Анализ УЗВ — вопросы управления и задачи на будущее. Опрос

В статье освещены результаты международного опроса, в котором рассмотрены основные вопросы работы систем культивирования с рециркуляцией воды. Работа проведена для улучшения управления культурой, определения возможных инноваций и будущих затруднений в отрасли. Отдельно опрашивались руководители компаний, занимающиеся производством систем, исследователи, поставщики и консультанты. Независимый опрос проводился с целью всестороннего понимания в области УЗВ.

Ответы и последующий анализ выявили существенные барьеры: производители плохо идут на контакт; не делятся информацией; между участниками не хватает общения. Основными проблемами систем являются: плохая планировка, когда многие УЗВ невозможно модернизировать; плохое управление, недостаток обученного персонала, которые могли бы отвечать за поддержание хорошего качества воды и устранение механических проблем.

Так как УЗВ играет важную роль в будущем аквакультуры, необходимо улучшать эту технологию. Ключевыми приоритетами является улучшение производительности оборудования, изучение работы систем в коммерческих масштабах и достижение наилучшей комбинации узлов в каждой конкретной ситуации. Рекомендуется создать специальные платформы для обучения и обмена опытом всех участников отрасли.

Оригинал материала опубликован в журнале «Aquacultural Engineering», 2012. Авторы Maddi Badiola, Diego Mendiola, John Bostock — «Recirculating Aquaculture Systems (RAS) analysis: Main issues on management and future challenges».

Введение
Недостаток площадей для расширения и новых земель (из-за конкуренции между пользователями и противоречия интересов), ограниченность пресной воды и нормативы загрязнений препятствуют дальнейшей экспансии традиционных садковых и проточных систем культивирования. Поэтому Европейские страны, преимущественно, с развитой аквакультурой (Великобритания, Ирландия, Италия и Норвегия) возлагают большие надежды на системы с рециркуляцией воды. Технология УЗВ поддержана в документах стратегии Европейской Комиссии (COM, 2002, 2009).

Несколько стран Европы переходят на УЗВ с целью поддержания устойчивой аквакультуры.

Например, в Дании, являющейся пятым экспортером рыбы в мире, аквакультура базируется на технологии вторичного использования воды. Стратегия правительства («Оперативная программа развития сектора аквакультуры и рыбоводства Дании, 2007-2013») предполагает повышение производства и снижение загрязнений (т.е. уровня азотсодержащих соединений). В данном случае, аквакультура в основном имеет дело с радужной форелью (Onchorhynchus mykiss). Недавний доклад, посвященный технологиям выращивания форели в Дании, показал, что значимость УЗВ возросла. Roque d’Orbcastel с коллегами (2009) отметили, что «более 10% форели выращиваются в УЗВ». Авторы считают эту технологию одним из самых устойчивых методов производства рыбы. На заре тысячелетия Blancheton (2000) заявил, что многие хозяйства в Европе уже использовали технологию рециркуляции воды, в то время как исследовательские проекты все ещё находились в зачатке.
Другим ярким примером является выращивание Атлантического лосося, ценного вида в Европейском рыбоводстве (объем производства 1 млн.тонн в год на сумму 575 млн.евро (European Commission, 2011 ). В основном его выращивают в Норвегии, Шотландии и Фарерских островах. Четко прослеживается тенденция перехода с проточной системы на УЗВ в северо-западной Европе; на Фарерских островах 100% производства проходит в УЗВ (Bergheim et al., 2009).

Новый регион рыбоводства зарождается в Стране Басков (автономное сообщество на севере Испании). Здесь условия окружающей среды непригодны для традиционного садкового культивирования, и места вдоль побережья мало. Поэтому системы с рециркуляцией воды заявлены в «Стратегическом плане мероприятий по развитию аквакультуры в 2009-2014 году», как основного метода культивирования в рыбоводстве (Gobierno Vasco, 2008). Недавно, в 2010 году, в регионе появились новые хозяйства с УЗВ (по Европейской программе финансирования рыбоводства [EFF]).

Хотя, как показано в европейских странах, развитие УЗВ проходит активно (в 1986 году в Нидерландах производилось 300 тонн/год, в 2009 году различные страны включились в производство с объемом 23463 тонны/год, Martins et al., 2010), многие системы плохо обслуживаются и имеют плохую схему. На протяжении нескольких лет ряд авторов опубликовали преимущества и недостатки конструкций (т.е. Liao and Mayo, 1974; Shepherd and Bromage, 1988; Blancheton, 2000; Lekang, 2007; Timmons et al., 2009). Однако лишь немногие затронули вопросы в области технологий УЗВ с точки зрения их обслуживания и эксплуатации.

