INMATEH - Agricultural Engineering

Transcription

1 MODULAR RECIRCULATING AQUATIC SYSTEM FOR SUPER-INTESIVE FISH BREEDING / SISTEM ACVACOL RECIRCULANT MODULAR PENTRU CREŞTEREA SUPERINTENSIVĂ A PEŞTILOR Ph.D. Eng. Pop A. 1), Ph.D. Eng. Gál D. 2), Eng. David P. 1), Eng. Popovici V. 1) 1) INMA Bucharest, 2) HAKI Szarvas Tel / Fax: 0256/ ; inmatm_pop@yahoo.com Abstract: Recirculating aquatic systems are production units which require major investments at the beginning of the business. The efficiency of the aquaculture done în recirculating systems depends on a series of factors among which the most important is the energy consumption and the safety of the system. To assure a high grade of energy conservation, în a recirculating aquatic system, the number of water recirculations must be as high as possible, but this leads to an increase of energy consumption for water transportation through the system, and for fulfilling the safety conditions of the system it must be designed în such a manner that the possibility of losing the entire culture în case of a diseases or device malfunctioning should not be possible. Because of this, a strictly analyze of the structure of the system is imposed and the optimal solutions for reduction of energetic consumptions and maximization of functioning în safety way must be established. This paper describes such a system for super-intensive breeding of fishes as well as solutions and considerations for realization of these desiderates. Keywords: safety, sturgeons breeding, super-intensive, system INTRODUCTION In the last years the breeding of fishes în recirculating aquatic systems (SAR) has known a significant development, many investors being attracted by the benefits of this type of business, even if major risks are present. Knowing the fact that this is a financially dangerous business, because în case of a disease the whole production could be lost, the system must be designed so that this situation could not be possible [2]. For a recirculating aquatic system for superintensive fish breeding choosing of the equipments must be made în accordance with the maximum daily quantity of food supplied to fishes. The daily estimated rate of food it is based upon the supporting capacity of the system, which usually does not exceed kg of fish / cm of water, even for the most efficient system. Once the breeding capacity and the feeding rate are established, the size of the necessary components can be established by calculating the required water flow. For each component the water flow capacity must be enough to wash and treat the food and fish metabolism residues, as well as to assure a uniform quantity of oxygen în water. Knowing the water flow capacity and the impurities concentration, the system components can be chosen. [3] MATERIALS AND METHODS The factors that influence the dimensioning of a modular RAS The main factors which are taken into consideration for dimensioning a modular recirculating aquatic system are: the space and the shape of the breeding hall; it is Rezumat: Sistemele acvacole recirculante sunt unităńi de producńie ce necesită investińii însemnate la început. EficienŃa acvaculturii practicată în sistemele cu recirculare depinde de mai mulńi factori, printre care cel mai important este energia consumată de sistem şi siguranńa funcńionării sale. Pentru a asigura un grad de conservare al energiei ridicat, într-un sistem acvacol recirculant, trebuie maximizat gradul de recirculare al apei, dar acest lucru conduce la creşterea energiei consumate pentru vehicularea apei, iar pentru a îndeplini condińiile de siguranńă sistemul trebuie proiectat astfel încât să nu existe posibilitatea pierderii întregii culturi în cazul aparińiei unor defecte ale instalańiilor sau erori în procesul tehnologic de creştere a peştilor. Din acest motiv se impune o analiză riguroasă a structurii unui astfel de sistem şi stabilirea soluńiilor optime pentru diminuarea consumurilor energetice şi maximizarea siguranńei de funcńionare. Lucrarea prezintă un astfel de sistem acvacol recirculant de creştere superintensivă a sturionilor, precum şi considerańii şi soluńii în direcńia realizării acestor deziderate. Cuvinte cheie: creşterea sturionilor, siguranńă, sistem, superintensiv INTRODUCERE În