Ufugaji wa samaki duniani ulifikia tani milioni 50 mwaka 2014 (FAO 2016). Kutokana na idadi ya watu wanaoongezeka, kuna mahitaji makubwa ya protini za samaki. Ukuaji endelevu wa ufugaji wa maji unahitaji teknolojia za riwaya (bio) kama vile recirculating mifumo ya ufugaji wa maji (RAS). RAS na matumizi ya chini ya maji (Orellana 2014) na kuruhusu kusindika bidhaa excretory (Waller et al. 2015). RAS hutoa hali nzuri ya maisha kwa samaki, kama matokeo ya matibabu ya maji mengi, kama vile kujitenga kwa chembe, nitrification (biofiltration), kubadilishana gesi na udhibiti wa joto. Bidhaa zilizoyeyushwa na chembechembe zinaweza kuhamishiwa kwa matibabu ya sekondari kama vile mmea (Waller et al. 2015) au uzalishaji wa mwani katika mifumo jumuishi ya maji ya maji (IAAC). Mifumo ya IAAC ni mbadala endelevu kwa mifumo ya kawaida ya ufugaji wa maji na hasa ni upanuzi wa kuahidi kwa RAS. Katika RAS itakuwa muhimu kusambaza maji ya mchakato ambayo ina athari maalum kwa teknolojia ya mchakato katika wote, RAS na mfumo wa mwamba/mmea. Kuchanganya RAS na mfumo wa mwamba/mmea, ufahamu wa kina wa mwingiliano kati ya samaki na matibabu ya maji ni muhimu na unaweza kupatikana kutokana na modeling nguvu. Kimetaboliki katika samaki ifuatavyo muundo wa kila siku ambao unawakilishwa vizuri na kiwango cha uokoaji wa tumbo (Richie et al. 2004). Kugawanyika kwa chembe, biofiltration na kubadilishana gesi ni chini ya mfano huo. Kwa madhumuni ya kubuni tabia ya vipengele vya msingi vya mfumo wa matibabu ya RAS inapaswa kuchunguzwa kupitia mifano ya simulation. Mifano hizi za simulation ni ngumu sana. Inapatikana mifano ya namba ya RAS huchukua sehemu ndogo tu ya utata na kuzingatia sehemu tu ya vipengele na taratibu zinazofanana. Kwa hiyo, katika sura hii, sehemu ndogo tu ya mfano wa nguvu wa RAS itawasilishwa, i.e. biofiltration ya msingi ya nitrification. Uongofu wa amonia ya sumu katika nitrati ni mchakato mkuu katika mchakato wa matibabu ya maji katika RAS. Katika zifuatazo, mfano wa nguvu wa usawa wa wingi wa excretion ya amonia ya samaki na uongofu wa amonia katika nitrati utaonyeshwa pamoja na uhamisho wa virutubisho kwenye mfumo wa aquaponic. Kwa hili inawezekana si tu kwa mhandisi RAS lakini pia kuunganisha uzalishaji wa samaki katika mfumo wa IAAC kulingana na vigezo halali.

11.3.1 Mfano wa Nguvu wa Biofiltration ya Nitrification katika RAS

Mfano huo umegawanyika katika mfano wa samaki kwa bahari ya Ulaya, Dicentrarchus labrax, mfano unaoelezea excretion ya muda wa amonia, na mfano wa nitrification (Mchoro 11.8). Mfano wa excretion wa samaki huletwa katika mfano kupitia vector ya pembejeo u (Eq. 11.15), sawa na mbinu inayotumiwa na Wik et al. (2009). Ugumu wa mfano wa samaki huhifadhiwa chini ili uweze kuelezea njia yake ya utekelezaji. Hata hivyo, utangulizi mfupi katika samaki modeling ni iliyotolewa katika Sect. 11.3.2. Masuala manne ya msingi muhimu kuelezea mtiririko wa virutubisho katika RAS (Badiola et al. 2012) ni:

1. Mtiririko Q, ambayo ni mchakato wa jumla wa mtiririko wa maji kwa wakati wa kitengo kupitia RAS, huamua uhamisho mkubwa wa suala lolote la kufutwa na la chembe, ikiwa ni pamoja na amonia na nitrati.
2. Excretion ya amonia ya pembejeo ya samaki kwenye maji ya mchakato wa RAS na inaonyeshwa na bidhaa ya tumbo B na vector u (Eq 11.15).
3. Uongofu wa amonia ndani ya nitrate, unaofanyika katika nitrification, unaonyeshwa katika vector ya nitrification n (Eq 11.15).
4. Uhamisho wa virutubisho kutoka RAS hadi mfumo wa HP unaounganishwa unaonyeshwa katika vectoru (Eq 11.15). Vipengele vingine muhimu vya mnyororo wa mchakato wa RAS kama vile kuondolewa imara, mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa na mkusanyiko wa dioksidi kaboni ha Vidokezo vya kuiga picha hizi vinaweza kupatikana katika Makundi. [3.1.1](/jamiii/makala/3-1-kuanzishwa #311 -History-ya-ras) na [3.2.2](/jamiii/makala/3-2-mapitio ya-ubora wa maji-kudhibiti-katika-ras #322 -Amonia) ya kitabu hiki.

