Aqu @teach: تصنيف أكوابونيكش

وفي بعض الأحيان، يكون الترسيم بين الأحياء المائية والتكنولوجيات المتكاملة الأخرى غير واضح. اقترح Palm et al. (2018) تعريفاً جديداً للأحياء المائية، حيث يجب أن تستمد غالبية (أكثر من 50%) من المغذيات التي تدعم نمو النبات من النفايات الناشئة عن تغذية الكائنات المائية.

يتم تطبيق Aquaponics بالمعنى الأضيق (aquaponics sensu stricto) فقط على النظم مع الزراعة المائية ودون استخدام التربة. كما أن بعض أنظمة الاستزراع المائي المتكاملة الجديدة التي تجمع بين إنتاج الأسماك والطحالب تندرج تحت هذا المفهوم. ومن ناحية أخرى، يمكن تطبيق مصطلح الأحياء المائية بالمعنى الأوسع (aquaponics sensu lato) على النظم التي تشمل تقنيات البستنة وإنتاج المحاصيل التي تستخدم عمليات التمعدن، ووظيفة تخزين المواد العازلة والمغذيات لمختلف الركائز، بما في ذلك التربة. Palm et al. (2018) يقترح مصطلح «الزراعة المائية» لهذه الأنشطة.

الجدول 2: تصنيف الأحياء المائية وفقا لمبادئ التصميم المختلفة مع أمثلة لكل فئة (مقتبس من Maucieri et al. 2018)

ويمكن لأكوا بونيكس أن يتصدى لمختلف الأهداف أو أصحاب المصلحة، من البحث والتطوير، والأنشطة التعليمية والاجتماعية، إلى زراعة الكفاف وإنتاج الأغذية على نطاق تجاري. ويمكن تنفيذه بطرق وبيئات مختلفة، مثل الأراضي القاحلة والملوثة، وإنتاج الفناء الخلفي، والزراعة الحضرية، وما إلى ذلك. وفي حين أن النظام يمكن أن يحقق في وقت واحد عدة أهداف، بما في ذلك التخضير والديكور، والتفاعل الاجتماعي، وإنتاج الأغذية، فإنه عادة لا يمكن تحقيق كل هذه الأهداف في نفس الوقت. ولتحقيق أداء مرض لكل هدف من اﻷهداف المحتملة، يتعين على مكونات النظام أن تفي بمتطلبات مختلفة، متناقضة في بعض اﻷحيان. وينبغي أن يستند اختيار نظام أكوابوني مناسب لحالة معينة إلى تقييمات واقعية (بما في ذلك خطة عمل سليمة، عند الاقتضاء) وينبغي أن يؤدي إلى حل مصمم حسب الطلب. إذا اتبعنا تصنيف Maucieri et al. (2018)، الذي يصنف أنظمة aquaponic وفقا لمختلف الفئات المختلفة (مثل نوع أصحاب المصلحة، ووضع التشغيل، وحجم، ونوع النظام المائي، وما إلى ذلك)، عدة متميزة خيارات لاختيار نظام أكوابونك مناسبة تظهر (الجدول 2). و يتعين اتخاذ أي قرار في حدود الميزانية المتاحة, وإن كان من الممكن بناء نظام بتكلفة منخفضة جدا.

التصنيف وفقًا للوضع التشغيلي: شامل (مع استخدام الحمأة المتكاملة) ومكثف (مع فصل الحمأة)

