بلغ الاستزراع السمكي العالمي 50 مليون طن في عام 2014 (منظمة الأغذية والزراعة 2016). ونظرا لتزايد عدد السكان من البشر، هناك طلب متزايد على بروتينات الأسماك. ويتطلب النمو المستدام للاستزراع المائي تقنيات (حيوية) جديدة مثل إعادة تدوير نظم الاستزراع المائي (RAS). RAS لديها استهلاك منخفض للمياه (أوريانا 2014) والسماح لإعادة تدوير المنتجات المطرح (Waller et al. 2015). يوفر RAS ظروفا معيشية مناسبة للأسماك، نتيجة لمعالجة المياه متعددة الخطوات، مثل فصل الجسيمات، النتريكاتيون (الترشيح الحيوي)، تبادل الغاز والتحكم في درجة الحرارة. يمكن نقل المنتجات المذابة والجسيمية إلى المعالجة الثانوية مثل إنتاج النبات (Waller et al. 2015) أو إنتاج الطحالب في أنظمة الزراعة المائية المتكاملة (IAAC). وتعد نظم اللجنة المستقلة للمراجعة بدائل مستدامة لنظم الاستزراع المائي التقليدية، وهي على وجه الخصوص توسعا واعدا إلى نظام RAS. و سيكون من الضروري في نظام RAS تعميم مياه العملية التي لها آثار خاصة على تكنولوجيا المعالجة في كل من نظام RAS و الطحالب و المصانع. ومن أجل الجمع بين نظام RAS والطحالب والنباتات، يعد الفهم العميق للتفاعل بين معالجة الأسماك والمياه شرطاً أساسياً ويمكن استخلاصه من النمذجة الديناميكية. ويتبع الأيض في الأسماك نمطًا يوميًا يمثله بشكل جيد معدل إجلاء المعدة (Richie et al. 2004). ويخضع فصل الجسيمات والترشيح الحيوي وتبادل الغاز لنفس النمط. ول أغراض التصميم, ينبغي التحقيق في توصيف المكونات الأساسية لنظام معالجة RAS من خلال نماذج المحاكاة. نماذج المحاكاة هذه معقدة للغاية. النماذج العددية المتاحة لراس التقاط سوى جزء صغير من التعقيد والنظر فقط جزء من المكونات مع الآليات المقابلة. وبالتالي، في هذا الفصل، سيتم عرض جزء صغير فقط من نموذج RAS الديناميكي، أي الترشيح الحيوي القائم على النتريفيكاتيون. ويعد تحويل الأمونيا السامة إلى نترات عملية مركزية في عملية معالجة المياه في RAS. في ما يلي، سيتم توضيح النمذجة الديناميكية للتوازن الكتلي لإفراز الأمونيا للأسماك وتحويل الأمونيا إلى نترات، فضلا عن نقل المغذيات إلى نظام أكوابوني. ومع ذلك، من الممكن ليس فقط هندسة RAS ولكن أيضا دمج إنتاج الأسماك في نظام IAAC على أساس معايير صالحة.

11.3.1 النموذج الديناميكي للترشيح الحيوي القائم على النيتريفيكاتيون في راس

وينقسم النموذج إلى نموذج سمكي للماس الأوروبي، Dicentrarchus labrax، وهو نموذج يصف إفراز الأمونيا الذي يعتمد على الوقت، ونموذج النتروية (الشكل 11.8). يتم إدخال نمط إفراز الأسماك في النموذج من خلال ناقلات المدخلات u (Eq. 11.15)، على غرار النهج الذي استخدمه Wik et al. (2009). يتم الحفاظ على تعقيد نموذج الأسماك منخفضة لتكون قادرة على شرح طريقة تنفيذه. ومع ذلك، ترد في القسم 11-3-2 مقدمة قصيرة عن نمذجة الأسماك. أربعة جوانب أساسية هامة لوصف تدفق المغذيات في RAS (Badiola et al. 2012) هي:

1 - ويحدد التدفق Q، وهو إجمالي تدفق مياه العملية لكل وحدة زمنية من خلال RAS، النقل الشامل لجميع المواد المذابة والجسيمية، بما في ذلك الأمونيا والنترات. 2 - إفراز الأمونيا المدخلات من الأسماك إلى المياه المعالجة RAS وتصور من قبل المنتج من المصفوفة B وناقلات ش (مكافئ 11.15). 3 - و يصور تحويل الأمونيا إلى نترات, الذي يحدث في النتريكاتيون, في ناقلات النتريكاتيون n (مكافئ 11.15). 4 - يتم تصوير نقل المغذيات من RAS إلى نظام HP المتصل في vectoru (مكافئ 11.15). ولا يتم النظر هنا في الجوانب الهامة الأخرى لسلسلة عمليات RAS مثل الإزالة الصلبة وتركيز الأكسجين المذاب وتركيز ثاني أكسيد الكربون. يمكن العثور على تلميحات لنمذجة هذه في الأقسام. [3.1.1](/المجتمع/المقالات/3-1-مقدمة #311 -history-of-RAS) و [3.2.2](/المجتمع/المقالات/3-2-استعراض المياه مراقبة جودة-في راس #322 -الأمونيا) من هذا الكتاب.

