چکیده
حاصلخیزی آبزیپروری در طی ۵۰ سال گذشته روند صعودی چشمگیری به خود گرفتهاست. آبزیپروری آب راکد تصفیهنشده که بعنوان سیستمهای گسترده شناخته میشوند، ۱۱۲۱ تا ۲۲۴۲ کیلوگرم بر هکتار(۱.۰۰۰ تا ۲.۰۰۰ پوند در جریب) ماهی یا میگو در سیستمهای دریایی یا آب شیرین بازدهی دارند. میانگین نرخ تغذیه ۱۱ تا ۱۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰ تا ۱۵ پوند بر جریب روز) است که عامل محدودکنندهی نرخ اکسیژناسیون مجدد سطح بادرو به شمار میرود. فتوسنتز جلبکی، سطوح آمونیاک در بازدهی جلبکی ۵/۰ تا ۱ گرم کربن(C) بر مترمربع روز را با سطوح جامدات معلق فرار ستون آب ۱۰ تا ۲۰ میلیگرم بر لیتر کنترل میکند. در دهه ۱۹۸۰، مزرعهداران ۱/۸ تا ۳/۷ کیلووات بر هکتار(۱ تا ۲ اسب بخار در جریب) هوادهی تکمیلی را به استخرهای ماهی آب شیرین و میگوهای دریایی اضافه کردند و بازدهی ۴.۴۸۳ تا ۷.۸۴۶ کیلوگرم بر هکتار(۴.۰۰۰ تا ۷.۰۰۰ پوند بر جریب) در متوسط نرخ تغذیه ۵۶ کیلوگرم بر هکتار روز(۵۰ پوند بر جریب روز) و ماکزیمم نرخ تغذیه ۱۱۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ پوند بر جریب روز) رقم زدند. فتوسنتز جلبکی ۲ تا ۳ گرم کربن بر مترمربع روز با نرخ هوادهی آمونیاک در چنین سیستمهایی تناسب دارد. فراتر رفتن از این سطح تولید مستلزم بهبود تولید جلبکی یا شستوشوی استخر با تخلیه آمونیاک در محیط است. در سیستمهای دریایی در آسیا، شستوشوی آب مملو از آمونیاک و افزایش هوادهی استخر تا ۱۹ الی ۳۷ کیلو وات بر هکتار(۱۰ تا ۲۰ اسب بخار در جریب) امکان تولید میگو بیش از ۱۱.۲۰۹ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۱۰.۰۰۰ پوند بر جریب در چرخه) را میسر ساخت. در ایالات متحده آمریکا، تخلیه آب بیش از گذشته با ممنوعیت روبرو شدهاست و در نتیجه، آبزیپروران این کشور به بهبود سیستمهای فتوسنتزی مانند سیستمهای آبزیپروری تقسیمشده، استخرهای بخشبندی شده، آبراهههای درون استخری و استخرهای دارای هوادهی شدید برای افزایش ظرفیت حمل روی آوردند. بازده ماهی به میزان ۱۱.۲۰۹ الی ۲۱.۲۹۶ کیلوگرم بر هکتار(۱۰ هزار الی ۱۹ هزار پوند بر جریب) با بارگذاریهای تغذیهای ۱۱۲ تا ۲۸۰ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ تا ۲۵۰ پوند بر جریب روز) با اوج فتوسنتز جلبکی در ۶ تا ۱۲ گرم کربن بر سانتیمتر مربع روز قابل حصول بود. برای افزایش بیشتر تولید تا سطوح فوق متراکم، مزرعهداران به تکنیکهای درمان بیولوژیکی جایگزین، واکنشگرهای شورهساز لایه ثابت، یا واکنشگرهای میکروبی پرورش معلق روی آوردند. تصفیه بیوفلاک با استفاده از سیستمهای شورهساز[۱] یا سیستمهای هتروتروفیک[۲] به لحاظ اقتصادی در پرورش میگو مطلوب است. سطوح میکروبی بهینه در دامنه ۲۰۰ تا ۴۰۰ میلیگرم بر لیتر با حذف آمونیاک بدون تحمیل تقاضای اکسیژن مازاد همگام بودند. تولید میگو بیش از ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۴۰ هزار پوند بر جریب در هر چرخه) قابل دستیابی است. مزیت اصلی پرورش HS، نرخ رشد شریع میکروبهاست که امکان کنترل تقریباً آنی سطوح آمونیاک پرورش را فراهم میسازد. پرورش HS مستلزم مکمل آلی ۴۰ تا ۶۰ درصد غذا و حذف ۱۰ درصد از جرم میکروبی در هر روز است. تولید جامدات از NS معمولاً یک دهم HS است و هیچ مکمل آلی مازادی مورد نیاز نیست. بودجههای شرکتی حاکی از آنند که هزینههای تولید میگو در NS و HS در ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه ۱۲۰ روزه(۴۰ هزار پوند بر جریب در هر چرخه ۱۲۰ روزه) در نرخ ۸ دلار بر کیلوگرم میگو مشابه هستند. یک مزیت افزودهی آبزیپروری فوق متراکم، پتانسیل تامین سیستمهای تخلیه صفر است که نیاز به تخلیه لجن پسماند و آب از طریق تبدیل تولید زیست توده میکروبی به محصولات جانبی مفید را برطرف میسازد.
مقدمه
حاصلخیزی آبزیپروری در طی ۵۰ سال گذشته روند صعودی چشمگیری به خود گرفتهاست(جدول ۷.۱). الزام اولیه برای افزایش ظرفیت حامل سیستمهای تولید آبزیپروری، حفظ غلظتهای اکسیژن آب، دی اکسید کربن، و آمونیاک در چارچوب سطوح قابل قبول است. هوادهی طبیعی یا بهبودیافته برای حفظ سطوح اکسیژن و دی اکسید کربن به کار میرود، در حالی که رشد میکروبی هتروتروفیک، شیمواتوتروفیک (نیتریفیکاسیون) یا فوتواتوتروفیک (جلبک) ممکن است برای حفظ کنترل سطوح نیتروژن آمونیاک مورد استفاده قرار بگیرد. در دهه ۱۹۶۰، استخرهای آبزیپروری فاقد هوادهی، که تحت عنوان سیستمهای گسترده شناخته میشدند، بازدهی ۱۱۲۱ تا ۲۲۴۲ کیلوگرم بر هکتار(۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ پوند بر جریب) ماهی یا میگو در سیستمهای دریایی یا آب شیرین داشتند(برون و دراپکو، ۱۹۹۱). در این بازدهها، میانگین نرخ کاربرد غذا ۱۱ تا ۱۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰ الی ۱۵ پوند بر جریب روز) بود که عامل محدودکننده، نرخ هوادهی مجدد بادی بودهاست. در چنین استخرهایی، فتوسنتز جلبکی، سطوح آمونیاک در بازدهیهای جلبکی ۰/۵ تا ۱ گرم کربن بر مترمربع در روز در سطوح جامدات معلق فرار[۳] ستون آب ۱۰ تا ۲۰ میلیگرم بر لیتر را سرکوب میکند.
با شروع در دهه ۱۹۸۰، مزرعهداران ۱/۸ تا ۳/۷ کیلووات بر هکتار(۱ تا ۲ اسب بخار در جریب) هوادهی تکمیلی را به استخرهای ماهی آب شیرین و میگوهای دریایی اضافه کردند و بازدهی ۴۴۸۳ تا ۷۸۴۶ کیلوگرم بر هکتار(۴.۰۰۰ تا ۷.۰۰۰ پوند بر جریب) با متوسط نرخ تغذیه ۵۶ کیلوگرم بر هکتار روز(۵۰ پوند بر جریب روز) و ماکزیمم نرخ تغذیه ۱۱۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ پوند بر جریب روز) رقم زدند(برون و دراپکو، ۱۹۹۱). در این نرخهای بارگذاری تغذیه، فتوسنتز جلبکی ۲ تا ۳ گرم کربن بر مترمربع روز متناسب با نرخ تولید آمونیاک است. فراتر رفتن از این سطح تولید مستلزم بهبود تولید جلبکی یا شستوشوی استخر با تخلیه آمونیاک و VSS در محیط است(شکل ۷.۱).
