Source material

Sura ya 10 Matibabu ya Aerobic na Anaerobic kwa Kupunguza na Mineralisation ya Aquaponic

1. 10.1 Utangulizi

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Dhana ya aquaponics inahusishwa na kuwa mfumo wa uzalishaji endelevu, kwa vile inarudia upya mfumo wa maji machafu (RAS), maji machafu yaliyotajiriwa katika macronutrients (yaani nitrojeni (N), fosforasi (P), potasiamu (K), kalsiamu (Ca), magnesiamu (Mg) na sulphur)) na micronutrients (S) na micronutrients (yaani chuma (Fe), manganese (Mn), zinki (Zn), shaba (Cu), boroni (B) na molybdenum (Mo)) kuimarisha mimea (Graber na Junge 2009; Licamele 2009; Nichols na Savidov 2012; Turcios na Papenbrock 2014). Swali lililojadiliwa sana ni kama dhana hii inaweza kufanana na tamaa yake ya kuwa mfumo wa nusu-imefungwa, kama kiasi kikubwa cha virutubisho vinavyoingia kwenye mfumo hupotezwa kwa kutekeleza sludge ya samaki yenye virutubisho (Endut et al. 2010; Naylor et al. 1999; Neto na Ostrensky 2013). Hakika, ili kudumisha ubora mzuri wa maji katika mifumo ya RAS na aquaponic, maji yanapaswa kuchujwa mara kwa mara kwa ajili ya kuondolewa imara. Mbinu kuu mbili za filtration imara ni kuhifadhi chembe katika mesh (yaani filtration mesh kama filters ngoma) na kuruhusu chembe decant katika clarifiers. Katika mimea ya kawaida, sludge hutolewa nje ya vifaa hivi vya kufuta mitambo na hutolewa kama maji taka. Katika hali bora, sludge ni kavu na kutumika kama mbolea katika mashamba ya ardhi (Brod et al. 2017). Kwa hakika, hadi 50% (katika suala kavu) ya malisho yaliyoingizwa hupunguzwa kama yabisi na samaki (Chen et al. 1997), na virutubisho vingi vinavyoingia mifumo ya aquaponic kupitia kulisha samaki hujilimbikiza katika yabisi haya na hivyo katika sludge (Neto na Ostrensky 2013; Schneider et al. 2005). Hivyo, ufanisi filtration imara kuondosha, kwa mfano, zaidi ya 80% ya thamani P (Monsees et al. 2017) ambayo inaweza vinginevyo kutumika kwa ajili ya uzalishaji wa mimea. Kwa hiyo, kuchakata virutubisho hivi muhimu kwa ajili ya maombi ya aquaponic ni muhimu sana. Kuendeleza matibabu sahihi ya sludge na uwezo wa mineralise virutubisho zilizomo katika sludge kwa kutumia tena katika kitengo cha hydroponic inaonekana kuwa mchakato muhimu kwa kuchangia kufunga kitanzi cha virutubisho kwa kiwango cha juu na hivyo kupunguza athari za mazingira za mifumo ya aquaponic (Goddek et al. 2015; Goddek na Keesman 2018; Goddek na Körner 2019).

   Imeonyeshwa katika tafiti za majaribio ambazo zinajumuisha ufumbuzi wa virutubisho wa maji (yaani baada ya kuongeza virutubisho vinavyopungua) huendeleza ukuaji wa mimea ikilinganishwa na hydroponics (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). Kwa hivyo, mineralisation ya sludge pia ni njia ya kuahidi kuboresha utendaji wa mfumo wa aquaponic kama virutubisho vinavyopatikana hutumiwa kuimarisha suluhisho la maji. Aidha, vitengo vya mineralisation kwenye tovuti vinaweza pia kuongeza kujitosheleza kwa vifaa vya aquaponic, hasa kuhusiana na rasilimali za mwisho kama P ambayo ni muhimu kwa ukuaji wa mimea. P ni zinazozalishwa na shughuli za madini, ambapo amana si sawa kusambazwa duniani kote. Aidha, bei yake imeongezeka hadi 800% ndani ya muongo uliopita (McGill 2012). Hivyo, vitengo vya mineralisation vinavyotumika katika mifumo ya aquaponic pia vinaweza kuongeza mafanikio yake ya kiuchumi na utulivu wa baadaye.

   Matibabu ya sludge katika aquaponics inahitaji kufikiwa tofauti kuliko ilivyofanyika zamani. Hakika, katika matibabu ya kawaida ya maji machafu, lengo kuu ni kupata maji machafu na safi. Maonyesho ya matibabu yanaonyeshwa kwa suala la kuondolewa kwa uchafu (kwa mfano yabisi, nitrojeni (N), fosforasi (P), nk) nje ya maji machafu na kwa kupima majivu kwa heshima ya ubora uliopatikana (Techobanoglous et al. 2014). Kutumia mbinu hii ya kawaida, tafiti kadhaa zimetoa ushahidi wa kiasi kwamba uwiano thabiti wa mahitaji ya oksijeni ya kemikali (COD) na jumla yabisi zilizosimamishwa (TSS) zinaweza kuondolewa kwa kuchimba maji machafu ya RAS chini ya aerobic, anaerobic na mtiririko aerobic hali ya anaerobic (Goddek et al. 2018; Chowdhury et al. 2010; Mirzoyan et al. 2010; Van Rijn 2013). Hata hivyo, katika mifumo ya aquaponic, maji machafu kutoka samaki yanaonekana kuwa chanzo muhimu cha mbolea. Ndani ya mbinu iliyofungwa-kitanzi, sehemu imara iliyotolewa inahitaji kupunguzwa (yaani kupunguza kikaboni), na maudhui ya virutubisho katika majivu yanahitaji kuongezwa (yaani madini ya madini yaliyoongezeka). Kwa hiyo, utendaji wa matibabu ya maji machafu katika aquaponics hauhitaji tena kuonyeshwa kwa suala la kuondolewa kwa uchafu lakini kwa upande wa kupunguza uchafuzi na uwezo wa madini ya madini.

