Source material

Глава 8 Развязанные системы аквапоники

1. 8.1 Введение

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Как обсуждалось в главах 5 и 7, одноконтурные системы аквапоники хорошо исследованы, но такие системы имеют субооптимальную общую эффективность (Goddek et al. 2016; Goddek and al.. По мере того, как аквапоника доходит до промышленного производства, особое внимание уделяется повышению экономической жизнеспособности таких систем. Одна из лучших возможностей для оптимизации производства с точки зрения урожайности может быть реализована путем развязки компонентов в системе аквапоники для обеспечения оптимальных условий роста как рыбы, так и растений. Развязанные системы отличаются от связанных систем бессонно, поскольку они отделяют петли воды и питательных веществ как аквакультуры, так и гидропоники от друг друга и, таким образом, обеспечивают контроль химического состава воды в обеих системах. На рис. 8.1 представлен схематический обзор традиционной связанной системы (A), развязанной двухконтурной системы (B) и развязанной многоконтурной системы (C). В то же время широко обсуждается вопрос о том, являются ли развязанные системы аквапоники экономически выгодными по сравнению с более традиционными системами с учетом того, что они требуют большей инфраструктуры. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть различные конструкции систем, чтобы выявить их сильные и слабые стороны.

   Концепция соединенной одноконтурной системы аквапоники, показанная на рис. 8.1a, может рассматриваться как традиционная основа всех систем аквапоники, в которых вода свободно циркулирует между объектами аквакультуры и гидропоники, в то время как нутриентрих шлам сбрасывается. Одним из ключевых недостатков таких систем является необходимость компромиссов в условиях выращивания обеих подсистем с точки зрения pH, температуры и концентрации питательных веществ (табл. 8.1).

   

   Рис. 8.1 Эволюция систем аквапоники. a) показывает традиционную одноконтурную систему аквапоники, b) простую развязанную систему аквапоники и c) развязанную многоконтурную систему аквапоники. Синий шрифт обозначает вход, выход и потоки воды, а красный - отходы

   Напротив, развязанные или двухконтурные системы аквапоники отделяют объекты аквакультуры и аквапоники друг от друга (рис. 8.1b). Здесь размер гидропонной установки является критическим аспектом, поскольку в идеале она должна усваивать питательные вещества, предоставляемые рыбным блоком непосредственно или с помощью минерализации осадка (например, извлечение питательных веществ из осадка и предоставление их растениям в растворимой форме). Действительно, как размер площади растений, так и условия окружающей среды (например, поверхность, индекс площади листьев, относительная влажность, солнечная радиация и т.д.) определяют количество воды, которая может быть испарена, и являются основными факторами, определяющими скорость замещения воды RAS. Таким образом, вода, направляемая из RAS в гидропонную установку, заменяется чистой водой, которая снижает концентрацию питательных веществ и тем самым улучшает качество воды (Monsees et al. 2017a, b). Количество воды, которую можно заменить, зависит от скорости эвапотранспирации растений, которая контролируется чистым излучением, температурой, скоростью ветра, относительной влажностью и видами сельскохозяйственных культур. Примечательно, что существует сезонная зависимость: больше воды испаряется в более теплые и солнечные сезоны, что также является, когда темпы роста растений являются самыми высокими. Этот подход был предложен Goddek et al. (2015) и Kloas et al. (2015) в качестве подхода к совершенствованию конструкции одноконтурных систем и более эффективному использованию потенциала для обеспечения оптимальной производительности роста растений. Эта концепция была принята, в частности, ECF в Берлине, Германия, и ныне обанкротившейся _UrbanFarmers _ в Гааге, Нидерланды.

   Несмотря на потенциальные преимущества, начальные эксперименты с разделенной одноконтурной конструкцией столкнулись с серьезными недостатками. Это обусловлено большим количеством дополнительных питательных веществ, которые необходимо было добавить в гидропонный цикл, учитывая, что технологическая вода, поступающая из РАС в гидропонику, зависит исключительно от эвапотранспирации (Goddek et al. 2016; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016). Питательные вещества также, как правило, накапливались в системах RAS, когда скорость эвапотранспирации была ниже и могла достигать критических уровней, что требует периодического кровотечения из воды (Goddek 2017).

   Преодоление этих недостатков потребовало внедрения дополнительных петель для уменьшения количества отходов, образующихся в системе (Goddek and Körner 2019). Такие многоконтурные системы описаны на рис. 8.1c и усиливают двухконтурный подход (8.1b) двумя единицами, которые будут более подробно изучены в следующих двух подглавах, а также в главах 10 и 11 :

   1. Эффективная минерализация и мобилизация питательных веществ с использованием двухступенчатой анаэробной реакторной системы для уменьшения выбросов питательных веществ из системы через рыбный шлам

   2. Технология термической дистилляции/опреснения для концентрации раствора питательных веществ в гидропонике с целью уменьшения потребности в дополнительных удобрениях

   Такие подходы частично внедрены различными производителями аквапоники, такими как испанская компания NerBreen (рис. 8.1) (Goddek and Keesman 2018), а также компания Kikaboni AgriVentures Ltd. в Найроби, Кения (van Gorcum et al. 2019) (Рис. 8.2).

   

   Рис. 8.2 Фотографии существующей многоконтурной системы в (1) Испании (NerBreen) и (2) Кении (Kikaboni AgriVentures Ltd.). В то время как система NerBreen находится в контролируемой среде, система Kikaboni использует полуоткрытую фольгированную туннельную систему

   С точки зрения экономических преимуществ (Goddek and Körner 2019; Delaide et al. 2016) оптимизация условий роста в каждом соответствующем цикле развязанных систем аквапоники имеет неотъемлемые преимущества как для растений, так и для рыб (Karimanzira et al. 2016; Kloas et al. 2015) за счет сокращения сброса отходов, а также улучшения восстановление и снабжение питательными веществами (Goddek and Keesman 2018; Кариманзира и др. 2017; Йогев и др. 2016). В своих работах Delaide et al. (2016), Goddek и Vermeulen (2018) и Вудкок (pers. Сом.) показывают, что развязанные системы аквапоники достигают более высоких показателей роста, чем их соответствующие одноконтурные группы по аквапонике и гидропонике. Несмотря на это, существуют различные проблемы, которые еще предстоит решить, в том числе технические вопросы, такие как масштабирование системы, оптимизация параметров и выбор инженерных решений для тепличных технологий для различных региональных сценариев. В остальной части этой главы мы сосредоточимся на некоторых текущих событиях, с тем чтобы дать обзор текущих проблем, а также многообещающих событий в этой области.

2. 8.2 Цикл минерализации

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В RAS для поддержания качества воды из системы необходимо удалить твердый и насыщенный питательными веществами ил. Добавляя дополнительный цикл рециркуляции ила, накапливающиеся отходы РАС могут быть преобразованы в растворенные питательные вещества для повторного использования растениями, а не выброшены (Emerenciano et al. 2017). В биореакторах микроорганизмы могут разбить этот шлам на биодоступные питательные вещества, которые впоследствии могут быть доставлены растениям (Delaide et al. 2018; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2017a, b). Многие одноконтурные системы аквапоники уже включают в себя аэробические (Rakocy et al. 2004) и анаэробные (Yogev et al. 2016) дигесты, которые превращают питательные вещества, попадающие в рыбный шлам, и делают их биодоступными для растений. Однако интеграция такой системы в соединенную одноконтурную систему аквапоники имеет несколько недостатков:

   1. Коэффициент разбавления богатых питательными веществами стоков намного выше при их сбросе в одноконтурную систему по сравнению с их сбросом только в гидропонику. Эффективно, питательные вещества разбавляются путем попадания в контакт с большими объемами воды для выращивания рыбы.

