هواده‌ها برای پرورش میگو
ظرفیت یک هواده برای انتقال اکسیژن به آب بعنوان کارایی هوادهی استاندارد[۱] برحسب کیلوگرم بر اسب بخار ساعت یا کیلوگرم بر کیلووات ساعت گزارش می‌شود. SAE تحت مجموعه‌استانداردی از شرایط تعیین می‌شود(آب تمیز، ۲۰ درجه سانتی‌گراد، صفر میلی‌گرم بر لیتر اکسیژن محلول) و یک مقدار مفید برای مقایسه‌ی دستگاه‌های هوادهی در زمان انتخاب هواده‌ها به شمار می‌رود. با این وجود، تحت شرایط عملی که در طی بهره‌برداری در استخرهای میگو رایج هستند، هواده‌ها اکسیژن زیادی را آنگونه که SAE ذکر کرده‌است انتقال نمی‌دهند. عوامل اصلی که بر نرخ انتقال اکسیژن موثر هستند غلظت اکسیژن محلول در طی عملیات هواده، دمای آب، جامدات معلق کل و سورفاکتانت‌ها در آب، نوع و توان دستگاه هوادهی، آشفتگی آب و هندسه‌استخر می‌باشند.
عامل اصلی که بر نرخ انتقال اکسیژن تاثیرگذار است، غلظت اکسیژن محلول در طی فعالیت هواده‌است(شکل ۹.۲). اختلاف بین غلظت اکسیژن محلول اشباع و غلظتی که در آن هواده‌ها کار می‌کنند، نیروی محرکه را برای انتقال گاز فراهم می‌آورد. در غلظت ۳,۰ میلی‌گرم بر لیتری اکسیژن محلول استخر، کارایی واقعی انتقال اکسیژن حدود نیمی از هواده اندازه‌گیری شده SAE است(بوید، ۱۹۹۸). در یک غلظت اکسیژن محلول نزدیک اشباع، هواده‌ها اکسیژن خیلی کمی را انتقال می‌دهند و زمانی که آب استخر با توجه به اکسیژن محلول فوق اشباع میشوند، هواده‌ها اکسیژن را از آب به هوا انتقال می‌دهند.
میگوهای پنائیده بصورت تجاری در آب با دامنه بسیاری محدودی از شوری‌ها پرورش می‌یابند و بنابراین هواده‌ها ممکن است در آب شیرین یا فوق نمکی کار کنند. کارایی انتقال اکسیژن هواده‌های چرخ پاروئی، ونتوری، انتشاری تزریق‌کننده ونتوری با شوری افزایش می‌یابد(فست و همکاران، ۱۹۹۹؛ روتاناگوسریجیت و همکاران، ۱۹۹۱؛ ویناته‌آ و کاروالهو، ۲۰۰۷؛ یانگ و پارک، ۲۰۱۱). برای هواده‌های چرخ پاروئی و ونتوری، افزایش چشم‌گیری در نرخ انتقال اکسیژن استاندارد[۲] و SAE بین صفر ppt و ۱۰ تا ۱۵ ppt وجود دارد(فست و بوید، ۱۹۹۲؛ ویناته‌آ و کاروالهو، ۲۰۰۷). SOTR یک هواده چرخ پاروئی در ۱۵ ppt، ۶۸ درصد بیشتر از صفر ppt است و برای یک هواده ونتوری ۱۵۱ درصد بیشتر بود(ویناته‌آ و کاروالهو، ۲۰۰۷). در سطح دامنه شوری از صفر تا ۶۰ ppt، بهترین SAE در ۳۰ ppt رخ می‌دهد، و SAE اندکی کمتر در شوری بیشتر(ویناته‌آ و کاروالهو، ۲۰۰۷). حباب‌های ایجاد شده توسط هوادهی آب شور کوچکتر و بیشتر از حباب‌های شکل گرفته در آب شیرین هستند(فست و همکاران، ۱۹۹۹؛ پیپوپینیو و بوید، ۱۹۹۳؛ روتاناگوسریجیت و همکاران، ۱۹۹۱)، مسلماً به این دلیل که تنش سطح با شوری افزایش می‌یابد. حباب‌های کوچکتر مساحت سطح برای انتقال گاز را افزایش می‌دهند.
به بیان گسترده، هواده‌ها در آبزی‌پروری میگو را می‌توان بین انواع پاشنده سطحی متمایز ساخت که آب را در هوا منتشر می‌کند و انواع حباب شناور که هوا را درون آب تزریق می‌کنند. هواده‌های چرخ پاروئی و هواده‌های ونتوری، پرکاربردترین انواع در پرورش میگوی تجاری هستند، هرچند هوادهی پراکنده بصورت گسترده در کاربردهای پرورش و تکثیر و پرورش فوق متراکم کاربرد دارد.
شکل ۹.۲. عواملی که می‌توان برای تصحیح نرخ انتقال اکسیژن استاندارد یا SAE بعنوان تابعی از دمای آب برای غلظت‌های مختلف اکسیژن محلول استخر به کار برد. در دماهای آب عادی برای پرورش میگو و در غلظت‌های اکسیژن محلول که هواده در آن‌ها کار می‌کند(۴ تا ۵ میلی‌گرم بر لیتر)، نرخ واقعی انتقال اکسیژن و کارایی هوادهی حدود ۵۰ درصد مقادیر استاندارد تعیین شده توسط آزمایش‌های هواده است.
هواده چرخ پاروئی
از دهه ۱۹۸۰، هواده‌های چرخ پاروئی بصورت گسترده در پرورش میگو مورد استفاده قرار گرفته‌اند و تاحدود زیادی رایج‌ترین نوع هواده در پرورش میگو است. در واقع، یک هواده چرخ پاروئی شامل یک روتور با پاروهایی اطراف خود است. انتقال اکسیژن حداقل به دو روش محقق می‌شود. نخست اینکه، زمانی که یک پارو وارد سطح آب می‌شود، یک حفره هوا پشت پارو شکل می‌گیرد. زمانی که این پارو در آب می‌چرخد، حفره آب دچار فروپاشی می‌شود و حباب‌هایی پشت پارو ایجاد می‌شود که وقتی پارو در آب می‌چرخد، به سمت جلو حرکت می‌کنند. دوم اینکه، وقتی پاروها از سطح آب خارج میشوند، آب بصورت قطراتی در هوا تا ارتفاع و فاصله‌ای از هواده بسته به سرعت چرخش، نوع پارو، چینش پارو در هاب و غوطه‌وری نوک پارو پخش می‌شود. زمانی که قطرات در هوا پخش میشوند، در زمان برخورد با سایر قطرات تجزیه میشوند، و یک سطح بزرگ برای انتقال گاز ایجاد می‌شود. آشفتگی ناشی از چرخش پاروها جریآن‌های آب را ایجاد می‌کند که آب دارای هوا را توسط هر دو مکانیسم از هواده دور می‌کند و آن را با آب اکسیژن کم جایگزین می‌کند.
شکل ۹.۳. متداول‌ترین هواده‌ها در پرورش میگو هواده‌های چرخ پاروئی برقی سبک آسیایی هستند، مانند این مدل‌های دو اسب بخاری. معمولاً دو پیشران در هر اسب بخار وجود دارد.
از زمان معرفی در اوایل دهه ۱۹۸۰، محبوب‌ترین هواده در پرورش میگو، هواده چرخ پاروئی نوع تایوانی ۱ تا ۳ اسب بخار است(که از این به بعد سبک آسیایی خوانده می‌شود، زیرا امروزه تولیدکنندگانی در چندین کشور آسیایی وجود دارد) (شکل ۹.۳). این هواده شامل دو پروانه پلاستیکی در هر اسب بخار است که هر کدام قطر ۶۵ سانتی‌متری دارند و دارای هشت پره هستند که عرض ۲۰ سانتی‌متری و طول ۱۸ سانتی‌متری دارند. عمق عادی غوطه‌وری هر پره حدود ۵ تا ۶ سانتی‌متر است. هر پره دارای شبکه ای با حفره‌هایی به قطر ۲۰ میلی‌متر است که برای ایجاد آشفتگی بیشتر و انتقال اکسیژن موثر در نظر گرفته شده‌اند. پروانه‌ها در محور درایو در سرعت ۸۰ تا ۱۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند.
اغلب اوقات، پروانه‌ها به نحوی تراز میشوند که پره‌ها در هر پروانه در یک زمان وارد آب شوند. این امر بارگذاری و تخلیه بیشتری از موتور محرک ایجاد می‌کند. با این وجود، تحقیقات بر روی هواده نشان داده‌است که هواده‌های چرخ پاروئی با پره‌های محکم در حالت مارپیچی اطراف توپی چرخ برای بارگذاری پیوسته موتور کارآمدتر هستند. SAE هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی حدود ۰,۹ تا ۱,۲ کیلوگرم بر کیلووات ساعت(بوید، ۱۹۹۸؛ پترسون و والکر، ۲۰۰۲) در انتهای پایین عملکرد چرخ پاروئی بالقوه است(جدول ۹.۵). طراحی‌های کارآمدتر هواده‌های چرخ پاروئی دارای یک SAE حدود ۲,۰ تا ۲,۵ کیلوگرم بر کیلووات ساعت تا مقدار بالای ۳,۰ کیلوگرم بر کیلووات ساعت هستند. کارایی به قطر پره(توپی چرخ)، طراحی پره، عمق غوطه‌وری نوک پره و سرعت چرخش بستگی دارد.
اگرچه هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی در مقایسه با سایر طراحی‌ها خیلی کارآمد نیستند، اما نسبتاً ارزان هستند(کمتر از ۵۰۰ دلار برای یک واحد ۲ اسب بخاری در سال ۲۰۲۰) و از طول عمر مفید نسبتاً کوتاه ۳ تا ۵ ساله برخوردارند. آن‌ها اسب بارکش هوادهی استخر میگو در استخرهای نیمه متراکم، متراکم و برخی استخرهای فوق متراکم هستند.
جدول ۹.۵. دامنه‌های عادی در SAE هواده‌های آبزی‌پروری رایج (بوید و مک نوین، ۲۰۲۱)
| نوع | SAE (کیلوگرم اکسیژن بر اسب بخار ساعت) |
| چرخ پاروئی
شناور و برقی ۱ تا ۲ اسب بخار(سبک آسیایی) شناور و برقی ۱۰ اسب بخار(سبک استخر گربه‌ماهی ایالات متحده) |
۰,۹ تا ۱,۲ ۱,۴ تا ۱,۸ |
| ونتوری | ۰,۹ تا ۱,۲ |
| پمپ عمودی | ۰,۸ تا ۱,۱ |
| پخش‌کننده | ۰,۴ تا ۰,۸ |
در ده سال گذشته، هواده‌های چرخ پاروئی بازو بلند[۳] (شکل ۹.۴) برای پرورش‌دهندگان میگوی متراکم و فوق متراکم به علت موجودی محلی، هزینه پایین، ساخت و نصب ساده، و سهولت کار محبوبیت یافته‌اند. اگرچه مدل‌های تجاری در دسترس هستند، اما بیشتر LAPWها در مزرعه یا توسط محصولات ماشین محلی ساخته میشوند. آن‌ها با طولانی کردن(توپی) محور تا یک طول رایج، تا ۲۰ متر، اغلب با استفاده از لوله آب آهن گالوانیزه ارزان، ساخته میشوند. پروانه‌های هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی ۱ تا ۳ اسب بخار یا پره‌های سفارشی در توپی با فاصله ۳۰ تا ۵۰ سانتی‌متر، کار می‌کنند. هواده‌های چرخ پاروئی از طریق یک محور محرک به یک موتور الکتریکی یا دیزلی در کناره استخر متصل میشوند.
اگرچه هدف اولیه‌ی هواده‌های LAPW، هوادهی است، اما برای ظرفیت پمپاژ آب آن‌ها ارزشمند هستند که ترکیب و جریان آب دایره‌ای در استخرهای مربعی یا گرد را فراهم می‌سازد. تعیین این جریآن‌ها برای تمرکز جامدات پسماند نزدیک مرکز استخر ضروری است، جایی که می‌توان آن‌ها را از طریق سیفون کردن یا درین‌های مرکزی خارج کرد و به این وسیله، کف استخر را تمیز نگه داشت. افزایش عمق نوک پره، جریآن‌های آب قوی را ایجاد می‌کند که آب را به گردش درمی‌آورد، اما انتقال اکسیژن را در مقایسه با هواده‌های چرخ پاروئی متداول کاهش می‌یابد. افزایش عمق غوطه‌وری نوک پروانه، مساحت سطح مرطوب را افزایش می‌دهد و از این طریق نیازمندی گشتاور(توان) را بالا می‌برد. به طور کلی، غوطه‌وری عمیق‌تر پره و سرعت چرخشی آرام‌تر از پمپاژ و حرکت آب حمایت می‌کنند و غوطه‌وری کم‌عمق‌تر پره و سرعت چرخشی بیشتر، انتقال اکسیژن را تقویت می‌کنند. در برخی استخرهای فوق متراکم، برخی هواده‌های LAPW به حرکت و هم زدن آب اختصاص دارند و برخی دیگر نیز به اکسیژناسیون اختصاص یافته‌اند.
هیچ ارزیابی سیستماتیکی از SAE هواده‌های LAPW وجود ندارد و هیچ‌گونه استانداردسازی طراحی آن‌ها وجود نداشته‌است. با این وجود، دلایل فراوانی برای این باور وجود داد که بسیاری از هواده‌های LAPW با توجه به انتقال اکسیژن ناکارآمد هستند. هواده‌های LAPW سفارشی‌ساخت اغلب با درک ضعیف بهترین رویه‌ها طراحی شده و مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. به بیان دقیق‌تر، عمق غوطه‌وری نوک پره و سرعت چرخشی به خوبی کنترل نمی‌شوند. سرعت چرخشی هواده‌های LAPW با توان موتورهای دیزلی را می‌توان با دریچه کنترل سوخت تنظیم کرد. در سرعت‌های پایین، انتقال اکسیژن کم است، اما هواده همانند یک پمپ آب کارآمد است، بخصوص اگر با یک غوطه‌وری نوک پره بیش از ۱۰ سانتی‌متر کار کند.
شکل ۹.۴. یک هواده LAPW با انرژی یک موتور واقع در کناره استخر. چنین هواده‌هایی ممکن است طولی تا ۲۰ متر داشته‌باشند.
شکل ۹.۵. یک هواده مارپیچی ۳ اسب بخار با مولفه‌های پلاستیکی مقاوم در برابر فرسایش. لبه‌های هواده شامل لوله‌های پلاستیکی توخالی ۳,۸ سانتی‌متری با نوک‌های برش خورده در حالت قطری و ۷۰ لبه در هر پیچ. این مدل ۳ اسب بخار دارای سه پیچ است که هر کدام دارای SOTR 2 کیلوگرم بر هکتار است. محور در سرعت ۲۱۰ دور در دقیقه می‌چرخد.
یک تغییر در هواده چرخ پاروئی، هواده مارپیچی است. تصویر هواده در شکل ۹.۵ دارای سه توپی است که طول هر کدام ۱۵۰ سانتی‌متر است و دارای لبه‌هایی به طول ۷۰ سانتی‌متر با لوله‌های ۳,۸ سانتی‌متری HDPE هستند که تا توپی بسط یافته‌اند. لبه‌ها اطراف توپی در یک الگوی مارپیچی نصب شده‌اند که تقریباً ۲ سانتی‌متر از هم فاصله دارند و ۷۰ لبه در هر توپی وجود دارد. نوک هر لبه به شکل مورب برش خورده‌است. مکانیسم انتقال اکسیژن یک هواده مارپیچی مشابه با یک هواده چرخ پاروئی است. یک مزیت چینش پره‌ها در الگوی مارپیچی، بارگیری مستمر موتور محرک است که طول عمر آن را افزایش می‌دهد. مولفه‌های پلاستیکی هواده مارپیچی در مقابل فرسایش ناشی از کار در آب‌های شور مقاوم هستند.
هواده ونتوری[۴]
هواده‌های ونتوری(شکل ۹.۶)، که تحت عنوان هواده‌های پمپ اسپیراتور پیشران یا هواده‌های اسپیراتور(دمنده) نیز خوانده میشوند، در پرورش میگوی فوق متراکم مورد استفاده قرار گرفته‌اند، هرچند تقریباً به اندازه هواده‌های چرخ پاروئی کاربرد ندارند. هواده‌های ونتوری اغلب برای هوادهی و لایه‌شکنی نواحی عمیق‌تر استخرهای میگو به کار می‌روند. این نوع هواده با نام برند محبوب Aire-O۲ شناخته می‌شود که توسط صنایع هواده ساخته شده‌است، هرچند سایر شرکت‌ها، هواده‌هایی از این نوع تولید می‌کنند. هواده شامل یک محور توخالی، چرخان و محرک مستقیم با یک پروانه در انتها برای آب جت است. زمانی که پروانه می‌چرخد، حرکت آب دور از پروانه یک خلأ جزئی در محور ایجاد می‌کند(اثر ونتوری). هوا از طریق حفره‌ها وارد سمت محور توخالی می‌شود که بالای آب قرار دارد و آب را نزدیک پرونه در جریان حباب‌های ریز خارج می‌کند. زاویه‌ی محور هواده را می‌توان از۳۰ تا ۶۰ درجه تنظیم کرد تا آب هوادهی شده وارد اعماق پایین‌تر نسبت به هواده‌های چرخ پاروئی سطحی شود. یک زاویه عمودی‌تر، زمان نگهداشت حباب‌ها در ستون آب را افزایش داده و انتقال اکسیژن زیاد می‌شود.
شکل ۹.۶. هواده‌های ونتوری اغلب در استخرهای میگو برای لایه‌شکنی یا برای هوادهی نواحی عمیق‌تر استخر به کار می‌روند، و نزدیک مرکز استخرهای متراکم برای جذب پسماندها در مرکز استخر قرار می‌گیرند. زاویه‌ی محور چرخان توخالی قابل تنظیم است.
