فرآیند و طراحی پارامترهای سیستم بازداری آب تجدیدپذیر صنعتی بر پایه زمین (RAS) (بخش 3): پارامترهای کیفیت آب

پارامترهای کیفیت آب بازگشتی

پارامترهای کیفیت آب و استانداردهای طراحی، پایه‌ی طراحی سیستم‌های تصفیه آب بازگشتی و مدیریت عملیاتی آنها را تشکیل می‌دهد. در ادامه، نمودارهای ارجاع و پارامترهایی که معمولاً تیم مهندسی از آنها استفاده می‌کند، آورده شده است  تیم مهندسی :

1. طراحی سیستم حذف ذرات جامد

مجموع ذرات معلق (TSS) به طور معمول به عنوان یک پارامتر برای اندازه‌گیری ذرات جامد در سیستم های آبزی‌پروری بازچرخه‌ای (RAS) استفاده می‌شود. این پارامتر به طور اصلی به مجموعه ذرات جامد با اندازه بزرگتر از یک میکرون در واحد آب اشاره دارد. در سیستم آب بازچرخه‌ای، TSS شامل فkal کالاهای ماهی، علف خوردنشده باقی‌مانده و فلوک‌های زیستی (بکتری‌های مرده و زنده) است. اندازه این ذرات معلق بسیار متفاوت است و از سطح میکرومتری تا سانتی‌متری می‌تواند متغیر باشد. ذرات معلق می‌توانند به صورت مستقیم بر سلامت و رشد ماهیان (به ویژه ماهیان آب سرد) تأثیر بگذارند و همچنین بار زیادی را بر روی فیلترهای زیستی افزایش دهند. بنابراین، نگهداری غلظت ذرات معلق در آب بازچرخه‌ای در یک محدوده مناسب ضروری است.

در سیستم‌های بازیابی کشت آبزیان (RAS) در برخی کشورهای اتحادیه اروپا، کنترل ذرات معلق به طور نسبی سختگیرانه است. به عنوان مثال، برای بدن‌های آبی که در سیستم‌های بازیابی کشت آبزیان (RAS) استفاده می‌شوند، غلظت ذرات معلق (که با اندازه‌گیری ذرات معلق کل TSS اندازه‌گیری می‌شود) معمولاً منتظر می‌شود زیر 15 میلی‌گرم در لیتر نگهداری شود تا کیفیت خوب آب و محیط زیست اکولوژیک حفظ شود.

ایالات متحده نیز مقررات کیفیت آب مرتبطی در زمینه‌های کشت آبزیان و پردازش آب دارد. در سیستم بازیابی کشت آبزیان (RAS)، مقدار ذرات معلق متناظر (که با تبدیل به شاخص‌های مربوطه مانند شفافیت و سایر نشانگرهای مرتبط) نیز محدودیت‌های خاصی دارد. دامنه ایدئال غلظت ذرات معلق حدود 8 تا 12 میلی‌گرم در لیتر است که برای تضمین بقا و تکثیر جانوران آبزی استفاده می‌شود.

در عملیات واقعی کارخانه مبتنی بر سیستم آکوآکولچر بازگشتی (RAS) در چین، معمولاً الزام است تا غلظت ذرات معلق (ذرات معلق SS) را زیر 10 میلی‌گرم در لیتر نگه داشته باشند. برای برخی گونه‌های ارزشمند که به کیفیت آب بالا نیاز دارند، مانند سالمون، حتی الزام است تا این مقدار را زیر 5 میلی‌گرم در لیتر کنترل کنند.

پارامترهای حذف آلودگی محلول

ذوب‌پذیری در آب شامل مواد معدنی محلول و مواد آلی محلول است. در بین این‌ها، مواد مضر محلول در آب عمدتاً شامل نیتروژن آمونیاکی (NH3-N) و نیتروژن نیتریت (NO2--N) هستند. نیتروژن آمونیاکی می‌تواند از طریق شوید و پوست ماهی به خون وارد شود، چرخه سه‌ضلعی تری‌کربس آن‌ها را اختلال دهد، فشار نفوذی آن‌ها را تغییر دهد و توانایی جذب اکسیژن از آب را کاهش دهد، که در نتیجه به رشد و بقا طبیعی آن‌ها تأثیر می‌گذارد.