   2. Рыба излишне подвержена воздействию стоков реактора минерализации; например, стоки анаэробных реакторов могут включать летучие жирные кислоты (УФАС) и аммиак, которые потенциально могут нанести вред рыбе; такие реакторы также представляют собой дополнительный источник потенциального интродукции патогенов.

   3. Около 90% питательных веществ, попавших в шлам, могут быть восстановлены, когда RassLudge поддерживается на уровне pH 4 (Jung and Lovitt 2011). Такой низкий уровень рН невозможен при работе биореакторов при рН около 7 (Goddek et al. 2018), что является обычным компромиссным значением рН в одноконтурных системах аквапоники.

   

   Рис. 8.3 Приблизительный показатель pH воды в различных компонентах системы, а также в технологической воде. '~' указывает приближение

   Что касается pH, то на рис. 8.3 показаны приблизительные значения pH соответствующих потоков технологической воды в многоконтурной системе аквапоники (например, показано на рис. 8.1c). На рис. 8.3 также показано влияние реакторов минерализации на производительность системы в целом на основе анаэробных реакторов, предложенных Goddek et al. (2018). Такая система представляет собой лишь одно из возможных решений для обработки осадка с альтернативными подходами, обсуждаемыми в главе 10. Снижение pH технологической воды, поступающей из подсистемы RAS в гидропонику, как показано на рис. 8.3, демонстрирует подкисление в контуре концентрации питательных веществ (т.е. деминерализованная вода имеет рН 7). Таким образом, уровень рН сточных вод ниже, чем на выходе RAS, что уменьшает необходимость корректировки рН для оптимальных условий роста растений.

   Таблица 8.1 Обзор оптимальных условий роста рыб и растений и предпочтительных условий эксплуатации для переработки питательных веществ в шламе

   стол тхед tr class="заголовок» Тподсистема/г Специя/ функция/т THPH/th ThТемпература (˚C) /ч Тнитрат (NOSub3/sub) (мг/л) /т /tr /thead tbody tr class="нечетный» td Rowspan="2"Рециркулирующая система аквакультуры (РАС) /td TDioreochromis нилотикус/i (Ниловая тилапия) /td td7—9 (Росс 2000) /td тд27-30 (Эль-Сайед, 2006 год) /тд td<100—200 (Далсгор и др., 2013) /td /tr tr class="даже» TDionCorhynchus mykiss/i (радужная форель) /td td6.5-8.5 (ФАО 2005) /td td15 (Коглан и Ринглер 2005) /td td<40 (Дэвидсон и др., 2011 год; Шрадер и др., 2013 год) /td /tr tr class="нечетный» td Rowspan="2"Гидропоник/TD tdilactuca сатива/i (салат) /td тд 5.5—6.5 (реш 2012) /тд тд 21—25 (реш 2012) /тд тд730 (Реш 2012) /тд /tr tr class="даже» TDlyCoperSicon эскулентум (томатный) /td тд 6.3—6.5 (реш 2002) /тд тд 18—24 (реш 2002) /тд td666 (Сонневельд и Вугт 2009) /td /tr tr class="нечетный» td Rowspan="2"Анаэробный реактор/td TDметаногенези/TD td6.8-7-4 (де Лемос Черничаро 2007) /td td30—35 (Альварес и Лиден 2008; де Лемос Черничаро 2007) /td td—/td /tr tr class="даже» Мобилизация TDSladem/td td4.0 (Юнг и Ловитт 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /таблица Двухступенчатая реакторная система работает следующим образом:

   • На первом этапе (pH около 7 для обеспечения оптимальных условий для метаногенеза; таблица 8.1) органическое вещество разбивается для поддержания высокой степени производства метана (т.е. удаления углерода). Мирзоян и Гросс (2013) сообщили о снижении общего количества взвешенных твердых частиц примерно на 90% с использованием технологии реактора с анаэробным шламовым покрытием. Преимущество этого заключается в том, что 1) биогаз добывается в качестве возобновляемого источника энергии и 2) на втором этапе производится меньшее количество УФАС. Время удержания осадка на первой стадии должно составлять несколько месяцев, прежде чем удалить накопленные питательные вещества в шламе (например, агрегация фосфата кальция) на второй стадии.

   • На втором этапе питательные вещества в взвешенных твердых веществах эффективно мобилизуются и становятся доступными для поглощения растений. Эта мобилизация наиболее эффективна в среде с низким уровнем pH (Goddek et al. 2018; Jung and Lovitt 2011). После снижения pH кислотных реакторов он, как правило, остается стабильным; таким образом, в гидропонной установке требуется меньшее регулирование pH.

   Сточные воды, богатые питательными веществами, могут потребовать некоторой последующей обработки в зависимости от количества измеренных общих взвешенных веществ и VFA. Однако важно иметь в виду, что аммиак может стимулировать рост растений, например, листовая зелень, когда он составляет 5— 25% от общей концентрации азота (Jones 2005). Однако фруктовые овощи, такие как помидоры или сладкий перец, особенно чувствительны к аммиаку в питательном растворе. Для систем выращивания этих видов сельскохозяйственных культур потребуется аэробная очистка сточных вод или хорошо аэрированный гидропонический картер.

   8.2.1 Определение потоков воды и питательных веществ

   Для определения размеров системы (раздел 8.4) необходимо знать количество воды, поступающей из системы RAS через реактор (реакторы) в гидропонику (Qsubmin/Sub) (Eq. 8.1):

   $Q_ {MIN} (кг/сутки) =\ гидроразрыва {n_ {подача}\ раз k_ {шлам}} {\ pi_ {шлам}} $ (8.1)

   где nsubfeed/sub - количество корма для рыбы в кг, ksubsladge/sub - коэффициент пропорции корма для рыбы, заканчивающегося шламом, а πsubsladge/sub - доля общего количества твердых веществ (т.е. ила) в потоке шламовой воды, поступающей в цикл минерализации.

   Концентрация осадка может быть увеличена путем добавления устройства гравитационного сепаратора перед биореакторами, направляющего «прозрачный» супернатант обратно в систему RAS. Эта формула также может быть использована для получения входных данных для определения размеров реактора на основе гидравлического времени удержания (глава 10). От 20 до 40% кормов для рыб заканчивается как общее количество взвешенных твердых веществ в шламе RAS (Timmons and Ebeling 2013). В качестве примера установлено, что в шламе тилапии содержится около 55% питательных веществ, которые были добавлены в систему через корм (Нето и Остренский 2013; Явузкан Йылдыз и др. 2017), что является ценным ресурсом для роста сельскохозяйственных культур.

