RAS ni mifumo tata ya uzalishaji wa majini inayohusisha mwingiliano wa kimwili, kemikali na kibaiolojia (Timmons na Ebeling 2010). Kuelewa mwingiliano huu na uhusiano kati ya samaki katika mfumo na vifaa vya kutumika ni muhimu kutabiri mabadiliko yoyote katika ubora wa maji na utendaji wa mfumo. Kuna vigezo zaidi ya 40 vya ubora wa maji kuliko vinaweza kutumika kuamua ubora wa maji katika ufugaji wa maji (Timmons na Ebeling 2010). Kati ya hizi, wachache tu (kama ilivyoelezwa katika Makundi. [3.2.1](#321 -kufuta-oksijeni-do), [3.2.2](#322 -amonia), [3.2.3](#323 -biosolids), [3.2.4](#324 -carbon-dioxide-cosub2sub), [3.2.5](#325 -joto-shinikizo la tgp), [3.2.6), [3.2.6](#326 -nitrate) na [3.2.7](#327 -alkalinity)) ni jadi kudhibitiwa katika recirculation kuu michakato, kutokana na kwamba taratibu hizi zinaweza kuathiri haraka maisha ya samaki na zinaweza kubadilika na kuongeza ya kulisha kwa mfumo. Vigezo vingine vingi vya ubora wa maji havijafuatiliwa au kudhibitiwa kwa sababu (1) analytics ya ubora wa maji inaweza kuwa ghali, (2) uchafuzi wa kuchambuliwa unaweza kuongezwa kwa kubadilishana maji kila siku, (3) vyanzo vyenye maji vinatawaliwa nje kwa matumizi au (4) kwa sababu uwezo wao hasi madhara si aliona katika mazoezi. Kwa hiyo, vigezo vyafuatayo vya ubora wa maji ni kawaida kufuatiliwa katika RAS.

3.2.1 Oksijeni iliyoharibiwa (DO)

Oxyjeni kufutwa (DO) kwa ujumla ni muhimu zaidi ubora wa maji parameter katika mifumo ya kina ya majini, kama viwango vya chini DO inaweza haraka kusababisha dhiki ya juu katika samaki, nitrifying biofilter malfunction na hasara kweli kubwa samaki. Kwa kawaida, kuhifadhi densities, kuongeza chakula, joto na uvumilivu wa aina ya samaki kwa hypoxia itaamua mahitaji ya oksijeni ya mfumo. Kama oksijeni inaweza kuhamishiwa maji katika viwango vya juu kuliko mkusanyiko wake wa kueneza chini ya mazingira ya anga (hii inaitwa supersaturation), vifaa na miundo mbalimbali zipo ili kuhakikisha kuwa samaki hutolewa na oksijeni ya kutosha.

Katika RAS, DO inaweza kudhibitiwa kupitia aeration, kuongeza ya oksijeni safi, au mchanganyiko wa haya. Kwa kuwa aeration ina uwezo tu wa kuinua viwango vya DO kwenye hatua ya kueneza ya anga, mbinu hiyo kwa ujumla imehifadhiwa kwa mifumo ndogo au mifumo yenye aina za kuvumilia kama vile Tilapia au catfish. Hata hivyo, aerators pia ni sehemu muhimu ya RAS ya kibiashara ambapo matumizi ya oksijeni ghali kiufundi ni kupunguzwa kwa aerating maji na maudhui ya chini ya oksijeni kufutwa nyuma ya hatua ya kueneza kabla supersaturating maji na oksijeni ya kiufundi.