شکل ۹.۷. یک هواده ونتوری ۳ اسب بخار که هوای دمیده را از طریق یک دیسک چرخان در پایه محور توخالی خارج می‌کند. همانند سایر مدل‌های هواده ونتوری، زاویه محور قابل تنظیم است.
یک تغییر در هواده ونتوری شامل یک موتور متصل به یک محور توخالی باریک است که به دیسک دولایه با کانال‌های متعدد متصل می‌شود که به خارج از مرکز اطراف محیط دیسک امتداد یافته‌است(شکل ۹.۷). زمانی که دیسک می‌چرخد، آب به بیرون از مرکز چرخش از طریق کانال‌ها هدایت می‌شود، و هوا از میان محور توخالی عبور کرده و در مرکز دیسک چرخان خارج می‌شود. این فرایند ازدحامی از ریزحباب‌های متوسط را ایجاد می‌کند که از دیسک دور میشوند. محور را می‌توان در زوایایی در دامنه ۱۵ درجه تا ۹۰ درجه(عمودی) نسبت به سطح آب جهت‌گیری کرد.
هواده پمپ عمودی
هواده‌های فواره‌ای یا پمپاژ عمودی همانند استخرهای رشد باز میگو کاربرد فراوانی ندارند، هرچند ممکن است در مخازن یا استخرهای پرورش کوچکتر نصب شوند. هواده شامل یک موتور الکتریکی درون یک محفظه ضدآب است که به یک پروانه متصل شده‌است. مونتاژ موتور غوطه‌ور می‌شود و به یک حلقه چرخشی متصل می‌شود. در عملیات، پمپ آب را به سمت هوا پیش می‌راند، جایی که آب به قطرات تبدیل شده و انتقال اکسیژن رخ می‌دهد. برخی هواده‌های پمپ عمودی دارای منحرف‌کننده‌هایی هستند که قطر الگوی اسپری را افزایش می‌دهند. گام پروانه یک متغیر طراحی کلیدی است، زیرا بر ارتفاع اسپری تاثیر می‌گذارد. اگرچه هواده‌های فواره‌ای که آب را تا ارتفاعی بالا در هوا اسپری می‌کنند به نظر تماشایی می‌رسند، اما به کارآمدی هواده‌هایی که حجم بیشتری آب را ارتفاع متوسط(۱ تا ۲ متر) با همان انرژی اسپری می‌کنند، کارآمد نیستند. در استخرهای رشد باز، هواده‌های پمپ عمودی، میکسرهای خوبی نیستند، زیرا آب درون یک ناحیه محدود نزدیک هواده می‌چرخد.
هواده پراکنده
هواده‌های پراکنده در استخرهای فوق متراکم و بسیاری از استخرهای رشد باز متراکم مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، اما در استخرهای فوق متراکم و در مخازن و استخرهای پرورش مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک سیستم هوادهی پراکنده شامل یک دمنده هوای فشار پایین و حجم بالا متصل به یک منیفولد توزیع هوا است که هوا را برای پخش‌کننده‌ها تامین می‌کند. پخش‌کننده‌ها در استخرهای رشد باز میگو اغلب شامل طول لوله‌های حفره‌دار چیده شده در حالت خطی یا در آرایه‌های مارپیچی یا سیم‌پیچی هستند. لوله‌ها باید وزن شده یا به کف استخر متصل شوند. طول مارپیچی لوله‌های حفره‌دار اغلب به چارچوب‌های فلزی وصل میشوند که پخش‌کننده را حدود ۱۰ سانتی‌متر بالاتر از کف استخر نگه می‌دارد.
حباب‌های هوا(۳ تا ۵ میلی‌متر) از پخش‌کننده خارج شده و در ستون آب بالا می‌روند. انتقال گاز در سطح واسطه دو لایه‌ی هوا – آب هر حباب رخ می‌دهد. نرخ انتقال اکسیژن، تابعی از دبی گاز و عمق آب است که بر زمانی که حباب‌ها در ستون آب قبل از رسیدن به سطح می‌مانند تاثیر می‌گذارد. سرعتی که در آن حباب‌ها در ستون آب بالا می‌روند تابعی از اندازه حباب است و از قانون استوکس تبعیت می‌کند. حباب‌هایی که قطر ۱,۵ تا ۴ میلی‌متر دارند دارای سرعت بالارونده ۲۵ تا ۴۰ سانتی‌متر بر ثانیه هستند(جامونگ ونگ و همکاران، ۲۰۱۶). بیشتر استخرهای میگو کم‌عمق هستند(۱,۲ تا ۱,۵ متر عمق) و لذا دوره‌ای که حباب در ستون آب باقی می‌ماند، کاملاً کوتاه‌است(کمتر از ۱۰ ثانیه) و بنابراین، فرصت محدودی برای رخداد انتقال گاز وجود دارد. به همین دلیل، SAE هواده‌های پراکنده در استخرهای آبزی‌پروری کم است(۰,۵ تا ۱ کیلوگرم بر کیلووات ساعت). برخی استخرهای فوق متراکم عمیق‌تر(۱,۵ تا ۱,۸ متر عمق) از استخرهای نیمه متراکم هستند و لذا SAE بهبود می‌یابد. با این وجود، یک رابطه عکس بین حجم هوا که می‌تواند توسط دمنده با یک نرخ توان خاص تولید شود و عمق آب که بر فشار هوای لازم برای فراتر رفتن از فشار هد هیدرواستاتیک تاثیرگذار است، وجود دارد.
دمنده‌ها جریآن‌های آب رو به بالایی را ایجاد می‌کنند که از عمق رها شدن، اغلب نزدیک کف استخر، تا سطح استخر امتداد دارند. در استخرهای فوق متراکم، یک شبکه از نقاط پراکنده برای دوری از نواحی اکسیژن محلول کم که در آنجا جامدات جمع میشوند، در نظر گرفته شده‌است. جامدات معلق شده به واسطه کنش رو به بالای پخش‌کننده‌ها می‌توانند با جریآن‌های آب دایره‌ای ایجاد شده توسط هواده‌های LAPW به مرکز استخر انتقال یابند. پخش‌کننده‌ها را می‌توان در هواده‌های جهت‌دار یا پمپ‌های ایرلیفت به منظور تاثیرگذاری بر حرکت افقی آب به کار برد، هرچند هنوز در سیستم‌های تجاری به کار گرفته نشده‌اند.
مولد ریزحباب
در سال‌های اخیر، مولدهای ریزحباب در برخی استخرهای رشد باز فوق متراکم مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این مولدها حباب‌های بسیار کوچکتری نسبت به پخش‌کننده‌های سنتی تولید می‌کنند و یک مساحت سطح عظیم را نسبت به حجم برای انتقال گاز و تمدید زمان نگهداشت(چند هفته تا چند ماه) در ستون آب ایجاد می‌کنند. علی‌رغم پتانسیل قابل توجه، هیچ ارزیابی سیستماتیکی از SAE مولدهای ریزحباب در آبزی‌پروری انجام نشده‌است.
حباب‌ها را می‌توان به طور گسترده برحسب اندازه به درشت‌حباب‌ها، ریزحباب‌ها و حباب‌های فوق ریز تقسیم کرد. قطر درشت‌حباب‌ها بزرگتر از ۰,۱ میلی‌متر است، به تنهایی قابل رویت هستند و اندازه آن‌ها با بالا آمدن در ستون آب و ترکیدن در سطح آب افزایش می‌یابد. بیشتر حباب‌های تولید شده توسط سیستم‌های پخش‌کننده رایج در آبزی‌پروری، درشت حباب‌ها هستند. قطر درشت‌حباب‌های تولیدی توسط انواع مختلف پخش‌کننده برای حفره‌های درشت ۵ تا ۱۰ میلی‌متر، برای حفره‌های متوسط ۱ تا ۳ میلی‌متر و برای حفره‌های ریز ۰,۵ تا ۲ میلی‌متر است(روگرز، ۲۰۰۹).
قطر ریزحباب‌ها بین ۱۰ و ۱۰۰ میکرومتر است و بصورت تعلیق شیری رنگ در آب نمایان میشوند. (حباب‌هایی به کوچکی ۵۰ تا ۶۰ میکرومتر برای چشم انسانی قابل رویت هستند.) در حین بالا آمدن، ریزحباب‌ها به آرامی کوچک میشوند و یک دوره بیشتر را برای انتقال گاز فراهم می‌آورند.
حباب‌های فوق ریز یا نانوحباب‌ها قطری بین ۱ نانومتر و ۱۰۰۰ نانومتر دارند و بیشتر نانوحباب‌های تولید شده توسط مولدها حدود ۱۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر قطر دارند. نانوحباب‌ها غیرقابل رویت هستند و در ستون آب به مدت چند هفته یا چند ماه پایدار هستند. حباب‌های فوق ریز را می‌توان به طرق مختلفی تولید کرد، اما معمولاً نیازمند یک پمپ آب متصل به مولد حباب هستند.
تزریق‌کننده ونتوری
تزریق‌کننده‌های ونتوری در برخی سیستم‌های فوق متراکم در مخازن گل‌خآن‌های کوچک(کمتر از ۳۰۰ مترمکعب) به کار رفته‌اند، اما بصورت گسترده در پرورش میگوی تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. تزریق‌کننده‌های ونتوری متشکل از یک بخش لوله یا لوله‌گذاری است که شامل یک بخش تنگ است. زمانی که آب در این بخش تنگ‌شده فشرده می‌شود، سرعت آن افزایش و فشار کاهش می‌یابد. این افت فشار یک خلأ جزئی را ایجاد می‌کند و هوا را از طریق یک پورت مکش در بخش تنگ متصل به لوله‌ای که تا بالای سطح آب امتداد دارد می‌کشد. زمانی که ترکیب هوا آب وارد یک بخش پهن‌تری از لوله در سمت پایین قسمت تنگ می‌شود، فشار و آشفتگی بیشتر، حباب‌های ریز فراوانی را ایجاد می‌کند که از تزریق‌کننده تخلیه میشوند. بیشتر تزریق‌کننده‌های ونتوری با یک نسبت گاز به مایع حدود یک کار می‌کنند، اما برخی دیگر از طراحی‌های تزریق‌کننده امکان عملیات در نسبتی که ممکن است به سه برسد را فراهم می‌سازند. تزریق‌کننده‌های ونتوری امروزه به نحوی گسترده در پرورش میگوی متراکم در ویتنام مورد استفاده قرار می‌گیرند. در استخرهای ۱۵۰۰ مترمربعی، ترکیبی از چهار هواده LAPW و یک تزریق‌کننده ونتوری ۲ تا ۳ اسب بخاری می‌تواند غلظت اکسیژن محلول را بیش از ۷ میلی‌گرم بر لیتر حفظ کند یا از یک زیست توده ماندگار تا ۶ الی ۷ کیلوگرم بر مترمربع پشتیبانی کند.
تامین اکسیژن اضطراری
هوادهی اضطراری با هواده‌های چرخ پاروئی با قدرت تراکتور، رویه‌ای رایج در بسیاری از مزارع پرورش گربه‌ماهی کانال تجاری برای پرداختن به تخلیه اکسیژن محلول به شمار می‌رود. با این وجود، در مزارع پرورش میگوی تجاری، تعویض آب در سرعت‌هایی بیش از نرمال عمدتاً زمانی کاربرد دارد که تخلیه اکسیژن محلول رخ می‌دهد. مقدار تعویض آب در بهبود اثرات کم اکسیژنی به ظرفیت موجود پمپاژ آب، نرخ تنفس کل استخر، نرخ تنفس آب منبع و غلظت‌های اکسیژن محلول در آب استخر و آب منبع بستگی دارد. علی‌رغم تمرکز بر تعویض آب بعنوان ابزاری برای مدیریت شرایط اضطراری اکسیژن محلول، بدیهی است که هوادهی چرخ پاروئی با توان تراکتور بسیار موثرتر است. توصیه یک هواده اضطراری با برق یک تراکتور(۶۰ تا ۱۰۰ اسب بخار) برای هر سه‌استخر گربه‌ماهی کانال احتمالاً به یک اندازه برای استخرهای میگوی نیمه متراکم کاربرد دارد، جایی که هدف، در اختیار داشتن مکانیسمی برای بررسی اپیزودهای تخلیه اکسیژن محلول است.
اگرچه هیدوژن پروکسید عمدتاً بعنوان یک ضدعفونی کننده به کار می‌رود، اما پرورش‌دهندگان میگو از آن برای استخرها در طی شرایط اضطراری اکسیژن محلول استفاده می‌کنند. در آب، هیدروژن پروکسید بصورت آنی به اکسیژن مولکولی و آب طبق واکنش زیر تجزیه می‌شود:
استوکیومتری این معادله نشان می‌دهد که ۲,۱ میلی‌گرم بر لیتر هیدروژن پروکسید، ۱ میلی‌گرم بر لیتر اکسیژن محلول تولید خواهد کرد. حدود ۰,۵ میلی لیتر از هیدروژن پروکسید ۶ درصد در ۱ لیتر آب، ۱,۵ میلی‌گرم بر لیتر اکسیژن محلول تولید خواهد کرد.
در یک مطالعه میدانی، هیدروژن پروکسید به مخازن حاوی آب استخر و میگو در ۵ میلی‌گرم بر لیتر اضافه شد. پس از ۱ ساعت، غلظت اکسیژن محلول تا ۱,۲ الی ۲,۲ میلی‌گرم بر لیتر افزایش یافت، هرچند دوره‌ی تاثیر کاملاً کوتاه بود(۲ تا ۳ ساعت) (دی لیما و همکاران، ۲۰۱۲). هیدروژن پروکسید در غلظت‌های مورد استفاده برای افزودن اکسیژن برای میگوها ایمن است. LC۵۰ 96 ساعته برای هیدروژن پروکسید برای میگوی سفید غربی نوجوان، ۴۹۳ میلی‌گرم بر لیتر است(فورتادو و همکاران، ۲۰۱۴). ضرب LC۵۰ 96 ساعتی در یک ضریب ایمنی ۰,۱ برای دستیابی به غلظت عدم تاثیر نشان می‌دهد که ۵۰ میلی‌گرم بر لیتر هیدروژن پروکسید را می‌توان به نحوی ایمن برای میگوها مود استفاده قرار داد.
اکسیژن خالص یا هوای سرشار از اکسیژن را می‌توان در طی اپیزودهای اضطراری کمبود اکسیژن مورد استفاده قرار داد. با توجه به هزینه و کارکردهای نصب و بهره‌برداری از سیستم‌های اکسیژن خالص مکمل، آن‌ها مناسب‌ترین گزینه برای سیستم‌های فوق متراکم هستند که در آن‌ها ارزش محصولات میگو مصرف آن‌ها را توجیه می‌کند. اکسیژن خالص را می‌توان بصورت سیلندرهای گاز فشرده یا به شکل مایع که در مخازن ذخیره‌سازی نگهداری میشوند خریداری نمود. مولدهای جذب نوسان فشار می‌توانند هوای سرشار از اکسیژن(تا ۹۰ درصد اکسیژن) تولید کنند. اکسیژن حاصل از این منابع به محفظه‌های تماس گاز–آب مانند مخروط‌های اسپیس[۵]، لوله‌های U، یا ستون‌های بسته‌ای تحت فشار اضافه میشوند. اکسیژن را می‌توان به جریان گازی اضافه کرد که تزریق‌کننده‌های ونتوری یا مولدها ریزحباب تامین می‌کند.
نیازمندی نرخ هوادهی
با توجه به نیاز اساسی برای تامین اکسیژن کافی برای پشتیبانی از تقاضای تنفسی محصولات میگو و سرویس اکوسیستم تصفیه پسماند استخر، تعیین مکانیسمی برای تعیین نیازمندی‌های هوادهی استخرهای میگو در سطوح مختلف شدت تولید به طور بالقوه برای طراحی، برنامه‌ریزی و بهره‌برداری از سیستم ارزشمند است. دینامیک اکسیژن محلول در استخرهای میگو پیچیده‌است، که تلاش‌هایی برای پیش‌بینی نیازمندی‌های هوادهی با هرنوع قطعیت دشوار را مطرح می‌سازد.
روش‌هایی که به مکانیسم‌های بنیادین مرتبط با تقاضای اکسیژن از مولفه‌های مختلف استخر می‌پردازند و سایر روش‌هایی که یک رویکرد تجربی‌تر را اتخاذ می‌کنند، گزارش شده‌است. نتایج معمولاً بصورت ظرفیت هوادهی نصب شده در هر واحد مساحت مشخص میشوند، اما نرخ هوادهی شامل بررسی زمان‌بندی عملیاتی از طریق چرخه محصول و در زمآن‌های مشخص در طی روز است. اگرچه واحد سیستم مقیاس مناسی برای توان هوادهی تقسیم بر مساحت استخر، کیلووات بر هکتار است، اما در اینجا از واحد سیستم اندازه‌گیری ترکیبی اسب بخار بر هکتار استفاده می‌کنیم، زیرا بصورت گسترده توسط پرورش‌دهندگان میگوی تجاری به کار برده می‌شود.
