عملية وتصميم معلمات لنظام تربية الأحياء المائية الدائري الصناعي القائم على اليابسة (RAS) (الجزء 3): معلمات جودة المياه

معالم جودة المياه الدائرية

تشكل معالم جودة المياه ومعايير التصميم الأساس لتصميم وإدارة نظام معالجة المياه الدائرية. أدناه، المعالم والرسومات التوضيحية التي تُستخدم عادةً من قبل  فريق الهندسة :

1. تصميم نظام إزالة الجزيئات الصلبة

تُستخدم المواد الصلبة المعلقة الكلية (TSS) عادةً كمعيار لقياس الجزيئات الصلبة في أنظمة تربية الأسماك الدائرية (RAS). وتشير بشكل أساسي إلى مجموع الكمية الجسيمات الصلبة التي يزيد حجمها عن 1 ميكرون في وحدة من الماء. في النظام الدائري للمياه، تشمل TSS فضلات الأسماك، والطعام المتبقي، والفlocs الحيوية (بكتيريا ميتة وأخرى حيّة)، وما إلى ذلك. يختلف حجم هذه الجسيمات المعلقة بشكل كبير من مستوى الميكرومتر إلى مستوى السنتيمتر. يمكن أن تؤثر الجزيئات المعلقة مباشرةً على صحة ونمو الأسماك (وخاصةً أسماك المياه الباردة)، كما تزيد العبء على مرشحات البيولوجيا. لذلك، من الضروري الحفاظ على تركيز الجسيمات المعلقة في الماء الدائري ضمن نطاق معقول.

في أنظمة تربية الأحياء المائية الدائرية (RAS) في بعض دول الاتحاد الأوروبي، يتم تنظيم المواد الصلبة العالقة بشكل نسبي صارم. على سبيل المثال، بالنسبة للمياه المستخدمة في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، يُتوقع عادةً السيطرة على تركيز المواد الصلبة العالقة (يتم قياسها من خلال المواد الصلبة العالقة الإجمالية TSS) ليكون أقل من 15 مجم/لتر للحفاظ على جودة المياه والبيئة الإيكولوجية الجيدة.

للولايات المتحدة أيضًا لوائح ذات صلة بجودة المياه في مجالات تربية الأحياء المائية ومعالجة المياه. في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، هناك قيود معينة على محتوى المواد الصلبة العالقة (المحولة باستخدام العكورة وغيره من المؤشرات ذات الصلة). النطاق المثالي لتركيز المواد الصلبة العالقة هو حوالي 8-12 مجم/لتر، ويستخدم لضمان بقاء وتكاثر الكائنات المائية.

في التشغيل الفعلي لنظام مزارع الأسماك الدائري (RAS) المستند إلى المصنع في الصين، يُطلب عادةً السيطرة على تركيز المواد الصلبة العالقة (SS) أقل من 10 مجم/لتر. أما بالنسبة لبعض الأنواع الثمينة التي تتطلب جودة مياه عالية، مثل السلمون، فإنه يُطلب حتى السيطرة عليها تحت 5 مجم/لتر.

2. معلمات إزالة الملوثات الذائبة

يشمل الذوبان في الماء المواد غير العضوية القابلة للذوبان والمواد العضوية القابلة للذوبان. ومن بينها، تكون المواد الضارة القابلة للذوبان في الماء بشكل رئيسي نيتروجين الأمونيا (NH3-N) ونيتروجين النتريت (NO2--N). يمكن لنitrogen الأمونيا أن يدخل إلى الدم عبر الخياشيم والجلد السمكي، مما يخلّ بدورتهم الثلاثية الحمضيات الطبيعية، ويغير ضغطهم التناضح، ويخفض قدرتهم على امتصاص الأكسجين من الماء، مما يؤثر على نموهم الطبيعي وحياتهم.