در سیستمهای دریایی اولیه در ایالات متحده آمریکا و آسیا، شستوشوی آب مملو از آمونیاک و افزایش هوادهی استخر تا ۱۹ الی ۳۷ کیلووات بر هکتار(۱۰ تا ۲۰ پوند بر جریب) امکان تولید میگو بیش از ۱۱،۲۰۹ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۱.۰۰۰ پوند بر جریب در هر چرخه) را فراهم ساخت(اودیملک، ۲۰۱۰). . در ایالات متحده آمریکا، تخلیه آب بیش از گذشته با ممنوعیت روبرو شدهاست و در دهه ۱۹۹۰، آبزیپروران به بهبود سیستمهای فتوسنتزی مانند سیستمهای آبزیپروری تقسیمشده[۴]، استخرهای بخشبندی شده، آبراهههای درون استخری و استخرهای دارای هوادهی بالا روی آوردند تا ظرفیت حمل افزایش یابد(برون، ۲۰۱۴؛ برون و همکاران، ۲۰۱۲). بازده ماهی ۱۱،۲۰۹ الی ۲۱،۶۹۶ کیلوگرم بر هکتار(۱۰ هزار الی ۱۹ هزار پوند بر جریب) با بارگذاریهای تغذیهای ۱۱۲ تا ۲۸۰ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ تا ۲۵۰ پوند بر جریب روز) قابل حصول بود. تحت این شرایط، پیک فتوسنتز جلبکی در سطوح ۶ تا ۱۲ گرم کربن بر مترمربع روز قرار دارد.
جدول ۷.۱. پارامترهای بازده و حاصلخیزی سیستمهای مختلف آبزیپروری و تاریخ تقریبی شروع آنها. PAS: سیستم آبزیپروری تقسیمبندی شده؛ SP: استخرهای بخشبندی شده، VSS: جامدات معلق فرار
| سیستم | بازده(کیلوگرم بر هکتار) | تغذیه(کیلوگرم بر هکتار روز) | هوادهی(کیلووات بر هکتار) | نوع (گرم کربن بر مترمربع روز) | VSS (میلیگرم بر لیتر) | خط زمانی |
| گسترده | ۲۲۴۷ – ۱۱۲۴ | ۳۴ – ۱۱ | باد | جلبکی(۱ – ۰/۵) | ۲۰ – ۱۰ | ۱۹۶۰ |
| نیمه متراکم | ۶۷۴۲ – ۴۴۹۴ | ۱۱۲ – ۵۶ | ۳/۷ – ۱/۸ | جلبکی(۳-۲) | ۱۰۰ – ۵۰ | ۱۹۸۰ |
| استخر متراکم | ۱۳۴۸۳ – ۱۱۲۳۵ | ۱۶۸ – ۱۱۲ | ۲۲ – ۱۱ | ترکیبی(۴-۳) | +۱۰۰ | ۱۹۹۰ |
| PAS/SP | ۲۱۳۴۸ – ۱۶۸۵۴ | ۲۸۰ – ۲۲۵ | ۱۸ – ۱۳ | جلبکی(۱۲-۶) | ۱۰۰ – ۵۰ | ۲۰۰۰ |
| شورهسازی فوق متراکم | +۴۴۹۴۳ | ۱۱۲۳ | ۱۱۱ – ۹۲ | نیتریفیکاسیون | ۴۰۰ – ۳۰۰ | ۲۰۰۶ |
| هتروتروفیک فوق متراکم | +۴۴۹۴۳ | ۱۱۲۳/۶۷۴ | ۱۴۸ – ۱۱۱ | هتروتروفیک | ۴۰۰ – ۳۰۰ | ۲۰۰۶ |
شکل ۷.۱. سطوح نیتروژن آمونیاک کل[۵] در استخرهای متداول در مقابل سیستمهای آبزیپروری تقسیمبندی شده در سطوح تغذیه ۵۶ تا ۲۲۴ کیلوگرم بر هکتار روز(۵۰ تا ۲۰۰ پوند بر جریب روز).
برای افزایش بیشتر تولید تا سطوح فوق متراکم، مزرعهداران به تکنیکهای تصفیه بیولوژیکی جایگزین مانند واکنشگرهای شورهساز لایه ثابت(فیلترهای چکنده) یا واکنشگرهای میکروبی پرورش معلق(بیوفلاک) روی آوردند(اولیملک،۲۰۱۰، ۲۰۱۵). به علت پتانسیل چگالی حجمی بالاتر در ماهیان برخلاف پرورش میگوها، فیلترهای چکنده به لحاظ اقتصادی در پرورش بیشتر بالهماهیان مطلوب هستند. به طور کلی، تصفیه بیوفلاک به لحاظ اقتصادی در پرورش میگو مطلوب است که از سیستمهای شورهساز یا سیستمهای هتروتروفیک استفاده میشود. HS مستلزم مکمل آلی خارجی علاوه بر مصرف غذا است. سطوح میکروبی بهینه در دامنه ۲۰۰ تا ۴۰۰ میلیگرم بر لیتر با برداشت آمونیاک لازم همخوانی دارند، در حالی که هیچگونه تقاضای اکسیژن مازاد را تحمیل نمیکنند. تولید میگو بیش از ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۴۰ هزار پوند بر جریب در هر چرخه) قابل دستیابی است. NS مستلزم توان هوادهی ۹۳ تا ۱۱۲ کیلووات بر هکتار(۵۰ تا ۶۰ اسب بخار در جریب) است، در حالی که الزامات هوادهی در HS میتواند از ۱۱۲ تا ۱۴۹ کیلووات بر هکتار(۶۰ تا ۷۰ اسب بخار در جریب) فراتر برود. مزیت اصلی پرورش هتروتروفیک، نرخ رشد سریع میکروبهای هتروتروفیک است که امکان کنترل تقریباً آنی سطوح آمونیاک را فراهم میسازد. پرورش هتروتروفیک مستلزم مکمل آلی ۴۰ تا ۶۰ درصدی غذا و حذف ۱۰ درصد از جرم میکروبی در روز است. تولید جامدات میکروبی از NS معمولاً ۱۰ درصد HS است و هیچ مکمل آلی مازادی مورد نیاز نیست. بودجههای شرکتی حاکی از آنند که هزینههای تولید میگو در NS و HS در ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه ۱۲۰ روزه(۴۰ هزار پوند بر جریب در هر چرخه ۱۲۰ روزه) در نرخ ۸ دلار بر کیلوگرم میگو مشابه هستند. یک مزیت افزودهی آبزیپروری فوق متراکم، پتانسیل تامین سیستمهای تخلیه صفر است که نیاز به تخلیه لجن پسماند و آب از طریق تبدیل تولید زیست توده مکیروبی به محصولات جانبی مفید را برطرف میسازد.