   Masomo machache yameonyesha uwezo wa kazi ya kuchimba sludge ya samaki na matibabu ya aerobic na anaerobic kwa madhumuni ya kupunguza kikaboni (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). Kwa matibabu ya anaerobic katika bioreactor, suala la juu kavu (yaani TSS) kupunguza utendaji (kwa mfano juu ya 90%) inaweza kupatikana wakati methane pia inaweza kuzalishwa (van Lier et al. 2008; Mirzoyan na Pato la 2013; Yogev et al. 2016).

   Matibabu ya aerobic ya sludge pia ni njia nzuri sana ya kupunguza suala la kikaboni, ambalo linaoksidishwa kwa COSub2/Sub wakati wa kupumua (tazama Eq 10.1). Kwa mfano, viwango vya kupunguza 90% (hapa kuamua kama yabisi suspended, COD na BOD kupunguza) ziliripotiwa kutoka kituo cha kufufua rasilimali za maji (Seo et al. 2017). Michakato ya Aerobic ni kasi zaidi kuliko anaerobic, lakini inaweza kuwa ghali zaidi (Chen et al. 1997) kama aeration ya mara kwa mara ya mchanganyiko wa sludge—maji inahitaji pampu zenye nguvu au motors. Aidha, sehemu kubwa ya virutubisho hubadilishwa kuwa biomass microbial na wala kukaa kufutwa katika maji.

   Ingawa tafiti hizi zimeonyesha uwezekano wa kupunguza kikaboni wa sludge ya samaki, waandishi wachache tu wamechunguza kutolewa kwa virutubisho maalum (kwa mfano kwa N na P) kutoka sludge ya samaki. Zaidi ya masomo haya yalikuwa kwa muda mfupi katika vitro majaribio kundi (Conroy na Couturier 2010; Monsees et al. 2017; Stewart et al. 2006) na kutoka RAS uendeshaji (Yogev et al. 2016), badala ya kuanzisha aquaponic. Wakati wa kujadiliwa kwa kiasi fulani katika nadharia (Goddek et al. 2016; Yogev et al. 2017), utafiti unapaswa kuanza sasa kuchunguza utaratibu wa kupunguza kikaboni na madini ya madini utendaji wa sludge ya samaki kwa mitambo ya aerobic na anaerobic na athari zake juu ya muundo wa maji na mimea ukuaji wa uchumi. Kwa hiyo, sura hii inalenga kutoa maelezo ya jumla juu ya matibabu mbalimbali ya sludge ya samaki ambayo yanaweza kuunganishwa katika setups aquaponic kufikia kupunguza kikaboni na madini ya madini. Baadhi ya mbinu za kubuni zitaonyeshwa. Mbinu ya usawa wa wingi wa madini katika mazingira ya matibabu ya sludge ya aquaponic itajadiliwa, na mbinu maalum ya kupima utendaji wa matibabu ya sludge itaendelezwa.

2. 10.2 Utekelezaji wa Matibabu ya Maji machafu katika Aquaponics

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Katika aquaponics, maji machafu yanayoshtakiwa na yabisi (yaani sludge) ni chanzo muhimu cha virutubisho, na matibabu sahihi yanahitajika kufanywa. Malengo ya matibabu hutofautiana na matibabu ya kawaida ya maji machafu kwa sababu katika maji yabisi na uhifadhi wa maji ni ya riba. Aidha, bila kujali matibabu ya maji machafu yaliyotumika, lengo lake linapaswa kuwa kupunguza yabisi na wakati huo huo mineralise virutubisho vyake. Kwa maneno mengine, lengo ni kupata imara ya bure majivu lakini matajiri katika virutubisho solubilised (yaani anions na cations) ambayo inaweza kuwa reinserted katika kitanzi maji katika kuanzisha pamoja (Kielelezo 10.1a) au moja kwa moja katika hydroponic kukua vitanda katika kuanzisha decoupled (Kielelezo 10.1b). Samaki sludge yabisi ni hasa linajumuisha degradable hai jambo ili kupunguza imara inaweza kuitwa kikaboni kupunguza. Hakika, tata molekuli kikaboni (kwa mfano protini, lipids, wanga, nk) ni hasa linajumuisha kaboni na itakuwa mfululizo kupunguzwa kwa misombo ya chini Masi uzito mpaka mwisho aina ya gesi ya COsub2/Sub na Chsub4/sub (katika kesi ya Fermentation anaerobic). Wakati wa mchakato huu wa uharibifu, macronutrients (yaani N, P, K, Ca, Mg na S) na micronutrients (yaani Fe, Mn, Zn, Cu, B na Mo) ambazo zilifungwa kwa molekuli za kikaboni hutolewa ndani ya maji katika fomu zao za ionic. Jambo hili linaitwa leaching ya virutubisho au mineralisation ya virutubisho. Inaweza kudhani kuwa wakati kupunguzwa kwa kikaboni kunapatikana, mineralisation ya juu ya virutubisho pia itapatikana. Kwa upande mmoja, sludge ina uwiano wa madini yasiyofanywa, na kwa upande mwingine, baadhi ya macro-na micronutrients hutolewa wakati wa mchakato wa mineralisation. Hizi zinaweza haraka kuziba pamoja na kuunda madini yasiyokuwa na madini. Hali kati ya ions na madini yaliyopunguzwa ya zaidi ya macro- na micronutrients ni pH tegemezi. Madini inayojulikana zaidi ambayo hupunguza katika bioreactors ni phosphate ya kalsiamu, sulphate ya kalsiamu, carbonate ya kalsiamu, pyrite na struvite (Peng et al. 2018; Zhang et al. 2016). Conroy na Couturier (2010) aliona kuwa Ca na P zilitolewa katika Reactor anaerobic wakati pH imeshuka chini ya 6. Walionyesha kuwa kutolewa kulifanana hasa na mineralisation ya kalsiamu phosphate. Goddek et al. (2018) pia aliona ufumbuzi wa P, Ca na macronutrients nyingine katika upflow anaerobic sludge blanketi Reactor (UASB) kwamba akageuka tindikali. Jung na Lovitt (2011) waliripoti uhamasishaji wa virutubisho 90% wa sludge inayotokana na maji kwa thamani ya chini sana ya pH ya 4. Katika hali hii, macro-na micronutrients wote walikuwa solubilised. Hivyo kuna uhasama kati ya kupunguza kikaboni na madini ya madini. Hakika, kupunguza kikaboni ni maximal wakati microorganisms ni kazi kwa kuharibu misombo ya kikaboni, na hii hutokea katika pH katika aina mbalimbali ya 6—8. Kwa sababu leaching virutubisho hutokea katika pH chini ya 6, kwa mojawapo kupunguza kikaboni na madini madini madini, ufanisi zaidi itakuwa kugawanya mchakato katika hatua mbili, yaani kikaboni kupunguza hatua katika pH karibu na upande wowote na virutubisho leaching hatua chini ya hali tindikali. Kwa ujuzi wetu, hakuna operesheni kwa kutumia mbinu hii ya hatua mbili bado imeripotiwa. Hii inafungua shamba jipya katika matibabu ya maji machafu na utafiti zaidi wa utekelezaji katika aquaponics unahitajika.