هاپکینز و همکاران(۱۹۹۱) یک رابطه تجربی بین نرخ تغذیه روزانه، نرخ هوادهی، و غلظت اکسیژن محلول در بامداد با استفاده از ۶ سال داده‌های استخرهای لایه‌دار متراکم ۰,۱ تا ۰,۵ هکتاری در مرکز کشاورزی دریایی وادل تعیین کردند. به نظر می‌سید که تعویض آب ۱۵ تا ۲۰ درصد در روز تاثیری بر این رابطه نداشته‌است، که بصورت زیر توصیف شده‌است:
که در آن، F = نرخ تغذیه(کیلوگرم بر هکتار روز)، A = نرخ هوادهی(اسب بخار بر هکتار)، و DO = غلظت اکسیژن محلول در بامداد(میلی‌گرم بر لیتر) هستند. برای غلظت اکسیژن محلول در بامداد به میزان ۴ میلی‌گرم بر لیتر، F/A برابر با ۱۱,۶ کیلوگرم غذا در روز در هر اسب بخار است و برای ۳ میلی‌گرم بر لیتر برابر با ۱۵,۹ کیلوگرم غذا در روز در هر اسب بخار است. در نرخ تغذیه ۲,۵ درصد وزن بدن در روز نزدیک پایان چرخه تولید، این نرخ‌های هوادهی معادل سطوحی هستند که از محصولات میگوی ۴۶۴ تا ۶۳۶ کیلوگرم بر اسب بخار پشتیبانی می‌کنند.
دیگر روش رایج، تعیین تعداد یا توان هواده‌های مورد نیاز برای یک استخر مبتنی بر اندازه‌گیری‌ها یا برآوردهای کل تقاضای اکسیژن ساعتی، نرخ انتقال اکسیژن ساعتی نوع هواده و اندازه انتخاب شده، و مینیمم غلظت اکسیژن محلول مورد نیاز میگو است(بوید و فست، ۱۹۹۲؛ سانتا و ویناته‌آ، ۲۰۰۷؛ ویناته‌آ و کاروالو، ۲۰۰۷؛ ویناته‌آ و همکاران، ۲۰۱۱). شیوه‌ی کلی برای تخمین نیازمندی‌های هوادهی براساس تقاضای اکسیژن کل بصورت زیر است:
- برآوردهایی را برای تنفس محصول میگو، ستون آب و رسوب(میلی‌گرم بر لیتر ساعت) به دست بیاورید.
- این برآوردها را برای دستیابی به تقاضای اکسیژن کل(میلی‌گرم بر لیتر ساعت) جمع بزنید.
- حجم استخر را برای بیان تقاضای اکسیژن کل برحسب کیلوگرم بر ساعت مدنظر قرار دهید.
- نوع و توان هواده را انتخاب کنید.
- با استفاده از SAE برای هواده انتخابی در شوری عملیات، تحت شرایط استاندارد به SOTR تبدیل کنید.
- SOTR را برای دمای عملیات تصحیح کنید.
- یک مینیمم آستانه اکسیژن محلول را تعیین کنید(۳ تا ۴ میلی‌گرم بر لیتر).
- نرخ انتقال اکسیژن را در آستانه اکسیژن محلول محاسبه کنید.
- تقاضای اکسیژن کل را بر نرخ انتقال در هر هواده تقسیم کنید تا تعداد هواده‌ها تعیین شود.
براساس برآوردهای بدترین مورد تنفس توسط ستون آب(۰,۸۶ میلی‌گرم بر لیتر ساعت)، رسوب(۰,۷۸ میلی‌گرم بر لیتر ساعت)، و محصول میگو(۰,۱۶ میلی‌گرم بر لیتر ساعت) در استخرهای نیمه متراکم، نرخ هوادهی محاسبه شده برابر با ۲۱ اسب بخار در هکتار(بوید و فست، ۱۹۹۲) بود، یعنی حدود دو برابر نرخ مورد استفاده در عمل. تنفس کل استخر در استخرهای میگوی نیمه متراکم در دامنه حدود ۰,۵ تا ۲ میلی‌گرم بر لیتر ساعت است و معمولاً بیش از ۱ میلی‌گرم بر لیتر ساعت نیست. با توجه به تغییر در تنفس ساعتی از روزی به روز دیگر و در طی چرخه محصول، این روش تخمین نرخ هوادهی از مطلوبیت محدودی برخوردار است. علاوه بر این، استفاده از برآوردهای بدترین مورد برای تنفس کل استخر به منظور تعیین نرخ هوادهی به این معناست که ظرفیت هوادهی نصب شده بصورت کامل برای بیشتر چرخه محصول مورد استفاده قرار نخواهد گرفت.
یک روش جایگزین برای تخمین نیازمندی هوادهی، در نظر گرفتن تقاضای اکسیژن مرتبط با ورودی‌های غذا برای استخرهای میگو است(بوید، ۲۰۰۹؛ بوید و همکاران، ۲۰۱۸). کل تقاضای اکسیژن غذا[۶]، میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیده کردن کربن آلی[۷] و نیتروژن[۸] در غذایی است که برای میگوهای برداشت شده تبدیل نشده‌است. بخشی از این کربن آلی بیان‌گر محتوای انرژی غذا است که به دی اکسید کربن توسط تنفس میگو در طی متابولیسم روتین تبدیل شده‌است. باقی‌مانده شامل کربن آلی از غذای خورده نشده و دفع شده بصورت پسماندهای مدفوع است. آمونیاک توسط دفع میگو از طریق آبشش‌ها و تجزیه ماده آلی در کف استخر تولید می‌شود. اگرچه نیتروژن می‌تواند چند بار در بین اشکال غیرآلی و آلی مختلف (فیتوپلانکتون، باکتری‌های هتروتروفیک، و ریزه‌ها) چرخه را طی کند، اما سرنوشت نهایی نیتروژن در استخرها، نیتریفیکاسیون آمونیاک است، فرایندی که نیازمند اکسیژن است.
میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیده کردن پسماند از ۱ کیلوگرم غذا ممکن است بصورت زیر بیان شود:
که در آن، FODC برحسب کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا بیان می‌شود و Cf، Cs، Nf و Ns به ترتیب کربن و نیتروژن در غذا و میگو هستند(درصد). کارایی تبدیل غذا[۹]، عکس نسبت تبدیل غذا، یا میزان میگوی تولید شده در هر کیلوگرم غذا است. FODT، مجموع FODC و FODN است. با استفاده از مقادیر برای Cf، Cs، Nf و Ns برای میگو سفید غربی(چاتویجیتکول و همکاران، ۲۰۱۷، ۲۰۱۸) و یک نسبت تبدیل غذای ۱,۵، FODC برابر با ۰,۸۵ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا است و FODN برابر با ۰,۱۶ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا است که منجر به FODT به میزان ۱,۰۱ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا می‌شود. اگرچه کاهش محتوای پروتئین غذا می‌تواند FOD را بهبود ببخشد، بهبود کارایی تبدیل غذا تاثیر بیشتری دارد.
بوید و همکاران(۲۰۱۸) پیشنهاد می‌دهند که نیازمندی‌های هوادهی باید مبتنی بر ماکزیمم نرخ اتلاف اکسیژن در طی شب باشند که بصورت FOD بعلاوه نرخ تنفس ستون آب محاسبه می‌شود. FOD بصورت یک نرخ ساعتی در ماکزیمم نرخ تغذیه مورد انتظار بیان می‌شود، و تنفس توسط فیتوپلانکتون و باکتری‌ها در ستون آب را می‌توان با استفاده از انکوباسیون کوتاه مدت در بطری سیاه رنگ یک نمونه آب استخر تخمین زد. پس، همانند شیوه مطرح شده پیش از این برای استفاده از تقاضای اکسیژن کل برای تخمین نرخ هوادهی، نرخ تامین اکسیژن از تجهیزات منتخب هوادهی را می‌توان برای تعیین نیازمندی هوادهی به منظور حفظ غلظت اکسیژن محلول در آستانه مطلوب به کار برد.
تخمین تقاضای اکسیژن بالقوه غذا به واسطه چندین عامل در زمان استفاده برای محاسبه نیازمندی‌های هوادهی پیچیده می‌شود. بیان FOD آنی نیست؛ تا زمان پاسخ مولفه‌های مختلف، تاخیری وجود دارد. افزایش تنفس میگو ظرف چند دقیقه از تغذیه رخ می‌دهد، تجزیه پسماند آلی نیازمند چند روز تا چند هفته است، و نیتریفیکاسیون نیازمند چند هفته مصرف غذا است. مواد مغذی پسماند از غذا، رشد جلبکی را تحریک می‌کند. در چارچوب زمانی یک چرخه محصول، میزان اکسیژن تولیدی در فتوسنتز حدوداً مشابه با میزان اکسیژن مورد استفاده در تنفس فیتوپلانکتون بعلاوه اکسیژن مورد استفاده در تجزیه نهایی جلبک‌های مرده است. لذا، اختلاف بین تامین اکسیژن و تقاضای اکسیژن کم است و می‌توان آن را نادیده گرفت. بنابراین، متوسط تقاضای اکسیژن بلند مدت را می‌توان از ورودی‌های غذا، بدون توجه به متابولیسم فیتوپلانکتون، محاسبه کرد.
در کوتاه مدت(چند ساعت تا چند روز)، استفاده از FOD برای تخمین نیازمندی‌های هوادهی دشوار است، زیرا دینامیک اکسیژن محلول در استخرهای آبزی‌پروری تغذیه شده پیچیده است. دمای آب و غلظت اکسیژن محلول در شار دائمی در طی یک چرخه روزانه و از سطح تا کف استخر در ستون آب قرار دارند. زیست توده جلبکی می‌تواند به سرعت ظرف چند روز تغییر کند، و گاهی اوقات، مرگ جلبکی ناگهانی رخ می‌دهد که به طرز چشم‌گیری تقاضای اکسیژن را افزایش می‌دهد. تامین اکسیژن بین محصولات میگو و جلبک‌ها و باکتری‌هایی که برای استخر به منظور عملکرد صحیح در پردازش پسماندها از تغذیه لازم هستند، مشترک می‌باشند و اغلب حداقل در زمینه تولید میگوی نیمه متراکم، فرصت‌های محدودی برای هدایت اکسیژن تامین شده از هوادهی برای محصول میگو در جهت رد سایر فرایندهایی که تقاضا را ایجاد می‌کنند، وجود دارد. به طور خلاصه، تغییرپذیری روزانه چشم‌گیر در موجودی اکسیژن استخر و ناتوانی در محاسبه تقاضای اکسیژن ساعتی به دقت به کاربرد FOD در تخمین نرخ هوادهی منجر می‌شود. نرخ هوادهی محاسبه شده نیازمندی‌های بخش اعظم چرخه تولید را بیش از حد تخمین می‌زند، اما نیازمندی‌ها در طی رویدادهای غیرمنتظره مانند مرگ فیتوپلانکتون‌ها را کمتر از حد تخمین می‌زند.
پیچیدگی‌های استفاده از FOD برای محاسبه نرخ هوادهی، در استخرهای میگو بیشتر نمایان میشوند، جایی که نقش فیتوپلانکتون‌ها در دینامیک اکسیژن مشهود است. در چنین استخرهایی، حتی استخرهای دارای نرخ تعویض آب روزانه ۲۰ درصد، اساساً تمامی ماده آلی پسماند تولید شده در نتیجه‌ی ورودی‌های غذا در استخر باقی می‌ماند، جایی که تجزیه یک تقاضای اکسیژن را ایجاد می‌کند. این امر در استخرهای به اصطلاح تعویض صفر نیز صادق است که جامدات پسماند در ستون آب معلق میشوند تا اینکه اجازه ته‌نشینی در کف استخر را داشته باشن. زمانی که شدت تولید افزایش می‌یابد، تنفس توسط محصولات میگو می‌تواند بر موجودی اکسیژن محلول غالب شود و کاربرد FOD برای پیش‌بینی نیازمندی هوادهی دقیق‌تر است.
برخی استخرهای میگوی فوق متراکم مدرن شامل یک مخروط مرکزی هستند که بعنوان یک چاهک برای جمع‌آوری جامدات پسماند عمل می‌کند. برداشت این جامدات می‌تواند FODC و تاحدودی FODN را کاهش دهد. در مثال ارائه شده در بالا، FODC برابر با ۰,۸۵ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا است. در اینجا، بخش‌بندی FODC به تقاضای اکسیژن توسط تنفس میگو و توسط تنفس باکتریایی هتروتروفیک مفید واقع می‌شود. در انتهای یک چرخه تولید، میگوها در حدود ۲,۵ درصد وزن بدن در روز تغذیه میشوند. لذا، ۱ کیلوگرم غذا از ۴۰ کیلوگرم میگو حمایت خواهد کرد(۱ کیلوگرم تقسیم بر ۰,۰۲۵). نرخ تنفس این میگوها ۴۰ کیلوگرم در ۲۵۰ میلی‌گرم اکسیژن بر کیلوگرم ساعت در ۲۴ ساعت در روز = 240 گرم اکسیژن یا ۰,۲۴ کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا است. کسر تنفس میگو از FODC، میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیده کردن جامدات پسماند از تغذیه را مشخص می‌کند: ۰,۲۴ – ۰,۸۵ = 0,۶۱ گرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا. برداشت ۵۰ درصد جامدات آلی پسماند می‌تواند FODT را تا ۳۰ درصد کاهش دهد. اگر جامدات پسماند قبل از تجزیه شدن برداشته شوند، نیازمندی هوادهی را می‌توان برای پاسخ به تقاضای تنفس میگو و تنها FODN محاسبه کرد.
برای جمع‌بندی این بخش، یک روش برای تخمین میزان ظرفیت هوادهی برای نصب در یک استخر میگو مطلوب است. نیازمندی هوادهی برای یک استخر به مینیمم غلظت اکسیژن محلول قابل قبول، نرخ تنفس محصول میگو، فتوسنتز ستون آب و نرخ تنفس، تقاضای اکسیژن رسوب و تبادل اکسیژن بین هوا و آب، و اکسیژن محلول در آب ورودی و خروجی بستگی دارد. به غیر از مینیمم غلظت اکسیژن محلول قابل قبول، عوامل دیگر شرایط خارجی و متغیری هستند که عمدتاً تحت کنترل سرعت باد، تابش خورشید، دمای آب، غلظت‌های مغذی، غلظت ماده آلی رسوب، و نرخ تعویض آب قرار دارند. پاسخ به این تقاضای اکسیژن در یک استخر هوادهی شده، مستلزم آن است که کمیت مشخصی از اکسیژن محلول به آب در هر ساعت انتقال یابد. میزان هوادهی لازم برای تحقق این امر به SAE هواده‌های منتخب و غلظت اکسیژن محلول که در آن هواده‌ها کار می‌کنند، بستگی دارد. پیچیدگی موجودی اکسیژن استخر آبزی‌پروری، کاربرد معادلات تخمین ظرفیت هوادهی را در استخرها غیرقابل اطمینان می‌سازد. تجربه عملی و پایش غلظت اکسیژن محلول بهترین شیوه‌ای تصمیم‌گیری درخصوص این امر باقی می‌مانند که چه مقدار توان هوادهی باید در استخرها نصب شود.
نسبت بازده میگو به ظرفیت هوادهی نصب شده
ظرفیت حمل(برد) استخرهای میگو فوق متراکم با قابلیت تعویض آب و عدم هوادهی حدود ۱,۵ تا ۲ تن بر هکتار است. در این استخرها، محصول میگو و سرویس اکوسیستم تصفیه پسماند تحت حمایت اکسیژن آزاد تامین شده توسط فتوسنتز فیتوپلانکتون و انتشار هوا – آب قرار دارند. برای دستیابی به بازده‌های بیشتر، هوادهی مکانیکی باید برای حمایت از افزایش تقاضا برای اکسیژن تامین شود. همان‌گونه که بخش پیشین نتیجه‌گیری کرد، کمیت هوادهی لازم یک سوال پیچیده است که نمی‌توان با حل یک معادله مبتنی بر نرخ فرایندهای استخر یا بارگذاری غذا به آن پاسخ داد.
یک رابطه تجربی بین زیست توده میگو و ظرفیت هوادهی نصب شده به طور گسترده در سیستم‌های متراکم و فوق متراکم به کار برده می‌شود. براساس تجربه حاصل از استخرهای میگوی گرد متراکم در تایوان در دهه ۱۹۸۰، ای سی لیائو گزارش داد که ۶۵۰ کیلوگرم میگو را می‌توان با اکسیژن تامین شده توسط ۱ اسب بخار هوادهی چرخ پاروئی سبک آسیایی مورد حمایت قرار داد(هاپکینز و همکاران، ۱۹۹۱). بوید(۱۹۹۸) نشان داد که ۱ کیلووات هوادهی باید از حدود ۵۰۰ کیلوگرم میگو(۳۷۳ کیلوگرم بر اسب بخار) حمایت کند. در استخرهای متراکم تعویض صفر با ذخیره‌سازی ۱۰۰ تا ۱۵۰ بر مترمربع، با ظرفیت حمل ۱۱ تا ۱۵ تن بر هکتار، رابطه ۴۵۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم بر اسب بخار بود(مک اینتاچ، ۲۰۰۰). بیشتر برآوردهای منتشر شده حاکی از دامنه ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلوگرمی میگو برای هر ۱ اسب بخار ظرفیت هوادهی نصب شده با استفاده از هواده‌های ونتوری و چرخ پاروئی سبک آسیایی هستند(بوید و همکاران، ۲۰۱۹).
درک این مطلب آموزنده است که چگونه اکسیژن اضافه شده به استخرها از طریق هوادهی بین محصولات میگو و سایر فرایندهایی که تقاضای اکسیژن ایجاد می‌کنند، تقسیم می‌شود. فرض کنید یک هواده چرخ پاروئی سبک آسیایی دارای SAE 1,0 کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت است. فعالیت هواده در یک آستانه غلظت مینیمم اکسیژن محلول حدود ۳,۵ تا ۴ میلی‌گرم بر لیتر و دماهای استخر ۲۵ تا ۳۰ درجه سانتی‌گرادی، نرخ انتقال اکسیژن واقعی را تا حدود ۵۰ درصد SAE (شکل ۹.۲) یا ۵,۰ کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت کاهش می‌دهد. با فرض یک نرخ تنفس میگو به میزان ۲۵۰ میلی‌گرم اکسیژن بر کیلووات ساعت، ۱ اسب بخار از هوادهی چرخ پاروئی سبک آسیایی می‌تواند از ۱۴۹۲,۵ کیلوگرم میگو پشتیبانی کند. این مقدار فرض می‌کند که تمامی اکسیژن اضافه شده توسط هوادهی برای تنفس میگو مصرف می‌شود. براساس نتایج تجربی از مزارع تجاری با ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم بر اسب بخار، از میزان اکسیژن موجود تامین شده توسط هوادهی، میگو ۲۷ تا ۳۴ درصد آن را مصرف می‌کند و مابقی برای پشتیبانی از سایر فرایندهایی به کار می‌رود که اکسیژن را در استخر مصرف می‌کنند. این دامنه با مطالعات موجودی اکسیژن استخر میگو هم‌خوانی دارد که نشان می‌دهد میگو معمولاً حدود ۲۰ درصد از اکسیژن را مصرف می‌کند(بوید، ۱۹۹۸) از جمله یک عامل ایمنی کوچک.