جزء واحد من النظام المائي هو خزان السمك، حيث يتم تغذية الأسماك، ومن خلال عملية التمثيل الغذائي، تفرز البراز والأمونيا في الماء. ومع ذلك، فإن التركيزات العالية من الأمونيا سامة للأسماك. ومن خلال البكتيريا النتروية، تتحول الأمونيا إلى النتريت ثم إلى نترات، وهو غير ضار نسبيا للأسماك، وهو الشكل المفضل من النيتروجين لزراعة المحاصيل مثل الخضروات. ويدمج الإنتاج المكثف الفلتر الحيوي وكذلك إزالة الحمأة مباشرة داخل الوحدة المائية، وذلك باستخدام الركائز التي توفر الدعم المناسب لنمو الفيلم الحيوي، مثل الحصى والرمل والطين الموسع. يستخدم الإنتاج المكثف نظام فصل بيولوجي منفصل والحمأة. كل من الطرق التشغيلية لها مزاياها وعيوبها. وفي حين أن الاستخدام المتكامل للحمأة يسمح بإعادة تدوير المغذيات بشكل كامل، فإن الجوانب السلبية تشمل المياه العكرة، وأداء الترشيح الحيوي المنخفض، الذي لا يسمح إلا بتخزين الأسماك المحدود. ومن ناحية أخرى، تسمح إزالة الحمأة المنفصلة والفلتر الحيوي بتخزين مكثف للأسماك يصل إلى 100 أو أكثر كجم/م³. وتشمل الجوانب الإيجابية المياه الصافية، وانخفاض تركيز BOD (الطلب على الأوكسجين البيوكيميائي)، وانخفاض الحمل الميكروبي، وأداء المرشحات الحيوية الأمثل. ومع ذلك، فإن هذه النظم لا تسمح إلا بإعادة تدوير المغذيات الجزئية. قد يكون من الضروري اتخاذ خطوة إضافية لمعالجة الحمأة (في الموقع أو خارج الموقع)، مثل توصيل أجهزة التنوّع الأحيائي للحمأة أو نقل الحمأة (Goddek _et al._2016b).

#

الشكل 4: نظام Aquaponic مع الاستخدام المتكامل للحمأة

#

الشكل 5: الترتيب المحتمل لنظام أكوابوني مع فصل الحمأة

إدارة دورة المياه

نظم الحلقات المغلقة (مقترنة): يمكن إنشاء أنظمة أكوابونية وتشغيلها كحلقة إعادة تدوير، مع تحرك تدفق المياه في كلا الاتجاهين، من حوض السمك إلى الوحدة المائية، والعصحيح. يتم تعميم المياه باستمرار من راس إلى وحدة المائية، والعودة إلى راس.

نظم حلقات مفتوحة: حدثت مؤخرا تطورات نحو السيطرة المستقلة على كل وحدة من وحدات النظام، ويرجع ذلك في الغالب إلى المتطلبات البيئية المختلفة للأسماك والنباتات. وتسمى هذه النظم، حيث يمكن التحكم بشكل مستقل في الاستزراع المائي، والاستزراع المائي، وإعادة تدوير حمأة الأسماك، إن وجدت، أنظمة الاستزراع المائي (DAPS). تتكون الأنظمة المائية المنفصلة من RAS متصلة بالوحدة المائية (مع خزان إضافي) عبر صمام أحادي الاتجاه. يتم إعادة تدوير المياه بشكل منفصل داخل كل نظام ويتم توفيرها عند الطلب من RAS إلى الوحدة المائية، ولكنها لا تتدفق مرة أخرى (Goddek et al. 2016a؛ Monsees et al. 2017).

ويبين الشكل 6 توضيحاً تخطيطياً للأكوابونيكش المقترنة والمفصولة. في نظام المقترن (حلقة مغلقة) يتكون من راس (الأزرق: تربية الدبابات، مرطب وفلتر بيولوجي) متصلة مباشرة إلى وحدة المائية (الأخضر: نفت صواني)، يتم تعميم المياه باستمرار من راس إلى وحدة المائية والعودة إلى راس. في نظام أكوابوني المنفصل (مفتوح حلقة) يتكون من راس متصلة بوحدة المائية (مع خزان إضافي) عن طريق صمام في اتجاه واحد، يتم إعادة تدوير المياه بشكل منفصل داخل كل نظام ويتم توفير المياه عند الطلب من راس إلى وحدة المائية، ولكن لا يعود إلى راس.

#

الشكل 6: رسم تخطيطي لأقران (يسار) وفصل (يمين) أكوابونيكش.

أنواع النظام المائي المستخدمة في أكوابونيكش

تقنية فيلم المغذيات

في أنظمة تقنية فيلم المغذيات (NFT)، يتم تمرير المياه من خزان السمك من خلال الجزء السفلي من أنبوب PVC الأفقي، في طبقة رقيقة. تحتوي هذه الأنابيب على ثقوب مقطعة إلى الأعلى، حيث تزرع النباتات بطريقة تتدلى جذورها في المياه المتدفقة في القاع. يتم امتصاص المغذيات من مياه الخزان من قبل النباتات، وبما أن جذورها مغمورة جزئيا فقط، وهذا يسمح لهم أن تكون على اتصال مع الأكسجين في الغلاف الجوي كذلك.