   

   Kielelezo 10.1 Utekelezaji wa mchoro wa matibabu ya sludge katika mfumo mmoja wa kitanzi cha aquaponic ** (a) ** na katika mfumo wa aquaponic uliokatwa ** (b) **

   Uchaguzi wa kulisha pia ni muhimu katika muktadha huu. Katika milisho ya mnyama ambapo sehemu kubwa ingredient bado inategemea vyanzo vya wanyama (kwa mfano samaki, unga wa mfupa), phosphate iliyofungwa, kwa mfano kama apatite (inayotokana na mlo wa mfupa), inapatikana kwa urahisi chini ya hali ya tindikali, ambapo milisho ya mimea yenye makao yana phytate kama chanzo kikuu cha phosphate. Phytate kinyume na, kwa mfano apatite inahitaji kubadilika kwa enzymatic (phytase) (Kumar et al. 2012), na hivyo phosphate haipatikani kwa urahisi.

3. 10.3 Matibabu ya Aerobic

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Tiba ya Aerobic huongeza oxidation ya sludge kwa kusaidia mawasiliano yake na oksijeni. Katika kesi hiyo, oxidation ya suala la kikaboni inaendeshwa hasa na kupumua kwa microorganisms heterotrophic. CoSub2/sub, bidhaa ya mwisho ya kupumua, hutolewa kama inavyoonekana katika Eq. (10.1).

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

   Utaratibu huu katika mitambo ya aerobic unapatikana hasa kwa kuingiza hewa ndani ya mchanganyiko wa sludge—maji na pigo za hewa zilizounganishwa na diffusers na propellers. Sindano ya hewa pia inahakikisha kuchanganya sahihi ya sludge.

   Wakati wa mchakato huu wa oxidative, macro-na micronutrients amefungwa kwa suala la kikaboni hutolewa. Utaratibu huu unaitwa mineralisation ya aerobic. Kwa hiyo, virutubisho zaidi vinaweza kutumiwa tena wakati wa mchakato wa mineralisation, ambapo virutubisho vingine, k.m. sodiamu na kloridi, vinaweza pia kuzidi kizingiti chao kwa matumizi ya hydroponic na lazima kufuatiliwa kwa makini kabla ya maombi (Rakocy et al. Mineralisation Aerobic ya suala hai, inayotokana na kitengo imara kuondolewa (kwa mfano clarifier au ngoma filter) katika RAS, ni njia rahisi ya kusaga virutubisho kwa ajili ya matumizi ya baadae ya aquaponic.

   Aidha, wakati wa mchakato wa digestion aerobic, pH matone na kukuza mineralisation ya madini amefungwa trapped katika sludge. Kwa mfano, Monsees et al. (2017) ilionyesha kuwa P ilitolewa kutoka sludge ya RAS kutokana na mabadiliko haya ya pH. Kupungua kwa pH huendeshwa hasa na kupumua na kwa kiwango cha chini pengine kwa nitrification.