Mtini. 11.8 RAS kuanzisha na tank samaki, pampu, nitrification reactor na uhamisho wa maji kwenye mfumo wa hydroponic

11.3.2 Samaki

Mifano mbalimbali katika fasihi za kisayansi zinatabiri ukuaji na ulaji wa kulisha wa aina tofauti za majini. Mifano huelezea ukuaji kama faida ya uzito kwa siku, kama ongezeko la ukuaji wa asilimia au kama kiwango maalum cha ukuaji kulingana na mfano wa ukuaji wa kielelezo. Mifano mara nyingi halali kwa hatua maalum za maisha. Matumizi ya kulisha, majani na jinsia yanaathiri pato la mfano pamoja na hali ya mazingira kama vile joto, kiwango cha oksijeni na mkusanyiko wa virutubisho (Lugert et al. 2014). Utafiti wa makini unahitajika kutambua mfano sahihi unaotumiwa kwa programu maalum. RAS ya kibiashara ambayo ina makundi kadhaa ya samaki katika hatua tofauti za maisha inahitaji modeling kuingiza cohorts katika mfano (Kielelezo 8.6) (Halamachi na Simon 2005). Mzunguko wa molekuli wa excretory kwa bahari ya Ulaya (Dicentrarchus labrax) unaweza kuhesabiwa na algorithms iliyochapishwa na Lupatsch na Kissil (1998).

Hapa molekuli ya nitrojeni wavu inapita ndani ya mchakato maji inakadiriwa kutokana na utungaji wa malisho (maudhui ya protini), kiasi cha chakula kilichopewa na nitrojeni iliyohifadhiwa katika tishu za mwili kupitia ukuaji (uzito wa nyongeza) wa samaki. Hasara za nitrojeni za faecal hazijumuishwa katika mfano, lakini kiwango cha excretion kinarekebishwa kuchukua sehemu ya 0.25 na 0.75 ya excretion ya nitrojeni kwa kupoteza faecal na excretion ya amonia, kwa mtiririko huo. Pembejeo ya nitrojeni kupitia kulisha samaki inakadiriwa kutokana na maudhui ya protini na maudhui ya wastani ya nitrojeni ya protini ambayo inadhaniwa kuwa 0.16. Maudhui ya protini ya tishu za bahari yanaripotiwa karibu na protini 0.17 g gsup-1/sup seabass (Lupatsch et al. 2003). Kwa samaki kupata uzito wa mwili kwa kuteketeza kiasi fulani cha kulisha, excretion ya nitrojeni (xSubN, excreted/sub, g) inaweza kuhesabiwa kutoka Eq. (11.9). Inachukuliwa kuwa chakula (Xsubfeed/Sub) kina 0.5 g protini gsup-1/sup samaki. Inachukuliwa zaidi kuwa kiwango cha uongofu wa malisho ni sawa na 1, yaani. 1 g ya matumizi ya kulisha husababisha 1 g ya ongezeko la uzito wa mwili (Mchoro 11.9):

$X_ {N, excreted} = X_ {feed} * 0.16 * 0.75 * (0.5 - 0.17) $ (11.9)

Kuyeyuka amonia excreted kupitia gills ya samaki ifuatavyo mfano sawa kila siku kama kiwango cha tumbo uokoaji (GER). GER inaelezwa kwa maji baridi na samaki ya maji ya joto na Yeye na Wurtsbaugh (1993) na Richie et al. (2004), kwa mtiririko huo. Mfano wa excretory unaweza kuigwa vizuri na kazi ya sine. Excretion ya amonia inaweza kuhesabiwa kutoka Eq. (11.10):

$X_ {NH_x-n, excreted} =X_ {N, excreted} [g] * (dhambi (\ frac {2\ pi} {1440}) +1) $ (11.10)

mtini. 11.9 Uwakilishi wa mtiririko wa wingi (Sankey chati) ya viungo kulisha na bidhaa excretory kwa samaki kuteketeza 1000 g ya kulisha kuchukua FCR ya 1

