Source material

الفصل 8 أنظمة أكوابونيكش

1. 8-1 مقدمة

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

   كما نوقش في الفصول. 5 و 7، يتم بحث أنظمة أكوابونيكش أحادية الحلقة بشكل جيد، ولكن هذه الأنظمة لديها كفاءة شاملة دون الأمثل (Goddek et al. 2016؛ Goddek و Kek إسمان 2018). ومع ارتفاع مستوى الإنتاج على المستوى الصناعي, كان هناك تركيز على زيادة الجدوى الاقتصادية لهذه النظم. يمكن تحقيق واحدة من أفضل الفرص لتحسين الإنتاج من حيث محصول الحصاد عن طريق فك ربط المكونات داخل نظام أكوابونيكش لضمان ظروف النمو المثلى لكل من الأسماك والنباتات. تختلف الأنظمة المنفصلة عن الأنظمة المقترنة بالأرق لأنها تفصل بين حلقات المياه والمغذيات لكل من وحدة الاستزراع المائي والوحدة المائية عن بعضها البعض، وبالتالي توفر التحكم في كيمياء المياه في كلا النظامين. يقدم الشكل 8.1 نظرة عامة تخطيطية للنظام التقليدي المقترن (A)، ونظام ثنائي الحلقات (B)، ونظام منفصل متعدد الحلقات (C). بيد أن هناك جدلا كبيرا بشأن ما إذا كانت نظم علم الأحياء المائية المنفصلة مفيدة اقتصاديا على النظم الأكثر تقليدية, نظرا لأنها تحتاج إلى مزيد من الهياكل الأساسية. ولل إجابة على هذا السؤال, من الضروري النظر في تصميمات مختلفة لل نظام من أجل تحديد نقاط قوتها و ضعفها.

   ويمكن اعتبار مفهوم النظام المائي ذي الحلقة الواحدة المقترنة كما هو موضح في الشكل 8-1 أ الأساس التقليدي لجميع أنظمة الأحياء المائية التي يعاد فيها تدوير المياه بحرية بين وحدات الاستزراع المائي والمياه، في حين يتم تصريف الحمأة المغذيات. ومن العوائق الرئيسية لهذه النظم أنه من الضروري إجراء مقايضات في ظروف تربية كلا النظامين الفرعيين من حيث الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيزات المغذيات (الجدول 8-1).

   

   الشكل 8.1 تطور أنظمة أكوابونيكش. (أ) نظام أكوابونيكش تقليدي أحادي الحلقة، و (ب) نظام أكوابونيكش بسيط منفصل، و (ج) نظام أكوابونيكش متعدد الحلقات. الخط الأزرق لتقف على مدخلات المياه، والمخرجات، والتدفقات، والأحمر لمنتجات النفايات

   وعلى النقيض من ذلك، فإن نظم الأحياء المائية المنفصلة أو ثنائية الحلقات تفصل وحدات الاستزراع المائي والمياه عن بعضها البعض (الشكل 8-1 ب). وهنا، فإن تحجيم الوحدة المائية هو جانب حاسم، لأنه من الناحية المثالية يحتاج إلى استيعاب العناصر الغذائية التي توفرها وحدة الأسماك مباشرة أو عن طريق تمعدن الحمأة (مثل استخراج المغذيات من الحمأة وتوفيرها للنباتات في شكل قابل للذوبان). والواقع أن كل من حجم مساحة النبات والظروف البيئية (مثل السطح، ومؤشر مساحة الأوراق، والرطوبة النسبية، والإشعاع الشمسي، وما إلى ذلك) يحددان كمية المياه التي يمكن تبخرها وهي العوامل الرئيسية التي تحدد معدل استبدال مياه RAS. وبالتالي يتم استبدال المياه المرسلة من RAS إلى الوحدة المائية بالمياه النظيفة التي تقلل من تركيزات المغذيات وبالتالي تحسن نوعية المياه (Monsees et al. 2017a, b). تعتمد كمية المياه التي يمكن استبدالها على معدل تبخر النباتات التي يتم التحكم فيها بواسطة الإشعاع الصافي، ودرجة الحرارة، وسرعة الرياح، والرطوبة النسبية، وأنواع المحاصيل. ومن الجدير بالذكر أن هناك تبعية موسمية، حيث يتبخر المزيد من المياه في المواسم الأكثر دفئا وأكثر شمسا، وهو أيضا عندما تكون معدلات نمو النباتات هي الأعلى. وقد اقترح Goddek et al. (2015) و Kloas et al. (2015) هذا النهج كنهج لتحسين تصميم النظم ذات الحلقة الواحدة والاستفادة بشكل أفضل من القدرات لضمان الأداء الأمثل لنمو النبات. وقد تم اعتماد هذا المفهوم، في جملة أمور، من قبل ECF في برلين، ألمانيا، و_UrbanFarmers_ المفلسة الآن في لاهاي، هولندا.

   على الرغم من الفوائد المحتملة، واجهت التجارب الأولية مع تصميم حلقة واحدة منفصلة مع عيوب خطيرة. وقد نتج ذلك عن الكميات العالية من العناصر الغذائية الإضافية التي كانت هناك حاجة إلى إضافتها إلى الحلقة المائية بالنظر إلى أن مياه العملية المتدفقة من RAS إلى الحلقة المائية تعتمد بحتة على التبخر والنتح (Goddek et al. 2016; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016). وتتجه المغذيات أيضاً إلى التراكم في نظم RAS عندما تكون معدلات التبخر والنتح أقل، ويمكن أن تصل إلى مستويات حرجة، مما يتطلب نزيفاً دورياً من الماء (Goddek 2017).

   يتطلب التغلب على هذه العيوب تنفيذ حلقات إضافية للحد من كمية النفايات المنتجة في النظام (Goddek و Körner 2019). هذه النظم متعددة الحلقات موضحة في الشكل 8-1 ج وتعزز نهج الحلقتين (8-1 ب) بوحدتين سيتم استكشافهما عن كثب في الفصلين الفرعيين التاليين وكذلك الفصل 10 و 11 :

   1 - تمعدن العناصر الغذائية وتعبئتها بكفاءة، باستخدام نظام مفاعلات لاهوائية من مرحلتين للحد من تصريف المغذيات من النظام عن طريق حمأة الأسماك

   2 - تقنية التقطير الحراري/تحلية المياه لتركيز محلول المغذيات في وحدة الزراعة المائية من أجل تقليل الحاجة إلى أسمدة إضافية

   وقد تم تنفيذ هذه النهج جزئيا من قبل مختلف منتجي الأحياء المائية مثل الشركة الإسبانية Nerbreen (الشكل 8.1) (Goddek and Keesman 2018) وكذلك كيكابوني Agriventures Ltd. في نيروبي، كينيا، (فان جوركوم وآخرون 2019) (الشكل 8.2).

   

   الشكل 8.2 صور لنظام متعدد الحلقات الموجود في (1) إسبانيا (NerBreen) و (2) كينيا (كيكابوني أغريفنتشر المحدودة). في حين أن نظام نيربيين يقع في بيئة خاضعة للرقابة، فإن نظام كيكابوني يستخدم نظام نفق احباط شبه مفتوح

   من حيث المزايا الاقتصادية (Goddek and Körner 2019؛ Delaide et al. 2016)، فإن تحسين ظروف النمو في كل حلقة من نظم الأحياء المائية المنفصلة له مزايا متأصلة لكل من النباتات والأسماك (Karimanzira et al. 2016; Kloas et al. 2015) عن طريق الحد من تصريف النفايات وكذلك تحسين استعادة وإمدادات المغذيات (غودديك وكيسمان 2018؛ كاريمانزيرا وآخرون 2017؛ يوغيف وآخرون 2016). في عملهم، ديلايد وآخرون. (2016)، غودديك وفيرمولين (2018)، وودكوك (بيرس. Comm.) أن أنظمة أكوابونيكش المنفصلة تحقق أداء نمو أفضل من مجموعات التحكم في أكوابونيكش المائية ذات الحلقة الواحدة. وعلى الرغم من ذلك، هناك العديد من المشاكل التي لا تزال بحاجة إلى حل، بما في ذلك القضايا التقنية مثل توسيع نطاق النظام، وتحسين البارامترات، والخيارات الهندسية لتكنولوجيات الاحتباس الحراري لمختلف السيناريوهات الإقليمية. في بقية هذا الفصل، سنركز على بعض التطورات الراهنة لتقديم لمحة عامة عن التحديات المستمرة، فضلا عن التطورات الواعدة في هذا المجال.