با استفاده از دامنه ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم بر اسب بخار بعنوان یک معیار، تولیدکنندگان میگو در استخرهای متراکم و فوق متراکم می‌توانند از نسبت بازده به ظرفیت هوادهی نصب شده بعنوان یک شاخص عملکرد استفاده کنند. مقادیر کمتر از معیار بیان‌گر هوادهی مازاد و مقادیر بیشتر از معیار نشان‌گر افزایش بهره‌وری هوادهی هستند.
به طور کلی، با افزایش شدت تولید، نسبت بازده به ظرفیت هوادهی نصب شده افزایش می‌یابد و تناسب کل هزینههای متغیر مشخص شده توسط انرژی کاهش می‌یابد. نسبت بازده به ظرفیت هوادهی نصب شده را می‌توان با استفاده از هواده‌هایی با SAE بزرگتر از هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی برای توسعه معیار کلی افزایش داد و به این ترتیب نرخ تعویض آب برای بهبود کیفیت آب افزایش می‌یابد و گربه‌ماهی جزئی در حالتی که استخرها به ظرفیت حمل برای افزایش بازده کلی می‌رسند، انجام میشوند. برای مثال، تاو(۲۰۱۴) نسبت‌های بازده به ظرفیت هوادهی نصب شده در دامنه ۶۵۰ تا ۱۱۰۰ کیلوگرم بر اسب بخار در استخرهای بیوفلاک با دو برداشت جزئی و یک برداشت نهایی و ۱۰۰ تا ۲۰۰ اسب بخار بر هکتار هوادهی چرخ پاروئی را گزارش داد.
نسبت‌های بازده به ظرفیت هوادهی نصب شده گزارش شده برای مزارع میگو در ویتنام و تایلند نشان می‌دهد که ظرفیت هوادهی نصب شده بیش از حد است(جدول ۹.۶). در مطالعه‌ای بر روی شش مزرعه میگو متراکم در تایلند با استفاده از ترکیب هواده‌های LAPW، ونتوری و پراکنده، بوید و مک نوین(۲۰۲۱) نسبت بازده به ظرفیت هوادهی را در دامنه ۱۵۳ تا ۵۹۷ کیلوگرم بر اسب بخار با میانگین ۱۳۲±۲۹۵ کیلوگرم بر اسب بخار اندازه‌گیری کردند. نسبت به دست آمده از دو مزرعه با استفاده از هواده‌های LAPW ساخته شده در مزرعه برابر با ۳۰۰ و ۳۳۳ کیلوگرم بر اسب بخار بود. مقادیر مازاد ظرفیت هوادهی نصب شده در استخرهای میگوی آسیایی ممکن است یک استراتژی مدیریت خطر توسط پرورش‌دهندگانی به شمار برود که در تلاش برای اجتناب از غلظت‌های پایین اکسیژن محلول غیرمنتظره در غیاب پایش اکسیژن محلول برای تایید کفایت هوادهی هستند.
جدول ۹.۶. بازده محصول، نرخ هوادهی، کارایی هوادهی، تناسب کل هزینههای متغیر[۱۰] نمایش داده شده برحسب مصرف انرژی از تحقیقی بر روی مزارع میگو در ویتنام و تایلند
| TVC%۲ | کارایی هوادهی (Kg/HP) | نرخ هوادهی (Hp/Ha) | بازده
)g/Ha per crop( |
تراکم محصول (na/m۲) | بازده محصول | کشور/گونه‌ها |
| ۷.۵ | ۱۱۲ | ۸ | ۸۹۵ | ۱۲ | کم | V-PM |
| ۱۶.۳ | ۳۷۱ | ۱۰ | ۳۷۱۰ | ۲۳ | متوسط | |
| ۶.۲ | ۳۷۹ | ۲۱ | ۷۹۶۲ | ۵۸ | بالا | |
| ۳.۰ | ۵۳۹ | ۲۱ | ۱۱.۳۲۴ | ۵۹ | خیلی بالا | |
| ۶.۳ | ۶۶ | ۴ | ۲۶۵ | ۲۶ | کم | V-LV |
| ۳.۹ | ۲۸۹ | ۱۲ | ۳۴۶۹ | ۳۱ | متوسط | |
| ۳.۲ | ۲۴۹ | ۲۸ | ۶۹۷۴ | ۶۶ | بالا | |
| ۱.۹ | ۲۳۴ | ۵۰ | ۱۱.۷۰۲ | ۷۳ | خیلی بالا | |
| ۱۶.۹ | ۱۴۵ | ۹ | ۱۳۰۱ | ۶۲.۵ | کم | T-LV |
| ۲۰.۸ | ۱۰۶ | ۳۳ | ۳۴۸۳ | ۶۲.۵ | متوسط | |
| ۱۲.۸ | ۱۹۹ | ۳۵ | ۶۹۸۲ | ۶۶ | بالا | |
| ۷.۷ | ۲۷۷ | ۴۹ | ۱۳.۵۶۰ | ۷۳ | خیلی بالا |
کد کشور: V = ویتنام؛ T = تایلند، کد گونه:PM =مونودون، LV = الوانامی. هزینههای انرژی بین مصارف هوادهی، پمپاژ آب و سایر موارد مصرف انرژی تقسیم نشده‌است.
زمان‌بندی عملیاتی هوادهی
مبحث پیشین به نرخ هوادهی از نقطه نظر ظرفیت هوادهی نصب شده پرداخت. این نرخ معمولاً مبتنی بر ماکزیمم نیازمندی‌های موردانتظار برای تامین اکسیژن است که اغلب در اواخر چرخه محصول زمانی که میگوها نیز اندازه بازار هستند و نرخ تغذیه و محصول پایدار نزدیک ظرفیت حمل استخر هستند، رخ می‌دهد. این امر با تقاضاهای بالا برای اکسیژن توسط فیتوپلانکتون‌ها و باکتری‌ها در ستون آب و در سطح آب هم‌زمان است. در این بخش، نرخ هوادهی به زمان‌بندی عملیاتی بعنوان تابعی از زمان در چرخه تولید و زمان روز اشاره می‌کند. هدف، بهینه ساختن هوادهی برای تامین اکسیژن کافی در زمان و به میزان مورد نیاز برای حفظ شرایط مطلوب برای رشد ضمن محدودیت مصرف برای کنترل هزینههای متغیر مرتبط با هوادهی است.
جدول ۹.۷. نمونه‌هایی از زمان‌بندی هواده بعنوان تابعی از روز پرورش برای میگوهای پنائیده
| h/d | hp/ha | روزهای پرورش | گونه ها |
| ۸-۱۴ | ۸ | ۱-۴۵ | مونودون
۱۵-۳۵ m۲ |
| ۱۴-۱۶ | ۱۰ | ۴۶-۶۰ | |
| ۱۵-۱۸ | ۱۲ | ۶۱-۹۰ | |
| ۱۷-۲۲ | ۱۶ | >90 | |
| ۱۰ | ۱۶ | ۱-۵۰ | وانامی
۴۰-۶۰ m۲ |
| ۱۴۱ | ۱۶ | ۵۱-۹۰ | |
| ۱۸۱ | ۱۶ | >90 |
در طی ۳۰ روز اول یک چرخه تولید، زیست توده میگو و نرخ تغذیه متناظر کاملاً پایین هستند، و بنابراین تامین اکسیژن از فتوسنتز و انتشار هوا – آب معمولاً کافی است. در استخرهای متراکم و فوق متراکم بزرگتر از ۰,۵ هکتار با هواده‌های LAPW، حداقل یک هواده باید بصورت پیوسته کار کند تا گردش آرام آب حفظ شود و به انتشار اکسیژن فتوسنتزی در کف استخر کمک کند. اگر یک استخر دارای چهار هواده LAPW باشد، می‌توانند بصورت چرخشی کار کنند. تعداد و دوره‌ی هواده‌های فعال باید با افزایش زیست توده میگو و نرخ تغذیه افزایش یابد. نمونه‌های زمان‌بندی هوادهی در جدول ۹.۷ آمده‌است.
الگوی نرمال غلظت اکسیژن محلول در استخرهای میگو نیمه متراکم و بسیاری از استخرهای متراکم، فوقاشباع در بعد از ظهر و اوایل شب و زیراشباع در اواخ شب و اوایل صبح است. هواده‌های فعال زمانی که آب با اکسیژن محلول فوق اشباع می‌شود، اتلاف اکسیژن از آب به هوا را سرعت می‌بخشند، هرچند این می‌تواند اکسیژن فتوسنتزی را از آب‌های سطحی به کف استخر دوباره توزیع کند و شدت طبقه‌بندی حرارتی را کاهش دهد. در بسیاری از استخرها، بسته به شدت، کار کردن تمامی هواده‌ها در طول روز برای استفاده از اکسیژن آزاد از فتوسنتز فیتوپلانکتون‌ها ضروری نیست. برای به حداکثر رساندن مزیت گردش آب، هواده‌ها می‌توانند روزانه بین ساعت‌های ۱۴:۰۰ و ۱۶:۰۰ کار کنند. هواده‌ها باید در کل شب در استخرهای متراکم زمانی که سطوح اکسیژن محلول زیراشباع میشوند کار کنند.
در استخرهای متراکم با زیست توده کمتر از ۱۲ تن بر هکتار، نیمی از هواده‌های چرخ پاروئی باید در طول روز کار کنند. زمانی که تراکم زیست توده میگو از ۱۲ تن بر هکتار فراتر می‌رود، تمامی هواده‌های چرخ پاروئی باید بصورت پیوسته کار کنند(مک اینتاچ، ۲۰۰۰). در استخرهای فوق متراکم با نرخ پایین تعویض آب، مانند استخرهایی که از فناوری بیوفلاک استفاده می‌کنند، هوادهی پیوسته برای حفظ بیوفلاک در حالت تعلیق و غلظت‌های اکسیژن محلول قابل قبول ضروری است.
مصرف انرژی در هوادهی
هوادهی مکانیکی یک مولفه‌ی عمده از مصرف انرژی در پرورش میگو به شمار می‌رود. هواده‌های الکتریکی شناور کوچک معمولاً حدود ۱ کیلووات ساعت برق برای هر اسب بخار ساعت عملیات مصرف می‌کنند. با استفاده از این فرض، میزان اسب بخار هواده و مصرف انرژی در هر محصول در هکتار در نرخ هوادهی ۲,۵ اسب بخار بر تن میگو(۴۰۰ کیلوگرم بر اسب بخار) با هواده‌های فعال به طور متوسط ۱۶ ساعت در روز در طی یک دوره رشد باز ۸۰ روزه(جدول ۹.۸) تایید می‌کند که هوادهی نیازمند انرژی قابل توجهی است. مقادیر برق(و انرژی) در هر هکتار بصورت یکنواخت با افزایش هدف تولید افزایش می‌یابد، اما میزان انرژی به کار رفته در هر تن میگو برای هوادهی در تمامی شدت‌های تولید کمابیش پایدار است(بوید و همکاران، ۲۰۱۷). چندین نوع هواده و روش‌های مختلفی از تامین توان هواده‌ها وجود دارد و کارایی انرژی موتورها و رانش‌گرها متفاوت است. این بخش به عوامل موثر بر کارایی مصرف انرژی در هوادهی استخرهای میگو می‌پردازد.
جدول ۹.۸. نرخ هوادهی در ۲,۵ اسب بخار در تن میگو در اهداف مختلف تولید با هواده‌های فعال به طور متوسط ۱۶ ساعت در روز به مدت ۸۰ روز
| مصرف مستقیم انرژی | نرخ هوادهی (hp/ha) | هدف تولید (t/ha) | ||
| (GI/t Shrimp) | (GI/ha) | (KW, h/ha)2 | ||
| ۱۱.۵ | ۲۸.۸ | ۸۰۰۰ | ۶.۲۵ | ۲.۵ |
| ۱۱.۵ | ۵۷.۶ | ۱۶.۰۰۰ | ۱۲.۵۰ | ۵ |
| ۱۱.۵ | ۸۶.۴ | ۲۴.۰۰۰ | ۱۸.۷۵ | ۷.۵ |
| ۱۱.۵ | ۱۱۵.۲ | ۳۲.۰۰۰ | ۲۵.۰۰ | ۱۰ |
| ۱۱.۵ | ۱۴۴.۰ | ۴۰.۰۰۰ | ۳۱.۲۵ | ۱۲.۵ |
| ۱۱.۵ | ۱۷۲.۸ | ۴۸.۰۰۰ | ۳۷.۵۰ | ۱۵ |
سوخت‌ها
توان هواده‌ها اغلب از طریق برق تامین شده توسط شبکه‌های ملی یا منطقه‌ای فراهم می‌شود. ژنراتورهای برق که معمولاً توان خود را از موتورهای دیزلی واقع در سایت دریافت می‌کنند، ممکن است برق مورد نیاز برای هوادهی را تامین کنند. سوخت‌ها در محتوای انرژی متفاوت هستند(جدول ۹.۹) و انرژی نیز برای تولید این سوخت‌ها مصرف می‌شود. کل مصرف انرژی برای یک سوخت، محتوای انرژی آن بعلاوه میزان انرژی لازم برای تولید آن است(انرژی نهفته). کل مصرف انرژی ممکن است با ضرب مقدار هر سوخت مصرفی در ضریب انرژی نهفته برای همان سوخت تخمین زده شود(جدول ۹.۹).
جدول ۹.۹. محتوای انرژی(مقدار گرمایش کمتر) سوخت‌های رایج و عوامل لحاظ کردن انرژی نهفته در محاسبات انرژی سوخت.
| عامل انرژی نهفته | محتوای انرژی | سوخت |
| ۱.۴۹۲ | ۲۱.۲۷ MJ/l | اتانول (E100) |
| ۱.۳۴۳ | ۲۲.۵۸ MJ/ | اتانول (E85) |
| ۱.۱۲۴ | ۲۳.۴۸ MJ/ | LPG (گاز پروپان مایع) |
| ۱.۳۶۴ | ۳۱.۸۰ MJ/ | بنزین(بدون اتانول) |
| ۱.۳۷۳ | ۳۱.۲۵ MJ/ | بنزین(۱۰ درصد اتانول) |
| ۱.۶۹۵ | ۳۳.۳۲ MJ/ | بیودیزل |
| ۱.۲۸۴ | ۳۵.۸۰ MJ/ | دیزل(شماره ۲) |
| ۲.۵۰۶ | ۳.۶ MJ/kW•h | برق |
جدول ۹.۱۰. مصرف سوخت عادی و خروجی انرژی برای اندازه‌های مختلف ژنراتورهای دیزلی
| خروجی انرژی در بار ۷۵% | مصرف انرژی در بار ۷۵%
(I/h) |
خروجی محاسبه شده (kW) | ||
| (MI/I) | (KW/I) | (ورودی %) | ||
| ۹.۶۵ | ۳.۶۵ | ۲۶.۹ | ۷.۰۰ | ۲۵ |
| ۱۰.۱۹ | ۲.۸۳ | ۲۸.۴ | ۱۳.۲۵ | ۵۰ |
| ۱۲.۳۱ | ۳.۴۲ | ۳۴.۳ | ۲۱.۹۵ | ۱۰۰ |
| ۱۲.۷۴ | ۳.۵۴ | ۳۵.۴ | ۳۱.۷۹ | ۱۵۰ |
| ۱۲.۹۶ | ۳.۶۰ | ۳۶.۱ | ۴۱.۶۴ | ۲۰۰ |
| ۱۳.۱۰ | ۳.۶۴ | ۳۶.۵ | ۵۱.۴۸ | ۲۵۰ |
| ۱۳.۵۰ | ۳.۷۵ | ۳۷.۶ | ۹۹.۹۲ | ۵۰۰ |
| ۱۳.۶۱ | ۳.۷۸ | ۳۷.۹ | ۱۴۸.۷۵ | ۷۵۰ |
| ۱۳.۶۸ | ۳.۸۰ | ۳۸.۱ | ۱۹۷.۲۰ | ۱۰۰۰ |
آگاهی از محتوای انرژی سوخت‌ها امکان تعیین حجم هر سوخت لازم برای تامین همان مقدار انرژی در یک کارایی موتور خاص را فراهم می‌سازد. برای مثال، ۱,۶۸ لیتر اتانول درجه سوخت(E100) برای دستیابی به همان مقدار انرژی تامین شده توسط ۱ لیتر سوخت دیزل شماره ۲(۲۵,۸۰ مگاژول بر لیتر سوخت دیزل تقسیم بر ۲۱,۲۷ مگاژول بر لیتر اتانول = 1,۶۸ لیتر) مورد نیاز است. هم‌چنین، ۹,۹۴ کیلووات ساعت برق بیان‌گر مقدار انرژی شبیه به ۱ لیتر سوخت دیزل شماره ۲ است.
