7.8 Вопросы системного планирования и управления
Связанная аквапоника зависит от питательных веществ, которые обеспечиваются рыбными установками, либо коммерчески интенсивно используемыми РАС, либо резервуарами, которые хранятся в обширных условиях при небольших операциях. Плотность рыб в последнем часто составляет около 15—20 кг/мсуп3/сап (тилапия, карп), но обширное производство африканского сома может быть выше до 50 кг/мсуп3/сап. Такие различия в плотности залегания оказывают значительное влияние на потоки питательных веществ и наличие питательных веществ в растениях, на требования в отношении контроля и корректировки качества воды, а также на соответствующие методы управления.
Качество технологической воды с точки зрения концентрации питательных веществ зависит главным образом от состава корма и соответствующих темпов оборота рыбы. Разница между поступлением корма и питательными веществами корма, усваивающимися внутри рыбы или потерянными в результате поддержания системы, равна максимальному потенциалу имеющихся у растений питательных веществ аквакультуры. Как отмечалось выше, концентрации питательных веществ должны быть скорректированы до уровней, которые позволяют растениям эффективно расти. Однако не все виды рыб способны выдерживать такие условия. Следовательно, устойчивые виды рыб, такие как африканский сом, Тилапиа или карп, являются предпочтительными кандидатами в аквапонии. В Университете Ростока был проведен анализ целого сома и его стандартного рациона в качестве выходных и вводимых значений для определения скорости оборота макроэлементов N, P, K, Ca, Mg и S и микроэлементов Fe, Mn, Mo, Cu, Zn и Se. За исключением P, более 50% кормовых питательных веществ, выданных рыбе, не сохраняются в организме и могут считаться потенциально доступными в качестве питательных веществ для растений (Strauch et al. 2018; Рис. 7.12). Однако эти питательные вещества не равномерно распределяются внутри технологической воды и отложений. Особенно макроэлементы (N, P, K) накапливаются в технологической воде, а также внутри твердой фракции, в то время как микроэлементы, такие как железо, исчезают в твердой фракции, разделенной осветлителем. На рисунке 7.13 показана выработка питательных веществ на очистку осветлителя после 6 дней сбора осадка в интенсивном африканском соме RAS. Значительны пропорции основных питательных веществ растений, которые связаны в твердых телах относительно соответствующих количеств, которые кажутся растворенными: N = 48%, P = 61%, K = 10%, Ca = 48%, Mg = 16%, S = 11%, Fe = 99%, Mn = 86%, Mo = 100%, Zn = 48% и Cu = 55%.
Рис. 7.12 Неиспользуемые питательные вещества в аквакультуре африканского сома, которые потенциально доступны для производства аквапонных растений (исходные данные)
Рис. 7.13 Распределение макро- и микроэлементов внутри технологической воды и твердых веществ. (Данные Strauch et al. (2018))
Одним из ключевых факторов управления является наличие кислорода внутри системы, что имеет решающее значение для поддержания концентрации растительного нитрата в технологической воде на высоком уровне. Обычные осветлители, которые применяются во многих RAS, удаляют богатые углеродом твердые отходы из рециркуляции, но оставляют их в контакте с технологической водой до следующего интервала очистки отстойника. За это время богатое углеродом органическое вещество используется в качестве источника энергии путем денитрификации бактерий, что приводит к значительным потерям нитратов. Он проникает в атмосферу как азот и теряется. В условиях интенсивного производства большое количество органического ила будет накапливаться внутри отстойников, что будет иметь последствия для технического обслуживания, замены пресной водой, а затем и для состава питательных веществ внутри технологической воды. На рис. 7.14 показана концентрация питательных веществ в резервуарах для хранения африканского сома РАС при трех различных плотностях залова (экстенсивный: 35 рыбы/резервуар, полуинтенсивный: 70 рыбы/резервуар, интенсивный: 140 рыбы/резервуар). Чем выше плотность засыпания и чем ниже содержание кислорода внутри системы, тем ниже количество нитратов на кг корма внутри системы.
Рис. 7.14 N-бюджет на кг корма и уровень кислорода в аквакультуре африканского сома при трех разных плотностях запаса (исходные данные)
В целом, с увеличением интенсивности рыбы, наличие кислорода внутри системы уменьшается из-за потребления кислорода рыбой и аэробным илом внутри осветлителя и гидропонных подсистем. Уровень кислорода может поддерживаться на более высоких уровнях, но это требует дополнительных инвестиций для мониторинга и контроля кислорода. Этот вопрос имеет огромное значение для комбинированной аквапоники с самого начала этапа планирования систем, поскольку различные сценарии имеют решающее значение для планируемого рыбного промысла, последующего качества технологической воды для производственных установок и, следовательно, для экономических устойчивость. Четыре принципа комбинированных систем производства аквапоники с управленческими последствиями с точки зрения проектирования систем, процедур обслуживания и наличия питательных веществ для роста растений с переходом между ними можно определить следующим образом:
Обширная добыча, устойчивая к кислороду рыба (например, тилапия, карп), отсутствие контроля кислорода, OSub2/sub выше 6 мг/л, малопотребление воды с высокими концентрациями питательных веществ, небольшие инвестиции, низкий БПК, высокий уровень нитрата на кг корма.
Интенсивное производство, устойчивая к кислороду рыба (например, африканский сом), отсутствие контроля над кислородом, OSub2/sub ниже 6 мг/л, высокое потребление воды, средние инвестиции, высокий БПК, низкий уровень нитрата на кг корма, высокие концентрации питательных веществ.
экстенсивное производство, потребность в кислороде рыбы (например, форель), контроль кислорода, OSub2/sub выше 6—8 мг/л, высокое потребление воды, средние инвестиции, низкий БПК, высокий уровень нитрата на кг корма, низкие концентрации питательных веществ.
Интенсивное производство, кислородная рыба (например, форель, судак), контроль кислорода, OSub2/sub выше 6—8 мг/л, высокая водоемкость, большие инвестиции, низкий БПК, средний нитрат на кг корма.
В дополнение к плотности запаса и среднему количеству кислорода внутри системы, режим производства растений, т.е. серийное или поэтапное культивирование, имеет последствия для имеющихся в растении питательных веществ внутри технологической воды (Palm et al. 2019). Это особенно относится к быстрорастущей рыбе, где увеличение кормов в течение производственного цикла может быть настолько быстрым, что необходимо повысить скорость обмена воды и, таким образом, разбавление питательных веществ может увеличиться, что будет иметь последствия для состава питательных веществ и управления ими.
Те же оксические или аноксические процессы, которые происходят в РАС в составе связанной аквапонной системы, также происходят внутри гидропонных подсистем. Таким образом, наличие кислорода и, возможно, аэрация растительной воды могут иметь решающее значение для оптимизации качества воды для хорошего роста растений. Кислород позволяет гетеротрофным бактериям преобразовывать органические связанные питательные вещества в растворенную фазу (т.е. белковый азот в аммиак), а нитрифицирующие бактерии преобразуют аммиак в нитрат. Наличие кислорода в воде также снижает аноксический микробный метаболизм (например, нитратные и/или сульфатные бактерии, Comeau 2008), процессы, которые могут иметь огромное влияние на снижение концентрации питательных веществ. Аэрация корней также имеет то преимущество, что вода и питательные вещества переносятся на поверхность корня, а частицы, оседающие на поверхности корня, удаляются (Somerville et al. 2014).