ultimii ani creşterea peştilor în sisteme acvacole recirculante (SAR) a cunoscut o creştere semnificativă, tot mai mulńi investitori fiind atraşi de beneficiile unei afaceri de acest gen, deşi există şi riscuri. Cunoscând faptul că aceasta este totuşi o afacere riscantă, deoarece în cazul aparińiei unei boli în rândul peştilor întreaga producńie poate fi compromisă, sistemul trebuie realizat astfel încât această situańie să nu fie posibilă [2]. Pentru un sistem acvacol recirculant de creştere superintensivă a peştilor se recomandă dimensionarea echipamentelor în funcńie de cantitatea zilnică maximă de hrană introdusă în sistem. Aceasta se bazează pe capacitatea de suport a sistemului care, în mod obişnuit, nu depăşeşte kg peşte / mc apă, chiar pentru cel mai eficient sistem. Odată determinate capacitatea de suport şi rata de hrănire, se poate estima mărimea componentelor prin calcularea debitului de apă necesar. Pentru fiecare componentă debitul de apă trebuie să fie suficient de mare pentru a spăla şi trata reziduurile de hrană şi de metabolism ale peştilor, precum şi pentru a furniza o concentrańie uniformă de oxigen. Cunoscând debitul de apă şi gradul de încărcare cu impurităńi, se pot alege componentele sistemului. [3] MATERIALE ŞI METODE Factorii care influenńează dimensionarea unui SAR modular Principalii factori care se iau în considerare la dimensionarea unui sistem acvacol recirculant modular sunt: spańiul şi forma halei de creştere a peştilor; se 13

2 recommended to build a rectangular one, în the center of it being the filtration and cleaning systems of the technological water, and on each side of this installations group will be located the breeding tanks; the size of the tanks; the quantity of fish which that can be bred în a tank is established în correspondence with the tank size, and by default the maximum food introduced în the system every day; the required water flow; that is calculated depending on the portent capacity of the system, the feeding rate and the number of recirculations. Description of a modular RAS A modular recirculating system works as any normal recirculating system, the difference being that the tanks are split into small groups and each group has its own system for maintaining the water quality. As an example we have chosen a recirculating system which has 56 tanks with a diameter of 3 m and 10 tanks with a diameter of 4,5 m, arranged în groups of 14 tanks for the 3 m ones and of 5 tanks the others, as is shown în fig. 1. Each group of tanks has a water supply circuit, a circuit for evacuating water from tanks, a mechanical filter for removing the big impurities from water, a UV sterilizer for removing bacteria and viruses from technological water, a biological filter for decomposing nitrites to nitrates, and aeration oxygenation water systems. A group of tanks, together with all these installations for cleaning the technological water and maintaining its quality, makes a module, which în fact is a small recirculating system. This solution was chosen because it has some economical and functional advantages comparing to a system with a common circuit. By splitting în modules a recirculating aquatic system the initial cost of investment it s a bit higher, due to the fact that more filters and devices are required. At the same time, because of its modular construction, the large dimensions buffer reservoir, used before to collect the recirculation water from all breeding tanks, is no longer needed. This reservoir is replaced with a much smaller one required to collect the renewing fresh water. For the others equipments which compose the two types of systems there are no price differences because these are modular anyway. For working, the breeding tanks need technological water which must fulfill some quality conditions that are well established. To maintain the continuous water supply of the tanks, is required an installation for water circulation through a pipes network well dimensioned which has to assure the needed water for a module. în order to meet the established technological parameters, the water must pass through a filtration system where the water is cleaned off big impurities and is chemically conditioned (by neutralization of ammonia and nitrogen) and only