11.3.3 RAS

Mifano mbalimbali zinazoelezea RAS zilizo na viwango tofauti vya utata zinaweza kupatikana katika maandiko. Mifano ngumu sana zinapatikana kwa vipengele maalum, kama vile mwingiliano wa gesi za mumunyifu na alkalinity (Colt 2013) au maelezo ya jamii ya microbial (Henze et al. 2002). Mifano zaidi ya vitendo kwa usawa wa wingi wa RAS huchapishwa na Sánchez-Romero et al. (2016), Pagand et al. (2000), Wik et al. (2009) na Weatherley et al. (1993). Mifano zote hutoa taarifa juu ya mtiririko wa molekuli wa excretory na/au mtiririko wa virutubisho katika utegemezi wa muda na mahali katika mzunguko Mifano kama hizo hutoa msingi kwa simulation ya kuunganisha ya RAS na HP. Jambo muhimu zaidi la kufutwa katika modeling RAS ni jumla ya nitrojeni ya amonia (TAN). Mbali na hilo TAN mahitaji ya oksijeni ya kemikali (COD) na kibaiolojia (BOD), jumla yabisi zilizosimamishwa (TSS) na mkusanyiko wa oksijeni iliyoyeyushwa zinahitajika kuchukuliwa. Hata hivyo, maelezo tofauti katika fasihi za kisayansi hufanya wakati mwingine kuwa vigumu kusoma, kubadilisha na kutekeleza habari katika mifano. Katika zifuatazo, maelezo kama ilivyopendekezwa na Corominas et al. (2010) yatatumika. TAN itakuwa kuandikwa upya kama XsubnHX-N/Sub na nitrate nitrojeni itakuwa walionyesha kama Xsubno3-N/Sub.

11.3.4 Mfano Mfano

Mfano kama ilivyoelezwa katika zifuatazo ni halali tu kwa RAS iliyotolewa kwenye Mchoro 11.8. Nyingine inawezekana mchakato minyororo kwa RAS ni kujadiliwa katika Sect. 11.3 ya sura hii. Kwa picha ya hisabati ya mifumo ya kimwili, mawazo yafuatayo yalifanywa:

(a) Uzito wa maji unadhaniwa kuwa mara kwa mara.

(b) Tank na Reactor ni kudhani kuwa vizuri mchanganyiko.

(c) Tank na Reactor kiasi ni kudhani kuwa mara kwa mara.

(d) Mchakato wa mtiririko wa maji daima ni mkubwa kuliko sifuri.

Dhana ya tank vizuri mchanganyiko na Reactor inaongoza kwa molekuli usawa equation kwa kuendelea kushawishwa-tank Reactor (CSTR) kama ilivyoelezwa na Drayer na Howard (2014) katika Eq. (11.11). Inapaswa kutajwa kuwa michakato ya kuenea inaweza kupuuzwa katika mahesabu ya RAS kwa sababu ya kiwango cha juu cha mtiririko wa maji. Kwa RAS nyingi za tank, zifuatazo zinashikilia:

Kukusanya = Uingiaji - outflow + kizazi - kupunguza

$v_i {\ dot x} I=Q {in} x_ {i, katika} -Q_ {nje} x_ {i, nje} +x_ {i, gen} -x_ {i, nyekundu} $ (11.1)

$j=\ kuanza {kesi} n, & i=1\ i-1, & i\ ne1 \ mwisho {kesi} $ (11.1)

Katika equation hapo juu $n$ inawakilisha idadi ya mizinga katika Mfumo, $ {\ dot x} i$ ni mabadiliko ya mkusanyiko wa substrate iliyotolewa x kwa kiasi kilichotolewa na $V {i.} $. Mchakato wa mtiririko wa maji ndani ya tangi au reactor unawakilishwa na $Q {in} $. $V_i$ ni kiasi cha sehemu ambapo mtiririko wa maji wa mchakato $Q_ {in} $ unaingia. Mchakato wa mtiririko wa maji $Q_ {in} $ ulikuja kutoka sehemu yenye kiasi cha $V_J$.

uongofu wa XsubnHX-N/Sub katika xsubno3-N/sub katika nitrifying biofilters unafanyika juu ya uso eneo A [msup2/sup] inapatikana kwenye bio-flygbolag katika nitrification Reactor (Rusten 2006). Inapatikana bioactive uso katika nitrification ni mahesabu kwa kuzidisha kiasi cha Reactor na kiasi maalum kazi uso wa bio-flygbolag asubs/sub [msup2/sup 1994/msup-3/sup]. Urefu wa jumla wa bioactive umehesabiwa (Eq. 11.12) kutoka kwa kujaza jamaa fsubbc/ndogo ya reactor ya nitrification ambayo kwa kawaida ni 0.6 (kwa maelezo, angalia Rusten 2006).

