حفظ کیفیت آب در سیستم های مداربسته
در سیستم آبزی پروری مداربسته، اطمینان از بهینه بودن شاخص های کیفی آب، بزرگترین چالش برای اطمینان از عملکرد روان این سیستم است.
سلول های جلبکی متصل به بیوفلاک
مقدمه ای بر کیفیت آب
درک اصول کیفیت آب در سیستم مداربسته شامل متغیرهایی است که در محدوده های خاصی علاوه بر رشد آبزی، از ابتلای آن به بیماری جلوگیری میکنند. آنالیز کیفیت آب به طور معمول شامل اندازه گیری اکسیژن محلول چندین بار در طول روز است در حالی که بسته به شدت تغذیه ممکن است نیاز به اندازه گیری ترکیبات نیتروژنی روزانه یا هفتگی باشد.
یکی از مهمترین قوانینی که هنگام بحث در مورد کیفیت آب در سیستم مداربسته باید مورد توجه قرار گیرد این است که میزان تجمع نیتروژن سمی و نیاز به هوادهی براساس زیست توده قابل برداشت محاسبه نشده و بر اساس مقادیر خوراکی است که در این سیستم استفاده میشود.
به عنوان مثال، غذادهی به میزان ۲ گرم در هر متر مکعب آب (۲ گرم در متر مکعب) احتمالاً نیازی به هوادهی برای تأمین اکسیژن یا بیوفیلتراسیون برای کنترل نیتروژن سمی نخواهد داشت، در حالی که اگر میزان خوراک تا بیش از ۲۰۰ گرم در مترمکعب در روز افزایش یابد، سیستم های مبتنی بر تسویه آب و سیستم های مبتنی بر جلبک ها به میزان زیادی هوادهی، بیوفیلتراسیون و حذف مواد جامد نیاز دارند که می تواند از طریق نرخ بالای گردش آب توسط اجزای مختلف سیستم مداربسته حاصل شود.
در مقابل، سیستمهای بیوفلاک با دستکاری نسبت کربن به نیتروژن در آب محیط پرورش، نیتروژن و مواد جامد اضافه را در فلاکها به دام انداخته و در ادامه توسط گونه هایی از آبزیان که توانایی استفاده از این فلاکها را دارند مورد مصرف قرار میگیرند (مانند تیلاپیا و میگو).
بیوفلاک ها ذرات پرمانند و شناور هستند که از اجتماع تعداد زیادی باکتری و جلبک ایجاد میشوند. با افزایش میزان مواد مغذی، ذرات بیوفلاک میتوانند تا ۴۰ میلیلیتر در یک لیتر آب برسند اما معمولا سطح بایوفلاکها در محدوده بین ۱۰-۲۰ میلی لیتر در لیتر حفظ میشود (اندازهگیری توسط مخروط Imhoff).
شاید ساده ترین راه برای جلوگیری از ایجاد مشکل در متغیرهای کیفیت آب، افزایش تعویض آب، تخلیه مواد زائد غنی از مواد مغذی و دی اکسید کربن و وارد کردن آب تازه، سرشار از اکسیژن و عاری از نیتروژن باشد. توصیه های پیشنهادی برای حفظ کیفیت آب شامل تعویض حدود ۱۰ درصد از آب هر مخزن یا استخر است که در طول روز باید انجام شود.
با این حال ، تلفات ناشی از بیماری در آبزیپروری، سالانه میلیاردها دلار به این صنعت خسارت وارد کرده و یکی از راه های انتقال بیماری نیز تعویض آب و ورود آب آلوده است. آب به عنوان عامل آلاینده از مزارع دیگر وارد سیستم های پرورشی میشود. علاوه بر این، محیطهای حساس ساحلی اغلب به دلیل ورود پساب ناشی از مزارع پرورشی که حاوی مواد جامد زیاد و نیاز اکسیژن بیولوژیکی بالا است آلوده میشوند.
این آلودگی میتواند ارگانیسم های ساکن مانند صدف های اویستر و کلم ها را نابود کند. این موارد تنها برخی از دلایلی است که در حال حاضر سیستم های مداربسته با تعویض آب صفر در حال افزایش محبوبیت هستند.
