh ven biển lớn cũng như các vùng nội địa, thậm chí kéo dài đến cả Tân Cương. Các hệ thống này, bao gồm cả ứng dụng hàng hải và nước ngọt, đã được thương mại hóa thành công, đáp ứng các mục tiêu sản xuất dự kiến và thể hiện hiệu suất vận hành xuất sắc. Thực tiễn sản xuất xác nhận rằng RAS không chỉ mang lại năng suất vượt trội và lợi thế về môi trường mà còn đạt được chi phí sản xuất trên mỗi đơn vị năng suất thấp hơn đáng kể so với các mô hình nuôi trồng thủy sản khác.
2. Các quy trình và công nghệ chính của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) sử dụng rộng rãi các thiết bị và công nghệ kỹ thuật công nghiệp. Thông thường, chúng bao gồm các đơn vị xử lý và cơ sở để loại bỏ hạt rắn; loại bỏ các hạt lơ lửng và chất hữu cơ hòa tan; loại bỏ các muối vô cơ hòa tan độc hại và có hại như amoniac và nitrit; kiểm soát mầm bệnh; loại bỏ carbon dioxide khỏi quá trình trao đổi chất của sinh vật và vi sinh vật nuôi cấy; bổ sung oxy; và điều chỉnh nhiệt độ. Các quy trình kỹ thuật liên quan bao gồm cách nhiệt và kiểm soát nhiệt độ, loại bỏ hạt rắn, loại bỏ nitơ vô cơ hòa tan và phốt pho, khử trùng và khử trùng, cũng như oxy hóa.
(1) Đặc điểm sản xuất công nghiệp hóa và chuyên sâu
RAS nâng cao hơn nữa các đặc tính thâm canh của nuôi trồng thủy sản công nghiệp, mang lại hiệu quả sản xuất cao và chiếm diện tích đất nhỏ, đồng thời khắc phục những hạn chế về tài nguyên đất và nước. Là mô hình canh tác-đầu vào cao, đầu ra{2}}cao, mật độ-cao và-hiệu quả cao, RAS phù hợp với các mục tiêu tổng quát của Trung Quốc về nền văn minh sinh thái và chiến lược phát triển bền vững.
(2) Ý nghĩa sinh thái và chiến lược
Với các tính năng chuyên sâu, hiệu quả,-tiết kiệm năng lượng, giảm-khí thải và thân thiện với môi trường, RAS đã trở thành một hướng quan trọng để chuyển đổi và nâng cấp ngành nuôi trồng thủy sản ở Trung Quốc theo hướng phát triển xanh và-cacbon thấp. Trong nhiều năm liên tiếp, RAS đã được Bộ Nông nghiệp và Nông thôn Trung Quốc liệt kê là công nghệ nuôi trồng thủy sản được khuyến nghị chính.
(3) Xu hướng và sự phát triển hiện tại
Hiện tại, mô hình này đã nhận được sự công nhận rộng rãi từ cả giới học thuật và ngành công nghiệp ở Trung Quốc. Quy mô xây dựng hệ thống mới và năng lực nuôi tổng thể đã tăng lên đều đặn trong những năm gần đây, khiến RAS trở thành một trong những xu hướng phát triển quan trọng trong tương lai của ngành nuôi trồng thủy sản Trung Quốc.
3.Tổng quan về nghiên cứu và công nghiệp hóa hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)
(1) Nghiên cứu quốc tế và công nghiệp hóa
Nghiên cứu và phát triển ban đầu
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) sớm nhất xuất hiện ở Nhật Bản vào những năm 1950. Sau đó, nhiều quốc gia bắt đầu nghiên cứu công nghệ xử lý nước và nuôi trồng thủy sản cho RAS. Ban đầu, những nghiên cứu này dựa trên quy trình xử lý nước thải đô thị và hệ thống kiểu bể cá-(với mật độ nuôi chỉ 0,16–0,48 kg/m³). Tuy nhiên, những cách tiếp cận như vậy không tính đến các yêu cầu riêng của nuôi trồng thủy sản thương mại-đặc biệt là về chi phí hệ thống, sử dụng tài nguyên, tỷ lệ giữa lượng nước nuôi và nước lọc cũng như khả năng chịu tải của hệ thống (thường là 50–300 kg/m³). Kết quả là nỗ lực nghiên cứu gặp nhiều trở ngại, tiêu tốn một lượng lớn tài nguyên và tiến triển chậm chạp.