2. 8.2 حلقة التمعدن

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

   في RAS، يجب إزالة الحمأة الصلبة والغنية بالمغذيات من النظام للحفاظ على جودة المياه. وبإضافة حلقة إضافية لإعادة تدوير الحمأة، يمكن تحويل نفايات RAS المتراكمة إلى مغذيات مذابة لإعادة استخدامها من قبل النباتات بدلاً من التخلص منها (Emerenciano et al. 2017). وداخل المفاعلات الحيوية، يمكن للكائنات الدقيقة أن تحطم هذه الحمأة إلى مغذيات متاحة بيولوجياً، يمكن تسليمها بعد ذلك إلى النباتات (Delaide et al. 2018؛ Goddek et al. 2018؛ Monsees et al. 2017a، b). العديد من الأنظمة المائية ذات الحلقة الواحدة تشمل بالفعل أجهزة هضم هوائية (Rakocy et al. 2004) واللاهوائية (Yogev et al. 2016) لتحويل العناصر الغذائية المحاصرة في حمأة الأسماك وجعلها متاحة بيولوجيا للنباتات. ومع ذلك، فإن دمج مثل هذا النظام في نظام أكوابونيكش أحادي الحلقة له العديد من العيوب:

   1 - عامل تخفيف النفايات السائلة الغنية بالمغذيات أعلى بكثير عند تصريفها إلى نظام أحادي الحلقة فيما يتعلق بتفريغها إلى وحدة الزراعة المائية فقط. على نحو فعال، والمغذيات المخففة عن طريق الدخول في اتصال مع كميات كبيرة من الأسماك تربية المياه.

   2 - وتتعرض الأسماك دون داع إلى النفايات السائلة لمفاعل التمعدن؛ فعلى سبيل المثال، يمكن أن تشمل النفايات السائلة للمفاعلات اللاهوائية الأحماض الدهنية المتطايرة والأمونيا التي يمكن أن تضر بالأسماك؛ وتمثل هذه المفاعلات أيضاً مصدراً إضافياً لاحتمال إدخال مسببات الأمراض.

   3 - ويمكن استعادة حوالي 90% من العناصر الغذائية المحتجزة في الحمأة عندما يتم الحفاظ على RassLudge عند درجة حموضة 4 (Jung and Lovitt 2011). مثل هذا الرقم الهيدروجيني المنخفض غير ممكن عند تشغيل المفاعلات الحيوية عند درجة الحموضة حوالي 7 (Goddek et al. 2018)، وهي قيمة الأس الهيدروجيني المعتادة في أنظمة أكوابونيكش حلقة واحدة.

   

   الشكل 8.3 الرقم الهيدروجيني التقريبي للمياه داخل مكونات النظام المختلفة بالإضافة إلى مياه المعالجة. يشير «~» إلى تقريب

   وفيما يتعلق بالرقم الهيدروجيني، يبين الشكل 8-3 قيم الأس الهيدروجيني التقريبية لتدفقات مياه العملية المعنية في نظام أكوابونيكش متعدد الحلقات (على سبيل المثال كما هو موضح في الشكل 8-1 ج). ويبين الشكل 8-3 أيضاً تأثير مفاعلات التمعدن على أداء النظام ككل، استناداً إلى المفاعلات اللاهوائية التي اقترحها Goddek et al. (2018). ولا يمثل هذا النظام سوى حل واحد ممكن لمعالجة الحمأة، مع نُهج بديلة نوقشت في الفصل 10. انخفاض درجة الحموضة في مياه العملية المتدفقة من النظام الفرعي RAS إلى الحلقة المائية كما هو موضح في الشكل 8.3 يوضح التحمض في حلقة تركيز المغذيات (أي أن المياه المنزوعة المعادن لها الرقم الهيدروجيني 7). وبالتالي، فإن النفايات السائلة لديها درجة حموضة أقل من منفذ RAS، مما يقلل من الحاجة إلى ضبط الرقم الهيدروجيني لظروف نمو النبات المثلى.

   ** الجدول 8-1** نظرة عامة على ظروف النمو المثلى للأسماك والنباتات والظروف التشغيلية المفضلة لمعالجة إعادة تدوير المغذيات الحمأة

   الجدول ثياد tr class = «رأس» ثسوبسيستيم/ث أنواع/وظيفة/ال درجة الحموضة /ث درجة الحرارة (درجة مئوية) /ث ثنترات (Nosub3/الفرعية) (ملغ/لتر) /ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» td rowspan="2"نظام إعادة تدوير الاستزراع المائي (RAS) /td تيديوريتشروميس نيلوتيكوس/ط (البلطي النيلي) /td td7-9 (روس 2000) /td td27—30 (السيد 2006) /td td<100—200 (دالسغارد وآخرون 2013) /td /tr tr class = «حتى» تديونكورهينشوس ميكيس/ط (سمك السلمون المرقط قوس قزح) /تد td6.5-8.5 (منظمة الأغذية والزراعة 2005) /td td15 (كوغلان ورينجلر 2005) /td td<40 (ديفيدسون وآخرون. 2011; شريدر وآخرون. 2013) /TD /tr tr class = «غريب» td rowspan = "2"الهيدروبونيك/TD تيلكتيكا ساتيفا/ط (الخس) /تد td5.5-6.5 (Resh 2012) /td td21—25 (Resh 2012) /td td730 (ريش 2012) /td /tr tr class = «حتى» تدليكوبرسيكون إسكولنتوم (الطماطم) /تد td6.3-6.5 (Resh 2002) /td td18-24 (Resh 2002) /td td666 (سونيفيلد وفوغت 2009) /td /tr tr class = «غريب» td rowspan = "2"مفاعل اللاهوائي/تد TDMethanogenesis/TD td6.8-7-4 (دي ليموس تشيرنيتشارو 2007) /td td30-35 (ألفاريز وليدن 2008؛ دي ليموس تشيرنيتشارو 2007) /td td—/td /tr tr class = «حتى» TDSludge تعبئة/تد td4.0 (جونغ ولوفيت 2011) /تد TDN/a/TD td—/td /tr /tbody /الجدول يعمل نظام المفاعل ذي المرحلتين على النحو التالي:

   • في المرحلة الأولى (الرقم الهيدروجيني حوالي 7 لتوفير الظروف المثلى لتهيئة الميثان؛ الجدول 8-1)، يتم تقسيم المادة العضوية للحفاظ على درجة عالية من إنتاج الميثان (أي إزالة الكربون). وأبلغ ميرزويان وغروس (2013) عن انخفاض إجمالي المواد الصلبة المعلقة بنحو 90%، وذلك باستخدام تكنولوجيا مفاعل الحمأة اللاهوائية بطانية. ومن المفيد أن (1) يتم حصاد الغاز الحيوي كمصدر للطاقة المتجددة، و (2) يتم إنتاج كميات أقل من الأغذية المنخفضة القيمة في المرحلة الثانية. وينبغي أن يكون وقت الاحتفاظ بالحمأة في المرحلة الأولى عدة أشهر، قبل إزالة العناصر الغذائية المتراكمة في الحمأة (مثل تجميع فوسفات الكالسيوم) في المرحلة الثانية.

   • في المرحلة الثانية، يتم تعبئة العناصر الغذائية في المواد الصلبة المعلقة بشكل فعال وتصبح متاحة لامتصاص النبات. هذه التعبئة هي الأكثر فعالية في بيئة منخفضة الرقم الهيدروجيني (Goddek et al. 2018؛ Jung و Lovitt 2011). وبمجرد أن تنخفض درجة الحموضة للمفاعلات الحمضية، فإنها تظل مستقرة عادة؛ وبالتالي يلزم تنظيم أقل للدرجة الحموضة في الوحدة المائية.

   وقد تتطلب النفايات السائلة الغنية بالمغذيات بعض المعالجة اللاحقة اعتمادا على كمية المواد الصلبة المعلقة الكلية المقيسة ومركبات VFs. ومع ذلك، فمن المهم أن نضع في اعتبارنا أن الأمونيا يمكن أن تحفز نمو النبات، مثل الخضر الورقية، عندما تمثل 5-25٪ من إجمالي تركيز النيتروجين (جونز 2005). ومع ذلك، فإن خضروات الفاكهة مثل الطماطم أو الفلفل الحلو حساسة بشكل خاص للأمونيا في محلول المغذيات. و سيلزم في النظم التي تزرع هذه الأنواع من المحاصيل معالجة هوائية لاحقة لل نفايات السائلة أو مستنقع مائي جيد التهوية.

   رقم 8-2-1 تحديد تدفقات المياه والمغذيات

   وفيما يتعلق بتحديد حجم النظام (القسم 8-4)، يلزم معرفة كمية المياه المتدفقة من نظام RAS عن طريق المفاعل (المفاعلات) إلى وحدة الزراعة المائية (Qsubmin/sub) (المكافئ 8-1):

   $Q_ {دقيقة} (كغ/يوم) =\ فارك {n_ {تغذية}\ مرات k_ {الحمأة}} {\ pi_ {الحمأة}} $ (8.1)

   حيث nsubfeed/sub هو كمية تغذية الأسماك بالكيلوغرام، ksubsudge/sub هو معامل نسبة تغذية الأسماك ينتهي بها المطاف كحمأة، و πsubsubsudge/sub هي نسبة مجموع المواد الصلبة (أي الحمأة) في تدفق المياه الحمأة التي تدخل حلقة التمعدن.

   ويمكن زيادة تركيز الحمأة بإضافة جهاز فصل الجاذبية قبل المفاعلات الحيوية، وتوجيه المتفوق «الواضح» إلى نظام RAS. ويمكن استخدام هذه الصيغة أيضاً للحصول على مدخلات لتحجيم المفاعل استناداً إلى وقت الاحتفاظ الهيدروليكي (الفصل 10). وينتهي الأمر بما يتراوح بين 20 و40% من علف الأسماك كمجموع المواد الصلبة المعلقة في الحمأة المشتقة من RAS (Timmons and Ebeling 2013). وكمثال على ذلك، تبين أن حمأة البلطي تحتوي على نحو 55% من العناصر الغذائية التي تمت إضافتها إلى النظام عن طريق الأعلاف (Neto and Ostrensky 2013؛ Yavuzcan Yildiz et al. 2017) والتي تمثل موردا قيما لنمو المحاصيل.

