10-1 مقدمة

ويرتبط مفهوم الأحياء المائية بكونها نظام إنتاج مستدام، حيث أنه يعيد استخدام نظام الاستزراع المائي المخصب بالمغذيات الكبيرة (أي النيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) والكالسيوم (Ca) والمغنيسيوم (Mg) والكبريت (S)) والمغذيات الدقيقة (أي الحديد (Fe) المنغنيز (Mn) والزنك (Zn) والنحاس (Cu) والبورون (B) والموليبدينوم (Mo)) لتخصيب النباتات (Graber and Junge 2009؛ Licamele 2009؛ نيكولز وسافيدوف 2012؛ Turcios وبابنبروك 2014). وهناك سؤال كثير من النقاش هو ما إذا كان هذا المفهوم يمكن أن يطابق طموحه الخاص بأن يكون نظاماً شبه حلقة مغلقة، لأن كميات كبيرة من العناصر الغذائية التي تدخل النظام تضيع عن طريق تفريغ حمأة الأسماك الغنية بالمغذيات (Endut et al. 2010؛ Naylor et al. 1999؛ Neto and Ostrensky 2013). في الواقع، للحفاظ على نوعية المياه الجيدة في أنظمة RAS و aquaponic، يجب أن يتم تصفية المياه باستمرار لإزالة الصلبة. وتقنيتان رئيسيتان للترشيح الصلب هما الاحتفاظ بالجسيمات في شبكة (أي الترشيح الشبكي كمرشحات أسطوانية) والسماح للجسيمات بالصب في أجهزة الترشيح. وفي معظم المصانع التقليدية، يتم استرداد الحمأة من أجهزة الترشيح الميكانيكي هذه ويتم تفريغها كمياه مجارير. في أفضل الحالات، يتم تجفيف الحمأة وتطبيقها كسماد على حقول الأراضي (Brod et al. 2017). والجدير بالذكر أن ما يصل إلى 50% (في المادة الجافة) من الأعلاف التي يتم تناولها تفرز كمواد صلبة بواسطة الأسماك (Chen et al. 1997)، ومعظم المواد الغذائية التي تدخل النظم المائية عن طريق علف الأسماك تتراكم في هذه المواد الصلبة وهكذا في الحمأة (Neto and Ostrensky 2013؛ Schneider et al. 2005). وبالتالي، فإن الترشيح الصلب الفعال يزيل، على سبيل المثال، أكثر من 80٪ من P القيمة (Monsees et al. 2017) التي يمكن استخدامها في الإنتاج النباتي. ولذلك، فإن إعادة تدوير هذه العناصر الغذائية القيمة للتطبيقات المائية ذات أهمية كبيرة. ويبدو أن تطوير معالجة مناسبة للحمأة قادرة على تمعدن المغذيات الموجودة في الحمأة لإعادة استخدامها في الوحدة المائية عملية ضرورية للمساهمة في إغلاق حلقة المغذيات إلى درجة أعلى وبالتالي خفض الأثر البيئي للنظم المائية (Goddek et al. 2015؛ غودديك وكيسمان 2018؛ غودديك وكورنر 2019).

وقد تبين في الدراسات التجريبية أن تكمل محلول المغذيات أكوابونك (أي بعد إضافة نقص المغذيات) يعزز نمو النبات مقارنة بالزراعة المائية (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). وبالتالي، فإن تمعدن الحمأة هو أيضا وسيلة واعدة لتحسين أداء نظام أكوابونك حيث يتم استخدام العناصر الغذائية المستردة لاستكمال الحل أكوابونك. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لوحدات التمعدن في الموقع أن تزيد أيضا من الاكتفاء الذاتي للمرافق المائية، وخاصة فيما يتعلق بالموارد المحدودة باعتبارها P التي تعتبر ضرورية لنمو النبات. يتم إنتاج P من خلال أنشطة التعدين، حيث لا يتم توزيع الرواسب بالتساوي في جميع أنحاء العالم. وبالإضافة إلى ذلك، ارتفع سعره بنسبة تصل إلى 800٪ خلال العقد الماضي (ماكغيل 2012). وبالتالي، فإن وحدات التمعدن المستخدمة في النظم المائية من المرجح أيضا أن تزيد من نجاحها الاقتصادي واستقرارها في المستقبل.

