Aqu @teach: تكنولوجيا نظام الاستزراع المائي (RAS)

يتكون نظام الاستزراع المائي من خزانات أسماك والعديد من وحدات الترشيح التي تقوم بتنظيف المياه. في RAS الكلاسيكية المياه وبالتالي في تدفق مستمر من خزانات الأسماك من خلال نظام الترشيح ومن ثم العودة إلى خزانات الأسماك (الشكل 4). بسبب عملية التمثيل الغذائي للأسماك، تحتوي المياه التي تترك الخزانات على تركيزات عالية من المواد الصلبة والمواد المغذية وثاني أكسيد الكربون، في حين أنها تفتقر إلى الأوكسجين مقارنة بالماء المتدفق. والهدف من وحدات الترشيح هو تقليل المواد الصلبة، والمواد المغذية، والسموم، وتركيزات ثاني أكسيد الكربون، وزيادة مستويات الأكسجين المذاب في الماء قبل إعادته إلى خزان السمك.

يتكون نظام الترشيح من عدة مراحل (الشكل 4). الخطوة الأولى للعلاج بعد التدفق هي فصل المواد الصلبة (الشكل 4، النقطة 2) حيث تتم إزالة المواد الصلبة (بقايا العلف والبراز وتجميع البكتيريا) من الماء. بعد ذلك، يتم تطهير الماء بالأشعة فوق البنفسجية (الشكل 4، النقطة 6). لا يتم تنفيذ هذه الخطوة دائمًا في مزارع الأسماك، ويمكن أيضًا وضعها بعد التصفية الحيوية. ثم يدخل الماء المرشح الحيوي (الشكل 4، النقطة 3)، حيث تقوم البكتيريا باستقلاب جزء من الحمل العضوي، وتأكسد الأمونيا إلى النتريت ثم إلى النترات. كل هذه التفاعلات الأيضية البكتيرية تستخدم الأكسجين المذاب (O₂)، ومثل الأسماك، تطلق ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في الماء. لذلك، يجب خفض ثاني_أكسيد الكربون في الماء بعد الترشيح الحيوي. ويتم ذلك في وحدة التفريغ التي يتم فيها زيادة مساحة سطح الماء إلى الهواء بحيث ثاني_أكسيد الكربون مرحلة الهواء (الشكل 4، النقطة 4). كخطوة أخيرة، يجب زيادة تركيز الأكسجين في الماء إلى مستوى مناسب للأسماك. ويتم ذلك في وحدة الأوكسجين (الشكل 4، النقطة 5). تصف الأقسام التالية مكونات النظام هذه بمزيد من التفصيل.

الشكل 4: المكونات الرئيسية لنظام الاستزراع المائي (RAS)

خزان السمك

خزان السمك هو المنطقة التي تنمو بها الأسماك وبالتالي عنصر أساسي من RAS. تصاميم الدبابات «الكلاسيكية» هي خزانات مستديرة وقنوات تدفق مربعة. أحد الجوانب الرئيسية التي تجعل الخزانات المستديرة مواتية على قنوات التدفق المربع هو تأثير التنظيف الذاتي الذي يمكن تحقيقه من خلال نمط هيدروليكي دائري (الشكل 5). وللتدفق في صهاريج اﻷسماك وظيفتان: ‘١’ التوزيع الموحد للمياه المتدفقة وعلف اﻷسماك؛ ‘٢’ نقل الجسيمات إلى مركز الصهريج. التدفق الدوار الأساسي هو التدفق من المدخل ثم في اتجاه عقارب الساعة /عكس اتجاه عقارب الساعة حول الخزان. فإنه ينقل المواد الصلبة القابلة للتسوية إلى القاع. التدفق الدوار الأساسي يخلق تدفق شعاعي ثانوي ويولد معا خزان التنظيف الذاتي.

الشكل 5: دور أنماط التدفق الأولية والثانوية: يضمن التدفق الأولي توزيعاً جيداً لمياه المدخل ويسهم التدفق الثانوي في الإزالة الفعالة للمواد الصلبة (بعد تكييفه بعد Timmons et al. 1999)

على الرغم من أن الدبابات المستديرة لها العديد من المزايا على الخزانات المربعة، إلا أن عيبها الرئيسي (كفاءة المنطقة المنخفضة) غالباً ما يجعلها حلاً دون المستوى الأمثل لمزرعة RAS. ولذلك، تم تطوير واختبار العديد من أشكال الدبابات الأخرى في العقود الماضية (ويرد مزيد من التفاصيل في الفصل 12).