after that the water can enter the supply installation for the tanks. The supply installation it is made from a closed main pipeline through which the technological water it is distributed into the breeding tanks with the help of taps. The water evacuation installation from the tanks plays the role to transport the used water through pipes to the filtration group. The supply and evacuation installation forms the recirculation installation. Considering that currently în our country are made round tanks with the interior diameter of 3 m and 4,5 m from fibreglass reinforced polyester (recommended material for fish breeding tanks), and the acquisition of recomandă o hală de formă dreptunghiulară, în centrul acesteia fiind amplasate sistemele de filtrare şi curăńire a apei tehnologice, iar de o parte şi de alta a acestui grup de instalańii se vor amplasa bazinele de creştere; mărimea bazinelor; în funcńie de aceasta se determină cantitatea de peşte ce poate fi crescută într-un bazin, implicit cantitatea de hrană maximă introdusă într-un sistem într-o zi; debitul de apă necesar; acesta se calculează în funcńie de capacitatea portantă a sistemului, rata de hrănire şi numărul de recirculări. Descrierea unui SAR modular Un sistem acvacol recirculant modular funcńionează la fel ca oricare sistem acvacol recirculant, diferenńa fiind reprezentată de împărńirea bazinelor în grupuri restrânse, fiecare grup având sisteme individuale de menńinere a calităńii apei. S-a ales ca model un SAR care are în componenńă 56 bazine cu diametrul de 3 m şi 10 bazine de 4,5 m, aranjate în grupuri de câte 14 bazine pentru cele de 3 m şi de câte 5 bazine cele de 4,5 m, aşa cum se observă în fig. 1. Fiecare grup de bazine are un circuit de alimentare cu apă, un circuit de evacuare a apei din bazine, un filtru mecanic pentru eliminarea impurităńilor grosiere din apă, un sterilizator cu raze UV pentru eliminarea bacteriilor şi viruşilor din apa tehnologică, un filtru biologic pentru descompunerea nitrińilor în nitrańi, sisteme de aerare şi oxigenare a apei. Grupul de bazine, împreună cu toate aceste instalańii de curăńire a apei tehnologice şi de menńinere a calităńii ei, formează un modul care, în esenńă, reprezintă un sistem acvacol recirculant de dimensiuni mici. S-a optat pentru această soluńie deoarece, fańă de un sistem cu un singur circuit comun, sistemul modular prezintă o serie de avantaje, atât economice, cât şi tehnicofuncńionale. Dezavantajul sistemului acvacol recirculant împărńit pe module este costul ceva mai ridicat al investińiei inińiale, datorat faptului că sunt necesare mai multe filtre mecanice şi pompe, dar de capacitate mai mică. În acelaşi timp însă, prin construcńia modulară a sistemului se elimină bazinul tampon de dimensiuni mari necesar colectării apei recirculate de la toate bazinele de creştere, acesta fiind înlocuit cu unul mult mai mic, necesar colectării apei proaspete, de primenire. La celelalte echipamente care compun cele două tipuri de sisteme nu sunt diferenńe de preń, deoarece acestea oricum sunt modulare. Pentru a funcńiona bazinele au nevoie în primul rând de apă tehnologică, care să îndeplinească anumite condińii cantitative şi calitative bine stabilite. Pentru a asigura alimentarea continuă a bazinelor este nevoie de o instalańie de vehiculare a apei printr-o reńea de conducte corect dimensionată care să asigure necesarul de apă pentru un modul. Pentru ca apa să îndeplinească parametrii tehnologici stabilińi trebuie să treacă printr-un sistem de filtrare unde apa se curăńată de impurităńile grosiere şi este condińionată chimic (prin neutralizarea amoniului, şi a nitrińilor), iar apoi este introdusă în instalańia de alimentare a bazinelor. Aceasta este formată dintr-o conductă magistrală închisă, prin intermediul căreia apa tehnologică este distribuită la bazinele de creştere prin intermediul unor robinete. InstalaŃia de evacuare a apei din bazine are ca scop transportarea prin conducte a apei uzate spre grupul de filtrare. Aceste două instalańii împreună formează instalańia de recirculare a sistemului. Având în vedere că în prezent, la noi în Ńară se produc bazine circulare cu diametrul interior de 3 m, respectiv 4,5 m, din poliester armat cu fibră de sticlă (material indicat pentru bazine de creşterea peştilor) iar 14

