Technologie przyszłości

Recyrkulacja mono i poligatunkowa, energia odnawialna w akwakulturze.
 
Radosław Kowalski1, Agata Kowalska2
1Zakład Biologii Gamet i Zarodka, Instytut Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności PAN, Olsztyn
2Zakład Akwakultury, Instytut Rybactwa Śródlądowego w Olsztynie
 
Systemy recyrkulacyjne stosowane w akwakulturze to nie synonim systemu produkcyjnego, ale określenie sposobu, w jaki hodowca dba o otaczające go środowisko oraz warunki bytowe hodowanych ryb. Ich obecność w naszym kraju ogranicza się do kilku dosłownie gospodarstw, produkujących ryby jesiotrowate i łososiowate. Główną barierą w rozwoju tej, zrównoważonej w swoim wpływie na otaczające środowisko, technologii produkcji ryb są pieniądze. Inwestycje w układy recyrkulacyjnych stanowią nadal rodzaj lokowania kapitału na długi okres z niską stopą zwrotu. Koszty, jakie ponosi hodowca zakładający obiekt z wykorzystaniem systemu recyrkulacyjnego (RAS) pokrywają nie tylko infrastrukturę niezbędną do produkcji ryb. To także w lwiej części koszty systemu do oczyszczania i uzdatniania wody, pracującego w systemie ciągłym. Gdyby spróbować znaleźć porównanie takiego obiektu do obiektu hodującego krowy mleczne, byłaby to obora, połączona z systemem oczyszczania powietrza (metan) oraz odchodów z nagromadzonych biogenów. Trudno wyobrazić sobie taki obiekt i jeszcze trudniej go wybudować. W przypadku ryb, nośnikiem tlenu (niezbędnego dla metabolizmu) jest woda, której oczyszczanie jest od lat znaną technologią. Co więcej, w ostatnim czasie nastąpił gwałtowny wzrost wiedzy i technologii związanych z oczyszczaniem wody. Głównie dlatego, że kraje rozwinięte zdały sobie sprawę z ograniczonych zasobów wody pitnej na świecie. Przyczynił się do tego nie tylko gwałtowny przyrost ludności, ale także trend migracyjny z terenów wiejskich do miast związany z coraz większą wydajnością produkcji rolnej (gospodarstwa wielkoobszarowe obsługiwane przez maszyny maja ograniczone zapotrzebowanie na siłę roboczą). Trend ten stał się widoczny poprzez rozrost populacji zamieszkujących duże aglomeracje miejskie. Te z kolei potrzebują coraz więcej wody pitnej, oraz wymagają odpowiedzialnego zarządzania ściekami, gdyż często, jedna rzeka służy do pozyskania wody pitnej dla kilkudziesięciu miast. Dzięki tym zjawiskom oraz szalonemu postępowi technologicznemu o bezprecedensowym tempie, rybactwo otrzymało doskonałe narzędzia by uczynić produkcję ryb wręcz arcydziełem wśród produkcji innych źródeł białka zwierzęcego.
A wszystko to w „przededniu” wdrażania Ramowej Dyrektywy Wodnej, która narzuca użytkownikom wód coraz większą dbałość o wykorzystywane zasoby. Jakkolwiek uciążliwość produkcji rybackiej dla wód powierzchniowych w przeliczeniu na kg produkowanego białka zwierzęcego jest znikoma, można sprawić by stałą się wręcz niezauważalna. A skoro można, dlaczego by tego nie zrobić?
Największy problem stanowią nie tyle pieniądze, ile brak wypracowanych standardów technologicznych i mnogość rozwiązań technologicznych stosowanych przez producentów podzespołów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody. To, co sprawdza się w oczyszczalniach ścieków, nie zawsze zdaje egzamin u hodowcy. Z tego względu inwestycję w hodowle na obiegach recyrkulacyjnych stanowią pewnego rodzaju ryzyko i rzadko zdarza się by, wybudowany obiekt już po kilku miesiącach od uruchomienia nie wymagał pewnych „poprawek”. Niemniej nawet i ta niedogodność nie stanowi większego problemu dla hodowców, gdyż stałe poprawianie wybudowanych obiektów leży wręcz w ich krwi, gdyż lubią być na bieżąco z nowinkami technologicznymi i wysoko cenią sobie zwiększanie efektywności produkcji zwłaszcza, gdy jest na nią odpowiedni zbyt.