بیوفیلتر نیتریفیکیشن ممبران ثابت معمولی که در سیستم‌های آکوافiler (RAS) استفاده می‌شود، جامعه باکتریایی تبدیل کننده نیتروژن آمونیاکی است که روی سطح یک ماده بسته‌بندی زیستی خاص رشد می‌کند و نیتروژن آمونیاکی از طریق دیفرانسیون به فیلتر زیستی منتقل شده و تبدیل می‌شود. هدف اصلی طراحی فرآیند فیلتر زیستی اطمینان از این است که فیلتر دارای باکتری‌های نیتریفای کافی برای حذف نیتروژن آمونیاکی تخلیه شده توسط ماهی باشد، غلظت نیتروژن آمونیاکی در سیستم پرورش ماهی را در محدوده تعیین‌شده نگه دارد و ایمنی و رشد مؤثر ماهی را تضمین کند.

2.1 کنترل نیتروژن آمونیاکی (NH₃-N)

آزوت آمونیاکی یکی از عوامل آلودگی اصلی در آب محلول در سیستم‌های ماهی‌کاری با بازچرخه (RAS) است. این آلودگی عمده از فاضلات و خوراک باقی‌مانده موجودات تربیتی ناشی می‌شود. غلظت‌های بالای آزوت آمونیاکی می‌تواند برای موجودات تربیتی سمی باشد و تأثیر به شکل منفی بر رشد، ایمنی و توانایی تولیدمثل آنها داشته باشد. در بیوفیلترها، حذف آزوت آمونیاکی اساساً به نیتریفیکیشن میکروارگانیسم‌ها مثل باکتری‌های نیتریفایر بستگی دارد که آزوت آمونیاکی را به نیتریت و نیترات تبدیل می‌کنند.

هنگام طراحی یک بیوفیلتر، باید به سطح کافی و حجم مناسب مواد فیلتر برای ارائه فضای کافی برای رشد و تکثیر باکتری‌های نیتریفایینگ توجه شود. در همان زمان، لازم است تا بار نیتروژن آمونیاکالی ورودی کنترل شود و از تأثیر غلظت بیش از حد نیتروژن آمونیاکالی بر روی فیلتر زیستی جلوگیری شود. به عنوان مثال، می‌توان با استفاده از ماشین خوراکی خودکار و اتخاذ استراتژی تغذیه با مقدار کم و چندین وعده، غلظت نیتروژن آمونیاکالی ورودی را کاهش داد. محدوده قابل قبول غلظت نیتروژن آمونیاکالی برای بیوفیلتر را بر اساس تحمل نیتروژن آمونیاکالی و تراکم تولید موجودات پرورش‌داده‌شده تعیین کنید. به طور کلی، برای بیشتر ماهی‌های تولید آب شیرین، غلظت کل نیتروژن آمونیاکالی باید زیر 1 میلی‌گرم بر لیتر نگهداری شود و آمونیاک غیر یونی باید بیش از 0.025 میلی‌گرم بر لیتر نباشد.

2.2 کنترل نیتریت (NO₂⁻-N)

نیتریت نیز یک پارامتر کیفیت آب است که باید در سیستم ماهی‌داری بازچرخه‌ای (RAS) به طور نزدیک تحت نظارت قرار گیرد. این ماده محصول میانی در فرآیند نیتریفیکیشن نیتروژن آمونیاکی است و همچنین برای موجودات ماهی‌داری سمیت دارد. نیتریت می‌تواند تأثیر بگذارد بر حمل اکسیژن در خون موجودات تربو، منجر به علائم کم‌اکسیژنی مانند کوتاهی نفس، شنا در بالای آب و حتی مرگ شود.

در طراحی، لازم است تضمین شود که بیوفیلتر می‌تواند نیتریت را به صورت موثرتری به نیترات تبدیل کند. این نیازمند نگهداری از فعالیت باکتری‌های دی‌نیتریفایینگ در بیوفیلتر و ارائه شرایط محیطی مناسب برای آنهاست، مانند مقدار مناسب اکسیژن محلول. به طور کلی، الزامی است تا غلظت نیتریت زیر 0.5 میلی‌گرم بر لیتر نگه‌داشته شود.