نیروگاه‌های تولیدکننده برق، انرژی اولیه در زغال سنگ و سایر سوخت‌های اولیه با کارایی حدود ۴۰ درصد را تبدیل می‌کند، و یک زیان مازاد حدود ۷ درصد انرژی اولیه اصلی در انتقال برق از طریق شبکه رخ می‌دهد؛ یک کارایی کلی حدود ۳۳ درصد(https://www.mpoweruk.com/energy-effciency.htm؛ https://www.energycentral.com/c/ec/grid-efciency-opportunity-reduce-emissions). ژنراتورهای بزرگتر کارآمدتر از ژنراتورهای کوچکتر در تبدیل انرژی سوخت دیزلی به برق هستند(جدول ۹.۱۰)، اما واحدهای بزرگتر تنها ۳۵ تا ۳۸ درصد کارایی دارند و اتلاف بیشتری در انتقال به موتورهای هواده رخ می‌دهد.
کارایی انرژی از سوخت اولیه تقریباً برابر با برق دریافتی از شبکه ملی یا منطقه‌ای و از ژنراتورهای موجود در سایت است. هزینه سوخت‌های اولیه در هر کیلووات ساعت تولیدی برای نیروگاه‌های قدرت بزرگر نسبت به ژنراتورهای دیزلی کوچکتر کمتر است و برق شبکه معمولا ارزان‌تر از برق تولیدی در مزارع میگو است.
موتورهای الکتریکی
موتورهای جریان متناوب با القای هم‌زمان در انواع و اندازه‌های مختلف برای تامین توان هواده‌ها به کار می‌روند. موتورهای الکتریکی کوچکتر(۱ تا ۳ اسب بخار) اغلب تک فاز هستند و در ۱۱۰ تا ۱۲۰ ولت(V) یا ۲۰۸ تا ۲۳۰ ولت کار می‌کنند، در حالی که موتورهای بزرگتر معمولاً سه فاز هستند و در ۲۰۸ تا ۲۳۰ ولت یا حتی ۴۶۰ ولت کار می‌کنند. موتورها معمولاً در بار کامل رتبه‌بندی میشوند تا به جریان خاصی برسند که برحسب آمپر(A) اندازه‌گیری می‌شود(شکل ۹.۱۱)؛ جریان برحسب آمپر مورد نیاز بین موتورهای ۱۱۵ ولت و ۲۳۰ ولت و ۲۳۰ ولت و ۴۶۰ ولت دو برابر می‌شود.
کارایی موتورهای الکتریکی بصورت خروجی انرژی توسط محور موتور(قدرت ترمز) تقسیم بر ورودی انرژی به موتور(قدرت سیم) محاسبه می‌شود. مصرف انرژی توسط یک موتور الکتریکی را می‌توان با معادله زیر محاسبه کرد:
کارایی‌های معمول موتورهای الکتریکی کوچک در جدول ۹.۱۲ آمده‌است.
موتورها باید در حدود ۷۵ دصد بار کامل کار کنند، زیرا عمر مفید و کارایی نسبت به بار کامل بالاتر هستند. یک موتور سه فاز با ۱۰ اسب بخار و ۲۳۰ ولت که در توان ترمز ۷,۵ اسب بخار کار می‌کند از حدود ۶,۳۲ کیلووات یا ۶,۳۲ کیلووات ساعت برق در هر ساعت استفاده می‌کند.
جریان مورد استفاده توسط یک موتور تقریباً در تناسب مستقیم با بار بین ۵۰ درصد و ۱۰۰ درصد بار کامل قرار دارد(شکل ۹.۸). جریان دریافتی توسط موتور هواده را می‌توان به آسانی با یک آمپرسنج در طی فعالیت موتور و بار تقریبی تخمینی اندازه‌گیری کرد. یک جریان بدون بار اساسی توسط موتورهای برقی وجود دارد و زمانی که تحت بارگیری باشند، برق را هدر می‌دهند. میزان توان لازم برای کار هواده‌های چرخ پاروئی با عمق بیشتر چرخ پاروئی در هر سرعت چرخش افزایش می‌یابد(بوید و احمد، ۱۹۸۸). توجه به عمق غوطه‌وری نوک پره مهم است، زیرا زمانی که شناورها برای هواده‌ها در طی عملیات تغییر می‌کنند، می‌تواند دستخوش تغییر شود. این امر منجر به غوطه‌وری بیشتر یا کمتر پره‌ها شود که خود می‌تواند به بارگذاری بیشتر یا کمتر موتورها ختم شود.
سرعت چرخش موتورهای الکتریکی با تعداد قطب‌های مغناطیسی در موتور تغییر می‌کند(جدول ۹.۱۳). بار کم موتور، سرعت محور خروجی را تا ۳ الی ۵ درصد در موتورهای ۱ تا ۵ اسب بخا و تا حدود ۲ الی ۳ دصد در موتورهای ۷,۵ تا ۲۰ اسب بخار کاهش می‌دهد. موتورهای هواده‌های چرخ پاروئی معمولاً دارای یک سرعت محور حدود ۱۷۳۵ دور در دقیقه هستند.
جدول ۹.۱۱. جریان بار کامل[۱۱] برای موتورهای الکتریکی تک فاز و سه فاز کوچک
| سه فاز | تک فاز | نرخ قدرت موتور (hp) | ||
| 460V | 230V | 230V | 115V | |
| ۱.۸ | ۳.۶ | ۸ | ۱۶ | ۱ |
| ۳.۴ | ۶.۸ | ۱۲ | ۲۴ | ۲ |
| ۴.۸ | ۹.۶ | ۱۷ | ۳۴ | ۳ |
| ۷.۶ | ۱۵.۲ | ۲۸ | ۵۶ | ۵ |
| ۱۱ | ۲۲ | ۴۰ | ۸۰ | ۷.۵ |
| ۱۴ | ۲۸ | ۵۰ | ۱۰۰ | ۱۰ |
| ۲۱ | ۴۲ | – | – | ۱۵ |
| ۲۷ | ۵۴ | – | – | ۲۰ |
جدول ۹.۱۲. کارایی‌های موتورهای الکتریکی کوچک و موتورهای احتراق داخلی ایستای کوچک با تامین توان از سوخت‌های مختلف
| موتورهای الکتریکی (hp range) | کارایی (%) | موتور احتراق داخلی ثابت کوچک (<25 اسب بخار). | کارایی(%) |
| ۱-۴ | ۷۸.۸ | اتانول (E100) | ۲۰-۲۵ |
| ۵-۹ | ۸۴.۰ | گاز پروپان مایع (LPG) | ۲۵-۳۰ |
| ۱۰-۱۹ | ۸۵.۵ | گازوئیل | ۲۰-۳۰ |
| ۲۰-۴۹ | ۸۸.۵ | دیزل | ۲۸-۳۲ |
شکل ۹.۸. بار در مقابل مصرف سوخت توسط موتورهای احتراق داخلی و مصرف جریان توسط موتورهای الکتریکی.
در مقابل، چرخ‌های پاروئی، بسته به قطر خود، اکسیژن را به کارآمدترین نحو در ۸۰ تا ۱۲۰ دور در دقیقه انتقال می‌دهند(بوید و مور، ۱۹۹۲). موتورهایی که در چنین سرعت‌های پایینی می‌چرخند گران‌تر هستند و کاهنده‌های سرعت در رانش‌گرهای هواده قرار می‌گیرند تا امکان استفاده از موتورهای سرعت بالاتر فراهم شود.
کاربرد قابل توجهی از هواده‌های ونتوری مانند هواده Aire-O۲ در استخرهای میگو وجود دارد. بیشتر این هواده‌ها دارای موتورهای دو قطبی هسند که در سرعت حدود ۳۶۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند(جدول ۹.۱۳). این نوع هواده اگر با یک موتور چهار قطبی مجهز شود، اکسیژن زیادی را در هر واحد انرژی انتقال نمی‌دهد.
زمانی که موتورهای الکتریکی راه‌اندازی میشوند، جریان تاختی جریان لکتریکی برای شروع روتور و شتاب دادن به محور تا سرعت کامل ضروری است. برای موتورهای تک فاز ۱ تا ۱۰ اسب بخار، جریان تاختی حدود سه برابر نیازمندی جریان موتور بار کامل است. برای موتورهای سه فاز، جریان تاختی حدود دو برابر جریان بار کامل است. موتورهای بزرگ معمولاً با یک کنترل‌کننده موتور(اغلب یک استارتر موتور خوانده می‌شود) با فیوزهایی که در مقابل ورودی جریان بزرگ در زمان راه‌اندازی مقاومت می‌کنند راه‌اندازی میشوند.
جدول ۹.۱۳. سرعت چرخش موتور الکتریکی در ارتباط با تعداد قطب‌های مغناطیسی موتور و فرکانس الکتریکی
| (Hz)کارایی الکتریکی | مغناطیسی | |
| ۶۰ | ۵۰ | |
| ۳۶۰۰ | ۳۰۰۰ | ۲ |
| ۱۸۰۰ | ۱۵۰۰ | ۴ |
| ۱۲۰۰ | ۱۰۰۰ | ۶ |
| ۹۰۰ | ۷۵۰ | ۸ |
| ۷۲۰ | ۶۰۰ | ۱۰ |
| ۶۰۰ | ۵۰۰ | ۱۲ |
| ۴۵۰ | ۳۷۵ | ۱۶ |
| ۳۶۰ | ۳۰۰ | ۲۰ |
موتورهای احتراق داخلی(درون‌سوز)
موتورهای درون‌سوز(احتراق داخلی) که براساس دیزل و سایر سوخت‌ها کار می‌کنند کارایی‌های انرژی بسیار کمتری نسبت به موتورهای الکتریکی دارند(جدول ۹.۱۲)، اما انرژی مصرف نهایی این دو نوع واحد توان به نحو متفاوتی از سوخت‌های اولیه گرفته می‌شود. به طور متوسط، کارایی برق شبکه که در نقطه مصرف اندازه‌گیری می‌شود، حدود ۳۳ درصد است. زمانی که ۱ مگاژول انرژی اولیه در یک واحد تولید توان الکتریکی می‌سوزد، ۰,۳۳ مگاژول را می‌توان به یک موتور ۲ اسب بخار یک هواده الکتریکی در یک مزرعه میگو تحویل داد. کارایی موتور چنین هواده‌ای حدود ۷۹ درصد است و لذا ۰,۲۶ مگاژول انرژی از محور موتور هواده موجود خواهد بود؛ کارایی کلی ۲۶ درصد. این کارایی برق مصرف نهایی مشابه با کارایی مصرف نهایی از سوخت‌های تامین شده برای موتورهای احتراق داخلی(درون‌سوز) است.
موتورهای درون‌سوز طراحی شده برای کار با سوخت‌های مختلف کارایی‌های مشابهی دارند(جدول ۹.۱۲). با این وجود، قیمت سوخت‌ها در هر لیتر متفاوت است و لذا یک سوخت با محتوای انرژی کمتر ممکن است در برخی موارد مقرون به صرفه‌تر از سوخت با محتوای انرژی بیشتر باشد.
موتورهای درون‌ساز، مانند موتورهای الکتریکی، باید در حدود ۷۵ درصد بار کامل برای تضمین عمر سرویس بیشتر و کارایی بالاتر کار کنند؛ در حالی که موتورها سوخت را تحت بی باری مصرف می‌کنند، درصد مصرف سوخت زمانی که موتور در حالت بیکاری بدون بار قرار دارد کمتر از درصد مصرف برق بار کامل یک موتور در حال کار تحت بی باری است. مصرف سوخت یک موتور با بار تقریباً به طور خطی کاهش می‌یابد و بار را می‌توان از مصرف سوخت تخمین زد. یک موتور دیزل کوچک معمولی از حدود ۰,۲۳ لیتر بر ساعت سوخت برای هر اسب بخار ساعت استفاده می‌کند(بوید و یو، ۱۹۹۴).
سرعت محور خروجی موتورهای کوچک معمولاً حدود ۳۰۰۰ دور در دقیقه‌است(https://www.hatz-diesel.com). هواده‌های چرخ پاروئی مورد استفاده در پرورش میگو معمولاً در ۶۰ تا ۱۲۰ دور در دقیقه کار می‌کنند. در نتیجه، سرعت محور موتورها باید در رانش‌گرهای این هواده‌ها کاهش یابد.
رانش‌گر
هواده‌های ونتوری و هواده‌های پمپ عمودی در سرعت محور خروجی موتور کار می‌کنند. تنها یک کوپلینگ(اتصال) بین موتور و محورهای هواده‌ها معمولاً ضروری است. هواده‌های چرخ پاروئی در سه نوع وجود دارند.
هواده‌های چرخ پاروئی الکتریکی شناور سبک آسیایی ۱ اسب بخار و ۲ اسب بخار(شکل ۹.۳) دارای موتورهایی با یک مکانیسم کاهنده دنده دو طرفه نصب شده بر روی شناورهایی با محورهایی در هر کدام از طرفین کاهنده دنده هستند که چرخ‌های پاروئی بر روی آن‌ها نصب شده‌است. دومین نوع هواده چرخ پاروئی الکتریکی شناور که گاهی اوقات در مزارع میگو مورد استفاده قرار می‌گیرد، یک هواده بزرگتر(معمولاً ۵ یا ۱۰ اسب بخار) است که یک هواده چرخ پاروئی استخر گربه‌ماهیان ایالات متحده خواهد بود. موتور این نوع هواده بر روی یک سمت یک پلتفرم شناور نصب شده‌است و یک کاهنده دنده بین موتور و هاب(روتور) وجود دارد که پره‌ها روی آن جوش خورده‌اند تا یک چرخ پاروئی شکل بگیرد. در هر دو نوع هواده، محورهای چرخان چرخ‌های پاروئی باید تحت حمایت یاتاقآن‌ها یا سایر مکانیسم‌هایی باشند که چرخش با حداقل اصطکاک را فراهم می‌سازند. این هواده‌ها معمولاً دارای یک کارایی نسبتاً بالایی از انتقال انرژی از محور موتور به چرخ پاروئی چرخان هستند. اتلاف انرژی حدود ۵ تا ۱۰ درصد است، یا به بیان دیگر، یک کارایی ۹۰ تا ۹۵ درصد انتقال انرژی از محور خروجی موتور به محور هواده وجود دارد.
نوع دیگر هواده چرخ پاروئی، هواده LAPW پرطرفدار در تایلند و برخی دیگر از کشورهای آسیایی است(شکل ۹.۴). چرخ پاروئی بر روی شناورها در استخر نصب می‌شود و موتور نیز در کناره استخر نصب می‌شود. سرعت موتور معمولاً با تسمه‌های وی شکل یا مکانیسم‌های زنجیر و چرخ دنده کاهش می‌یابد که در آن‌ها دو محور برای کاهش سرعت خروجی موتور تا سرعت مطلوب چرخ پاروئی مورد استفاده قرار می‌گیرند. معادله تعیین سرعت محورهای محرک در کاهش سرعت تسمه وی[۱۲] بصورت زیر است:
D۱ × RPM۱ = D۲ × RPM۲
که در آن D۱ و D۲ قطر گام محرک و قرقره‌ها هستند و RPM۱ و RPM۲ به ترتیب سرعت محرک و محورها هستند.
معادله کاهش سرعت توسط مکانیسم‌های زنجیر و چرخ دنده مشابه با معادله تسمه V است و بصورت زیر است:
T۱/T۲ = RPM۱ / RPM۲
که در آن، T۱ و T۲ به ترتیب تعداد دندانه در محرک و چرخ دنده‌ها هستند و RPM۱ و RPM۲ به ترتیب سرعت محرک و محورها هستند.
یک مکانیسم تحت عنوان دنده عقب(جک شافت) اغلب برای کاهش سرعت موتور در زمان کار یک هواده چرخ پاروئی از یک موتور در کناره استخر استفاده می‌شود. یک قرقره ۱۵ سانتی‌متری را می‌توان بر روی محور موتور(۱۷۳۵ دور در دقیقه) و یک قرقره ۵۰ سانتی‌متری را می‌توان بر روی محور محرک کوتاه نصب شده در یک چارچوب فلزی نصب کرد. محور محرک در ۸۹ دور در دقیقه می‌چرخد[(۱۵ cm × ۲۹۷ cm) = (50 cm × RPM۲); RPM۲ = 89]، که یک سرعت مناسب برای چرخ پاروئی است. البته، دو جک شافت باید محکم بر روی یاتاقآن‌های ساپورت شده در یک قاب فلزی در کنار محور موتور نصب شود.
یک محور باید به وسیله اتصالات جهانی بین محور دوم و یک محور بلند رو به پایین در یک زاویه با محور هواده متصل به محور هواده به وسیله اتصال جهانی دیگر وصل شود. در بسیاری از مزارع میگو، مکانیسم‌های دنده مارپیچی جهت‌دار مورد استفاده قرار می‌گیرند تا اجازه توزیع توان در چند چرخ پاروئی شناور فراهم شود.
دستگاه‌های مورد استفاده برای کاهش سرعت‌های چرخش، اتصال محورها و تغییر مسیر انتقال توان در رانش‌گر سبب اتلاف انرژی میشوند. کارایی‌های عادی ۹۰ تا ۹۵ درصد برای محرک‌های تسمه V(https://www.grainger.com/know-how/equipment-information/kh-types-of-belt-drives-efficiency)، ۹۵ تا ۹۸ درصد برای محرک‌های زنجیره غلتکی و ۸۵ تا ۹۰ درصد برای جعبه دنده‌ها(https://www.machinedesign.com/archive/article/21834659/a-second-look-at-gearbox-efciencies) هستند. اتلاف انرژی در اتصالاتی که به درستی طراحی و نصب شده‌اند کم است(تقریباً ۱ تا ۲ درصد)، اما ناترازی اتصالات و ارتعاش در محورها می‌تواند منجر به اتلافهای بسیار بیشتر انرژی شود.
