第八章分离水联系统
8.7 环境影响
根据例 8.2，有证据表明，在消化器中处理污泥可以对营养物质的再利用产生有益的影响，尤其是磷。 生物反应器系统，例如连续两级 UASB 反应堆系统，可将磷回收效率提高到 300%（[第 10 章]（社区/物品/第 10 章-有氧-和厌氧-治疗-水生-淤泥-还原和矿化））。 此前，在 [第 2 章]（社区/文章/第 2 章-水生-封闭有限水土和营养资源的循环）中，我们讨论了磷酸盐稀缺性和富营养化问题的相关性。 生物反应器具有显著优势，可提高污泥中的营养回收率，从而有助于关闭水生物系统中的营养循环。 然而，需要进一步研究，完善这些系统，以优化特定营养物质的生物利用度。 图 8.11、8.12 和 8.13 显示了独立水产养殖和水培系统与分离水产养殖系统相比的输入、产出和废物流。 可以看出，分离的办法构成了减少废物和再循环系统的一个有希望的农业概念。 ！ 图片-3 ** 图 8.11** 独立水培系统中的输入、输出和损耗流 ！ 图片-3 ** 图 8.12** 独立水产养殖系统中的输入、输出和损失流 ！ 图片-3 ** 图 8.13** 由厌氧反应器系统组成的分耦多环水生系统中的输入、输出和损耗流
· Aquaponics Food Production Systems8.6 经济影响
利润较少但对环境更好的技术通常只有在经营者获得补贴形式的奖励或政策迫使他们这样做的情况下才得到实施。 就单循环水生系统而言，吸引力在于新技术和该系统对可持续资源利用的方法，而不是其经济潜力。 然而，最近的出版物提供了生产收益的证据：叶绿在分离环境中的生长优于无菌水培系统（Delide 等人，2016 年；Goddek 和 Vermeulen 2018），分离水生生物系统中的生菜的增长优势大约为 40%最先进的水培方法。 尽管可以预期增长率较高，但多环水生系统仍然比水耕系统复杂得多，因此需要大量的初步投资才能实施。 大多数地理位置都需要一个高科技温室来控制环境条件（即相对湿度为 80%，恒定温度在 20℃ 左右）。 可再生能源可用于冷却和取暖，但目前这种系统只有在良好的市场条件下大规模（即\ > 1 公顷）安装时才有利可图。
· Aquaponics Food Production Systems8.5 监测和控制
在传统反馈控制中，如 PI 或 PID（比例积分-导数）控制，受控变量 (CV) 直接与设定点进行比较，然后通过反馈控制定律反馈到过程中。 在图 8.10 中，没有时间参数的信号用一个小字母表示，其中 y 是与参考（设定点）信号 r 进行比较的受控变量 (CV)。跟踪误差 ε (即 r-y) 被送入控制器，无论是硬件还是软件，控制输入_u_，也称为操纵变量 (MV)。 输入 u 直接影响输出 (y) 的结果过程 (P)。 随后将采样输出与 r 进行比较，后者关闭了循环。 在实践中，此循环一直持续到控制器关闭为止。 有大量关于反馈控制的文献（Doyle 等人，1992 年；莫里斯 2001 年；绪方 2010 年），多年来，这是一个研究的主题，从博德（1930 年）和奈奎斯特（1932 年）的作品开始。 ！ 图片-3 ** 图 8.10** 带控制器 (C) 和过程 (P) 的反馈控制. r 参考信号, eps 跟踪误差, u 输入信号, y 输出西格玛 在 RAS 中，典型的 CV 为温度、pH 值和溶解氧 (DO) 浓度，这些浓度具有可靠的传感器。 