3 these from import is too expensive, realization of modules with these type of tanks was considered proper. The size of this tanks allows the production în optimum conditions of all types of sturgeons, as well as some other species. At the same time from the space using efficiency point of view, keeping în the same time the posibility for intervention for doing differrent types of technological operations, the optimum disposal of the tanks with the diameter of 3 m is în groups of four. The tanks with the diameter of 4,5 m can be arranged only în a row beacause of the operating difficulties which could appear when grouping them. The componence of a module must be such chosen so that the water volume should be not low because the investments cost of the investition will grow, but also not high, due to the reasons mentioned above. At the same time the equipments capactity which are used în the system should be taken into consideration, especially those used for mechanical and biological filtration. There is a wide variety of mechanical filters, may companies from Europe producing such filters, with capacities within the range of 35 m 3 /h to m 3 /h, with differents sizes of the sieve gap. Taking în consideration the size of the tanks which are manufactured în our country, în correlation with the capactiy of the rotational mechanical filters, we consider that the optimum size of a rotational mechanical filter în order to serve a module should be between m 3 /h. achizińionarea altor mărimi din import ar fi mult mai costisitoare, s-a considerat oportună realizarea de module compuse doar din aceste tipuri de bazine. Mărimea acestor bazine permite creşterea în condińii optime a tuturor speciilor de sturioni, dar şi a altor specii de peşti. Totodată, din punct de vedere al eficienńei utilizării spańiului, păstrând în acelaşi timp posibilitatea de intervenńie pentru efectuarea diferitelor operańii tehnologice, dispunerea optimă a bazinelor cu dimetrul de 3 m este în grupuri de câte patru. Bazinele cu diametrul de 4,5 m nu pot fi dispuse decât în şir, din cauza dificultăńilor de operare care ar rezulta ca urmare a grupării lor. ComponenŃa unui astfel de modul trebuie aleasă astfel încât volumul total de apă să nu fie nici prea redus deoarece ar creşte costurile de investińie, dar nici prea mare, din considerentele arătate mai sus. În acelaşi timp trebuie să se Ńină cont şi de capacitatea echipamentelor care compun sistemul, în special acelea utilizate pentru filtrarea mecanică şi biologică. Oferta de filtre mecanice rotative este variată, multe firme din Europa producând asemenea filtre, cu capacităńi cuprinse între 35 m 3 /h şi m 3 /h, cu diferite mărimi ale ochiurilor sitei. łinând cont de mărimea bazinelor fabricate uzual la noi în Ńară, corelată cu capacitatea de filtrare a filtrelor mecanice rotative, se consideră ca mărimea optimă a unui filtru mecanic rotativ, necesar să deservească un modul, trebuie să fie între m 3 /h. Fig. 1 - Super-intensive fish growth system in recirculating system / Sistem de creştere superintensivă a peştilor în sistem recirculant 15

4 Technical and functional characteristics An example of positioning of a modular SAR, is shawn în figure 2. The system has modules with two types of tanks: 1. The module for juveniles breeding made out of 14 round tanks with the diameter of 3 m. The volume of water contained în the module 1 is: V 1 = 14 x 5,65 mc = 80 mc 2. The modul for breeding consumption fish made out of 5 tanks with the diameter of 4,5 m. The volume of water contained în the module 2 is: V 2 = 5 x 15,9 mc = 80 mc The total water volume of the system is: V T = 6 x 80 = 480 mc If it is considered the medium hydraulic resident span of 1 hour (1 recirculation/hour), the volume of water recirculation în one hour for each module is: Caracteristici tehnico-funcńionale Un exemplu de amplasare a unui SAR modular este prezentat în figura 2. Sistemul are în componenńă module cu două tipuri de bazine: 1. Modul de creştere puiet format din 14 bazine circulare cu diametrul de 3 m Volumul de apă conńinut în modulul 1 este: V 1 = 14 x 5,65 mc = 80 mc 2. Modul de creştere peşte de consum format din 5 bazine cu diametrul de 4,5 m Volumul de apă conńinut în modulul 2 este: V 2 = 5 x 15,9 mc = 80 mc Volumul total de apă al întregului sistem este: V T = 6 x 80 = 480 mc Dacă se consideră durata medie de rezidenńă hidraulică o oră (1 recirculare/oră), volumul de apă recirculată într-o oră în fiecare modul este: Fig. 2 - Scheme for components placement of a modular RAS / Schemă amplasare componente SAR modular Q 1 = 80 m 3 /h; Q 2 = 80 m 3 /h. Results that all equipments of a module, the pumps, the mechanical filter, the biological filter, the UV lamps for water disinfection, the aeration installation and the water heating installation, should be dimensioned for this flow capacity. Having close sizes, the dimensioning was made for 80 m 3 /h. At the same time the water supply networks and the evacuation systems were dimensioned for this flow capacity. Each module has în its constitution: - Breeding tanks; - System for water evacuation from the tanks; - Installation for mechanical filtration for water; - Pumping group; - Installation for biological filtration of water; - UV installation for water disinfection; - Aeration installation; - Oxygenation installation; - Tanks supply system; - Feeding devices; Q 1 = 80 m 3 /h; Q 2 = 80 m 3 /h. Rezultă că toate echipamentele unui modul, pompele, filtrul mecanic, filtrul biologic, lămpile UV pentru dezinfecńia apei, instalańia de aerare şi instalańia de încălzire a apei, trebuie dimensionate pentru aceste debite. Fiind foarte apropiate ca mărime, dimensionarea s-a făcut pentru 80 m 3 /h. În acelaşi timp, şi reńelele de alimentare cu apă a modulelor şi sistemele de evacuare au fost dimensionate pentru acest debit. Fiecare modul are în componenńă: - Bazine de creştere; - Sistem de evacuare a apei din bazine; - InstalaŃie de filtrare mecanică a apei; - Grup de pompare; - InstalaŃie de filtrare biologică a apei; - InstalaŃie UV pentru dezinfectarea apei; - InstalaŃie de aerare; - InstalaŃie de oxigenare; - Sistem de alimentare a bazinelor; - Dispozitive de furajare; 16

5 - Automation, command and control installation; - Safety system (electric power generator group for the whole system). RESULTS This modular system has the next advantages. The biological material it is kept în safety against of eventual diseases. The circuits being separate, the possible germs which might appear în a tank belonging to a module cannot spread în the total volume of water of the whole system. în this way the fish from the other modules will not be affected în any way and so a massive loss of fish is avoided. The functioning of the system it is much safer, the eventual malfunctioning of the installations which might occur, especially în functioning of pumps and mechanical filters, do not affect all the tanks. Because a module has a much smaller amount of water than the entire system, until the defections are remediated the water quality can be maintained, if possibly, by increasing the fresh water flow. Each module can be used for breeding of different species of fish, because the water parameters can be optimized for each module, according to every species needs. The working costs of the systems are lower compared to a system with one common water circuit. The energy used for heating or cooling, aeration, filtration and disinfection with UV rays, is the same for both types of systems, but the energy used for water pumping is smaller for the modular systems, because the same amount of water is moved but, at a lower pumping height. So the energy used for the modular system is two times smaller than the one used for a normal system. Disadvantages The initial cost of the investment is higher because some installations of smaller capacity are more expensive than one big installation with a capacity equal to the sum of all the smaller ones. CONCLUSIONS The modular recirculating aquatic systems gives a plus of safety for the whole system, reducing nearly to zero the possibility of losing the entire culture. Due to the small dimensions of a module and respectively the small dimensions of the installations and equipments used for a module, the remediation of eventual defects appeared can be made fast and în safety, as well as the possibility of maintaining the water quality for a longer time is bigger. Even though the initial investment cost is higher because of the