   Kutokana na ugavi wa oksijeni mara kwa mara kupitia aeration ya chumba cha mineralisation na wingi wa suala la kikaboni, microorganisms heterotrophic hupata hali nzuri ya kukua. Hii inasababisha ongezeko la kupumua na kutolewa kwa COSub2/Sub ambayo hupasuka ndani ya maji. Cosub2/sub aina asidi kaboniki ambayo dissociates na hivyo lowers pH ya mchakato wa maji kama mfano katika equation zifuatazo:

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

   RAS-inayotokana maji machafu mara nyingi ina NHsub4/subsup+/sup na kuongeza ni sifa kwa pH neutral ya karibu 7, kwa sababu pH katika RAS inahitaji kuwekwa katika ngazi hiyo ili kuhakikisha mojawapo microbial kubadilika NHsub4/subsup+/sup kwa NoSub3/sup ndani ya biofilter (yaani nitrification). Mchakato wa nitrification unaweza kuchangia kupungua kwa pH katika mitambo ya aerobic katika awamu ya kuanzia kwa kutoa protoni kwenye mchakato wa maji kama inavyoonekana katika equation ifuatayo:

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

   Hii ni angalau halali kwa awamu ya kuanzia ambapo pH bado iko juu ya 6. Katika pH ≤ 6, nitrification inaweza kupunguza kasi au hata kusitisha (Ebeling et al. 2006). Hata hivyo, hii haiwakilishi tatizo kwa kitengo cha mineralisation.

   Kupungua kwa jumla kwa pH katika kitengo cha mineralisation aerobic katika mchakato unaoendelea ni dereva mkuu wa kutolewa kwa virutubisho sasa chini ya mfumo wa madini precipitated kama phosphates kalsiamu. Monsees et al. (2017) alibainisha kuwa karibu 50% ya phosphate katika sludge ilikuwa asidi mumunyifu, inayotokana na Tilapia RAS ambapo chakula cha kawaida kilicho na samaki kilitumika. Hapa, karibu 80% ya phosphate ndani ya RAS ilipotea na kusafisha ya decanter na kuondokana na mchanganyiko wa sludge—maji. Kuzingatia ukweli huu, uwezo mkubwa wa vitengo vya mineralisation kwa ajili ya maombi ya aquaponic inakuwa wazi.

   Faida za madini ya aerobic ni matengenezo ya chini na hakuna haja ya wafanyakazi wenye ujuzi na hakuna reoxygenation inayofuata. Maji yenye utajiri yanaweza kutumika moja kwa moja kwa ajili ya mbolea ya mimea, kwa kweli inasimamiwa na mfumo wa mtandaoni kwa ajili ya maandalizi ya kutosha ya suluhisho la virutubisho. Hasara ikilinganishwa na madini ya anaerobic ni kwamba hakuna methane inayozalishwa (Chen et al. 1997) na, kama ilivyoelezwa tayari, mahitaji ya juu ya nishati kutokana na haja ya aeration mara kwa mara.

   10.3.1 Vitengo vya Mineralisation ya Aerobic

   

   Mtini. 10.2 Mfano wa mchoro wa kitengo cha mineralisation cha aerobic kinaendeshwa katika hali ya kundi. Chumba cha mineralisation (kahawia) kinatenganishwa na chumba cha plagi (bluu) kwa sahani ya ungo ambayo inafunikwa na sahani imara ya kifuniko wakati wa mchakato wa mineralisation (nguvu ya aeration) ili kuzuia kuziba na kuunda chembe nzuri. Maji ya tajiri ya mwili kutoka kwa ufafanuzi au chujio cha ngoma huingia kitengo cha mineralisation kupitia ghuba. Baada ya mzunguko wa mineralisation kukamilika, virutubisho, maji yasiyokuwa imara hutoka kitengo cha mineralisation kupitia plagi na huhamishiwa moja kwa moja kwenye kitengo cha hydroponic au kuhifadhiwa kwenye tank ya kuhifadhi mpaka inahitajika

   Mfano wa kubuni wa kitengo cha mineralisation cha aerobic hutolewa kwenye Mchoro 10.2. Ghuba imeshikamana na kitengo cha kuondolewa imara kupitia valve, ambayo inaruhusu kukamilika kwa chumba cha mineralisation na mchanganyiko wa sludge na maji. Chumba cha mineralisation kinatengenezwa kupitia hewa iliyosimamiwa ili kukuza upumuaji wa bakteria ya heterotrophic na kuweka michakato ya denitrification ya anaerobic iwezekanavyo. Ili kuzuia nyenzo za kikaboni kutoka kwenye chumba cha mineralisation, sahani ya ungo inaweza kutumika kama kizuizi. Kwa kweli, sahani ya pili, isiyoweza kuingizwa inapaswa kutumiwa kufunika ungo wakati wa mchakato wa mineralisation (wakati wa aeration). Hii inapaswa kuzuia sahani ya sieve kutoka kwa kuziba kama wakati wa aeration nzito nyenzo za kikaboni zingekuwa zimehamishwa mara kwa mara dhidi ya sahani ya ungo. Kabla ya kuhamisha maji yenye virutubisho kutoka kwenye chumba cha mineralisation kwenye kitengo cha hydroponic, aeration imesimamishwa ili kuruhusu chembe kukaa. Baadaye, sahani ya kifuniko imeondolewa, na maji yenye utajiri wa virutubisho yanaweza kupitisha sahani ya ungo na kuacha chumba cha mineralisation kupitia bandari kama ilivyopendekezwa kwenye Mchoro 10.2. Hatimaye, sahani ya kifuniko imewekwa tena, chumba cha mineralisation kinajazwa na mchanganyiko wa maji ya RAS-inayotokana na sludge-maji, na mchakato wa mineralisation huanza tena (yaani mchakato wa kundi).

   Kitengo cha mineralisation kinapaswa kuwa na angalau mara mbili ya kiasi cha ufafanuzi ili kuruhusu mineralisation inayoendelea. Mzunguko mmoja wa mineralisation unaweza kudumu kwa muda wa siku 5—30 kulingana na mfumo, mzigo wa kikaboni na wasifu unaohitajika wa virutubisho na unapaswa kufafanuliwa kwa kila mfumo wa mtu binafsi. Kwa mifumo ikiwa ni pamoja na chujio cha ngoma, kama ilivyo katika RAS ya kisasa zaidi, ukubwa wa kitengo cha mineralisation unapaswa kurekebishwa kulingana na outflow ya kila siku au ya kila wiki ya sludge ya chujio cha ngoma. Kwa kuwa hiyo haijajaribiwa katika kuanzisha majaribio hadi sasa, mapendekezo maalum hayawezekani sasa.