Systemy recyrkulacyjne charakteryzują się doskonałym stosunkiem kosztów ponoszonych przez środowisko do zysków przynoszących przez obiekt. Jest to jednakże okupione znacznym zautomatyzowaniem hodowli, co oprócz nakładów pieniężnych może także oznaczać czasem redukcję personelu, gdy część jego obowiązków przejmą maszyny (np. automatyczne podajniki pasz, system czujników kontrolujących jakość wody itp.). W tym przypadku zrównoważenie ekonomiczne może zostać osiągnięte jeżeli hodowca zdecyduje się prowadzić produkcję dodatkową taką jak hodowle roślin w systemach akwaponicznych, co skutkuje dodatkowym zatrudnieniem personelu wykwalifikowanego pod innym niż rybacki, kątem. Aspekt technologiczny może także stanowić słaby punkt takich obiektów, gdyż w krajach, które w znikomym stopniu korzystają z ekologicznych źródeł energii, bilans ekologiczny wprowadzania takiej produkcji (niezwykle energochłonnej) może być ujemny. Dla przykładu w Polsce ilość energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych w roku 2010 wynosiła 10,2% całkowitej produkcji energii (Berent – Kowalska i in., 2011). Bilans ten mogą poprawić rozwijające się technologie pozyskiwania energii z wody, elektrowni wiatrowych czy słonecznych, których zastosowanie już obecnie pozwala takim hodowlom na nieomal pełną niezależność energetyczną. Jest to o tyle istotne, że jako wiodący wskaźnik zrównoważonego rozwoju przyjmuje się ilość kWh potrzebnych do wyprodukowania 1kg produktu (za SustainAqua, 2009). Drugim istotnym wskaźnikiem zrównoważenia jest ilość wpływającej wody potrzebnej do wyprodukowania 1 kg produktu. I tutaj hodowle w obiektach recyrkulacyjnych nie mają sobie równych. Stała temperatura, jaką z reguły operują takie hodowle stwarza doskonałą okazję do wyśrubowania wartości kolejnego wyznacznika produkcji zrównoważonej a mianowicie ilości czasu potrzebnego do wytworzenia 1 kg produktu. Innym istotnym współczynnikiem, którym posiłkuje się literatura jest GWP (Global Warming Potential - potencjał globalnego ocieplenia). Jest to emisja CO2, metanu (CH4) i tlenku azotu (N2O). Warto zatrzymać się przy tym parametrze. Jako, że produkcja rybacka stosuje pasze wysokowydajne (Roque d’Orbcastel i in, 2009) a ryby, jako zwierzęta zmiennocieplne, nie tracą energii na podgrzewanie swoich tkanek, z niewiele ponad 1kg paszy możemy otrzymać 1kg ryby. Oznacza to, że niewiele jest odpadów stanowiących główne źródło zanieczyszczeń. I jest tak faktycznie, ryby mają jeden z najniższych wskaźników emisji CO2 na kg mięsa. Co więcej, emisja ta w przypadku obiektów recyrkulacyjnych bywa sztucznie zawyżana, poprzez podawanie wartości emisji CO2 w systemach oczyszczania wody. To tak, jakby do emisji CO2 z hodowli krów czy świń, doliczyć niezbędna emisję CO2 bakterii rozkładających ich odchody. Liczby stałyby się wówczas astronomicznie duże, biorąc pod uwagę, że z ponad 30 kilogramów paszy powstaje 1kg mięsa wołowego, można przyjąć (przy dużym uproszczeniu), że rozkład powstałych biogenów mógłby wymagać około 30 razy większej emisji CO2.