پمپ هواده عمودی
درجه حرارت
آسانترین متغیر برای درک و دستکاری هنگام بحث در مورد کیفیت آب در سیستمهای مدار بسته دما است. به طور کلی دمای مناسب برای هر جاندار پرورشی رقمی است که در عین فراهم کردن سالمترین محیط پرورشی، ، سریعترین رشد را برای موجود فراهم کند. هرچه دمای محیط به درجه حرارت ایده آل برای یک گونه پرورشی نزدیکتر باشد، سیستم مداربسته دارای بهره وری و راندمان اقتصادی بیشتری خواهد بود.
درجه حرارت بالاتر از حد بهینه برای بهره وری اقتصادی و بیولوژیکی سیستم مضر است – هرچه آب سردتر باشد اکسیژن بیشتری میتواند نگه دارد- در سیستم های مدار بسته، اکسیژن پویاترین متغیر است و مهمترین عامل برای اندازه گیری است که باید در محدوده خاصی حفظ شود.
اکسیژن و دی اکسید کربن
بسته به اندازه و گونه ای که در حال پرورش هستند سیستم های هوادهی مختلفی وجود دارد که می تواند برای تأمین اکسیژن در سیستم مداربسته مورد استفاده قرار گیرد. هواده ها سه عملکرد ضروری را فراهم میکنند:
- افزایش اکسیژن محلول
- مخلوط کردن آب مجیط پرورش
- انتشار دی اکسید کربن از آب به اتمسفر
به دلیل تفاوت در طراحی، هواده ها مزایا و معایبی دارند که آنها را برای سیستم های مختلف مداربسته قابل پذیرش می کند. هوادهی با پمپ آسپیراتور (دمنده) یا هر دستگاه هوادهی که از ونتوری استفاده میکند، کارآمدترین دستگاه هوادهی انتقال اکسیژن است که میتواند برای هر سیستم پرورش آبزیان، به ویژه در آب شور استفاده شود.
با این حال، به دلیل تلاطم کم، عملکرد مناسبی در رهاسازی دی اکسید کربن از آب به جو ندارند. در همین حال، پمپ های هوادهی عمودی (اسپلش) در از بین بردن دی اکسید کربن بسیار کارآمدتر هستند زیرا آب تماس بیشتری با هوا دارد، اما در انتقال اکسیژن به آب کارآیی کمتری دارند.
دفیوزرها یا استفاده از پمپ های هوا با سنگهای هوا یا سایر دستگاه های دیگر کمترین میزان توانایی در انتقال اکسیژن به آب را دارند و در حذف دی اکسید کربن نیز بسیار ضعیف هستند.
در بعضی موارد، ترکیبی از هواده ها ممکن است بهترین نتیجه را داشته باشد. بعضی از آنها در انتقال اکسیژن بهتر و برخی دیگر در مخلوط کردن (ایجاد تلاطم) و پخش دی اکسید کربن از آب به اتمسفر بهتر عمل میکنند. در تأسیسات مداربسته تنها در صورتی از تزریق مداوم اکسیژن استفاده میشود که حجم بیومس قابل برداشت بیش از ۵۰ کیلوگرم در متر مکعب باشد.
دلیل این امر هزینه بالا و نیاز به تهیه دستگاه های جداگانه به منظور آزاد سازی دیاکسید کربن از آب پرورش است. با این حال، استفاده از اکسیژن خالص ممکن است در سیستمهای دارای بیومس کمتر در موارد ضروری مفید باشد. در دهه گذشته، اکسیژن مترهای ارزان قیمتی در دسترس قرار گرفته اند که میزان اکسیژن محلول را با دقت ۱۰ درصد نمایش میدهند. هرچند نسبت به دستگاههای گرانقیمت، طول عمر کمتری دارند.
سطح اکسیژن محلول در آب مورد نیاز به طور معمول برای ماهی و میگو بیش از ۴ میلیگرم در لیتر بوده و برای سایر گونه های حساس بالاتر است. سطح اکسیژن محلول پایین همزمان با مقادیر بالای دی اکسید کربن بسیار خطرناکتر است زیرا دی اکسید کربن بالا در تنفس طبیعی موجودات آبزی تداخل ایجاد میکند.