Системы с рециркуляцией воды созданы для интенсивного выращивания рыбы, обычно, когда водный ресурс ограничен. Они позволяют использовать вторично 90-99% воды, благодаря удалению загрязнений. Оператор может контролировать параметры качества воды и факторы окружающей среды в помещении и, следовательно, создавать оптимальные условия для культивирования рыб (Heinen et al., 1996). Эти преимущества, вследствие высоких капитальных и операционных затрат, а также необходимости очень бережного управления и сложностей лечения, обходятся дорого (т.е. Schneider et al., 2006). Более того, постоянное перекачивание воды обеспечивает насос, поэтому расходуется электричество. Чем сильнее степень рециркуляции, тем выше будет этот расход (Shepherd и Bromage, 1988). Следовательно, УЗВ это сложная система на стыке биологии и инженерии, требующая мониторинг производительности (Lekang, 2007). Она появилась в ходе длительного развития, от наиболее простой очистки воды до более сложных процессов (Muir, 1982; Rosenthal, 1993), и сейчас считается высокотехнологичной отраслью.

Большинство исследований в области технологии УЗВ направлено на улучшение отдельных узлов и рассмотрение работы их по отдельности (биофильтры [van Rijn, 1996; Eding et al., 2006; Summerfelt, 2006], фильтрация твердых частиц [Piedrahita et al., 1996; Cripps and Bergheim, 2000; Summerfelt and Penne, 2005], сравнение различных технологий (Roque d’Orbcastel et al., 2009; Pfeiffer et al., 2011) и создание целой системы на основе частных заключений (Morey, 2009). Такие подходы почти всегда принимают в расчет давление системы на окружающую среду (Martins et al., 2010) и, в первую очередь, испытываются на модельных экспериментальных системах. Вместе с тем, мало сделано в описании потенциальных рисков (Hrubec et al., 1996) и затруднений (доклады о провалах из-за использования неподходящего биофильтра, отключения электричества, плохой сигнализации, слабой маркетинговой стратегии и проблем плохого запаха и вкуса продукции), управлении УЗВ и совмещении различных её компонентов. Большинство исследовательских работ связано с рассмотрением специфических ситуаций. Тем не менее, не существует двух идентичных систем, поэтому сложно пользоваться одним приемом при создании любых УЗВ (Piedrahita с коллегами, 1996 сделали такое заключение на совещании по очистке стоков аквакультуры и затратам на неё, прошедшем в университете Стерлинга, июнь 1994). Понимая, что сама система является ключевым фактором, влияющим на управление ей, необходимо прикладывать опыт инженерии и биологии гидробионтов в совокупности.

Количество растворенного кислорода и его потребление одни из наиболее важных параметров в интенсивном выращивании гидробионтов. Когда концентрация кислорода понижается, доля других нежелательных параметров качества воды возрастает (Piedrahita et al., 1996); их баланс достигается лишь через хороший инженерный расчет и понимание поведения животных (Lekang, 2007). Предприятие работает четко и прибыльно, когда проводится мониторинг всех параметров, и их допустимые значения строго соблюдаются в ходе всего производственного цикла.

Объектом рассмотрения данной статьи является анализ наиболее важных вопросов, полученной информации/знаний и опыта успешных и обанкротившихся компаний. В роли респондентов выступали исследователи, консультанты по аквакультуре, инженеры. Этот всеобъемлющий взгляд поможет понять, какие улучшения приведут к процветанию индустрии в целом.

Методология
Опрос проведен так, чтобы получить качественные и количественные данные, проанализировать внешние мнения и мнения инсайдеров, и опыт, охватывающий использование УЗВ в индустрии. Важно узнать о новых технологиях, поэтому опрос охватывал респондентов из различных областей. Идея заключалась в получении различных точек зрения на поставленные вопросы. В аквакультуре присутствуют две стороны: компании и рыбоводы; исследователи, консультанты и производители. Поэтому задавались две категории вопросов: вопросы по поводу УЗВ и вопросы к исследователям.

Таблица 1. Классификация респондентов в опросе. a — 16 из 17 производителей находятся в Европе. Для более объективной оценки, последнего не брали для количественного анализа, но использовали при качественном. b – консультанты и поставщики включены в одну группу, потому что в большинстве случаев, поставщики проводили консультацию c – в данном проекте к исследователям относили сотрудников университетов различных стран, вовлеченных в области исследований и разработок, тех, кто имел опубликованную работу по тематики аквакультуры.

КонтактОтветы/реплики%, респондентов
Производящие компании3616+1 (a)46
Поставщики/консультанты (b)901820
Исследователи501224

Первая категория касалась производителей. Эти вопросы исследовали практическую сторону индустрии: Какие проблемы встречались в системах (источник и тип)? Как они решались и контролировались? Как они влияли на производительность и экономику предприятия? Так как компоненты системы и схема выбирались в зависимости от местоположения, культивируемого вида, типа воды, стадии развития организма, общая схема УЗВ и её содержание определяли последствия от возникшей проблемы. Рассматривались общие данные, такие как культивируемый вид, стадия развития гидробионта, компоненты системы, а также более детальные сведения – протоколы культивирования, режим мониторинга системы, случаи заболеваний, конкретные примеры возникших проблем и их влияние на экономическое состояние предприятия. В последнюю очередь фиксировались ожидания респондентов и их планы на будущее.

Вторая категория вопросов предназначалась для изучения мнений и опыта производителей УЗВ, поставщиков и других консультантов, которые непосредственно не занимаются управлением коммерческой УЗВ. Таким образом, сравнивались и противопоставлялись различные идеи и подходы на будущее. Более специфично, чем в ранних работах, от респондентов ожидали получить данные о многих системах, а не одной. Задавались вопросы о том, каким компонентом системы сложнее управлять и почему; вопросы о наиболее частых, наиболее затратных поломках и их устранению; наконец, необходимая (но недостающая) информация о типе системы.