因此，可以很容易地实现对这些水质参数的反馈控制。 然而，在实践中，大多数情况下，输入和输出信号受到噪声过程的干扰，例如未知的随机输入和测量噪声。 此外，由于生长、成熟、衰老等原因，整个过程 (P) 可能会随着时间的推移而变化。鱼饲料是对鱼类生长的另一种投入，其对鱼类生长的影响无法直接观察或测量。 对于这些参数，通常引入基于模型的控制器（例如前馈、模型预测和最佳控制）来预测控制输入变化的响应。 然而，鱼饲料通常是根据表格或配方中的值添加的，但这种基于规则的控制可能需要在实际实践中进行一些调整，以充当反馈控制器。 鱼类行为是一种传统的反馈控制措施，因为鱼类在运动、位置、饲料接受性等方面会对环境变化产生生生理反应。
· Aquaponics Food Production Systems8.4 规模多环路系统
确定水生养系统的大小需要平衡营养输入和输出。 在这里，我们基本上应用与调整单循环系统大小相同的原则。 然而，这种方法有点复杂，但将在一个例子的帮助下充分说明。 ！ 图片-3 图 8.5 显示四环水生生物系统中的质量平衡方案；其中 msubfeed /suba 是通过饲料添加到系统中的溶解营养物质。 添加标签：QSubdis/Sub-QSubx/Sub 蒸馏物返回惠普; 用于进入反应堆的营养物质的 “污泥” 图 8.5 显示了我们系统方法的质量平衡图。 在最佳情况下，系统只有一个输入和输出。 然而，在实践中，人们将不得不添加额外的营养物质到水培部分，以优化植物生长。 这一模型可用于对系统进行规模调整，例如，以磷为基础，这是一种不可再生资源（[第 2 章]（社区/文章/第 2 章-水壶-关闭有限水土地和营养资源的循环））。 对系统的输入（msubfeed /sub）是鱼类以溶解形式排出的营养物的部分。 其余部分作为生物量积聚在鱼类中，或最终成为污泥（见上一节）。 输出是植物的营养吸收。 确定植物的营养吸收取取决于许多因素，而且非常复杂；粗略估计的最简单方法是考虑植物呼吸作为营养素吸收的主要驱动因素（Goddek 和 Körner 2019）。 蒸发蒸散速率高度依赖于气候，直接或间接受到吸收的短波辐射、相对湿度、温度和 COSub2/Sub 浓度的影响。 由于多环系统的复杂性很高，我们假设植物位于气候控制的温室中，因此我们只需要将全球辐射视为决定吸收多少短波辐射的动态变量。 换句话说，我们首先需要确定有多少添加的营养成分可用于植物，然后确定植物实际占用了多少。 8.4.1 馈送输入 鱼饲料速率取决于系统中的总生物量和饲料转换率 (FCR)。 Timmons 和 Ebeling（2013 年）为确定不同鱼种的鱼类生长率提供了一种简单的方法。 但是，我们建议采用工业数据，以便更精确地确定生物量。 卢帕奇和基西尔 (1998) (Eq. 8.10) 提供了一个通用的生长公式，Goddek 和 Körner (2019) 使用数学软件环境 MATLAB (内部函数 ‘fitnlm’) 和尼罗河 Tilapi 的经验数据，通过曲线拟合确定生长系数。 附加的初始权重和最终权重、系统的水温以及特定物种生长系数的输出，见表 8.2。 将这些参数插入 Eq. 8.10 给了我们这种鱼类在特定日期的权重。 $W_ {t} = [W_0^ {1-\ 测试版 W} +（1-\ 测试版 _w）\ {\ 伽玛} T] ^ {\ fAc {1} {1-\ 测试版 w}} $ (8.