   Основными питательными веществами, которые могут быть восстановлены в процессе минерализации, являются N и P. Поскольку P (один из основных компонентов ила) является наиболее ценным макроэлементом с точки зрения стоимости и доступности для растениеводства, он должен быть первым элементом, который будет оптимизирован в аквапонной системе.

   Скорость минерализации цикла минерализации рассчитывается следующим образом:

   $Минерализация (г/день) = (n_ {корм}\ раз 1000) π_ {корм}\ раз π_ {шлам}\ раз η_ {мин} $ (8,2)

   где _n_subfeed/sub - входной сигнал подачи в систему (в кг); _π_subfeed/subis - доля питательного вещества в составе корма; _π_subsludge/subis - доля конкретного питательного элемента, получаемого в иле; и ηsubmin/subis - эффективность минерализации и мобилизации системы реактора .

   Последним шагом будет определение концентрации соответствующего элемента в стоках цикла минерализации:

   $Питательные вещества\ концентрация\ (мг/л) =\ гидроразрыва {минерализация\ раз 1000} {Q_ {MIN}} $ (8,3)

   Пример 8.1

   Наша система RAS питается 10 кг корма для рыбы в день. Мы предполагаем, что 25% кормов в конечном итоге образуется в виде шлама. В нашей системе мы используем радиальный отстойник потока (RFS) для концентрации осадка до 1% сухого вещества. Следовательно, поток из RAS в HP через цикл минерализации рассчитывается следующим образом:

   $Q_ {MIN}\ (кг/день) =\ гидроразрыва {10 кг\ раз\ 0,25} {0,01} =250\ приблизительно 250 кг/день

   Мы принимаем решение о размерах нашей системы на П. Содержание P в нашем корме (в большинстве случаев предоставляется производителем кормов) составляет 1,5% и 55% его попадает в шлам (Neto и Ostrensky 2013). Мы предполагаем, что наши реакторы достигают КПД минерализации 90% для этого элемента. Таким образом, граммы P, передаваемые в гидропонику каждый день, могут быть определены:

   $Минерализация\ (г/день) = (10 кг\ раз 1000)\ раз 0.55\ раз 0.015\ раз 0.9=74.25$

   Концентрация стоков в результате:

   $Питательные вещества\ концентрация\ (мг/л) =\ гидроразрыва {74,25 г\ раз 1000} {250л} =297\ мг/л

   Эта концентрация P в стоках в приведенном выше примере примерно в шесть раз выше, чем в большинстве гидропоники питательных растворов. Исследование Goddek et al. (2018) подкрепляет это теоретическое число, и они сообщают, что их раствор RAS содержит 150 и 200 мг/л Р для двух независимых систем, соответственно (1% шлама TSS), с содержанием P рыбы в корме 0,83% в кормах сухого вещества для последних (200 мг/л).

3. 8.3 Цикл перегонки и опреснения

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В развязанных системах аквапоники наблюдается односторонний поток из РАС в узел гидропоники. На практике растения забирают воду, поставляемую РАС, которая, в свою очередь, пополняется пресной (например, водопроводной или дождевой) водой. Необходимый отток из блока RAS равен разнице между водой, покидающей систему ВД через установки (и через дистилляционную установку), и водой, поступающей из реактора минерализации в гидропонике (рис. 8.4). Упрощенное резюме заключается в том, что долгосрочная потребность в потоке воды от RAS до HP равна потреблению сельскохозяйственной воды в результате эвапотранспирации и хранения растительной воды в растительной биомассе.

   

   Рис. 8.4 Схема потоков воды и различных концентраций питательных веществ в развязанной системе аквапоники, где Q, объем потока в L; ρ, концентрация питательных веществ в мг/л; RAS, рециркулирующая система аквакультуры; MIN, реактор минерализации; DIS, дистилляционная установка; и X, неизвестный/гибкий параметр потока

   Однако с точки зрения балансов массы количество питательных веществ, покидающих систему гидропоники через растения, должно быть заменено для обеспечения постоянного равновесия. Это создает дилемму, так как максимально допустимая концентрация питательных веществ в РАС значительно ниже, чем необходима в ЛС. Таким образом, высокие потоки питательных веществ (_ρ_subras/sub $\ times$ _Q_subras/sub) для ВД не могут быть достигнуты за счет низких концентраций питательных веществ RAS. Вместо этого, без контура дистилляции/опреснения, концентрация питательных веществ в RAS будет увеличиваться при уменьшении в гидропонике. Возможным средством является сброс воды RAS (и, следовательно, и питательных веществ), чтобы уменьшить концентрацию питательных веществ там и добавить удобрения в гидропоники питательный раствор. С точки зрения воздействия на окружающую среду и экономику это решение является менее удовлетворительным и не служит цели комбинированного производства с замкнутым контуром.

   Реализация дистилляционной установки, показанная на рис. 8.3, представляет собой потенциальное решение этой дилеммы. Такие технологии дистилляции (например, термическая мембранная дистилляция) способны отделить растворенные соли и питательные вещества от воды (Shahzad et al. 2017; Subramani and Jacangelo 2015). В контексте многоконтурных систем аквапоники и в качестве альтернативы дополнительному удобрению и отводу воды с соответствующими дополнительными затратами эта технология могла не только обеспечить пресную воду в систему, но и достичь желаемых концентраций питательных веществ для соответствующих подсистем (Goddek и Keesman) 2018).

   Для реализации (т.е. калибровки) такой дистилляционной установки могут использоваться простые уравнения баланса массы. Однако размер остальной системы должен быть заранее определен (либо с помощью правил большого пальца, либо с помощью уравнений баланса массы; см. Sect. 8.5), поскольку питательные вещества, поступающие в систему, должны находиться в равновесии с биодоступными питательными веществами, поглощенными культурой (Примечание: сладкое пятно развязанных систем является его гибкость. Следовательно, можно также увеличить размер гидропоники части системы, хотя это потребует использования большего количества удобрений). Самый простой способ оценить поглощение питательных веществ заключается в том, чтобы использовать предположение о том, что питательные вещества поглощаются или поглощаются практически так же, как растворенные ионы в оросительной воде (т.е. отсутствие химических, биологических или физических сопротивлений). Следовательно, для поддержания равновесия все питательные вещества, поглощенные растениями, содержащиеся в питательном растворе, должны быть добавлены обратно в систему гидропоники (экв. 8.4).

   $\ phi_ {RAS} +\ phi_ {МИН} -\ phi_ {HP} =0$ (8.4)

   где _subras/sub - поток питательных веществ из системы RAS в систему гидропоники, _submin/sub - поток питательных веществ из блока минерализации в систему гидропоники, а _subHP/sub - поглощение питательных растений. Для этого уравнения предполагается, что дистилляционная система имеет эффективность почти 100%. Таким образом, _Q_subdis/Sub возвращается к подсистеме гидропоники.

   Следовательно:

   $ (\ rho_ {HP}\ раз Q_ {HP}) = (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {RAS}) + (\ rho_ {MIN}\ раз Q_ {MIN}) $ (8.5)

   где Q - объем потока в L, а ρis - концентрация питательных веществ в мг/л.