منذ اكتسب RAS شعبية ومن المخطط لهذه الأنظمة أيضا كمشاريع واسعة النطاق (على سبيل المثال تخطط Nordic Aquafarms للاستثمار في مزرعة RAS بقيمة 500 مليون دولار أمريكي في بلفاست، مين، الولايات المتحدة الأمريكية)، أصبحت تصاميم الدبابات الكبيرة بشكل متزايد مهم. هذه الدبابات الكبيرة غالبا ما تكون (على الأقل من الناحية النظرية) أكثر فعالية من حيث التكلفة من الدبابات الصغيرة التقليدية (الشكل 6).

الشكل 6: خزان دائري كبير (يبلغ عمقه 6 أمتار، وقطره 32.5 متر) كجزء من سمك السلمون RAS (سمكة جبال الألب السويسرية)

تؤثر ظروف التدفق تأثيراً مهماً على صحة الأسماك. يمكن للمرء إنشاء تدفقات المياه المختلفة وبالتالي هيكلة الأحواض هيدروليكيا باستخدام الألواح. وبهذه الطريقة تبقى الأسماك في الجزء الأمثل من الخزان (الشكل 7). من المهم أن نعرف أن السباحين بحاجة إلى السباحة، وبعبارة أخرى أنها تحتاج إلى تيار. يجب تكييف سرعة التيار مع أنواع الأسماك. بشكل عام، تتطلب الأسماك الصغيرة سرعة تيار أقل، على الرغم من أنها يجب أن تكون عالية بما فيه الكفاية لضمان أن فصل المواد الصلبة لا يزال يعمل. كل هذا له أيضا تأثير على نوعية لحم السمك.

الشكل 7: نظام التدفق المطوّر خصيصا لاستزراع السلمون، سمكة جبال الألب السويسرية AG، لوستالو، سويسرا

فصل المواد الصلبة

هناك عدة أسباب لإزالة المواد الصلبة. أولا، يتم تحسين نوعية المياه عن طريق الحد من المواد الصلبة العضوية مما يقلل من التمعدن (التنفس الهوائي) وبالتالي يساعد أيضا على تثبيت محتوى الأكسجين. ثانيا، يفيد الحفاظ على نوعية المياه أيضا امتصاص الأعلاف ومراقبة المخزون. وعلاوة على ذلك، إزالة المواد الصلبة يقلل من الحمل البكتيري، لأنه يزيل مصدر الغذاء للكائنات الدقيقة. النشاط البكتيري العالي في عمود الماء يؤدي إلى استهلاك غير ضروري للأكسجين.

ومن الفوائد الأخرى لإزالة المواد الصلبة منع انسداد الخياشيم السمكية التي قد تؤدي إلى بطء النمو أو حتى موت الأسماك. ومع ذلك، هذا يعتمد على أنواع الأسماك. فلتر تغذية الأسماك، مثل العديد من أنواع الكارب، قد تعتمد حتى على كمية معينة من المركبات المعلقة في بيئتها الطبيعية، وبالتالي يمكن أن تحمل أيضا كمية أكبر من المواد الصلبة المعلقة في RAS من، على سبيل المثال، السلمونيات (Avnimelech 2014).

أحد أهم الأسباب التقنية التي تدعو الحاجة إلى إزالة المواد الصلبة هو الانسداد المحتمل للمرشح الحيوي (c.f. الفصل 9). وعلاوة على ذلك، تزداد فعالية الحد من الجراثيم عن طريق التطهير (c.f. الفصل 9) عن طريق إزالة المواد الصلبة. المواد الصلبة في مياه السمك لها أحجام مختلفة، والعلاجات لإزالة هذه المواد الصلبة تختلف في الغالب وفقا لحجمها (الشكل 8).

إن معالجة مياه الصرف الصحي والتخلص من الحمأة هما من عوامل التكلفة الهامة في نظام RAS المكثف. يتطلب RAS تبادل المياه من 300-1000 لتر لكل كيلوغرام من الأسماك المنتجة، وينتج 100-200 غرام من الحمأة الوزن الجاف. لتقليل حجم مياه الصرف الصحي، من الممكن معالجة مياه الحمأة الناتجة عن الفصل الصلب. وبهذه الطريقة حتى نظام الترشيح منخفض التقنية يمكن أن يحقق انخفاضا كبيرا في حجم مياه الصرف الصحي النهائي.