   والمغذيات الرئيسية التي يمكن استردادها عن طريق عملية التمعدن هي N و P. As P (أحد المكونات الرئيسية للحمأة) هو المغذيات الكبيرة الأكثر قيمة من حيث التكلفة والتوافر لإنتاج المحاصيل، وينبغي أن يكون العنصر الأول الذي يتم تحسينه في النظام المائي.

   يتم حساب معدل التمعدن لحلقة التمعدن على النحو التالي:

   $ المعادن (غ/يوم) = (n_ {تغذية}\ مرات 1000) π_ {تغذية}\ مرات _ {الحمأة}\ مرات _ {دقيقة} $ (8.2)

   حيث _n_subfeed/sub هو مدخلات التغذية إلى النظام (بالكيلوغرام)؛ _π_subfeed/subis نسبة المغذيات في تركيبة الأعلاف؛ _π_subsludge/subis نسبة عنصر معين مشتق من التغذية ينتهي في الحمأة؛ و hsubmin/subis كفاءة التمعدن وتعبئة نظام المفاعل .

   و تتمثل الخطوة الأخيرة في تحديد تركيز العنصر المعني في النفايات السائلة لحلقة التمعدن:

   $المغذيات\ تركيز\ (ملغ/لتر) =\ فراك {التمعدن\ مرات 1000} {Q_ {مين}} $ (8.3)

   مثال 8.1**

   يتم تغذية نظام RAS لدينا مع 10 كجم من تغذية الأسماك يوميا. ونحن نفترض أن 25% من تغذية الاحتياطي الفيدرالي ينتهي بها المطاف كحمأة. في نظامنا، نستخدم مستوطن تدفق شعاعي (RFS) لتركيز الحمأة إلى المادة الجافة 1٪. وبالتالي، يتم حساب التدفق من RAS إلى HP عبر حلقة التمعدن على النحو التالي:

   $Q_ {دقيقة}\ (كجم/يوم) =\ فارك {10kg\ مرات\ 0.25} {0.01} =250\ حوالي 250 كجم/يوم $

   قررنا أن حجم نظامنا على P. محتوى P من تغذية لدينا (في معظم الحالات المقدمة من قبل الشركة المصنعة للتغذية) هو 1.5٪ و 55٪ منه ينتهي في الحمأة (نيتو وأوسترينسكي 2013). ونحن نفترض أن مفاعلاتنا تحقق كفاءة التمعدن بنسبة 90٪ لهذا العنصر. لذلك، يمكن تحديد غرام P المنقولة إلى وحدة الزراعة المائية كل يوم:

   $ المعادن\ (غ/يوم) = (10kg\ مرات 1000)\ مرات 0.55\ مرات 0.015\ مرات 0.9 = 74.25$

   تركيز النفايات السائلة في نتيجة لذلك:

   $المغذيات\ تركيز\ (ملغ/لتر) =\ فارك {74,25g\ مرات 1000} {250 لتر} =297\ ملغ/لتر $

   هذا التركيز من P في النفايات السائلة في مربع المثال أعلاه هو ما يقرب من ستة أضعاف مما كانت عليه في معظم محاليل المغذيات المائية. ويدعم بحث Goddek et al. (2018) هذا العدد النظري، ويفيدون بأن حمأة RAS تحتوي على 150 و 200 ملغ/لتر من P لنظامين مستقلين، على التوالي (1٪ TSS الحمأة)، مع محتوى P للأسماك 0.83٪ في تغذية المادة الجافة لهذا الأخير (200 ملغ/لتر).

3. 8.3 حلقة التقطير وتحلية المياه

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

   في أنظمة أكوابونيكش منفصلة، هناك تدفق في اتجاه واحد من راس إلى وحدة الزراعة المائية. في الممارسة العملية، تأخذ النباتات المياه التي يوفرها RAS، والتي بدورها تصدرت مع المياه العذبة (أي الصنبور أو المطر). التدفق الضروري من وحدة RAS يساوي الفرق بين الماء الذي يغادر نظام HP عبر النباتات (ومن خلال وحدة التقطير) والمياه التي تدخل وحدة الزراعة المائية من مفاعل التمعدن، إذا كان النظام يتضمن مفاعل (الشكل 8.4). والموجز المبسط هو أن متطلبات تدفق المياه على المدى الطويل من RAS إلى HP تساوي استهلاك المحاصيل من المياه عن طريق التبخر والنتح وتخزين مياه النباتات في الكتلة الحيوية للنبات.

   

   الشكل 8.4 مخطط تدفقات المياه وتركيزات مختلفة من المغذيات في نظام أكوابونيكسات غير مقسمة، حيث Q، حجم التدفق في L؛ ρ، تركيز المغذيات بالمغم/لتر؛ RAS، نظام إعادة تدوير تربية الأحياء المائية؛ MIN، مفاعل التمعدن؛ DIS، وحدة التقطير؛ وX، معلمة تدفق غير معروفة/مرنة

   ومع ذلك، من حيث موازين الكتلة، يجب استبدال كمية المغذيات التي تغادر نظام الزراعة المائية عن طريق النباتات لضمان التوازن المستمر. وهذا يشكل معضلة، حيث أن الحد الأقصى لتركيز المغذيات المسموح به في راس هو أقل بكثير مما هو ضروري في هب. وبالتالي لا يمكن تحقيق تدفقات المغذيات العالية (_ρ_subras/sub $\ times$ _Q_subras/sub) من أجل HP من خلال تركيزات المغذيات المنخفضة RAS. و بدلا من ذلك, فإنه بدون حلقة التقطير و تحلية الملوحة, سيزداد تركيز المغذيات في نظام المياه المعدنية في حين يتناقص في النظام المائي. وهناك علاج ممكن هو تصريف مياه RAS (وبالتالي أيضا المغذيات) لتقليل تركيز المغذيات هناك وإضافة الأسمدة إلى محلول المغذيات المائية. من حيث الأثر البيئي والاقتصادي، وهذا الحل هو أقل إرضاء ولا يخدم هدف حلقة مغلقة الإنتاج مجتمعة.

   يمثل تنفيذ وحدة التقطير كما هو موضح في الشكل 8.3 حلاً محتملاً لهذه المعضلة. ومن شأن تكنولوجيات التقطير هذه (مثل التقطير بالغشاء الحراري) أن تفصل الأملاح المذابة والمغذيات عن الماء (Shahzad et al. 2017؛ Subramani وJacangelo 2015). وفي سياق النظم المائية المتعددة الحلقات، وكبديل للتسميد الإضافي ونزيف المياه مع ما يقابلها من تكاليف إضافية، لم تتمكن هذه التكنولوجيا من توفير المياه العذبة للنظام فحسب، بل أيضا من تحقيق تركيزات المغذيات المرغوبة للنظم الفرعية المعنية (Goddek and Keesman 2018).

   لتنفيذ (أي التحجيم) لوحدة التقطير هذه، يمكن استخدام معادلات توازن الكتلة البسيطة. ومع ذلك، يجب تحديد حجم النظام المتبقي مسبقًا (إما عن طريق قواعد الإبهام أو عن طريق معادلات توازن الكتلة؛ انظر القسم 8.5)، لأن العناصر الغذائية التي تدخل النظام يجب أن تكون في توازن مع العناصر الغذائية المتاحة بيولوجيا التي يتناولها المحصول (_ملاحظة: _ البقعة الحلوة للأنظمة المنفصلة هي مرونتها. وبالتالي، يمكن للمرء أيضا زيادة حجم الجزء المائي من النظام على الرغم من أن ذلك سيتطلب استخدام المزيد من الأسمدة). وتتمثل أسهل طريقة لتقدير امتصاص المغذيات في استخدام الافتراض بأن المغذيات يتم تناولها/امتصاصها بنفس درجة الأيونات المذابة في مياه الري (أي عدم وجود مقاومات كيميائية أو بيولوجية أو فيزيائية خاصة بعناصر معينة). وبالتالي، للحفاظ على التوازن، يجب إضافة جميع العناصر الغذائية التي يتناولها المحصول على النحو الوارد في محلول المغذيات مرة أخرى إلى النظام المائي (مكافئ 8.4).

   $\ phi_ {راس} +\ phi_ {مين} -\ phi_ {HP} =0 $ (8.4)

   حيث __subras/sub هو تدفق المغذيات من نظام RAS إلى نظام الزراعة المائية، __submin/sub هو تدفق المغذيات من وحدة التمعدن إلى النظام المائي و __subHP/sub هو امتصاص النبات المغذي. لهذه المعادلة، يفترض أن نظام التقطير لديه كفاءة قريبة من 100٪. وهكذا، يعود _Q_subdis/sub إلى النظام الفرعي للزراعة المائية.