   10.3.2 Utekelezaji

   Mfano wa utekelezaji wa kitengo cha mineralisation ya aerobic katika mfumo wa aquaponic uliokatwa hutolewa katika Mchoro 10.3. Kwa kuwa hakuna kabla na baada ya matibabu (kwa mfano re-oksijeni) inahitajika, kitengo cha mineralisation kinaweza kuwekwa moja kwa moja kati ya kitengo cha kuondolewa imara na vitanda vya hydroponic. Kwa kufunga valve kabla na baada ya kitengo cha mineralisation, operesheni ya kuacha na utoaji wa virutubisho kwenye kitengo cha hydroponic inahitajika, lakini mara nyingi, tank ya ziada ya kuhifadhi itahitajika. Kwa kweli, baada ya kuongoza maji yenye virutubisho kwenye kitengo cha hydroponic, maji yaliyohamishwa yanabadilishwa na sludge mpya na maji kutoka kitengo cha kuondolewa imara. Kulingana na kiasi cha kitengo cha mineralisation, ni muhimu kutambua kuwa kujaza kwa mchanganyiko mpya wa sludge—maji kunaweza kusababisha ongezeko la pH tena, na hivyo mchakato wa mineralisation unaweza kuingiliwa. Kwa kuongeza ukubwa wa kitengo cha mineralisation, athari hii ingekuwa imefungwa. Katika utafiti uliofanywa na Rakocy et al. (2007) kuchunguza taka za kiowevu kutoka kwenye mifumo miwili ya ufugaji wa maji, muda wa uhifadhi wa siku 29 kwa ajili ya madini ya aerobic ulisababisha mafanikio makubwa ya mineralisation. Hata hivyo, hii pia inategemea maudhui ya TS ndani ya chumba cha mineralisation, kwenye malisho yaliyotumika kwa RAS, juu ya joto na mahitaji ya virutubisho ya mimea inayozalishwa ndani ya kitengo cha hydroponic.

   

   Mtini. 10.3 Mchoro picha ya mfumo decoupled aquaponic ikiwa ni pamoja na aerobic mineralisation kitengo. Maji yanaweza kuhamishiwa kwenye hifadhi ya virutubisho ama kutoka kwa kitanzi cha maji cha RAS au moja kwa moja kutoka kwenye kitengo cha mineralisation

4. 10.4 Matibabu ya Anaerobic

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Anaerobic digestion (AD) kwa muda mrefu imekuwa kutumika kwa ajili ya utulivu na kupunguza sludge molekuli mchakato, hasa kwa sababu ya unyenyekevu wa operesheni, gharama ya chini na uzalishaji wa biogas kama uwezo chanzo nishati. Uwakilishi mkuu wa stoichiometric wa digestion anaerobic unaweza kuelezewa kama ifuatavyo:

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

   Ulinganisho 10.4 Biogas jumla molekuli usawa (Marchaim 1992).

   Na mkusanyiko wa methane ya kinadharia unaweza kuhesabiwa kama ifuatavyo:

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

   Equation 10.5 Kinadharia inatarajiwa methane mkusanyiko katika biogas (Marchaim 1992).

   Bidhaa za mwisho kutoka AD ni zaidi ya vifaa vya isokaboni (kwa mfano madini), misombo ya kikaboni iliyoharibika kidogo na biogas ambayo kwa kawaida inajumuisha\ > 55% ya methane (Chsub4/sub) na dioksidi kaboni (cosub2/sub), na viwango vidogo tu (\ 1%) vya sulfidi hidrojeni ya hidrojeni ya amonia (NHsub3/ subsup+/sup/NH4sup+/sup) (Appels et al. 2008).

   

   Kielelezo 10.4 Mchoro wa mchoro unaoonyesha uharibifu wa anaerobic wa suala la kikaboni kulingana na Garcia et al. (2000)

   Wakati wa mchakato wa AD, sludge ya kikaboni inakabiliwa na mabadiliko makubwa katika mali yake ya kimwili, kemikali na kibaiolojia na kimkakati inaweza kugawanywa katika hatua nne (Mchoro 10.4). Hatua ya kwanza ni hidrolisisi, ambapo vitu vingi vya kikaboni kama vile lipids, polysaccharides, protini na asidi ya nucleic huharibika katika vitu vyenye mumunyifu (sukari, amino asidi na asidi ya mafuta). Hatua hii kwa ujumla inachukuliwa kiwango cha kikwazo (Deublein na Steinhauser 2010). Katika hatua ya pili ya acidogenesis, monomers sumu katika hatua ya kwanza kupasuliwa zaidi, na tete fatty kali (VFA) huzalishwa na bakteria acidogenic (fermentative) pamoja na amonia, COsub2/sub, Hsub2/subs na bidhaa nyingine. Hatua ya tatu ni acetogenesis, ambapo VFA na alkoholi ni zaidi mwilini na acetogens kuzalisha hasa asidi asetiki kama vile COsub2/Sub na Hsub2/sub. Uongofu huu unadhibitiwa kwa kiasi kikubwa na shinikizo la sehemu ya Hsub2/sub katika mchanganyiko. Hatua ya mwisho ni methanogenesis ambapo methane huzalishwa hasa na makundi mawili ya bakteria ya methanogenic: acetotrophic archaea, ambayo imegawanya acetate katika methane na COSU2/Sub, na hidrojeni archaea, ambayo hutumia hidrojeni kama mfadhili wa elektroni na dioksidi kaboni kama kikubali elektroni kuzalisha methane (Appels et al. 2008).