الشكل 8: عمليات الإزالة الصلبة ونطاق حجم الجسيمات (بالميكرومتر) التي تكون فيها العمليات أكثر فعالية (تم تكييفها بعد Timmons and Ebeling 2007)

التطهير

يمكن أن تشكل الأمراض البكتيرية والفيروسية مشاكل خطيرة في RAS المكثف. تطهير المياه باستخدام الأوزون أو الأشعة فوق البنفسجية التشعيع هي الطرق الأكثر شيوعا. يمكن للضوء فوق البنفسجي بدرجة معينة أن يدمر الحمض النووي للكائنات الحيوية مثل مسببات الأمراض والكائنات ذات الخلية الواحدة. في RAS، يتم تضمين ضوء الأشعة فوق البنفسجية (الشكل 9) في الغالب في قطعة قصيرة من الأنابيب بين وحدة الترشيح الميكانيكية (مثل مرشح الأسطوانة) والمرشح الحيوي. يمكن التعبير عن شدة أو جرعة الأشعة فوق البنفسجية في ميكرووات/سم² (الطاقة لكل منطقة). وتتراوح جرعة الأشعة فوق البنفسجية اللازمة لقتل (تعطيل) حوالي 90% من الكائنات الحية بين 2000-10,000 ميكروواط/سم². ومع ذلك، لقتل جميع الفطريات والطفيليات الصغيرة جرعة تصل إلى 200،000 ميكرووات/سم² تكون ضرورية. لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، من المهم وضع ضوء الأشعة فوق البنفسجية بعد نظام الترشيح الميكانيكي بحيث لا يتم حظره بواسطة المواد الصلبة المعلقة.

الشكل 9: مفاعل الأشعة فوق البنفسجية (نظم الأشعة فوق البنفسجية AKR)

إضافة الأوزون (O₃) هي طريقة أخرى فعالة للحد من مسببات الأمراض وغيرها من الكائنات غير المرغوب فيها في RAS. في اتصال مع الماء فإنه ينقسم إلى O₂ الأكسجين الحرة الراديكالية O. هذا «الهجمات» جذرية وتأكسد المواد العضوية. ويؤدي ذلك إلى تدهور الجسيمات المعلقة أو بعض المواد (توضيح تعكر المياه، وتشكيل الألوان عن طريق الأحماض الدبوالية). وبالمثل، فإن جدران الخلايا البيولوجية للكائنات الحية تتعرض للهجوم أيضا من قبل O الجذري لجزيء الأوزون، مما يؤدي إلى قتل البكتيريا، والعائمة، والطحالب الخيطية. ومع ذلك، الأوزون هو رد الفعل جدا ويمكن أيضا أن تضر البكتيريا النتريفينغ في مرشح حيوي ومهاجمة الخياشيم الأسماك إذا وضعت بكميات عالية جدا. ولذلك يجب مراقبة الجرعة بشكل دائم. يمكن استخدام العوامل الكيميائية في المعالجة الدقيقة للحد من تركيزات الجراثيم في الماء. يستخدم بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) عادة، واستقر في بعض الأحيان بواسطة حمض البيراسيتيك (CH₃CO₃H). يمكن أن يكون للجرعات الزائدة آثار شديدة على صحة الأسماك ويمكن أن تلحق الضرر ببكتريا المرشحات.

الجدول 1: مزايا وعيوب التطهير مع الأشعة فوق البنفسجية والأوزون وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) في راس

الترشيح الحيوي

و تجري عملية النتروية في المرشح الأحيائي لتأكسد الأمونيوم الحر السمي إلى النتريت السام ثم إلى نترات غير سامة في نهاية المطاف. البكتيريا النتريفينغ هي قلب الفلتر الحيوي. تنمو هذه البكتيريا على سطح وسائط المرشح. يمكن إصلاح الوسائط (على سبيل المثال فلتر القذف) أو التحرك (على سبيل المثال فلتر السرير المتحرك). والبكتيريا النتريفينغ حساسة للتغيرات في نوعية المياه في النظام (وخاصة الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة)، ولذلك ينبغي تجنب التغيرات السريعة أو القيام بها في خطوات بطيئة، وإلا فإن كميات كبيرة من البكتيريا النتريمية قد تموت مما يؤدي إلى ارتفاع الأمونيا والنتريت في النظام. وعلاوة على ذلك، بما أن البكتيريا النتريفينغ هي هوائية، فإن محتوى الأكسجين المذاب في الفلتر الحيوي يجب أن يبقى دائما عند عتبة معينة (اعتمادا أيضا على درجة حرارة الماء). ويرد شرح للتفاعلات الكيميائية التي تحدث في المرشح الحيوي في الفصل 5. ويرد مزيد من التفاصيل حول اختيار الترشيح الحيوي الصحيح في الفصل 12.

