Глава 11 Моделирование систем аквапоники
11.8 Обсуждение и выводы
Аквапоника — это сложные технические и биологические системы. Например, возможными объяснениями для рыб, которые не растут должным образом, могут быть небольшие продовольственные пайки, неблагоприятное качество воды, технические проблемы, вызывающие стресс, и т.д. Из-за по своей сути медленной биологии научные исследования обоснованности этих объяснений будут утомительными и потребуют проведения нескольких экспериментальных испытаний для получить все важные факторы и их взаимодействия, требуя много возможностей, опыта, времени исследований и финансовых активов. Поэтому в настоящей главе рассматривается вопрос о моделировании аквапонных систем.
· Aquaponics Food Production Systems11.7 Инструменты моделирования
В аквапонике для иллюстрации функциональности аквапонической системы обычно используются блок-схемы или схемы запаса и потока (SFD) и каузальные петли (CLD). Ниже будет описана блок-схема и CLD. 11.7.1 Блок-схемы Чтобы получить системное представление о аквапонике, блок-схемы с наиболее важными компонентами аквапоники являются хорошим инструментом, чтобы показать, как материал течет в системе. Это может помочь, например, найти недостающие компоненты и несбалансированные потоки и главным образом повлиять на детерминанты подпроцессов. На рисунке 11.18 показана простая блок-схема аквапоники.
· Aquaponics Food Production Systems11.6 Многоконтурное аквапоническое моделирование
Традиционные аквапонные конструкции состоят из аквакультурных и гидропонных установок, включающих рециркуляцию воды между обеими подсистемами (Körner et al. 2017; Graber and Junge 2009). В таких одноконтурных аквапонных системах необходимо найти компромисс между условиями обеих подсистем с точки зрения pH, температуры и концентрации питательных веществ, поскольку рыбы и растения разделяют одну экосистему (Goddek et al. 2015). В отличие от этого, развязанные двухконтурные аквапонные системы отделяют РАС и гидропоники друг от друга, создавая отдельные экосистемы с присущими им преимуществами как для растений, так и для рыб.
· Aquaponics Food Production Systems11.5 Моделирование парниковых газов ВД
Использование сельскохозяйственных вод и поглощение питательных веществ является центральной подсистемой аквапоники. Части HP сложны, так как чистое поглощение воды и растворенных питательных веществ не просто следуют простой линейной зависимости, например, рост рыбы. Для создания полнофункциональной модели необходим полный симулятор теплицы. Это включает подмодельные системы физики теплиц, включая контроллеры климата и биологию сельскохозяйственных культур, охватывающие интерактивные процессы с биологическими и физическими стрессорами. Тем не менее, с точки зрения HP, парниковый климат является основным драйвером для полной аквапонной системы, включая, рядом с балансами питательных веществ, петли обратной связи тепла, производимого рыбой, и дополнительные COSub2/Sub, поставляемые растениям, согласно данным Körner et al.
· Aquaponics Food Production Systems11.4 Моделирование анаэробного сбраживания
Рис. 11.10 Моделирование ТАН (xSubNHX-N,1/sub) в [мг/л] в течение 2 дней = 2880 мин при Q = 300 л/мин (синий) и Q = 200 л/мин (оранжевый) Рис. 11.11 Моделирование нитрата-N (xSubNO3-n,1/sub) в [мг/л] в течение 50 дней = 72 000 мин при QSubexc/sub = 300 л/сут (желтый), QSubexc/sub = 480 л/сут (оранжевый) и QSubexc/sub = 600 л/суб (синий) Анаэробное сбраживание органического материала — это процесс, который включает последовательные этапы гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза (Batstone et al.
· Aquaponics Food Production Systems11.3 Моделирование РАН
Мировая рыбоводческая аквакультура достигла 50 млн. тонн в 2014 году (FAO 2016). Учитывая рост численности населения, растет спрос на рыбные белки. Устойчивый рост аквакультуры требует новых (биотехнологий) технологий, таких как рециркулирующие системы аквакультуры (РАС). RAS имеют низкое потребление воды (Orellana 2014) и позволяют перерабатывать экскрементные продукты (Waller et al. 2015). В результате многоступенчатой очистки воды, такой как разделение частиц, нитрификация (биофильтрация), газообмен и температурный контроль, RAS обеспечивают подходящие условия жизни для рыб.
· Aquaponics Food Production Systems11.2 Справочная информация
Имеется множество определений системы, начиная от неполных описаний и заканчивая строгими математическими формулировками. Таким образом, система рассматривается как объект, в котором различные переменные взаимодействуют во всех видах временных и пространственных масштабах и который производит наблюдаемые сигналы. Эти типы систем также называются открытыми системами. Графическое представление общей открытой системы (S) с векторными входными и выходными сигналами представлено на рис. 11.2. Таким образом, несколько входов или выходов объединяются в одну стрелку. Таким образом, системные переменные могут быть скалярами или векторами.
· Aquaponics Food Production Systems11.1 Введение
В целом математические модели могут принимать очень разные формы в зависимости от изучаемой системы, которые могут варьироваться от социальных, экономических и экологических до механических и электрических систем. Как правило, внутренние механизмы социальных, экономических или экологических систем не очень хорошо известны или понятны, и зачастую имеются лишь небольшие наборы данных, в то время как предварительные знания механических и электрических систем находятся на высоком уровне, и эксперименты могут быть легко проведены. Кроме того, форма модели также в значительной степени зависит от конечной цели процедуры моделирования.
· Aquaponics Food Production Systems