   و نتيجة لذلك:

   $ (\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {هب}) = (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {راس}) + (\ رو_ {مين}\ مرات Q_ {مين}) $ (8.5)

   حيث Q هو حجم التدفق في L، و ρهو تركيز المغذيات في ملغم/لتر.

   وكما ذكر أعلاه، فإن التدفق من راس إلى وحدة الزراعة المائية هو الفرق بين مجموع تدفقات المياه ترك نظام الزراعة المائية (أي QSubHP/sub + QSubx/sub) والتدفق من المفاعل الحيوي (QSubmin/sub)، أي QSubras/sub = QSubhP/sub + QSubx/sub - QSubmin/sub، الأمر الذي يقودنا إلى ما يلي المعادلة:

   $ (\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {هب}) = (\ رو _ {راس}\ مرات Q_ {هب}) + (\ رو _ {راس}\ مرات Q_ {X}) - (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {مين}) + (\ رو_ {مين}\ مرات Q_ {مين}) $ (8.6)

   المتغير المستهدف هو تدفق التقطير (QSubx/sub) المطلوب للحفاظ على توازن تركيز المغذيات في النظام المائي. لهذا، يتم حل مكافئ 8.6 ل QSubx/sub في الخطوات التالية:

   $ (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {X}) = (\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {مين}) - (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {HP}) + (\ رو_ {راس}\ مرات Q_ {مين}) $ (8.7)

   $Q_ {X} =\ فارك {\ رو_ {هب}\ مرات Q_ {هب}} {\ رو_ {راس}} -\ فارك {\ رو_ {مين}\ مرات Q_ {مين}} {\ رو_ {راس} -Q_ {هب} +Q_ {مين} $ (8.8)

   لاحظ أن تدفق التقطير QSubx/sub ديناميكي للغاية ويعتمد على معدل تبخر النباتات، التي تعتمد على المناخ. ومع ذلك، يمكن استخدام النتيجة الديناميكية لتحجيم وحدة التقطير. لحساب التدفق المطلوب إلى وحدة التقطير، يمكن استخدام الصيغة التالية:

   $Q_ {DIS} =Q_ {X}\ مرات\ فارك {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

   حيث Q هو حجم التدفق في L و β كفاءة إزالة المعادن من الجهاز المستخدم (في٪).

   وبالتالي، يمكن لتكنولوجيا التقطير أن تقلل بشكل كبير من البصمة المائية والبيئية (أي استخدام الأسمدة) للنظم المائية متعددة الحلقات. ومع ذلك، تصبح أنظمة أكوابونيكش أكثر تعقيدا عند النظر في تنفيذها. و على الرغم من أن هذه الحلقة الإضافية قد لا تكون لها أي معنى بالنسبة لل نظم الصغيرة, فإنها تنطوي على إمكانية الارتقاء بالنظم التجارية الأكبر إلى مستوى جديد. ومع ذلك، يتعين على المرء أن يعتبر أن تكنولوجيا التقطير الحراري تتطلب كميات كبيرة من الطاقة الحرارية وقد لا تكون معقولة اقتصاديا في كل مكان. وقد تكون المناطق التي ترتفع فيها مستويات الإشعاع الشمسي العالمي أو مصادر الطاقة الحرارية الأرضية هي الأنسب لهذه التكنولوجيا. و بالتالي فإن الاستدامة الاقتصادية لهذه النظم تتوقف أيضا على الموقع.

   نقطة أخرى يجب وضعها في الاعتبار هي ارتفاع درجة حرارة الماء المقطر والمحلول الملحي من وحدة التقطير. واعتماداً على الظروف البيئية وأنواع الأسماك المستخدمة، يمكن استخدام مياه التقطير الساخنة لتسخين مياه RAS؛ ومع ذلك، يحتاج المحلول الملحي إلى أن يبرد قبل إعادة الدخول إلى النظام الفرعي HP.

4. 8.4 أنظمة التحجيم متعددة الحلقات

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

   يتطلب تحجيم نظام أكوابونيكش موازنة مدخلات المغذيات والمخرجات. هنا، نحن نطبق أساسا نفس المبدأ مثل تحجيم نظام حلقة واحدة. ومع ذلك، فإن هذا النهج أكثر تعقيدا بعض الشيء، ولكن سيتم توضيحه بشكل كامل بمساعدة مثال.

   

   الشكل 8.5 المخطط الذي يظهر التوازن الكتلي داخل نظام أكوابونيكش رباعي الحلقات؛ حيث msubfeed/sub هي العناصر المذابة المضافة إلى النظام عن طريق التغذية. إضافة تسميات: QSubdis/sub - QSubx/sub لتقطير عاد إلى HP; 'الحمأة' للمواد الغذائية دخول المفاعل

   يوضح الشكل 8.5 مخطط توازن الكتلة لنهج نظامنا. في الوضع الأمثل، يحتوي النظام على مدخلات ومخرجات واحدة فقط. ومع ذلك، في الممارسة العملية، سيتعين على المرء إضافة مواد غذائية إضافية إلى الجزء المائي لتحسين نمو النبات. ويمكن استخدام هذا النموذج في حجم النظام، على سبيل المثال، استنادا إلى الفوسفور، وهو مورد غير متجدد (الفصل 2. المدخلات إلى النظام (msubfeed/sub) هي جزء من المغذيات التي تفرزها الأسماك في شكل مذاب. و يتراكم الباقي في الأسماك ككتلة حيوية أو ينتهي به المطاف كحمأة (انظر الفرع السابق). الناتج هو امتصاص المغذيات النباتية. يعتمد تحديد امتصاص المغذيات للنباتات على العديد من العوامل وهو معقد للغاية؛ أسهل طريقة لإعطاء تقدير تقريبي هو اعتبار التنفس النباتي المحرك الرئيسي لامتصاص المغذيات (Goddek and Körner 2019).

   ويعتمد معدل التبخر والنتح بدرجة كبيرة على المناخ ويتأثر إما بشكل مباشر أو غير مباشر بإشعاع الموجات القصيرة الممتصة، والرطوبة النسبية، ودرجة الحرارة، وتركيز Cosub2/sub. ونظرا للتعقيد الشديد لنظام متعدد الحلقات، فإننا نفترض أن النباتات تقع في دفيئة تسيطر عليها المناخ، وبالتالي نحن بحاجة فقط إلى اعتبار الإشعاع العالمي المتغير الديناميكي الذي يحدد مقدار الإشعاع الموجة القصيرة. وبعبارة أخرى، نحن بحاجة أولا إلى تحديد مقدار العناصر الغذائية المضافة المتاحة للنباتات، ومن ثم تحديد مقدار ما تستهلكه النباتات في الواقع.

   8.4.1 مدخلات التغذية

   يعتمد معدل علف الأسماك على الكتلة الحيوية الكلية في النظام ونسبة تحويل الأعلاف (FCR). يوفر Timmons وEbeling (2013) نهجاً بسيطاً لتحديد معدلات نمو الأسماك لمختلف أنواع الأسماك. ومع ذلك، فإننا نوصي بأخذ البيانات الصناعية لتحديد الكتلة الحيوية بشكل أدق. توفر Lupatsch and Kissil (1998) (مكافئ 8.10) صيغة نمو عامة، حدد فيها Goddek و Körner (2019) معاملات النمو بواسطة تركيب المنحنى باستخدام بيئة البرمجيات الرياضية MATLAB (الوظيفة الداخلية 'fitnlm') مع بيانات تجريبية لنيل Tilapia (Oreochromis niloticus). ويمكن الاطلاع على الأوزان الأولية والنهائية الإضافية، ودرجة حرارة الماء للنظام، ومخرجات معاملات النمو الخاصة بالأنواع في الجدول 8-2. إدخال هذه المعلمات في Eq. 8.10 يعطينا الوزن في يوم معين لهذا النوع من الأسماك.

   $W_ {ر} = [W_0 ^ {1-\ بيتا ث} + (1-\ بيتا _w)\ alpha_wexp\ {\ Gamma_wt} T] ^ {\ فارك {1} {1-\ بيتا ث} $ (8.10)

   حيث Wsubt/sub (g) هو وزن السمك في وقت محدد (أيام)، WSUB0/sub (g) هو وزن السمك الأولي، T هو درجة حرارة الماء (في C)، αw βw و αw هي معاملات نمو خاصة بالأنواع (بدون وحدات)، و t هو الوقت في الأيام.