هوادهی استخر گسترده
بازدههای مشاهده شده در استخرهای فاقد هوادهی در دامنه ۱۱۲۱ تا ۲۲۴۲ کیلوگرم بر هکتار(۱.۰۰۰ تا ۲.۰۰۰ پوند بر جریب) است(برون و دراپکو، ۱۹۹۱). بوید و تیچرت-کودینگتون(۱۹۹۲) نرخ هوادهی مجدد سطحی استخرهای ماهی کوچک را بصورت زیر مشخص میکند:
KLa(/h-۱) = 0.۰۱۱۷ (Wind(m/s)) – ۰.۰۱۴
که در آن، KL ضریب انتقال اکسیژن استاندارد با بازدهی به میزان ۰/۰۷۱ بر هکتار در غلظت میانگین اکسیژن تقریبی ۵ میلیگرم بر لیتر، میانگین سرعت باد ۳/۵ متر بر ثانیه و عمق ترکیبی موثر ۱ متر است که حاکی از نرخ هوادهی مجدد سطحی ۳۰ تا ۵۰ کیلوگرم اکسیژن بر هکتار روز(۲۷ تا ۴۵ پوند اکسیژن بر جریب روز) است. میانگین فصلی تقاضای اکسیژن ماهیان و میگو در دامنه ۱/۵ درصد تا ۲ درصد وزن بدن در روز قرار دارد(برون و همکاران، ۲۰۰۳)، که بیانگر ظرفیت حامل اکسیژن هوادهی مجدد سطحی ۱۵۱۳ تا ۳۳۶۳ کیلوگرم بر هکتار(۱۳۵۰ تا ۳۰۰۰ پوند بر جریب) است و با برداشتهای استخر گربهماهی به میزان ۱۱۲۱ تا ۲۲۴۲ کیلوگرم بر هکتار(۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ پوند بر جریب) همخوانی دارد. از سوی دیگر، بازدههای مشاهده شده میگو در استخرهای فاقد هوادهی معمولاً کمتر ا ۱۱۲۱ کیلوگرم بر هکتار(۱۰۰۰ پوند بر جریب) است. گارسیا و برون(۱۹۹۱) پیشنهاد دادند که بهبود ترکیب برای تامین اکسیژن برای استخرهای میگوی کفزی مورد نیاز است که منجر به الزامات انرژی هوادهی برای استخرهای میگوی بزرگ(بیش از ¼ هکتار(۱۰ جریب)) به میزان دو تا سه برابر استخرهای گربهماهیان آب شیرین و ۱/۱ تا ۱/۵ برابر استخرهای میگوی کوچکتر(کمتر از ۰/۴۱ هکتار(۱ جریب)) میشود.
استخرهای متداول با هوادهی مکانیکی
با شروع از دهه ۱۹۸۰، پرورشدهندگان میگو و گربهماهیان هوادهی سطحی استخر را با هوادههای فوارهای یا چرخ پاروئی برقی با توان ۱/۸ الی ۳/۷ کیلووات بر هکتار(۱ تا ۲ اسب بخار در جریب) در استخرهای ۲ تا ۴ هکتاری(۵ تا ۱۰ جریبی) تکمیل کردند(برون و دراپکو، ۱۹۹۱). تحت این شرایط، بازدههای گربهماهی مشاهده شده برابر با ۴.۴۸۳ تا ۷.۸۴۶ کیلوگرم بر هکتار(۴.۰۰۰ تا ۷.۰۰۰ پوند بر جریب) است. هوادههای مکانیکی قادر به تامین ۰/۹ تا ۱/۲ کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت ۱/۵ تا ۲ پوند اکسیژن بر اسب بخار ساعت) هستند. این استخرهای به اصطلاح متداول(مرسوم) با انرژی هوادهی ۱/۸ تا ۳/۷ کیلووات بر هکتار(۱ تا ۲ اسب بخار در جریب)، ۱۲ تا ۲۴ ساعت در روز کار میکنند و معمولاً ۱/۲ کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت(۲ پوند اکسیژن بر اسب بخار ساعت) انتقال میدهند. تحت این شرایط، هوادهها بین ۲۷ و ۱۰۸ کیلوگرم بر هکتار روز(۲۴ تا ۹۶ پوند بر جریب روز) اکسیژن با هوادهی سطحی مازاد ۳۰ تا ۵۰ کیلوگرم بر هکتار روز(۲۷ تا ۴۵ پوند بر جریب روز) را تامین میکنند که یک شار اکسیژن خالص ۵۷ تا ۱۵۸ کیلوگرم بر هکتار روز(۵۱ تا ۱۴۱ پوند بر جریب روز) را فراهم میسازند. در تقاضای اکسیژن برای گربهماهیان به میزان ۲ درصد وزن بدن در روز، این تامین اکسیژن از ظرفیت حامل گربهماهی ۳۱۹۴ تا ۷۹۰۲ کیلوگرم بر هکتار(۲۸۵۰ تا ۷۰۵۰ پوند بر جریب) حمایت میکند و با بازدههای مشاهده شده در میدان همخوانی دارد. در مقابل، بازده استخر میگو در هوادهی ۱/۸ تا ۳/۷ کیلووات بر هکتار(۱ تا ۲ اسب بخار در جریب) معمولاً در دامنه ۱.۱۲۱ تا ۲.۹۱۴ کیلوگرم بر هکتار(۱۰۰۰ تا ۲۶۰۰ پوند بر جریب) قرار دارد که یک سوم بازده استخرهای گربهماهی آب شیرین در سطوح انرژی هوادهی مشابه است(اونیملک، ۲۰۱۰).
استخرهای نیمه متراکم
تا دهه ۱۹۹۰، پرورشدهندگان گربهماهیان و میگو، ظرفیت حامل استخر را با افزایش سطوح توان هوادهی تا ۱۱ الی ۱۹ کیلووات بر هکتار(۶ تا ۱۰ اسب بخار در جریب) در استخرهای گربهماهیان و ۱۹ تا ۳۷ کیلووات بر هکتار(۱۰ الی ۲۰ اسب بخار در جریب) در استخرهای میگو ارتقا دادند(توکر و همکاران، ۲۰۱۴). تحت این شرایط، بازدهی گربهماهیان به میزان ۱۱،۲۰۸ تا ۱۳،۴۵۰ کیلوگرم بر هکتار(۱۰ هزار الی ۱۰ هزار پوند بر جریب) امکانپذیر است، و بازدههای مشابه در میگوها نیز در دو برابر کردن سطوح انرژی هوادهی حاصل میشود. در ۱۱ کیلووات بر هکتار(۶ اسب بخار بر جریب) با هوادههایی که ۱۲ تا ۲۴ ساعت در روز کار میکنند، نرخ انتقال اکسیژن به میزان ۱۶۱ تا ۳۲۳ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۴۴ تا ۲۸۸ پوند بر جریب روز) حاکی از ظرفیت حامل ماهی به میزان ۸۰۷۰ تا ۱۶،۱۴۰ کیلوگرم بر هکتار(۷.۲۰۰ تا ۱۴.۴۰۰ پوند بر جریب) است. در استخرهای میگو، ظرفیت حامل معمول در انرژی هوادهی ۶۶۰ تا ۸۸۷ کیلوگرم بر کیلووات(۱۰۸۵ تا ۱۴۵۹ پوند بر اسب بخار) تعیین شدهاست(اونیملک، ۲۰۲۰، فائو، ۲۰۰۶؛ موهانتی، ۲۰۰۱) و بازده میگو را در دامنه ۱۲،۳۲۹ کیلوگرم بر هکتار(۱۰،۰۸۵ پوند بر جریب) در ۱۹ کیلووات بر ساعت(۱۰ اسب بخار بر جریب) تا ۳۲،۷۰۶ کیلوگرم بر هکتار(۱۲.۰۰۰ پوند بر جریب) در ۳۷ کیلووات بر ساعت(۲۰ اسب بخار بر جریب) پیشبینی میکند. با این وجود، در ظرفیت حامل میگو یا ماهی بیش از ۱۳،۴۵۰ کیلوگرم بر هکتار(۱۲.۰۰۰ پوند بر جریب)، مشاهدات میدانی حاکی از آن است که ظرفیت عملآوری در استخرهای مرسوم یا استخرهای با هوادهی بالا قادر به همگامی با نرخ تولید آمونیاک نیست(همانگونه که در شکل ۷.۱ مشاهده میشود).