التفريغ والتهوية

يحدث نقل الغاز بين السائل ومرحلة الغاز عندما يكون هناك تشبع فرعي في مرحلة واحدة. يعتمد ذوبان الغاز على الضغط ودرجة الحرارة والملوحة والضغط الجزئي للغاز. يتم النقل على أسطح التلامس بين الغاز والسائل. تهوية يزيد من محتوى الأكسجين في الماء. التخريج يزيل الغازات مثل ثاني أكسيد الكربون من الماء.

تفريغ

الغازات، وخاصة ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن التنفس من الأسماك والبكتيريا، تتراكم في المياه النظام. ويمكن أن يكون لهذه الآثار آثار ضارة على الأسماك إذا أصبحت التركيزات مرتفعة للغاية. لذلك، عادة ما تتم إضافة وحدة التفريغ إلى RAS المكثف. يتم تحقيق إخراج الغاز (التفريغ) عن طريق زيادة مساحة سطح التلامس بين الماء والهواء، إما عن طريق تهوية عمود الماء، أو عن طريق رش الماء عبر الهواء. الفلاتر الحيوية المختلفة لها بالفعل تأثير تفريغ عالية: في مرشح هزيلة يمر الماء عبر الهواء، بينما في مرشح السرير المتحرك يمر الهواء عبر الماء. وبالتالي قد يجعل ذلك وحدة تفريغ إضافية زائدة عن الحاجة.

الأوكسجين

محتوى الأكسجين المذاب (O₂) هو واحد من أهم معايير جودة المياه في RAS وغالباً ما يكون القيد الأول في حالات الطوارئ (على سبيل المثال في حالة انقطاع التيار الكهربائي، وتعطل المضخة وما إلى ذلك). هناك العديد من التقنيات لإثراء الأكسجين المذاب في الماء. ويمكن تعزيز كمية الغاز من الماء (التهوية) عن طريق: 1 زيادة مساحة ملامسة الأوكسجين/الماء إلى أقصى حد باستخدام الدوامات أو الفقاعات الصغيرة؛ 2 زيادة فترة الاتصال بالأوكسيجين/الماء إلى أقصى حد باستخدام قطر فقاعة صغيرة و/أو عن طريق تدفق بطيء للمياه؛ 3 زيادة الضغط (زيادة القابلية للذوبان) - مستوى المياه والضغط سفينة; و (4) زيادة الضغط الجزئي من O₂(يزيد من الذوبان) — الأكسجين النقي.

كفاءة عالية المدخلات الأوكسجين

في RAS المكثف تعتمد تقنيات الأوكسجين على استخدام الأكسجين النقي بدلا من التهوية البسيطة التي تصبح غير عملية في بعض كثافات الأسماك. ويتم إنتاج الأكسجين في الموقع مع مولد الأكسجين أو يتم توفيره من قبل شركة خارجية ويتم تخزينه في خزانات أكسجين سائلة خارج منشأة الاستزراع المائي.

كفاءة منخفضة المدخلات الأكسجين

في أحواض الأسماك واسعة النطاق انخفاض كفاءة المدخلات الأكسجين عادة ما تكون كافية. ويتحقق ذلك من خلال (1) الحفاظ على تبريد الماء، لأن هذا يذوب المزيد من الأوكسجين، و (2) زيادة حركة المياه. ويمكن أن تدعم أساليب التهوية المختلفة ذلك (انظر الفصل 12).

المضخات وحفر الضخ

المضخة هي RAS ما هو القلب لجسم الإنسان. إذا فشل، ثم النتيجة يمكن أن تكون كارثية. لذلك لا ينبغي أن يدخر أي نفقات عند شراء مضخة. يمكن للمرء استخدام مضخات التحكم في السرعة لتقليل التدفق إذا لزم الأمر. باستخدام سلسلة متوازية من المضخات مع صمامات فحص، يمكن تقليل فرص فشل النظام. قبل شراء مضخة، يجب حساب خسائر الضغط في الأنابيب، على سبيل المثال مع مساعدة من هذه الآلة الحاسبة على الانترنت: http://www.pressure- Drop.com/Online آلة حاسبة/.

*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) . *