Изучение эффективности эксплуатации автоматизированной аквапонной установки в зависимости от режимов её работы

Аквапоника - это способ производства сельскохозяйственной продукции на основе симбиотического взаимодействия растений, гидробионтов и микроорганизмов в искусственно созданных системах с целью получения экологически чистых кормов для животных и продуктов питания человека.
Аквапонные системы включают в себя две основные составляющие - аквакультуру и гидропонику.
Аквакультура - вид деятельности по разведению, содержанию и выращиванию рыб, других водных животных, растений и водорослей, осуществляемый под полным или частичным контролем человека с целью получения товарной продукции, пополнения промысловых запасов водных биоресурсов, сохранения их биоразнообразия и рекреации.


Гидропоника - способ выращивания растений на искусственных питательных средах без почвы. Основной причиной широкого распространения этой технологии оказалась высокая экономическая эффективность, получаемая как за счет повышения урожайности, так и вследствие значительной экономии ресурсов.
Аквапоника объединяет в себе преимущества обеих технологий и позволяет снижать себестоимость получаемой продукции за счет синергии взаимодействия гидробионтов, растений и микроорганизмов, а также автоматизации производственных процессов. Продукция аквапоники может использоваться как для кормления сельскохозяйственных животных [1, 2, 5, 6-8], так и в питании человека [4, 9]. Она позволяет в лучшей степени раскрыть генетический потенциал животных [10, 11]. Кроме того, в аквапонике практически не используются пестициды, а сами системы позволяют контролировать основные условия получения продукции (температуру, влажность, химический состав питательной среды, освещенность, режим подачи питательных растворов и т. п.). Это позволяет получать экологически чистую и относительно недорогую продукцию в течение всего года [3, 9].
Цель исследования: создать действующие элементы автоматизированной интенсивной технологии производства экологически чистой продукции аквакультуры и растениеводства в контролируемых условиях специализированных помещений.

Задачи исследования:

1. Разработать и создать действующую модульную комбинированную аквапонную установку (имеющую возможность работы в режиме аквагидропоники) с числовым программным микроконтроллерным управлением на базе имеющейся установки замкнутого водоснабжения (УЗВ) для выращивания аквакультуры.

2. Изучить влияние различных режимов работы данной установки на количество и себестоимость получаемой продукции.

3. На основании проведенных исследований дать практические рекомендации по оптимизации аквапонного технологического процесса производства зеленых кормов для животных и продуктов питания человека в контролируемых условиях закрытых помещений.

Методы и результаты исследования. Для разработки элементов аквапонной технологии нами создана автоматизированная установка на базе имеющейся установки замкнутого водоснабжения (УЗВ) для выращивания гидробионтов. Для получения растительной продукции создан модуль, состоящий из шкафа-купе, двух емкостей для питательных растворов (одна - для гидропонного раствора, вторая - для воды из УЗВ), емкостей для выращивания растений, электронного блока управления авторской разработки, электрических исполнительных устройств (насосы, фитолампы и пр.), труб различного диаметра, соединительной арматуры. Управление работой электрического оборудования осуществляется с помощью микроконтроллера ATMega 8.

В аквапонной установке выращивали клариевого сома и зеленую массу растений салата сорта Московский парниковый.

Схема исследований приведена в таблице 1. Как видно из таблицы 1, в ходе исследований установка для выращивания растений была разделена на три участка. На первом - для питания растений использовались как вода из УЗВ, так и гидропонный питательный раствор, на втором -только вода из УЗВ и на третьем - только гидропонный раствор. Прочие условия выращивания были одинаковы для всех участков и соответствовали рекомендациям по выращиванию салата сорта Московский парниковый.

Для предотвращения попадания остатков гидропонного раствора в УЗВ был разработан особый режим функционирования установки, при котором осуществлялась эффективная промывка емкостей с растениями отработанной водой, сбрасываемой ежедневно из УЗВ.