   Как указано выше, поток из РАС к гидропонике представляет собой разность суммы потоков воды, выходящих из системы гидропоники (т.е. QSubHP/Sub + Qsubx/Sub), и притока из биореактора (Qsubmin/Sub), т.е. Qsubras/Sub = QsubHP/Sub + Qsubx/Sub - Qsubmin/Sub, что приводит нас к следующему уравнение:

   $ (\ rho_ {HP}\ раз Q_ {HP}) = (\ rho _ {RAS}\ раз Q_ {HP}) + (\ rho _ {RAS}\ раз Q_ {X}) - (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {MIN}) + (\ rho_ {MIN} раз Q_ {MIN}) $ (8,6)

   Целевой переменной является поток дистилляции (QSubx/Sub), необходимый для поддержания равновесия концентрации питательных веществ в системе гидропоники. Для этого Eq. 8.6 решается для QSubx/Sub в следующих шагах:

   $ (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {X}) = (\ rho_ {HP}\ раз Q_ {MIN}) - (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {HP}) + (\ rho_ {RAS}\ раз Q_ {MIN}) $ (8,7)

   $Q_ {X} =\ гидроразрыва {\ rho_ {HP}\ раз Q_ {HP}} {\ rho_ {RAS}} -\ гидроразрыва {\ rho_ {MIN}\ раз Q_ {MIN}} {\ rho_ {RAS}} -Q_ {HP} +Q_ {MIN} $ (8.8)

   Обратите внимание, что поток дистилляции QSubx/Sub очень динамичен и зависит от скорости эвапотранспирации растений, которая зависит от климата. Динамический результат, однако, может использоваться для определения размеров дистилляционной установки. Для расчета требуемого притока в дистилляционную установку можно использовать следующую формулу:

   $Q_ {DIS} =Q_ {X}\ раз\ гидроразрыва {100} {\ eta_ {DIS}} $ (8.9)

   где Q - объем потока в L и η эффективность деминерализации используемого устройства (в%).

   Таким образом, технология дистилляции может значительно уменьшить воздействие многоконтурных систем аквапоники на воду и окружающую среду (например, использование удобрений). Однако при рассмотрении вопроса об их внедрении системы аквапоники становятся еще более сложными. Несмотря на то, что этот дополнительный цикл может не иметь никакого смысла для маломасштабных систем, он может вывести более крупные коммерческие системы на новый уровень. Тем не менее, следует учитывать, что технология термической дистилляции требует больших объемов тепловой энергии и не может быть экономически оправданной везде. Наиболее подходящими для этой технологии могут быть регионы с высоким уровнем глобального солнечного излучения или геотермальные источники энергии. Таким образом, экономическая устойчивость таких систем зависит также от местоположения.

   Еще один момент, который нужно иметь в виду, это высокая температура дистиллированной воды и рассола из дистилляционной установки. В зависимости от условий окружающей среды и видов рыб горячая дистилляционная вода может использоваться для нагрева воды RAS; однако рассол должен остыть перед повторным поступлением в подсистему HP.

4. 8.4 Калибровка многоконтурных систем

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Для определения размера системы аквапоники требуется балансировка входных и выходных питательных веществ. Здесь мы в основном применяем тот же принцип, что и размер одноконтурной системы. Тем не менее, этот подход немного сложнее, но он будет полностью проиллюстрирован на примере.

   

   Рис. 8.5 Схема, показывающая баланс массы в четырехконтурной системе аквапоники; где msubfeed/sub - это растворенные питательные вещества, добавляемые в систему через корм. Добавить этикетки: Qsubdis/Sub - Qsubx/Sub для дистиллята, возвращаемого в HP; «шлам» для питательных веществ, поступающих в реактор

   На рисунке 8.5 показана диаграмма баланса массы для нашего системного подхода. В оптимальной ситуации система имеет только один вход и выход. Однако на практике для оптимизации роста растений необходимо будет добавить дополнительные питательные вещества в гидропонику. Эта модель может использоваться для определения размеров системы, например на основе фосфора, который является невозобновляемым ресурсом (глава 2). Вход в систему (msubfeed/sub) представляет собой долю питательного вещества, которое рыба выделяет в растворенной форме. Остальная часть накапливается в рыбе в виде биомассы или заканчивается в виде шлама (см. предыдущий раздел). Выходным результатом является поглощение питательных веществ растений. Определение потребления питательных веществ растениями зависит от многих факторов и является очень сложным; самый простой способ дать приблизительную оценку — рассматривать дыхание растений в качестве основного фактора поглощения питательных веществ (Goddek and Körner 2019).

   Скорость эвапотранспирации сильно зависит от климата и прямо или косвенно зависит от поглощенного коротковолнового излучения, относительной влажности, температуры и концентрации COSub2/Sub. В связи с высокой сложностью многоконтурной системы мы предполагаем, что растения расположены в климатически контролируемой теплице, и поэтому нам нужно только рассматривать глобальное излучение как динамическую переменную, определяющую, сколько коротковолнового излучения поглощается. Другими словами, сначала нам нужно определить, сколько добавленных питательных веществ становится доступным для растений, а затем определить, сколько растений на самом деле занимают.

   8.4.1 Вход подачи

   Скорость корма рыбы зависит от общей биомассы в системе и коэффициента преобразования кормов (FCR). Timmons and Ebeling (2013) обеспечивают простой подход к определению темпов роста рыб для различных видов рыб. Тем не менее, мы рекомендуем использовать промышленные данные для более точного определения биомассы. Лупач и Кисиль (1998) (экв. 8.10) обеспечивают общую формулу роста, для которой Годдек и Кёрнер (2019) определяли коэффициенты роста путем подгонки кривой с использованием математической программной среды MATLAB (внутренняя функция 'fitnlm') с эмпирическими данными для Нила Тилапиа (Oreochromis niloticus). Дополнительные начальные и конечные веса, температура воды в системе и выходные данные для коэффициентов роста, характерных для конкретных видов, приведены в таблице 8.2. Внесение этих параметров в экв. 8.10 дает нам вес этого вида рыб в определенный день.

   $W_ {t} = [W_0^ {1-\ бета w} + (1-\ бета _w)\ alpha_wexp\ {\ гамма_WT} T] ^ {\ гидроразрыва {1} {1-\ бета w} $ (8.10)

   где WSubt/sub (g) - масса рыбы в определенное время (дни), WSub0/sub (g) - начальная масса рыбы, T - температура воды (в ˚C), αw βw и γw - коэффициенты роста, характерные для конкретных видов (без единиц), и t - время в днях.