Для рассылки опросов и охвата наибольшего числа респондентов использовались различные каналы связи. Вопросы рассылались через онлайн через службу “Bristol University Survey Service”, как часть университетских общественных организаций, с поиском экспертов в исследуемой области. В тоже время, ссылка на опрос была опубликована в нескольких социальных сетях и на сайтах (т.е. форуме Европейской ассоциации Аквакультуры (EAS), LinkedIn, Aquaculture hub, головной странице института Стерлинга). Кроме того, конфиденциальные корреспонденты связывались с менеджерами предприятий, хозяйств и экспертами различного профиля (консультанты, исследователи, поставщики оборудования).

Ранее определенные группы, производители и эксперты, анализировались отдельно: для анализа анкеты работников УЗВ использовалась служба «Bristol University survey», а для анализа анкеты исследователей — программное обеспечение NVivo 9.

Служба «Bristol University survey» фиксировала результаты в системе для последующего анализа данных. Она позволяла сделать количественный (% людей, ответственных за конкретную область) и качественный анализ (перекрестные табличные результаты между двумя группами ответов и опроса в целом, дополнительный анализ по облаку ключевых слов – частоте встречаемости ключевых слов в ответах на определенные вопросы и их значимости). Зарегистрированные ответы заносились в программу NVivo 9. Это позволяло определить основные идеи, классифицировать данные по различным критериям (т.е. роль индустрии или поле деятельности респондента), обобщить все ответы по каждому вопросу и создать «карту видения» для лучшего понимания.

Результаты
Ответы от компаний производителей оказались не такими, какими ожидались; хотя, в целом, они составляли значительную часть ответов (Таблица 1). Полученные данные (a) демонстрируют высокую секретность, охватывающую всю индустрию УЗВ (касательно конструкции и методов управления хозяйством); и (b) отсутствие у предпринимателей интереса поддержать данное исследование (многие отказались участвовать). Контакт с ними усложняло отсутствие сводных данных о фермах УЗВ в Европе (в подтверждение слов Martins et al., 2010).

На рисунке 1 показано деление компаний по национальному признаку, а на рисунке 2 – по типу культуры и производства. Наибольшее число компаний находится в Великобритании, затем следуют Испания и Франция. Данные согласуются и могут служить обновлением сведений в исследовании Martins et al. (2010). Самыми распространенными были компании, выращивающие тиляпию (6 компаний, 37.5%). Таким образом, 75% компаний вели пресноводную культуру (речная и озерная вода, городская вода, дождевая вода), 18.75% — морскую, 6.25% — в солоноватой воде (в зависимости от вида и источника воды). Так как, в основном, компании занимаются выращиванием нескольких видов рыб, невозможно выделить специфические протоколы производства, причины провалов и финансовые аспекты.

Рисунок 1. Национальный состав компаний (%)
Рисунок 1. Национальный состав компаний (%)

 

Рисунок 2. Распространенность культур рыб (* - число компаний не эквивалентно числу видов, потому что ряд ферм выращивают более одного вида. ** - тиляпия включает два рода Oreochronis niloticus и Oreochronis mossambicus)
Рисунок 2. Распространенность культур рыб (* — число компаний не эквивалентно числу видов, потому что ряд ферм выращивают более одного вида. ** — тиляпия включает два рода Oreochronis niloticus и Oreochronis mossambicus)

Одним из главных факторов, характеризующих различные типы компаний с УЗВ, является этап развития культивируемого гидробионта. На рисунке 3 респонденты делились по этому признаку. Можно сделать вывод, что большинство компаний, принявших участие в опросе, занимались нагулом рыб, а за ними следовали хозяйства, где рыбу разводили.

Рисунок 3. Системы УЗВ по целевому назначению (культивирование различных стадий развития) и статусу
Рисунок 3. Системы УЗВ по целевому назначению (культивирование различных стадий развития) и статусу

Под нагулом — понимается откорм гидробионтов до достижения ими товарного размера;
Под разведением – проведение предприятием всего цикла разведения до получения посадочного материала.

Среди 12 компаний, занимающихся нагулом рыбы, 2 – сейчас закрылись, при этом вторая из-за серьезной технической поломки будет открыта заново. Среди прочих, 5 – открыты по новым проектам, 4 – модернизировали старые системы. Основной тенденцией в улучшении явился переход от проточной системы к УЗВ; также аквапонике, по различным причинам. Наконец, профиль компаний влиял на тип используемого оборудования. Как можно видеть на рисунке 4, биофильтры и насосы обязательно присутствовали во всех УЗВ; фильтры твердых частиц и оксигенаторы встречались в 94.1% и 88.2% случаев, соответственно. Протеиновые скиммеры (64.7%) и устройства для дезинфекции (в морских системах обычно использовались озонаторы) нельзя назвать обязательным оборудованием морских УЗВ, а в пресноводных системах реакторы для денитрификации и вовсе встречались редко (25% случаев). Внутри хозяйств каждый компонент системы был представлен в различной степени. Например, наиболее распространенным типом биологического фильтра являлся капельный фильтр, а механического фильтра – барабанный. Для удаления углекислого газа активно использовались вентиляторы, аэрлифтные колонны и те же биофильтры. Узлы нагрева и охлаждения отличались среди производителей. Традиционно устанавливались газовые котлы и солнечные панели (производили электричество, которое затем использовалось в охлаждении или нагреве), а также холодильники для охлаждения и погружаемые насосы в качестве источника тепла.