خطرات دی اکسید کربن
دی اکسید کربن نه تنها حاصل تنفس حیوان پرورشی مورد نظری است که در سیستم مداربسته تغذیه میشود، بلکه باکتریها و فیتوپلانکتون های موجود در آب نیز کربن دی اکسید تولید میکنند. میزان کل جذب اکسیژن و دی اکسید کربن تولید شده توسط باکتریها و جلبکها به طور معمول بیشتر از حیوانات پرورشی است که تغذیه میشوند.
آستانه دی اکسید کربن برای بیشتر حیوانات پرورشی، مانند ماهی و میگو ، ۱۵-۲۰ میلیگرم در لیتر خواهد بود. در سیستم های مداربسته که تلاطم کمی دارند، مانند سیستمهایی که از دفیوزر یا سنگ هوا استفاده میکنند غلظت دی اکسید کربن میتواند با کاهش pH به سطح کمتر از ۷، شرایط خطرناکی ایجاد کند.
در سیستم های مداربسته، ماهی و میگو ممکن است بیحال به نظر برسند، زیرا ممکن است دی اکسید کربن تا سطح بیش از ۵۰ میلی گرم در لیتر افزایش یابد. اثرات افزایش بیش از حد دیاکسید کربن و رسیدن به میزان سمی به سختی برطرف میشود، بنابراین پیشگیری بهترین روش برای مقابله با مشکلات CO۲ بالا است.
آزمایشها و اندازه گیری هایی برای سنجش سطح CO۲ و همچنین معادلاتی وجود دارد که با مشخص شدن PH و میزان قلیائیت، سطح دی اکسید کربن را مشخص میکند. هوادهی کافی، ایجاد تلاطم یا افزایش تماس هوا با آب، به طور مداوم دی اکسید کربن را کاهش داده تا در سطح بهینه حفظ شود.
بنابراین با هوادهی مناسب و تلاطم کافی که سطح اکسیژن محلول را به خوبی تامین کند، میزان دیاکسید کربن نیز در سیستم های مداربسته که دارای زیست توده متوسط (کمتر از ۵ کیلوگرم در متر مکعب) هستند، کنترل می شود. حفظ قلیائیت کافی (۵۰-۴۰۰ میلی گرم در لیتر) از طریق افزودن بیکربنات سدیم یا هیدروکسید کلسیم میتواند به کاهش PH از طریق افزایش دی اکسید کربن کمک کند.
یک نمونه آب از سیستم مداربسته مبتنی بر بیوفلاک که نشان میدهد ذرات هنوز معلق هستند
نیتروژن سمی
یکی از بزرگترین نگرانی ها در طراحی و بهره برداری از سیستم مداربسته نیتروژن سمی است که به سه شکل اساسی دیده میشود. اولین ماده زائد حاصل از متابولیسم نیتروژن یا تجزیه پروتئین، آمونیاک است. آمونیاک در آب به دو شکل در می آید: یک شکل غیر یونیزه (NH۳) که سمی است و یک شکل یونیزه(NH۴+) که غیر سمی است.
در pH پایین ، فرم یونیزه شده آمونیاک بیشتر و فرم غیریونیزه کمتر وجود دارد. رابطه بین pH و آمونیاک ممکن است دومین مفهوم مهمی باشد که باید در آبزی پروری مورد توجه قرار گیرد. با افزایش PH ، درصد آمونیاک غیریونیزه بهشکل چشمگیری افزایش مییابد.
به عنوان مثال ، اگر یک پرورش دهنده با افزودن یک ترکیب بسیار قلیایی مانند هیدروکسید کلسیم، pH را افزایش دهد، آمونیاک سمی موجود در آب محیط پرورش ممکن است به راحتی تا ۵۰ درصد افزایش یابد، که احتمالاً باعث تلفات میشود. گزارش شده است که حد بالای آمونیاک غیر یونیزه در سیستم های مداربسته باید کمتر از ۰.۰۵ میلی گرم در لیتر باشد.