استخرهای فوتواتوتروفیک متراکم
سطوح تغذیه مورد استفاده برای استخرهای گسترده فاقد هوادهی در دامنه ۱۱ تا ۲۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰ تا ۲۰ پوند بر جریب روز) است. در سطوح پروتئین غذایی ۳۲ تا ۳۵ درصد و ۷۵ درصد نیتروژن غذایی[۶] رها شده در ستون آب، این سطح معادل ۰/۴۳ تا ۰/۹۴ کیلوگرم نیتروژن بر هکتار روز(۰/۳۸ تا ۰/۸۴ پوند نیتروژن بر جریب روز)، یا ۰/۰۴۳ تا ۰/۰۹۴ گرم نیتروژن بر مترمربع روز یا ۰/۴۳ تا ۰/۰۹۴ میلیگرم نیتروژن بر لیتر روز در عمق موثر ۱ متر است. در یک نسبت میانگین C/N جلبکی ۱ : ۵/۶، این امر حاکی از نرخ تثبیت جلبکی ۰/۲۴ تا ۰/۵۳ گرم کربن بر مترمربع روز یا تا میزان ۱ گرم کربن بر مترمربع روز با نرخ بازیابی نیتروژن داخلی ۱۰۰ درصد است. بازیابی نیتروژن معناداری در سیستمهای آبزیپروری متراکم ثبت شدهاست(برون، ۲۰۱۸؛ برون و همکاران، ۲۰۰۳، ۲۰۱۲). در یک عمر سلول جلبکی معمول در استخرهای غیرترکیبی ۱۰ تا ۲۰ روزه، این امر حاکی از غلظت VSS جلبکی ۵ تا ۲۰ میلیگرم بر لیتر است. در استخرهای مرسوم دارای هوادهی، سطوح تغذیه به ۵۶ تا ۱۱۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۵۰ تا ۱۰۰ پوند بر جریب روز) میرسد که تثبیت جلبکی را تا ۲ الی ۳ گرم کربن بر مترمربع روز در VSS به میزان ۵۰ تا ۱۰۰ میلیگرم بر لیتر افزایش میدهد. همانگونه که سطوح تغذیه تا ۱۱۲ الی ۲۰۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ تا ۱۸۰ پوند بر جریب روز) افزایش مییابد، سطوح تثبیت کربن ۳ تا ۴ گرم کربن بر مترمربع روز در VSS جلبکی بیش از ۱۰۰ میلیگرم بر لیتر بسته به عمر سلول جلبکی مشاهده میشوند. تلاشها در جهت به کارگیری نیتروژن غذایی در سطوحی فراتر از ۲۰۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۸۰ پوند بر جریب روز) برای استخرهای دارای هوادهی(بدون شستشو) معمولاً موفق نیستند، چنانچه پیکربندیهای استخر بیشتری قادر به تامین نیتروژن جلبکی بیش از۴ تا ۶ گرم کربن بر مترمربع روز نیستند.
PAS توسعه یافته در دانشگاه کلمسون[۷]، کارولینای جنوبی(شکل ۷.۲) براساس افزایش حاصلخیزی جلبکی در استخرهای جریان سریع آب ایجاد میشود که در اصل برای تصفیه فاضلاب در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافته بود(اوسوالد، ۱۹۸۸). ترکیب آب با چرخ پاروئی مواجهه جلبکی با نور خورشید را افزایش میدهد در حالی که همزمان سرعت آب یکنواخت را در کل استخر تحمیل میکند(اسکوارد، ۱۹۹۸) (شکل ۷.۳). این اثرات نرخ تثبیت کربن جلبکی را تا ۶ الی ۱۲ گرم کربن بر مترمربع روز افزایش میدهد و یک ظرفیت حامل ماهی را تا ۲۱،۲۹۶ کیلوگرم بر هکتار(۱۹.۰۰۰ پوند بر جریب) برای تولید گربهماهیان با ۵،۰۴۴ کیلوگرم بر هکتار بیشتر(۴۵۰۰ پوند بر جریب) برای ماهیان تیلاپیلا فراهم میسازد(برون و همکاران، ۲۰۱۲). تحت چنین شرایطی، ماکزیمم سطوح تغذیه ممکن است در ۲۸۰ کیلوگرم بر هکتار روز(۲۵۰ پوند بر جریب روز) حفظ شوند. پرورش همزمان تیلاپیلا برای پرورش مستمر جمعیت جلبکی تا سطوح ۵۰ الی ۱۰۰ میلیگرم بر لیتر در میانگین سن جلبکی ۵ تا ۶ روز به کار میرود، در حالی که چیرگی سیانوباکتریایی حذف شده و جمعیت زئوپلانکتونها به حداقل میرسد و به این ترتیب جمعیت جلبکی استخر تثبیت میشود(برون، ۲۰۱۷).
شکل ۷.۲. یک PAS جریبی(۰/۸ هکتاری) در دانشگاه کلمسون تولیدکننده گربهماهیان.
علاوه بر PAS، سایر سیستمهای فتوسنتزی بهبودیافته شامل استخرهای بخشبندی شده و استخرهای نیمه متراکم هستند. این استخرها بیانگر تلاشی از جانب پرورشدهندگان و محققان در مرکز آبزیپروری وارم واتر[۸] در استون ویل[۹]، میسیسیپی، برای تکثیر ظرفیت حامل PAS در یک طراحی سیستم کم هزینهتر هستند(توکر و همکاران، ۲۰۱۴). استخرهای بخشبندی شده معمولاً شامل استخرهای پرورش ماهی زمینی با تراکم بالاتر به میزان ۰/۸ تا ۲ هکتار(۲ تا ۵ جریب) به همراه استخرهای تصفیه پسماند بزرگ ۲/۴ تا ۸/۱ هکتاری(۶ تا ۲۰ جریب) با استفاده از چرخهای پاروئی با حرکت آرام(۱ تا ۳ دور در دقیقه) یا پمپهای محوری برای تبادل آب بین این دو استخر هستند.
شکل ۷.۳. پروفایل سرعت در یک PAS 2 جریبی(۰/۸ هکتاری) با سرعت پرخ پرهدار ۱/۳ دور در دقیقه.