Kielelezo 3.2 Mifano ya mifano miwili ya uhamisho wa gesi hadi kioevu: aeration diffused na sindano za Venturi/aspirators

Kuna aina kadhaa za aerators na oksijeni ambazo zinaweza kutumika katika RAS na hizi huanguka ndani ya makundi mawili pana: mifumo ya gesi-kwa-kioevu na kioevu-kwa-gesi (Lekang 2013). Aerators ya gesi hadi kioevu hasa hujumuisha mifumo ya aeration iliyoenea ambapo gesi (hewa au oksijeni) huhamishiwa kwenye maji, na kuunda Bubbles ambazo zinabadilisha gesi na kati ya kioevu (Kielelezo 3.2). Mifumo mingine ya gesi hadi kiowevu ni pamoja na kupita gesi kupitia diffusers, mabomba perforated au sahani perforated kuunda Bubbles kwa kutumia injectors Venturi ambayo huunda raia wa Bubbles ndogo au vifaa ambavyo mtego Bubbles gesi katika mkondo wa maji kama vile Speece Cone na oksijeni ya U-tube.

Kielelezo 3.3 Michoro ya mifano miwili ya uhamisho wa kioevu hadi gesi: safu iliyojaa aerator na splashers ya uso katika tank iliyofungwa. Aerator ya safu iliyojaa inaruhusu maji kupungua chini ya chombo kilichofungwa, kwa kawaida kilijaa vyombo vya habari vya muundo, ambapo hewa inalazimishwa kupitia shabiki au pigo. Splashers ya uso inayopatikana katika ufugaji wa maji ya bwawa pia inaweza kutumika katika anga iliyofungwa yenye utajiri na gesi — kwa kawaida oksijeni — kwa ajili ya uhamisho wa gesi

Aerators ya kioevu hadi gesi hutegemea kueneza maji ndani ya matone madogo ili kuongeza eneo la uso linalopatikana kwa kuwasiliana na hewa, au kujenga mazingira yenye utajiri na mchanganyiko wa gesi (Mchoro 3.3). Aerator ya safu iliyojaa (Colt na Bouck 1984) na oksijeni ya chini ya kichwa (LHOs) (Wagner et al. 1995) ni mifano ya mifumo ya kioevu-kwa-gesi inayotumika katika recirculating aquaculture. Hata hivyo, mifumo mingine ya kioevu-kwa-gesi maarufu katika mabwawa na mashamba ya nje kama vile aerators ya paddlewheel (Fast et al. 1999) pia hutumiwa katika RAS.

Fasihi kubwa inapatikana kwenye nadharia ya kubadilishana gesi na misingi ya uhamisho wa gesi katika maji, na msomaji anahimizwa sio tu kushauriana na maandiko ya uhandisi wa maji na maji machafu, lakini pia kutaja mchakato wa uhandisi na vifaa vya matibabu ya maji machafu kwa ufahamu bora wa haya michakato.

3.2.2 Amonia

Katika kati ya maji, amonia ipo katika aina mbili: fomu isiyo ya ionized (NHsub3/sub) ambayo ni sumu kwa samaki na fomu ionized (NHsub4/subsup+/sup) ambayo ina sumu ya chini kwa samaki. Hizi mbili huunda jumla ya nitrojeni ya amonia (TAN), ambapo uwiano kati ya aina mbili hudhibitiwa na pH, joto na chumvi. Amonia hujilimbikiza katika maji ya kuzaliana kama bidhaa ya kimetaboliki ya protini ya samaki (Altinok na Grizzle 2004) na inaweza kufikia viwango vya sumu ikiwa ikiachwa bila kutibiwa. Ya aina 35 tofauti za samaki ya maji safi ambayo yamejifunza, wastani wa thamani ya sumu ya amonia ni 2.79 mg NH3/L (Randall na Tsui 2002).

Amonia imekuwa jadi kutibiwa katika mifumo recirculation na nitrifying biofilters, vifaa kwamba ni iliyoundwa na kukuza jamii microbial ambayo inaweza oxidize amonia katika nitrati (NOSub3/Sub). Ingawa matumizi ya biofilters nitrifying si mpya, kisasa RAS imeshuhudia kurahisisha ya miundo biofilter, na wachache tu, vizuri alisoma miundo kuwa kukubalika kuenea. Mbinu nyingine za ubunifu sana za kutibu amonia zimeandaliwa zaidi ya miaka michache iliyopita, lakini hazitumiwi sana kibiashara (mifano iliyoelezwa hapa chini).