محور بین جک شافت و محور هواده معمولاً بلند است؛ یک لوله آب گالوانیزه قطر ۳,۷۵ تا ۵ سانتی‌متری که ارتعاش قابل توجهی دارد و ناترازی بین محورها و اتصالات نیز مشهود است. براساس دانسته‌های ما، هیچ مطالعه‌ای از اتلاف انرژی در رانش‌گرهای هواده‌های LAPW وجود ندارد، اما اتلاف احتمالاً حداقل ۳۰ تا ۴۰ درصد باشد و گاهی اوقات بیشتر، بین محورهای موتور و محورهای هواده زمانی که تنها یک واحد هوادهی از یک موتور کار می‌کند. بدون شک، اتلافهای بیشتر ناشی از هواده‌های LAPW با تامین انرژی از یک موتور هستند.
محورهای چرخانی که هواده‌های چرخ پاروئی به آن متصل هستند، نیازمند ساپورت هستند. یک یاتاقان غلتکی از بار یک محور چرخان با قرار دادن اجزای غلتان(استوانه‌های کوچک) بین دو حلقه یاتاقان پشتیبانی می‌کند. چنین یاتاقآن‌هایی معمولاً نیازمند روان‌کاری دائمی با گریس هستند و یاتاقآن‌های غلتکی که نیازمند روان‌کاری دائمی نیستند، بسیار پرهزینه هستند. روان‌کاری هواده‌های مکانیکی دشوار است، زیرا بر روی شناورها نصب شده و در استخرها قرار می‌گیرند.
محورهای هواده چرخ پاروئی در سرعت‌های بالا نمی‌چرخند؛ سرعت‌های عادی بین ۶۰ و ۱۲۰ دور در دقیقه هستند. در نتیجه، ساپورت‌های محور خطی ساده که نیازمند روان‌کاری نیستند ممکن است به جای یاتاقآن‌های غلتکی به کار برده شوند. این بلوک‌های ساپورت محور اغلب با برش یک نیم دایره در بلای یک بلوک از جنس پلاستیک با تراکم بالا ساخته می‌شود که می‌تواند محکم به چارچوب هواده متصل شود. در آسیا، چنین بلوک‌هایی اغلب از چوب ساخته میشوند، که اصطکاک بیشتری را نسبت به پلاستیک با تراکم بالا ایجاد می‌کند.
هواده‌ها در بسیاری از آب‌ها بخصوص آب شور دچار خوردگی میشوند. در ایالات متحده آمریکا، بیشتر هواده‌های چرخ پاروئی از فولاد نرم به علت قیمت بالای فولاد ضدزنگ، ساخته شده‌اند. این چرخ‌های پاروئی می‌توانند برای حفاظت، گالوانیزه غوطه‌وری گرم باشند، و برخی تولیدکنندگان یک قطعه فلز فداشونده را به چنین هواده‌هایی متصل می‌کنند تا خوردگی قطعات کاری فلز هواده به حداقل برسد. ساخت چرخ‌های پاروئی پلاستیکی مطابق با طراحی هواده مورد استفاده در پرورش گربه‌ماهیان ایالات متحده کاملاً سودمند است. با این وجود، توجه بسیار کمی به پذیرش هواده‌های کارآمدتر طراحی ایالات متحده در آسیا معطوف شده‌است. بالعکس، برخی از ویژگی‌های طراحی هواده‌ها سبک آسیایی(بخصوص استفاده از پلاستیک) می‌تواند برای کاربران هوادهی مکانیکی در آبزی‌پروری ایالات متحده سودمند باشد.
پتانسیل برای بقای انرژی
پیش از این نشان داده شد که هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی برقی شناور از حدود ۱۱,۵ مگاژول انرژی در هر تن میگو استفاده می‌کنند(جدول ۹.۸). هواده‌های چرخ پاروئی برقی شناور بزرگ مورد استفاده در پرورش گربه‌ماهیان ایالات متحده حداقل ۳۰ درصد در انتقال انرژی نسبت به هواده‌های چرخ پاروئی برقی شناور مورد استفاده در آسیا کارآمدتر هستند(بوید و همکاران، ۲۰۱۸). براساس قاعده سرانگشتی ۲,۵ اسب بخار در تن میگو برای هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی، نرخ هواده را می‌توان تا ۱,۷۵ اسب بخار در تن میگو با استفاده از هواده‌های سبک ایالات متحده کاهش داد.
کارایی رانش‌گر احتمالاً حدود ۷۰ درصد برای هواده‌های LAPW و ۹۰ درصد برای هواده‌های چرخ پاروئی برقی شناور سبک آسیایی هستند. در نتیجه، ۳,۲۲ اسب بخار بر تن میگو برای هواده‌های LAPW ضروری است. با استفاده از هواده‌های LAPW، مصرف انرژی تا ۱۴,۸ گیگاژول بر تن میگو افزایش می‌یابد، زیرا هواده LAPW کارایی کمتری نسبت به هواده چرخ پاروئی سبک آسیایی برقی شناور با نسبت ۲,۵ اسب بخار بر تن میگو تا ۳,۲۲ اسب بخار بر تن میگو دارد. در ضمن، با استفاده از هواده‌های چرخ پاروئی شنارو سبک آمریکایی بزرگتر، مصرف انرژی را می‌توان تا ۸,۱ گیگاژول بر تن میگو کاهش داد.
طبق برنامه زمانی هوادهی مورد استفاده در آماده‌سازی داده‌ها در جدول ۹.۸، هواده‌های به مدت ۱۴۴۰ ساعت در هر محصول یا ۴۶۳۷ اسب بخار ساعت کار می‌کنند. برای یک هواده LAPW دیزلی با مصرف سوخت ۰,۲۳ لیتر بر اسب بخار ساعت، ۱۰۶۷ لیتر سوخت دیزلی در هر تن میگو مصرف می‌شود. این مقدار برابر با ۳۸,۲ گیگاژول بر تن میگو است.
تخمین‌های مشخص شده در بالا برای مصرف انرژی مستقیم هستند. به کارگیری عوامل انرژی نفته برای سوخت‌ها طبق جدول ۹.۹، مصرف کل انرژی را مشخص می‌کند: هواده چرخ پاروئی برقی شناور سبک ایالات متحده، ۲۰,۲۵ گیگاژول بر تن میگو؛ هواده چرخ پاروئی برقی شناور سبک آسیایی، ۲۸,۸ گیگاژول بر تن میگو؛ هواده LAPW برقی، ۳۷ گیگاژول بر تن میگو؛ هواده LAPW دیزلی، ۴۸,۹ گیگاژول بر تن میگو. این محاسبات مبتنی بر فرضیات خاص هستند و به نحو مشهودی تابع عدم قطعیت هستند، اما آن‌ها نشان می‌دهند که کارایی هوادهی استخر میگو را می‌توان برای صرفه‌جوئی در کمیت چشم‌گیری از انرژی بهبود داد. با فرض اینکه ۴ مگاتن میگو در استخرهای هوادهی شده تولید میشوند، هر کاهش ۱ گیگاژول بر تن در مصرف انرژی، کاربرد انرژی در پرورش میگوهای پنائیده را تا ۴ میلیون گیگاژول یا تقریباً ۸۳۰ میلیون کیلووات ساعت(۷۱،۳۶۷ تن نفت یا معادل ۴۸۸،۲۳۴ بشکه نفت) کاهش می‌دهد. مزایای اقتصادی سطح مزرعه و بقای انرژی برای بهبود کارایی انرژی هوادهی استخر میگو وجود دارد.
مکان‌یابی هواده
مکان‌یابی هواده‌ها برای بیشینه ساختن تاثیر آن‌ها تصمیم پیچیده‌ای است که تابعی از شدت تولید، اندازه استخر، شکل استخر و تعداد و نوع هواده‌های انتخاب شده‌است. هدف به حداکثر رساندن ناحیه‌ی دارای غلظت اکسیژن محلول کافی برای پشتیبانی از محصول میگو و به حداقل رساندن ناحیه دچار کمبود اکسیژن است. لذا، جانمائی هواده می‌تواند بر مساحت سطح مناسب کف برای سکونت توسط میگوها تاثیرگذار باشد. جانمائی هواده می‌تواند بر توزیع و ترکیب آهک، کودها یا سایر مکمل‌های شیمیایی و اصلاحات باکتریایی اضافه شده به آب استخر تاثیر بگذارد. ارزیابی سیستماتیک نسبتاً اندکی از تاثیر جانمائی هواده در استخرهای میگو بر توزیع اکسیژن محلول و عملکرد تولید میگو وجود داشته‌است؛ پرورش‌دهندگان رویکردی تجربی یا عملی را برای جانمائی هواده اتخاذ کرده‌اند.
در استخرهای نیمه متراکم نسبتاً بزرگ(کوچکتر از ۱۰ هکتار) با سطوح پایین هوادهی(۱ تا ۲ اسب بخار در هکتار)، امکان مکان‌یابی هواده‌ها به نحوی که کل حجم استخر هوادهی شود وجود ندارد. در این زمینه، هواده‌ها اغلب در مکآن‌های راحت قرار می‌گیرند که معمولاً در مجاورت کناره‌های استخر برای هواده‌های چرخ پاروئی دیزلی است. بدین ترتیب، چارچوب خطوط تامین برق یک مزرعه و پانل‌های کنترل، مکان هواده‌های برقی را دیکته خواهد کرد. با سطوح نسبتاً کم هوادهی، هواده‌ها را می‌توان برای ایجاد نواحی تاثیر که از ۱۵ تا ۲۵ متر برای هواده‌های چرخ پاروئی ۱ تا ۳ اسب بخار بسط یافته‌اند، مکان‌یابی کرد. استفاده از هواده‌های دارای توان بیشتر می‌تواند ناحیه تاثیر را افزایش دهد. در یک استخر گربه‌ماهی کانال ۳,۲ هکتاری با سه هواده ۱۰ اسب بخاری واقع در کنار یکدیگر، غلظت اکسیژن محلول ۳,۰ میلی‌گرم بر لیتر ۴۵ متر از هواده‌ها و ۲,۵ میلی‌گرم بر لیتر حدود ۹۵ متر از هواده‌ها اندازه‌گیری شد(فارلی و همکاران، ۲۰۱۶). در استخرهای گربه‌ماهی کانال، هواده‌های چرخ پاروئی اغلب در کنار یکدیگر نزدیک کنار استخر قرار می‌گیرند و جریان آب هواده به سمت مرکز استخر هدایت می‌شود که یک ناحیه بزرگ تاثیر را ایجاد می‌کند که برای پشتیبانی از محصول پایدار در حالتی که غلظت اکسیژن محلول در آب در سطوح بحرانی پایین قرار دارد، معمولاً در اواخر شب و اوایل صبح، کافی است. لذا، جانمائی هواده در استخرهای نیمه متراکم با نرخ‌های هوادهی نسبتاً کم اغلب مبتنی بر راحتی است تا بیشینه ساختن اثرات هوادهی.
یک گزینه مکان‌یابی در استخرهای نیمه متراکم، تمرکز هواده‌ها در ۱۵ تا ۲۰ درصد مساحت استخر است که یک ناحیه هوادهی اکسیژنه در مجاور ناحیه اختیاری که بین شرایط هوازی و کم اکسیژنی در طی ۲۴ ساعت متغیر است را ایجاد می‌کند. میگوها به دنبال کیفیت آب مطلوب، بخصوص در پاسخ به جریآن‌های آب هواده شنا می‌کنند. ناحیه هواده به اندازه کافی برای پشتیبانی از محصولات میگو در حالتی که ناحیه دچار کمبود اکسیژن است بزرگ است.
با افزایش سطوح هوادهی در استخرهای نیمه متراکم بزرگ(بیش از ۱۰ هکتار)، یک تکنیک احتمالی، توزیع یکنواخت هواده‌ها در مساحت سطح استخر است که جریآن‌های خروجی هواده در همان جهت هدایت میشوند. هر هواده یک ناحیه تاثیر را ایجاد می‌کند به نحوی که بیشتر مساحت کف استخر توسط میگوها قابل سکونت است. تعیین یک الگوی جریان آب دایره‌ای در استخرهای بزرگتر از ۵ هکتار دشوا است. جریآن‌های آب با محرک مناسب می‌توانند تلاش‌ها در جهت ایجاد الگوهای جریان دایره‌ای در چنین استخرهایی را پیچیده می‌سازد، بخصوص اگر مسیر باد برخلاف جهت جریآن‌های آب هواده باشد.
شکل ۹.۹. جریآن‌های سطحی شبیه‌سازی شده در یک استخر ۱ هکتاری با چهار هواده چرخ پاروئی سبک آسیایی ۲ اسب بخار. بردارهای سرعت با رنگ بر حسب متر بر ثانیه کدگذاری شده‌اند.
با افزایش استفاده از فیدرهای خودکار در استخرهای نیمه متراکم، متراکم و فوق متراکم، هواده‌ها را می‌توان به نحوی مکان‌یابی کرد که تامین اکسیژن محلول کافی برای پاسخ به تقاضای تراکم‌های بالا میگو که ممکن است گاهی اوقات در کف استخر در مجاور فیدرها سکونت کنند را تضمین کند. چندین هواده را می‌توان در فاصله حدود ۲۵ متری از فیدرهای خودکار قرار داد تا هوادهی نواحی تغذیه میگوها محقق شود.
مکان‌یابی هواده‌ها در استخرهای متراکم و فوق متراکم مهم‌تر از جانمائی آن‌ها در استخرهای نیمه متراکم است. به طور کلی، رویکرد مکان‌یابی هواده در استخرهای متراکم، چیدن هواده‌ها به نحوی است که حلقه‌های دایره‌ای در اطراف محیط استخر ایجاد شود که یک ناحیه راکد نزدیک مرکز استخر را برای تسهیل ته‌نشینی جامدات به وجود می‌آورد(شکل ۹.۹). در استخرهای خشکی، جانمائی هواده‌ها به این شیوه می‌تواند منجر به تپه‌ی بزرگی از رسوب شسته شده از خاک‌ریزها و کف استخر نزدیک مرکز استخر شود. در استخرهای لایه‌دار، چنین چیدمانی می‌تواند منجر به انباشت جامدات پسماند از فیتوپلانکتون‌ها و باکتری‌های تغذیه‌کننده و مرده نزدیک مرکز استخر شود. این جامدات را می‌توان از طریق درین‌های مرکز یا به روش سیفونی خارج ساخت.
شکل ۹.۱۰. چیدمان هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی ۲ اسب بخار در یک استخر میگوی لایه‌دار ۳۵۰۰ مترمربعی در گواتمالا. به الگوی جریان تک تک هواده‌ها و نحوه عملکرد جمعی آن‌ها با هم برای جمع کردن پسماندها در مرکز استخر، جایی که می‌توان آن‌ها را بصورت دوره‌ای خارج ساخت، توجه کنید.
در استخرهای مربعی یا مستطیلی، هواده‌های چرخ پاروئی اغلب در گوشه‌ها قرار می‌گیرند تا از انباشت رسوب و ماده آلی در این نواحی جلوگیری شود. بسته به اندازه استخر متراکم، دو یا سه حلقه هم‌مرکز از حلقه‌های جریان هوادهی چرخ پاروئی را می‌توان در محل قرار داد که هر کدام در فاصله ۱۰ تا ۱۵ متری از هم قرار داند(شکل ۹.۱۰). برای شتاب بخشیدن به سرعت ذرات آلی تا مرکز استخر، هواده‌های LAPW را باید در یک زاویه نسبت به خاک‌ریز به میزان ۶ تا ۷ درجه کمتر از زاویه عمودی قرار داد. صرف‌نظر از جانمائی هواده، علاوه بر انباشت رسوب و ماده آلی در مرکز استخر، نواحی کوچک مواد جمع‌شده ممکن است در سایر نواحی استخر در نتیجه‌ی حرکات پیچیده آب شکل بگیرند. چینش هواده‌ها را می‌توان بصورت دوره‌ای تغییر داد تا اندازه این نواحی کوچکتر ماده جمع شده به حداقل برسد.
پترسون و همکاران(۲۰۰۱) به ارزیابی سه چیدمان هواده برای شش هواده چرخ پاروئی ۲ اسب بخار در یک استخر مستطیلی ۱ هکتاری پرداختند: (۱) در خط، که هواده‌ها بصورت سری چیده شدند؛ (۲) موازی، که هواده‌ها در کنار یکدیگر قرار گرفتند؛ و(۳) مورب، که هواده‌ها برای تولید جریآن‌های آب انحرافی چیده شدند. همان‌گونه که با مینیمم‌سازی جمع ناحیه پاکسازی نامطلوب و ناحیه ته‌نشینی نشان داده شد، بهترین چیدمآن‌ها مورب یا موازی بودند(جدول ۹.۱۴).
به طور کلی، در استخرهای متراکم و فوق متراکم، هواده‌های چرخ پاروئی باید به نحوی چیده شوند که نواحی تاثیر آن‌ها هم‌پوشانی داشته‌باشد. زمانی که دبی آب از یک هواده ضعیف می‌شود، جریان پایین هواده بعد، گشتاور اضافی را به آب وارد می‌کند و بر گردش آب تاثیر می‌گذارد. به این ترتیب، تک تک هواده‌ها برای کار با یکدیگر به منظور ایجاد یک ناحیه اکسیژنه چیده میشوند.
پیرسون و پترسون(۲۰۰۰) شرح دادند که چه چیزی را بعنوان چیدمان نزدیک بهینه برای چهار هواده چرخ پاروئی ۲ اسب بخار در یک استخر مربعی ۱ هکتاری(۱۰۰ متر در ۱۰۰ متر) در نظر گرفته‌اند. هر هواده حدود ۱۸ تا ۲۰ متر دور از خاک‌ریزهای استخر قرار گرفت و جریان هواده به سمت یک گوشه جریان پایین در فاصله حدود ۸۰ متری هدایت شد(شکل ۹.۹). هواده‌ها تقریباً ۶۰ متر از یکدیگر فاصله داشتند. ناحیه مستقیم تاثیر هر هواده حدود ۲۵ متر بود، اما جریآن‌های غالب ایجاد شده به واسطه عملیات هواده، ناحیه تاثیری را ایجاد کردند که از یک هواده تا هواده بعدی بسط یافته بود.