Часть установки замкнутого водоснабжения была подключена к установке по выращиванию растений. Другая часть УЗВ функционировала автономно. В обеих частях УЗВ выращивался кла-риевый сом при плотности посадки 200 особей на 1 м3 водной среды. Условия выращивания гидро-бионтов в обеих частях установки соответствовали технологическим нормам и были одинаковыми за исключением того, что вода из первой группы бассейнов использовалась для полива растений салата, после чего возвращалась в биофильтр УЗВ, где подогревалась до температуры 28 °С и далее поступала к гидробионтам.

Таблица 1

Схема проведения опыта

Схема проведения опыта

 

В ходе опыта определяли следующие показатели:

• гидрохимические показатели опытных бассейнов

• вегетативная масса и товарное качество растений салата, собранного с 1 м2 площади установки;

• среднесуточный прирост живой массы клариевого сома в возрасте 30-75 сут, выращенного в аквапонной установке в сравнении с выращенным в УЗВ за период проведения опыта;

• расход воды при работе аквапонной установки в сравнении с УЗВ;

• экономическая эффективность работы УЗВ и аквапонной установки.

Гидрохимические показатели опытных бассейнов соответствовали технологическим нормам.
При этом существенных отличий по химическому составу в обеих группах бассейнов не наблюдалось за исключением содержания углекислого газа, концентрация которого в аквапонной установке была меньше в сравнении с УЗВ на 16,4 % и составила 17,8 мг/л. Однако в аквапонной установке имелась тенденция к уменьшению рН среды и количества азотистых соединений, а также к увеличению уровня растворенного кислорода.

Вегетативная масса и товарное качество аквапонного салата представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что средняя масса одного растения салата была достоверно выше на первом участке, где использовался комбинированный аквапонно-гидропонный режим выращивания растений. Данный показатель превысил аналогичный на втором участке (где использовалась только аквапонная вода) на 28,0 % и на третьем участке (где использовался только гидропонный раствор) - на 10,9 % или соответственно - на 40 и 15. Комбинированный аквапонно-гидропонный режим, таким образом, позволил получить с 1 м2 площади установки 8,282 кг вегетативной массы растений салата, что на 2,761 кг больше, чем при традиционном режиме аквапоники (второй участок), и на 0,903 кг больше, чем в гидропонном режиме (третий участок).
Таблица 2

Вегетативная масса и товарное качество аквапонного салата

Вегетативная масса и товарное качество аквапонного салата

Среднесуточный прирост живой массы клариевого сома в возрасте 30-75 сут в обеих группах бассейнов достоверно не отличался и составил 4,72 г/сут в аквапонных бассейнах и в УЗВ -4,70 г/сут. Однако отход рыбы в УЗВ был на 0,5 % выше, чем в аквапонной установке, и составил 3,5 %.

Расход воды как в аквапонной установке, так и в УЗВ лимитировался только необходимостью механической очистки фильтров от накопленного шлама и был практически идентичен - 0,48 м3/сут.
Экономическая эффективность выращивания растений салата при разных режимах работы аквапонной установки представлена в таблице 3. Данные таблицы 3 указывают, что максимальная прибыль от продажи вегетативной массы растений салата в расчете на 1 м2 площади наблюдалась при комбинированном аквапонно-гидропонном режиме работы установки и составила 437,46 руб., что на 322,95 и 87,11 руб. больше, чем при функционировании соответственно в аквапонном и гидропонном режимах.

Уровень рентабельности производства вегетативной массы растений салата на первом участке составил 116,9 %, что на 85,7 и 22,9 % выше, чем на втором и третьем участках соответственно.

Таким образом, комбинированный режим работы установки экономически является наиболее эффективным.

Таблица 3

Экономическая эффективность выращивания растений салата при разных режимах работы

Экономическая эффективность выращивания растений салата при разных режимах работы

В то же время классический аквапонный режим работы показал худшие результаты. Это связано как с более низкой массой полученной продукции, так и с худшим ее качеством.