A = Vsubnitrification/Sub ⋆ ASUBS/sub ⋆ fsubbc/sub (11.2)

jumla ya kila siku TAN microbial uongofu μsubmax/sub g dsup-1/sup ilikuwa mahesabu kwa kuzidisha maalum TAN uongofu (nitrification) kiwango, NHXsubconversion-Rate/sup [g msup-2/sup dsup-1/sup], na jumla ya kazi eneo la uso, A [msup-flygbolag. Maadili ya uongofu wa TAN katika aina tofauti za biofilters nitrifying yanaweza kupatikana katika maandiko. Kwa ajili ya kusonga mitambo ya biofilm kitanda (MBBR), maadili yanaripotiwa na Rusten (2006). Kiwango hiki ni halali kwa hali fulani za mchakato, na inadhaniwa kuwa biofilm ya bakteria imeendelezwa kikamilifu kwa ujumla.

$μ_ {mm} = A ^*nHx_ {Kiwango cha uongofu} $ (11.13)

Masi ya jumla ya NHSUBX/Sub iliyobadilishwa kuwa NoSub3/sub-N inaweza hatimaye kuhesabiwa na kinetic ya Monod (Eq 11.14). Kwa hili, mkusanyiko wa NHsubX-N/sub, xsubnHX-N,2/sub [g 1994-1sup-1/sup], kwa kiasi cha reactor ya nitrification (MBBR) Vsub2/sub, inahitajika.

$\ frac {d} {dt} X_ {NH_x-n,2} =-\ mu_ {max} * (\ frac {X_ {NH_x-n,2}} {K_s+x_ {NH_ {X-n,2}}}}) *\ fra1 {V_2} $ na $K_s=\ frac {\ mu_ {max} {max}} 2$ (11.4)

$\ frac {d} {dt} X_ {n0_x-n,2} =+\ mu_ {max} * (\ frac {X_ {NH_x-n,2}} {K_s+x_ {NH_ {X-n,2}}}}) *\ fra1 {V_2} $ na $K_s=\ frac {\ mu_ {max} {max} {max} 2$ (11.4)

Kutokana EQS. (11.9, 11.10, 11.11, 11.12, 11.13 na 11.14), zifuatazo hali mfano (kuchanganya samaki-nitrification) matokeo

[\ frac {dx (t)} {dt} =A ^*X+B ^*U+N]

$X=\ kuanza {bmatrix} X_ {NH_ {x} -N,1}\ X_ {NH_ {x} -N,2}\ X_ {NO_ {3} -N,1}\ X_ {NO_ {3} -N,2}\ mwisho {bmatrix} $ u=\ kuanza {bmatrix} X_ {nH_x-n,\ maandishi {excreted}\ 0\ {Q_ {Exc}} ^ {*} X_ {NH_x-n,\ maandishi {hydroponics}\ 0\ mwisho {bmatrix} $ n=\ kuanza {bmatrix} 0\ -\ frac {\ mu_ {max} [X] _2} {K_s+ [X] 2} fra1 {V_2}\ 0\ +\ frac {\ mu {max} * [X] _2} {K _s+ [X] _2} *\ frac1 {V_2}\ mwisho {bmatrix} $

$A=\ kuanza {bmatrix} -\ frac {Q} {V_1} -\ frac {Q_ {Exc}} {V_1} &\ Frac {Q} {V_1} &0&0\\ Frac {Q} {V_2} &-\ Frac {Q} {V_2} &0&0 &0&-\\\\\ Frac {Q} {V_1} -\ frac {Q_ {Exc}} {V_1} &\ frac {Q} {V_1}\ 0&0&\ frac {Q} {V_2} & -\ frac {Q} {V_1}\ mwisho {bmatrix} $

$\ mara B =\ kuanza {bmatrix}\ frac1 {V_1} &0&0\ 0&\ frac1 {V_2} &0\ 0&0&\ frac1 {V_1} &0\ 0&0&\ frac {1} {V_2}\ mwisho {bmatrix} $

(11.5)

mfano

Katika mfano huu, nadharia RAS na V_Reactor = 1300 l na V_Tank = 6000 l ni simulated.

uigaji wote walikuwa na kila siku kulisha pembejeo ya 2000 g/siku na 500 g protini/kg kulisha (Eq 11.8). Excretion ya kila siku ya TAN ilidhaniwa kuwa safu ya sine (Eq 11.9). Active uso wa bio-flygbolag ASUBS/Sub ni 300 [msup2/sup msup-3/sup], na kujaza jamaa ya Reactor fsubbc/sub ni 0.6. Kiwango maalum cha ubadilishaji wa TAN, NHXsubconversion-Rate/Sub, ni 1.2 [g msup-2 -/supd], na biofilm inatakiwa kuendelezwa kikamilifu (Eqs 11.11 na 11.12). Uwakilishi wa hali ya nafasi (Eq. 11.14) ulitekelezwa katika MATLAB Simulink. Mfano unaonyesha umuhimu wa mtiririko wa wingi kwa viwango vya virutubisho katika mifumo ya pamoja (Mchoro 11.10 na 11.11).