Công nhận đặc điểm động
Các nghiên cứu ban đầu cũng bỏ qua một đặc điểm quan trọng của RAS: tính chất năng động của nó. Tốc độ sản xuất và phân hủy chất thải trao đổi chất của cá phải đạt trạng thái cân bằng động để hệ thống duy trì ổn định và khỏe mạnh. Vào giữa-những năm 1980, với sự hiểu biết ngày càng tăng về các thông số chất lượng nước-chẳng hạn như độ pH, lượng oxy hòa tan (DO), nitơ tổng số (TN), nitrat (NO₃⁻), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD)-và các mô hình biến đổi của chúng trong nước nuôi trồng thủy sản, những thay đổi năng động này dần dần được tích hợp vào thiết kế hệ thống. Ví dụ, tình trạng thiếu oxy có thể được khắc phục nhanh chóng bằng cách sục khí, nhưng phản ứng của vi khuẩn nitrat hóa trước sự gia tăng nồng độ amoniac thường chậm hơn đáng kể. Do đó, kiến thức sâu hơn về các yếu tố hạn chế tương tác ngày càng trở nên quan trọng đối với việc thiết kế và vận hành hệ thống hiệu quả.
Những thách thức trong thực tiễn ban đầu
Nhiều người hành nghề nuôi trồng thủy sản đã có kinh nghiệm về dòng chảy-thông qua các hệ thống chuyên sâu nhưng thiếu kiến thức về vận hành RAS. Kết quả là, họ thường không kiểm soát được mật độ thả giống, lượng thức ăn, tần suất cho ăn và quản lý chất lượng nước một cách hợp lý, dẫn đến sự mất cân bằng trong dòng nước trong hệ thống và chu trình nguyên liệu và cuối cùng gây ra lỗi vận hành. Sự thiếu hiểu biết khoa học và kinh nghiệm quản lý này được phản ánh ở mức mật độ nuôi cấy: RAS ở quy mô phòng thí nghiệm-thường chỉ đạt được 10–42 kg/m³, trong khi RAS ở quy mô thương mại-ban đầu duy trì ở mức thấp ở mức 6,7–7,9 kg/m³. Sau hơn nửa thế kỷ tiến bộ công nghệ{10}}bao gồm tối ưu hóa quy trình, sục khí và oxy hóa (ví dụ: sử dụng oxy lỏng), cho ăn tự động và lựa chọn loài phù hợp-RAS hiện đại đã khắc phục được nhiều yếu tố hạn chế và hiện có thể hỗ trợ mật độ nuôi cao 50–300 kg/m³.
Tăng trưởng công nghiệp và đổi mới công nghệ
Khi nuôi trồng thủy sản trong ao truyền thống phải đối mặt với tình trạng trì trệ do cạnh tranh đất đai và áp lực môi trường, RAS ở Châu Âu và Bắc Mỹ đã có sự tăng trưởng nhanh chóng từ những năm 1980 đến 1990. Sự mở rộng công nghiệp này đi kèm với những cải tiến về công nghệ, bao gồm việc sử dụng các bộ lọc có áp suất và không{3}}có áp suất cho chất rắn lơ lửng lớn, quá trình ozon hóa để khử trùng và phân hủy chất hữu cơ, cũng như phát triển nhiều bộ lọc sinh học như bộ lọc chìm, bộ lọc nhỏ giọt, bộ lọc chuyển động qua lại, bộ tiếp xúc sinh học quay, bộ lọc sinh học dạng trống và lò phản ứng tầng sôi cũng như các thiết bị khử nitrat kỵ khí. Với những tiến bộ này, RAS dần trưởng thành và được đưa vào ứng dụng thương mại.
Trường hợp của Hoa Kỳ
Hoa Kỳ đã duy trì vị trí dẫn đầu trong cả nghiên cứu RAS cơ bản và ứng dụng, bao gồm các lĩnh vực như dinh dưỡng và sinh lý của các loài nuôi thâm canh, phòng chống dịch bệnh và công nghệ xử lý nước. Đặc điểm chính của US RAS là mức độ tự động hóa và cơ giới hóa cao trong kiểm soát chất lượng nước. Các hệ thống-được máy tính hỗ trợ tự động điều chỉnh lượng oxy hòa tan, độ pH, độ dẫn điện, độ đục và nồng độ amoniac cũng như các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng. Tận dụng nền tảng công nghiệp tiên tiến của mình, Hoa Kỳ đã áp dụng rộng rãi-thiết bị công nghệ cao để oxy hóa, lọc sinh học, loại bỏ chất rắn, phân loại và thu hoạch. Ví dụ: RAS thử nghiệm do Trung tâm Công nghệ sinh học biển tại Đại học Maryland phát triển kết hợp các quy trình xử lý kỵ khí, gần giống với các hệ thống được thiết kế bởi Aquatec{10}}Solutions ở Đan Mạch.