الشكل 11.8 إعداد RAS مع خزان السمك، مضخة، مفاعل النتريفيتيون ونقل المياه إلى النظام المائي

#11.3.2 الأسماك

وهناك مجموعة متنوعة من النماذج في الأدبيات العلمية تتنبأ بالنمو وتناول الأعلاف من الأنواع المائية المختلفة. تصف النماذج النمو بأنه زيادة الوزن في اليوم، أو كزيادة في النسبة المئوية للنمو، أو كمعدل نمو محدد يستند إلى نموذج نمو أسي. النماذج غالبا ما تكون صالحة لمراحل حياة محددة. ويؤثر استهلاك العلف والكتلة الحيوية ونوع الجنس على الناتج النموذجي وكذلك على الظروف البيئية مثل درجة الحرارة ومستوى الأكسجين وتركيز المغذيات (Lugert et al. 2014). هناك حاجة إلى بحث دقيق لتحديد النموذج الصحيح المستخدم للتطبيق المحدد. وتتطلب شركة RAS التجارية التي تتكون من عدة مجموعات من الأسماك في مراحل مختلفة من الحياة وضع نماذج لدمج مجموعات في النموذج (الشكل 8.6) (Halamachi و Simon 2005). يمكن تقدير التدفق الكتلي المطرح للماس الأوروبي (Dicentrarchus labrax) باستخدام الخوارزميات التي نشرتها Lupatsch and Kissil (1998).

هنا يقدر صافي تدفق كتلة النيتروجين إلى مياه العملية من تكوين العلف (محتوى البروتين)، وكمية الأعلاف المعطاة والنيتروجين المحتفظ بها في أنسجة الجسم من خلال نمو (زيادة الوزن) الأسماك. ولم تدرج خسائر النيتروجين البرازي في النموذج، ولكن يتم تصحيح معدل الإفراز بافتراض وجود حصة قدرها 0.25 و0.75 من إفراز النيتروجين بسبب فقدان البراز وإفراز الأمونيا، على التوالي. ويقدر مدخلات النيتروجين من خلال تغذية الأسماك من محتوى البروتين ومتوسط المحتوى النسبي للبروتينات من النيتروجين الذي يفترض أن يكون 0.16. ويذكر أن محتوى البروتين في أنسجة القاروص يبلغ حوالي 0.17 غرام من البروتينات غسوب-1/سوب القاروص (لوباتش وآخرون 2003). بالنسبة للأسماك التي تكتسب وزن الجسم عن طريق استهلاك كمية معينة من الأعلاف، يمكن حساب إفراز النيتروجين (XSubn، المفرزة/الفرعية، g) من مكافئ (11.9). ومن المفترض أن تغذية (Xsubfeed/sub) تحتوي على 0.5 غرام من البروتين غسوب-1/سوب الأسماك. ومن المفترض كذلك أن معدل تحويل العلف يساوي 1، أي 1 غرام من استهلاك العلف يؤدي إلى 1 غرام من زيادة وزن الجسم (الشكل 11.9):

$ X_ {N، تفرز} = X_ {تغذية} * 0.16 * 0.75 * (0.5 - 0.17) $ (11.9)

وتتبع الأمونيا المذابة التي تفرز عن طريق خياشيم الأسماك نمطا يوميا مماثلا لمعدل إجلاء المعدة (GER). وقد وصف He و Wurtsbaugh (1993) و Richie et al. (2004) على التوالي GER بالنسبة لأسماك الماء البارد والماء الدافئ. يمكن محاكاة نمط الإخراج بشكل جيد مع وظيفة جيبية. يمكن حساب إفراز الأمونيا من مكافئ (11.10):

$X_ {nH_X-N, تفرز} =X_ {N, تفرز} [ز] * (الخطيئة (\ فارك {2\ بي} {1440}) +1) $ (11.10)

** الشكل 11.9** تمثيل التدفقات الكتلية (مخطط سانكي) لمكونات العلف والمنتجات المطردة لأسماك تستهلك 1000 غرام من الأعلاف بافتراض أن نسبة FCR 1