   Таблица 8.2 Параметры роста рыбы для экв. 8.10 для заданной температуры воды (Т). WSub0/sub и WSubf/sub могут быть скорректированы в соответствии с собственными потребностями

   стол тхед tr class="заголовок» Функциональность/т Параметр/г Описание/я Thvalue/th ThSource/th /tr /thead tbody tr class="нечетный» td Rowspan="4"Рост рыбы/td TDWSub0/Sub/TD TdНачальный вес пальца тилапия* (в г) /td TDНапример, 55/td TDGodDek и Кёрнер (2019) /td /tr tr class="даже» TDWSubf/Sub/TD TDЦелевой вес рыбы (в г) /td TDНапример, 600/td TDGodDek и Кёрнер (2019) /td /tr tr class="нечетный» TDT/TD TdТемпература воды РСО (в ˚C) /тд тд30/тд TDTimMons и Эбелинг (2013) /td /tr tr class="даже» tdαw; βw; γw/td Специфические коэффициенты роста TDS/td тд0,0261; 0,4071; 0,0827/тд TDGodDek и Кёрнер (2019) /td /tr /tbody /таблица

   Основываясь на выходе уравнения выше, мы смогли определить, сколько кормов потребуется рыбе за одну стадию роста. В большинстве случаев скорость подачи (X% от массы тела) или FCR упоминается производителем кормов для конкретного вида. Тем не менее, Тиммонс и Эбелинг (2013) предоставляют приблизительные рекомендации для FCR для тилапии: 0,7—0,9 для Tilapia, весом менее 100 г, и 1,2—1,3 для тилапии, весящей более 100 г.

   $Корм\ скорость\ (г) =FCR\ раз WG_T\ раз m_ {рыба} $ (8.11)

   где FCR - коэффициент пересчета корма, WGSubt/Sub - прирост веса (в день), а msubfish/sub - количество рыбы в аквариуме.

   Прирост веса (WG) в день можно определить с помощью экв. 8.10 путем вычитания веса, например, 10-го дня из веса 11-го дня. Это можно сделать для каждого танка. На рис. 8.6 показан вход корма рыбы в систему для Tilapia с использованием приведенных выше уравнений. Средний расход корма в день после полного цикла системы составляет 165 кг.

   

   Рис. 8.6 Пример баланса биомассы для Tilapia, выращенной в 13 резервуарах в когортах общим объемом (включая биофильтр и картер) 482.000 л при макс. Общая биомасса 80 т в течение 2 лет, включая начальную фазу со средним весом рыбы (a) (каждая линия представляет собой один резервуар/когорту) и суточную суммарную норму корма (b) (данные взяты из Goddek and Körner 2019)

   8.4.2 Наличие питательных веществ

   Нето и Остренский (2013) сообщают о растворимой N экскреции 33% и растворимой P экскреции 17% корма при выращивании Nile Tilapia (Oreochromis niloticus, L.). Это питательные вещества, которые, наконец, накапливаются в системе RAS и могут быть поглощены растениями.

   8.4.3 Употребление растений

   В таблице 8.3 приводится обзор показателей эвапотранспирации для конкретных культур (ETSubc/sub), которые связаны с глобальным излучением. Один мм ET на квадратный метр равен 1 л. Для простого калибровки следует принимать среднегодовое значение (см. следующий раздел).

   Таблица 8.3 Обзор внешних уровней радиации в субарктических, умеренных морских и засушливых условиях (на основе данных Goddek и Körner 2019) и их соответствующих уровней эвапотранспирации культур _ (и т.д., мм в день -1) _ коэффициентов для _салат-салата и tomato выращенных в контролируемой парниковой среде 20˚C и 80% влажность. Салат выращивался с непрерывным посевом круглый год; помидор был посажен в январе и удален в декабре (Фарерские острова и Нидерланды) или в июле и июне (Намибия)

   стол тхед tr th rowspan="3"месяц/й th Colspan="3"Фарерские острова/г th Colspan="3"Нидерланды/th th Colspan="3"Намибия/th /tr tr class="заголовок» Глобальное излучение Thetsubc/суб/Салат/г Tsubc/суб/тома/th Глобальное излучение Thetsubc/суб/Салат/г Tsubc/суб/тома/th Глобальное излучение Thetsubc/суб/Салат/г Tsubc/суб/тома/th /tr tr class="заголовок» thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"кг мсуп-2/суп-суп-1/суп/т thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"кг мсуп-2/суп-суп-1/суп/т thmol msup-2/sup daysup-1/sup/th th colspan="2"кг мсуп-2/суп-суп-1/суп/т /tr /thead tbody tr class="нечетный» TDBянварь/B/TD td1.4/td тд0.78/тд тд0,52/тд td4.5/td тд0.78/тд td0.53/td тд54.2/тд тд2.74/тд td4.55/td /tr tr class="даже» TDBфевраль/B/TD td5.2/td тд0.85/тд td1.38/td td9.1/td тд0,93/тд тд1.40/тд тд53.7/тд тд2.70/тд td4.47/td /tr tr class="нечетный» TDBMarch/B/TD тд13.7/тд тд1.20/тд тд2.12/тд тд17.0/тд td1.28/td тд2.14/тд тд51.2/тд td2.42/td td3.96/td /tr tr class="даже» TdBapril/B/TD тд30.6/тд тд1,90/тд тд3.05/тд td27.9/td td1.82/td тд2,90/тд тд40.2/тд тд3.05/тд td5.38/td /tr tr class="нечетный» TDBMay/B/TD тд39.2/тд td2.29/td td3.57/td тд32.2/тд тд2.40/тд тд3.74/тд тд30.0/тд тд2.70/тд td4.59/td /tr tr class="даже» TDBиюнь/B/TD тд39.6/тд td2.33/td td3.60/td td26.6/td td2.52/td td3.91/td тд30.5/тд td2.28/td тд3.80/тд /tr tr class="нечетный» TDBиюль/B/TD td34.5/td тд2.17/тд td3.37/td тд36.4/тд td2.54/td td3.51/td тд37.5/тд td2.61/td тд3,92/тд /tr tr class="даже» TDBавгуст/B/TD td21.3/td td1.67/td тд2.73/тд td31.7/td td2.28/td td3.51/td тд37.5/тд td2.61/td тд3,92/тд /tr tr class="нечетный» TDBсентябрь/B/TD тд13.2/тд тд1.20/тд тд2.04/тд тд23.1/тд тд1,75/тд тд2.77/тд тд43.2/тд тд2.00/тд тд3.02/тд /tr tr class="даже» ТДБоктобер/Б/ТД тд6.0/тд td0.91/td тд1.77/тд тд13.3/тд тд1.17/тд td1.94/td тд51.6/тд тд2.07/тд тд3.09/тд /tr tr class="нечетный» TDBноябрь/B/TD td2.1/td тд0.78/тд td1.60/td тд6.2/тд тд0.87/тд td1.62/td тд57.9/тд тд2.30/тд td3.58/td /tr tr class="даже» TDBдекабрь/B/TD td0.4/td тд0.79/тд тд1.66/тд td3.5/td тд0.77/тд td1.52/td тд59.8/тд td2.44/td td3.95/td /tr tr class="нечетный» td Бусредние/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 /таблица

   8.4.4 Балансировка подсистем

   Балансировка петель необходима для определения размеров системы. Вход должен быть равен выходному (рис. 8.5). В развязанной системе аквапоники, включающей блок биореактора, у нас есть два потока питательных веществ: (1) доля корма, выводимого в систему RAS в растворимой форме, и (2) доля питательных веществ в рыбном шламе, которую биореактор (ы) удается минерализовать и мобилизовать. Основным потоком (помимо периодического удаления деминерализованного осадка) питательных веществ является поглощение растений питательными веществами. Дифференциальный экв. 8.12 выражает этот баланс:

   $Минерализация\ (Eq.8.2) +m_ {feed} =\ гидроразрыва {\ подчеркивание {Q_ {HP}}\ раз\ rho_ {HP}} {1000} $ (8.12)

   $ (\ подчеркивание {\ eta_ {feed}}\ раз 10000\ раз\ pi_ {feed}\ раз\ pi_ {sludhe}\ раз\ eta_ {min}) +\ подчеркивание {m_ {feed}} =\ гидроразрыва {\ подчеркивание {Q_ {HP}} {1000} $ (8.13)

   где $\ подчеркивание {\ eta_ {feed}} $ является средним кормом (в кг), входящим в систему RAS, πsubfeed/subis доля питательного вещества в составе корма, πsubsludg/sub - доля конкретного кормового элемента, заканчивающегося в осадке, и ηsubmin/sub - минерализация и эффективность мобилизации umsubfeed/sub/u - среднее количество питательного вещества, которое рыба испражняет в растворенной форме, UQsubHP/Sub/U - среднее общее эвапотранспирация, а ρSubHP/subis - целевая (т.е. оптимальная) концентрация питательных веществ для конкретного питательного вещества в гидропонной подсистеме.

