韩海涛 王帮高
作者简介:第一作者:韩海涛,助理工程师,主要从事农机化技术推广和监理工作。
*通信作者:王帮高,工程师,主要从事农机化技术推广和监理工作。
摘 要:循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System),简写为RAS,是一种能够将开放水体的水产养殖变为可控环境养殖的技术,该技术是将机械化、数字化、智能化养殖技术融合发展,实现苗种投放、养殖增氧、精准投饵、病虫害监测等各个生产环节的数字化和智能化,实现农机渔艺融合,提升了水产养殖主要品种、重点环节、规模养殖场以及设施养殖渔业的机械化水平。
关键词:机械化;数字化;智能化;陆基工厂化循环水养殖
走进山东海洋明波水产有限公司,一排排白色的养殖车间格外醒目。通过明波水产物联网管控中心的监控,可以看水质检测、消毒杀菌、水循环、增氧机械、过滤机械、机械投饲的自动化流水作业生产过程,斑石鲷、东星斑等众多小鱼苗在池里欢快地游动。与传统流水养殖相比,其工厂化循环水养殖能够节水90%、节电69%、节煤93%,这里所有养殖池采用的都是RAS工艺循环水养殖模式。
1 RAS工艺解释及渔业农机数字化发展现状
1.1 概念内涵
循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System),简写为RAS,是一种能够将开放水体的水产养殖变为可控环境养殖的技术,该技术受到工业废水、生活污水处理厂的启发。陆基工厂化循环水养殖系统主要由养殖池、颗粒物去除、集水、生物降解、气体脱除、杀菌、增氧、循环驱动等模块构成,养殖池中的水体在循环水泵的作用下不断更新,并在水池中持续旋转的状态,养殖鱼类在池中持续运动、生长,因此肉质更为紧实、鲜美、健康。
渔业农机数字化是运用物联网、大数据、人工智能、卫星遥感、移动互联网等现代信息技术,依托部署在渔业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等)和无线通信网络,去实现渔业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导等功能。
1.2 我国陆基工厂化循环水养殖与渔业农机数字化发展现状
我国渔业农机数字化研究起步于20世纪90年代,2011年在江苏建设了我国首个物联网水产养殖示范基地。2012年全国水产技术推广总站开发应用水生动物疾病远程辅助诊断服务网。目前,山东省深远海养殖普遍应用了大数据管理系统,对养殖数据、环境数据、设备状态、安全状态、海域情况等五个主要模块进行全程监控,推动深远海养殖的智能投喂、预警预报、水质评估、主动式养殖专家服务等智慧化养殖管理。渔业农机数字化的发展解决了过去养殖靠人工、天气、经验,风险难控的问题,推动水产养殖高质量发展。
2 工艺与流程
陆基工厂化循环水养殖工艺与流程就是通过物理进化、生物进化、紫外线杀菌、添加液氧等水处理,将养殖水产生的回水重新处理之后达到养殖用水标准,重新回流到养殖车间进行循环利用,从而达到节能减排的效果。与传统的流水养殖相比,循环水养殖可使海水消耗量降低95%,只有5%的水被排放掉。要实现我国的水产品可持续性生产,必须先从摆脱靠天吃饭的困境入手,将养殖生产从自然水体中转向工厂化生产,从而稳定水产品品质,而RAS技术则是实现这一转变的关键技术。
2.1 RAS陆基工厂化循环水养殖模式源水处理流程
源水—粗滤—蛋白分离+臭氧—活性炭吸附—控温—洛氧—养殖池。主要目的是净化水质、去除有机物及浮游生物和杀菌。源水经微滤机过滤后,可去除杂物及较大的颗粒物。蛋白分离器的主要作用是去除水体中的细小悬浮物及落于水中的部分有机质,同时与臭氧机结合对水体进行杀菌、消毒;活性炭主要吸附源水中的有害物质,还可吸附残余臭氧,同时起到过滤作用;通过地源热泵机组调节水体温度,经溶氧后进入养殖池。
2.2 RAS工艺循环水养殖模式源水处理机械设备
循环水处理系统主要由养殖池、转鼓微滤机、一体式固定床过滤器等部件组成。以流化床过滤器为例,它可以去除水体中的氨氮、亚硝酸盐、微小颗粒和泡沫,水质得到了有效净化。净化的水体流入溶氧锥,经过高压增氧,溶解氧饱和度可达300%,完全能够满足高密度养殖用水的标准。增氧后的水体,全部流回养殖鱼池可进行循环利用。
2.3 RAS工艺循环水养殖模式尾水处理系统与机械设备
尾水处理系统主要由养殖尾水—微滤机—竖流器—蛋分器+臭氧—过滤砂缸—自净生物滤器—生物净化池—生态池—排放或回用。根据不同的地理位置、气候条件、环境水质、养殖品种,采用物理、化学、生物、微生物和植物相结合的方式,以较小的空间和投入,实现达标排放和循环利用。
2.4 RAS循环水处理工艺与自动化控制装置
明波水产有限公司建起了6万平方米的工厂化循环水养殖车间和育苗车间,建立了病害生态防控预警,形成一套完善的养殖管理规范。专门的实驗与检测部门,对养殖水质、苗种进行定期抽检,建立饵料清洁机械投饲体系,还和黄海水产养殖所合作,实现养殖病害远程诊断,保障全程健康养殖。