در WAC، و در دانشگاه کلمسون، مقایسههای بین PAS، استخرهای بخشبندی شده[۱۰]، استخرهای نیمه متراکم و استخرهای متداول به ترتیب با اندازههای ۰/۸، ۲/۸، ۱/۶ و ۰/۸ هکتاری(۲/۰، ۷/۰، ۴/۰ و ۲/۰ جریبی) نشاندهندهی تراکم پرورش ۹۶، ۴، ۰/۹۶ و ۰/۴۶ کیلوگرم بر مترمکعب(۶/۰، ۰/۲۵، ۰/۰۶، و ۰/۰۴ پوند بر فوت مکعب) در میانگین نرخهای فتوسنتزی ۷/۵، ۵/۵، ۶/۶ و ۱/۴ گرم کربن بر مترمربع روز در نرخهای تغذیه ۱۷۹ تا ۲۸۰، ۱۲۳ تا ۲۸۰، ۹۴ تا ۲۰۲ و ۶۷ تا ۱۱۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۶۰ تا ۲۵۰، ۱۱۰ تا ۲۵۰، ۸۴ تا ۱۸۰ و ۶۰ تا ۱۰۰ پوند بر جریب روز) هستند. سطوح VSS جلبکی به ترتیب ۸۰ میلیگرم بر لیتر تحت تسلط جلبک سبز، ۱۱۵ میلیگرم بر لیتر تحت تسلط سیانوباکتریها، ۱۱۰ میلیگرم بر لیتر تحت تسلط سیانوباکتریها و ۱۰۰ میلیگرم بر لیتر لیتر سیانوباکتریهای دارای رشد آرام هستند. میانگین تولید ماهی در چهار سیستم به ترتیب برابر با ۲۰۱۷۵، ۱۲۱۳۲، ۱۲۸۹۰ و ۸۴۰۶ کیلوگرم بر هکتار(۱۸.۰۰۰، ۱۳.۵۰۰، ۱۱.۵۰۰ و ۷.۵۰۰ پوند بر جریب) است. در استخرهای نیمه متراکم، تا میزان ۲۰ درصد نیتروژن افزوده از طریق نیتریفیکاسیون حذف شد. مزیت اصلی استخر بخشبندی شده، تامین ۷۵ درصد ظرفیت تولید PAS با ۵۰ درصد هزینه است. افزایش نیتریفیکاسیون در استخرهای نیمه متراکم بیانگر شروع انتقال از پرورش جلبکی به پرورش شورهساز است که حاصلخیزی جلبکی لازم از حد استخر ۵ تا ۶ گرم کربن بر مترمربع روز فراتر میرود. استخرهای نیمه متراکم فاقد سرعت آب یکنواخت PAS هستند و بنابراین حاصلخیزی جلبکی در مقدار تقریبی ۶ گرم کربن بر مترمربع روز در همگامی با بارگیری نیتروژن ناموفق است؛ در نتیجه، تولید زیست توده میکروبی شورهساز تاثیرگذار خواهد بود.
آبزیپروری فوق متراکم
در طی ۲۰ سال گذشته، محققان، پرورشدهندگان و سرمایهگذاران آبراهههای محصور در گلخانه و استخرهای لایهدار با قابلیت تولید بازدههای ۳۹،۲۳۰ تا ۵۰،۴۳۸ کیلوگرم بر هکتار(۳۵ هزار تا ۴۵ هزار پوند بر جریب) را نصب کردهاند. در چنین سیستمهایی، نرخ تغذیه ممکن است از ۸۹۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۸۰۰ پوند بر جریب روز) فراتر رود و یک بارگذاری کربن آلی مازاد بیش از ۴۰ گرم کربن بر مترمربع روز رخ دهد که سطحی فراتر از حدود حاصلخیزی جلبکی پایدار کاربردی ۱۲ گرم کربن در مترمربع روز است. در چنین مواردی، به کارگیری تکنیکهای تصفیه بیولوژیکی جایگزین مانند واکنشگرهای شورهساز لایه ثابت(فیلترهای چکنده) یا واکنشگرهای میکروبی پرورش معلق، تحت عنوان سیستمهای بیوفلاک، ضرورت مییابد. فیلترهای چکنده به لحاظ اقتصادی در پرورش بیشتر باله ماهیان به علت پتانسیل چگالیهای حجمی بالاتر در ماهیان، برخلاف سیستمهای پرورش میگو، مطلوب است. در سیستمهای پرورش ماهیان، تراکم ماهیان به میزان ۹۶ کیلوگرم بر مترکعب(۶ پوند بر فوت مکعب) با عمق ۱ متر منجر به بارگذاریهای نیتروژن ۷۰ تا ۸۰ میلیگرم نیتروژن بر لیتر روز میشود. این سطح از بارگذاری نیتروژن ممکن است در فیلتر چکنده ۱۰ تا ۵۰ درصد حجم پرورش ماهیان حذف شود. از سوی دیگر، پرورش میگو معمولاً دوبعدی است و در تراکمهای پرورش میگوی فوق متراکم ۳/۶ تا ۴/۵ کیلوگرم بر مترمربع (۸ تا ۱۰ پوند بر مترمربع)، در بارگذاری نیتروژن غذایی ۳ تا ۴ میلیگرم نیتروژن بر لیتر، رخ میدهد. این سطح از بارگذاری نیتروژن را میتوان با ۲۰۰ الی ۴۰۰ گرم زیست توده میکروبی در هر مترمکعب حذف کرد، درحالی که یک فیلتر چکنده مستلزم ده برابر پمپاژ آب و بارگیری برای تصفیه آمونیاک در نرخی مشابه با سیستم بیوفلاک میگو است. در نتیجه، تصفیه بیوفلاک به لحاظ اقتصادی در پرورش میگو با استفاده از سیستمهای شورهساز یا سیستمهای هتروتروفیک مطلوب است. در سیستمهای بیوفلاک، پرورش حیوان آبزی و تصفیه آب غالباً در همان ردپای آب رخ میدهد که برخلاف عملیات تصفیه آب جداگانه مانند فیلترهای زیستی لایه ثابت یا ستونهای تبادل گاز است. تصفیه آب در این سیستمها ممکن است شامل ترکیبی از رشد میکروبی سلول معلق و یا سایر واکنشهای واسطه میکروبی از جمله فتوسنتز، نیتریفیکاسیون، دنیتریفیکاسیون و یا رشد باکتریایی هتروتروفیک باشد.
سیستمهای بیوفلاک شورهساز فوق متراکم
اثبات شدهاست که سیستمهای بیوفلاک شورهساز بازده میگوی ۳۹،۲۳۰ تا +۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۳۵ هزار تا ۴۵ هزار پوند بر جریب در هر چرخه) دارند. چرخههای شورهساز معمولاً در دامنه ۱۲۰ تا ۱۵۰ روز قرار دارند که میگوی اندازه بزرگ(۲۰ تا ۲۵ گرم) تولید میکنند(برون، ۲۰۱۸). نرخ بارگذاری غذا در دامنه ۷۸۵ تا ۱۱۲۱ کیلوگرم بر هکتار روز(۷۰۰ تا ۱۰۰۰ پوند بر جریب روز) قرار دارد. در ظرفیت حامل ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار(۴۰ هزار پوند بر جریب)، دامنهی تقاضای اکسیژن سیستم از ۵۷۳ تا ۸۹۷ کیلوگرم اکسیژن بر هکتار روز(۶۰۰ تا ۸۰۰ پوند اکسیژن بر جریب روز) است. با هوادهی پیوسته و ۱/۲ کیلوگرم اکسیژن انتقال یافته در هر کیلووات ساعت(۲ پوند اکسیژن بر هکتار ساعت)، تقاضای هوادهی پیشبینیشده برابر با ۳۱ کیلووات بر هکتار(۱۶/۶ اسب بخار بر جریب) است؛ با این وجود، تجربه عملی نشان میدهد که نیازمندیهای انرژی میدانی ۹۳ تا ۱۱۲ کیلووات بر هکتار(۵۰ تا ۶۰ اسب بخار بر جریب) از افزایش زیست توده میگو حمایت میکنند(برون، ۲۰۱۷). این الزام سه وجهی ورودی انرژی احتمالاً ناشی از نیاز به حفظ ترکیب آب کامل است که تعلیق VSS و تصفیه آب را تضمین میکند. متکالف و ایدی اینک(۲۰۰۳) پیشنهاد میدهند که ۱۳۱ تا ۲۶۲ کیلووات بر هکتار(۷۰ تا ۱۴۰ اسب بخار بر جریب) برای حفظ شرایط ترکیب کامل در تالابهای هوازی، سه برابر انرژی برای هوادهی مجدد مورد نیاز است. گارسیا و برون(۱۹۹۱) پیشنهاد دادند که این انرژی ترکیبی دو تا سه برابر نسبت به نیازمندی هوادهی برای حمایت از استخرهای بزرگ میگو(۲ تا ۴ هکتار(۵ تا ۱۰ جریب )) و ۱/۵ تا ۲ برابر با استخرهای کوچک (۰/۴ تا ۰/۸ هکتار(۱ تا ۲ جریب))، به منظور حفظ انتقال اکسیژن به جمعیتهای میگوی کفزی و حفظ تعلیق VSS ضروری است. در چنین سیستمهایی، ترکیب VSS و توزیع یکنواخت اکسیژن محدودکنندگی بیشتری نسبت به نرخ انتقال اکسیژن واقعی دارد.