المرشح البيولوجي الثابت المستخدم بشكل شائع في أنظمة تربية الأحياء المائية الدائرية (RAS) هو مجتمع البكتيريا الذي يقوم بتحويل النتروجين الأمونياوي وينمو على سطح نوع معين من المواد الحيوية، حيث يتم نقل النتروجين الأمونياوي إلى الغشاء الحيوي الثابت عن طريق الانتشار ويتم تحويله. الهدف الرئيسي من تصميم عملية المرشح البيولوجي هو ضمان وجود كمية كافية من البكتيريا النيتروجينية في المرشح لازالة النتروجين الأمونياوي الذي تفرزه الأسماك، والحفاظ على تركيز النتروجين الأمونياوي داخل النظام التجميد ضمن النطاق المحدد مسبقًا، وضمان سلامة الأسماك ونموها الفعال.

2.1 السيطرة على النتروجين الأمونياوي (NH₃-N)

يُعتبر النيتروجين الأمونياكي أحد الملوثات الرئيسية الذائبة في الماء في أنظمة تربية الأحياء المائية الدائرية (RAS). ينبع بشكل أساسي من الفضلات والعلف المتبقي للكائنات المزروعة. يمكن أن يكون تركيز عالٍ من النيتروجين الأمونياكي سامًا للكائنات المزروعة، مما يؤثر على نموها ومناعتها وقدرتها الإنجابية. في المرشحات الحيوية، يعتمد إزالة النيتروجين الأمونياكي بشكل رئيسي على الت-nitrification بواسطة الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا النيتريفيه، والتي تحول النيتروجين الأمونياكي إلى نيتريت ونترات.

عند تصميم مرشح بيولوجي، يجب أخذ مساحة سطحية وكافية وحجم المادة المرشحة بعين الاعتبار لتوفير مساحة كافية لنمو وتضاعف البكتيريا النيتروجينية. في الوقت نفسه، من الضروري التحكم في حمل النيتروجين الأمونياكي في المدخلات وتجنب تأثير تركيز النيتروجين الأمونياكي الزائد على المرشح البيولوجي. على سبيل المثال، يمكن تقليل تركيز النيتروجين الأمونياكي في المدخلات باستخدام آلة تغذية تلقائية واعتماد استراتيجية التغذية بكميات صغيرة ولكن متكررة. تحديد التركيز المسموح به للنيتروجين الأمونياكي للمرشح البيولوجي بناءً على تحمل الكائنات الحية المزروعة وكثافة التربية. بشكل عام، بالنسبة لمعظم أسماك تربية المياه العذبة، يجب التحكم في تركيز النيتروجين الأمونياكي الإجمالي ليكون أقل من 1 مجم/لتر، ولا ينبغي أن يتجاوز الامونيا غير الأيوني 0.025 مجم/لتر.

2.2 التحكم في النتريت (NO₂⁻-N)

يجب أيضًا مراقبة النيتريت كمعلمة لجودة المياه عن كثب في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS). فهو منتج وسيط في عملية نترification لنيتروجين الأمونيا، وهو سام أيضًا لل Organisms المستزرعة. يمكن للنيتريت أن يؤثر على نقل الأكسجين في دم الكائنات المستزرعة، مما يؤدي إلى أعراض نقص الأكسجين مثل ضيق التنفس، وظهور الرؤوس، وحتى الموت.

في التصميم، من الضروري ضمان قدرة المرشح الحيوي على تحويل النيتريت إلى نيتрат بشكل فعال. وهذا يتطلب الحفاظ على نشاط البكتيريا desnitrifying في المرشح الحيوي وتوفير ظروف بيئية مناسبة لهم، مثل مستويات الأكسجين الذائب المناسبة. عادةً ما يُطلب السيطرة على تركيز النيتريت دون 0.5 مجم/لتر.