يجب التعامل مع معالجة الحمأة في أكوابونيكش بشكل مختلف عما كان عليه في الماضي. وفي الواقع، فإن الهدف الرئيسي في معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية هو الحصول على النفايات السائلة المطهرة والنظيفة. ويتم التعبير عن أداء المعالجة من حيث إزالة الملوثات (مثل المواد الصلبة، والنيتروجين (N)، والفوسفور (P)، وما إلى ذلك) من المياه المستعملة وعن طريق تحديد كمية النفايات السائلة فيما يتعلق بالجودة المحققة (Techobanoglous et al. 2014). وباستخدام هذا النهج التقليدي، قدمت عدة دراسات أدلة كمية على أن نسبة ثابتة من الطلب على الأوكسجين الكيميائي (COD) ومجموع المواد الصلبة المعلقة يمكن إزالتها عن طريق هضم مياه الصرف الصحي RAS تحت الظروف الهوائية واللاهوائية والتسلسل الهوائي (Goddek et al. 2018؛ شودري وآخرون 2010؛ ميرزويان وآخرون 2010؛ فان رين 2013). ومع ذلك، في النظم المائية، تعتبر مياه الصرف الصحي من الأسماك مصدراً قيماً للأسمدة. وضمن نهج الحلقة المغلقة، يجب تقليل الجزء الصلب الذي يتم تصريفه إلى أدنى حد (أي الحد الأقصى للتقليل العضوي)، ويجب زيادة المحتوى المغذي في النفايات السائلة إلى أقصى حد (أي تعدين المغذيات إلى أقصى حد). ولذلك، لم يعد من الضروري التعبير عن أداء معالجة مياه الصرف الصحي في الأحياء المائية من حيث إزالة الملوثات ولكن من حيث تقليل الملوثات وقدرتها على تمعدن المغذيات.

وقد أظهرت بعض الدراسات القدرة الوظيفية لهضم حمأة الأسماك بالعلاجات الهوائية واللاهوائية لأغراض التخفيض العضوي (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). مع المعالجة اللاهوائية في المفاعل الحيوي، يمكن تحقيق أداء الحد من المادة الجافة العالية (أي TSS) (أعلى من 90% مثلاً) بينما يمكن أيضاً إنتاج الميثان (فان ليير وآخرون 2008؛ ميرزويان وغروس 2013؛ يوغيف وآخرون 2016).

والمعالجة الهوائية للحمأة هي أيضا وسيلة فعالة جدا للحد من المواد العضوية، التي تتأكسد إلى Cosub2/sub أثناء التنفس (انظر Eq. 10.1). فعلى سبيل المثال، تم الإبلاغ عن معدلات تخفيض بنسبة 90% (تحدد هنا كمواد صلبة معلقة، وخفض سمك القد، وBOD) من مرفق لاستعادة موارد المياه (Seo et al. 2017). العمليات الهوائية أسرع من اللاهوائية، ولكنها يمكن أن تكون أكثر تكلفة (Chen et al. 1997) كتهوية ثابتة للحمأة - يتطلب خليط الماء مضخات أو محركات كثيفة الطاقة. وعلاوة على ذلك، يتم تحويل أجزاء كبيرة من العناصر الغذائية إلى كتلة حيوية ميكروبية ولا تبقى مذابة في الماء.

وعلى الرغم من أن هذه الدراسات أظهرت إمكانية الخفض العضوي لحمأة الأسماك، إلا أن عدداً قليلاً فقط من المؤلفين قد فحصوا إطلاق مغذيات محددة (مثل N وP) من حمأة الأسماك. وكانت معظم هذه الدراسات للتجارب القصيرة في المختبر (كونروي وكوتورييه 2010؛ Monsees et al. 2017؛ Stewart et al. 2006) ومن RAS التشغيل (Yogev et al. 2016)، بدلاً من إعداد aquaponic. في حين تمت مناقشته إلى حد ما من الناحية النظرية (Goddek et al. 2016؛ Yogev et al. 2017)، يجب أن يبدأ البحث الآن من أجل التحقيق المنهجي في الانخفاض العضوي وأداء تمعدن المغذيات لحمأة الأسماك لكل من المفاعلات الهوائية واللاهوائية وتأثيره على تكوين المياه والنبات النمو. ولذلك، يهدف هذا الفصل إلى إعطاء لمحة عامة عن العلاجات المتنوعة لحمأة الأسماك التي يمكن دمجها في الاجهزة المائية لتحقيق الحد العضوي وتمعدن المغذيات. وسيتم تسليط الضوء على بعض نهج التصميم. وسيجري مناقشة نهج التوازن الكتلي للمغذيات في سياق معالجة الحمأة المائية، وستوضع منهجية محددة لقياس أداء معالجة الحمأة كمياً.