   ** الجدول 8-2** بارامترات نمو الأسماك بالنسبة لل مكافئ 8.10 بالنسبة لدرجة حرارة ماء معينة (T). WSUB0/sub و WSUBF/الفرعية يمكن تعديلها لتلبية الاحتياجات الخاصة

   الجدول ثياد tr class = «رأس» رثود/ث ثباراميترس/ث ثالوصف/ث ثفالي/ث مصدر ثمن/ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» td rowspan = "4"نمو السمك/td TDWSub0/سوب/تد الوزن الأولي لإصبع* البلطي* (بالجم) /td TDعلى سبيل المثال، 55/td TDGoddek و Körner (2019) /td /tr tr class = «حتى» تدوسوبف/سوب/تد وزن الحصاد المستهدف للأسماك (ز) /TD TDعلى سبيل المثال، 600/تد TDGoddek و Körner (2019) /td /tr tr class = «غريب» TDT/TD TDWater درجة حرارة راس (في درجة مئوية) /تد td30/td TDTimmons و Ebeling (2013) /TD /tr tr class = «حتى» tdαw; βw; αw/td معاملات النمو الخاصة بـ TDSpecies /td td0.0261؛ 0.4071؛ 0.0827/td TDGoddek و Körner (2019) /td /tr /tbody /الجدول

   استنادًا إلى ناتج المعادلة أعلاه، تمكنا من تحديد مقدار العلف الذي تتطلبه الأسماك لكل مرحلة نمو. في معظم الأحيان، يتم ذكر معدل التغذية (X٪ من وزن الجسم) أو FCR من قبل الشركة المصنعة للأعلاف الخاصة بالأنواع. ومع ذلك، فإن Timmons وEbeling (2013) يقدمان إرشادات تقريبية للبلطي (FCR): 0.7-0.9 للبلطي الذي يقل وزنه عن 100 غرام و1.2-1.3 للبلطي الذي يزيد وزنه عن 100 غرام، ويتم ذلك من خلال المعادلة التالية.

   $تغذية\ معدل\ (ز) =FCR\ مرات WG_T\ مرات m_ {الأسماك} $ (8.11)

   حيث FCR هو نسبة تحويل الأعلاف، WGSubt/sub هو زيادة الوزن (في اليوم)، و msubfish/sub هو كمية الأسماك في خزان السمك.

   يمكن تحديد زيادة الوزن (WG) في اليوم مع المعادل 8.10 عن طريق طرح وزن، على سبيل المثال اليوم العاشر من وزن اليوم الحادي عشر. ويمكن القيام بذلك لكل خزان. يوضح الشكل 8.6 مدخلات تغذية الأسماك في نظام Tilapia باستخدام المعادلات المذكورة أعلاه. ويبلغ متوسط مدخلات التغذية في اليوم بعد أن يتم تدوير النظام بالكامل 165 كجم.

   

   ** الشكل 8-6** مثال على توازن الكتلة الحيوية ل_Tilapia_ المستربية في 13 صهريج في مجموعات بحجم إجمالي (بما في ذلك المرشح الحيوي والمستنقع) يبلغ 482.000 لتر كحد أقصى. مجموع الكتلة الحيوية 80 طناً لفترة سنتين بما في ذلك مرحلة البدء بمتوسط وزن السمك (أ) (يمثل كل خط صهريج/مجموعة واحدة) ومعدل التغذية الإجمالي اليومي (ب) (البيانات مأخوذة من Goddek و Körner 2019)

   8.4.2 توافر المغذيات

   تقرير نيتو وأوسترينسكي (2013) عن إفراز N قابل للذوبان بنسبة 33% وإفراز P قابل للذوبان بنسبة 17% من مدخلات الأعلاف عند تربية النيل Tilapia (Oreochromis niloticus, L.). هذه هي العناصر الغذائية التي تتراكم أخيرا في نظام راس ويمكن أن تؤخذ من قبل النباتات.

   8.4.3 امتصاص النبات

   و يقدم الجدول 8-3 لمحة عامة عن معدلات التبخر و النتح الخاصة بالمحاصيل و المرتبطة بالإشعاع العالمي. واحد مم من ET لكل متر مربع يساوي 1 L. بالنسبة للتحجيم البسيط، ينبغي للمرء أن يأخذ المتوسط اليومي السنوي (انظر القسم التالي).

   ** الجدول 8-3** استعراض عام لمستويات الإشعاع العالمية الخارجية في المناطق شبه القطبية والبحرية المعتدلة والظروف القاحلة (استناداً إلى Goddek وKörner 2019) وتبخر ونتح محاصيلهما _ (الخ، مم اليوم - 1) _ معدلات lettuce و tomato المزروعة في بيئة دفيئة خاضعة للرقابة تبلغ 20 درجة مئوية و 80 في المائة نسبي الرطوبة. تم زراعة الخس مع زراعة مستمرة على مدار السنة؛ وزرعت الطماطم في كانون الثاني/يناير وأزيلت في كانون الأول/ديسمبر (جزر فارو وهولندا) أو تموز/يوليه وحزيران/يونيه (ناميبيا)

   الجدول ثياد tr الصف عشر = "3"شهر/ث ال كولسبان = "3"جزر فارو/ث ال كولسبان = "3"هولندا /ث ال كولسبان="3"ناميبيا/ث /tr tr class = «رأس» الإشعاع العالمي/ث Thetsubc/sub/الخس/ث Thetsubc/الفرعية/الطماطة/ث الإشعاع العالمي/ث Thetsubc/sub/الخس/ث Thetsubc/الفرعية/الطماطة/ث الإشعاع العالمي/ث Thetsubc/sub/الخس/ث Thetsubc/الفرعية/الطماطة/ث /tr tr class = «رأس» ثمول مسوب-2/سوب اليوم-1/سوب/ث ال كولسبان = "2"كغ مسوب-2/سوب اليوم-1/سوب/ث ثمول مسوب-2/سوب اليوم-1/سوب/ث ال كولسبان = "2"كغ مسوب-2/سوب اليوم-1/سوب/ث ثمول مسوب-2/سوب اليوم-1/سوب/ث ال كولسبان = "2"كغ مسوب-2/سوب اليوم-1/سوب/ث /tr /thead tbody tr class = «غريب» TDBJanuary/ب/تد td1.4/td td0.78/td td0.52/td td4.5/td td0.78/td td0.53/td td54.2/td td2.74/td td4.55/td /tr tr class = «حتى» TDBفبراير/ب/TD td5.2/td td0.85/td td1.38/td td9.1/td td0.93/td td1.40/تد td53.7/td td2.70/تد td4.47/td /tr tr class = «غريب» تدبمارش/ب/تد td13.7/td td1.20/td td2.12/td td17.0/td td1.28/td td2.14/td td51.2/td td2.42/td td3.96/td /tr tr class = «حتى» تدبابريل/ب/تد td30.6/td td1.90/تد td3.05/td td27.9/td td1.82/td td2.90/تد td40.2/td td3.05/td td5.38/td /tr tr class = «غريب» TDBMay/ب/تد td39.2 td td2.29/td td3.57/td td32.2/td td2.40/تد td3.74/td td30.0/td td2.70/تد td4.59/td /tr tr class = «حتى» تدبيجون/ب/تد td39.6/td td2.33/td td3.60/td td26.6/td td2.52/td td3.91/td td30.5/td td2.28/td td3.80/تد /tr tr class = «غريب» TDBjuly/ب/تد 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 class = «حتى» تدبوغوست/ب/تد td21.3/td td1.67/td td2.73/td td31.7/td td2.28/td td3.51/td td37.5/td td2.61/td td3.92/td /tr tr class = «غريب» TDbأيلول/سبتمبر /ب/TD td13.2/td td1.20/td td2.04/td td23.1/td td1.75/td td2.77/td td43.2/td td2.00/تد td3.02/td /tr tr class = «حتى» تدبوكتوبر/ب/تد td6.0/td td0.91/td td1.77/td td13.3/td td1.17/td td1.94/td td51.6/td td2.07/td td3.09/td /tr tr class = «غريب» TDBNovember/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/td /tr tr class = «حتى» TDBDecember/B/TD td0.4/td td0.79/td td1.66/td td3.5/td td0.77/td td1.52/td td59.8/td td2.44/td td3.95/td /tr tr class = «غريب» TD buaverage/U/b /td tdu17.3/ش/تد tdu1.41/u/تد tdu2.28/u/تد tdu20.6/ش/تد tdu1.59/u/td tdu2.50/u/تد td3.83/td tdu2.47/u/تد tdu3.83/u/تد /tr /tbody /الجدول

   8.4.4 موازنة الأنظمة الفرعية

   موازنة الحلقات ضروري لتحجيم النظام. يجب أن يكون الإدخال مساويا للإخراج (الشكل 8.5). في نظام أكوابونيكسد يضم وحدة المفاعل الحيوي، لدينا اثنين من تيارات تدفق المغذيات: (1) جزء من التغذية التي تفرز إلى نظام راس في شكل قابل للذوبان و (2) جزء من العناصر الغذائية في حمأة الأسماك التي تمكن المفاعل الحيوي (ق) من تمعدن وتعبئة. تيار التدفق الرئيسي (بصرف النظر عن الإزالة الدورية للحمأة المنزوعة المعادن) للمغذيات هو امتصاص المغذيات للنباتات. و يعبر الفرق المعادل 8.12 عن هذا التوازن:

   $المعادن\ (مكافأ.8.2) +m_ {تغذية} =\ فارك {\ تسطير {Q_ {هب}}\ مرات\ رو_ {هب}} {1000} $ (8.12)

   $ (\ تسطير {\ eta_ {تغذية}}\ مرات 10000\ مرات\ pi_ {تغذية}\ مرات\ pi_ {sludhe}\ مرات\ eta_ {دقيقة}) +\ تسطير {م _ {م _ {تغذية} =\ فارك {\ تسطير {Q_ {HP}} {1000} $ (8.13)

   حيث $\ تسطير {\ eta_ {feed}} $ هو متوسط الأعلاف (بالكيلوغرام) دخول نظام RAS، πsubfeed/subis نسبة المغذيات في صياغة الأعلاف، πsubsludge/الفرعية هي نسبة عنصر تغذية محددة تنتهي في الحمأة، وsubmin/الفرعية هو التمعدن وكفاءة التعبئة من نظام المفاعل، umsubfeed/sub/u هو متوسط كمية المغذيات التي تتبرزها الأسماك في شكل مذاب، UQSubHP/sub/U هو متوسط التبخر الكلي، و ρsubHP/subis الهدف (أي الأمثل) تركيز المغذيات لمغذيات محددة في النظام الفرعي المائي.

