3-1 مقدمة

تصف أنظمة إعادة تدوير الاستزراع المائي أنظمة الإنتاج المكثف للأسماك التي تستخدم سلسلة من خطوات معالجة المياه لتطهير مياه تربية الأسماك وتسهيل إعادة استخدامها. وسيشمل هذا النظام بوجه عام (1) أجهزة لإزالة الجسيمات الصلبة من الماء التي تتكون من براز الأسماك، والأعلاف غير المأكل، والفلوكات البكتيرية (Chen et al. 1994؛ Couturier et al. 2009)، (2) المرشحات الحيوية النتروية لتأكسد الأمونيا التي تفرزها الأسماك إلى نترات (Gutierrez Wing and Malone 2006)، (3) رقم من أجهزة تبادل الغاز لإزالة ثاني أكسيد الكربون المذاب الذي طردته الأسماك وكذلك إضافة الأوكسجين الذي تتطلبه الأسماك والبكتيريا النترينية (Colt and Watten 1988؛ Moran 2010؛ Summerfelt 2003؛ Wagner et al. 1995). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يستخدم RAS أيضاً التشعيع فوق البنفسجي لتطهير المياه (Sharrer et al. 2005؛ Summerfelt et al. 2009)، وقشط الأوزون والبروتين للمواد الصلبة الدقيقة والتحكم الميكروبي (Attramadal et al. 2012a؛ Gonçalves وGagnon 2011؛ Summerfelt وHochheimer 1997) ونظم إزالة النترات لإزالة النترات (فان رين و آخرون 2006).

وما فتئت التكنولوجيا الحديثة لإعادة تدوير الاستزراع المائي تتطور منذ أكثر من 40 عامًا، إلا أن التقنيات الجديدة تقدم طرقًا متزايدة لتغيير نماذج RAS التقليدية بما في ذلك إدخال تحسينات على العمليات التقليدية مثل التقاط المواد الصلبة والترشيح الحيوي وتبادل الغاز. وشهدت هذه النظم أيضاً تطورات هامة من حيث الحجم والقدرات الإنتاجية وقبول السوق، حيث أصبحت النظم أكبر وأكثر قوة تدريجياً.

يناقش هذا الفصل كيف تطورت تكنولوجيا RAS على مدى العقدين الماضيين من فترة من التوحيد التكنولوجي إلى عهد جديد من التنفيذ الصناعي.

3.1.1 تاريخ راس

وركز البحث العلمي الأول الذي أجري في اليابان في الخمسينات على تصميم المرشحات البيولوجية لإنتاج الكارب بدافع الحاجة إلى استخدام موارد المياه المحدودة محلياً بطريقة أكثر إنتاجية (Murray et al. 2014). وفي أوروبا والولايات المتحدة، حاول العلماء بالمثل تكييف التكنولوجيات المستحدثة لمعالجة المياه المستعملة المنزلية من أجل إعادة استخدام المياه على نحو أفضل في نظم إعادة تدوير المياه (مثل عمليات الحمأة المنشطة لمعالجة مياه المجارير، والصب، والمرشحات الحيوية المغمورة والتدفق السفلي، والعديد من الفلاتر الميكانيكية أنظمة الترشيح). و شملت هذه الجهود المبكرة أساسا العمل المتعلق بالنظم البحرية لإنتاج الأسماك و القشريات, ول كنها سرعان ما اعتمدت في المناطق القاحلة التي يقيد فيها قطاع الزراعة إمدادات المياه. وفي الاستزراع المائي، تم تصميم حلول مختلفة لزيادة استخدام المياه إلى أقصى حد، بما في ذلك أنظمة إعادة تدوير مكثفة للغاية تتضمن أنظمة تنقية المياه مثل مرشحات الأسطوانات والمرشحات البيولوجية وكاشطات البروتين وأنظمة حقن الأكسجين (Hulata and Simon 2011). وعلى الرغم من الاقتناع القوي من جانب رواد الصناعة بشأن الجدوى التجارية لعملهم، فقد ركزت معظم الدراسات المبكرة بشكل حصري على أكسدة نفايات النيتروجين غير العضوية السامة المستمدة من استقلاب البروتين. وقد تعززت الثقة في التكنولوجيا بفضل التشغيل الناجح لل أحواض المائية العامة و المحلية, التي تتميز عموما بوحدات معالجة كبيرة الحجم لضمان المياه النقية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن كثافات التخزين المنخفضة للغاية وما يرتبط بها من مدخلات تغذية تعني أن هذه الهندسة المفرطة لا تزال تسهم إسهاما ضئيلا نسبيا في التكاليف الرأسمالية والتشغيلية للنظام بالمقارنة مع نظام RAS المكثف. ونتيجة لذلك، لم يتم حساب التغيرات في ديناميات العمليات المرتبطة بتغيير الحجم، مما أدى إلى تقليص حجم وحدات المعالجة من أجل تقليل التكاليف الرأسمالية إلى أدنى حد ممكن. ونتيجة لذلك، كانت هوامش الأمان ضيقة للغاية أو معدومة (Murray et al. 2014). و نظرا لأن العديد من العلماء الرواد لديهم خلفيات بيولوجية لا هندسية, فإن التحسينات التقنية كانت مقيدة أيضا بسبب سوء الاتصالات بين العلماء و المصممين و موظفي البناء و المشغلين. و ساعد وضع مصطلحات موحدة و وحدات لل قياس و أشكال لل إبلاغ في عام 1980 (EFACC/ICES 1980) على معالجة هذه الحالة, وإن كانت الاختلافات الإقليمية لا تزال قائمة. ولم يعترف جيدا ببارامترات جودة المياه الدورية حتى منتصف الثمانينات باعتبارها هامة في إنتاج الأحواض، مثل القياس الدوري لتركيزات الأس الهيدروجيني والأكسجين وTAN (مجموع النتروجين الأمونيا) وNO2 (النترات) وBOD (الطلب على الأكسجين البيوكيميائي) وCOD (الطلب على الأوكسجين الكيميائي).