В аквапонной установке в течение 45 сут было получено прироста живой массы гидробионтов на 456 больше, чем в УЗВ. Это связано с большей сохранностью молоди клариевого сома в аквапон-ной установке - на 0,5 %. Таким образом, прибыль от продажи рыбы составила в УЗВ 738,94 руб., что на 48,13 руб., или 6,1 %, меньше, чем в аквапонной установке. Рентабельность производства кла-риевого сома в аквапонном режиме работы установки составила 22,8 %, что на 1,4 % превосходит аналогичный показатель работы УЗВ.

Таким образом, аквапонная схема производства клариевого сома оказалась экономически более эффективной в сравнении с УЗВ.

Экономическая эффективность получения аквапонной продукции (зеленой массы салата и клариевого сома) при разных режимах работы установки представлена в таблице 4.

Таблица 4

Экономическая эффективность получения аквапонной продукции (зеленой массы салата и клариевого сома) при разных режимах работы установки

Экономическая эффективность получения аквапонной продукции (зеленой массы салата и клариевого сома) при разных режимах работы установки

Данные таблицы 4 указывают на увеличение экономической эффективности работы аквапон-ной установки при комбинированном режиме ее работы в сравнении с классическим аквапонным режимом. Так, прибыль от продажи продукции, произведенной в комбинированном режиме работы установки, составила в расчете на 1 м3 водной среды 879,92 руб., что на 66,94 руб., или на 8,2 %, выше, чем от продажи продуктов, полученных в аквапонном режиме. Рентабельность производства также выше в первом варианте на 1,9 %.
Таким образом, аквапонная установка показала лучшую экономическую эффективность работы в сравнении с УЗВ. При этом наилучший экономический результат был получен при комбинированном аквапонно-гидропонном режиме работы установки.
Заключение. На основании проведенных исследований было выяснено, что существенных отличий по гидрохимическим показателям аквапонной установки и УЗВ не наблюдалось, за исключением понижения уровня углекислоты. Однако в аквапонной установке имелась тенденция к уменьшению рН среды и количества азотистых соединений, а также к увеличению уровня растворенного кислорода. В результате прирост живой массы гидробионтов в аквапонной установке был выше на 456, или на 1,1 %, в течение 45 сут в сравнении с УЗВ. Рентабельность производства клариевого сома в аквапонном режиме работы установки составила 22,8 %, что также на 1,4 % превосходит аналогичный показатель работы УЗВ.
Аквапонный способ выращивания растений салата показал более низкие результаты по массе и качеству получаемой продукции в сравнении с гидропонным. Однако при комбинировании данных методов выращивания были получены наилучшие результаты как по количеству получаемой продукции, так и по ее товарному качеству, что позволило получить с 1 м2 площади установки 8,282 кг вегетативной массы растений салата в течение 45 сут, что на 2,761 кг больше, чем при традиционном режиме аквапоники, и на 0,903 кг больше, чем в гидропонном режиме.
Расход воды в аквапонной установке практически не отличался от аналогичного показателя в УЗВ, но при этом была получена дополнительная продукция растениеводства при высоком уровне рентабельности (116,9 %). Однако удельный вес данной продукции в структуре себестоимости был невысок. Поэтому мы считаем, что необходимо продолжить исследования по оптимизации работы созданной аквапонно-гидропонной установки с целью увеличения доли производимой вегетативной массы растений в структуре аквапонной продукции. Тем не менее, аквапонная установка показала более высокую рентабельность в сравнении с УЗВ на 3,5 %. Поэтому мы рекомендуем для установок замкнутого водоснабжения по выращиванию клариевого сома использовать метод аквапоники либо при наличии технических возможностей комбинировать методы аква- и гидропоники с целью получения дополнительной продукции растениеводства и повышения уровня рентабельности производства.
А.В. Ковригин, А.П. Хохлова, Н.А. Маслова