2.5农机数字化应用效果及发展远景
明波水产有限公司的循环水养殖装备同比国外进口系统建设成本降低30%,运行成本降低10%以上。公司还成立了山东省循环水养殖示范工程技术研究中心,并牵头成立了山东省循环水养殖产业技术创新战略联盟,不断推进工厂化循环水养殖向规模化、装备化、智能化转型。通过大力发展生物育种、智能渔业和精准养殖,构建了陆海统筹接力、海洋深耕细作的高效养殖模式,融合了物联网信息化技术成果,将传统的养殖升级为全程可控模式。
3 养殖过程农机数字化与信息化管理系统
3.1 智能环控系统
通过安装一部“水质哨兵”系统,可实时对水质进行在线监测与对比分析,数字采集设备由位于养殖系统内采集点的探头组成,常见的监测指标包括溶解氧、水温、盐度、pH值数据、氧化还析电位、等离子电位。中央处理设备为电脑终端,负责数据的储存、指令的发布及数据的传递等。报警设备主要指声控报警器,报警方式可灵活设置,或通过APP、短信、电话等多种形式推送给管理人员。
3.2 智能控制系统
主要设备包括在线监测系统、养殖车间视频监控系统、自动数鱼机、灯光精准控制、自动控制精准计量投饵系统与智能控制精确立体高效增氧系统,结合水质监测设备数据,动态控制增氧机开关,保证溶氧的同时,避免电力浪费。灯光智能精准控制可缩短养殖周期、提升饵料利用率。抑制性腺发育生长速度提升12%以上。
3.3 养殖分析系统
实现养殖环境分析、养殖密度分析、养殖产量预测、经济效益分析等基于大数据的分析服务。打样测重智能模块,基于AI图像识别算法,通过手机拍照代替人工打样测重,实现对鱼虾平均重量、规格分布、增长速度、健康状态等信息的分析。
3.4 病害监测预警系统
通过水下相机嵌套AI智能算法,实现鱼、虾病害、行为等不同程度的智能识别与分析,为水产养殖户提供在线水生动物疾病防控技术咨询和辅助诊断,有效解决了水产养殖“看病难”的问题,智能识别病害比人工至少早发现3天。
3.5 质量追溯系统
用户可对包装上的电子二维码进行扫描,可实现水产养殖过程从种苗、养殖、加工、流通到销售全流程的信息化追溯,能有效提升水产品质量和水产品品牌附加值。
4 应用成果与问题建议
4.1 应用成果
4.1.1 水产机械数字化、智能化水平不断提升
随着物联网、卫星导航、遥感技术、智能控制等信息技术在渔场和渔业装备中的应用加速发展,建设了一批集智能农机装备、物联网设施、信息化技术于一体的“数字渔场”“智慧鱼塘”等智能渔机应用场景,水产养殖已从机械化逐步向智能化数字化方向转变。
4.1.2 养殖效率显著提高
养殖设备智能控制,提高工作效率。养殖车间引进了自动投饵机等精准化设备,提高了養殖自动化水平。在莱州湾明波海洋牧场区域,建有“蓝钻一号”“蓝钻二号”2 个大型生态围栏,养殖水体达18万立方米,与陆基循环水融合,首创“陆海接力”绿色生态养殖模式,深水大风箱沉降调节、精准投饵、产品收获实现机械化,养殖产量和效益提高效果显著。
4.1.3 养殖环境与监测能力明显改善
以工厂化养殖升级改造示范项目为抓手,建立远程监管手段,对养殖设备和附属设备进行机械化改造。明波水产与中国农业大学合作完成了国际领先的“水产集约养殖数字化技术与智能装备”技术成果,实现了养殖环境动态监测与自动调控,保障了养殖环境稳定。
4.2 问题建议
4.2.1 水产养殖工艺落后、机械化装备应用不足
近年来,虽然我国机械化水产养殖在某些环节取得了一定成效,但整体机械化水平不足36%。当前,山东省水产养殖业正加快向绿色高效转型升级,设施装备总量持续增长,机械化水平稳步提升。但总体水平还不够高,不同地区、不同养殖方式、不同生产规模、不同生产环节的机械化发展不平衡不充分,设施装备与生产技术集成配套不够等问题亟待解决。
4.2.2 水产养殖机械信息化、自动化、智能化水平较低
目前,水产行业风险高、利润低,市场价格波动大,企业研发积极性不高,特别是应用性研发创新不足。例如,传感器还存在使用时间短、不精确等技术短板问题,水质检测和投喂缺乏智能技术装备支撑,智慧增氧投鉰系统自动化、智能化水平较低,智能巡航船、高效起捕、筏式收获、苗种计数等新装备还处于研发试验阶段,要围绕重点生产环节和市场需求,畅通政策扶持渠道,调整产业结构,大力发展RAS陆基工厂化循环水养殖,打造渔业创新高地。
4.2.3 发展物联网,推动机械化与信息化融合
引进、吸收、创新国际先进材料工艺、微电子、纳米技术。研究水产养殖感知参数之间的互作机理和耦合作用,开发智能补偿校正算法,自主研发传感器,加强智慧渔业装备示范,引导水产养殖和装备生产骨干企业建立水产养殖机械化、信息化示范场,加快物联网、大数据、云计算和人工智能技术在水产养殖机械化中的应用,推进“渔机”融合、加大“渔机”应用,提升水产养殖设施与装备精准化、智能化水平,促进智慧渔业发展。