   ومع ذلك، لتكون قادرة على تحديد المساحة المطلوبة، هناك نوعان من المتغيرات التي تحتاج إلى إعادة تعريف من أجل حل هذه المعادلة. توضح المعادلة 8.14 كيفية حساب إفراز المغذيات القابلة للذوبان. وفي المعادلة 8.15، تبين لنا أن متوسط مجموع التبخر والنتح هو نتاج المنطقة ومعدل التبخر والنتح الخاص بالنباتات (يظهر هنا كمتوسط) لكل msup2/sup.

   $\ تسطير {m_ {تغذية}} =\ تسطير {n_ {تغذية}}\ مرات\ pi_ {تغذية}\ مرات\ eta_ {excr} $ (8.14)

   حيث يمثل hsubexcr/sub جزء من المغذيات التي تفرزها الأسماك في شكل قابل للذوبان.

   $\ تسطير {Q_ {HP}} =A\ مرات\ تسطير {et_c} $ (8.15)

   حيث $\ تسطير {Q_ {HP}} $ يمثل متوسط إجمالي التبخر والنتح (في L), A المنطقة, و $\ تسطير {ET_ {ج}} $ متوسط التبخر والنتح المحصول محددة في ملم/msup2/سوب (أي L/MSUP2/سوب).

   حل المعادل 8.13 من خلال دمج Eqs. 8.14 و 8.15 لإيجاد A، ونحن قادرون على حساب مساحة النبات المطلوبة فيما يتعلق بمتوسط مدخلات التغذية (مكافئ 8.15).

   $A=\ فارك {(\ تسطير {\ eta_ {تغذية}\ مرات 1000\ مرات\ pi_ {تغذية}\ مرات\ eta_ {excr}\ مرات 1000}) + (\ تسطير {\ eta_ {تغذية}}\ مرات 1000\ مرة\ pi_ {تغذية}\ مرات\ p_ {الحمأة}}} تسطير et_c}\ مرات\ rho_ {HP} $ (8.16)

   مثال 8.2**

   على سبيل المثال، نريد أن حجم (أي التوازن) النظام فيما يتعلق P. نحن نفترض أن مكون RAS في نظامنا يتطلب متوسط مدخلات التغذية اليومية من 150 كجم. تقوم الشركة المصنعة بالإبلاغ عن محتوى P لتغذية الأسماك بنسبة 1٪. نحن نقدر P في نهاية المطاف في الحمأة أن يكون 55٪ وأن P أن تفرز الأسماك في شكل قابل للذوبان هو 17٪. تعمل المفاعلات الحيوية بشكل جيد وتمعدن حوالي 85٪ من P.

   على جانب الإنتاج، قمنا بحساب متوسط معدل التبخر والنتح للمحاصيل الخاصة بالخس (عن طريق استخدام معادلة Penman-Monteith التي وضعتها منظمة الأغذية والزراعة على سبيل المثال). في موقعنا، هو حوالي 1.3 ملم/يوم (أي 1.3 لتر/يوم). ويذكر أن التركيبة المثلى P للمحلول المغذيات هي 50 ملغ/لتر (Resh 2013). العثور على مساحة زراعة النباتات اللازمة لامتصاص P التي ينتجها النظام ثم يتم حلها عن طريق:

   $A=\ فارك {(\ تسطير {\ eta_ {تغذية}\ مرات 1000\ مرات\ pi_ {تغذية}\ مرات\ eta_ {excr}\ مرات 1000}) + (\ تسطير {\ eta_ {تغذية}\ مرات 1000\ مرات\ pi_ {تغذية}\ مرات\ p_ {الحمأة}\ eta_ {دقيقة}}} تسطير {et_c}\ مرات\ rho_ {HP} $

   $A=\ فارك {(150000\ مرات 0.01\ مرات 0.17\ مرات 1000) + (150000\ مرات 0.01\ مرات 0.55\ مرات 0.85\ مرات 1000)} {1.3\ مرات 50} $

   $\ =\ فارك {255000+701250} {65} $

   $\ =14711m^ 2 = 1.47ha$

   يوضح المثال أعلاه أن غالبية P في وحدة الزراعة المائية تنشأ من المفاعلات الحيوية. وبالتالي، فإن تنفيذ المفاعل الحيوي داخل نظام منفصل له تأثير كبير جدا على الاستدامة P. على النقيض من ذلك، من أجل حجم أنظمة أكوابونيكش بسيطة حلقة واحدة، وعادة ما يتم تطبيق قاعدة الإبهام. بالنسبة للنباتات الورقية حوالي 40 إلى 50 جم ولنباتات الفواكه مطلوب حوالي 50 إلى 80 غرام من الأعلاف لكل مساحة زراعة msup2/sup (FAO 2014). عند النظر إلى مدخلات التغذية في المثال المعطى أعلاه = 150 كجم، وتقسيمها على 45 (متوسط تقريب النبات الورقي)، تبلغ مساحة الزراعة المقترحة حوالي 3750 msup2/sup. ترك التمعدن الحمأة، فإن مثالنا يقترح مساحة زراعة 3333 msup2/sup عند تحجيم النظام على P.

   8.4.5 دور وحدة التقطير

   و يتمثل دور و حدة التقطير في الحفاظ على تركيز المغذيات في نظام RAS و نظام الزراعة المائية عند المستويات المطلوبة لكل منهما. وبما أن تراكم المغذيات وكثافة المغذيات المحددة المقابلة هما ديناميكيتان في أنظمة RAS (أي حسب معدلات ETSubc/sub) التي تعتمد على تدفق QSubhP/sub و QSubx/sub (الشكل 8.5)، لا يمكن تحديد حجم وحدة التقطير باستخدام معادلة تفاضلية. وبالتالي، هناك حاجة إلى نموذج سلسلة زمنية لتحديد تركيز المغذيات في RAS مع مرور الوقت. تركيز المغذيات في وقت محدد ضروري للتمكن من تنفيذ معادلات التوازن الكتلي داخل النظام (القسم 8.3).

   

   الشكل 8-7 عمليات المحاكاة التي تقارن بين تركيز NO3-N في نظام مياه RAS على تأثير تدفقات التقطير (لا، خط صلب؛ 5000 لتر ه-1، خط متقطع) على الهيدروبونيات (الأصفر، —-) وRAS (الأزرق، —-) تركيزات المحلول المغذي في ** (أ) ** ناميبيا و** (ب) ** هولندا، أي في المنخفضة والعالية خطوط العرض (ناميبيا 22.6 درجة مئوية و هولندا 52.1 درجة شمالا على التوالي) في غضون 36 شهرا (بما في ذلك مرحلة تشغيل النظام) باستخدام البيانات المناخية المحلية و الصوبات الزراعية المعدلة حسب المناخ كمدخلات نموذجية

   ولكي يكون النظام متوازنا (أي المدخلات = الإخراج)، يمكننا أن نقدم توجيها عاما بشأن القدرة المطلوبة لوحدة التقطير هذه. والهدف من ذلك هو تجنب تراكم المغذيات في نظام RAS. يوضح الشكل 8.7 أ، ب تأثير تدفقات التقطير على المحاليل المائية ومحلول المغذيات RAS _بدون حلقة تمعدن في خطي عرض مختلفين _. كلا النظامين لديها نفس المدخلات تغذية (في المتوسط 158.6 كجم يوميا 1/سوب؛ انظر الشكل 8-6). ومع ذلك، فبأخذ الظروف البيئية والبيوت المحمية المعدلة حسب المناخ في الاعتبار، تختلف المنطقة المائية الضرورية والمثلى بين المواقع الجغرافية (انظر الفصل 11). وستحتاج النظم المائية ذات معدلات التبخر المنخفضة المحتملة، كما هو شائع في المواقع عند خطوط العرض العالية (أي بعيداً عن خط الاستواء) إلى مناطق زراعية أكبر من الأماكن القريبة من خط الاستواء. وفي الوقت نفسه، هناك تباين سنوي أعلى في التشعيع وبالتالي النتح شائع في هذه المناطق، وبالتالي يوجد طلب أعلى على التقلبات الموسمية في المياه والمغذيات (انظر الشكل 8-7). غير أنه في زراعة الاحتباس الحراري, قد يكون من الضروري توفير إضاءة تكميلية, وفي بلدان مثل النرويج, لا تتم زراعة الخضروات بدون إضاءة تكميلية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن إجمالي سطح ورقة المحاصيل يحدث فرقا؛ فالمحاصيل ذات مساحة ورقة عالية لكل وحدة مساحة أرضية (أي مؤشر مساحة الأوراق) تتكشف أكثر من المحاصيل ذات مساحات أوراق أصغر، ويمكن رؤية فرق واضح بين محاصيل الطماطم والخس. كل هذه العوامل تحتاج إلى أن تؤخذ في الاعتبار عند تخطيط وتحجيم نظام أكوابونك.