نیتریت فرم دوم نیتروژن است که بوسیله باکتریهای اتوتروف و هتروتروف از آمونیاک تولید میشود. تقریباً برای هر شکلی از حیات سمی است و توسط تعداد کمی از باکتریها میتواند به نیترات تبدیل شود، که بسیار سمیت کمتری دارد. بیشینه قابل تحمل نیتریت برای گونه هایی مانند میگو و تیلاپیا کمتر از ۲ میلی گرم در لیتر است، در حالی که برای گونه های حساستر مانند قزل آلا باید نزدیک به صفر باشد.
با افزایش سطح قابل نشست در سیستمهای مداربسته، تعداد باکتریهای اتوتروفیک می تواند افزایش یافته و آمونیاک را به نیتریت و سپس نیترات با سمیت کمتر تبدیل کنند. بیومدیا (فیلترهای زیستی) یک فیلتر بیولوژیکی است که به راحتی در دسترس بوده و برای تبدیل نیتروژن قابل اعتماد است.
نیترات محصول نهایی تبدیل هوازی نیتروژن سمی است و برای تبدیل آن به گاز نیتروژن غیرسمی، به تعویض آب یا یک فرآیند تصفیه بی هوازی نیاز است. طبق تجربه من حداکثر حد مجاز برای جلوگیری از مسمومیت میگو <200 میلی گرم در لیتر است، در حالی که برای قزل آلا این میزان باید کمتر از ۱۰ درصد باشد. خوشبختانه کیت های آزمایشی ارزان و قابل اطمینان برای اندازهگیری انواع ترکیبات نیتروژنی موجود است.
مواد زائد جامد موجود در آب محیط پرورش
در پروش موجوداتی که همه چیزخوار بوده و یا از کف بستر تغذیه میکنند (مانند میگو تیلاپیا) مواد جامد زائد تجمع یافته در سیستم های آبزی پروری میتواند از نظر تأمین مواد غذایی مورد نیاز یک مزیت باشد، با این وجود مواد جامد میتواند برای گونه های حساستر مانند قزل آلا و ماهی سالمون مشکل ساز شود.
در حدود ۵۰ درصد از کل خوراک وارد شده در سیستم مداربسته به مواد زائد موجود در آب تبدیل میشود. جامداتی که طی ۳۰ دقیقه و بدون هیچگونه حرکت آب در ته ظرف قرار میگیرند، به عنوان مواد جامد قابل ته نشینی نامیده میشوند در حالی که ذرات ریزتری که به راحتی جمع نمیشوند ، به عنوان جامدات معلق شناخته می شوند.
به طور معمول میگوها میتوانند حداکثر ۴۰۰ میلیگرم در لیتر مواد جامد معلق و ۱۰-۵۰ میلی لیتر در لیتر مواد جامد قابل حل را تحمل کنند در حالی که ماهی قزل آلا مواد معلق بالای ۲۰ میلی گرم در لیتر و هیچ ماده قابل حل را برای مدت طولانی تحمل نمیکند. مواد جامد را میتوان از طریق جاذبه ساده و یا از طریق دستگاههای مکانیکی پیچیده تر مانند درام فیلتر یا فیلترهای شن و ماسه و ظروف استوانه ای مختلف که از نیروی گریز از مرکز برای جداسازی و جمعآوری مواد جامد استفاده می کنند، جداسازی کرد.
درک کیفیت آب در سیستم مداربسته مستلزم تسلط بر استفاده از تعداد مشخصی از متغیرها است تا بتوان آنها را در محدودههایی حفظ کرد که بیشترین مقدار رشد و بهترین محیط را برای جلوگیری از بیماری فراهم میکند. تفسیر پیشرفته از فعل و انفعالات متغیرها ، مانند CO۲ ، pH و آمونیاک ضروری است تا در هنگام افزایش بیومس در سیستم مداربسته، به ویژه در مواردی که تعویض آب ندارند، از مشکلات تولید در آبزی پروری جلوگیری شود.
جهت مطالعه مقاله “مواد دفعی ماهی در سیستم های مداربسته” بر روی لینک زیر کلیک نمایید:
مواد دفعی ماهی در سیستم های مداربسته