11.3.3 راس

يمكن العثور على مجموعة متنوعة من النماذج التي تصف RAS ذات مستويات مختلفة من التعقيد في الأدب. وهناك نماذج معقدة للغاية متاحة لجوانب محددة، مثل تفاعل الغازات القابلة للذوبان والقلوية (كولت 2013) أو وصف المجتمع الجرثومي (Henze et al. 2002). يتم نشر نماذج أكثر عملية للتوازن الشامل لـ RAS من قبل سانشيز-روميرو وآخرون (2016)، وباغاند وآخرون (2000)، وفيك وآخرون (2009)، وويذرلي وآخرون (1993). توفر جميع النماذج معلومات عن تدفقات الكتلة المفرغة و/أو تدفقات المغذيات اعتمادًا على الوقت والمكان في سلسلة العمليات. توفر هذه النماذج قاعدة لمحاكاة اقتران راس و هب. أهم المادة المذابة في نمذجة RAS هو مجموع النيتروجين الأمونيا (TAN). وإلى جانب TAN، يحتاج الطلب على الأوكسجين الكيميائي (COD) والبيولوجي (BOD)، إلى النظر في إجمالي المواد الصلبة المعلقة (TSS) وتركيز الأكسجين المذاب. ومع ذلك، فإن الرموز المختلفة في الأدبيات العلمية تجعل من الصعب في بعض الأحيان قراءة المعلومات وتحويلها وتنفيذها إلى نماذج. وفي ما يلي، ستستخدم الرموز التي أوصت بها شركة كوروميناس وآخرون (2010). سيتم إعادة كتابة تان كما XSubnHX-N/الفرعية وسيتم التعبير عن النيتروجين النترات كما XSubno3-N/sub.

11.3.4 مثال نموذجي

النموذج كما هو موضح في ما يلي صالح فقط لراس المقدمة في الشكل 11.8. و ترد مناقشة لسلاسل العمليات الممكنة الأخرى لنظام RAS في القسم 11.3 من هذا الفصل. من أجل التصوير الرياضي للنظم الفيزيائية، تم وضع الافتراضات التالية:

) أ (يفترض أن تكون كثافة المياه ثابتة.

ب (يفترض أن الصهاريج و المفاعل مختلطا جيدا.

ج (يفترض أن يكون حجم الصهاريج و المفاعلات ثابتا.

(د) تدفق مياه العمليات يكون دائما أكبر من الصفر.

ويؤدي افتراض وجود خزان ومفاعل مختلط جيدا إلى معادلة توازن كتلة لمفاعل الدبابات المقلبة المستمر (CSTR) كما وصفه دراير وهوارد (2014) في المعادل (11.11). وتجدر الإشارة إلى أن العمليات المنتشرة يمكن إهمال عادة في حسابات RAS بسبب معدل تدفق مياه المعالجة العالية عادة. بالنسبة لRAS متعدد الدبابات، يحمل ما يلي:

تراكم = تدفق - تدفق خارج+توليد - تخفيض

$V_I {\ نقطة س} I = Q {في} X_ {ط, في} -Q_ {خارج} X_ {أنا, خارج} +X_ {ط, الجنرال} -x_ {ط, أحمر} $ (11.1)

$j=\ ابدأ {الحالات} n، & i=1\ أنا 1، & أنا\ n1 \ نهاية {الحالات} $ (11.1)

في المعادلة المذكورة أعلاه $ ن $ يمثل عدد الدبابات في النظام، $ {\ dot x} i $ هو تغيير تركيز الركيزة معين x في حجم معين من قبل $ V {أنا.} $. يتم تمثيل تدفق المياه العملية إلى الخزان أو المفاعل بواسطة $ Q {in} $. $ V_I $ هو حجم المكون حيث تدفق المياه عملية Q_ $ {in} $ يدخل في. تدفق المياه عملية $ Q_ {in} $ جاء من مكون وجود حجم $ V_J $.

تحويل XSubnHX-N/sub إلى XSubno3-N/sub في الفلاتر الحيوية النتريفيج يحدث على مساحة السطح A [msup2/sup] المتاحة على الحاملات الحيوية في مفاعل النتريفيكاتيون (Rusten 2006). يتم حساب السطح النشط بيولوجيا المتاحة في النتريفيكاتيون بضرب حجم المفاعل مع السطح النشط للحجم المحدد للحاملات الحيوية ASUBS/sub [msup2/sup msup-3/sup]. ويحسب مجموع السطح النشط بيولوجياً (مكافئ 11.12) من الحشو النسبي لمفاعل النتريفيجة الذي يبلغ عادة 0.6 (للاطلاع على التفاصيل، انظر روستين 2006).

A = فسوبنيتريفيكات/الفرعية □ أسوبس/الفرعية ÷ فسوبك/الفرعية (11.2)

تم حساب إجمالي التحويل الميكروبي اليومي TAN μsubmax/sub g dsup-1/sup بضرب معدل تحويل TAN (النتريفيكاتيون) المحدد، NHXSubConversion-Rate/sub [g MSUP-2/sup]، مع إجمالي مساحة السطح النشط، A [msup2/sup]، للحاملات الحيوية. يمكن العثور على قيم تحويل TAN في أنواع مختلفة من المرشحات الحيوية النتريفيج في الأدب. أما بالنسبة لمفاعلات الأغشية الحيوية القاعية المتحركة، فيبلغ Rusten (2006) عن القيم. هذا المعدل صالح لظروف عملية معينة، ويفترض أن البكتيريا الحيوية متطورة بالكامل على العموم.