· Aquaponics Food Production Systems8.3 蒸馏/海水淡化循环
在分离的水生系统中，从 RAS 到水耕单元的单向流动。 在实践中，植物采用 RAS 提供的水，然后再装上淡水（即自来水或雨水）。 RAS 装置的必要流出等于通过设备（并通过蒸馏装置）离开 HP 系统的水与从矿化反应堆进入水培装置的水之间的差值（如果系统包括一个反应器）（图 8.4）。 一个简化的总结是，从 RAS 到 HP 的长期水通量要求等于植物生物量中蒸发蒸散和植物储水所产生的作物用水量。 ！ 图片-3 ** 图 8.4** 解耦水生系统中水通量和不同营养物浓度的方案，其中 Q，流量为 L；__，营养浓度（毫克/升）；RAS，再循环水产养殖系统；MIN，矿化反应器；DIS，蒸馏单位；X，未知/柔性流动参数 然而，就质量平衡而言，需要更换通过植物离开水培系统的营养物质，以确保持续的平衡。 这就造成了一个困境，因为 RAS 中的最大可容忍营养素浓度远低于 HP 所需的水平。 因此, 低 RAS 营养浓度无法实现惠普的高营养流动 (分/次 $\ 次 $ _Q_Subras/Sub). 相反，如果没有蒸馏/海水淡化循环，RAS 中的营养浓度会增加，而水培系统中的营养浓度则会降低。 一种可能的补救办法是排出 RAS 水（从而也包括营养物质），以降低那里的营养浓度，并将肥料添加到水培养液中。 在环境和经济影响方面，这种解决方案不太令人满意，不符合闭环联合生产的目标。 如图 8.3 所示，蒸馏装置的实施代表了解决这一困境的潜在解决方案。 这种蒸馏技术（例如热膜蒸馏）具有从水中分离溶解盐和营养物质的潜力（Shahzad 等人，2017 年；Subramani 和雅卡杰罗，2015 年）。 在多循环水生养系统的背景下，作为额外施肥和水流失的替代品，这种技术不仅可以为该系统提供淡水，而且可以达到相应子系统所需的营养浓度（Goddek 和 Keesman）2018 年）。 对于这样一个蒸馏装置的实现（即大小），可以使用简单的质量平衡方程。 然而，其余系统必须事先确定大小（通过经验法则或通过质量平衡方程；见 [Sect.8.5]（/社区/文章/8-5-5-5–监测和控制）），因为进入系统的营养物质应与作物所占用的生物利用营养物质保持平衡（** 注意：_**分离系统的最佳点在于它的灵活性。 因此，人们也可以超大系统的水培部分，尽管这将需要使用更多的肥料）。 估计营养摄取量的最简单方法是假设营养物质被吸收/吸收与灌溉水中溶解离子大致相同（即没有特定元素的化学、生物或物理抗性）。 因此，为了保持平衡，作物吸收的所有营养物质都需要重新添加到水培系统（Eq. 8.4）。 $\ phi_ {RAS} +\ phi_ {分钟}-\ phi_ {惠普} =0$ (8.
· Aquaponics Food Production Systems8.2 矿化环
在 RAS 中，必须从系统中去除固体和营养丰富的污泥，以保持水质。 通过增加一个额外的污泥回收循环，累积的 RAS 废物可转化为溶解的营养物质，供植物再利用，而不是丢弃（Emerenciano 等人，2017 年）。 在生物反应器内，微生物可以将这些污泥分解为生物可利用的营养物质，随后可以输送到植物（Deleide 等人，2018 年；Goddek 等人，2018 年；Monsees 等人，2017a，b）。 许多单循环水生系统已经包括有氧（Rakocy 等人，2004 年）和厌氧（Yogev 等人，2016 年）消化器，用于转化被困在鱼类污泥中的营养物质，使它们能够用于植物。 然而，将这种系统集成到耦合单循环水生系统中有几个缺点： 如果将富含营养的废水排放到单循环系统，则仅将其排放到水培单元，则稀释系数要高得多。 有效地，营养物质通过进入接触大量的鱼饲养水稀释。 鱼类不必要地接触到矿化反应堆的废水；例如，厌氧反应堆的废水可能包括挥发性脂肪酸和氨，可能会对鱼类造成伤害；这种反应堆也是引入病原体的另一个来源。 当 RassLudge 保持在 pH 值为 4 时，大约 90% 被困在污泥中的营养物质可以回收（荣格和洛维特，2011 年）。 当使用 pH 值约为 7 的生物反应器时，这种低 pH 值是不可能的（Goddek 等人，2018 年），这是单环水生系统中通常的 pH 值平衡。 ！ 图片-3 ** 图 8.3** 不同系统组件以及工艺用水中水的近似 pH 值。 ‘~’ 表示近似 关于 pH 值，图 8.3 显示了多循环水生系统中各自工艺水流量的近似 pH 值（如图 8.1c 所示）。 图 8.3 还显示了根据 Goddek 等人（2018 年）提出的厌氧反应堆，矿化反应堆对整个系统性能的影响。 这种制度只是处理污泥的一种可能的解决办法，第 [10] 章讨论了替代办法（社区/文章/第 10 章-有氧和厌氧处理-水喉-污泥-还原和矿化）。 从 RAS 子系统流入水培循环的过程水 pH 值下降，如图 8.
· Aquaponics Food Production Systems8.1 导言
正如第 [5] 章（/社区/文章/第二部分特定的水壶技术）和 [7]（社区/文章/第 7 章-七对耦合-水壶系统）所讨论的那样，单环水壶系统研究得很好，但这些系统的整体效率不佳（Goddek 等人，2016 年和 Kedman）。 随着水生产逐步扩大到工业一级的生产，人们强调提高这种系统的经济可行性。 在收获产量方面优化产量的最佳机会之一是通过在水生系统中解开组件，以确保鱼类和植物的最佳生长条件。 分离系统与耦合系统失眠不同，因为它们将水产养殖单元和水培单元的水和养分循环相互分离，从而对两个系统中的水化学进行控制。 图 8.1 提供了传统耦合系统 (A)、解耦双环系统 (B) 和解耦多环系统 (C) 的示意图概述。 然而，由于分离的水生系统需要更多的基础设施，在经济上是否比较传统的系统具有优势，存在着相当大的争论。 为了回答这个问题，有必要考虑不同的系统设计，以查明它们的长处和弱点。 如图 8.1a 所示，耦合单循环水生养系统的概念可视为所有水生养殖系统的传统基础，其中水在水产养殖单位和水培单位之间自由循环，同时排出养分中心污泥。 这种系统的主要缺点之一是，有必要在两个子系统的饲养条件中就 pH 值、温度和营养浓度作出权衡（表 8.1）。 ！ 图片-3 ** 图 8.1** 水生系统的演变。 (a) 显示了传统的单环水生系统, (b) 一个简单的分耦水生系统, (c) 一个分离的多环水生系统. 蓝色字体代表水输入、输出和流量，红色代表废弃物 相比之下，分离或双环水养殖系统将水产养殖和水产养殖单元彼此分离（图 8.1b）。 在这方面，水培单元的大小是一个关键方面，因为理想情况下，它需要直接或通过污泥矿化（例如，从污泥中提取养分并以可溶性形式提供给植物）吸收鱼类单位提供的营养物质。 事实上，植物面积大小和环境条件（例如表面、叶面指数、相对湿度、太阳辐射等）都决定了可蒸发的水量，并且是决定 RAS 水替代率的主要因素。 因此，从 RAS 送到水培单元的水由清洁水取代，从而降低营养浓度，从而提高水质 (Monsees 等人, 2017a, b)。 可替换的水量取决于植物的蒸发蒸散速率，而植物受净辐射、温度、风速、相对湿度和作物种类的控制。 值得注意的是，存在季节性依赖性，在温暖、阳光较强的季节，更多的水蒸发，这也是植物生长率最高的时候。 Goddek 等人（2015 年）和 Kloas 等人（2015 年）提出了这种方法，作为改进单环系统设计和更好地利用能力以确保最佳植物生长性能的一种方法。 除其他外，德国柏林的 ECF_ 和荷兰海牙现已破产的城市农民采用了这一概念。 尽管具有潜在优势，但采用分耦单环设计的初始实验仍然存在严重的缺点。 这是由于需要在水培循环中添加大量的额外营养素，因为从 RAS 流入水培循环的工艺水完全依赖于蒸发蒸散（Goddek 等人，2016 年；Kloas 等人，2015 年；Reyes Lastiri 等人，2016 年）。 当蒸发蒸散率较低时，营养素也会在 RAS 系统中积累，并且可能达到临界水平，因此需要定期从水中出血（Goddek 2017）。
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