٢.٣ اعتبارات تربية الأحياء المائية للمياه المالحة

إن ملوحة المياه المالحة نسبيًا مرتفعة، تحتوي على مجموعة متنوعة من الأيونات مثل أيونات الصوديوم (Na ⁺ )، وأيونات الكلوريد (Cl ⁻ )، وأيونات المغنيسيوم (Mg ² ⁺ )، وأيونات الكالسيوم (Ca ² ⁺ وما إلى ذلك. لقد تطورت الكائنات الحية في تربية الأحياء المائية البحرية أنظمة تنظيم أيونية معقدة خلال التكيف طويل الأمد مع بيئات ذات ملوحة عالية. عندما يدخل النترات إلى الكائنات البحرية، يمكن لهذه الكائنات تخفيف التأثيرات الفسيولوجية للنترات جزئيًا باستخدام نظامها الخاص لتنظيم الأيونات. في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، يمكن للأيونات الكلوريدية (Cl -) أن تقلل من سمية النترات (NO2-) على الكائنات المائية من خلال التثبيط التنافسي. تحديدًا، تحتاج كل من الأيونات الكلوريدية والنترات إلى دخول الجسم السمكي عبر الخلايا الكلورية الموجودة على الصفائح الخياشيمية. وجود الأيونات الكلوريدية يزيد من صعوبة دخول النترات إلى جسم السمك، مما يؤدي إلى تقليل سميته. بشكل عام، عندما يكون تركيز الأيونات الكلوريدية في الماء ست مرات أكثر من النترات، فإنه يمكنه تثبيط سمية النترات بكفاءة على الكائنات المائية. بالمقارنة مع تربية الأحياء المائية في المياه العذبة، فإن تربية الأحياء المائية في مياه البحر تحتوي على مخاطر أقل من حيث السمية بسبب التركيز العالي للأيونات الكلوريدية في مياه البحر. لذلك، في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، يمكن تقليل سمية النترات بفعالية من خلال تنظيم ملوحة المياه بشكل معقول، مما يحمي صحة وسلامة الكائنات المائية.

3. الأكسجين الذائب (DO)

في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، يعتبر الأكسجين الذائب (DO) معلماً رئيسياً لجودة المياه. تمتص الأسماك والكائنات المائية الأخرى الأكسجين الذائب من الماء عبر التنفس الخياطي لتستمر في نشاطها الأيضي. يتطلب معظم أسماك المياه الدافئة تركيز أكسجين ذائب يتراوح عادة بين 5-8 مجم/لتر للنمو الطبيعي. عندما يكون تركيز الأكسجين الذائب أقل من المستوى الحرج، يتم إعاقة تنفس الكائنات المائية، وتبطئ معدلات نموها، وتقل مناعتها، وتصبح أكثر عرضة للإصابة بالأمراض. على سبيل المثال، عندما يكون الأكسجين الذائب أقل من 2 مجم/لتر، تعاني العديد من الأسماك من ظاهرة طفو الرأس، ويمكن أن يؤدي التعرض المستمر للأكسجين الذائب المنخفض إلى موتها.

في نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، يُنصح بحفظ نسبة الأكسجين الذائب بين 8-10 مجم/لتر. الأكسجين الذائب الأعلى يكون مفيدًا لزيادة مستويات التغذية وتقليل نسبة العلف إلى العلف.

4. السيطرة على درجة الحموضة (pH)

في نظام نظام تربية الأحياء المائية الدائري (RAS)، النطاق المناسب لدرجة الحموضة (pH) للأسماك عادة ما يكون بين 7.0-8.5. على سبيل المثال، معظم الأسماك العذبة تنمو بشكل جيد في بيئات ذات pH يتراوح بين 7.2-7.8. وهذا لأن وظائف الأسماك الفسيولوجية مثل التنفس والتنظيم الضوئي يمكن أن تتم بشكل طبيعي نسبياً ضمن هذا النطاق من درجات الحموضة. يحدث تبادل الغازات عبر الخياشيم، وتساعد درجة الحموضة أو القلوية المناسبة في الماء على تسهيل عملية التبادل الطبيعي للأكسجين وثاني أكسيد الكربون.

للحصول على تربية الجمبري، مثل الجمبري الأبيض الأمريكي الجنوبي، النطاق المناسب لدرجة الحموضة هو حوالي 7.8-8.6. وهذا يعود إلى البنية الفسيولوجية والخصائص السلوكية للقشريات، مما يجعلها أكثر مرونة في بيئات ذات درجة حموضة قليلاً أعلى. تكون درجة الحموضة المناسبة مفيدة لنمو التحول لدى الجمبري.

ومع ذلك، أثناء عملية نظام تربية الأسماك الدائري (RAS)، تنخفض قيمة درجة الحموضة باستمرار مع تقدم عملية التربية، ومن الضروري ضبط قيمة درجة الحموضة للماء. يمكن استخدام معدات ضبط درجة الحموضة تلقائيًا. ضبط درجة الحموضة تلقائيًا بناءً على بيانات مستشعر درجة الحموضة.