Działanie obiegu zamkniętego uwarunkowane jest właściwym działaniem jego systemu oczyszczającego wodę. Ten z kolei „nie lubi” wahań jakości odpadów. Stąd też tak znaczący nacisk w tego typu produkcji, na jakość stosowanych pasz. Niski stopień wymiany wody w przeliczeniu na wykorzystaną paszę (od 0,1 do 1 m3/kg paszy) wymusza od producentów pasz wyjątkową dbałość o powtarzalność ich składu (całkowity ładunek biogenów i mikroelementów), co nie jest łatwe, biorąc pod uwagę zmieniającą się jakość oferowanej na rynku mączki rybnej, kluczowego składnika pasz wysokowydajnych (Martins et al., 2010). To pasza warunkuje bowiem w obiegach recyrkulacyjnych nie tylko szybkie tempo wzrostu ale i sprawne działanie systemów oczyszczania wody. Tylko przy skutecznie działającym procesie oczyszczania (usunięciu cząsteczek stałych, dwutlenku węgla i redukcji amoniaku tj., denitryfikacji) i natleniania wody możliwa jest produkcja w systemach recyrkulacyjnych.
W procesie oczyszczania wody najbardziej newralgicznym elementem jest zazwyczaj denitryfikacja. Jeszcze niedawno jedynym remedium na wysoki poziom NO3 w obiegach recyrkulacyjnych było dopuszczanie świeżej wody (Schuster and Stelz, 1998). Dzięki postępowi technologicznemu, obecnie mamy do dyspozycji systemy denitryfikacyjne które skutecznie radzą sobie z azotanami (van Rijn et al., 2006). Sam proces denitryfikacji musi przebiegać w specjalnych komorach w warunkach beztlenowych, gdyż takie warunki uwielbiają bakterie denitryfikujące, które sprawnie redukują NO3 do gazu (N2). W tym procesie powstaje także CO2 po którego odgazowaniu woda zmienia odczyn na zasadowy. Dodatkowym przychodem z tej reakcji jest ciepło, które powstaje w procesie denitryfikacji. Jego umiejętne wykorzystanie znacząco zwiększa efektywność produkcji. Ciepło to można chociażby wykorzystać przy podgrzewaniu komór nitryfikujacych, gdyż tutaj graniczną temperaturę działania filtra ustaliła biologia bakterii na poziomie +12°C. W przypadku obiektów pstrągowych w naszej szerokości geograficznej, zimą, wartości takie osiągnąć możemy tylko dzięki podgrzewaniu wody.
Tutaj dochodzimy do problemu energii w obiektach opartych o obiegi recyrkulacyjne. Jej odzyskiwanie na każdym możliwym etapie produkcji jest niezbędne by zwiększyć efektywność energetyczną produkcji. Z pomocą przychodzi nam tutaj również technika, która oferuje systemy do produkcji energii odnawialnej. W przypadku jazów, możliwe jest zastosowanie turbin wodnych, w przypadku gospodarstw wielkoobszarowych, możliwe jest zastosowanie farm wiatrowych. W każdym przypadku korzystać także możemy z wymienników ciepła oraz baterii słonecznych. Bez zintegrowania obiegów recyrkulacyjnych z systemami zaopatrującymi je w energię odnawialną, nawet przy zachowaniu efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia, przy braku dostępności „zielonej energii” na wolnym rynku, nie ma pewności czy jest ona ekologicznie zrównoważona. Tym samym jedna z najważniejszych przesłanek do rozpoczynania takiej właśnie produkcji jest niespełniona. Stąd też w przyszłości, rozpatrywanie takich inwestycji powinno zawsze iść w parze z rozpatrywaniem zapewnienia jej, chociaż w pewnym stopniu, niezależności energetycznej dzięki zastosowaniu odnawialnych źródeł energii.
Ważnym plusem hodowli w systemach RAS jest duży potencjał ochrony przed zagrożeniami epizootycznymi. Znaczny stopień izolacji obiektu ułatwia jego kontrolę. Ponadto specyficzne warunki RAS (wieksze zagęszczenie ryb) pozwalają uzyskać niskie zużycie środków leczniczo-pielęgnacyjnych stosowanych w formie immersji. Co więcej, zyskujemy zarówno na czasie przeprowadzania takiego zabiegu jak i na jego skuteczności (Blancheton et al., 2007).
