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8.4 规模多环路系统

· Aquaponics Food Production Systems
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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}} $ (8.10)

其中 WSUT/sub (g) 是指特定时间 (天) 的鱼重，WSuB0/Sub (g) 是初始鱼重，T 为水温（以 ˚C 为单位），αw βw 和 γw 为特定物种的生长系数（无单位），t 是时间（以天为单位）。

** 表 8.2** 给定水温 (T) 下 Eq 8.10 的鱼类生长参数。 WSUB0/Sub 和 WSUF/Sub 可以根据自己的需要进行调整

表 海神 tr 类 = “标题” 功能/th 线程参数/th 说明/th 价值/th /th /tr /thead Tbody tr 类 = “奇数” td 罗斯特 = “4” 鱼类生长 /td TDWSUB0/SU/TD

  • 罗非鱼 * 鱼的初始重量 (g) /td TDD 例如，55/td 德戈德克和科尔纳（2019 年）/td /tr tr 类 = “偶数” TDWSF /小组/td 目标收获鱼的重量 (g) /td TDD 例如，600/td 德戈德克和科尔纳（2019 年）/td /tr tr 类 = “奇数” TD/TD RAS 的热水温度（以摄氏度为单位）/td Td30/td TDTimmons 和埃伯林（2013 年）/td /tr tr 类 = “偶数” TDα 瓦；βW；γ/td TD物种特定生长系数/td 以及 德戈德克和科尔纳（2019 年）/td /tr /tbody /表格

根据上述方程式的输出，我们能够确定每个生长阶段鱼需要多少饲料。 大多数情况下，进料速率（体重的 X%）或 FCR 是由特定品种的饲料制造商提供的。 然而，Timmons 和 Ebeling（2013 年）为罗非鱼的 FCR 提供了一个粗略的指导原则：重量小于 100 克的罗非鱼 0.7—0.9，重量超过 100 克的罗非鱼 1.2—1.3，这是通过以下方程完成的。

进料率\ (g) = FCR\ 乘以 WG\ 乘以 m_ {鱼} $ (8.11)

其中 FCR 是饲料转换比，WGSUT/Sub 是体重增加（每天），而面鱼/次是鱼缸中鱼的数量。

每天的体重增加 (WG) 可以用 Eq. 8.10 通过从第 11 天的重量减去重量来确定，例如第 10 天的重量。 这可以为每个坦克完成。 图 8.6 显示了使用上述方程式向系统输入 _ 罗非鱼 _ 的鱼饲料。 系统完全循环后，每天的平均进给输入量为 165 kg。

！ [图片-图片-https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/2f8315af-f42b-4655-86d6-b9e5579714a7.jpg

** 图 8.6** 生物量平衡在 13 个组群中饲养的 _ 罗非鱼 _ 的生物量平衡示例，总体积（包括生物过滤器和水槽）最大为 482.000 升。 为期 2 年的总生物量为 80 吨，包括起步阶段，平均鱼重量 (a)（每条生产线代表一个罐/队列）和每日总饲料速率 (b)（数据取自 Goddek 和 Körner 2019）

8.4.2 营养物质可用性

尼托和奥斯特兰斯基（2013 年）报告，饲养尼罗河时，可溶性 N 排泄量为 33%，可溶性 P 排泄量为 17%（Niloticus_，L.）。 这些是最终积累在 RAS 系统中的营养物质，可以被植物吸收。

#8.4.3 植物摄取

表 8.3 概述了与全球辐射有关的特定作物蒸散量 (ETSUBC/Sub) 率. 每平方米 1 毫米 ET 等于 1 L. 对于简单的尺寸，应采用年平均每日（见下一节）。

** 表 8.3** 全球外辐射水平亚北极、温带海洋和干旱条件概况 (基于 Goddek 和 Körner 2019) 及其各自作物蒸散量 _ (等等，毫米天-1) _ 在 20 摄氏度的受控温室环境中种植的生长率和 80% 的相对温室环境湿度。 生菜种植全年连续种植；1 月份种植番茄，12 月份（法罗群岛和荷兰）或 7 月和 6 月（纳米比亚）

表 海神 TR 第一个行跨 = “3” 个月/个 日科尔潘 = “3” 法罗群岛 /th 日科尔潘 = “3” 荷兰/日 日科尔潘 = “3” 纳米比亚 /th /tr tr 类 = “标题” 全球放射/th 小组委员会/子/生文/TH 小组/子/番茄/th 全球放射/th 小组委员会/子/生文/TH 小组/子/番茄/th 全球放射/th 小组委员会/子/生文/TH 小组/子/番茄/th /tr tr 类 = “标题” Thmol msup-2/sup 日间供应-1/SUP /个人 个大肠杆 = “2” 公斤 mSup-2/SUP 日间可用 1/ Thmol msup-2/sup 日间供应-1/SUP /个人 个大肠杆 = “2” 公斤 mSup-2/SUP 日间可用 1/ Thmol msup-2/sup 日间供应-1/SUP /个人 个大肠杆 = “2” 公斤 mSup-2/SUP 日间可用 1/ /tr /thead Tbody tr 类 = “奇数” 一月/B/TD TD1.4/td TD0.78/td TD0.52/d TD4.5/td TD0.78/td TD0.53/td TD54.2/td TD2.74/td TD4.55/td /tr tr 类 = “偶数” TDBB. 二月/B/td TD5.2/td td0.85/td TD1.38 td9.1/td td0.93 TD1.40/td TD53.7/td TD2.70/td TD4.47/td /tr tr 类 = “奇数” TDBM/B/TD td13.7/td TD1.20/td TD2.12/td td17.0/td TD1.28 TD2.14 /td TD51.2/td TD2.42/td TD3.96 /tr tr 类 = “偶数” TDBAPRIL/B/TD TD30.6/td TD1.90 TD3.05/td TD27.9/td TD1.82/td TD2.90/td TD40.2/td TD3.05/td TD5.38 /tr tr 类 = “奇数” TDBMay/B/TD TD39.2/td TD2.29/td TD3.57/td TD32.2/td TD2.40/td TD3.74/td TD30.0/td TD2.70/td TD4.59/td /tr tr 类 = “偶数” TDBJU/B/TD TD39.6/td TD2.33/td td3.60/td TD26.6/td TD2.52/td TD3.91/td TD30.5/td TD2.28 TD3.80/td /tr tr 类 = “奇数” TDBJUL/B/TD TD34.5/td TD2.17 /td TD3.37/td TD36.4/td TD2.54/td TD3.51/td Td37.5/td TD2.61/td TD3.92/td /tr tr 类 = “偶数” TDBU /B/TD TD21.3/td TD1.67/td TD2.73/td TD31.7/td TD2.28 TD3.51/td Td37.5/td TD2.61/td TD3.92/td /tr tr 类 = “奇数” TDB 9 月份 /B/TD td13.2/td TD1.20/td TD2.04/td td23.1/td TD1.75/td TD2.77/td TD43.2/td td2.00 /td TD3.02/td /tr tr 类 = “偶数” TDbotober/B/TD TD6.0/td td0.91 TD1.77/td td13.3/td TD1.17 /td TD1.94/td TD51.6/td TD2.07/td TD3.09/td /tr tr 类 = “奇数” TDB 11 月 /B/TD TD2.1/td TD0.78/td td1.60/td TD6.2/td td0.87/td TD1.62/td TD57.9/td TD2.30/td TD3.58/d /tr tr 类 = “偶数” TDB 十二月份 /B/TD TD0.4/td TD0.79/td TD1.66/td TD3.5/td TD0.77/td TD1.52/d TD59.8/td TD2.44/td TD3.95/td /tr tr 类 = “奇数” td 水/U/b /td tdu17.3/u/td tdu1.41/u/td tdu2.28/u/td tdu20.6/u/td tdu1.59/u/td tdu2.50/u/td TD3.83/td tdu2.47/u/td tdu3.83/u/td /tr /tbody /表格

8.4.4 平衡子系统

平衡环路对于调整系统的大小是必要的。 输入应等于输出（图 8.5）。 在一个含有生物反应器单元的分离水生物系统中，我们有两个营养流入流：(1) 以可溶性形式排出到 RAS 系统中的饲料部分和 (2) 生物反应器设法矿化和调动的鱼类污泥中养分的比例。 营养物质的主要流出流 (除了定期清除去矿化污泥外) 是植物的营养吸收. 差分均衡器 8.12. 表示这种平衡：

$ 矿化\ (问题 8.2) +m_ {饲料} =\ frac {\ 下划线 {Q_ {HP}}\ 倍\ {HP}} {1000} $ (8.12)

$（\ 下划线 {\ eta_ {饲料}}\ 乘 10000\ 倍\ pi_ {饲料}\ 次\ pi_ {饲料}\ 次\ 倍\ eta_ {分钟}) +\ 下划线 {m_ {饲料}} =\ 下划线 {问题 {问题}}\ 次\ rho _ {HP} {{{HP} {{{{{{{{{{{{{{{{{}}} {{{{{{{{{}}} $} {{{{{{{{{{{{}}} {{{{{{{{{}}} {{{{{{{{{{}}} {{{{{{{{{{}}}}}

其中 $\ 下划线 {\ eta_ {feed}} $ 是进入 RAS 系统的平均饲料（以千克为单位），子喂料/亚是饲料配方中养分的比例，πsubslud/sub 是特定原料衍生元素最终在污泥中的比例，而 submin/sub 是矿化和动员效率，UQSubhp/Sub/u 是鱼类以溶解形式排便的营养物的平均量，UQSubhp/Sub/u 是平均总蒸发量，而在水培子系统中特定营养素的营养浓度的目标（即最佳）。

但是，为了能够确定所需面积，需要重新定义两个变量才能解决这个方程。 公式 8.14 显示了如何计算可溶性营养物排泄的方法。 在 Eq. 8.15 中，我们表明，平均总蒸散量是该地区的乘积，以及每 msup2/sup 植物特定蒸散率（此处显示为平均值）。

$\ 下划线 {m_ {饲料}} =\ 下划线 {n_ {饲料}}\ 次\ pi_ {上传数据}\ 次\ 次\ eta_ {不含} $ (8.14)

其中，subexcr/sub 表示鱼类以可溶性形式排出的营养物质的比例。

$\ 下划线 {Q_ {HP}} = A\ 乘以\ 下划线 {ET_c} $ (8.15)

其中 $\ 下划线 {Q_ {HP}} $ 表示平均总蒸发量（单位：L），A 表示面积，$\ 下划线 {ET_ {c}} $ 平均作物特定蒸发量，单位为 mm/msup2/sup（即 L/mSUP）。

通过结合 Eqs. 8.14 和 8.15 来找到 A 来求解 Eq. 8.13，我们能够根据平均进料输入 (Eq 8.15) 计算所需的工厂面积。

$A=\ frac {(\ 下划线 {\ eta_ {饲料}\ 乘以 1000\ 次\ pi_ {饲料}\ 次\ 次\ eta_\ 次 1000}) + (\ 下划线 {\ eta_ {饲料}}\ 乘以 1000 次\ pi_ {饲料}\ 次\ pi_ 次\ p_ {下划线} {下划线} 次) ET_C}\ 倍\ {惠普}} $ (8.16)

** 示例 8.2**

在此示例中，我们希望相对于 P 来调整系统的大小（即平衡）。我们假定系统的 RAS 组件需要 150 kg 的平均每日进料输入。 制造商报告鱼饲料的 P 含量为 1%。 我们估计最终在污泥中的 P 为 55%，鱼类以可溶性形式排泄的 P 为 17%。 生物反应器的性能相当好，矿化约 85% 的 P。

在产量方面，我们计算了生菜特定作物的平均蒸发率（例如，通过使用粮农组织 Penman-Monteith 方程）。 在我们的位置，它是约 1.3 毫米/天（即 1.3 升/天）。 据报告，营养溶液的最佳 P 成分为 50 毫克/升（瑞希 2013 年）。 找到吸收系统产生的 P 所需的植物种植面积，然后通过以下方法解决：

$A=\ frac {(\ 下划线 {\ eta_ {饲料}\ 乘以 1000\ 次\ pi_ {饲料}\ 次\ 次\ 次\ 转换 1000}) + (\ 下划线 {\ eta_ {饲料}}\ 乘 1000 次\ pi_ {饲料}\ 次\ pi_ 次\ p_ {下划线} {下划线} {ET_C}\ 倍\ {惠普}} $

$A=\ 折扣 {（15 万\ 倍 0.01\ 乘以 0.17\ 乘以 1000) + (15 万\ 乘以 0.01\ 乘以 0.55\ 乘以 0.85\ 乘以 1000)} {1.3\ 乘以 50} $

加拿大美元

美元 = 14711 立方米

上面的例子表明，水培单元中的大部分 P 源自生物反应器。 因此，在分离系统内实施生物反应器对 P 可持续性产生了很大的影响。 相比之下，为了确定简单的单循环水生系统的大小，通常采用经验法则。 对于大约 40—50 克的绿叶植物和果味植物，每个 msup2/sup 种植面积需要大约 50—80 克的饲料（粮农组织 2014 年）。 如果查看上述示例中的饲料输入 = 150 kg，并将其除以 45（叶植物近似值的平均值），则建议的种植面积约为 3750 msup2/sup。 在排除污泥矿化的情况下，我们的例子建议在 P 上测定系统时，培养面积为 3333 msup2/sup。

8.4.5 蒸馏装置的作用

蒸馏装置的作用是将 RAS 系统和水培系统的营养浓度保持在各自期望的水平。 由于在依赖于 QSubhp/Sub 和 QSubx/Sub 流量的 RAS 系统中，营养素积累和相应的比营养密度是动态的（即取决于 ETSubC/Sub 速率）（图 8.5），因此无法使用微分方程确定蒸馏装置的大小。 因此，需要一个时间序列模型来确定 RAS 中的营养素浓度随着时间的推移。 在特定时间的营养浓度是能够在系统内执行质量平衡方程的必要条件（Sect.[ 8.3]（/共体/文章/8-3-蒸馏-脱盐循环））。

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** 图 8.7** 比较 RAS 水系统中 NO3-N 浓度对蒸馏流（无，实线；5000 L h-1，虚线）对 ** (a) ** 纳米比亚和 ** (b) ** 荷兰，即低和高的水培学（黄色，—-）和 RAS（蓝色，—-）营养液浓度的影响的模拟利用当地气候数据和气候调整温室作为模型投入，在 36 个月期间（包括系统启动阶段）内实现纬度（纳米比亚 22.6˚S 和荷兰，52.1˚N）

对于系统的平衡（即输入 = 输出），我们可以给出一个关于这样一个蒸馏装置所需容量的一般指导方针。 目的是避免 RAS 系统中的养分积累。 图 8.7a, b 显示了蒸馏流对水培和 RAS 营养液的影响 — — 在两个不同纬度没有矿化循环 _。 两个系统具有相同的进料输入（平均每天 158.6 千克-1/sup；见图 8.6）。 然而，通过考虑到环境条件和气候调整的温室，必要和最佳的水培区域因地理位置而异 (见 [第 11 章](/社区/文章/第 11 章-水壶-系统模型))。 在高纬度地区 (即远离赤道) 常见的地方，潜在蒸发率低的水耕系统需要比较接近赤道的地方更大的耕种面积。 与此同时，这些地区的辐照和蒸腾年度变化较高，因此对水和营养物质季节变化的需求较高（见图 8.7）。 然而，在温室种植方面，可能需要补充照明，在挪威等国家，几乎没有补充照明的蔬菜种植。 此外，作物叶片总面积也有所不同；单位地面积叶面积较高的作物（即叶面积指数）比叶面积较小的作物更多，可以看出番茄作物和生菜作物之间存在明显的差异。 所有这些因素都需要在规划和确定水生系统的大小时予以考虑。

在下文中，我们概述了上述水生系统的优化水培面积大小：根据场景模拟单一种植面积的面积为 250 msup2/sup，以找到生菜或西红柿的配合面积，以适当地平衡系统没有辅助照明（生菜或番茄，分别）：

-为法罗群岛提供 17.000 澳元/苏特，或 11.750 澳元/苏特/墨西哥

-为荷兰提供 15.500 澳元/苏特，或 11.000 澳元/苏克

-为纳米比亚提供 8750 兆塞特/苏克，或 6500 兆塞/苏克

尽管这些系统的规模各不相同，但每年的平均营养摄取量也相似。 但是，在整合消化系统时，我们必须考虑额外的营养来源（图 8.1c）。 改变一个组件不可避免地导致系统失衡，但系统必须旨在为 RAS 和 HP 提供最佳营养素。 例如，RAS 中的 NO3-N 必须低于一定阈值\ 200 毫克 L< SUP-1/SUP，而惠普中的 PO4-P 应尽可能接近建议的 50 毫克 LSUP 浓度，以实现优质植物栽培。 因此，模拟研究有助于确定分离的闭合多环水生系统中成分的尺寸，从而实现鱼类和植物的最佳养分供应。 为此，Goddek 和 Körner（2019 年）创建了一个数字水仿真器。

然而，规划一个水生系统需要一些基本的系统理解，以便达成平衡，最大限度地减少不必要的营养物供求峰值。 由于养分动态的驱动力是作物的蒸发量（HP 系统中的 ETSubC/Sub），这主要是由小气候和吸收光驱动的。 在一个完美平衡的系统中，这将是一个全自动和控制的环境（见 [Sect.8.5]（/社区/文章 /8-5 监测和控制）监测和控制）环境，具有 24 小时照明。 植物需要大约 4—6 h 的一定黑暗时期，所以最佳平衡系统是在封闭的工厂里完成水生活，仅使用人工光源。 然而，这需要高昂的电力投入和投资成本，只有在产品价格非常高的情况下才可行。 因此，我们建议使用辅助照明（如果有必要，如果能够获得回报）的温室生产作为一种实用和经济上可行的方式来建造水生装置。 将植物和鱼类置于相同的物理结构中会带来额外的协同效应，包括通过 COSub2/Sub 升高而减少供热和增加植物生长（Körner 等人，2017 年）。

除了这些技术问题之外，植物种植程序 (该系统的实际园艺部分) 必须根据水产养殖的需要进行调整，以便作物营养需求不断 (假设气候和光线相同)，如表 8.3 所示。 生菜和其他绿叶蔬菜的种植持续进行（Körner 等人，2018 年），而较大的作物，如西红柿、黄瓜或甜椒等水果蔬菜，通常在冬季播种，第一次收获通常是在晚冬/早春，然后再去除植物和另一个作物播种在冬季收获再次。 如果没有相互种植，即同一系统中的各种作物种类或全年种植水果蔬菜以维持营养需求，则会出现营养需求低和营养水平高的时期。 基于 Goddek 和 Körner（2019 年），我们显示了 RAS 中 NSub3/SubN 的变化，如果三个气候区（法罗群岛、荷兰和纳米比亚）没有使用辅助照明时番茄（水生鱼片通常不调整）和生菜（图 8.8）。 通过动态辅助照明控制增加日常光积分（即 24 小时内收到的摩尔光总和），可实现系统平衡（Körner 等人，2006 年）。

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** 图 8.8** RAS 中的 NO3-N 与惠普在三个气候区和降低纬度（法罗群岛 62.0N、荷兰 52.1˚N、纳米比亚 22.6˚S）生长的番茄或生菜相结合，并利用当地气候数据和气候调整的温室进行了 36 个月的模拟模型输入

应用蒸馏/海水淡化技术有助于显著降低 RAS 中的营养素水平，同时将 HP 系统中的水平调整到更接近优化水平，即该单元将营养成分浓缩到植物所需的水平。 图 8.9 说明了当涂抹在 0 到 5000 升高浓度/吸水和系统 1/ 吸水之间时，海水淡化装置对 RAS NOSuB3/AN 浓度的影响。 显然，随着海水淡化通量的增加，RAS 系统中 NOSub3/subN 浓度正在下降。 该单元，然而，由 HP 系统中 PoSub4/Sub 的需求控制。 需要避免峰值，如上所述，可以通过创造一个稳定的气候环境和动态光控制来实现这一目标。 显然，在太阳辐射年度差异较少的气候区域，ETSubC/Sub 的变化较小，整个系统更稳定。 安装灯具并保持至少 10 mol msup-2/sup 的日常光线整体可以弥补季节性变化。 互种和混合作物生产有助于将传统番茄种植方案产生的峰值与年轻植物在冬季的时候

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** 图 8.9** 在 RAS 中，NO3-N 与惠普与西红柿（右）或生菜（左）相结合，在三个气候区域和纬度下降（法罗群岛 62.0˚N、荷兰 52.1˚N、纳米比亚 22.6˚S）的海水淡化在 0 至 5000 升之间供应 1 个水。使用当地气候数据和气候调整温室作为模型投入

气候 (低辐射) 和种植 (小植物, 低潜力 ETSUC/Sub) 有助于养分积累.

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