   في ما يلي نقدم لمحة عامة عن حجم المساحة المائية الأمثل لأنظمة أكوابونيكش الموصوفة أعلاه: مساحة زراعة المواد الأحادية المحاكاة مع سيناريوهات في خطوات من 250 msup2/sup للعثور على مساحة تركيب إما الخس أو الطماطم من أجل تحقيق التوازن في النظام بشكل مناسب كان بدون إضاءة تكميلية (للخس أو الطماطم، على التوالي):

   • 17.000 msup2/sup أو 11.750 msup2/sup لجزر فارو

   • 15.500 msup2/sup أو 11.000 msup2/sup لهولندا

   • 8750 msup2/sup أو 6500 msup2/sup لناميبيا

   وعلى الرغم من اختلاف حجم النظم، فإن متوسط امتصاص المغذيات السنوي مماثل. ومع ذلك، عند دمج نظام الهضم، علينا أن نأخذ في الاعتبار مصدر المغذيات الإضافية (الشكل 8.1ج). يؤدي تغيير أحد المكونات حتما إلى اختلالات في النظام، ومع ذلك يجب أن يهدف النظام إلى توفير العناصر الغذائية المثلى لكل من RAS وHP. على سبيل المثال، يجب أن يكون NO3-N في RAS أقل من عتبة معينة\ 200 ملغ L<SUP-1/Sup، على سبيل المثال، البلطي، بينما ينبغي أن يكون PO4-P في HP أقرب ما يمكن من التركيز الموصى به البالغ 50 ملغم LSUP-1/سوب لزراعة نباتات ذات نوعية جيدة. وهكذا، تساعد دراسات المحاكاة في تحديد حجم المكونات في نظام أكوابونيكش مغلق متعدد الحلقات من أجل تحقيق إمدادات غذائية مثلى لكل من الأسماك والنباتات. لهذا الغرض، خلق غودديك وكورنر (2019) محاكاة أكوابونيكس رقمية.

   ومع ذلك، فإن التخطيط لنظام أكوابوني ينطوي على بعض الفهم الأساسي للنظام من أجل التوصل إلى توازن يقلل إلى أدنى حد من القمم غير المرغوب فيها في الطلب والعرض من المغذيات. وبما أن القوة الدافعة لديناميات المغذيات هي تبخر المحصول (ETSubc/sub في نظام HP)، فإن ذلك يحركه إلى حد كبير المناخ المحلي والضوء الممتص. وفي نظام متوازن تماما، سيكون هذا بيئة آلية ومحكمة بالكامل (انظر القسم 8.5 مع إضاءة على مدار الساعة. تحتاج النباتات إلى فترة مظلمة معينة من حوالي 4-6 ساعات، وبالتالي فإن أفضل نظام متوازن هو واقعيا لتنفيذ أكوابونيكش في مصانع مغلقة فقط مع مصادر الضوء الاصطناعي. بيد أن ذلك يتطلب تكاليف عالية لل مدخلات الكهربائية و الاستثمار, ولا يمكن تحقيقه إلا إذا كانت أسعار المنتجات مرتفعة جدا. ولذلك، فإننا نوصي بإنتاج الدفيئة مع الإضاءة التكميلية (إذا لزم الأمر وإذا كان يؤتي ثمارها) كوسيلة عملية ومجدية اقتصاديا لبناء وحدة أكوابونك. ويؤدي وضع كل من النباتات والأسماك في نفس البناء المادي إلى تآزر إضافي بما في ذلك انخفاض التدفئة وزيادة نمو النبات من خلال ارتفاع Cosub2/sub (Körner et al. 2017).

   وبالإضافة إلى هذه المسائل التقنية، يتعين تعديل إجراءات زراعة النباتات (الجزء العملي المتعلق بالبستنة من النظام) مع احتياجات الأحياء المائية بحيث يكون هناك طلب ثابت على المغذيات المحصولية (على افتراض نفس المناخ والضوء) كما هو مبين في الجدول 8-3. يتم زراعة الخس والخضر الورقية الأخرى بشكل مستمر (Körner et al. 2018)، في حين تزرع المحاصيل الأكبر حجما، مثل الخضروات الفاكهة مثل الطماطم والخيار والفلفل الحلو، في فصل الشتاء، وغالباً ما يكون الحصاد الأول في أواخر الشتاء/أوائل الربيع تليها إزالة النباتات وآخر المحاصيل المزروعة للحصاد في فصل الشتاء مرة أخرى. وبدون الزراعة البينية، أي إما أنواع مختلفة من المحاصيل في نفس النظام أو دفعات من خضروات الفاكهة المزروعة على مدار السنة من أجل الحفاظ على الطلب على المغذيات، ستحدث فترات من انخفاض الطلب على المغذيات وارتفاع مستويات المغذيات. استنادًا إلى Goddek و Körner (2019)، نعرض تباين Nosub3/sub-N في RAS للطماطم (غالباً ما لا يتم تعديلها في الأكوابونيكش) والخس عندما لا يتم استخدام إضاءة تكميلية لثلاث مناطق مناخية (جزر فارو وهولندا وناميبيا) (الشكل 8.8). يمكن تحقيق توازن النظام عن طريق زيادة الضوء اليومي المتكامل (أي مجموع ضوء مول المستلمة خلال فترة 24 ساعة) مع التحكم الديناميكي في الإضاءة التكميلية (Körner et al. 2006).

   

   ** الشكل 8.8** NO3-N في RAS جنبا إلى جنب مع HP زراعة الطماطم أو الخس في ثلاث مناطق مناخية وتناقص خطوط العرض (جزر فارو 62.0N، هولندا 52.1 درجة شلن، ناميبيا 22.6 درجة مئوية) مع المساحة المثلى للهيدروبونيات (انظر أعلاه) في محاكاة لمدة 36 شهرا باستخدام بيانات المناخ المحلية والدفيئات الزراعية المعدلة مناخياً إدخال النموذج

   ومن شأن تطبيق تقنيات التقطير وتحلية المياه أن يسهم في تحقيق تخفيضات كبيرة في مستويات المغذيات في RAS مع ضبط المستويات في نظام HP أقرب إلى optima، أي أن الوحدة تركز العناصر الغذائية إلى المستويات التي تحتاجها النباتات. يوضح الشكل 8.9 تأثير وحدة تحلية المياه على تركيز RAS Nosub3/sub-N عند تطبيق ما بين 0 و 5000 L hsup-1/sup و systemsup-1/sup. ومن الواضح أنه مع زيادة تدفق تحلية المياه، فإن تركيز Nosub3/sub-N في نظام RAS آخذ في التناقص. ومع ذلك، يتم التحكم في الوحدة من قبل الطلب من POSUB4/sub في نظام HP. يجب تجنب القمم، وكما ذكر أعلاه، يمكن تحقيق ذلك من خلال خلق بيئة مناخية مستقرة مع ضوابط ضوئية ديناميكية. ومن الواضح أنه في المناطق المناخية التي تشهد اختلافات سنوية أقل في الإشعاع الشمسي, هناك تباين أقل في ETSubc/sub و النظام الكامل أكثر استقرارا. تركيب المصابيح والحفاظ على ضوء يومي لا يقل عن 10 مول MSUP-2/سوب يمكن أن تعوض عن الاختلافات الموسمية. يساعد الزراعة البينية وإنتاج المحاصيل المختلطة على تحقيق الذروة الناتجة عن بروتوكول زراعة الطماطم التقليدي مع النباتات الشابة في فصل الشتاء عندما يكون كل من

   

   الشكل 8.9 NO3-N في RAS جنبا إلى جنب مع HP مع الطماطم (يمين) أو الخس (يسار) مع تحلية المياه بين 0 و 5000 لتر ح سوب-1/سوب العرض في ثلاث مناطق مناخية وخطوط العرض المتناقصة (جزر فارو 62.0ºN، هولندا 52.1 درجة N، ناميبيا 22.6 درجة مئوية) مع مساحة معدلة لهب (انظر أعلاه) في محاكاة لمدة 36 شهرا باستخدام البيانات المناخية المحلية و الصوبات الزراعية المعدلة حسب المناخ كمدخلات نموذجية

   و يساهم المناخ (الإشعاع المنخفض) و الزراعة (النباتات الصغيرة, و الطاقة المنخفضة ETSubc/sub) في تراكم المغذيات.

5. 8-5 الرصد والمراقبة

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

   في التحكم في التغذية المرتدة الكلاسيكية، مثل التحكم PI أو PID (التناسبي التكاملي المشتقة)، يتم قياس المتغيرات التي يتم التحكم فيها (السيرة الذاتية) مباشرة، مقارنة مع setpoint، ثم يتم تغذيتها مرة أخرى إلى العملية من خلال قانون التحكم في التغذية المرتدة.