الجدول 3: مزايا وعيوب NFT

الشكل 7: تقنية فيلم المغذيات (NFT). اليسار — رسم تخطيطي للنظام بأكمله. الحق — صورة للنظام (صور ZHAW)

تقنية سرير الوسائط

وحدات السرير المملوءة بوسائط الإعلام هي التصميم الأكثر شعبية لأكوابونيكش الصغيرة. هذه التصاميم تستخدم الفضاء بكفاءة، ولها تكلفة أولية منخفضة نسبيا، ومناسبة للمبتدئين بسبب استقرارها وبساطتها. في وحدات السرير وسائل الإعلام، يتم استخدام الوسيط لدعم جذور النباتات والوظائف كمرشح ميكانيكي وبيولوجي.

الجدول 4: مزايا وعيوب تقنية السرير وسائل الإعلام

Figure 8: تقنية سرير الوسائط. اليسار — رسم تخطيطي للنظام بأكمله. الحق — مثال من ZHAW Waedenswil (الصورة: روبرت جونج)

ثقافة المياه العميقة أو الطوافة العائمة

تستخدم أنظمة ثقافة المياه العميقة (DWC) «طوف» البوليسترين الذي يطفو على حوالي 30 سم من الماء. يحتوي الطوف على ثقوب تزرع فيها النباتات في الأواني الصافية، بحيث تكون جذورها مغمورة في الماء. ويمكن أيضا وضع الطوافة لتطفو مباشرة في خزان السمك، أو يمكن أن يكون ضخ المياه من الخزان إلى نظام الترشيح ثم إلى القنوات التي تحتوي على سلسلة من الطوافات. يوفر جهاز تهوية الأكسجين لكل من الماء في الخزان وتلك التي تحتوي على الطوف. وبما أن الجذور ليس لها وسيط للالتزام به، لا يمكن استخدام هذا النظام إلا لزراعة الخضر الورقية أو الأعشاب، وليس النباتات الكبيرة. هذا هو النظام الأكثر شعبية للأغراض التجارية، وذلك بسبب سرعة وسهولة الحصاد.

الجدول 5: مزايا وعيوب ثقافة المياه العميقة

#

الشكل 9: تربية المياه العميقة أو الطوافة العائمة. اليسار — رسم تخطيطي للنظام بأكمله. الحق — الخس ينمو في طوف الستايروفوم مع جذور معلقة في الماء

استخدام الفضاء: النظم الأفقية والرأسية

تستخدم معظم الأنظمة المائية خزانات أو أسرة زراعية أفقية، تحاكي الزراعة البرية التقليدية لإنتاج الخضراوات. ومع ذلك، ظهرت على مر السنين تقنيات جديدة للحائط الحي والزراعة العمودية وتطورت والتي، عند ربطها بجزء الاستزراع المائي في النظام المائي، قد تسمح بزراعة المزيد من النباتات عموديا وليس أفقيا، وبالتالي تجعل الأنظمة أكثر إنتاجية (Khandaker & Kotzen 2018).

تتمتع الأنظمة الأفقية بميزة استخدام ضوء النهار بكفاءة، وقد تعمل بشكل جيد بدون إضاءة إضافية، حتى في فصل الشتاء. لذلك لديهم انخفاض استهلاك الطاقة الكهربائية. تكاليف الاستثمار الأولية متوسطة/منخفضة، وخاصة إذا كان سعر الأرض منخفضا.

الأنظمة العمودية تقدم الحل الأمثل لتوفير المساحة، مما يجعلها مناسبة جدا للمرافق الحضرية، إما للزينة لإنتاج الأغذية عالية المستوى المحلي. ومع ذلك، فإنها تتطلب أضواء تنمو فوق الأسرة تنمو. كما أنها تتطلب مضخات مياه أقل، ولكن من طاقة أعلى، مما يزيد من استهلاك الطاقة الكهربائية أعلى. كما أن تكاليف الاستثمار الأولية مرتفعة.

*حقوق الطبع والنشر © شركاء مشروع Aqu @teach. Aqu @teach هي شراكة استراتيجية إيراسموس في التعليم العالي (2017-2020) بقيادة جامعة غرينتش، بالتعاون مع جامعة زيوريخ للعلوم التطبيقية (سويسرا)، والجامعة التقنية في مدريد (إسبانيا)، وجامعة ليوبليانا ومركز ناكلو التقني الحيوي (سلوفينيا) . *