Рисунок 4. Компоненты УЗВ системы - % встречаемости у различных компаний
Рисунок 4. Компоненты УЗВ системы — % встречаемости у различных компаний

Основные проблемы УЗВ

Как отмечено выше, технология культивирования зависит от стадии развития целевого организма, т.е. выращивания личинок или животных мелкого размера; поэтому хозяйства по нагулу и по разведению гидробионтов рассматривались отдельно. Перекрестное сравнение определенных вопросов показало, что проблемы двух групп различны. В любом случае, сложно оценить точную причину каждой проблемы, так как информация от производителей недостаточно точна, и различные источники могли прийти к одинаковому выводу. Например, проблемы плохого качества воды в основном вызваны механическими проблемами в хозяйствах, где разводят мальков (3 из 3), тогда как основной проблемой ферм по нагулу рыб является плохо спроектированное оборудование (5 из 6). Более того, если связывать биологические и управленческие проблемы (т.е. внутренние и внешние причины), ответы покажут, что истинной причиной проблем является изначально неудачный проект системы. Для исследователей и консультантов кластеризация наиболее распространенных проблем поставила основные слабости в следующем порядке: неправильный системный расчет (неточный расчет параметров в проекте, слишком оптимистичный), неправильное обслуживание (недостаток обучения), проблемы эксплуатации (плохое качество воды), плохой проект (выбор оборудования для УЗВ). Вероятно, проблемой также являлось бездействие в непредвиденных обстоятельствах.

Не поддаются оценке вопросы плохого качества воды в системах, потому что они вызваны различными причинами: неточный расчет параметров всей системы и объемов производства (т.е. низкая плотность посадки, чем изначально закладывалась в расчетах), поломка оборудования (в большинстве случаев из-за неудачного проекта), ошибки в обслуживании системы. Среди всех параметров воды, аммоний (49.06% всех ответов), углекислый газ (25.67%) и кислород (31.25%) сложнее всего поддавались контролю. Результаты получены на основе частоты встречаемости ключевых слов, когда изучалось, какие параметры отслеживаются и какие сложнее контролировать. Эти проблемы вызваны: 1. Отсутствием опыта (сложная система, с множеством обратных связей) и 2. Отсутствием или плохим обучением персонала, который неспособен поддерживать требуемые параметры воды (контролировать работу биофильтра и механического фильтра) (Рисунок 5). На рисунке 5 представлены ответы исследователей и консультантов на основе их опыта. Управляющие ферм приписывали эти проблемы ошибочной спецификации на механические фильтры и неадекватному размеру биофильтров, которые быстро забиваются. Сложности обслуживания некоторых устройств, недостаток знаний и опыта управляющих приводили к нарушению баланса параметров воды, нанесению вреда рыбам и компонентам фильтров.

Рисунок 5. Оборудование УЗВ, наиболее сложное в обслуживании, согласно исследователям и консультантам
Рисунок 5. Оборудование УЗВ, наиболее сложное в обслуживании, согласно исследователям и консультантам

Факторами повышенного риска являлись кислород и углекислый газ. Нарушение баланса газов в системе, вследствие плохого проекта (ошибки при расчете, неэффективное отделение газов) непосредственно влияло на концентрацию углекислого газа. Тем не менее, самой распространенной проблемой (отметили 14 из 16 компаний и более 1/3 исследователей и консультантов) являлись твердые загрязнения в воде, которые влияли на всю систему. Большинство экспертов согласились с тем, что неэффективное удаление твердых частиц нарушало работу биофильтра (загрязняется); таким образом, нитрификация протекала не полностью, возрастала концентрация токсичных веществ (аммоний, нитрит), страдали рыбы, и производство терпело убытки.

Аналогично, изначально плохой проект или неправильные расчеты, например, заниженная плотность посадки при высокой действительной, моделирование на основе простых расчетов (килограмм кислорода, необходимого на килограмм корма), оказывали существенное влияние на качество воды и операционные затраты (возрастание коэффициента перевода корма и концентрации твердых загрязнений, загрязнение биофильтра). Как отмечено исследователями, системы УЗВ включают не только популяцию рыб, их процветание зависит от динамики популяций бактерий. Эти микроорганизмы потребляют кислород, образуют загрязнения, их метаболизм жизненно необходим для успеха системы. Часто этот аспект упускается из виду компаниями, поэтому является одной из грубейших ошибок, ведущих к провалу предприятия.