price difference between a higher amount of installations with a capacity equal to the capacity of a single installation, the safety given by such system is worth because on a long term the system is more safe, so the bankruptcy because of entire culture loss can be avoided. Besides, a modular system gives the possibility of breeding a wide variety of species în every module and reduces the exploitation costs. BIBLIOGRAPHY [1]. Bura M. (2008) Manual of presentation and use of superintensive breeding technology for sturgeons with recirculating water, Eurobit Publishing House, Timisoara, Romania; [2]. Cristea V, Grecu I., Ceapă C. (2002) Engineering of aquaculture recirculating systems, Didactic and - InstalaŃie de automatizare, comandă şi control; - Sistem de siguranńă (grup electrogen pentru întregul sistem). REZULTATE Acest sistem modular prezintă mai multe avantaje. Se asigură protecńia sanitar veterinară a materialului biologic împotriva unor eventuale îmbolnăviri. Circuitele fiind separate între ele, eventualii germeni patogeni care ar putea apărea într-un bazin aparńinând unui modul, nu se pot răspândii în volumul total de apă al întregului sistem. În acest fel peştii din celelalte module nu vor fi afectańi în nici un fel şi se vor evita pierderile masive de material piscicol. FuncŃionarea sistemului este mult mai sigură, deoarece eventualele defecńiuni care pot apărea, în special la funcńionarea pompelor şi a filtrelor mecanice, nu afectează toate bazinele. Deoarece un modul are un volum de apă mult mai mic decât tot sistemul, până la remedierea defecńiunilor se poate menńine calitatea apei, dacă este posibil, prin mărirea debitului de primenire. Fiecare modul poate fi utilizat pentru creşterea de specii diferite de peşti, deoarece parametrii apei pot fi optimizańi pentru fiecare modul în parte, în funcńie de necesităńile fiecărei specii. Costurile de exploatare ale sistemului sunt mai reduse comparativ cu un sistem cu un singur circuit de apă comun. Energia consumată pentru încălzire/răcire, aerare, filtrare şi dezinfecńie cu raze UV este aceeaşi în ambele cazuri, dar cantitatea de energie consumată pentru pomparea apei este mai mică în cazul sistemului modular, deoarece se vehiculează acelaşi volum de apă, dar la o înălńime de pompare mai mică. Energia consumată pentru pomparea apei în cazul sistemului modular este de aproximativ două ori mai mică decât la sistemul cu circuit comun. Dezavantaje Costul inińial al investińiei deoarece mai multe instalańii de filtrare de capacitate mai mică sunt mai scumpe decât una singură cu capacitatea echivalentă cu cea a celor mici însumate; CONCLUZII Sistemele acvacole recirculante modulare oferă o siguranńă sporită întregului sistem, reducând aproape la zero posibilitatea pierderii întregii culturi. Datorită dimensiunilor reduse ale unui modul şi în consecinńă a instalańiilor şi echipamentelor, remedierea eventualelor defecte apărute se poate realiza rapid şi în siguranńă, totodată având posibilitatea menńinerii pentru mai mult timp a calităńii apei la parametrii optimi. Deşi investińia inińială este mai mare, datorită diferenńei de preń dintre un număr mai mare de instalańii cu o capacitate şi cel al unei singure instalańii cu capacitate echivalentă celor de dimensiuni mai mici, aceasta nu este cu mult mai mare şi se justifică datorită plusului de siguranńă oferit investińiei, pe partea financiară şi a siguranńei sistemului. Pe lângă aceasta un sistem modular oferă şi posibilitatea unor culturi diversificate, în fiecare modul putând fi culturi din specii diferite de peşti, iar costurile de exploatare reduse. BIBLIOGRAFIE [1]. Bura M. (2008) Manual de prezentare şi utilizare a tehnologiei de creştere a sturionilor în sistem superintensiv cu apă recirculată, Editura Eurobit Timişoara, România; [2]. Cristea V, Grecu I., Ceapă C. (2002) Ingineria sistemelor recirculante din acvacultură, Editura 17

6 Pedagogic Publishing House, R.A. Bucharest, Romania; [3]. Lazu D., Patriche, Talpeş M., Cristea V., Metaxa I. (2008) Romanian sturgeons, Excelsior Art Publishing House, Timisoara, Romania. Didactică şi Pedagogică, R.A. Bucureşti, România; [3]. Lazu D., Patriche, Talpeş M., Cristea V., Metaxa I. (2008) Sturionii din România, Editura Excelsior Art, Timişoara, România. 18