سطوح معمولی VSS در سیستمهای شورهساز فوق متراکم در دامنه ۲۰۰ تا ۴۰۰ میلیگرم بر لیتر قرار دارند و مقدار بهینه ۳۰۰ میلیگرم بر لیتر VSS است که با حذف آمونیاک همگام است، در حالی که تقاضای مازادی برای اکسیژن تحمیل نمیکند. با این وجود، نرخ برداشت آمونیاک ممکن است در سطوح کاهشی ۷۰ تا ۸۰ میلیگرم بر لیتر در زمان برداشت تهاجمی جامدات با استفاده از جتهای هوا در مخازن به همراه تخلیه به فیلترهای مهرهای حفظ شود(پی.ار.مک اینتاچ، کارون پوکفاند، بانگوک، تایلند، ۲۰۱۹). نرخهای برداشت آمونیاک مشاهده شده در میدان بین ۰/۰۲ و ۰/۰۵ میلیگرم نیتروژن بر گرم VSS روز است(برون، ۲۰۰۷). در مقابل، نرخهای برداشت آمونیاک مشاهده شده در سیستمهای شورهساز فاضلاب معمولاً در دامنه ۰/۰۷ و ۰/۰۹ میلیگرم بر نیتروژن بر گرم VSS روز قرار دارند(متکالف و ایدی اینک، ۲۰۰۳؛ اسکیبل و همکاران، ۱۹۹۳) که نشان میدهد زیست توده شورهساز ۲۲ تا ۵۵ درصد کل زیست توده میکروبی در سیستمهای آبزیپروری شورهساز فوق متراکم است. در مقابل، در سیستم نمونه اولیه مک اینتاچ (در ۷۰ تا ۸۰ میلیگرم بر لیتر)، زیست توده شورهساز احتمالاً به ۸۰ تا ۱۰۰ درصد کل زیست توده میکروبی نزدیک میشود. در ۳۰۰ میلیگرم بر لیتر VSS، نرخ جذب آمونیاک بالقوه ۶ تا ۱۵ میلیگرم نیتروژن بر لیتر روز خواهد بود. در یک نرخ مصرف غذای پروتئینی ۳۵ درصد به میزان ۸۹۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۸۰۰ پوند بر جریب روز)، انتظار میرود که بارگذاری نیتروژن ۵ میلیگرم بر لیتر روز باشد که درست در محدوده ظرفیت میکروبی پیشبینی شده قرار دارد. تولید جامدات از نیتریفیکاسیون در دامنه ۰/۱ تا ۰/۲ میلیگرم VSS بر میلیگرم نیتروژن حذف شده قرار دارد. بنابراین، انباشت مورد انتظار زیست توده شورهساز تقریباً ۱/۰ میلیگرم بر لیتر روز است. در سطح جامدات ۳۰۰ میلیگرم بر لیتر، میانگین نرخ برداشت جامدات برابر با ۱/۳۰۰ حجم پرورش در هر روز پیشبینی میشود. در مقابل، نرخ تولید جامدات از تولید مدفوع میگو حدود ۲۰ درصد غذا یا ۲۷ میلیگرم بر لیتر روز است که نشان میدهد برداشت زیست توده شورهساز یک الزام اساسی به شمار نمیرود.
سیستمهای بیوفلاک هتروتروفیک فوق متراکم
سیستمهای بیوفلاک هتروتروفیک مستلزم ورودی مکمل آلی خارجی علاوه بر مصرف غذا هستند. در این مورد، برداشت آمونیاک از طریق جذب نیتروژن برای ساخت زیست توده میکروبی با استفاده از انرژی کربوهیدرات اضافه محقق میشود. همانند مورد NS، تولید میگو بیش از ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۴۰ هزار پوند بر جریب در هر چرخه) قابل حصول است. برودی و همکاران(۲۰۱۲) یک عامل پیشبینی را برای مکمل آلی بصورت زیر ارائه میدهند:
۲) مکمل آلی(گرم) = (غذا) × (درصد نیتروژن) × ۲۰ × (درصد نیتروژن دفع شده)
در ۸۹۷ کیلوگرم غذا در هکتار روز(۸۰۰ پوند بر جریب روز) و پروتئین ۳۵ درصد، با ۷۵ درصد نیتروژن دفع شده، این عدد ۸۴ درصد ۸۹۷ کیلوگرم(۸۰۰ پوند) یا ۷۵۴ کیلوگرم آلی بر هکتار روز(۶۷۲ پوند آلی بر جریب روز) برای مصرف غذای کامل + آلی به میزان ۱۶۵۰ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۴۷۲ پوند بر جریب روز) است. تقاضای اکسیژن ترکیبی غذای ماهی و میگو و مکمل آلی در دامنه ۰/۸ تا ۱/۲۵ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا قرار دارد(برون و دراپکو، ۱۹۹۱؛کاتویجیتیکول و همکاران، ۲۰۱۷). بنابراین، در ۱/۰ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم مکمل آلی اضافه شده، و در نرخ افزایش اکسیژن ۱/۲ کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت(۲/۰ پوند اکسیژن بر اسب بخار ساعت)، این امر بیانگر نیازمندی هوادهی ۵۶ کیلووات ساعت(۳۰ اسب بخار بر جریب) است. با این وجود، همانند موارد پیشین نیازمندیهای هوادهی میگوی مشاهده شده، انرژی واقعی مورد نیاز دو تا سه برابر نیازمندی اکسیژناسیون یا ۱۱۲ الی ۱۶۸ کیلووات بر هکتار(۶۰ تا ۹۰ اسب بخار بر جریب) است. مت کالف و ایدی اینک (۲۰۰۳)، ۰/۰۰۴ تا ۰/۰۰۸ کیلووات بر مترمکعب(۰/۵ تا ۱/۰ اسب بخار در هزار فوت مربع) را به منظور پیشگیری از تهنشینی جامدات در واکنشگرهای لجنی فعال توصیه میکند، که به ۱۳۳ تا ۲۶۷ کیلووات بر هکتار(۷۱ تا ۱۴۳ اسب بخار بر جریب) در تالابهای تصفیه فاضلاب به عمق ۳ متر تبدیل میشود. مزیت اصلی پرورش هتروتروفیک، نرخ رشد سریع میکروبهای هتروتروفیک است که کنترل تقریباً آنی سطوح آمونیاک را فراهم میسازد. رشد هتروتروفیک، بارگذاری جامدات میکروبی بیشتری تا میزان ۵۰ درصد جرم افزایش کربوهیدرات را میافزاید. در مثال ارائه شده در بالا، این مقدار معادل ۳۸ میلیگرم بر لیتر روز VSS علاوه بر ۲۷ میلیگرم بر لیتر VSS از پسماند مدفوع میگو است که ۶۵ میلیگرم بر لیتر جامدات را اضافه میکند که باید هر روز برداشته شوند یا ۲۰ درصد سطوح پایدار VSS که بسیار متفاوت از نیازهای برداشت و تصفیه جامدات سیستم شورهساز است.