Механические проблемы распространены в хозяйствах, где проходит как разведение, так и нагул рыб. В первую очередь, они обусловлены плохим проектом и плохим управлением (по неизвестным причинам). По мнению консультантов и поставщиков, проблемы вызваны установкой более дешевого оборудования с целью экономии производителем капитальных вложений. Их решением является быстрая починка или, в крайнем случае, замена оборудования. На самом деле, эти внеплановые растраты по оперативной починке и замене становятся причиной скорого сворачивания некоторых ферм. Обычно в УЗВ ломаются устройства дезинфекции (озонаторы и УФ), насосы и биофильтры. Когда система не справлялась с нагрузками, в 50% случаев меняли биофильтр или насос, 75% — озонатор, 66% — УФ-стерилизаторы. Более того, соединительные и дренажные трубы часто имели неадекватно маленький диаметр и неправильный наклон, соответственно. Озвученные проблемы непосредственно влияют на количество кислорода в бассейнах. Другим эффектом является сниженная скорость водного потока, которая приводит к осаждению твердых частиц, нарастанию водорослей и ухудшению качества воды. Вследствие неадекватной работы УЗВ (50% случаев) и увеличения объемов производства (50% случаев), 11 из 17 компаний претерпели полную реструктуризацию.

Согласно ответам нескольких консультантов, самыми важными компонентами системы являются биофильтр и фильтр твердых частиц. Они в первую очередь важны для поддержания высокого качества воды (т.е. для поддержания здоровья рыб и продуктивности системы). Однако с ростом концентрации твердых загрязнений, повышается восприимчивость рыб к стрессовым факторам (повышается коэффициент перевода корма, замедляется скорость роста) и до опасного уровня возрастает концентрация углекислого газа. В этих условиях становится важным, но часто не принимается в расчет, удаление CO2. Конструкторы и установщики 50% систем не приняли в расчет такие непредвиденные ситуации и не устанавливали оборудование для дегазации. Проблемой ряда УЗВ явилось отсутствие температурного и pH контроля; среди упомянутых причин называют ошибки расчетов, вероятно, основанные на лабораторных и мелких модельных проектах. Одной из серьезнейших проблем хозяйств по нагулу рыбы является неприятный привкус продукции. Пять из семи компаний, занимающихся нагулом, считают это проблемой, хотя и очищают продукцию в течение 2-42 дней перед продажей.

Около 75% консультантов согласны с тем, что многие компании экономят на аварийных системах, включая сигнализацию и резервное оборудование. Примерно 40% производителей, занимающихся нагулом, имеют лишь один биофильтр, 50% — один фильтр твердых частиц; это свидетельствует о минимальных вложениях в резервные узлы. Более того, по словам консультантов, с целью снижения инвестиций, многие компании закупают меньше бассейнов, чем реально нужно (для сортировки, сбора и очистки), приобретают трубы меньшего диаметра; это усложняет выполнение ежедневных, рутинных процедур и повышает риск возникновения поломок. Среди 18 консультантов 15 согласны с тем, что в хозяйствах плохо отлажена сигнализация (плохая или отсутствует). В целом, опрос показал лучшую оснащенность аварийной системой ферм, где разводят рыбу, чем ферм, где её подращивают до товарного размера. Возможно, это обусловлено более высокой добавленной стоимостью личинок и мальков.

Как было отмечено, плохой проект часто считался основной причиной неудач производства. Нередко за эти проекты отвечали инженеры, слабо разбирающиеся в работе рециркуляционных систем культивирования. Более того, управляющие могли рассчитывать схему на основе оптимистических данных, поэтому реальный проект оказывался провальным. Результаты в таблице 2 показывают, что можно провести параллели между проблемами, вызванными оборудованием, проектом, установщиками/проектировщиками. 70% систем, построенных сторонними или отдельными (отвечали за разные компоненты) компаниями, имели проблемы в различных узлах, тогда как ни одна ферма, спроектированная конечным оператором, не имела проблем с оборудованием. Согласно опрошенным респондентам, сервисная поддержка уже после ввода УЗВ в эксплуатацию, в том числе, от независимых проектировщиков, была плохой (60% компаний подтвердили отсутствие адекватной помощи после запуска системы). По словам консультантов, участвующих в опросе, многие поставщики обещали послепродажную поддержку, но реально она была минимальной. Поэтому компании несли повышенные расходы на помощь и решение проблем.

Таблица 2. Источник проекта системы и степень удовлетворенности сервисом

Кто строил УЗВОтдельные компанииСамостоятельноС поддержкой
Число компаний1051
%58.829.46.9
Столкнулись с механическими проблемами
Да721
Нет330
Хорошая послепродажная поддержка
Да61
Нет40

На вопрос о доступности литературы по тематике УЗВ – 9 управляющих ответили, что хотели бы видеть больше теоретических данных и доступной литературы, однако они также отметили важность опыта и практики в этой области. 82.4% руководителей компаний согласны с необходимостью серьезного обучения сотрудников, так как текущая ситуация и кадры их не устраивают. Более того, соглашаясь с позицией консультантов, они признают обучение одним из важнейших аспектов при запуске УЗВ. На рисунке 6 показаны слабо освещенные в литературе области, которые требуют исследования.