   Однако, чтобы иметь возможность определить требуемую область, есть две переменные, которые необходимо переопределить, чтобы решить это уравнение. Уравнение 8.14 показывает, как вычислить растворимые биогенные экскременты. В экв. 8.15 показано, что средняя общая эвапотранспирация является продуктом площади и удельной скорости эвапотранспирации растений (здесь показано как среднее значение) на msup2/sup.

   $\ подчеркивание {m_ {feed}} =\ подчеркивание {n_ {feed}}\ раз\ pi_ {feed}\ раз\ eta_ {excr} $ (8.14)

   где ηsubexcr/sub представляет долю питательного вещества, выводимого рыбой в растворимой форме.

   $\ подчеркивание {Q_ {HP}} =A\ раз\ подчеркивание {et_c} $ (8.15)

   где $\ underline {Q_ {HP}} $ представляет среднюю общую эвапотранспирацию (в L), A область и $\ подчеркивание {ET_ {c}} $ среднюю эвапотранспирацию специфической культуры в mm/msup2/sup (т.е. L/MSUP2/SUP).

   Решая экв. 8.13, используя экв. 8.14 и 8.15 для поиска А, мы можем рассчитать требуемую площадь установки по отношению к среднему входу корма (экв. 8.15).

   $A=\ гидроразрыва {(\ подчеркивание {\ eta_ {feed}\ раз 1000\ раз\ pi_ {feed}\ раз\ eta_ {excr}\ раз 1000}) + (\ подчеркивание {\ eta_ {feed}}\ раз 1000\ раз\ pi_ {feed}\ раз\ pi_ {slam} подчеркивание {et_c}\ раз\ rho_ {HP}} $ (8.16)

   Пример 8.2

   Для этого примера мы хотим определить размер (т.е. сбалансировать) системы по отношению к P. Мы предполагаем, что компонент RAS нашей системы требует среднесуточного ввода корма 150 кг. Производитель сообщает, что содержание P в корме для рыбы составляет 1%. Мы оцениваем P в осадке 55%, а P, который выводится из рыбы в растворимой форме, — 17%. Биореакторы работают довольно хорошо и минерализуют около 85% P.

   Что касается выходных данных, то мы рассчитали среднюю скорость эвапотранспирации для листьев салата (например, используя уравнение Пенман-Монтейта ФАО). В нашем месте это около 1,3 мм/день (то есть 1,3 л/день). Сообщается, что оптимальный P состав питательного раствора составляет 50 мг/л (Resh 2013). Поиск площади выращивания растений, необходимой для поглощения P, производимого системой, затем решается путем:

   $A=\ гидроразрыва {(\ подчеркивание {\ eta_ {feed}\ раз 1000\ раз\ pi_ {feed}\ раз\ eta_ {excr}\ раз 1000}) + (\ подчеркивание {\ eta_ {feed}}\ раз 1000\ раз\ pi_ {feed}\ раз\ pi_ {slam}\ подчеркивание {et_c}\ раз\ rho_ {HP}} $

   $A=\ гидроразрыва {(150000\ раз 0,01\ раз 0,17\ раз 1000) + (150000\ раз 0,01\ раз 0,55\ раз 0,85\ раз 1000)} {1,3\ раз 50} $

   $\ =\ гидроразрыва {255000+701250} {65} $

   $\ =14711m ^ 2 = 1,47га

   Приведенный выше пример показывает, что большинство P в гидропонике происходит от биореакторов. Таким образом, внедрение биореактора в развязанной системе оказывает очень большое влияние на устойчивость Р. Напротив, для определения размеров простых одноконтурных систем аквапоники обычно применяется правило большого пальца. Для листовых растений ок. 40—50 г, а для фруктовых растений — около 50—80 г корма на каждый участок культивирования msup2/sup (FAO 2014). Если посмотреть на вход корма в приведенном примере выше = 150 кг и разделить его на 45 (среднее приближение лиственных растений), то предлагаемая площадь культивирования составляет около 3750 мсуп2/суп. Оставляя без минерализации осадка, наш пример предполагает площадь культивирования 3333 мсуп2/суп при калибровке системы на P.

   8.4.5 Роль дистилляционной установки

   Роль дистилляционной установки заключается в поддержании концентрации питательных веществ в системе RAS и гидропонике на соответствующих желаемых уровнях. Поскольку накопление питательных веществ и соответствующая удельная плотность питательных веществ являются динамическими в системах RAS (т.е. в зависимости от скорости ETSubC/Sub), которые зависят от потока QSubHP/Sub и QSubx/Sub (рис. 8.5), размер дистилляционной установки не может быть определен с помощью дифференциального уравнения. Таким образом, для определения концентрации питательных веществ в РАС с течением времени требуется модель временных рядов. Концентрация питательных веществ в определенное время необходима для выполнения уравнений баланса масс в системе (раздел 8.3).

   

   Рис. 8.7 Моделирование сравнения концентрации NO3-N в водной системе RAS на воздействие потоков дистилляции (нет, твердая линия; 5000 л ч-1, пунктирная линия) на гидропонику (желтый, —-) и RAS (синий, —-) концентрации питательных растворов в ** а) ** Намибии и ** b) ** в Нидерландах, т.е. в низких и высоких широты (Намибия 22,6˚S и Нидерланды, 52,1 ˚NS, соответственно) в течение 36-месячного периода (включая этап подготовки системы) с использованием местных климатических данных и скорректированных на климат теплиц в качестве входных данных модели

   Для того чтобы система была сбалансированной (т.е. вход = выход), мы можем дать общее руководство по требуемой мощности такого дистилляционного блока. Цель состоит в том, чтобы избежать накопления питательных веществ в системе RAS. На рис. 8.7a, b показано влияние дистилляционных потоков на гидропонику и раствор питательных веществ RAS без цикла минерализации в двух различных широтах. Обе системы имеют одинаковую подачу (в среднем 158,6 кг суп-1/суп; см. рис. 8.6). Однако, принимая во внимание экологические условия и скорректированные на климат теплицы, необходимый и оптимальный гидропонный район различается между географическими местоположениями (см. главу 11). Гидропонные системы с низкой потенциальной скоростью испарения, как это обычно бывает в местах, расположенных на высоких широтах (т.е. вдали от экватора), потребуют больших площадей культивации, чем места, расположенные ближе к экватору. В то же время в этих регионах широко распространены более высокие годовые колебания облучения и, следовательно, транспирации, в связи с чем наблюдается более высокая потребность в сезонной изменчивости воды и питательных веществ (см. рис. 8.7). Однако при выращивании теплиц может потребоваться дополнительное освещение, а в таких странах, как Норвегия, выращивание овощей без дополнительного освещения едва ли происходит. Кроме того, общая поверхность листьев посевов имеет значение; посевы с высокой площадью листьев на единицу площади земли (т.е. индекс площади листьев) происходят больше, чем культуры с меньшими участками листьев, и между посевами помидоров и салата наблюдается явная разница. Все эти факторы необходимо учитывать при планировании и определении размеров аквапонной системы.