   في الشكل 8.10، يتم الإشارة إلى الإشارات، بدون حجة الوقت، بحرف صغير، حيث y هو المتغير المتحكم فيه (السيرة الذاتية) الذي تتم مقارنته بالإشارة (setpoint) الإشارة r. يتم تغذية خطأ التبع** (أي r - y) في وحدة التحكم، إما في الأجهزة أو البرامج، والتي من خلالها إدخال التحكم يتم إنشاء u، المعروف أيضًا باسم المتغير المتلاعب به (MV). يؤثر الإدخال u بشكل مباشر على العملية (P) التي ينتج منها إخراج (y). تتم مقارنة إخراج العينات في وقت لاحق مع r، الذي يغلق الحلقة. في الممارسة العملية، تستمر هذه الحلقة حتى يتم إيقاف تشغيل وحدة التحكم. هناك أدبيات مستفيضة حول التحكم في التغذية المرتدة (دويل وآخرون 1992؛ موريس 2001؛ أوغاتا 2010)، وكان هذا موضوع بحث لسنوات عديدة، بدءا من أعمال بود (1930) ونيكويست (1932).

   

   الشكل 8.10 التحكم في ردود الفعل مع وحدة تحكم (C) وعملية (P). ص إشارة مرجعية، خطأ تتبع إبس، ش إشارة الإدخال، ص إخراج سيجما

   في RAS، السيرة الذاتية النموذجية هي درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، وتركيز الأكسجين المذاب (DO)، والتي توجد لها أجهزة استشعار موثوقة. وبالتالي، يمكن بسهولة التحكم في التغذية المرتدة في بارامترات جودة المياه هذه. ومع ذلك، في الممارسة العملية، في معظم الأحيان، يتم إزعاج إشارات المدخلات والمخرجات من عمليات الضوضاء، مثل المدخلات العشوائية غير المعروفة وضجيج القياس. وعلاوة على ذلك، فإن العملية الشاملة (P) قد تتغير بمرور الوقت نتيجة للنمو والنضج والشيخوخة، وما إلى ذلك. كما أن تغذية الأسماك هي مدخلات أخرى في المياه المعدنية المعدنية، ولا يمكن رؤية تأثيرها على نمو الأسماك أو قياسه بشكل مباشر. بالنسبة لهذه المعلمات، يتم تقديم وحدات التحكم المستندة إلى النموذج (مثل feedforard، والنموذج التنبؤي، والتحكم الأمثل) عادة للتنبؤ باستجابة التغيير في إدخال التحكم. ومع ذلك، يتم إضافة علف الأسماك عادة على أساس القيم الموجودة في الجداول أو الوصفات، ولكن هذا التحكم القائم على القواعد قد يحتاج إلى بعض التعديل في الممارسة الحقيقية ليكون بمثابة وحدة تحكم في التغذية المرتدة. السلوكيات السمكية في RAS هي مقياس تقليدي للتحكم في التغذية المرتدة، حيث تتفاعل الأسماك من الناحية الفسيولوجية مع التغيرات البيئية مع الاختلافات في الحركة، والموقع، وتقبل الأعلاف، وما إلى ذلك.

   و يحدث الإنتاج المائي عادة في بيئات محمية مثل الدفيئات الزراعية أو مصانع النباتات حيث يلزم التحكم في البيئة الجذرية و الجوية على حد سواء. وقد ثبت أن وحدات التحكم التي تعمل على وضع النماذج التنبؤية للبيئات الجوية المثلى متفوقة في البحوث التجريبية، ولكن التسويق كان بطيئا، في حين أن وحدات التحكم في التغذية المرتدة هي المعيار في معظم البيوت المحمية التي تسيطر عليها المناخ. ومع ذلك، فإن المحرك يختلف مع نوع وحدة التحكم مع صمامات التدفئة وفتحات التهوية عادة ما تسيطر عليها التغذية المرتدة ولكن الإضاءة عادة ما يكون آلية ON-OFF وعدد قليل منها فقط هو عكس الضوء. يمكن أن تستجيب وحدات التحكم التي تعتمد على أجهزة الاستشعار أو إدخال البيانات للنمو السريع في بيئة محمية وتؤدي إلى إنتاج عالي الجودة بأسعار السوق المرتفعة التي تحسن فوائدها من حيث التكلفة. لا تزال العديد من البيوت الزجاجية التجارية تمتلك المستشعر الكلاسيكي ذو الموقع المركزي الذي يعلق على مساحة تتراوح ما بين 1 و 2 متر فوق المحصول ويغطي عدة مئات من الأمتار المربعة لا يزال قيد الاستخدام، ولكن يجري إدخال أجهزة استشعار لاسلكية متعددة تغطي مساحات أصغر على الرغم من أنه لا يمكن استخدام الكثير من البيانات التفصيلية بسبب ضخامة يتم التحكم في المناطق المناخية من قبل نفس المحركات. ويمكن أن تستخدم أوجه التقدم في تكنولوجيا الاستشعار (مثل أجهزة استشعار درجة حرارة المناخ المحلي، ومعالجات الصور، وقياسات تبادل الغاز في الوقت الحقيقي أو مضان الكلوروفيل) المتصلة ببرامجيات النمذجة نظم دعم اتخاذ القرارات وتصبح نظم تحكم آلية.

   في أنظمة المفاعلات الحيوية النموذجية، يتم قياس درجة الحرارة ودرجة الحموضة والأكسجين المذاب في الأنظمة الخلوية وتدفقات الغاز في الأنظمة اللاهوائية وتعديلها باستمرار باستخدام وحدات التحكم في درجة الحرارة ودرجة الحموضة والأكسجين المذاب. وبالإضافة إلى ذلك، كثيرا ما يتم تحديد أوقات الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT) والحمأة (SRT) عن طريق التحكم في تدفقات المياه (النفايات) وتدفقات نفايات الكتلة الأحيائية، على التوالي.

6. 8-6 الأثر الاقتصادي

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

   و التكنولوجيات التي تولد ربحا أقل ول كنها أفضل بالنسبة لل بيئة لا تنفذ عادة إلا عندما يتلقى المشغلون إما حافزا في شكل إعانات أو سياسات تجبرهم على القيام بذلك. وفي حالة النظم المائية ذات الحلقة الواحدة, يكمن النداء في التكنولوجيا الجديدة و النهج الذي تتبعه المنظومة إزاء الاستخدام المستدام لل موارد بدلا من إمكاناتها الاقتصادية. ومع ذلك، تقدم المنشورات الأخيرة أدلة على مكاسب الإنتاج: تنمو الخضر الورقية بشكل أفضل في البيئات المنفصلة عنها في النظم المائية المعقمة (Delaide et al. 2016؛ Goddek وVermeulen 2018) وكان للخس في أنظمة أكوابونيكش المنفصل ميزة نمو تبلغ حوالي 40٪ مقارنة بحالة - النهج المائية المتطورة.

   وعلى الرغم من أنه يمكن توقع معدلات نمو أعلى، فإن نظم الأحياء المائية المتعددة الحلقات لا تزال أكثر تعقيدا بكثير من نظم الزراعة المائية، ويلزم تنفيذ استثمارات أولية كبيرة. وتتطلب معظم المواقع الجغرافية دفيئة عالية التقنية للتحكم في الظروف البيئية (أي رطوبة نسبية تبلغ 80٪، ودرجات حرارة ثابتة تبلغ حوالي 20 درجة مئوية). ويمكن استخدام مصادر الطاقة المتجددة للتبريد والتدفئة، ولكن هذه النظم لا تكون مربحة في الوقت الحالي إلا عند إنشائها على نطاق واسع (أي\ > 1 هكتار) حيث تسود ظروف السوق الجيدة.

7. ٨-٧ اﻷثر البيئي

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

   واستنادا إلى المثال 8.2، هناك أدلة على أن معالجة الحمأة في أجهزة الهضم يمكن أن يكون لها تأثير مفيد على إعادة استخدام المغذيات، وخاصة الفوسفور. ويمكن لنظم المفاعلات الحيوية، مثل نظام مفاعلات UASB على مرحلتين متتابعتين، أن تزيد من كفاءة إعادة تدوير الفوسفور بنسبة تصل إلى 300% (الفصل 10). في السابق، في الفصل 2، ناقشنا مفارقة الفوسفور فيما يتعلق بكل من ندرة الفوسفات ومشاكل الإغناء بالمغذيات. وتتمتع المفاعلات الحيوية بمزايا كبيرة لزيادة استعادة المغذيات من الحمأة، مما يساعد على إغلاق حلقة دورة تدوير المغذيات داخل النظم المائية. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لتحسين هذه النظم من أجل تحقيق التوافر البيولوجي لمغذيات محددة على النحو الأمثل. وتبين الأشكال 8-11 و8-12 و8-13 المدخلات والمخرجات ومصادر النفايات في نظم الاستزراع المائي والمائية القائمة بذاتها مقارنة بنظام الاستزراع المائي المنفصل. و يمكن ملاحظة أن النهج المنفصل يشكل مفهوما زراعيا و اعدا لنظام الحد من النفايات و إعادة تدويرها.

   

   الشكل 8.11 تدفقات المدخلات والمخرجات والخسائر في نظام مائي قائم بذاته

   

   الشكل 8.12 تدفقات المدخلات والمخرجات والخسائر في نظام الاستزراع المائي القائم بذاته

   

   الشكل 8.13 تدفقات المدخلات والمخرجات والخسائر في نظام أكوابونيكش متعدد الحلقات مفصول يتكون من نظام مفاعل لاهوائي