سیستمهای میکروبی ترکیبی و انتقالی
همانگونه که پیش از این ذکر شد، اندازهگیری فتوسنتز و نیتریفیکاسیون در سیستمهای تولید فوق متراکم گربهماهیان نشان داد که تا ۲۰ درصد بارگذاری نیتروژن از طریق نیتریفیکاسیون رخ میدهد(برون و همکاران، ۲۰۱۵). در این استخرها، ۱۱ تا ۱۹ کیلووات بر هکتار(۶ تا ۱۰ اسب بخار در جریب) برای حصول اطمینان از ترکیب کامل حجم استخر ناکافی است. در نتیجه، ماکزیمم فتوسنتز پایدار معمولاً از ۶ گرم کربن بر مترمربع روز فراتر نمیرود. تحت چنین شرایطی، افزایش غلظت آمونیاک به نفع توسعه جمعیتهای شورهساز است. مک اینتاچ (۲۰۰۱) دادههایی را ارائه داد که حاکی از موفقیت استخرهای فوق متراکم اولیهاست که وابسته به جمعیتهای میکروبی شورهساز و هتروتروفیک در حفظ کنترل سطوح آمونیاک انباشتهاست. ظاهر بصری سبز رنگ این استخرها حاکی از آن است که جمعیتهای جلبکی نیز وجود داشتهاند، اما احتمالاً به بخش عمدهی تصفیه آمونیاک کمکی نکردهاند. این استخرها، همانند بیشتر سیستمهای پرورش متراکم و فوق متراکم، شامل ترکیبی از انواع میکروبی هستند.
در آزمایشهای تولید میگو در دانشگاه کلمسون، کرک(۲۰۱۰) و کرک و برون(۲۰۱۱) غلظتهای VSS ستون آب، فتوسنتز ناخالص و خالص و همچنین رنگ ظاهری سیستم پرورش را بصورت تابعی از بارگذاری غذا کمیسازی کردند(شکلهای ۷.۴، ۷.۵ و ۷.۶). مشاهده شد که فتوسنتز خالص در ۱۳/۸ گرم کربن بر مترمربع روز در بارگذاری غذایی ۱۷۹ تا ۲۴۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۶۰ تا ۲۲۰ پوند بر جریب روز) به اوج خود میرسد. در طی این دوره انتقالی، سطوح VSS ستون آب از ۸۰ میلیگرم بر لیتر به تقریباً ۴۰۰ میلیگرم بر لیتر افزایش یافت. زمانی که سطوح غذا تا ۶۷۳ کیلوگرم بر هکتار روز(۶۰۰ پوند بر جریب روز) افزایش یافتند، رنگ سبز زیست توده جلبکی دیگر با چشم غیرمسلح قابل رویت نبود، علیرغم اینکه سطح پایین ماندگاری از فتوسنتز در مرتبه ۱ تا ۲ گرم کربن بر مترمربع روز وجود داشت. این مشاهدات حاکی از منشأ و ماهیت اختراع آبزیپروری فوق متراکم غیرفتوسنتزی هستند. در سطوح تغذیهای که از تثبیت کربن و نیتروژن در سیستمهای فتوسنتز بهبودیافته فراتر میروند(۶ تا ۱۲ گرم کربن بر مترمربع روز)، افزایش سطوح آمونیاک سیستم، نیروی محرکهای را برای افزایش و تجمع رشد میکروبی شورهساز فراهم میسازد. اگر ماده آلی کافی در ستون آب از غذای معلق خورده نشده، ماده مدفوع یا مواد آلی با مکمل عامدانه موجود باشد، جمعیتهای میکروبی توسط جمعیتهای هتروتروفیکی رشد سریعتر به سمت چیرگی سوق مییابند.
شکل ۷.۴. بیوفلاک شورهساز و فتوسنتزی در یک سیستم تولید میگوی فوق متراکم در دانشگاه کلمسون. (A) PAS میگو در ماکزیمم نرخ فتوسنتز ۲۰ گرم کربن بر مترمربع روز. (B) بیوفلاک: لجن فعال رقیق.
شکل ۷.۵. (A) غلظت جامدات فرار در مقابل نرخ مصرف غذا، و(B) تثبیت کربن فتوسنتزی در مقابل کربن غذای مورداستفاده در سیستمهای تولید میگوی متراکم و فوق متراکم.
شکل ۷.۶. رنگ آب در یک سیستم پرورش میگو در نرخهای تغذیه در دامنه ۱۱۲ تا ۱۰۰۹ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ تا ۹۰۰ پوند بر جریب روز).
سرنوشت نیتروژن و تاثیر آن بر قلیایی بودن سیستم
در بیشتر سیستمهای پرورش استخری، سرنوشت نهایی نیتروژن فراتر از میزان برداشت شده در ماهیان یا میگوها از طریق دنیتریفیکاسیون و از دست رفتن گاز نیتروژن از ناحیه بی اکسیژن در رابطه آب استخر هوازی و رسوب غیرهوازی رخ میدهد(شکل ۷.۷).
در HS فوق متراکم، توده نیتروژن به لجن میکروبی انتقال خواهد یافت که باید یا تصفیه شود یا بصورت کود محصول بالقوه دفع شود یا از طریق پرورش حیوان آبزی جذب شود که محصولات فرعی ارزشمندی را ایجاد میکند. در NS، توده نیتروژن به نیترات تبدیل میشود که در آب پرورش تجمع میکند و یا بایستی برای کاربری زمین برداشته شود که در مورد سیستمهای آب شور دشوار است، یا در یک واکنشگر دنیتریفیکاسیون تصفیه شود. در دانشگاه کلمسون و در دانشگاه میزوری، مخازن تهنشینی لجن قادر به تحقق هدف مضاعف برداشت جامدات میکروبی مازاد بودند و بعنوان واکنشگرهای دنیتریفیکاسیون کم هزینه عمل میکردند(برون، ۲۰۱۷، ۲۰۱۸). یک مزیت اضافه دنیتریفیکاسیون این است که این فرایند جایگزین قلیائیت از دست رفته در فرایند نیتریفیکاسیون میشود.
یک سیستم پرورش یکپارچه نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون مستلزم جایگزینی قلیائی نیست. در مقابل، یک سیستم تولیدکنندهی ۴۴،۸۳۴ کیلوگرم بر هکتار(۴۰ هزار پوند بر جریب) میگو که نیازمند ۸۹،۶۶۸ کیلوگرم بر هکتار(۸۰ هزار پوند بر جریب) غذایی پروتئین ۳۵ درصد است مستلزم ۲۲،۴۱۷ کیلوگرم بر هکتار(۲۰ هزار پوند بر جریب) NaHCO۳ برای خنثی کردن تولید اسید از واکنشهای نیتریفیکاسیون است(برون، ۲۰۱۸).
شکل ۷.۷. نرخ بارگذاری و سرنوشت نیتروژن در یک سیستم تولید میگوی نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون در ۸۹۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۸۰۰ پوند بر جریب روز) مصرف غذا.
هزینهی تولید
کومار و اینگل(۲۰۱۷) به تازگی نشان دادهاند که هزینههای تولید گربهماهیان در استخرهای نیمه متراکم در سطوح هوادهی ۱۱ تا ۱۹ کیلووات بر هکتار(۶/۰ تا ۱۰/۰ اسب بخار بر جریب) در دامنه ۱/۸۵ دلار تا ۲/۱۶ دلار آمریکا بر کیلوگرم(۰/۸۴ تا ۰/۹۸ دلار آمریکا بر پوند) قرار دارد، در حالی که هزینه دامنهای از استراتژیهای تولید گربهماهیان در دامنه ۱/۹۶ تا ۲/۸۴ دلار آمریکا در کیلوگرم(۰/۸۹ تا ۱/۲۹ دلار آمریکا بر پوند) قرار دارد(جانسون و همکاران، ۲۰۱۴). کومار و اینگل(۲۰۱۷)، هزینههای ۳/۷۵ تا ۸/۴۰ دلار آمریکا بر کیلوگرم(۱/۷۰ تا ۳/۸۱ دلار آمریکا بر پوند) را برای بازدههای تولید سیستم میگو از سال ۲۰۱۸ به میزان ۱۰،۰۸۸ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۱۸۰۰ تا ۹۰۰۰ پوند بر جریب در هر چرخه) پیشنهاد دادند. هانسون و همکاران(۲۰۱۴) هزینههای تولید ۷/۲۱ دلار آمریکا بر کیلوگرم(۳/۲۷ دلار آمریکا بر پوند) برای تولید میگوی بیوفلاک فوق متراکم در ۳۹،۲۳۰ کیلوگرم بر هکتار در هرچرخه(۳۵ هزار پوند بر جریب در هر چرخه) را گزارش کردند.