   Sababu mbalimbali kama vile sludge pH, chumvi, utungaji wa madini, joto, kiwango cha upakiaji, wakati wa kuhifadhi majimaji (HRT), uwiano wa kaboni-to-nitrojeni (C/N) na maudhui tete ya asidi ya mafuta huathiri digestibility ya sludge na uzalishaji wa biogas (Khalid et al. 2011).

   

   Kielelezo 10.5 Mpango wa upflow anaerobic sludge blanketi Reactor (UASB)

   Anaerobic sludge matibabu kutoka RAS ilianza 30 iliyopita na taarifa juu ya sludge kutoka maji safi RAS (Lanari na Franci 1998) ikifuatiwa na taarifa juu ya baharini (Arbiv na van Rijn 1995; Klas et al. 2006; McDermott et al. 2001) na shughuli za maji brackish (Gebauer na Eikebrokk 2006; Mirzok 2006; Mirzoyan et al. 2008). Hivi karibuni, matumizi ya UASB (Kielelezo 10.5) kwa AD ya sludge ya RAS ikifuatiwa na uzalishaji wa biogas kama chanzo mbadala cha nishati ilipendekezwa (Mirzoyan et al. 2010). Reactor ni ya tank, sehemu ambayo ni kujazwa na anaerobic punjepunje sludge blanketi zenye kazi microorganism. Sludge inapita juu kupitia 'blanketi microbial 'ambapo ni duni na microorganisms anaerobic na biogas ni zinazozalishwa. Mtoaji wa koni iliyoingizwa juu ya digester inaruhusu gesi - kujitenga kioevu. Wakati biogas inatolewa kutoka kwenye floc, inaelekezwa ndani ya koni na wafuasi wa kukusanywa. Kuchanganya polepole katika matokeo ya reactor kutoka mtiririko wa juu pamoja na harakati za asili za makundi ya microbial ambayo yanaunganishwa na Bubbles za biogas. Kwa wakati fulani, floc huacha Bubble ya gesi na huweka nyuma chini kuruhusu majivu kuwa huru kutoka kwa TSS, ambayo yanaweza kurejeshwa tena kwenye mfumo au kutolewa. Faida kuu za UASB ni gharama za uendeshaji na unyenyekevu wa operesheni wakati wa kutoa high (\ > 92%) ufanisi solidremoval kwa taka na chini (1— 3%) TSS maudhui (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

   Masomo mawili ya hivi karibuni ya kesi yalionyesha matumizi ya UASB kama matibabu ya yabisi katika majaribio wadogo wa baharini na salini RAS, ambayo hutoa mfano wa faida za kitengo hiki katika aquaponics (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Kuangalia kwa kina katika usawa wa kaboni ilipendekeza kuwa asilimia 50 ya kaboni iliyoanzishwa (kutoka kwenye malisho) iliondolewa na usawa wa samaki na kupumua, 10% iliondolewa na biodegradation ya aerobic katika bioreactor nitrification na 10% iliondolewa katika reactor denitrification (Yogev et al. 2017). Kwa hiyo, jumla kuhusu 25% kaboni ilianzishwa ndani ya Reactor ya UASB ambayo 12.5% ilibadilishwa kuwa methane, 7.5% hadi COSub2/Sub na wengine (\ ~ 5%) walibaki kama kaboni isiyoweza kuharibika katika UAASB. Kwa muhtasari, ilionyeshwa kuwa matumizi ya UASB kuruhusiwa bora maji recirculation (\ > 99%), ndogo (\ 8%) uzalishaji wa sludge ikilinganishwa na RAS kawaida ambazo hazina kwenye tovuti ya matibabu imara, na ahueni ya nishati ambayo inaweza akaunti kwa 12% ya mahitaji ya jumla ya nishati ya RAS. Ikumbukwe kwamba kutumia UASB katika aquaponics pia itaruhusu urejesho mkubwa wa hadi 50% virutubisho zaidi kama vile nitrojeni, fosforasi na potasiamu kwa vile hutolewa ndani ya maji kutokana na biodegradation imara (Goddek et al. 2018).

   Bioreactor ya membrane ya anaerobic (AnMBR) ni teknolojia ya juu zaidi. Mchakato kuu unajumuisha kutumia membrane maalum ili kutenganisha yabisi kutoka kwenye kioevu badala ya kutumia mchakato wa decanting kama katika UASB. Fermentation ya sludge hutokea katika tank rahisi ya anaerobic na majivu huondoka kupitia membrane. Kulingana na ukubwa wa pore ya membrane (kwenda chini hadi 0.1—0.5 μm) hata vidubini vinaweza kubaki. Kuna aina mbili za kubuni ya bioreactor ya membrane: moja hutumia mode ya mkondo wa nje ya tank, na nyingine ina kitengo cha membrane kilichoingia ndani ya tank (Mchoro 10.6), mwisho kuwa bora zaidi katika maombi ya AnmbR kutokana na usanidi wake zaidi wa kompakt na matumizi ya chini ya nishati (Chang 2014). Utando wa vifaa mbalimbali kama vile kauri au polymeric (kwa mfano polyvinylidene floridi (PVDF), polyethilini, polyethersulfone (PES), polyvinyl hidrojeni (PVC)) inaweza kusanidiwa kama sahani na fremu, fibre mashimo au vitengo tubular (Gander et al. 2000; Huang et al. 2010). AnmbR ina faida kadhaa muhimu juu ya mitambo ya kawaida ya kibiolojia kama vile UASB, yaani, kupungua kwa muda mrefu wa kuhifadhi sludge (SRT) na (mfupi) wakati wa makazi ya hydraulic (HRT), hivyo kuwezesha tatizo la kinetics polepole ya mchakato wa AD kushinda; ubora wa juu sana wa majivu ambao wengi virutubisho kubaki; na kuondolewa kwa vimelea na footprint ndogo (Judd na Judd 2008). Aidha, ufanisi wa uzalishaji wa biogas katika AnMBR unaweza uwezekano wa kusababisha usawa wa nishati wavu.