4. Những thách thức và biện pháp đối phó để phát triển hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn công nghiệp hóa (RAS)
(1) Thiếu sự tích hợp cơ sở vật chất và thiết bị
Mặc dù thiết bị xử lý nước, cho ăn, khử trùng và sục khí tự động của Trung Quốc đã dần đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế, nhưng việc tích hợp hệ thống tổng thể vẫn còn chưa đầy đủ. Việc thiếu các doanh nghiệp-quy mô lớn có khả năng sản xuất bộ thiết bị RAS hoàn chỉnh đã làm tăng chi phí xây dựng và độ phức tạp, do đó cản trở sự phát triển nhanh chóng của thiết bị trong nước.
(2) Cần tối ưu hóa nguồn thức ăn hỗn hợp chuyên dụng
Hiện tại, các công thức thức ăn thủy sản ở Trung Quốc rất đồng nhất và thiếu thức ăn chuyên dụng được thiết kế cho RAS và các loài nuôi cụ thể. Điều này làm tăng gánh nặng vận hành của hệ thống xử lý nước và ảnh hưởng đến hiệu suất canh tác. Cần phải phát triển nguồn cấp dữ liệu RAS dành riêng cho loài-với-dinh dưỡng cân bằng tốt, tỷ lệ rửa trôi thấp và tỷ lệ chuyển đổi thức ăn thuận lợi.
(3) Phòng ngừa và kiểm soát dịch bệnh đòi hỏi độ chính xác cao hơn
Việc canh tác-mật độ cao và hiệu quả- cao làm tăng nguy cơ bùng phát dịch bệnh khi xảy ra sự mất cân bằng trong hệ thống và khó loại bỏ mầm bệnh trong các hệ thống khép kín. Cần tăng cường tối ưu hóa hệ thống để cải thiện khả năng đệm, đồng thời nghiên cứu nên tập trung vào sinh lý cá, phản ứng với căng thẳng, chỉ báo bệnh sớm và cơ chế cảnh báo bệnh hiệu quả.
(4) Áp lực đáng kể về tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí
Đầu tư xây dựng ban đầu cao và tiêu thụ năng lượng là những thách thức khó tránh khỏi của RAS. Các biện pháp tiết kiệm năng lượng-nên được triển khai ở cả cấp độ thiết bị và hệ thống, bao gồm phát triển các bộ lọc-năng lượng thấp, thiết bị loại bỏ CO₂, công nghệ xử lý nước thải và các ứng dụng năng lượng tái tạo như bơm nhiệt nguồn năng lượng mặt trời, gió và nước.
(5) Thiếu tiêu chuẩn hóa trong vận hành và quản lý
Hiện tại, ở Trung Quốc chưa có tiêu chuẩn hoặc quy chuẩn kỹ thuật thống nhất cho RAS. Kết quả là, thiết kế hệ thống, thực tiễn quản lý và hiệu suất canh tác rất khác nhau và lỗi vận hành là điều thường xuyên xảy ra. Điều cần thiết là phải thiết lập một khung kỹ thuật tiêu chuẩn hóa cho nuôi trồng thủy sản lành mạnh, cải thiện các tiêu chuẩn về quy trình và quản lý, đồng thời thúc đẩy các dự án trình diễn về sản xuất tiêu chuẩn hóa.
(6) Cần tăng cường nghiên cứu cơ bản
Sự hiểu biết khoa học về một số khía cạnh vẫn chưa đầy đủ, bao gồm tình trạng sức khỏe của các loài nuôi trong điều kiện chất lượng nước và-mật độ cao, sự thay đổi cấu trúc màng sinh học trong quá trình vận hành hệ thống, cơ chế chu trình dinh dưỡng và các phương pháp tối ưu để loại bỏ và xử lý vô hại các hạt rắn. Những khoảng trống này cản trở sự phát triển hơn nữa của các công nghệ và thiết bị liên quan.
(7) Xu hướng và cơ hội phát triển trong tương lai
Bất chấp những thách thức này, RAS mang lại những lợi thế đáng kể về hiệu quả sản xuất, tính bền vững môi trường và phúc lợi động vật. Là một mô hình canh tác xanh, sinh thái, tuần hoàn và hiệu quả, nó phù hợp với xu hướng toàn cầu hướng tới phát triển-cácbon thấp. Với việc hiện đại hóa nghề cá của Trung Quốc, sự tiến bộ của nền văn minh sinh thái và đẩy nhanh các mục tiêu trung hòa carbon, RAS dự kiến sẽ bước vào một giai đoạn phát triển nhanh chóng mới.