Рисунок 6. Необходимая информация и область исследований, которую производители посчитали наиболее значимой (результаты on-line опроса компаний, которых спрашивали о недостатке технической информации по теме УЗВ). Число показывает частоту, с которой каждая область называлась
Рисунок 6. Необходимая информация и область исследований, которую производители посчитали наиболее значимой (результаты on-line опроса компаний, которых спрашивали о недостатке технической информации по теме УЗВ). Число показывает частоту, с которой каждая область называлась

В своих ответах, исследователи и консультанты отмечают детальную изученность работы отдельных компонентов системы и настаивают на улучшении, в целом, подхода к проектированию УЗВ (не только техническая пригодность, но также и экономическая выгода) и повышению качества расчетов (более реальные и менее идеалистические, ведущие к провалу).

К специфическим аспектам, требующим изучения и улучшения, исследователи отнесли следующие: понимание процесса нитрификации, в частности, денитрификации, контроль образования осадка и контроль плохого привкуса продукции. Обе группы согласны с тем, что многие специалисты имеют высокий опыт в аквакультуре, но слабо разбираются в УЗВ, как частной дисциплине. Консультанты и исследователи возлагают ответственность за это на слабую коммуникацию между университетами, компаниями и научно-исследовательскими институтами. По их мнению, обучение должно касаться не только изучения базового контроля за системой рециркуляции, но также взаимодействия таких наук как биология, химия, физика, инженерия и экономика.

Вызовы и будущее УЗВ

Основным вызовом для широкого внедрения технологии УЗВ, согласно респондентам, являются финансовые аспекты. Это утверждение подтверждено компаниями, опыт которых показывает, что финансовые вложения в 80% случаев неоправданны, когда срок окупаемости, в среднем, составляет более 8 лет (Рисунок 7). Поэтому необходимо снизить затраты на производство единицы продукции и операционные затраты. Для этого предполагается развивать новые источники энергии и новые типы субпродуктов (такую идею предложили 85% респондентов).

Рисунок 7. Число лет до возраста первоначальных вложений. По оси абсцисс количество компаний
Рисунок 7. Число лет до возраста первоначальных вложений. По оси абсцисс количество компаний

Обсуждение
Будущее аквакультуры заключается в контролируемом выращивании рыб, так как растут требования к экологической безопасности систем. Обеспечения контроля параметров воды и оптимизация культивирования в УЗВ должно проводиться в условиях минимального влияния на окружающую среду. Преимущества этой технологии зависят от типа системы и места её установки.

Тем не менее, будущее рециркуляционных систем зависит от индустрии отвечать вызовам. Прежде всего, исследования и усовершенствования отдельных устройств должны проводиться для удовлетворения потребностей коммерческого сектора аквакультуры, получения надежных и полезных данных. Операционные единицы должны быть понятны и стандартизированы в индустрии. Более того, улучшение контроля за системой и достижение ею надежной работы невозможно без обученного персонала. На сегодня, более 50% опрошенных компаний полностью изменили процесс производства из-за провала системы. Как было отмечено, за это ответственны многие факторы, от этапа проектирования до качества продукции. Они влияют на успех производства и последующую экономическую выгоду в рамках выбранной концепции ведения УЗВ хозяйства (Рисунок 8).

Рисунок 8. Карта факторов и взаимодействий, включая проектирование УЗВ, качество продукции, влияющих на успех производства
Рисунок 8. Карта факторов и взаимодействий, включая проектирование УЗВ, качество продукции, влияющих на успех производства

Основные проблемы УЗВ
Контроль концентрации твердых частиц и управление биофильтром наиболее сложные задачи в УЗВ, неправильное выполнение которых является основной причиной поломок системы. Технологии фильтрации уже разработаны, но оптимальная интеграция узлов между собой, вероятно, упущена из виду. Чем искать лучший и более сложный проект, которым чаще сложнее управлять, более важно понять, какие факторы являются ключевыми в конкретной системе (т.е. запросы рыб, требования к источникам энергии, доступность воды). Согласно McKindsey с коллегами (2006), для того, чтобы понять пределы каждой системы, необходимо определить физические, средовые, производственные вопросы и запросы социума; они позволят удовлетворить требования устойчивой коммерческой фермы УЗВ.