   Ниже приводится обзор оптимизированного размера гидропонной площади для описанных выше систем аквапоники: Площадь культивирования монокультур, смоделированная сценариями с шагом 250 мсуп2/суп, чтобы найти подходящую площадь салата или помидоров для того, чтобы сбалансировать систему, была без дополнительного освещения (для салата или помидоров, соответственно):

   • 17,000 мсуп2/суп или 11,750 мсуп2/суп для Фарерских островов

   • 15.500 мсуп2/суп или 11.000 мсуп2/суп для Нидерландов

   • 8750 мсуп2/суп или 6500 мсуп2/суп для Намибии

   Несмотря на то, что размеры систем различаются, среднегодовое потребление питательных веществ аналогично. Однако при интеграции системы реактора мы должны учитывать дополнительный источник питательных веществ (рис. 8.1c). Изменение одного компонента неизбежно приводит к дисбалансу системы, однако система должна стремиться обеспечить оптимальные питательные вещества как для RAS, так и для HP. Например, NO3-N в РАС должен быть ниже определенного порогового значения\ 200 мг L<Sup-1/SUP для, например, тилапии, в то время как PO4-P в ВД должен быть как можно ближе к рекомендуемой концентрации 50 мг LSup-1/SUP для выращивания растений высокого качества. Таким образом, имитационные исследования помогают определить размеры компонентов в развязанной замкнутой многоконтурной системе аквапоники, чтобы обеспечить оптимальное снабжение питательными веществами как для рыб, так и для растений. С этой целью Goddek и Körner (2019) создали численный симулятор аквапоники.

   Однако планирование аквапонной системы предполагает некоторое базовое понимание системы для достижения баланса, который сводит к минимуму нежелательные пики спроса на питательные вещества и их предложения. Поскольку движущей силой динамики питательных веществ является эвапотранспирация урожая (ETSubc/Sub в системе HP), которая в значительной степени определяется микроклиматом и поглощением света. В идеально сбалансированной системе это будет полностью автоматизированная и контролируемая (см. раздел 8.5 среда мониторинга и контроля) с 24-часовым освещением. Растения нуждаются в определенном темном периоде около 4—6 ч, поэтому наиболее сбалансированная система реалистично проводить аквапонику на закрытых заводах исключительно с искусственными источниками света. Это, однако, требует высоких затрат на электроэнергию и инвестиций и возможно только при очень высоких ценах на продукцию. Поэтому мы рекомендуем тепличное производство с дополнительным освещением (при необходимости и при окупаемости) как практичный и экономически целесообразный способ строительства аквапонной установки. Размещение растений и рыбы в одной физической конструкции приводит к дополнительному синергизму, включая снижение нагрева и увеличение роста растений за счет повышения COSub2/Sub (Körner et al. 2017).

   В дополнение к этим техническим вопросам процедуры возделывания растений (практическая садоводческая часть системы) должны быть скорректированы с учетом потребностей аквапоники таким образом, чтобы сохранялась постоянная потребность в питательных веществах для культур (при условии того же климата и света), как показано в таблице 8.3. Выращивание салата и другой листовой зелени осуществляется непрерывно (Körner et al. 2018), в то время как более крупные культуры, такие как фруктовые овощи, такие как помидор, огурец или сладкий перец, обычно посеяются зимой, а первый урожай часто происходит в конце зимы/начале весны с последующим удалением растений и другой урожай снова посеян для сбора урожая зимой. Без интерсева, т.е. либо различных видов культур в одной и той же системе, либо партий плодовых овощей, высаживаемых в течение года в целях поддержания спроса на питательные вещества, будут возникать периоды низкого спроса на питательные вещества и высокого уровня питательных веществ. На основе Goddek and Körner (2019) показано изменение NOSub3/subn в RAS для помидоров (часто не корректируется в аквапонике) и салата, когда для трех климатических зон (Фарерские острова, Нидерланды и Намибия) не используется дополнительное освещение (рис. 8.8). Баланс системы достигается за счет увеличения суточного светового интеграла (т.е. суммы молевого света, полученного в течение 24-часового периода) с динамическим дополнительным регулированием освещения (Körner et al. 2006).

   

   Рис. 8.8 NO3-N в RAS в сочетании с выращиванием томата или салата ВД в трех климатических зонах и уменьшающихся широтах (Фарерские острова 62.0N, Нидерланды 52.1˚N, Намибия 22,6˚S) с оптимизированной площадью для гидропоники (см. выше) в 36-месячном моделировании с использованием местных климатических данных и скорректированных по климату теплиц ввод модели

   Применение технологий дистилляции/опреснения может способствовать значительному снижению содержания питательных веществ в РАС при одновременной корректировке уровней в системе ВД ближе к оптиме, т.е. блок концентрирует питательные вещества до уровней, требуемых растениями. На рис. 8.9 показано влияние установки опреснения на концентрацию RAS NOSub3/subn при применении от 0 до 5000 л hsup-1/sup и systemsup-1/sup. Очевидно, что с увеличением потока опреснения концентрация NOSub3/subn в системе RAS уменьшается. Установка, однако, контролируется по требованию POSub4/Sub в системе HP. Необходимо избегать пиков, и, как указано выше, это может быть достигнуто путем создания стабильной климатической среды с динамическим регулированием света. Очевидно, что в климатических регионах с меньшими годовыми различиями в солнечном излучении наблюдается меньшая вариация ETSubc/Sub и вся система является более стабильной. Установка ламп и поддержание ежедневного света интеграл не менее 10 моль msup-2/sup может компенсировать сезонные колебания. Интерсев и смешанное растениеводство помогают выравнивать пик, возникающий в результате традиционного протокола выращивания томата с молодыми растениями зимой, когда

   

   Рис. 8.9 NO3-N в RAS в сочетании с HP с томатами (справа) или салатом (слева) с опреснением от 0 до 5000 л ч суп-1/суп в трех климатических зонах и понижающих широтах (Фарерские острова 62,0˚N, Нидерланды 52,1 ˚N, Намибия 22,6˚S) с скорректированной площадью для ВД (см. выше) в 36-месячном моделировании с использованием местных климатических данных и скорректированных на климат теплиц в качестве входных данных модели

   климат (низкая радиация) и культивирование (небольшие растения, низкий потенциал ETSubc/Sub) способствуют накоплению питательных веществ.