$ μ_ {مم} = A ^ *NHX_ {معدل التحويل} $ (11.13)

ويمكن بعد ذلك حساب الكتلة الإجمالية لـ NHSubx/sub المحولة إلى Nosub3/sub-n باستخدام حركية Monod (مكافئ 11.14). لهذا تركيز NHSubx-N/sub، XSubnHX-N،2/sub [g 1sup-1/sup]، في حجم مفاعل النتريفيكاتيون (MBBR) VSUB2/sub، هناك حاجة.

$\ فارك {د} {دينار} X_ {nh_X-N,2} =-\ mu_ {ماكس} * (\ فارك {X_ {nh_X-N,2}} {K_s+X_ {NH_ {X_ {X-N,2}}) *\ frac1 {V_2} $ مع $K_S =\ فارك {\ mu_ {\ mu_ {\ mu_ {ماكس} 2_ $ (11.4)

$\ فارك {د} {دينار} X_ {n0_X-N,2} =+\ mu_ {ماكس} * (\ فارك {X_ {nh_X-N,2}} {K_s+X_ {NH_ {X_ {X-N,2}}) *\ frac1 {V_2} $ مع $K_S =\ فارك {\ mu_ {\ mu_ {\ mu_ {ماكس} 2_ $ (11.4)

وبالنظر إلى المعادل (11.9، 11.10، 11.11، 11.12، 11.13، 11.14)، فإن نموذج الدولة التالي (الجمع بين نترات الأسماك)

[\ frac {dx (t)} {dt} =a^*x+B ^*u+N]

$ X =\ تبدأ {bmatrix} X_ {NH_ {س} -N,1}\ X_ {NH_ {س} -N, 2}\ X_ {NO_ {3} -N,1}\ X_ {NO_ {N_ {3} -N,2}\ نهاية {bmatrix} $ u=\ تبدأ {bmatrix}} {bmatrix {bmatrix {bmatrix {bmatrix {nh_النص {تفرز}}\ 0\ {Q_ {Exc}} ^ {*} X_ {nh_X-n،\ النص {الزراعة المائية}\ 0\ نهاية {bmatrix} $ ن =\ تبدأ {bmatrix} 0\ -\ فارك {\ mu_ {ماكس} [X] _2} {K_S+ [X] 2} *\ {V_2}\ 0\ +\ فارك {\ mu {ماكس} * [X] _2} {K _s+ [X] _2} *\ frac1 {V_2}\ نهاية {bmatrix} $

$A=\ تبدأ {bmatrix} -\ فارك {س} {V_1} -\ فارك {Q_ {إكسك}} {V_1} &\ فارك {Q} {V_1} &0&0\\ فارك {Q} {V_2} &0 &0&-\ فارك {فارك {س} {V_1} -\ فارك {Q_ {Exc}} {V_1} &\ فارك {Q} {V_1}\ 0&0&\ فارك {Q} {V_2} & -\ فارك {Q} {V_1}\ نهاية {bmatrix} $

$\ مرات B =\ تبدأ {bmatrix}\ frac1 {V_1} &0&0&0\ 0&\ frac1 {V_2} &0&0\ 0&0&\ frac {V_1} {V_2}\ نهاية {bmatrix} $

(11.5)

مثال**

في هذا المثال، يتم محاكاة RAS النظري مع V_المفاعل = 1300 لتر و V_Tank = 6000 لتر.

كان لكل عمليات المحاكاة مدخلات تغذية يومية قدرها 2000 غرام/يوم مع 500 غرام من البروتين/كغ من الأعلاف (مكافئ 11.8). و كان من المفترض أن يكون إفراز TAN اليومي منحنى جيبي (مكافئ 11.9). السطح النشط للناقلات الحيوية ASUBS/sub هو 300 [msup2/sup msup-3/sup]، والملء النسبي للمفاعل fsubbc/sub هو 0.6. معدل تحويل TAN المحدد، NHXSubConversion-Rate/sub، هو 1.2 [g msup-2 -/supd]، ومن المفترض أن يتم تطوير الفيلم الحيوي بشكل كامل (Eqs. 11.11 و 11.12). وقد نفذ تمثيل الدولة في الفضاء (مكافئ 11-14) في MATLAB Simulink. يوضح المثال أهمية التدفق الكتلي لتركيزات المغذيات في الأنظمة المقترنة (الشكل 11.10 و11.11).