Важной проблемой качества воды являются взвешенные частицы. Они влияют на работу практически всех компонентов УЗВ, поэтому их фильтрация существенно сказывается на производительности системы (Han et al., 1996). Взвесь забивает биофильтр, снижает его специфическую площадь субстрата и, следовательно, количество и активность нитрифицирующих бактерий. Более того, с возрастанием концентрации твердых частиц изменяются параметры воды, что приводит к стрессу рыб, нарушению окисления нитрита бактериями (Malone and Pfeiffer, 2006; Emparanza, 2009). В тоже время, плохое удаление твердых частиц порождает конкуренцию между гетеротрофными и автотрофными бактериями (Satoh et al., 2000; Zhu and Chen, 2001; Leonard et al., 2002; Ling and Chen, 2005; Michaud et al., 2006), ведет к возрастанию аммония. Помимо биологического фильтра, действию твердых загрязнений подвержено и другое оборудование, например, насос и озонатор. Процесс озонирование становится менее эффективным с повышением концентрации твердых частиц в воде (т.е. когда отмечаются пики кормления) (Summerfelt et al., 2009); требуется больше времени контакта с озоном для разрушения частиц, возрастает концентрация опасных O3 побочных продуктов. В тоже время, взвешенные частицы создают механические проблемы в отмеченном оборудовании, которое потребует ремонта и, соответственно, дополнительные затраты. Поэтому, важно удалять твердые частицы из системы, так быстро, как это возможно, без их разрушения на более мелкие частицы (McMillan et al., 2003; Summerfelt et al., 2001). Дальнейшие исследования необходимо направить на улучшение удаления загрязнений, путем комбинирования различных методов; тем не менее, важно, чтобы это отвечало требованиям коммерческого сектора. Любые комбинации компонентов должны подходить для культивируемых видов рыб с их специфическими потребностями к качеству воды, а также быть экономически целесообразными. Хорошая стратегия удаления твердых частиц обеспечит рост микробного сообщества, и адекватную работу биофильтра. В последнее годы эта проблема изучалась Davidson and Summerfelt (2005), Couturier et al. (2009) и Ray et al. (2010), которые показали необходимость «фильтр тонкой очистки» для удержания более 95% твердых частиц. Однако в экспериментах вклад компонентов в производительность всей системы различен, поэтому получаются различные результаты, что диктует необходимость дальнейших исследований. Согласно ряду авторов, использование барабанного фильтра является экономически выгодным способом удаления твердых частиц в классическом диапазоне фильтрации — 40-90 мкм (Carlsen, 2008).

Также как и фильтры механической очистки, биофильтры очень важны и сложны в обслуживании. Здесь необходимо понимать принцип работы аппарата. Однако, как сообщалось различными авторами и отмечено в данной статье, сложности управления биофильтром, отчасти, вызваны тем, что изучение процесса биологической очистки проводилось на мелких лабораторных системах, тогда как коммерческие УЗВ сталкиваются с более высокой нагрузкой (больше вносится корма, образуется больше органического углерода) (Zhu and Chen, 1999; Losordo and Hobbs, 2000; Ling and Chen, 2005; Emparanza, 2009; Guedart et al., 2010, 2011). Поэтому, как отметили 85% респондентов, требуются данных о влиянии органической нагрузки на биофильтр именно в условиях коммерческой системы. Отсюда, характеристики биологических фильтров определяют требования к их обслуживанию. Стандартизация и классификация техник управления ими является той специфической информацией, которая нужна рынку (компаниям и консультантам). Несколько авторов посвятили свои работы этому (Drennan et al., 2006; Malone and Pfeiffer, 2006; Colt et al., 2006), (Zhu and Chen, 1999; Losordo and Hobbs, 2000; Ling and Chen, 2005; Emparanza, 2009; Guedart et al., 2010, 2011), но прикладных исследований в условиях коммерческой системы проведено мало (Suhr and Pedersen, 2010; Guedart et al., 2010, 2011). Помимо этого, функциональность биофильтра зависит от многих параметров (Chen et al., 2006), и в непредвиденной ситуации, когда происходит дисбаланс, важно точно и быстро привести его в действие. Подобные манипуляции требуют четких протоколов и умелого управления. Ежедневные процедуры, такие как очистка бассейнов, сортировка и сбор рыбы, могут повлиять на эффективность биофильтра, потому что изменяться параметры воды. Аналогично, при сборе рыбы на продажу снижается биомасса. Более того, биомасса изменяется непрерывно, так как рыба растет. Это ведет к возрастанию количества вносимого корма, повышению температуры (из-за увеличения метаболической активности), повышению образования углекислого газа и аммония, общему замедлению роста. Поэтому план управления изменится. Таким образом, менеджеры должны постепенно реорганизоваться, принимая во внимание резкие изменения в биофильтре, и попытаться снизить их влияние на рыбу и живые бактерии. Некоторые возможные процедуры в области коммерческого выращивания Лососевых предложены Emparanza (2009); автор работы заключил, что количество вносимого корма, водный обмен и плотность посадки являются основными переменными. В качестве решения, он предложил увеличить размер биофильтра, чтобы повысить «пределы прочности» аппарата к возможным изменениям условий; однако, это требует более высокие затраты. Чтобы достигнуть выгодного баланса, необходимы реальные и менее оптимистические (т.е. включая погрешности) теоретические расчеты. Эффективность затрат обязательно должна согласовываться с четырьмя аспектами допустимой нагрузки на систему: физическим, производственным, экологическим и социальным (McKindsey et al., 2006). Наконец, ответственные лица всегда должны предвидеть предстоящие модификации системы, понимать взаимосвязь и взаимодействие между её параметрами, культивируемой рыбой и внешними факторами (т.е. корм, кислород, энергия и вода).

Углекислый газ выделяют рыбы, его концентрация возрастает при увеличении плотности посадки. Уплотнение поголовья создает «некомфортные условия» для рыб и влияет на все производство. Однако, как отметили компании, оборудование для дегазации (колонны и мешалки) используется нечасто. Главным образом, это вызвано неправильным подходом к проектированию системы и высокими затратами. В действительности, появление и последующий мониторинг концентрации CO2 может помочь быстрее определить другие проблемы (Pfeiffer et al., 2011) и лучше управиться с системой.