جدول ۹.۱۴. نسبت(درصد) استخرهای خشکی مستطیلی ۱ هکتاری هوادهی شده با هواده‌های چرخ پاروئی ۲ اسب بخار و دو هواده پمپ آسپیراتور ۲ اسب بخار(۹ کیلووات بر هکتار) برای چیدمآن‌های مختلف هواده طبق دسته تنش برشی کف‌زی. رسوب‌سازی مازاد در یک تنش برشی کف‌زی کمتر از ۰,۰۰۱ نیوتن بر مترمربع رخ می‌دهد و فرسایش مازاد نیز در یک تنش برشی کف‌زی کمتر از ۰,۰۳ نیوتن بر مترمربع رخ می‌دهد.
| فرسایش مازاد | مطلوب | ته نشینی مازاد | چیدمان هواده |
| ۶۲ | ۲۶ | ۱۲ | در خط |
| ۶۱ | ۳۵ | ۴ | موازی |
| ۵۰ | ۳۹ | ۱۰ | مورب |
نکته نهایی درخصوص مکان‌یابی هواده درخصوص عدم اهمیت تاثیر کوریولیس بر مسیر انتخابی گردش است(بوید، ۲۰۱۷). در نیم‌کره شمالی، توده‌های بزرگ آب به سمت راست(جهت عقربه ساعت) منحرف میشوند و در نیم‌کره جنوبی، به سمت چپ(خلاف عقربه ساعت). اگرچه تاثیر کوریولیس برای چرخش توده‌های بزرگ هوا و آب مهم است، اما اندازه استخرهای میگوی بزرگ نیز برای اینکه اثر کوریولیس تاثیر معناداری بر گردش آب داشته باشید، بسیار کوچک است. در استخرهای میگو با هوادهی، نیروهای اینرسی جریآن‌های آب القایی هواده بسیار بزرگتر از نیروهای کوریولیس در تاثیرگذاری بر گردش آب هستند.
هیدرودینامیک هوادهی
اگرچه هدف اولیه‌ی هوادهی مکانیکی در آبزی‌پروری، انتقال اکسیژن هوا – آب است، اما هواده‌ها نقش مکمل برای گردش آب و ایجاد جریآن‌ها در استخرها دارند. گردش آب سودمند است، زیرا طبقه‌بندی حرارتی و شیمیایی را در هم می‌شکند، غلظت اکسیژن محلول در کف استخر را افزایش می‌دهد، اکسیژن تولیدی توسط فتوسنتز در استخر را حفظ می‌کند، و عموماً یک محیط همگن‌تر مستعد برای تولید مناسب میگو را ایجاد می‌کند(بوید و فست، ۱۹۹۲؛ روجرز، ۱۹۸۹؛ فست و روجرز، ۱۹۸۸). اگرچه چندین دستگاه اختلاط آزمایش شده‌است و کارایی آن‌ها به اثبات رسیده‌است، اما بصورت گسترده در پرورش میگوی تجاری مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. تمرکز مبحث زیر بر جریآن‌های آب و اختلاط تامین شده توسط تجهیزات هوادهی رایج، بخصوص هواده‌های چرخ پاروئی، خواهد بود.
جریآن‌های آب دایره‌ای شکل گرفته توسط آرایه‌هایی از هواده‌های عملیاتی برای جمع‌آوری پسماندها در مرکز استخر و افزایش اثربخشی توزیع ورودی‌های مهم مانند غذا، مواد شیمیایی، آهک، مواد معدنی و پروبیوتیک‌ها عمل می‌کنند. جریآن‌های آب پیامدهایی برای شرایط در کف استخر و تداوم شنای میگو دارند. حرکت آب در هر سیستم تولید میگو سودمند است، اما این اهمیت در سیستم‌های متراکم و فوق متراکم افزایش می‌یابد. بهینه‌سازی شرایط مطلوب برای رشد میگو ممکن است مستلزم اصلاحاتی در پروتکل‌های مدیریت به منظور متوازن ساختن تامین اکسیژن با تولید جریآن‌های آب مساعد برای تولید میگو باشد.
حرکت پره‌ها در آب، انرژی جنبشی آشفته ایجاد می‌کند و فشاری را در مسیر جریان پایین‌دست به وجود می‌آورد. هواده‌های چرخ پاروئی حدود ۱۰۰ نیوتن رانش افقی در هر اسب بخار تولید می‌کنند(پترسون، ۲۰۰۰) و آب بصورت افقی در مسیر چرخش به دور می‌رانند. گشتاور آب در حال حرکت به واسطه اصطکاک با لایه‌های آب مجاور(ویسکوزیته گردابی) و کف استخر از هواده به سمت دور پخش می‌شود.
هواده‌های چرخ پاروئی ۱ تا ۳ اسب بخار سبک آسیایی، جریآن‌های آب ۶۰ تا ۸۰ سانتی‌متر بر ثانیه در مجاورت هواده تولید می‌کنند(پترسون، ۲۰۰۰). سپس، سرعت جریآن‌ها به ۲۰ تا ۳۰ سانتی‌متر بر ثانیه در ۱۰ متر، ۱۰ سانتی‌متر بر ثانیه در ۲۰ متر، ۵ سانتی‌متر بر ثانیه در ۳۰ متر، و ۲ تا ۳ سانتی‌متر بر ثانیه در ۵۰ متر کاهش می‌یابد(کانگ و همکاران، ۲۰۰۴). فاصله موثر هوادهی توسط هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی ۲ اسب بخار حدود ۲۵ متر در نظر گرفته می‌شود(تاپارهودی و همکاران، ۲۰۰۷). البته، هواده‌های قدرتمندتر ناحیه تاثیر بیشتری نسبت به توسط هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی تولید می‌کند. ناحیه تاثیر هواده‌های LAPW تابعی از سرعت چرخش آن‌هاست(جدول ۹.۱۵).
جدول ۹.۱۵. دامنه جریآن‌های آب ایجاد شده توسط یک هواده LAPW دیزلی ۱۱ اسب بخاری اندازه‌گیری شده در سطح و کف استخر میگو بعنوان تابعی از سرعت چرخش چرخ پاروئی.
| دامنه جریان پایین (m) | دامنه جریان سطحی (m) | سرعت چرخشی (rpm) |
| ۵ | ۱۵ | ۲۵ |
| ۱۰ | ۱۵ | ۳۵ |
| ۱۰ | ۲۰ | ۵۵ |
| ۱۵ | ۲۵ | ۷۰ |
| ۱۵ | ۲۵ | ۹۰ |
ضخامت اولیه لایه آب شکل گرفته توسط یک هواده چرخ پاروئی به وسیله عمق غوطه‌وری نوک پره، معمولاً ۵ سانتی‌متر، تعیین می‌شود. هواده یک صفحه سرعت نسبتاً بالای آب سطحی واقع بر روی لایه‌های آب عمیق‌تر با سرعت نسبتاً کمتر را ایجاد می‌کند. عمق آب تحت تاثیر چرخش پره از هواده با شیب ۷:۱ بسط می‌یابد(پترسون و همکاران، ۲۰۰۰). لذا، برای یک عمق آب استخر ۱,۴ متر، جریآن‌های آب ایجاد شده توسط هوادهی چرخ پاروئی در حدود فاصله ۱۰ متری از هواده به کف می‌رسد. علاوه بر این، به علت اصطکاک با کف استخر و انتشار انرژی آشفته، جریآن‌های آب در کف کمتر از جریآن‌های سطحی خواهد بود.
فرسایش خاک و رسوب‌گذاری
در استخرهای میگوی متراکم و فوق متراکم، هواده‌های متعددی در یک آرایه به کار می‌روند و یک الگوی جریان مشخص معمولاً توسعه می‌یابد. هواده‌های چرخ پاروئی اغلب به نحوی چیده میشوند که جریآن‌های آب افقی شکل بگیرد که در امتداد خاک‌ریزهای استخر در یک الگوی دایره‌های حرکت کنند. گشتاوری که با دور شدن آب از یک هواده از بین می‌رود با فعالیت هواده دیگر مجدد به وجود می‌آید و به این وسیله، گردش حفظ می‌شود. اگرچه ناحیه تاثیر تک تک هواده‌های چرخ پاروئی در یک استخر راکد تنها حدود ۲۵ متر امتداد می‌یابد، اما در استخرهای دارای جریان شتاب‌دار ایجاد شده توسط هواده‌های مختلف که با یکدیگر کار می‌کنند، ناحیه تاثیر می‌تواند برای ۸۰ تا ۱۰۰ بسط یابد(پترسون، ۲۰۰۰؛ پرتسون و همکاران، ۲۰۰۰).
جریان دایره‌ای اولیه منجر به ایجاد یک ناحیه کم فشار راکد نزدیک مرکز استخر می‌شود. جریان اولیه به یک جریان شعاعی ثانویه ختم می‌شود که در سطح استخر بسط می‌یابد و تا مرکز کف استخر ادامه دارد. جریآن‌های آب سطحی از هوادهی استخرهای میگوی متراکم و فوق متراکم حدود ۱۰ تا ۲۰ سانتی‌متر بر ثانیه در امتداد محیط استخر با ماکزیمم ۲۵ تا ۳۰ سانتی‌متر بر ثانیه است و مینیمم جریآن‌های آب نزدیک سطح استخر نیز کمتر از ۵ سانتی‌متر بر ثانیه هستند(دیلگادو و همکاران، ۲۰۰۳؛ کانگ و همکاران، ۲۰۰۴؛ پترسون، ۲۰۰۰؛ پترسون و همکاران، ۲۰۰۰؛ ویجیسکارا و همکاران، ۲۰۰۵).
در استخرهای خشکی، جریآن‌های آب در امتداد محیط استخر برای بروز فرسایش خاک‌های خاک‌ریز و کف استخر کافی هستند. خاک و سایر انواع ذرات بصورت مارپیچی به سمت مرکز استخر در پاسخ به جریآن‌های دایره‌ای اطراف محیط و جریآن‌های شعاعی داخلی در امتداد کف استخر حرکت می‌کنند(پیرسون و پترسون، ۲۰۰۰). محیط رسوبی راکد در مرکز استخر منجر به انباشت ذرات می‌شود. این تاثیر به اصطلاح فنجان چای در استخرهای میگوی لایه‌دار یا خشکی با هوادهی متراکم از دهه ۱۹۹۰ مشاهده شده‌است(فانگ-اسمیت و بریگز، ۱۹۹۴؛ دیلگادو و همکاران، ۲۰۰۳؛ هاپکینز و همکاران، ۱۹۹۱).
تاثیر الگوی جریان در استخرهای متراکم، ناحیه‌بندی استخر به مناطقی است که به خوبی اکسیژنه شده‌اند و سرعت جریان بالا منجر به فرسایش خاک می‌شود و مناطق دارای غلظت کم اکسیژن محلول و سرعت جریان پایین که منتهی به ته‌نشینی ذرات می‌شود. ویژگی‌های متعددی از مرکز راکد وجود دارد که برای پرورش میگو نامطلوب هستند. جامدات آلی از غذا(لجن) جمع شده و یک تقاضای اکسیژن معنادار را برای تجزیه می‌طلبند. پروفایل خاک استخر با یک شیب زیاد در پتانسیل اکسایش – کاهش مشخص می‌گردد که منجر به تولید محصولات کاهش سمی بالقوه مانند هیدروژن سولفید می‌شود. غلظت پایین اکسیژن محلول به همراه تقاضای بالا برای اکسیژن به واسطه تجزیه ماده می‌تواند منجر به عدم وجود لایه نازک نرمال رسوب اکسیژنه می‌شود که انتشار مواد کاهشی در آب بالای سطح را محدود می‌کند. میگوها بصورت فعال از این نواحی راکد و ایستا دوری می‌کنند که ۴۰ تا ۶۰ درصد مساحت کف استخر را بسته به اندازه استخر، نوع خاک و تعداد و نوع هواده‌ها به خود اختصاص می‌دهند(فانگ-اسمیت و بریگز، ۱۹۹۴؛ دیلگادو و همکاران، ۲۰۰۳). مفهوم این پدیده این است که میگوها ممکن است در نواحی ترجیحی در تراکم‌هایی که بسیار بیشتر از تراکم ذخیره‌سازی بیان شده در مبنای هر واحد مساحت استخر هستند، بیش از حد ازدحام کنند.
جریان آشفته(متلاطم) در واسطه رسوب – آب را می‌توان بر حسب تنش برشی کف‌زی شرح داد که نیروی اعمال شده توسط جریآن‌های آب را به فرسایش یا رسوب‌گذاری براساس تراکم ذره مرتبط می‌سازد. ذرات سبک‌تر در تنش برشی کف‌زی پایین معلق میشوند و ذرات سنگین‌تر در تنش برشی کف‌زی بیشتر معلق میشوند. فرسایش لجن در نواحی استخر با تنش برشی کف‌زی بیش از ۰,۰۳ نیوتن بر مترمربع رخ می‌دهد و رسوب ذرات ریز در نواحی دارای تنش برشی کف‌زی کمتر از ۰,۰۰۳ نیوتن بر مترمربع رخ می‌دهد(پترسون، ۱۹۹۹). براساس تنش برشی کف‌زی انواع ذره با یک تراکم مشخص، نواحی رسوب متمایز را می‌توان ترسیم کرد(جدول ۹.۱۶). تنش برشی کف‌زی متوسط بین ۰,۰۰۳ و ۰,۰۳ نیوتن بر مترمربع (معادل یک سرعت کف ۴ تا ۱۲ سانتی‌متر بر ثانیه) بهینه تلقی می‌شود و ۰,۰۰۱ تا ۰,۰۱ نیوتن بر مترمربع (۲ تا ۸ سانتی‌متر بر ثانیه) ایده‌آل تلقی می‌شود(پترسون، ۱۹۹۹؛ پترسون و همکاران، ۲۰۰۱). تاثیر چیدمآن‌های مختلف هواده‌ها در توزیع نواحی با تنش برشی کف‌زی مختلف در جدول ۹.۱۴ نشان داده شده‌است.
جدول ۹.۱۶. یک طرح طبقه‌بندی برای نواحی استخر خشکی براساس تنش برشی کف‌زی
| دامنه سرعت آب پایین (cm⁄s) | دامنه تنش برشی کفی (N⁄m2) | نوع ذرات |
| ۳۰ | ۰.۱-۲.۳ | شن |
| ۱۲-۲۵ | ۰.۰۳-۰.۱ | سیل |
| ۸-۱۲ | ۰.۰۱-۰.۰۳ | خاک رس |
| ۴-۸ | ۰.۰۰۳-۰.۰۱ | خوراک |
| ۲-۴ | ۰.۰۰۱-۰.۰۰۳ | سلول‌های جلبک |
| ۰-۲ | ۰-۰.۰۰۱ | مرده |
شنای میگو
شنا یک فعالیت روتین مورد استفاده‌ی میگوها برای جستجوی غذا یا نواحی استخر با شرایط ترجیحی است. میگو سراسیمه به سمت جریآن‌های آب(جهت‌گیری مثبت) حرکت می‌کند. میگوها با حرکات موج‌دار پنج جفت پای شنا که به شکم متصل هستند، شنا می‌کنند. فراوانی ضربات پاهای شنا مستقیماً به سرعت جریان ارتباط دارد(ژانگ و همکاران، ۲۰۰۶). حفظ حالت شنا مستلزم انرژی زیادی است و سطوح گلوکز و پروتئین در همولنف به سرعت تخلیه میشوند، اگر میگوها مجبور باشند تا زمان خستگی شنا کنند(لی و همکاران، ۲۰۱۸؛ ژانگ و همکاران، ۲۰۰۶). دوام شنای میگوی سفید غربی به دما و شوری بستگی دارد و ماکزیمم دوام در ۲۱ درجه سانتی‌گراد و ۲۸ ppt است(ژانگ و همکاران، ۲۰۰۷).
سرعت شنای بحرانی[۱۳] شاخصی است که ماکزیمم سرعت شنا که می‌تواند توسط میگو حفظ شود را تخمین می‌زند. این سرعت تحت تاثیر دما، شوری، طول بدن و گرسنگی قرار دارد(یو و همکاران، ۲۰۱۰). برای میگوی سفید غربی بین ۵,۵ و ۱۰ سانتی‌متر(۱ تا ۵ گرم)، Ucrit نسبی حدود ۴ تا ۵ طول بدن در ثانیه‌است، و Ucrit نسبی بیشتر در وزن‌های بدن کوچکتر رخ می‌دهد. در شوری بهینه، Ucrit حدود ۴۳ سانتی‌متر بر ثانیه‌است. میگوی سفید غربی می‌تواند موقعیت خود در جریآن‌های آب تا ۱۱,۵ سانتی‌متر بر ثانیه را حفظ کند(ژانگ و همکاران، ۲۰۰۶)، اما قادر به شنا به مدت ۲۰۰ دقیقه در سرعت جریان ۱۵ سانتی‌متر بر ثانیه نیستند(لی و همکاران، ۲۰۱۸).