Każda technologia stworzona przez człowieka, może być i przez niego udoskonalona. Tak też jest z RAS gdzie potencjał rozwoju technologicznego jest nadal olbrzymi (Losordo i in., 1999). Główny kierunek badań mogący zwiększyć wydajność produkcji w obiegach recyrkulacyjnych to doskonalenie składu pasz oraz zastosowanie ozonu w separacji cząstek stałych (Tango i Gagnon, 2003). Dodatkowym problemem do pokonania jest brak źródeł węgla w komorach denitryfikacyjnych (cząstki stałe są wcześniej odseparowane), co powoduje konieczność stosowania „dożywiania” bakterii (Sauthiner i in., 1998). System wykorzystujący węgiel organiczny pochodzący z hodowli może pozwolić na osiągniecie 100% efektywności oczyszczania (Klas i in., 2006) i obniżyć koszty produkcji o całe 10% (Eding i in., 2009). Do nowinek przyszłości należy także zastosowanie bakterii prowadzących beztlenowe utlenianie amoniaku (Mulder i in., 1995; Tal i in., 2009). Również rozwiązanie problemu akumulacji fosforu w wodach poprodukcyjnych wymaga dalszych prac zarówno ze strony producentów pasz (zwiększyć retencję fosforu w rybach) jak i technologów związanych z oczyszczaniem wód tak by możliwe stało się selektywne usuwanie fosforu z wody (Kamstra i in., 2001). Dotychczas, jedynym skutecznym sposobem usuwania fosforu z wody są hodowle multitroficzne (Metaxa i in., 2006).
Zwiększenie wydajności produkcji w obiegach recyrkulacyjnych w naszej strefie klimatycznej, może być także połączone z hodowla polikulturową. Jednak nie w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. W przypadku ryb zimnolubnych latem mamy problem ze zbyt ciepłą wodą w obiektach, w przypadku ryb ciepłolubnych, zimą woda jest zbyt zimna. Gdyby zastosować wymienniki ciepła pomiędzy dwoma obiektami hodującymi te odmienne gatunki (np. pstrąg i karp), można by uzyskać spore oszczędności z tytułu odzyskania energii z wychładzania wody. Układ taki mógłby nawet opierać się o mieszanie wód (najtańsze rozwiązanie) jako, że wymagania co do jakości wody w obiegach zamkniętych, poza temperaturą są podobne. Mieszanie wódy podgrzanej z zimna i odwrotnie, jest tańszym rozwiązaniem niż stosowanie w takich obiektach osobnych podgrzewaczy czy też chłodnic, gdyż ich efektywność nie dorówna nigdy efektywności bezpośredniego mieszania wód o różnych temperaturach. Dodatkowym zyskiem takiej hodowli byłaby współpraca ciepłych filtrów nitryfikujacych „karpiowych” z zimną wodą „pstrągową”. Zwiększenie wydajności procesów nitryfikacji skutkowałoby osiąganiem lepszych parametrów jakości wody w całym roku, bez znacznego zwiększania nakładów na podgrzewanie wody w komorach nitryfikujących. Powrót takiej wody na obiekt pstrągowy mógłby się odbywać poprzez system wymienników ciepła tak, aby energia potrzebna do podgrzania kolejnych porcji wody „pstrągowej” mogła zostać odzyskana, a na obiekt pstrągowy była dolewana woda o wymaganej przez te ryby temperaturze. Taka połączona, zimno i ciepłolubna hodowla, mogłaby stanowić doskonałą alternatywę dla tradycyjnych ośrodków stanowiąc przykład dywersyfikacji produkcji. Taka dywersyfikacja pozwoliłaby nie tylko zmniejszyć koszty produkcji, ale i ograniczyć ryzyko związane ze zmieniającymi się tendencjami na rynkach zbytu. Połączenie takiej hodowli z akwaponiką w naszej strefie klimatycznej mogłoby okazać się doskonałym modelem dla rozwoju przyszłego „zrównoważonego” rybactwa.
 
 
Literatura
Berent – Kowalska G., Kacprowska J., Gogacz I., Jurgaś A., Kacperczyk G. (2011). Energia ze źródeł odnawialnych w 2010 r. GUS Warszawa, 66s.