5. 8.5 Мониторинг и контроль

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В классическом управлении обратной связью, как PI или PID (пропорционально-интегрально-производная), контролируемые переменные (CV) непосредственно измеряются, сравниваются с уставкой, и впоследствии возвращаются в процесс через закон управления обратной связью.

   На рис. 8.10 сигналы, без аргумента времени, обозначаются маленькой буквой, где y - управляемая переменная (CV), которая сравнивается с эталонным сигналом r. Ошибка отслеживания ε (т.е. r - y) подается в контроллер, либо в аппаратном или программном обеспечении, с которого входной сигнал управления u, также известный как управляемая переменная (MV), генерируется. Входные данные u непосредственно влияют на процесс (P), из которого получается результат (y). Выборочный вывод впоследствии сравнивается с r, который закрывает цикл. На практике этот цикл продолжается до тех пор, пока контроллер не выключится. Существует обширная литература по контролю обратной связи (Doyle et al. 1992; Morris 2001; Ogata 2010), и это является предметом исследований в течение многих лет, начиная с произведений Боде (1930) и Никвиста (1932).

   

   Рис. 8.10 Управление обратной связью с контроллером (C) и процессом (P). r опорный сигнал, ошибка отслеживания eps, входной сигнал u, выходной сигнал у сигма

   В RAS типичными CV являются температура, рН и концентрация растворенного кислорода (DO), для которых существуют надежные датчики. Следовательно, контроль качества воды с обратной связью может быть легко реализован. Однако на практике чаще всего входные и выходные сигналы нарушаются шумовыми процессами, такими как неизвестные случайные входы и измерительные шумы. Кроме того, общий процесс (P) может меняться со временем в результате роста, созревания, старения и т.д. Корм для рыбы является еще одним вкладом в РСБУ, и его влияние на рост рыбы невозможно напрямую увидеть или измерить. Для этих параметров, как правило, вводятся контроллеры на основе моделей (например, feedforward, predictive модели и оптимальный контроль) для прогнозирования реакции изменения входных данных управления. Тем не менее, корм для рыбы обычно добавляется на основе значений, содержащихся в таблицах или рецептах, но этот основанный на правилах контроль может нуждаться в некоторой корректировке в реальной практике, чтобы действовать в качестве контроллера обратной связи. Поведение рыб в РАС является классической мерой контроля обратной связи, поскольку рыба физиологически реагирует на изменения окружающей среды с изменениями в движении, местоположении, восприимчивости к корму и т.д.

   Гидропонное производство обычно происходит в защищенных средах, таких как теплицы или заводские фабрики, где необходимо контролировать как корневую, так и воздушную среду. Контроллеры включения/выключения, которые прогнозируют оптимальную воздушную среду, оказались выше в экспериментальных исследованиях, но коммерциализация идет медленно, в то время как контроллеры обратной связи являются стандартными в большинстве теплиц с контролируемым климатом. Однако привод варьируется в зависимости от типа контроллера с нагревательными клапанами и вентиляционными отверстиями, обычно управляемыми обратной связью, но освещение обычно имеет механизм ON-OFF и только некоторые из них регулируются затемнением. Контроллеры, которые полагаются на ввод датчиков или данных, могут реагировать на быстрый рост в защищенной среде и привести к производству высококачественной продукции с высокими рыночными ценами, что повышает ее рентабельность. Многие коммерческие теплицы по-прежнему имеют классический центральный датчик, висящий на высоте 1—2 м над посевом и охватывающий несколько сотен квадратных метров, все еще используется, но несколько беспроводных датчиков, охватывающих небольшие площади, внедряются, хотя большая часть подробных данных не может быть использована, так как довольно большие климатическими зонами управляются одни и те же приводы. Достижения в области сенсорной технологии (например, датчики температуры микроклимата, процессоры изображений, измерения газообмена или флуоресценции хлорофилла в режиме реального времени), подключенные к программному обеспечению для моделирования, могут использоваться системы поддержки принятия решений и превращаться в автоматизированные системы управления.

   В типичных биореакторных системах температура, рН, растворенный кислород в аэрированных системах и газовые потоки в анаэробных системах непрерывно измеряются и регулируются с помощью доступных регуляторов температуры, рН и растворенного кислорода. Кроме того, время как гидравлического (HRT), так и осадка (SRT) также часто устанавливается путем контроля потоков (сточных) воды и потоков отходов биомассы, соответственно.

6. 8.6 Экономические последствия

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Технологии, которые приносят меньшую прибыль, но лучше для окружающей среды, обычно внедряются только тогда, когда операторы получают стимул в виде субсидий или политики, заставляют их делать это. В случае одноконтурных систем аквапоники привлекательность заключается в новой технологии и подходе системы к устойчивому использованию ресурсов, а не в ее экономическом потенциале. Тем не менее, последние публикации свидетельствуют об увеличении производства: зелень растет лучше в развязанных средах, чем в стерильных гидропонных системах (Delaide et al. 2016; Goddek and Vermeulen 2018), а листья салата в развязанных системах аквапоники имели преимущество в плане роста примерно на 40% по сравнению с состоянием самые современные гидропонные подходы.

   Несмотря на то, что можно ожидать более высоких темпов роста, многоконтурные системы аквапоники все еще являются гораздо более сложными, чем гидропоники, и для их внедрения требуются значительные первоначальные инвестиции. В большинстве географических районов требуется высокотехнологичная теплица для контроля состояния окружающей среды (т.е. относительная влажность 80%, постоянная температура около 20С). Возобновляемые источники энергии могут использоваться для охлаждения и отопления, но в настоящее время такие системы прибыльны только при крупномасштабной установке (т.е.\ > 1 га), где преобладают хорошие рыночные условия.

7. 8.7 Воздействие на окружающую среду

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Основываясь на примере 8.2, имеются данные о том, что обработка осадка в реакторах может оказать благотворное воздействие на повторное использование питательных веществ, особенно фосфора. Биореакторные системы, такие как последовательная двухступенчатая система реактора УАСБ, могут повысить эффективность рециркуляции фосфора до 300% (глава 10). Ранее в главе 2 мы обсуждали фосфорный парадокс в отношении как дефицита фосфатов, так и проблем с эвтрофикацией. Биореакторы имеют значительные преимущества для увеличения извлечения питательных веществ из осадка, тем самым помогая закрыть цикл цикла питательных веществ в системах аквапоники. Однако необходимы дальнейшие исследования для совершенствования таких систем в целях оптимизации биодоступности конкретных питательных веществ. На рисунках 8.11, 8.12 и 8.13 показаны входные, выходные и отходы автономных систем аквакультуры и гидропоники по сравнению с разветвленной системой аквапоники. Можно видеть, что развязанный подход представляет собой многообещающую сельскохозяйственную концепцию для системы сокращения и рециркуляции отходов.

   

   Рис. 8.11 Входные, выходные и убыточные потоки в автономной гидропонной системе

   

   Рис. 8.12 Входные, выходные и убыточные потоки в автономной системе аквакультуры

   

   Рис. 8.13 Входные, выходные и убыточные потоки в развязанной многоконтурной системе аквапоники, включающей систему анаэробного реактора