یک بودجه شرکتی ارائه شده در همین اواخر(شکل ۷.۸)، هزینهی تولید میگو در سیستمهای فوتواتوتروفیک فوق متراکم، شورهساز و هتروتروفیک را مقایسه میکند. دوازده پیکربندی سیستم مقایسه شدهاند که حاصلخیزی آنها در دامنه ۱۰.۹۸۴ تا ۵۰.۴۳۸ کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(۹.۸۰۰ تا ۴۵.۰۰۰ پوند بر جریب در هرچرخه) با زمآنهای چرخهی ۸۰ تا ۱۲۰ روز قرار دارد. دامنهی هزینههای پیشبینی شده بین ۸/۰۰ دلار آمریکا و ۱۴/۶۶ دلار آمریکا در هر کیلوگرم(۳/۶۳ تا ۶/۶۵ دلار آمریکا در هر پوند) قرار دارد و هزینههای NS و HS در ۵۰،۴۳۸ کیلوگرم بر هکتار در چرخه(۴۵ هزار پوند بر جریب در هر چرخه ۱۲۰ روزه) مشابه با ۸/۰۰ دلار آمریکا در هر کیلوگرم میگو(۳/۶۳ دلار آمریکا در هر پوند میگو) هستند(شکل ۷.۸) که با هزینههای تولید میگوی نیمه متراکم آسیایی به میزان ۶/۰۶ دلار در آمریکا هر کیلوگرم(۲/۷۵ دلار آمریکا در هر پوند) قابل مقایسه هستند و با قیمتهای خردهفروشی ۷/۷۱ تا ۲۰/۹۴ دلار آمریکا در هر کیلوگرم(۳/۵۰ تا ۹/۵۰ دلار آمریکا در هر پوند) متضاد هستند.
شکل ۷.۸. هزینهی میگوی تولید شده در ۱۲ سیستم مختلف پرورش میگوی هتروتروفیک، شورهساز و فوتواتوتروفکی فوق متراکم.
پایداری سیستم
یکی از مزایای آبزیپروری فوق متراکم، پتانسیل تامین سیستمهای تخلیه صفر، حذف تخلیه آب و لجن از طریق تبدیل تولید زیست توده میکروبی به محصولات جانبی مفید است.
شکل ۷.۹. تبدیل جامدات میکروبی هتروتروفیک مازاد در پرورش میگو به محصولات جانبی میگوی آب شور و تیلاپیلا
شکل ۷.۱۰. تبدیل جامدات جلبکی مازاد در پرورش میگو به محصولات جانبی میگوی آب شور و تیلاپیلا
شکل ۷.۱۱. سرمایهگذاری انرژی در میگوها، پیشبینی شده برای ۱۲ سیستم مختلف فوق متراکم.
جامدات تولید شده از پرورش استخری معمولاً در کف استخر تهنشین شده و بصورت غیرهوازی تجزیه میشوند و آمونیاک و ترکیبات آلی را مجدد در ستون آب آزاد میکنند و به نیازهای هوادهی و تصفیه آب میافزایند. با این وجود، تولید VSS از سیستمهای فوق متراکم را میتوان به پرورشهای تغذیه فیلتری مانند میگوهای آب شور یا تیلاپیلا منحرف کرد که نیاز به تخلیه آب یا لجن و دفع را برطرف میکند و میتواند درآمد مازاد را بعنوان جایگزین پودر ماهی یا محصولات غذایی دریایی انسانی بیشتر تولید کند. علیرغم نیاز به انرژی بالا برای ترکیب و هوادهی در سیستمهای فوق متراکم، به علت حاصلخیزی بالا در هر واحد سطح، نیازمندی انرژی در هر کیلوگرم محصول در این سیستمها میتواند کمتر از ۳/۶ کیلووات ساعت بر کیلوگرم(۸ کیلووات ساعت بر پوند) مورد نیاز برای تولید جوجه باشد(شکل ۷.۱۱).
نتیجهگیری
در طی ۵۰ سال گذشته، بهرهوری آبزیپروری از ۱.۱۲۱ تا ۲.۲۴۲ کیلوگرم بر هکتار(۱.۰۰۰ تا ۲.۰۰۰ پوند بر جریب) به بیش از ۵۰،۴۳۸ کیلوگرم بر هکتار(۴۵.۰۰۰ پوند بر جریب) با افزودن سطوح افزایشی هوادهی از ۱/۹ تا ۳/۷ کیلووات بر هکتار(۱ تا ۲ اسب بخار بر جریب) تا میزان ۱۶۸ کیلووات بر هکتار(۹۰ اسب بخار بر جریب) یا حتی بیشتر رسیدهاست. سطوح طبیعی حاصلخیزی جلبکی معمولاً سطوح آمونیاک در استخرهای پرورش ماهی سنتی یا گسترده را کنترل میکنند، اما زمانی که بارگذاری غذا از ۱۱۲ کیلوگرم بر هکتار روز(۱۰۰ پوند بر جریب روز) فراتر میرود، حاصلخیزی جلبکی استخر نمیتواند همگام با برداشت آمونیاک و نیازمندیهای تثبیت کربن پیش برود. بهبود تکنیکهای فتوسنتزی مانند PAS و استخرهای بخشبندی شده امکان بارگذاری غذا به میزان بیش از ۲۲۴ کیلوگرم بر هکتار روز(۲۰۰ پوند بر جریب روز) را فراهم میسازد که از تولید ماهی به میزان بیش از ۱۱،۲۰۹ تا ۱۵،۶۹۲ کیلوگرم بر هکتار(۱۰ هزار تا ۱۴ هزار پوند بر جریب) در نرخهای تثبیت جلبکی ۶ تا ۱۲ کربن بر مترمربع روز حمایت میکند. حاصلخیزی فراتر از ظرفیت رشد جلبکی پایدار مستلزم سیستمهای پرورشی است که از رشد میکروبی هتروتروفیک و یا شورهساز برای همگام شدن با بارگذاری نیتروژن در نرخهای تغذیه فراتر از ۶۷۳ تا ۸۹۷ کیلوگرم بر هکتار روز(۶۰۰ تا ۸۰۰ پوند بر جریب روز) استفاده میکند. علیرغم مصرف بالای انرژی و افزایش نرخ تغذیه، آبزیپروری فوق متراکم، پتانسیل تامین تولید غذای دریایی پایدار برحسب انرژی و نیازمندیهای آب در هر واحد زیست توده آبزی تولید شده را فراهم میسازد. سیستمهای فوق متراکم یکپارچه، برداشت و تبدیل زیست توده میکروبی مورد استفاده برای حفظ کیفیت آب، میتوانند محصولات جانبی باارزشی را فراهم سازند، در حالی که به طور همزمان تخلیه آب یا پسماند در محیط را کاهش داده یا حتی حذف میکنند.
تعداد بازدید: ۳
لینک کوتاه: کپی کن!