8.3 حلقة التقطير وتحلية المياه

في أنظمة أكوابونيكش منفصلة، هناك تدفق في اتجاه واحد من راس إلى وحدة الزراعة المائية. في الممارسة العملية، تأخذ النباتات المياه التي يوفرها RAS، والتي بدورها تصدرت مع المياه العذبة (أي الصنبور أو المطر). التدفق الضروري من وحدة RAS يساوي الفرق بين الماء الذي يغادر نظام HP عبر النباتات (ومن خلال وحدة التقطير) والمياه التي تدخل وحدة الزراعة المائية من مفاعل التمعدن، إذا كان النظام يتضمن مفاعل (الشكل 8.4). والموجز المبسط هو أن متطلبات تدفق المياه على المدى الطويل من RAS إلى HP تساوي استهلاك المحاصيل من المياه عن طريق التبخر والنتح وتخزين مياه النباتات في الكتلة الحيوية للنبات.

الشكل 8.4 مخطط تدفقات المياه وتركيزات مختلفة من المغذيات في نظام أكوابونيكسات غير مقسمة، حيث Q، حجم التدفق في L؛ ρ، تركيز المغذيات بالمغم/لتر؛ RAS، نظام إعادة تدوير تربية الأحياء المائية؛ MIN، مفاعل التمعدن؛ DIS، وحدة التقطير؛ وX، معلمة تدفق غير معروفة/مرنة

ومع ذلك، من حيث موازين الكتلة، يجب استبدال كمية المغذيات التي تغادر نظام الزراعة المائية عن طريق النباتات لضمان التوازن المستمر. وهذا يشكل معضلة، حيث أن الحد الأقصى لتركيز المغذيات المسموح به في راس هو أقل بكثير مما هو ضروري في هب. وبالتالي لا يمكن تحقيق تدفقات المغذيات العالية (_ρ_subras/sub $\ times$ _Q_subras/sub) من أجل HP من خلال تركيزات المغذيات المنخفضة RAS. و بدلا من ذلك, فإنه بدون حلقة التقطير و تحلية الملوحة, سيزداد تركيز المغذيات في نظام المياه المعدنية في حين يتناقص في النظام المائي. وهناك علاج ممكن هو تصريف مياه RAS (وبالتالي أيضا المغذيات) لتقليل تركيز المغذيات هناك وإضافة الأسمدة إلى محلول المغذيات المائية. من حيث الأثر البيئي والاقتصادي، وهذا الحل هو أقل إرضاء ولا يخدم هدف حلقة مغلقة الإنتاج مجتمعة.

يمثل تنفيذ وحدة التقطير كما هو موضح في الشكل 8.3 حلاً محتملاً لهذه المعضلة. ومن شأن تكنولوجيات التقطير هذه (مثل التقطير بالغشاء الحراري) أن تفصل الأملاح المذابة والمغذيات عن الماء (Shahzad et al. 2017؛ Subramani وJacangelo 2015). وفي سياق النظم المائية المتعددة الحلقات، وكبديل للتسميد الإضافي ونزيف المياه مع ما يقابلها من تكاليف إضافية، لم تتمكن هذه التكنولوجيا من توفير المياه العذبة للنظام فحسب، بل أيضا من تحقيق تركيزات المغذيات المرغوبة للنظم الفرعية المعنية (Goddek and Keesman 2018).

لتنفيذ (أي التحجيم) لوحدة التقطير هذه، يمكن استخدام معادلات توازن الكتلة البسيطة. ومع ذلك، يجب تحديد حجم النظام المتبقي مسبقًا (إما عن طريق قواعد الإبهام أو عن طريق معادلات توازن الكتلة؛ انظر [القسم 8.5](/community/المقالات/8-5-الرصد والتحكم))، لأن العناصر الغذائية التي تدخل النظام يجب أن تكون في توازن مع العناصر الغذائية المتاحة بيولوجيا التي يتناولها المحصول (_ملاحظة: _ البقعة الحلوة للأنظمة المنفصلة هي مرونتها. وبالتالي، يمكن للمرء أيضا زيادة حجم الجزء المائي من النظام على الرغم من أن ذلك سيتطلب استخدام المزيد من الأسمدة). وتتمثل أسهل طريقة لتقدير امتصاص المغذيات في استخدام الافتراض بأن المغذيات يتم تناولها/امتصاصها بنفس درجة الأيونات المذابة في مياه الري (أي عدم وجود مقاومات كيميائية أو بيولوجية أو فيزيائية خاصة بعناصر معينة). وبالتالي، للحفاظ على التوازن، يجب إضافة جميع العناصر الغذائية التي يتناولها المحصول على النحو الوارد في محلول المغذيات مرة أخرى إلى النظام المائي (مكافئ 8.4).