Blancheton J.P., Piedrahita, R., Eding, E.H., Roque d’Orbcastel, E., Lemarié, G., Bergheim, A., Fivelstad, S. (2007). Intensification of land based aquaculture production in single pass and reuse systems. Aquacultural Engineering and Environment, Asbjorn Bergheim (Ed.). Research Signpost, Kerala, India, p. 21-47.
Eding, E., Verdegem, M., Martins, C., Schlaman, G., Heinsbroek, L., Laarhoven, B., Ende, S., Verreth, J., Aartsen, F., Bierbooms,V. (2009). Tilapia farming using Recirculating Aquaculture Systems (RAS) - Case study in the Netherlands, in a handbook for sustainable Aquaculture, Project N°: COLL-CT-2006-030384, http://www.sustainaqua.org/
Enache I., Cristea V., Ionescu T., and Săndita I., (2011). The influence of stocking density on the growth of common carp, Cyprinus carpio, in a recirculating aquaculture system. Aquaculture, Aquarium, Conservation & Legislation, 4(2): 146-153.
Kamstra, A., Eding E.H., Schneider, O. (2001). Top eel farm upgrades effluent treatment in Netherlands. Global Aquaculture Advocate. 4, 37- 38.
Klas, S., Mozes, N., Lahav, O. (2006). Development of a single-sludge denitrification method for nitrate removal from RAS effluents: Lab-scale results vs. model prediction. Aquaculture 259, 342-353.
Losordo, T. M., Masser, M. P., Rakocy, J. E. (1999). Recirculating aquaculture tank production systems: a review of component options. SRAC, publication no 453.Martins, C.I.M.,  Pistrin, M.G.,  Ende, S.S.W.,  Eding, E.H.,  Verreth, J.A.J., 2009. The accumulation of substances in Recirculating Aquaculture Systems (RAS) affects embryonic and larval development in common carp Cyprinus carpio. Aquaculture 291, 65-73.
Martins, C.I.M., Pistrin, M.G., Ende, S.S.W., Eding, E.H., Verreth, J.A.J. (2009). The accumulation of substances in Recirculating Aquaculture Systems (RAS) affects embryonic and larval development in common carp Cyprinus carpio. Aquaculture 291, 65-73
Martins C. I. M., Eding E. H., Verdegem M. C. J., Heinsbroek L. T. N., Schneider O., Blancheton Jean-Paul, Roque D'Orbcastel Emmanuelle, Verreth J. A. J. (2010). New developments in recirculating aquaculture systems in Europe: A perspective on environmental sustainability. Aquacultural Engineering, 43(3), 83-93.
Metaxa, E., Deviller, G., Pagand, P., Alliaume, C., Casellas, C., Blancheton, J.P. (2006). High rate algal pond treatment for water reuse in a marine fish recirculation system: Water purification and fish health. Aquaculture. 252, 92-101.
Roque d’Orbcastel, E., Blancheton, J.P., Aubin, J., 2009. Towards environmentally sustainable aquaculture: comparison between two trout farming systems using Life Cycle Assessment. Aquacultural Engineering, 40, 113-119.
Sauthier, N., Grasmick, A., Blancheton, J.P. (1998). Biological denitrification applied to a marine closed aquaculture system. Water Res. 32, 1932-1938.
Schuster, C., Stelz, H., (1998). Reduction in the make-up water in semi-closed recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering, 17, 167-174.
SustainAqua (2009). Zintegrowane podejście do zrównoważonej i zdrowej akwakultury słodkowodnej. Podręcznik SustainAqua – Podręcznik zrównoważonej akwakultury. (Eds. L. Váradi, T. Bardócz, A. Oberdieck) 112s.
Tal, Y., Schreier, H.J., Sowers, K.R., Stubblefield, J.D., Place, A.R., Zohar, Y. (2009). Environmentally sustainable land-based marine aquaculture. Aquaculture 286, 28-35.
Tango, M.S., Gagnon, G.A. (2003). Impact of ozonation on water quality in marine recirculation systems. Aquacultural Engineering, 29, 125-137.
van Rijn J., Tal, Y. Schreier, H.J. (2006). Denitrification in recirculating systems: Theory and applications. Aquacultural Engineering 34, 364-376
 
Powrót do listy artykułów
ORGANIZATOR AKCJI
 
PARTNER HANDLOWY