8.3 Цикл перегонки и опреснения

В развязанных системах аквапоники наблюдается односторонний поток из РАС в узел гидропоники. На практике растения забирают воду, поставляемую РАС, которая, в свою очередь, пополняется пресной (например, водопроводной или дождевой) водой. Необходимый отток из блока RAS равен разнице между водой, покидающей систему ВД через установки (и через дистилляционную установку), и водой, поступающей из реактора минерализации в гидропонике (рис. 8.4). Упрощенное резюме заключается в том, что долгосрочная потребность в потоке воды от RAS до HP равна потреблению сельскохозяйственной воды в результате эвапотранспирации и хранения растительной воды в растительной биомассе.

Рис. 8.4 Схема потоков воды и различных концентраций питательных веществ в развязанной системе аквапоники, где Q, объем потока в L; ρ, концентрация питательных веществ в мг/л; RAS, рециркулирующая система аквакультуры; MIN, реактор минерализации; DIS, дистилляционная установка; и X, неизвестный/гибкий параметр потока

Однако с точки зрения балансов массы количество питательных веществ, покидающих систему гидропоники через растения, должно быть заменено для обеспечения постоянного равновесия. Это создает дилемму, так как максимально допустимая концентрация питательных веществ в РАС значительно ниже, чем необходима в ЛС. Таким образом, высокие потоки питательных веществ (_ρ_subras/sub $\ times$ _Q_subras/sub) для ВД не могут быть достигнуты за счет низких концентраций питательных веществ RAS. Вместо этого, без контура дистилляции/опреснения, концентрация питательных веществ в RAS будет увеличиваться при уменьшении в гидропонике. Возможным средством является сброс воды RAS (и, следовательно, и питательных веществ), чтобы уменьшить концентрацию питательных веществ там и добавить удобрения в гидропоники питательный раствор. С точки зрения воздействия на окружающую среду и экономику это решение является менее удовлетворительным и не служит цели комбинированного производства с замкнутым контуром.

Реализация дистилляционной установки, показанная на рис. 8.3, представляет собой потенциальное решение этой дилеммы. Такие технологии дистилляции (например, термическая мембранная дистилляция) способны отделить растворенные соли и питательные вещества от воды (Shahzad et al. 2017; Subramani and Jacangelo 2015). В контексте многоконтурных систем аквапоники и в качестве альтернативы дополнительному удобрению и отводу воды с соответствующими дополнительными затратами эта технология могла не только обеспечить пресную воду в систему, но и достичь желаемых концентраций питательных веществ для соответствующих подсистем (Goddek и Keesman) 2018).

Для реализации (т.е. калибровки) такой дистилляционной установки могут использоваться простые уравнения баланса массы. Однако размер остальной системы должен быть заранее определен (либо с помощью правил большого пальца, либо с помощью уравнений баланса массы; см. [Sect. 8.5](/community/articles/8-5-мониторинга и контроля)), поскольку питательные вещества, поступающие в систему, должны находиться в равновесии с биодоступными питательными веществами, поглощенными культурой (Примечание: сладкое пятно развязанных систем является его гибкость. Следовательно, можно также увеличить размер гидропоники части системы, хотя это потребует использования большего количества удобрений). Самый простой способ оценить поглощение питательных веществ заключается в том, чтобы использовать предположение о том, что питательные вещества поглощаются или поглощаются практически так же, как растворенные ионы в оросительной воде (т.е. отсутствие химических, биологических или физических сопротивлений). Следовательно, для поддержания равновесия все питательные вещества, поглощенные растениями, содержащиеся в питательном растворе, должны быть добавлены обратно в систему гидропоники (экв. 8.4).

$\ phi_ {RAS} +\ phi_ {МИН} -\ phi_ {HP} =0$ (8.4)

где _subras/sub - поток питательных веществ из системы RAS в систему гидропоники, _submin/sub - поток питательных веществ из блока минерализации в систему гидропоники, а _subHP/sub - поглощение питательных растений. Для этого уравнения предполагается, что дистилляционная система имеет эффективность почти 100%. Таким образом, _Q_subdis/Sub возвращается к подсистеме гидропоники.

Следовательно:

$ (\ rho_ {HP}\ раз Q_ {HP}) = (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {RAS}) + (\ rho_ {MIN}\ раз Q_ {MIN}) $ (8.5)

где Q - объем потока в L, а ρis - концентрация питательных веществ в мг/л.

Как указано выше, поток из РАС к гидропонике представляет собой разность суммы потоков воды, выходящих из системы гидропоники (т.е. QSubHP/Sub + Qsubx/Sub), и притока из биореактора (Qsubmin/Sub), т.е. Qsubras/Sub = QsubHP/Sub + Qsubx/Sub - Qsubmin/Sub, что приводит нас к следующему уравнение:

$ (\ rho_ {HP}\ раз Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ раз Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ раз Q_ {X}) - (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {MIN}) + (\ rho_ {MIN} раз Q_ {MIN}) $ (8,6)

Целевой переменной является поток дистилляции (QSubx/Sub), необходимый для поддержания равновесия концентрации питательных веществ в системе гидропоники. Для этого Eq. 8.6 решается для QSubx/Sub в следующих шагах:

$ (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {X}) = (\ rho_ {HP}\ раз Q_ {MIN}) - (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {HP}) + (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {MIN}) $ (8,7)

$Q_ {X} =\ гидроразрыва {\ rho_ {HP}\ раз Q_ {HP}} {\ rho_ {RAS}} -\ гидроразрыва {\ rho_ {MIN}\ раз Q_ {MIN}} {\ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

Обратите внимание, что поток дистилляции QSubx/Sub очень динамичен и зависит от скорости эвапотранспирации растений, которая зависит от климата. Динамический результат, однако, может использоваться для определения размеров дистилляционной установки. Для расчета требуемого притока в дистилляционную установку можно использовать следующую формулу:

$Q_ {DIS} =Q_ {X}\ раз\ гидроразрыва {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

где Q - объем потока в L и η эффективность деминерализации используемого устройства (в%).

Таким образом, технология дистилляции может значительно уменьшить воздействие многоконтурных систем аквапоники на воду и окружающую среду (например, использование удобрений). Однако при рассмотрении вопроса об их внедрении системы аквапоники становятся еще более сложными. Несмотря на то, что этот дополнительный цикл может не иметь никакого смысла для маломасштабных систем, он может вывести более крупные коммерческие системы на новый уровень. Тем не менее, следует учитывать, что технология термической дистилляции требует больших объемов тепловой энергии и не может быть экономически оправданной везде. Наиболее подходящими для этой технологии могут быть регионы с высоким уровнем глобального солнечного излучения или геотермальные источники энергии. Таким образом, экономическая устойчивость таких систем зависит также от местоположения.

Еще один момент, который нужно иметь в виду, это высокая температура дистиллированной воды и рассола из дистилляционной установки. В зависимости от условий окружающей среды и видов рыб горячая дистилляционная вода может использоваться для нагрева воды RAS; однако рассол должен остыть перед повторным поступлением в подсистему HP.