Хотя плохой привкус рыбы редко приводил к банкротству в индустрии, он может стать мотивом к банкротству, потому что прибыль отсутствует, если качество продукции не отвечает требованиям потребителя. «Грязный», «затхлый» вкус рыбы обусловлен присутствием в мясе геосмина и 2-метилизоборнеола (Tucker, 2000; Howgate, 2004; Houle et al., 2011), однако технологии удаления этих веществ не разработаны (Schrader et al., 2010). Guttman и van Rijn (2008) доказали, что анаэробные условия в системе могут смягчить эту проблему. Согласно их данным, аэробная, богатая органикой среда стимулирует развитие актиномицетов и последующее образование геосмина и 2-метилизоборнеола. Устройства для денитрификации, хотя и не активно, но присутствуют в хозяйствах, где отмечается высокая концентрация нитратов, высокая плотность посадки и сильно взаимодействие C/N (van Rijn et al., 2006). Таким образом, введение не-аэробной денитрификации после аэробной нитрификации (т.е. биофильтра) улучшит качество воды и вкус рыбы; однако это требует дальнейших исследований.

Вызовы на пути внедрения УЗВ
Одним из серьезнейших затруднений в ходе внедрения технологии УЗВ является высокие инвестиции и длительный срок окупаемости (в среднем, 8 лет). Часто система с рециркуляцией воды экономически не жизнеспособна, «дотационная». Но она должна иметь экономические причины для появления, быть ориентированной на рынок. С целью планирования спроса, а также допустимой по затратам системы, с реальным планом производства нужны хорошие исследования рынка и общества. Таким образом, главным требованием устойчивой работы УЗВ является её низкая операционная стоимость. Два условия помогут быстро восстановиться после первых вложений: 1. Стабильность производства и, соответственно, прибыль; 2. Высокая маржа для скорого возврата.

Ниже представлены некоторые возможные решения, названные некоторыми респондентами, которые помогут сделать систему более «дешевой»; однако их применение требует дальнейшего изучения с точки зрения управления и экономической выгоды:

— энергетическая эффективность. Использовать меньше и восполняемую энергию, где возможно. Например, уменьшить высоту подачи насоса и улучшить характеристики биофильтра (Jokumsen and Svendsen, 2010).
— вторично использовать промывочную воду барабанного фильтра, т.е. применять флокулянты (находятся на стадии исследования) для снижения впитывания воды, давления на окружающую среду и затраты на перекачивание воды.
— введение новых узлов, например, выращивание водорослей и аквапоники с целью (1) снижения давления отходами на среду, (2) производства субпродуктов из вторсырья.
— ведение «гибридного» хозяйства УЗВ с технологией биофлокулята (biofloc technology) (Azim и Little, 2008). Недавняя работа показала, что биофлокулят может помочь в поддержании экологической и экономической устойчивости УЗВ, благодаря снижению затрат на корм (Kuhn et al., 2009).

В общем, Европа располагает необходимыми технологиями и информацией, необходимой для запуска УЗВ (COM, 2009), но эти технологии заставить работать сложнее, чем просто нажать кнопку «включить/выключить» и смотреть на развитие. Потребуется время для понимания того, как ими управлять в отдельных ситуациях; они зависят от многих параметров, которые, в свою очередь, зависят от характеристик каждого входящего в систему узла. Как отмечали респонденты, сотрудники, ответственные за управление УЗВ, должны обучаться навыкам по университетским программам и в дальнейшем практиковаться, участвовать в исследованиях и/или работать на производстве в компаниях.

Рыбоводство важная сфера производства, и её роль будет только расти. Поэтому, системы УЗВ продолжат развиваться, но их улучшение невозможно без обмена опытом внутри индустрии (с вовлечением производителей, поставщиков, исследователей и консультантов). Более того, известно, что отсутвие информации вызвано недостаточным регулированием (APROMAR, 2010; Scottish Executive, 2003), вместе с недостаточным взаимодействием между различными областями аквакультуры. Авторы статьи отмечают отсутствие стремления участников коммерческого производства идти на контакт, а также их страх рассказывать публично «плохие новости и провалы». Несмотря на это, знания об управлении УЗВ приходят с опытом и, как показано, знания технических и инженерных аспектов системы не всегда гарантируют успех. Более того, это исследование показало, что поставщики и производители не согласны по вопросу запросов индустрии, что говорит об индивидуализме. Нашел подтверждение тот факт, что обмен опытом и проблемы (без разглашения конфиденциальных данных), могут принести пользу для всем участникам. Результаты опроса продемонстрировали удобство социальных сетей в качестве средства коммуникации и обмена информацией в области УЗВ.
—-
Maddi Badiola, Diego Mendiola, John Bostock. Recirculating Aquaculture Systems (RAS) analysis: Main issues on management and future challenges. Aquacultural Engineering. 51 : 26–35. 2012

Здесь находится скрытый текст. Для его просмотра необходимо зарегистрироваться.

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Анализ УЗВ — вопросы управления и задачи на будущее. Опрос: 1 комментарий

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *