Source material

الفصل العاشر العلاجات الهوائية واللاهوائية للحد من الحمأة المائية وتمعدن

1. 10-1 مقدمة

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   ويرتبط مفهوم الأحياء المائية بكونها نظام إنتاج مستدام، حيث أنه يعيد استخدام نظام الاستزراع المائي المخصب بالمغذيات الكبيرة (أي النيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) والكالسيوم (Ca) والمغنيسيوم (Mg) والكبريت (S)) والمغذيات الدقيقة (أي الحديد (Fe) المنغنيز (Mn) والزنك (Zn) والنحاس (Cu) والبورون (B) والموليبدينوم (Mo)) لتخصيب النباتات (Graber and Junge 2009؛ Licamele 2009؛ نيكولز وسافيدوف 2012؛ Turcios وبابنبروك 2014). وهناك سؤال كثير من النقاش هو ما إذا كان هذا المفهوم يمكن أن يطابق طموحه الخاص بأن يكون نظاماً شبه حلقة مغلقة، لأن كميات كبيرة من العناصر الغذائية التي تدخل النظام تضيع عن طريق تفريغ حمأة الأسماك الغنية بالمغذيات (Endut et al. 2010؛ Naylor et al. 1999؛ Neto and Ostrensky 2013). في الواقع، للحفاظ على نوعية المياه الجيدة في أنظمة RAS و aquaponic، يجب أن يتم تصفية المياه باستمرار لإزالة الصلبة. وتقنيتان رئيسيتان للترشيح الصلب هما الاحتفاظ بالجسيمات في شبكة (أي الترشيح الشبكي كمرشحات أسطوانية) والسماح للجسيمات بالصب في أجهزة الترشيح. وفي معظم المصانع التقليدية، يتم استرداد الحمأة من أجهزة الترشيح الميكانيكي هذه ويتم تفريغها كمياه مجارير. في أفضل الحالات، يتم تجفيف الحمأة وتطبيقها كسماد على حقول الأراضي (Brod et al. 2017). والجدير بالذكر أن ما يصل إلى 50% (في المادة الجافة) من الأعلاف التي يتم تناولها تفرز كمواد صلبة بواسطة الأسماك (Chen et al. 1997)، ومعظم المواد الغذائية التي تدخل النظم المائية عن طريق علف الأسماك تتراكم في هذه المواد الصلبة وهكذا في الحمأة (Neto and Ostrensky 2013؛ Schneider et al. 2005). وبالتالي، فإن الترشيح الصلب الفعال يزيل، على سبيل المثال، أكثر من 80٪ من P القيمة (Monsees et al. 2017) التي يمكن استخدامها في الإنتاج النباتي. ولذلك، فإن إعادة تدوير هذه العناصر الغذائية القيمة للتطبيقات المائية ذات أهمية كبيرة. ويبدو أن تطوير معالجة مناسبة للحمأة قادرة على تمعدن المغذيات الموجودة في الحمأة لإعادة استخدامها في الوحدة المائية عملية ضرورية للمساهمة في إغلاق حلقة المغذيات إلى درجة أعلى وبالتالي خفض الأثر البيئي للنظم المائية (Goddek et al. 2015؛ غودديك وكيسمان 2018؛ غودديك وكورنر 2019).

   وقد تبين في الدراسات التجريبية أن تكمل محلول المغذيات أكوابونك (أي بعد إضافة نقص المغذيات) يعزز نمو النبات مقارنة بالزراعة المائية (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). وبالتالي، فإن تمعدن الحمأة هو أيضا وسيلة واعدة لتحسين أداء نظام أكوابونك حيث يتم استخدام العناصر الغذائية المستردة لاستكمال الحل أكوابونك. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لوحدات التمعدن في الموقع أن تزيد أيضا من الاكتفاء الذاتي للمرافق المائية، وخاصة فيما يتعلق بالموارد المحدودة باعتبارها P التي تعتبر ضرورية لنمو النبات. يتم إنتاج P من خلال أنشطة التعدين، حيث لا يتم توزيع الرواسب بالتساوي في جميع أنحاء العالم. وبالإضافة إلى ذلك، ارتفع سعره بنسبة تصل إلى 800٪ خلال العقد الماضي (ماكغيل 2012). وبالتالي، فإن وحدات التمعدن المستخدمة في النظم المائية من المرجح أيضا أن تزيد من نجاحها الاقتصادي واستقرارها في المستقبل.

   يجب التعامل مع معالجة الحمأة في أكوابونيكش بشكل مختلف عما كان عليه في الماضي. وفي الواقع، فإن الهدف الرئيسي في معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية هو الحصول على النفايات السائلة المطهرة والنظيفة. ويتم التعبير عن أداء المعالجة من حيث إزالة الملوثات (مثل المواد الصلبة، والنيتروجين (N)، والفوسفور (P)، وما إلى ذلك) من المياه المستعملة وعن طريق تحديد كمية النفايات السائلة فيما يتعلق بالجودة المحققة (Techobanoglous et al. 2014). وباستخدام هذا النهج التقليدي، قدمت عدة دراسات أدلة كمية على أن نسبة ثابتة من الطلب على الأوكسجين الكيميائي (COD) ومجموع المواد الصلبة المعلقة يمكن إزالتها عن طريق هضم مياه الصرف الصحي RAS تحت الظروف الهوائية واللاهوائية والتسلسل الهوائي (Goddek et al. 2018؛ شودري وآخرون 2010؛ ميرزويان وآخرون 2010؛ فان رين 2013). ومع ذلك، في النظم المائية، تعتبر مياه الصرف الصحي من الأسماك مصدراً قيماً للأسمدة. وضمن نهج الحلقة المغلقة، يجب تقليل الجزء الصلب الذي يتم تصريفه إلى أدنى حد (أي الحد الأقصى للتقليل العضوي)، ويجب زيادة المحتوى المغذي في النفايات السائلة إلى أقصى حد (أي تعدين المغذيات إلى أقصى حد). ولذلك، لم يعد من الضروري التعبير عن أداء معالجة مياه الصرف الصحي في الأحياء المائية من حيث إزالة الملوثات ولكن من حيث تقليل الملوثات وقدرتها على تمعدن المغذيات.

   وقد أظهرت بعض الدراسات القدرة الوظيفية لهضم حمأة الأسماك بالعلاجات الهوائية واللاهوائية لأغراض التخفيض العضوي (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). مع المعالجة اللاهوائية في المفاعل الحيوي، يمكن تحقيق أداء الحد من المادة الجافة العالية (أي TSS) (أعلى من 90% مثلاً) بينما يمكن أيضاً إنتاج الميثان (فان ليير وآخرون 2008؛ ميرزويان وغروس 2013؛ يوغيف وآخرون 2016).

   والمعالجة الهوائية للحمأة هي أيضا وسيلة فعالة جدا للحد من المواد العضوية، التي تتأكسد إلى Cosub2/sub أثناء التنفس (انظر Eq. 10.1). فعلى سبيل المثال، تم الإبلاغ عن معدلات تخفيض بنسبة 90% (تحدد هنا كمواد صلبة معلقة، وخفض سمك القد، وBOD) من مرفق لاستعادة موارد المياه (Seo et al. 2017). العمليات الهوائية أسرع من اللاهوائية، ولكنها يمكن أن تكون أكثر تكلفة (Chen et al. 1997) كتهوية ثابتة للحمأة - يتطلب خليط الماء مضخات أو محركات كثيفة الطاقة. وعلاوة على ذلك، يتم تحويل أجزاء كبيرة من العناصر الغذائية إلى كتلة حيوية ميكروبية ولا تبقى مذابة في الماء.

   وعلى الرغم من أن هذه الدراسات أظهرت إمكانية الخفض العضوي لحمأة الأسماك، إلا أن عدداً قليلاً فقط من المؤلفين قد فحصوا إطلاق مغذيات محددة (مثل N وP) من حمأة الأسماك. وكانت معظم هذه الدراسات للتجارب القصيرة في المختبر (كونروي وكوتورييه 2010؛ Monsees et al. 2017؛ Stewart et al. 2006) ومن RAS التشغيل (Yogev et al. 2016)، بدلاً من إعداد aquaponic. في حين تمت مناقشته إلى حد ما من الناحية النظرية (Goddek et al. 2016؛ Yogev et al. 2017)، يجب أن يبدأ البحث الآن من أجل التحقيق المنهجي في الانخفاض العضوي وأداء تمعدن المغذيات لحمأة الأسماك لكل من المفاعلات الهوائية واللاهوائية وتأثيره على تكوين المياه والنبات النمو. ولذلك، يهدف هذا الفصل إلى إعطاء لمحة عامة عن العلاجات المتنوعة لحمأة الأسماك التي يمكن دمجها في الاجهزة المائية لتحقيق الحد العضوي وتمعدن المغذيات. وسيتم تسليط الضوء على بعض نهج التصميم. وسيجري مناقشة نهج التوازن الكتلي للمغذيات في سياق معالجة الحمأة المائية، وستوضع منهجية محددة لقياس أداء معالجة الحمأة كمياً.

2. 10.2 تنفيذ معالجة مياه الصرف الصحي في أكوابونيكش

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   في أكوابونيكش، تعتبر مياه الصرف الصحي المشحونة بالمواد الصلبة (أي الحمأة) مصدراً قيماً للمغذيات، ويجب إجراء علاجات مناسبة. تختلف أهداف المعالجة عن معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية لأنه في المواد الصلبة المائية والحفاظ على المياه أمر مهم. وعلاوة على ذلك، وبغض النظر عن معالجة مياه الصرف الصحي المطبقة، ينبغي أن يكون هدفها هو الحد من المواد الصلبة وفي الوقت نفسه تمعدن المواد المغذية. وبعبارة أخرى، فإن الهدف هو الحصول على النفايات السائلة الخالية من الصلب ولكنها غنية بالمغذيات المذابة (أي الأنيونات والكاتيونات) التي يمكن إعادة إدراجها في حلقة المياه في إعداد مقترن (الشكل 10.1 أ) أو مباشرة في أسرة الزراعة المائية في إعداد مفصولة (الشكل 10.1 ب). تتكون المواد الصلبة الحمأة السمكية بشكل رئيسي من مواد عضوية قابلة للتحلل بحيث يمكن تسمية التخفيض الصلب بالتخفيض العضوي. والواقع أن الجزيئات العضوية المعقدة (مثل البروتينات والدهون والكربوهيدرات وما إلى ذلك) تتألف أساساً من الكربون وسيتم تخفيضها على التوالي إلى مركبات منخفضة الوزن الجزيئي حتى الأشكال الغازية النهائية للكوسوب2/الفرعية وCHSub4/sub (في حالة التخمير اللاهوائي). وخلال عملية التحلل هذه، يتم إطلاق المغذيات الكبيرة (أي N و P و K و Ca و Mg و S) والمغذيات الدقيقة (أي Fe و Mn و Zn و Cu و B و Mo) التي كانت مرتبطة بالجزيئات العضوية في الماء بأشكالها الأيونية. وتسمى هذه الظاهرة نض المغذيات أو تمعدن المغذيات. ويمكن افتراض أنه عند تحقيق تخفيض عضوي مرتفع، سيتم أيضاً تحقيق تمعدن عالي من المغذيات. فمن ناحية، تحتوي الحمأة على نسبة من المعادن غير المذابة، ومن ناحية أخرى، يتم إطلاق بعض المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة أثناء عملية التمعدن. هذه يمكن أن تترسب بسرعة معا وتشكل المعادن غير القابلة للذوبان. تعتمد الحالة بين الأيونات والمعادن المتسربة لمعظم المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة على الرقم الهيدروجيني. المعادن الأكثر شهرة التي تترسب في المفاعلات الحيوية هي فوسفات الكالسيوم وكبريتات الكالسيوم وكربونات الكالسيوم والبيريت وستروفيت (Peng et al. 2018؛ Zhang et al. 2016). لاحظ كونروي وكوتورييه (2010) أن كا و P قد أطلقا في المفاعل اللاهوائي عندما انخفض الرقم الهيدروجيني إلى أقل من 6. وأظهروا أن الإفراج يتوافق تماما مع تمعدن فوسفات الكالسيوم. كما لاحظ Goddek et al. (2018) ذوبان P، Ca والمغذيات الكبيرة الأخرى في مفاعل بطانية الحمأة اللاهوائية (UASB) الذي تحول إلى حمضية. أبلغ جونغ ولوفيت (2011) عن تعبئة 90 في المائة من المغذيات للحمأة المشتقة من الحجر الطبيعي عند قيمة الأس الهيدروجيني منخفضة جداً تبلغ 4. في هذه الحالة، تم حل جميع المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة. وبالتالي، هناك تنافس بين التخفيض العضوي وتمعدن المغذيات. وبالفعل، فإن التخفيض العضوي هو الحد الأقصى عندما تكون الكائنات الحية الدقيقة نشطة في تدهور المركبات العضوية، وهذا يحدث عند درجة الحموضة في نطاق 6-8. وبما أن النض المغذي يحدث عند درجة الحموضة أقل من 6، من أجل التخفيض العضوي الأمثل وتمعدن المغذيات، فإن الأكثر فعالية هي تقسيم العملية إلى خطوتين، أي خطوة تخفيض عضوية عند درجة الحموضة قريبة من المحايد وخطوة لنض المغذيات في ظل الظروف الحمضية. و حسب علمنا, لم يبلغ حتى الآن عن أي عملية تستخدم هذا النهج المكون من خطوتين. وهذا يفتح مجالا جديدا في معالجة مياه الصرف الصحي، وهناك حاجة إلى المزيد من البحوث لتنفيذها في مجال الأحياء المائية.

   

   ** الشكل 10-1** التنفيذ التخطيطي لمعالجة الحمأة في نظام أكوابونيك** (أ) ** وفي نظام أكوابوني** (ب) **

   اختيار الأعلاف مهم أيضا في هذا السياق. في الأعلاف القائمة على الحيوانات حيث لا يزال جزء المكون الرئيسي يعتمد على مصادر حيوانية (مثل دقيق السمك، وجبة العظام)، يكون الفوسفات الملزمة، مثل الأباتيت (المشتق من وجبة العظام)، متاحًا بسهولة في ظل الظروف الحمضية، بينما تحتوي الأعلاف النباتية على الفيتات كمصدر رئيسي للفوسفات. Phytate على النقيض من، على سبيل المثال الأباتيت يتطلب التحويل الأنزيمي (فيتاز) (كومار وآخرون 2012)، وبالتالي فإن الفوسفات ليست متاحة بسهولة.

3. 10.3 العلاجات الهوائية

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   العلاج الهوائي يعزز أكسدة الحمأة من خلال دعم اتصالها مع الأكسجين. في هذه الحالة، يتم دفع أكسدة المادة العضوية بشكل رئيسي عن طريق تنفس الكائنات الحية الدقيقة المتغايرة. يتم تحرير Cosub2/sub، المنتج النهائي للتنفس، كما هو موضح في المعادل (10.1).

   $C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +الطاقة $ (10.1)

   وتتحقق هذه العملية في المفاعلات الهوائية بشكل رئيسي عن طريق حقن الهواء في خليط الحمأة - الماء مع منافيخ الهواء المتصلة بالناشرات والمراوح. كما يضمن حقن الهواء الخلط السليم للحمأة.

   خلال هذه العملية التأكسدية، يتم إطلاق المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة المرتبطة بالمادة العضوية. وتسمى هذه العملية التمعدن الهوائي. ولذلك، يمكن إعادة تدوير المزيد من العناصر الغذائية أثناء عملية التمعدن، في حين أن بعض العناصر الغذائية، مثل الصوديوم والكلوريد، يمكن أن تتجاوز أيضا عتبة استخدامها للاستخدام المائي ويجب رصدها بعناية قبل الاستخدام (Rakocy et al. 2007). إن التمعدن الهوائي للمادة العضوية، المستمدة من وحدة الإزالة الصلبة (مثل المرشح أو مرشح الأسطوانة) في RAS، هو طريقة سهلة لإعادة تدوير العناصر المغذية للتطبيقات المائية اللاحقة.

   وعلاوة على ذلك، خلال عملية الهضم الهوائي، ينخفض الرقم الهيدروجيني ويعزز تمعدن المعادن الملزمة المحاصرة في الحمأة. على سبيل المثال، أظهر Monsees et al. (2017) أن P تم إطلاقه من حمأة RAS بسبب هذا التحول الأس الهيدروجيني. ويرجع هذا الانخفاض في الرقم الهيدروجيني بشكل رئيسي إلى التنفس وإلى حد أقل على الأرجح عن طريق النتريكتيون.

   بسبب الإمداد المستمر بالأكسجين عن طريق تهوية غرفة التمعدن وفرة المواد العضوية، تجد الكائنات الحية الدقيقة المتغايرة ظروفًا مثالية للنمو. وهذا يؤدي إلى زيادة في التنفس وإطلاق Cosub2/sub الذي يذوب في الماء. يشكل COSUB2/sub حامض الكربوني الذي ينفصل وبالتالي يقلل من درجة الحموضة في مياه العملية كما هو موضح في المعادلة التالية:

   $CO_ {2 (ز)} +2\ H_2O\ rarr H_3O ^ ++ {HCO_3} ^-$ (10.2)

   غالبًا ما تحتوي مياه الصرف الصحي المشتقة من RAS على NHSUB4/subsup+/Sup، بالإضافة إلى ذلك تتميز بدرجة حموضة محايدة تبلغ حوالي 7، لأن درجة الحموضة في RAS يجب أن تبقى عند هذا المستوى لضمان التحويل الميكروبي الأمثل لـ NHSub4/subsup+/Sup إلى nosub3/sub داخل المرشح الحيوي (أي النتريفيتيريفيتيفيتيفيتيون). يمكن أن تساهم عملية النتروية في انخفاض درجة الحموضة في المفاعلات الهوائية في مرحلة البداية عن طريق إطلاق البروتونات إلى مياه المعالجة كما يتبين من المعادلة التالية:

   $ {NH_4} ^+ 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ H ^+H_2O+الطاقة $ (10.3)

   وهذا ينطبق على الأقل على مرحلة البداية حيث لا يزال الرقم الهيدروجيني أعلى من 6. عند درجة الحموضة ≤ 6، قد يتباطأ النترجة بشكل كبير أو حتى يتوقف (Ebeling et al. 2006). ومع ذلك، فإن هذا لا يمثل مشكلة لوحدة التمعدن.

   الانخفاض العام في درجة الحموضة في وحدة التمعدن الهوائي في العملية الجارية هو المحرك الرئيسي لإطلاق المغذيات الموجودة في شكل معادن متسربة كفوسفات الكالسيوم. وأشار Monsees et al. (2017) إلى أن حوالي 50% من الفوسفات في الحمأة كان قابل للذوبان في الحمض، مشتق من RAS Tilapia حيث تم تطبيق تغذية قياسية تحتوي على دقيق السمك. هنا، فقد حوالي 80% من الفوسفات داخل RAS بسبب تنظيف الدورق والتخلص من خليط الحمأة - الماء. وبالنظر إلى هذه الحقيقة، فإن الإمكانات الكبيرة لوحدات التمعدن للتطبيقات المائية تصبح واضحة.

   مزايا التمعدن الهوائي هي الصيانة المنخفضة مع عدم الحاجة إلى الموظفين المهرة وعدم إعادة الأوكسجين اللاحقة. ويمكن استخدام المياه المخصبة مباشرة لتخصيب النباتات، ويتم إدارتها بشكل مثالي بواسطة نظام على الإنترنت لإعداد محلول المغذيات بشكل مناسب. ومن العيب مقارنة بالتمعدن اللاهوائي عدم إنتاج الميثان (Chen et al. 1997)، وكما سبق ذكره، ارتفاع الطلب على الطاقة بسبب الحاجة إلى تهوية مستمرة.

   10-3.1 وحدات التمعدن الهوائي

   

   الشكل 10.2 مثال تخطيطي لوحدة تمعدن هوائية تعمل في وضع دفعي. يتم فصل غرفة التمعدن (البني) عن غرفة المخرج (الأزرق) بواسطة لوحة منخل مغطاة بلوحة غطاء صلبة أثناء عملية التمعدن (تهوية قوية) لمنع انسداد وتشكيل الجسيمات الدقيقة. تدخل المياه العضوية الغنية من المرشح أو مرشح الأسطوانة وحدة التمعدن عبر المدخل. بعد اكتمال دورة التمعدن، تخرج المياه الغنية بالمغذيات والخالية من الصلب من وحدة التمعدن عبر المخرج ويتم نقلها مباشرة إلى الوحدة المائية أو الاحتفاظ بها في صهريج التخزين إلى حين الحاجة

   ويرد مثال على تصميم وحدة التمعدن الهوائي في الشكل 10.2. يتم توصيل المدخل بوحدة الإزالة الصلبة عن طريق صمام، مما يسمح بإعادة تعبئة غرفة التمعدن بشكل متقطع بمزيج من الحمأة والماء. يتم تهوية غرفة التمعدن عن طريق الهواء المضغوط لتعزيز تنفس البكتيريا المتغايرة والحفاظ على عمليات إزالة النيترينغ اللاهوائية إلى أدنى حد ممكن. لمنع المواد العضوية من مغادرة غرفة التمعدن، يمكن أن تكون لوحة المنخل بمثابة حاجز. من الناحية المثالية، يجب استخدام لوحة غطاء ثانية غير منفذة لتغطية المنخل أثناء عملية التمعدن (أثناء التهوية). هذا يجب أن يمنع صفيحة المنخل من الانسداد لأنه أثناء التهوية الثقيلة سيتم نقل المواد العضوية باستمرار ضد لوحة المنخل. قبل نقل المياه الغنية بالمغذيات من غرفة التمعدن إلى الوحدة المائية، يتم إيقاف التهوية للسماح للجسيمات بالاستقرار. وفي وقت لاحق، تتم إزالة لوحة الغطاء، ويمكن أن تمر المياه الغنية بالمغذيات من خلال لوحة المنخل وترك غرفة التمعدن عبر المخرج كما هو مقترح في الشكل 10.2. وأخيرا، يتم وضع لوحة الغطاء في مكانها مرة أخرى، يتم إعادة تعبئة غرفة التمعدن مع خليط من الحمأة - الماء المشتق من راس، وتبدأ عملية التمعدن مرة أخرى (أي عملية الدفعات).

   وينبغي أن يكون لوحدة التمعدن ضعف حجم المرطب على الأقل للسماح بالتمعدن المستمر. يمكن أن تستمر دورة واحدة للتمعدن لمدة تصل إلى 5-30 يومًا اعتمادًا على النظام والحمل العضوي والمغذيات المطلوبة ويجب وضعها لكل نظام على حدة. بالنسبة للأنظمة بما في ذلك مرشح الأسطوانة، كما هو الحال في معظم RAS الحديثة، يجب تعديل حجم وحدة التمعدن وفقًا لتدفق الحمأة اليومي أو الأسبوعي لمرشح الأسطوانة. وبما أن ذلك لم يتم اختباره في إعداد تجريبي حتى الآن، فإن التوصيات المحددة غير ممكنة في الوقت الحالي.

   10-3-2 التنفيذ

   ويرد مثال على تنفيذ وحدة التمعدن الهوائي في نظام أكوابوني منفصل في الشكل 10.3. ونظراً لعدم الحاجة إلى المعالجة قبل المعالجة وبعدها (مثل إعادة الأوكسجين)، يمكن وضع وحدة التمعدن مباشرة بين وحدة الإزالة الصلبة والأسرّة المائية. عن طريق تركيب صمام قبل وبعد وحدة التمعدن، يمكن إجراء عملية متقطعة وتسليم المغذيات إلى الوحدة المائية عند الطلب، ولكن في كثير من الحالات، ستكون هناك حاجة إلى خزان تخزين إضافي. من الناحية المثالية، بعد توجيه المياه الغنية بالمغذيات إلى الوحدة المائية، يتم استبدال المياه النازحة بحمأة جديدة ومياه من وحدة الإزالة الصلبة. واعتماداً على حجم وحدة التمعدن، من المهم ملاحظة أن إعادة التعبئة باستخدام خليط الحمأة والماء الجديد يمكن أن تؤدي إلى زيادة في درجة الحموضة مرة أخرى، وبالتالي يمكن قطع عملية التمعدن. عن طريق زيادة حجم وحدة التمعدن، سيتم تخزين هذا التأثير مؤقتاً. وفي دراسة أجراها راكوسي وآخرون (2007) عن دراسة عن النفايات العضوية السائلة الناتجة عن نظامين للاستزراع المائي، أدت فترة استبقاء 29 يوماً للتمعدن الهوائي إلى نجاح كبير في التمعدن. ومع ذلك، يعتمد هذا أيضًا على محتوى TS داخل غرفة التمعدن، وعلى التغذية المطبقة على RAS، وعلى درجة الحرارة ومتطلبات المغذيات للنباتات التي يتم إنتاجها داخل الوحدة المائية.

   

   الشكل 10.3 صورة تخطيطية لنظام أكوابوني منفصل بما في ذلك وحدة تمعدن هوائية. يمكن نقل المياه إلى خزان المغذيات إما من حلقة المياه RAS أو مباشرة من وحدة التمعدن

4. 10.4 العلاجات اللاهوائية

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   وقد استخدم الهضم اللاهوائي (AD) منذ فترة طويلة لتحقيق الاستقرار والحد من عملية كتلة الحمأة، ويرجع ذلك أساسا إلى بساطة التشغيل، وانخفاض التكاليف نسبيا وإنتاج الغاز الحيوي كمصدر محتمل للطاقة. يمكن وصف التمثيل stoichiometric العام للهضم اللاهوائي على النحو التالي:

   $CNHAOB+ (ن/4-b/2)\ نقطة H_2O\ rarr (ن/2-a/8+ب/4)\ نقطة CO_2+ (ن/2+a/8-b/4)\ cdot CH4 $ (10.4)

   المعادلة 10-4 التوازن الكتلي العام لل غاز الحيوي (Marchaim 1992).

   ويمكن حساب تركيز الميثان النظري على النحو التالي:

   $ [CH_4] =0.5+ (a/4+ب/2) /2n$ (10.5)

   المعادلة 10-5 تركيز الميثان المتوقع نظريا في الغاز الحيوي (Marchaim 1992).

   أما المنتجات النهائية الناتجة عن مكافحة الإغراق فهي في معظمها مواد غير عضوية (مثل المعادن)، ومركبات عضوية متدهورة قليلاً، وغاز أحيائي يتكون عادة من\ > 55 في المائة من الميثان (CHSUB4/sub) وثاني أكسيد الكربون (Cosub2/sub)، مع مستويات صغيرة فقط (\ 1 في المائة) من كبريتيد الهيدروجين (H<sub2/subs) ومجموع نيتروجين الأمونيا (NH/ سوب+/سوب/NH4سوب+/سوب) (أبيلز وآخرون. 2008).

   

   ** الشكل 10-4** رسم تخطيطي يبين التحلل اللاهوائي لل مواد العضوية استنادا إلى غارسيا و آخرون (2000)

   خلال عملية AD، تخضع الحمأة العضوية لتغييرات كبيرة في خصائصها الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية ويمكن تقسيمها تخطيطي إلى أربع مراحل (الشكل 10.4). المرحلة الأولى هي التحلل المائي، حيث تتحلل المواد العضوية المعقدة مثل الدهون والسكريات والبروتينات والأحماض النووية إلى مواد عضوية قابلة للذوبان (السكريات والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية). وتعتبر هذه الخطوة عموما الحد من سعر الفائدة (Deublein وشتاينهاوزر 2010). في الخطوة الثانية الحماض، المونومرات شكلت في الخطوة الأولى مزيد من الانقسام، والأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) تنتج عن البكتيريا الحماضية (التخمير) جنبا إلى جنب مع الأمونيا، Cosub2/sub، HSUB2/Subs وغيرها من المنتجات الثانوية. والخطوة الثالثة هي تكوين acetogenesis، حيث يتم هضم VFA والكحول عن طريق الأسيتوجين لإنتاج حمض الخليك بشكل رئيسي وكذلك Cosub2/sub و HSUB2/sub. يتم التحكم في هذا التحويل إلى حد كبير عن طريق الضغط الجزئي لـ HSUB2/sub في الخليط. والخطوة الأخيرة هي تكوين الميثان حيث يتم إنتاج الميثان بشكل رئيسي من خلال مجموعتين من البكتيريا الميثانوجينية: الأركيا الأسيتوتروفيك، التي تقسم الأسيتات إلى الميثان وCosub2/sub، والأركيا الهيدروجينية، التي تستخدم الهيدروجين كمبرع للإلكترون وثاني أكسيد الكربون كمتقبل للإلكترونات لإنتاج الميثان (Appels وآخرون 2008).

   وتؤثر عوامل مختلفة مثل درجة الحموضة في الحمأة، والملوحة، والتركيب المعدني، ودرجة الحرارة، ومعدل التحميل، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي، ونسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N) ومحتوى الأحماض الدهنية المتطايرة على قابلية هضم الحمأة وإنتاج الغاز الحيوي (Khalid et al. 2011).

   

   ** الشكل 10.5** مخطط مفاعل بطانية الحمأة اللاهوائية (UASB)

   وقد بدأت معالجة الحمأة اللاهوائية من RAS قبل نحو 30 عاماً بتقارير عن الحمأة من المياه العذبة RAS (Lanari and Franci 1998) تلتها تقارير عن البحرية (Arbiv and van Rijn 1995؛ Klas et al. 2006؛ McDermott et al. 2001) وعمليات المياه المالحة (Gebauer and Eikebrokk 2006؛ Mirzoyan et al. 2008). في الآونة الأخيرة، اقترح استخدام UASB (الشكل 10.5) في AD من الحمأة RAS تليها إنتاج الغاز الحيوي كمصدر بديل للطاقة (Mirzoyan et al. 2010). يتكون المفاعل من خزان، جزء منه مليء بطانية الحمأة الحبيبية اللاهوائية التي تحتوي على أنواع الكائنات الحية الدقيقة النشطة. تتدفق الحمأة صعودا من خلال «بطانية ميكروبية» حيث تتدهور بفعل الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية ويتم إنتاج الغاز الحيوي. مستوطن مخروط مقلوب في الجزء العلوي من الهضم يسمح للغاز - فصل السائل. عندما يتم تحرير الغاز الحيوي من فلوك، يتم توجيهه إلى مخروط من قبل الانحرافات التي سيتم جمعها. ينتج الاختلاط البطيء في المفاعل عن التدفق التصاعدي المقترن بالحركة الطبيعية للقطعان الميكروبية المرتبطة بفقاعات الغاز الحيوي. في مرحلة ما، يترك الفلوك فقاعة الغاز ويستقر مرة أخرى مما يسمح بأن تكون النفايات السائلة خالية من TSS، والتي يمكن بعد ذلك إعادة تدويرها مرة أخرى إلى النظام أو تحريرها. وتتمثل المزايا الرئيسية للمصرف في انخفاض تكاليف التشغيل وبساطة التشغيل مع توفير كفاءة عالية (\ > 92%) للنفايات ذات المحتوى المنخفض من TSS (1 - 3%) (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

   وأظهرت دراستان إفراديتان حديثتان استخدام UASB كعلاج للمواد الصلبة في المياه الجوفية البحرية والمالحة على نطاق تجريبي، مما يوفر مثالا على المزايا المحتملة لهذه الوحدة في أكوابونيكش (Tal et al. 2009؛ Yogev et al. 2017). وتشير نظرة مفصلة على توازن الكربون إلى أن حوالي 50٪ من الكربون الذي تم إدخاله (من الأعلاف) تمت إزالته عن طريق استيعاب الأسماك والتنفس، وأزيلت 10٪ عن طريق التحلل الأحيائي الهوائي في المفاعل الحيوي النيتريفاتيون، وأزيلت 10٪ في مفاعل إزالة النيتريفاتيون (Yogev et al. 2017). لذلك، تم إدخال حوالي 25٪ من الكربون إلى مفاعل UASB الذي تم تحويله 12.5٪ إلى الميثان، 7.5٪ إلى COSub2/sub والباقي (\ ~ 5٪) لا يزال كربون غير قابل للتحلل في UASB. وباختصار، تم إثبات أن استخدام UASB سمح بإعادة تدوير المياه بشكل أفضل (\ > 99%)، وإنتاج الحمأة (\ 8%) أقل بالمقارنة مع RAS النموذجية التي لا تحتوي على معالجة صلبة في الموقع، واسترداد الطاقة التي يمكن أن تمثل 12% من إجمالي الطلب على الطاقة في RAS. وتجدر الإشارة إلى أن استخدام UASB في aquaponics سوف يسمح أيضا باستعادة كبيرة تصل إلى 50٪ المزيد من العناصر الغذائية مثل النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم لأنها تطلق في الماء نتيجة للتحلل الحيوي الصلبة (Goddek et al. 2018).

   المفاعل الحيوي الغشائي اللاهوائي (ANMBR) هو تقنية أكثر تقدمًا. تتكون العملية الرئيسية من استخدام غشاء خاص لفصل المواد الصلبة عن السائل بدلاً من استخدام عملية الصب كما هو الحال في UASB. يحدث تخمير الحمأة في خزان لاهوائي بسيط وتتركه النفايات السائلة من خلال الغشاء. اعتمادا على حجم مسام الغشاء (الذهاب إلى 0.1-0.5 ميكرومتر) يمكن الاحتفاظ حتى الكائنات الحية الدقيقة. هناك نوعان من تصميم المفاعل الحيوي الغشائي: أحدهما يستخدم وضع تيار جانبي خارج الخزان، والآخر يحتوي على وحدة غشاء مغمورة في الخزان (الشكل 10.6)، ويكون الأخير أكثر ملاءمة في تطبيق AnmBR بسبب تكوينه الأكثر إحكاما وانخفاض استهلاك الطاقة (Chang 2014). ويمكن تكوين أغشية مواد مختلفة مثل السيراميك أو البوليمرية (مثل فلوريد البوليفينيل (PVDF)، والبولي إيثيلين، والبوليثيرسلفون (PES)، وكلوريد البولي فينيل (PVC)) على هيئة لوحة وإطار، أو ألياف مجوفة أو وحدات أنبوبية (Gander et al. 2000؛ Huang et al. 2010). تتمتع AnmBR بالعديد من المزايا الهامة مقارنة بالمفاعلات البيولوجية النموذجية مثل UASB، وهي فصل زمن الاحتفاظ بالحمأة (SRT) و (القصير) وقت الإقامة الهيدروليكي (HRT)، مما يتيح التغلب على مشكلة الحركية البطيئة لعملية AD؛ جودة النفايات السائلة العالية للغاية التي يكون فيها معظم و إزالة مسببات الأمراض و بصمة صغيرة (جاد و جاد 2008). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الإنتاج الفعال للغاز الحيوي في ANMBR إلى رصيد صافي للطاقة.

   

   ** الشكل 10-6** (أ) MBR المجاري الجانبي مع وحدة ترشيح منفصلة مع إعادة تدوير السوائل المحتفظ بها إلى المفاعل الأحيائي؛ (ب) MBR المغمورة: وحدة الترشيح المدمجة في المفاعل الأحيائي. (غاندر و آخرون 2000)

   وفي حين أن هذه التكنولوجيا تستحق الكثير من الاهتمام والبحث، تجدر الإشارة إلى أنه بما أنها تكنولوجيا جديدة إلى حد ما، فإنه لا يزال هناك العديد من العيوب الهامة التي يجب معالجتها قبل أن تعتمد صناعة الاستزراع المائي. وهذه هي التكاليف التشغيلية المرتفعة الناجمة عن صيانة الأغشية لمنع التجعيد الأحيائي والتبادل المنتظم للغشاء وكسر ثاني أكسيد الكربون المرتفع (30 - 50%) في الغاز الحيوي الذي يحد من استخدامه ويسهم في انبعاثات غازات الدفيئة (Cui et al. 2003). ومن ناحية إيجابية، سيتم في المستقبل القريب تطوير تقنيات جديدة للوقاية البيولوجية في حين أن تكلفة الغشاء ستنخفض بالتأكيد مع التوسع في استخدام هذه التكنولوجيا. وقد تم بنجاح دراسة الجمع بين UASB مع مفاعل غشائي لتصفية النفايات السائلة UASB لإزالة الكربون العضوي والنيتروجين (An وآخرون 2009). يبدو هذا المزيج خيارًا واعدًا للأكوابونيكش للاستخدام الآمن والصحي للنفايات السائلة UASB.

   10-4-1 التنفيذ

   ويتمثل أحد الحلول الممكنة لتنفيذ المفاعلات اللاهوائية في طريقة متتابعة (انظر أيضا الفصل 8). وتسمح تركيبة «درجة الحموضة العالية - درجة الحموضة المنخفضة» بحصاد الميثان (وبالتالي خفض الكربون) في الخطوة الأولى من درجة الحموضة العالية وتعبئة العناصر الغذائية في الحمأة المنزوعة الكربون في بيئة الأس الهيدروجيني المنخفضة اللاحقة. وتتمثل ميزة هذه الطريقة في أن خفض الكربون في ظل ظروف الأس الهيدروجيني العالية يؤدي إلى انخفاض مستويات القيمة المضافة، والتي يمكن أن تحدث خلال الخطوة الثانية ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض (الشكل 10.7). ويسمح هذا النهج أيضاً بالهضم المشترك للمادة النباتية الخضراء (أي أنه من أي حصاد للنباتات، ستكون هناك نفايات نباتية يمكن وضعها من خلال هذا الهضم) لزيادة إنتاج الغاز الأحيائي واستخلاص المغذيات من المخطط العام.

   وقد قدم آير وآخرون إمكانية أخرى للتكامل التقني (2017). ويقترحون تصريف النفايات السائلة من هضم اللاهوائي عالي الحموضة إلى بركة تربية الطحالب. وفي هذه البركة، تزرع الطحالب التي يمكن استخدام كتلتها الحيوية في تغذية تربية الأحياء المائية أو الإخصاب الحيوي (الشكل 10-8). ويمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات التفصيلية عن هذا النهج في الفصل 11.

   

   الشكل 10.7 نظام لاهوائي على مرحلتين. في المرحلة الأولى (درجة الحموضة العالية)، سيتم إزالة الكربون من الحمأة كغاز حيوي، في حين أن الرقم الهيدروجيني المنخفض في المرحلة الثانية يسمح للمغذيات التي تقع في الحمأة تذوب في الماء. عادة، تتشكل الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA) في بيئات منخفضة الأس الهيدروجيني. بيد أن إزالة مصدر الكربون في المرحلة الأولى تحد من إنتاج FA في مثل هذا الإعداد المتسلسل

   

   الشكل 10.8 نظام الهضم اللاهوائي متكامل مع الاستزراع المائي وتربية الطحالب على أساس Ayre et al. (2017)

5. 10-5 منهجية القياس الكمي لأداء تخفيض الحمأة وتمعدن

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   لتحديد هضم معالجة الحمأة المائية في المفاعلات الحيوية الهوائية واللاهوائية، يجب اتباع منهجية محددة. و ترد في هذا الفصل منهجية مكيفة لأغراض معالجة الحمأة المائية. وقد وضعت معادلات محددة لقياس أدائها بدقة (Delaide et al. 2018)، وينبغي أن تستخدم هذه المعادلات لتقييم أداء العلاج المطبق في نبات أكوابوني معين.

   من أجل تقييم أداء العلاج، يجب تحقيق نهج التوازن الشامل. وهو يتطلب أن يتم تحديد مواد الدعم التقني وسمك القد وكتل المغذيات بالنسبة لجميع مدخلات المفاعلات (أي الحمأة الطازجة) والمخرجات (أي النفايات السائلة). كما يجب أخذ عينات من محتوى المفاعل في بداية الفترة المشمولة بالدراسة وفي نهايتها. يجب أن تكون المدخلات والمخرجات والمحتوى من المفاعلات مختلطة تماما لأخذ العينات. يجب أخذ عينات من مدخلات المفاعلات ومخرجاتها في كل مرة يتم فيها تغذية المفاعلات بحمأة جديدة.

   وبعد ذلك، يمكن صياغة أداء تقليل حمأة المفاعلات (β) على النحو التالي:

   $\ eta_s = 100% (1- (\ دلتا S + S_ {خارج}) /S_ {في}) $ (10.6)

   حيث ΔS هو الحمأة داخل المفاعل في نهاية الفترة المدروسة ناقص واحد في بداية الفترة، ssubout/sub هو مجموع الحمأة التي تركت المفاعل في التدفق الخارجي، وSSubin/sub هو الحمأة الكلية التي دخلت المفاعل عن طريق التدفق.

   وبالنسبة للتقليل العضوي، يمكن وصف الحمأة (أي المصطلح S) بالكتلة الجافة للحمأة (أي TSS) أو كتلة الأكسجين اللازمة لأكسدة الحمأة (أي COD). وهكذا، بالنسبة لأداء خفض سمك القد وTSS، كلما كان التراكم أصغر وكمية في التدفق الخارجي، كلما ارتفع أداء التخفيض (أي النسبة المئوية العالية) وبالتالي قل عدد المواد الصلبة التي يتم تفريغها من الحلقة.

   استناداً إلى نفس التوازن الكتلي، أداء تمعدن المغذيات للعلاج ()، أي تحويل المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة الموجودة في الحمأة تحت أشكال غير منحلة إلى أيونات قابلة للذوبان، يمكن استخدام الصيغة التالية:

   $\ Zeta_n = 100\٪ ((DN_ {خارج} -DN_ {في})/(TN_ {في} -DN_ {في})) $ (10.7)

   حيث هو استعادة N المغذيات في نهاية الفترة المدروسة في المئة، DNsubout/sub هو الكتلة الإجمالية للمغذيات الذائبة في التدفق، DNsubin/sub هي الكتلة الإجمالية للمغذيات المذابة في التدفق وTnsubin/sub هي الكتلة الإجمالية للمغذيات المذابة بالإضافة إلى غير المذابة في التدفق.

   وهكذا، وعلى غرار أداء الخفض العضوي، كلما قل التراكم داخل المفاعل والمحتوى المغذي غير المذاب في التدفق الخارجي، كلما ارتفع أداء التمعدن (أي النسبة المئوية العالية) وبالتالي فإن المغذيات المذابة المستردة في النفايات السائلة (أو التدفق الخارجي) للمحاصيل المائية الإخصاب (انظر المثال 10.1). يتم استخدام معادلات توازن الكتلة المقدمة في مربع المثال.

   مثال 10.1**

   تم تقييم أداء عملية الهضم لمفاعل حيوي لاهوائي سعة 250 لتر لمدة 8 أسابيع. وتغذى مرة واحدة في اليوم مع 25 لتر من الحمأة الطازجة القادمة من نظام RAS Tilapia، وتم إزالة الحجم الفائق المكافئ (أو الناتج) من المفاعل الحيوي. وكان للحمأة الطازجة (المدخلات) كتلتها الجافة 10 غرامات (DM) للتر الواحد أو 1 في المائة، وكان لدى المتفوق (الناتج) TSS 1 GDM/L أو 0.1 في المائة. وكان معامل الدعم التقني داخل المفاعل الأحيائي في بداية ونهاية الفترة 20 جيغرام/لتر، وبالتالي فإن مجموع المدخلات والمخرجات وداخل المفاعل الأحيائي خلال الفترة التي جرى تقييمها يحسب على النحو التالي:

   DM في = 0.01 كجم/LD $\ مرات $25 L $\ مرات $7 أيام $\ مرات $8 أسابيع = 14 كجم

   DM خارج = 0.001 كجم/LD $\ مرات $25 L $\ مرات $7 أيام $\ مرات $8 أسابيع = 1.4 كجم

   DM إلى = DM TF = 250 L $\ مرات $0.02 كجم/لتر = 5kg

   يمكن بعد ذلك حساب أداء تقليل خدمات الدعم التقني (****TSS) للمفاعل الحيوي على النحو التالي:

   $\ جريئة {\ eta} _ {TSS} =100% (1- ((5-5) +1.4) /14) = 90\ %$

   يمكن تقييم أداء تمعدن المفاعل الأحيائي P مع العلم أن الحمأة الطازجة (المدخلات) كان لها تركيز P المذاب 15 ملغم/لتر ومحتوى P الكلي 90 ملغم/لتر، وتركيز P المذاب في المتخلف (الناتج) كان 20 ملغم/لتر، وبالتالي فإن إجمالي محتوى P في المدخلات، المجموع P المذاب في المدخلات و المخرجات خلال الفترة التي تم تقييمها على النحو التالي:

   TP في = 0.090 ز/LD $\ مرات $25 L $\ مرات $7 أيام $\ مرات $8 أسابيع = 126 كجم

   موانئ دبي في = 0.015 غرام/لد $\ مرات $25 L $\ مرات $7 أيام $\ مرات $8 أسابيع = 21 كجم

   DP خارج = 0.020 غرام/LD $\ مرات $25 L $\ مرات $7 أيام $\ مرات $8 أسابيع = 28 كجم

   يمكن بعد ذلك حساب أداء التمعدن P (subp/sub) للمفاعل الحيوي على النحو التالي:

   $_P = 100% ((28 - 21)/(126 - 21)) = 6.67\ %$

6. 10-6 الاستنتاجات

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   أما معالجة حمأة الأسماك من أجل الحد منها واستعادتها من المغذيات فهي في مرحلة مبكرة من التنفيذ. وهناك حاجة إلى مزيد من البحوث والتحسينات، وسوف نرى اليوم مع تزايد القلق من الاقتصاد الدائري. و الواقع أن حمأة الأسماك تحتاج إلى أن تعتبر مصدرا قيما بدلا من النفايات التي يمكن التخلص منها.