2.3 نظرات مربوط به ماهی‌داری آب دریا

شوری آب دریا نسبتاً بالاست و شامل یون‌های مختلفی مانند یون‌های نatrium (Na ⁺ )، یون‌های کلر (Cl ⁻ )، یون‌های مگنز (Mg ² ⁺ ) و یون‌های کلسیوم (Ca ² ⁺ سازمان‌های آبزی‌پروری دریایی در طول سال‌ها تطبیق خود با محیط‌های با شوری بالا، سیستم‌های پیچیده تنظیم یونی را توسعه داده‌اند. هنگامی که نیتریت به سازمان‌های دریایی وارد می‌شود، این سازمان‌ها می‌توانند با استفاده از سیستم تنظیم یونی خود، اثرات فیزیولوژیک نیتریت را به طور جزئی کاهش دهند. در سیستم‌های آبزی‌پروری با بازگشت (RAS)، یون کلر (Cl -) می‌تواند از طریق مهار رقابتی، میزان سمیت نیتریت (NO2-) را برای سازمان‌های آبزی‌پروری کاهش دهد. به طور خاص، هم یون کلر و هم نیتریت نیاز به ورود به بدن ماهی از طریق سلول‌های کلر روی صفحات آب‌دهن دارند. وجود یون کلر سختی ورود نیتریت به بدن ماهی را افزایش می‌دهد و بنابراین سمیت آن را کاهش می‌دهد. به طور کلی، زمانی که غلظت یون کلر در آب شش برابر نیتریت باشد، می‌تواند به طور مؤثر سمیت نیتریت را برای سازمان‌های آبزی‌پروری مهار کند. نسبت به آبزی‌پروری در آب شیرین، آبزی‌پروری در آب دریا از سمیت نیتریت کمتری رنج می‌برد که این موضوع مرتبط با غلظت بالاتر یون کلر در آب دریا است. بنابراین، در سیستم آبزی‌پروری با بازگشت (RAS)، با تنظیم مناسب شوری، می‌توان سمیت نیتریت را به طور مؤثر کاهش داد و سلامت و ایمنی سازمان‌های آبزی‌پروری را حفظ کرد.

3. اکسیژن محلول (DO)

در سیستم ماهی‌داری بازگشتی (RAS)، اکسیژن محلول (DO) یک پارامتر کلیدی کیفیت آب است. ماهی و سایر موجودات آبزی از طریق تنفس شویه‌ای اکسیژن محلول را از آب جذب می‌کنند تا فعالیت متابولیک خود را حفظ کنند. غلظت اکسیژن محلول مورد نیاز برای رشد عادی بیشتر ماهی‌های آب گرم معمولاً حدود 5-8 میلی‌گرم در لیتر است. هنگامی که غلظت اکسیژن محلول زیر سطح بحرانی می‌رود، تنفس موجودات آبزی مهار می‌شود، نرخ رشدشان کاهش می‌یابد، ایمنی آنها ضعیف می‌شود و به بیماری‌ها عرضه می‌شوند. به عنوان مثال، هنگامی که اکسیژن محلول زیر 2 میلی‌گرم در لیتر می‌رود، بسیاری از ماهی‌ها علامت «بالا آمدن سر» را نشان می‌دهند و معرض مرگ در صورت مواجهه طولانی‌مدت با اکسیژن کم قرار می‌گیرند.

در سیستم کشت آبزیان با بازگردانی (RAS)، پیشنهاد می‌شود میزان اکسیژن محلول بین 8 تا 10 میلی‌گرم بر لیتر نگهداری شود. اکسیژن محلول بیشتر مفید است برای افزایش سطح غذایی و کاهش نسبت خوردن به غذا.

4. کنترل pH

در سیستم کشت آبزیان با بازگردانی (RAS)، دامنه مناسب pH برای ماهی معمولاً بین 7.0 تا 8.5 است. به عنوان مثال، بیشتر ماهی‌های آب شیرین در محیط‌هایی با pH 7.2 تا 7.8 رشد خوبی دارند. این زیربخش به این دلیل است که در این دامنه pH، توابع فیزیولوژیک ماهی‌ها، مانند تنفس و تنظیم فشار اسمزی، به طور نسبی به طور عادی انجام می‌شوند. تعویض گاز از طریق شکم اتفاق می‌افتد و مناسب بودن اسیدیت یا قلیایی مناسب در آب، فرآیند تعویض عادی اکسیژن و دی‌اکسید کربن را تسهیل می‌کند.

برای کشت شrimp، مانند شrimp سفید آمریکای جنوبی، دامنه pH مناسب حدوداً 7.8 تا 8.6 است. این موضوع به خاطر ساختار فیزیولوژیک و ویژگی‌های فعالیت قشریات است که آنها را برای محیط‌های با pH کمی بالاتر قابل انطباق‌تر می‌سازد. pH مناسب برای رشد تغییرپذیر شrimp مفید است.

با این حال، در طی فرآیند سیستم کشت بازیابی شونده (RAS)، مقدار pH با پیشرفت کشت ماهی به طور مداوم کاهش می‌یابد و لازم است مقدار pH آب را تنظیم کرد. می‌توان از تجهیزات تنظیم خودکار pH استفاده کرد. بر اساس داده‌های حسگر pH، مقدار pH بدن آب را به صورت خودکار تنظیم کنید.