Amonia ni oxidized katika biofilters na jamii ya bakteria nitrifying. Bakteria ya nitrifying ni viumbe vya kemikali ambavyo vinajumuisha spishi za genera Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrobacter na Nitrococcus (Prosser 1989). Bakteria hizi hupata nishati yao kutokana na vioksidishaji vya misombo ya nitrojeni isokaboni (Mancinelli 1996) na kukua polepole (replication hutokea mara 40 polepole kuliko bakteria ya heterotrophic) hivyo hushindikana kwa urahisi na bakteria ya heterotrophic ikiwa kaboni hai, hasa iliyopo katika biosolidi iliyosimamishwa katika utamaduni maji, wanaruhusiwa kujilimbikiza (Grady na Lim 1980). Wakati wa operesheni ya RAS, usimamizi mzuri wa mfumo unategemea sana kupunguza vimelea vilivyosimamishwa kupitia mbinu za kutosha za kuondoa yabisi (Mchoro 3.4).

Nitrifying biofilters au mitambo biofilter wamekuwa takribani classified katika makundi mawili kuu: ukuaji kusimamishwa na masharti mifumo ya ukuaji (Malone na Pfeiffer 2006). Katika mifumo ya ukuaji iliyosimamishwa, jamii za bakteria za nitrifying zinakua kwa uhuru ndani ya maji, na kutengeneza makundi ya bakteria ambayo pia huhifadhi mazingira mazuri ambapo protozoa, ciliates, nematodes na mwani zipo (Manan et al. 2017). Pamoja na kuchanganya sahihi na aeration, mwani, bakteria, zooplankton, kulisha chembe na jambo faecal kubaki suspended katika safu ya maji na kawaida flocculate pamoja, kutengeneza chembe kwamba kutoa mifumo biofloc utamaduni jina lao (Browdy et al. 2012). Hasara kuu ya mifumo ya ukuaji iliyosimamishwa ni tabia yao ya kupoteza biomasi yao ya bakteria wakati mchakato maji hutoka nje ya mtambo, hivyo kuhitaji njia za kukamata na kuirudisha kwenye mfumo. Katika mifumo ya ukuaji iliyoambatanishwa, aina imara (nafaka za mchanga, mawe, vipengele vya plastiki) hutumiwa kama substrates kuhifadhi bakteria ndani ya reactor na hivyo, hazihitaji hatua ya kukamata baada ya matibabu. Kwa ujumla, mifumo ya ukuaji masharti hutoa eneo zaidi la uso kwa attachment ya bakteria kuliko mifumo ya ukuaji suspended, na wala kuzalisha yabisi muhimu katika outflow yao, ambayo ni moja ya sababu kuu kwa nini masharti ukuaji biofilters kuwa hivyo kawaida kutumika katika RAS.

Mtini. 3.4 Nitrifying bakteria Nitrosomonas (kushoto), na Nitrobacter (kulia). (picha ya kushoto: Bock et al. 1983. Picha ya kulia: Murray na Watson 1965)

Juhudi zimefanywa kuainisha biofilters na kurekodi utendaji wao ili kuwasaidia wakulima na wabunifu kubainisha mifumo yenye kiwango bora cha kuaminika (Drennan et al. 2006; Gutierrez-Wing na Malone 2006). Katika miaka ya hivi karibuni, sekta ya ufugaji wa maji imechagua miundo ya biofilter ambayo imejifunza sana na hivyo inaweza kutoa utendaji wa kutabirika. Bioreactor kitanda kusonga (Rusten et al. 2006), fluidized mchanga filter bioreactor (Summerfelt 2006) na fasta-kitanda bioreactor (Emparanza 2009; Zhu na Chen 2002) ni mifano ya masharti ukuaji biofilter miundo ambayo wamekuwa kiwango katika RAS kisasa kibiashara. Filters Trickling (Díaz et al. 2012), kubuni nyingine maarufu, wameona umaarufu wao kupunguzwa kutokana na mahitaji yao ya juu ya kusukumia na ukubwa kiasi kikubwa.