$\ phi_ {راس} +\ phi_ {مين} -\ phi_ {HP} =0 $ (8.4)

حيث __subras/sub هو تدفق المغذيات من نظام RAS إلى نظام الزراعة المائية، __submin/sub هو تدفق المغذيات من وحدة التمعدن إلى النظام المائي و __subHP/sub هو امتصاص النبات المغذي. لهذه المعادلة، يفترض أن نظام التقطير لديه كفاءة قريبة من 100٪. وهكذا، يعود _Q_subdis/sub إلى النظام الفرعي للزراعة المائية.

و نتيجة لذلك:

$ (\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {هب}) = (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {راس}) + (\ رو_ {مين}\ مرات Q_ {مين}) $ (8.5)

حيث Q هو حجم التدفق في L، و ρهو تركيز المغذيات في ملغم/لتر.

وكما ذكر أعلاه، فإن التدفق من راس إلى وحدة الزراعة المائية هو الفرق بين مجموع تدفقات المياه ترك نظام الزراعة المائية (أي QSubHP/sub + QSubx/sub) والتدفق من المفاعل الحيوي (QSubmin/sub)، أي QSubras/sub = QSubhP/sub + QSubx/sub - QSubmin/sub، الأمر الذي يقودنا إلى ما يلي المعادلة:

$ (\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {هب}) = (\ رو _ {راس}\ مرات Q_ {هب}) + (\ رو _ {راس}\ مرات Q_ {X}) - (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {مين}) + (\ رو_ {مين}\ مرات Q_ {مين}) $ (8.6)

المتغير المستهدف هو تدفق التقطير (QSubx/sub) المطلوب للحفاظ على توازن تركيز المغذيات في النظام المائي. لهذا، يتم حل مكافئ 8.6 ل QSubx/sub في الخطوات التالية:

$ (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {X}) = (\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {مين}) - (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {HP}) + (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {مين}) $ (8.7)

$Q_ {X} =\ فارك {\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {هب}} {\ رو_ {راس}} -\ فارك {\ رو_ {مين}\ مرات Q_ {مين}} {\ رو_ {راس} -Q_ {هب} +Q_ {مين} $ (8.8)

لاحظ أن تدفق التقطير QSubx/sub ديناميكي للغاية ويعتمد على معدل تبخر النباتات، التي تعتمد على المناخ. ومع ذلك، يمكن استخدام النتيجة الديناميكية لتحجيم وحدة التقطير. لحساب التدفق المطلوب إلى وحدة التقطير، يمكن استخدام الصيغة التالية:

$Q_ {DIS} =Q_ {X}\ مرات\ فارك {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

حيث Q هو حجم التدفق في L و β كفاءة إزالة المعادن من الجهاز المستخدم (في٪).

وبالتالي، يمكن لتكنولوجيا التقطير أن تقلل بشكل كبير من البصمة المائية والبيئية (أي استخدام الأسمدة) للنظم المائية متعددة الحلقات. ومع ذلك، تصبح أنظمة أكوابونيكش أكثر تعقيدا عند النظر في تنفيذها. و على الرغم من أن هذه الحلقة الإضافية قد لا تكون لها أي معنى بالنسبة لل نظم الصغيرة, فإنها تنطوي على إمكانية الارتقاء بالنظم التجارية الأكبر إلى مستوى جديد. ومع ذلك، يتعين على المرء أن يعتبر أن تكنولوجيا التقطير الحراري تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الحرارية وقد لا تكون معقولة اقتصاديا في كل مكان. وقد تكون المناطق التي ترتفع فيها مستويات الإشعاع الشمسي العالمي أو مصادر الطاقة الحرارية الأرضية هي الأنسب لهذه التكنولوجيا. و بالتالي فإن الاستدامة الاقتصادية لهذه النظم تتوقف أيضا على الموقع.

نقطة أخرى يجب وضعها في الاعتبار هي ارتفاع درجة حرارة الماء المقطر والمحلول الملحي من وحدة التقطير. واعتماداً على الظروف البيئية وأنواع الأسماك المستخدمة، يمكن استخدام مياه التقطير الساخنة لتسخين مياه RAS؛ ومع ذلك، يحتاج المحلول الملحي إلى أن يبرد قبل إعادة الدخول إلى النظام الفرعي HP.