في الجزء الأخير من القرن الماضي، تم نشر العديد من المقالات حول التطوير المبكر لـ RAS. وشرح روزنتال (1980) حالة نظم إعادة الدوران في أوروبا الغربية، في حين قام بوفيندور وآخرون (1987) بتطوير نظام لإعادة تدوير المياه لاستزراع سمك السلور الأفريقي فيما يتعلق بالحركية لإنتاج النفايات وإزالة النفايات (تم تقديم تصميم لنظام لمعالجة المياه يتألف من و مفاعل هوائي ذو أغشية ثابتة أظهر نتائج مرضية بالنسبة لاستزراع سمك السلور الأفريقي عالي الكثافة). وكان هذا العمل جزءا من التطور السريع في نظم الاستزراع السمكي حتى منتصف التسعينات في شمال وغرب أوروبا (روزنتال والأسود 1993)، وكذلك في أمريكا الشمالية (كولت 1991). وقدمت التصنيفات الجديدة، مثل التصنيف وفقا لكيفية تدفق المياه من خلال نظام الاستزراع المائي، رؤى أساسية فيما يتعلق بعمليات جودة المياه الهامة لإنتاج الأسماك (كروم وفان ريجن 1989). وفي العمل اللاحق الذي قام به فان ريجن (1996), أدخلت مفاهيم تركز على العمليات البيولوجية التي تقوم عليها نظم المعالجة. و كانت الاستنتاجات التي خلص إليها هذا العمل هي أن إدراج أساليب للحد من تراكم الحمأة و النترات أدى إلى ظروف أكثر استقرارا لنوعية المياه داخل و حدات الاستزراع. وخلال هذه الفترة، زاد إنتاج هذا النظام زيادة كبيرة من حيث الحجم وتنوع الأنواع (روزنتال 1980؛ فيريث وإيدينغ 1993؛ مارتينز وآخرون 2005). واليوم، يتم إنتاج أكثر من 10 أنواع في أسماك السلور والأنقليس والتراوت الأفريقية كأنواع رئيسية من المياه العذبة، والتوربوت، والقاروص الوحيد كأنواع بحرية رئيسية) (مارتينز وآخرون 2010ب)، وأصبح هذا النظام أيضاً عنصراً حاسماً في إنتاج اليرقات والأحداث من الأنواع المتنوعة.

وفي حين تم الوصول إلى الحد الأقصى من الغلة المستدامة للعديد من أنواع الأرصدة البرية المائية، أو سيتم الوصول إليها قريبا، كما أن العديد من الأنواع قد تم بالفعل الصيد المفرط، فإن هذه الأنواع تعتبر تقنية رئيسية ستساعد قطاع الاستزراع المائي على تلبية احتياجات الأنواع المائية خلال العقود القادمة (Ebeling and Timmons 2012).

3.1.2 تاريخ قصير من أكوابونيكش في سياق راس

الشكل 3.1 Chinampas (الحدائق العائمة) في أمريكا الوسطى - بناء الجزيرة الاصطناعية كسابقة للتكنولوجيا المائية. (من مارزولينو/ ShutterStock.com)

Aquaponics هو مصطلح تم «صياغته» في السبعينيات، ولكن من الناحية العملية له جذور قديمة - على الرغم من أنه لا تزال هناك مناقشات حول حدوثه الأول. الجزر الزراعية المزروعة بالأزتيك والمعروفة باسم chinampas (أقرب 1150-1350CE)، في نظام يعتبره البعض أول شكل من أشكال الزراعة المائية للاستخدام الزراعي (الشكل 3.1). وفي مثل هذه النظم، ترعرعت النباتات على جزر مستقرة، أو منقولة وعائمة في بعض الأحيان وضعت في ضحلة البحيرة حيث يمكن تجريف الطين الغني بالمغذيات من قنوات تشينامبا ووضعها في الجزر لدعم نمو النباتات (Crossley 2004).

وقد بدأ مثال سابق على الأحياء المائية على الجانب الآخر من العالم في جنوب الصين ويعتقد أنه انتشر داخل جنوب شرق آسيا حيث استقر المستوطنون الصينيون من يوننان في حوالي 5 م. و يزرع المزارعون الأرز و يزرعونه في حقول الأرز بالاشتراك مع الأسماك (منظمة الأغذية و الزراعة 2001). وتوجد هذه النظم الزراعية المتعددة الثقافات في العديد من بلدان الشرق الأقصى لتربية الأسماك مثل اللوتش الشرقي (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009)، وثعبان البحر المستنقعات (fam). Synbranchidae), و الكارب الشائع (Cyprinus carpio_), و الكارب الكروسي (كاراسيوس) (منظمة الأغذية و الزراعة 2004). غير أن هذه النظم لم تكن في جوهرها أنظمة مائية ولكن يمكن وصفها على أفضل وجه بأنها أمثلة مبكرة على النظم المتكاملة للاستزراع المائي (Gomez 2011). وفي القرن العشرين، بذلت المحاولات الأولى لإنشاء نظم عملية وفعالة ومتكاملة لإنتاج الأسماك إلى جانب الخضروات في السبعينات من خلال عمل لويس ونايجل (لويس وهر 1976؛ نايجل 1977؛ لويس وآخرون 1978). تم تصميم أنظمة مبكرة أخرى من قبل Waten and Busch في عام 1984 وراكوسي في عام 1989 (Palm et al. 2018).