3.2.3 Biosolids

Biosolids katika RAS yanatokana na malisho ya samaki, nyasi na biofilms (Timmons na Ebeling 2010) na ni moja ya vigezo muhimu zaidi na vigumu ubora wa maji kudhibiti. Kama biosolids hutumika kama substrate kwa ukuaji wa bakteria ya heterotrophic, ongezeko la mkusanyiko wao hatimaye kusababisha kuongezeka kwa matumizi ya oksijeni, utendaji mbaya wa biofilter (Michaud et al. 2006), kuongezeka kwa maji na hata kuzuia mitambo ya sehemu za mfumo (Becke et al. 2016; Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009).

Katika RAS, biosolids kwa ujumla huwekwa kwa ukubwa wao na uwezo wao wa kuondolewa kwa mbinu fulani. Kati ya sehemu ya jumla ya yabisi zinazozalishwa katika RAS, yabisi ya makazi ni wale kwa ujumla kubwa kuliko 100 μm na ambayo inaweza kuondolewa kwa kujitenga kwa mvuto. Mabwawa yaliyosimamishwa, na ukubwa unaoanzia 100 μm hadi 30 μm, ni yale ambayo hayatoi kusimamishwa, lakini hiyo inaweza kuondolewa kwa njia ya mitambo (yaani sieving). Ngumu nzuri, na ukubwa wa chini ya 30 μm, kwa ujumla ni wale ambao hawawezi kuondolewa kwa sieving, na lazima kudhibitiwa kwa njia nyingine kama vile michakato ya kimwili na kemikali, michakato ya filtration membrane, dilution au biofafanuzi (Chen et al. 1994; Lee 2014; Summerfelt na Hochheimer 1997; Timmons na Ebeling 2010; Wold et al. 2014). Mbinu za kudhibiti yabisi zinazoweza kukaa na kusimamishwa zinajulikana na zimeendelezwa, na maandiko ya kina yanapo juu ya somo hilo. Kwa mfano, matumizi ya mizinga miwili ya kukimbia, watenganishaji wa swirl, watenganishaji wa mtiririko wa radial na mabonde ya kutulia ni njia maarufu ya kudhibiti yabisi ya makazi (Couturier et al. 2009; Davidson na Summerfelt 2004; De Carvalho et al. 2013; Ebeling et al. 2006; Veerapen et al. 2005). Filters microscreen ni njia maarufu zaidi kwa ajili ya kudhibiti suspended yabisi (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) na mara nyingi hutumika katika sekta ya kudhibiti wote makazi na suspended yabisi na mbinu moja. Vifaa vingine vilivyojulikana vya kukamata ni vichujio vya kina kama vile filters za bead (Cripps na Bergheim 2000) na vichujio vya mchanga vya haraka, ambavyo pia vinajulikana katika programu za bwawa la kuogelea. Aidha, miongozo ya kubuni ili kuzuia mkusanyiko wa yabisi katika mizinga, pipework, sumps na vipengele vingine vya mfumo pia inapatikana katika maandiko (Davidson na Summerfelt 2004; Lekang 2013; Wong na Piedrahita 2000). Hatimaye, yabisi nzuri katika RAS hutendewa kwa kawaida na ozonation, biofafanuzi, sehemu ya povu au mchanganyiko wa mbinu hizi. Miaka michache iliyopita katika maendeleo ya RAS imezingatia ufahamu mkubwa wa jinsi ya kudhibiti sehemu nzuri ya yabisi na kuelewa athari zake juu ya ustawi wa samaki na utendaji wa mfumo.