   

   Mtini. 10.6 (a) Side-mkondo MBR na kitengo tofauti filtration na maji kubakia recycled nyuma bioreactor; (b) iliyoingia MBR: filtration kitengo jumuishi katika bioreactor. (Gander et al. 2000)

   Wakati teknolojia hii inastahili mengi ya tahadhari na utafiti, ni lazima ieleweke kwamba kwa kuwa ni teknolojia ya haki mpya, bado kuna vikwazo kadhaa muhimu ambayo lazima kushughulikiwa kabla ya AnMBR itakuwa iliyopitishwa na sekta ya ufugaji wa samaki. Hizi ni gharama kubwa za uendeshaji kutokana na matengenezo ya membrane ili kuzuia biofouling, kubadilishana utando mara kwa mara na sehemu ya juu ya CO<sub2/sub (30— 50%) katika biogas ambayo inapunguza matumizi yake na huchangia chafu ya gesi (GHG) chafu (Cui et al. 2003). Kwa kumbuka chanya, katika siku za usoni, mbinu mpya za kuzuia biofouling zitatengenezwa wakati gharama ya membrane itashuka na matumizi mapana ya teknolojia hii. Mchanganyiko wa UASB na mtambo wa utando kuchuja majivu ya UASB umefanikiwa kujifunza kuondoa kaboni hai na nitrojeni (An et al. 2009). Mchanganyiko huu inaonekana chaguo la kuahidi kwa aquaponics kwa matumizi salama na usafi wa majivu ya UASB.

   10.4.1 Utekelezaji

   Suluhisho moja linalowezekana la kutekeleza mitambo ya anaerobic ni kwa njia ya usawa (angalia pia Chap. 8). Mchanganyiko wa 'high pH—low pH' unaruhusu kuvuna methane (na hivyo kupunguza kaboni) katika hatua ya kwanza ya juu ya pH na kuhamasisha virutubisho katika sludge ya decarbonised katika mazingira ya chini ya pH. Faida ya njia hii ni kwamba kupunguza kaboni chini ya hali ya juu ya pH husababisha VFAs chini, ambayo inaweza kutokea wakati wa hatua ya pili ya pH (Mchoro 10.7). Mbinu hii pia inaruhusu ushirikiano digestion ya kijani mimea jambo (yaani kutokana na kuvuna yoyote ya mimea, kutakuwa na taka mboga jambo ambalo linaweza kuweka kwa njia ya digester hiyo) ili kuongeza uzalishaji wa biogas na kupona virutubisho kutoka kwa mpango wa jumla.

   Mwingine kiufundi ushirikiano uwezekano imekuwa iliyotolewa na Ayre et al. (2017). Wanapendekeza kutekeleza majivu ya digester ya juu ya pH anaerobic kwenye bwawa la utamaduni wa algal. Ndani ya bwawa hilo, mwani hupandwa, ambao biomasi inaweza kutumika kwa ajili ya mifugo-kulisha maji au biofertilisation (Kielelezo 10.8). Maelezo zaidi juu ya mbinu hii yanaweza kupatikana katika Chap. 11.

   

   Mtini. 10.7 Mfumo wa anaerobic wa hatua mbili. Katika hatua ya kwanza (high pH), kaboni itakuwa kuondolewa kutoka sludge kama biogas, ambapo pH chini katika hatua ya pili inaruhusu virutubisho kwamba ni trapped katika sludge kufanya kufuta katika maji. Kwa kawaida, tete fatty kali (VFA) ingekuwa fomu katika mazingira ya chini pH. Kuondolewa kwa chanzo cha kaboni katika hatua ya kwanza, hata hivyo, hupunguza uzalishaji wa VFA katika kuanzisha vile

   

   Mtini. 10.8 Anaerobic digestion mfumo jumuishi na aquaculture na mwani utamaduni kulingana na Ayre et al. (2017)

5. 10.5 Mbinu ya kupima Utendaji wa Kupunguza Sludge na Mineralisation

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Kuamua digestion ya matibabu ya sludge ya aquaponic katika bioreactors ya aerobic na anaerobic, mbinu maalum inahitaji kufuatiwa. Njia iliyobadilishwa kwa madhumuni ya matibabu ya sludge ya aquaponic imewasilishwa katika sura hii. Equations maalum kuwa maendeleo kwa usahihi kupima utendaji wao (Delaide et al. 2018), na hizi zinapaswa kutumika kutathmini utendaji wa matibabu kutumika katika mmea maalum aquaponic.

   Ili kutathmini utendaji wa matibabu, mbinu ya usawa wa molekuli inahitaji kupatikana. Inahitaji kwamba TSS, COD na raia wa virutubisho huamua kwa pembejeo zote za reactor (yaani sludge safi) na matokeo (yaani majivu). Maudhui ya reactor pia yanahitaji kupigwa sampuli mwanzoni na mwishoni mwa kipindi kilichojifunza. Pembejeo, pato na maudhui ya reactors lazima zichanganyike kikamilifu kwa sampuli. Reactor pembejeo na pato lazima kimsingi sampuli kila wakati mitambo ni kulishwa na sludge safi.