3.2.4 Carbon dioxide (coSub2/subb)

Katika RAS, udhibiti wa gesi zilizofutwa hauacha na kusambaza oksijeni kwa samaki. Gesi nyingine kufutwa katika maji ya kuzaliana inaweza kuathiri ustawi wa samaki kama si kudhibitiwa. High kufutwa dioksidi kaboni (COSU2/Sub) viwango katika maji kuzuia utbredningen ya COSU2/Sub kutoka damu ya samaki. Katika samaki, kuongezeka kwa COSub2/sub katika damu hupunguza pH ya damu na kwa upande mwingine, mshikamano wa haemoglobin kwa oksijeni (Noga 2010). High COSU2/viwango Sub pia wamekuwa kuhusishwa na nephrocalcinosis, utaratibu granulomas na amana chalky katika viungo katika salmonids (Noga 2010). COSub2/Sub katika RAS inatoka kama bidhaa ya kupumua heterotrophic na samaki na bakteria. Kama gesi yenye mumunyifu, dioksidi kaboni haina kufikia usawa wa anga kwa urahisi kama oksijeni au nitrojeni na hivyo, ni lazima iwekwe kuwasiliana na kiasi kikubwa cha hewa na mkusanyiko mdogo wa COsub2/Sub ili kuhakikisha uhamisho nje ya maji (Summerfelt 2003). Kama kanuni ya jumla, RAS ambayo hutolewa na oksijeni safi itahitaji aina fulani ya carbon dioxide stripping, wakati RAS ambayo hutolewa na aeration kwa nyongeza oksijeni haitahitaji kazi COSU2/sub stripping (Eshchar et al. 2003; Loyless na Malone 1998).

Kwa nadharia, kifaa chochote cha uhamisho wa gesi/aeration kilicho wazi kwa anga kitatoa aina fulani ya COSU2/Sub stripping. Hata hivyo, vifaa maalum vya kukata dioksidi ya kaboni vinahitaji kwamba kiasi kikubwa cha hewa kinawasiliana na mchakato wa maji. Cosub2/miundo ndogo stripper na zaidi kulenga vifaa cascade aina kama vile aerators cascade, trickling biofilters na, muhimu zaidi, packed safu aerator (Colt na Bouck 1984; Moran 2010; Summerfelt 2003), ambayo imekuwa kipande cha vifaa katika RAS kibiashara kazi na oksijeni safi. Ingawa maendeleo ya packed safu aeration teknolojia imeendelea zaidi ya miaka iliyopita, zaidi ya utafiti uliofanywa kwenye kifaa hiki imekuwa ililenga kuelewa utendaji wake katika hali tofauti (yaani maji safi vs maji ya bahari) na tofauti kubuni kama vile urefu, kufunga aina na viwango vya uingizaji hewa . Athari ya kiwango cha upakiaji wa hydraulic (mtiririko wa kitengo kwa eneo la kitengo cha degasser) inajulikana kuwa na athari kwa ufanisi wa degasser, lakini utafiti zaidi unahitajika kuwa na ufahamu bora wa parameter hii ya kubuni.

3.2.5 Jumla ya shinikizo la gesi (TGP)

Jumla ya shinikizo la gesi (TGP) hufafanuliwa kama jumla ya shinikizo la sehemu ya gesi zote zilizoharibiwa katika suluhisho la maji. Gesi isiyo na mumunyifu ni, zaidi ‘chumba’ inachukuwa katika suluhisho la maji na hivyo, shinikizo linalojitokeza zaidi ndani yake. Kati ya gesi kuu za angahewa (nitrojeni, oksijeni na dioksidi kaboni) nitrojeni ni mumunyifu mdogo (k.m. mara 2.3 chini ya mumunyifu kuliko oksijeni na zaidi ya mara 90 chini ya mumunyifu Hivyo, nitrojeni huchangia shinikizo la gesi jumla kuliko gesi nyingine yoyote, lakini haitumiwi na samaki au bakteria ya heterotrophic, hivyo itajilimbikiza ndani ya maji isipokuwa imevuliwa. Pia ni muhimu kutambua kwamba oksijeni pia itachangia TGP ya juu ikiwa mchakato wa uhamisho wa gesi hairuhusu gesi nyingi zihamishwe nje ya suluhisho. Mfano wa classic wa hii ni mabwawa yenye shughuli za photoautotrophic ndani yao. Photoautotrofi (kwa kawaida hupanda viumbe vinavyotekeleza usanisinuru) hutoa oksijeni ndani ya maji ilhali uso wa maji yenye utulivu hauwezi kutoa ubadilishaji wa gesi ya kutosha kwa ajili ya gesi ya ziada ili kutoroka angahewa na hivyo, supersaturation inaweza kutokea.

Samaki huhitaji shinikizo la gesi jumla sawa na shinikizo la anga. Ikiwa samaki hupumua maji yenye shinikizo la gesi la juu, gesi ya ziada (kwa ujumla nitrojeni) hutoka damu na hufanya Bubbles, na mara nyingi madhara makubwa ya afya kwa samaki (Noga 2010). Katika ufugaji wa maji hii inajulikana kama ugonjwa wa gesi ya Bubble.

Kuepuka TGP ya juu inahitaji uchunguzi wa makini wa maeneo yote katika RAS ambapo uhamisho wa gesi unaweza kutokea. High shinikizo oksijeni sindano bila off-gassing (kuruhusu nitrojeni kupita kiasi kuwa makazi yao nje ya maji) inaweza pia kuchangia katika TGP ya juu. Katika mifumo na samaki ambayo ni nyeti sana kwa TGP, matumizi ya degassers utupu ni chaguo (Colt na Bouck 1984). Hata hivyo, kudumisha RAS bure kutoka maeneo ya shinikizo la gesi ulafi, kwa kutumia carbon dioxide strippers (ambayo pia strip nitrojeni) na dosing kiufundi oksijeni kwa uangalifu, inatosha kuweka TGP katika viwango salama katika RAS kibiashara.

3.2.6 Nitrate

Nitrate (NoSub3/Sub) ni bidhaa ya mwisho ya nitrification na kawaida parameter mwisho kudhibitiwa katika RAS, kutokana na sumu yake ya chini (Davidson et al. 2014; Schroeder et al. 2011; van Rijn 2013). Hii inahusishwa zaidi na upungufu wake wa chini kwenye membrane ya gill ya samaki (Camargo na Alonso 2006). Hatua ya sumu ya nitrati ni sawa na ile ya nitriti, inayoathiri uwezo wa molekuli za kubeba oksijeni. Udhibiti wa viwango vya nitrate katika RAS kwa kawaida umepatikana kwa dilution, kwa kudhibiti ufanisi wakati wa kuhifadhi majimaji au kiwango cha ubadilishaji wa kila siku. Hata hivyo, udhibiti wa kibiolojia wa nitrati kwa kutumia mitambo ya denitrification ni eneo kubwa la utafiti na maendeleo katika RAS.

Uvumilivu kwa nitrati inaweza kutofautiana na aina ya majini na hatua ya maisha, na salinity kuwa na athari ameliorating juu ya sumu yake. Ni muhimu kwa waendeshaji wa RAS kuelewa madhara ya muda mrefu ya yatokanayo nitrate badala ya madhara ya papo hapo, kama viwango vya papo hapo pengine si kufikiwa wakati wa operesheni ya kawaida ya RAS.

3.2.7 Alkalinity

Alkalinity ni, katika suala pana, hufafanuliwa kama uwezo pH buffering ya maji (Timmons na Ebeling 2010). Udhibiti wa alkalinity katika RAS ni muhimu kama nitrification ni mchakato wa kutengeneza asidi ambayo huiharibu. Aidha, bakteria ya nitrifying inahitaji ugavi wa mara kwa mara wa alkalinity. Chini alkalinity katika RAS itasababisha swings pH na nitrifying biofilter malfunction (Summerfelt et al. 2015; Colt 2006). Aidha alkalinity katika RAS itakuwa kuamua na shughuli nitrification katika mifumo, ambayo ni kwa upande kuhusiana na kulisha nyongeza, alkalinity maudhui ya kufanya-up (kubadilishana kila siku) maji na mbele ya shughuli denitrifying, ambayo kutayarisha alkalinity (van Rijn et al. 2006).