   Kisha, utendaji wa kupunguza sludge ya reactor (η) unaweza kuundwa kama ifuatavyo:

   $\ eta_s = 100% (1- (\ Delta S + S_ {nje}) /S_ {katika}) $ (10.6)

   ambapo ΔS ni sludge ndani ya Reactor mwishoni mwa kipindi cha alisoma bala moja mwanzoni mwa kipindi, ssubout/ndogo ni sludge jumla iliyoondoka Reactor katika outflow, na ssubin/ndogo ni sludge jumla iliyoingia Reactor kupitia uingiaji.

   Kwa kupunguza kikaboni, sludge (yaani neno S) inaweza kuwa na sifa ya masi kavu ya sludge (yaani TSS) au masi ya oksijeni inayohitajika ili oksidi sludge (yaani COD). Kwa hiyo, kwa maonyesho ya kupunguza COD na TSS, ndogo ya mkusanyiko na ndogo kiasi katika outflow, juu ya utendaji wa kupunguza (yaani asilimia kubwa) na hivyo yabisi kidogo hutolewa nje ya kitanzi.

   Kulingana na usawa huo wa wingi, utendaji wa madini ya madini ya madini ya matibabu (), yaani. uongofu katika ions mumunyifu wa macro- na micronutrients sasa katika sludge chini ya fomu zisizofanywa, formula ifuatayo inaweza kutumika:

   $\ Zeta_n = 100% ((DN_ {out} -DN_ {in})/(TN_ {in} -DN_ {in})) $ (10.7)

   ambapo ni ahueni ya N virutubisho mwishoni mwa kipindi alisoma kwa asilimia, DNsubout/ndogo ni wingi wa jumla wa virutubisho kufutwa katika outflow, DNsubin/Sub ni molekuli jumla ya virutubisho kufutwa katika uingiaji na TNsubin/Sub ni molekuli jumla ya kufutwa pamoja na virutubisho undishwa katika uingiaji.

   Hivyo, sawa na maonyesho ya kupunguza kikaboni, ndogo mkusanyiko ndani ya Reactor na maudhui yasiyofanywa virutubisho katika outflow, juu ya utendaji mineralisation (yaani asilimia kubwa) na hivyo virutubisho kufutwa zinalipwa katika majivu (au outflow) kwa ajili ya mazao ya aquaponic mbolea (tazama Mfano 10.1). Ulinganisho wa usawa wa molekuli uliotolewa hutumiwa katika sanduku la mfano.

   Mfano 10.1

   utendaji digestion ya 250-L anaerobic bioreactor imekuwa tathmini kwa kipindi 8 wiki. Ilifanywa mara moja kwa siku na 25 L ya sludge safi inayotokana na mfumo wa Tilapia RAS, na kiasi kikubwa cha supernatant (au pato) kiliondolewa kwenye bioreactor. Sludge safi (pembejeo) ilikuwa na TSS ya 10 g ya molekuli kavu (DM) kwa lita moja au 1%, na supernatant (pato) ilikuwa na TSS ya 1 GDM/L au 0.1%. TSS ndani ya bioreactor mwanzoni na mwishoni mwa kipindi ilikuwa 20 GDM/l Kwa hiyo, jumla ya pembejeo za DM, matokeo na ndani ya bioreactor wakati wa kipindi cha tathmini huhesabiwa kama ifuatavyo:

   DM katika = 0.01 kg/LD $\ mara $25 L $\ mara $7 siku $\ mara $8 wiki = 14 kg

   DM nje = 0.001 kg/LD $\ mara $25 L $\ mara $7 siku $\ mara $8 wiki = 1.4 kg

   DM kwa = DM tf = 250 L $\ mara $0.02 kg/l = 5kg

   TSS kupunguza utendaji (ηTSS) ya bioreactor basi inaweza kuwa mahesabu kama ifuatavyo:

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

   Bioreactor P mineralisation utendaji inaweza tathmini kujua kwamba sludge safi (pembejeo) alikuwa mkusanyiko wa kufutwa P ya 15 mg/L na jumla P maudhui ya 90 mg/L. mkusanyiko wa P kufutwa katika supernatant (pato) ilikuwa 20 mg/L. hivyo, jumla P maudhui katika pembejeo, jumla P kufutwa katika pembejeo na matokeo wakati wa kipindi cha tathmini ni mahesabu kama ifuatavyo:

   TP katika = 0.090 g/LD $\ mara $25 L $\ mara $7 siku $\ mara $8 wiki = 126 kilo

   DP katika = 0.015 g/LD $\ mara $25 L $\ mara $7 siku $\ mara $8 wiki = 21 kg

   DP nje = 0.020 g/LD $\ mara $25 L $\ mara $7 siku $\ mara $8 wiki = 28 kg

   P mineralisation utendaji (subP/Sub) ya bioreactor yanaweza mahesabu kama ifuatavyo:

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

6. 10.6 Hitimisho

   Original publication 2019 · Ilichapishwa kwanza kwenye FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Samaki sludge matibabu kwa ajili ya kupunguza na kupona virutubisho ni katika awamu ya mwanzo ya utekelezaji. Utafiti zaidi na maboresho yanahitajika na utaona siku na wasiwasi ulioongezeka wa uchumi wa mviringo. Hakika, sludge ya samaki inahitaji kuchukuliwa zaidi kama chanzo muhimu badala ya taka ya kutosha.