از نقطه نظر هیدرودینامیک استخرهای نیمه متراکم، شنای میگوها توسط جریآن‌های آب محدود نمی‌شود، زیرا جریآن‌ها پایین هستند، به استثنای نواحی تاثیر نزدیک هواده‌های ایزوله شده. با این وجود، هوادهی متراکم استخرهای متراکم و فوق متراکم می‌تواند جریآن‌های آب قوی و در برخی موارد پیوسته، را براساس تعداد، نوع، چینش و برنامه زمانی عملیات هواده‌ها ایجاد کند. در نواحی جریان بالا، غلظت اکسیژن محلول خوب است، اما میگوها باید انرژی قابل توجهی را صرف حفظ موقعیت خود کنند. در نواحی جریان پایین ترجیحی برای میگوها، غلظت اکسیژن محلول ممکن است کم باشد و ازدحام ممکن است حساسیت به اثرات کم اکسیژنی و هم‌نوع‌خواری را افزایش دهد. برای میگوهای ۱۰ تا ۲۰ گرمی، سرعت کف کمتر از ۵ سانتی‌متر بر ثانیه در اولویت است(ویجسکارا و همکاران، ۲۰۰۵). از نواحی استخر با جریآن‌های بالا(بیش از ۱۵ سانتی‌متر بر ثانیه) و جریآن‌های پایین(کمتر از ۳ سانتی‌متر بر ثانیه) دوری می‌شود، و میگوها مجبور به تجمع در مناطقی میشوند که نسبتی جزئی از کل مساحت کف استخر به شمار می‌رود. برای میگوها، توازنی بین سرعت شنای ترجیحی و غلظت‌های اکسیژن محلول که پتانسیل رشد را به حداکثر می‌رسانند برقرار است.
پیشرفت‌های اخیر
بسیاری از مسائل مطرح شده در این بخش از طریق تغییرات در طراحی استخر و عملیات بررسی شده‌اند. نخست اینکه، با روند استخرهای همیشه کوچکتر که هم‌زمان با آن تولید افزایش یافته‌است، استخرهای کوچکتر از ۰,۵ هکتار امروزه با لایه‌های پلاستیکی ساخته میشوند. این بخش به مشکلات فرسایش خاک ناشی از جریآن‌های هواده و نیاز به بازسازی کف استخرها از طریق حذف تپه رسوب مرکزی یا بازیابی پروفایل‌های خاک‌ریز بین چرخه‌های محصول پرداخته‌است. دوم اینکه، استخرهای میگوی متراکم مدرن با یک مخروط مرکزی ساخته میشوند که برداشت مواد ته‌نشین شده در ناحیه مرکزی راکد استخر را تسهیل می‌بخشد.
فناوری بیوفلاک یک رویکرد جایگزین برای پرداختن به انباشت لجن در ناحیه مرکزی استخرهای لایه‌دار است. هوادهی مازاد تامین شده و به سمت تپه لجن برای تعلیق مجدد آن هدایت می‌شود. چنین استخرهایی معمولاً با نرخ‌های پایین تعویض آب و نرخ‌های هوادهی بسیار بالا کار می‌کنند. هوادهی متراکم در سیستم‌های بیوفلاک نواحی سرعت جریان بیش از حد را ایجاد می‌کند که میگوها را به سمت پناهگاه‌های سرعت پایین هدایت می‌کند.
دیگر تکنیک جدید هوادهی و گردش، ترکیب هوادهی LAPW و پراکنده است. خطوط یا شبکه‌های لوله‌های پخش‌کننده نزدیک کف استخر، جریآن‌های بالارونده‌ای را ایجاد می‌کنند که ماده آلی را معلق نگه می‌دارد. هواده‌های LAPW جریآن‌های دایره‌ای را ایجاد می‌کنند که ماده معلق را به سمت ناحیه مرکز راکد انتقال می‌دهند، جایی که ماده می‌تواند در مخروط‌های مرکزی جمع شده و به بیرون پمپاژ شود. جریآن‌های بالارونده ایجاد شده توسط پخش‌کننده‌ها می‌توانند با ایجاد جریآن‌های دایره‌ای توسط چرخ‌های پاروئی تداخل داشته‌باشند.
توازن‌هایی در انتخاب یک سرعت جریان بهینه وجود دارد. ماکزیمم سرعت جریان دیگر توسط فرسایش خاک محدود نمی‌شود، بلکه به واسطه تحمل فیزیولوژیکی میگو(کمتر از ۱۵ سانتی‌متر بر ثانیه) محدود می‌ماند. مینیمم سرعت جریان مانع از ایجاد نواحی وسیع رسوب می‌شود. میگوها آب آرام و نسبتاً راکد(کمتر از ۵ سانتی‌متر بر ثانیه) را ترجیح می‌دهند، اما این نواحی استخرها برای ذرات آلی مانند بیوفلاک‌ها رسوبی هستند. از نقطه نظر هیدرودینامیک، استخر میگوی متراکم ایده‌آل دارای یک میدان جریان همگن است که از سرعت جریان ۵ تا ۱۰ سانتی‌متر بر ثانیه برای مزیت ماکزیمم فراتر نمی‌رود.
مروری کلی
تقریباً تمامی میگوهای پنائیده در استخرهای خشکی در نواحی ساحلی مناطق اقلیم گرمسیری و نیمه گرمسیری در اطراف جهان در آب‌های دارای دامنه شوری وسیع، از آب شیرین گرفته تا فوق شور، پرورش می‌یابند. تامین اکسیژن محلول یک سرویس اکوسیستم حیاتی تامین شده توسط استخرهای آبزی‌پروری برای پشتیبانی از تولید میگو به شمار می‌رود. در تمامی انواع آبزی‌پروری‌های تغذیه شده، اکسیژن محلول یک عامل محدودکننده بنیادین است که بر ظرفیت تولید تاثیر می‌گذارد.
فرایندهایی که اکسیژن را در استخرهای میگو تولید و مصرف می‌کنند عبارتند از(۱) فتوسنتز توسط فیتوپلاکنتون‌ها، (۲) تنفس توسط جلبک‌ها و باکتری‌های معلق در ستون آب، (۳) SOD، (۴) تنفس میگو، و(۵) انتقال گاز هوا – آب. اهمیت نسبی هر مورد بر حسب شدت تولید متفاوت است و فتوسنتز و تنفس توسط فیتوپلانکتون بعنوان فرایندهای اصلی در استخرهای نیمه متراکم به شمار می‌روند. اهمیت نسبی تنفس میگو با شدت تولید افزایش می‌یابد. تنفس میگو تحت تاثیر اندازه بدن، سطح فعالیت، و وضعیت پوست‌اندازی و هم‌چنین دما و اکسیژن محلول و غلظت دی اکسید کربن قرار دارد.
میگوهای پنائیده سازگاری‌های رفتاری فیزیولوژیکی متعددی را برای مقابله با تامین اکسیژن محدود توسعه داده‌اند، از جمله آبشش‌های دندروبرانشیت و هموسیانین بعنوان پروتئین انتقال اکسیژن، و اقدامات رفتاری مختلفی که فشار جزئی اکسیژن در همولنف را افزایش می‌دهند. پتانسیل رشد میگو در غلظت اکسیژن محلول ۶ میلی‌گرم بر لیتر به حداکثر می‌رسد. میگوها می‌توانند مواجهه مکرر کوتاه مدت با کم اکسیژنی را تحمل کنند. با این وجود، مواجهه با کم اکسیژنی اشتها را کاهش داده و بر تخصیص انرژی برای رشد و سایر فرایندهای متابولیک تاثیر می‌گذارد. کم اکسیژنی عملکرد بخش‌های مختلف سیستم ایمنی ذاتی میگو که بر مقاومت در برابر بیماری تاثیرگذار هستند را کاهش می‌دهد. زمانی که مینیمم غلظت اکسیژن محلول کمتر از ۲ میلی‌گرم بر لیتر است، بقا به طرز معناداری کمتر است. عوامل موثر بر شدت پاسخ به کم اکسیژنی شامل این موارد است: (۱) تغییرات در ساختار و عملکرد آبشش، (۲) مواد(مانند نیتریت، کربن دی اکسید) که ظرفیت پیوند اکسیژنی هموسیانین را کاهش می‌دهند، (۳) مواد(مانند سولفید) که ظرفیت بافت‌ها برای مصرف اکسیژن را کاهش می‌دهند، و(۴) شرایطی که تقاضای اکسیژن متابولیک میگو را افزایش می‌دهند(مانند پوست‌اندازی).
شدت تولید میگو حداقل تا دو مرتبه بزرگی از ۰,۵ تن بر هکتار در هر محصول برای سیستم‌های گسترده تا بیش از ۵۰ تن بر هکتار برای سیستم‌های فوق متراکم متغیر است. در استخرهای گسترده، تعویض آب جزر و مدی، ابزار مدیریت اصلی برای اجتناب از ایستایی استخر و اپیزودهای کم اکسیژنی است. تعویض آب با استفاده از آب پمپاژ شده از منابع سطحی آب، ابزار اصلی مدیریت اکسیژن محلول در پرورش میگوی نیمه متراکم است. سیستم‌های متراکم و فوق متراکم به نرخ‌های بالاتر هوادهی برای پشتیبانی از سطوح بالاتر تولید میگوی بستگی دارند. هواده‌های چرخ پاروئی(۱ تا ۳ اسب بخار)، رایج‌ترین نوع هواده مورد استفاده در پرورش میگو هستند. هواده‌های LAPW امروزه بصورت گسترده در استخرهای متراکم به کار می‌روند. در استخرهای فوق متراکم، ترکیب دستگاه‌های هواده به کار گرفته می‌شود، از جمله هواده‌های چرخ پاروئی، هواده‌های پراکنده و تزریق‌کننده‌های ونتوری.
تقاضای اکسیژن غذایی شامل مولفه‌های برای تنفس میگو، اکسیژن مورد نیاز برای اکسیده کردن ماده آلی تولید شده از غذا، و اکسیژن مورد نیاز برای پشتیبانی از نیتریفیکاسیون آمونیاک دفع شده‌است. تلاش‌ها برای محاسبه نیازمندی‌های هوادهی براساس نرخ تنفس کل غیرقابل اطمینان هستند و رویدادهای فاجعه‌بار بالقوه مانند مرگ فیتوپلانکتون که باعث تخلیه سریع اکسیژن محلول می‌شود را مدنظر قرار نمی‌دهند. یک رابطه تجربی بین ظرفیت هوادهی نصب‌شده و زیست توده میگو بصورت گسترده در سیستم‌های متراکم و فوق متراکم به کار می‌روند: ۱ اسب بخار هوادهی می‌تواند از ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم میگو یا ۱ اسب بخار هوادهی می‌تواند از افزایش روزانه نرخ تغذیه ۱۰ تا ۱۵ کیلوگرم بر هکتار پشتیبانی می‌کنند.
انرژی مصرفی در هوادهی می‌تواند برحسب کارایی هوادهی دستگاه انتخاب شده، نوع منبع توان، نوع سوخت، و پیکربندی رانش‌گر متفاوت باشد. جانمائی هواده‌ها بر نسبت مساحت کف استخر که می‌تواند بعنوان زیستگاه میگو به کار برود تاثیرگذار است. جریآن‌های آب ناشی از هواده‌ها، کاربردهایی برای شنای میگو، ماندگاری و فرسایش و رسوب‌گذاری خاک استخر و ماده آلی پسماند دارند.
روندها و چشم‌انداز
یک روند آشکار از زمان انتقال از پرورش میگوی ببری سیاه به میگوی سفید غربی بعنوان گونه‌های غالب، افزایش و تشدید تولید همراه با هوادهی مکانیکی بوده‌است. برآورد می‌شود که حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد تولید میگوی پرورشی برگرفته از استخرهای هوادهی شده است(بوید و مک نوین، ۲۰۱۸). به تازگی، عمدتاً در پاسخ به نگرانی‌ها درخصوص امنیت زیستی، مزارع تعویض آب را با منابع خارجی آب کاهش و گردش داخلی را افزایش داده‌اند.
زمانی که اندازه استخرها کاهش یافت، پرورش‌دهندگان مزرعه را به استخرهایی با کارکردهای مختلف تقسیم کردند: برخی استخرها برای پرورش میگو به کار می‌روند و برخی دیگر به تصفیه پسماند اختصاص می‌یابند. پس، تقاضای اکسیژن پسماندهای آلی و نیتروژن‌دار را می‌توان به استخرهای تصفیه منتقل کرد. در چینش استخرها و حرکت آب به این شیوه، بیشتر اکسیژن تامین شده، توسط هوادهی استخرهای تولید میگو را می‌توان برای پشتیبانی از محصولات میگو مورد استفاده قرار داد و بصورت نسبی اکسیژن کمتری برای پاسخ به تقاضای تنفسی فیتوپلانکتون‌ها و باکتری‌ها مصرف می‌شود. اکسیژن لازم برای تقاضای تنفسی تجزیه ماده آلی را می‌توان با اکسیژن تامین شده توسط فتوسنتز در استخرهای اختصاصی تصفیه پسماند برآورده ساخت. استخرهای تخصیص یافته برای ته‌نشینی ماده آلی جمع‌آوری شده در استخرهای مرکزی معمولاً با شرایط غیرهوازی کار می‌کنند. برخی استخرهای تصفیه بعنوان استخرهای اختیاری کار می‌کنند که در آن‌ها عدم وجود اکسیژن برای ارتقای دنیتریفیکاسیون و بازیابی قلیائیت مطلوب است. استخرهای اکسیداسیون با شوری مجاز اغلب شامل گونه‌های ماهی تغذیه کننده فیلتر مانند تیلاپیلا یا شاه ماهی برای خوردن سیانوباکتری‌های نامطلوب و تثبیت کیفیت آب هستند.
ویژگی دیگر استخرهای میگوی متراکم، پوشش جزئی با سایبان پارچه‌ای برای به حداقل رساندن فعالیت فیتوپلانکتون و ارتقای فعالیت باکتریایی است. این امر می‌تواند پایداری کیفیت آب را با کاهش نوسان در غلظت اکسیژن محلول ناشی از فتوسنتز و تنفس توسط فیتوپلانکتون‌ها افزایش دهد. به طور کلی، روند اصلی، تقسیم سیستم تولید میگو به فرایندهای واحد رشد باز، ته‌نشینی و تصفیه جامدات، نیتریفیکاسیون و اکسیداسیون بوده‌است. به این ترتیب، آب را می‌تواند مجدد مورد استفاده قرار داد و امنیت زیستی خوبی را برقرار ساخت.
مزارع پرورش میگوی متراکم مدرن غالباً به‌استفاده از هواده‌های LAPW و چرخ پاروئی سبک آسیایی ادامه می‌دهند. هواده‌های ونتوری نیز به کار می‌روند، اما معمولاً برای کاربردهای خاصی مانند هوادهی نواحی آب عمیق و تسهیل انباشت جامدات در مرکز استخر. تزریق‌کننده‌های ونتوری و سیستم‌های هوادهی پراکنده امروز بیش از پیش در استخرهای فوق متراکم مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این مسئله تاحدودی گیج‌کننده است که چرا پرورش‌دهندگان میگو، طراحی‌های هواده کارآمدتری مانند هواده‌های استخر گربه‌ماهیان ساخت ایالات متحده که با استفاده از معیارهای طراحی توسعه یافته در طی تحقیقات بر روی بهینه‌سازی نرخ انتقال اکسیژن و کارایی هواده ساخته شده‌اند، اتخاذ نکرده‌اند. چنین هواده‌هایی گران‌تر از هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی هستند. با این وجود، هزینه سرمایه‌گذاری یک هواده تنها بخشی از هزینه هوادهی است. باید راجع به کارایی انتقال اکسیژن، عمر سرویس، و هزینه نگهداری هواده‌ها اندیشید. مزایای بلند مدت کیفیت بالاتر، کارایی بیشتر، عمر سرویس طولانی‌تر، و نگهداری کمتر به ندرت مدنظر قرار می‌گیرند و به نظر می‌رسد که هزینه‌ی هواده نکته برجسته‌تر بوده‌است. به نظر می‌رسد که هواده‌های چرخ پاروئی سبک آسیایی بعنوان یک آیتم مصرفی به جای تجهیزات سرمایه تلقی میشوند، و کهنگی به هزینه نسبتاً پایین آن‌ها ارتباط یافته‌است.
همان‌گونه که در بخش مربوط به نسبت ظرفت هوادهی نصب‌شده به زیست توده میگو ذکر شد، بسیاری از پرورش‌دهندگان میگو قادر به دستیابی به معیار ۴۰۰ تا ۵۰۰ کیلوگرم بر اسب بخار نیستند که نشان می‌دهد برخی استخرها بیش از حد هوادهی میشوند. بیشتر پرورش‌دهندگان میگو فاقد معیارهای اکسیژن محلول برای پایش غلظت اکسیژن محلول در استخرهای خود هستند. لذا، با توجه به ارزش بالای یک محصول میگو، پرورش‌دهندگان از تجربه عملی خود در اتخاذ تصمیمات راجع به مقدار ظرفیت هوادهی برای نصب و زمان بهره‌برداری از تجهیزات هوادهی استفاده می‌کنند. استفاده از حس‌گرهای خودکار اکسیژن محلول برای پایش استخرها و بهره‌برداری از سیستم‌های هوادهی امیدوارکننده است، اما هنوز برای بیشتر پرورش‌دهندگان مقرون به صرفه نیست. زمانی که سیستم تولید استانداردسازی می‌شود، از جمله طراحی استخر، تراکم ذخیره‌سازی و مدیریت تغذیه، آنگاه پروتکل‌های استاندارد برای هوادهی را می‌توان به کمک سیستم‌های پایش پیوسته یا دستی تدوین کرد.
اگرچه دانش و تجربه‌ی قابل توجهی درخصوص مدیریت اکسیژن محلول و استفاده از هوادهی در استخرهای میگو وجود دارد، اما دامنه‌ی محسوسی برای افزایش تولید در استخرهای موجود با به کارگیری آن چیزی که شناخته شده‌است وجود دارد. کارهای بیشتری برای درک نحوه‌ی متعادل ساختن انتقال اکسیژن با گردش آب و هم‌چنین یادگیری بیشتر راجع به موثرترین روش‌های جانمائی هواده و کاهش مصرف انرژی برای افزایش کارایی تولید مورد نیاز است.
منابع و مراجع
تعداد بازدید: ۱
لینک کوتاه: کپی کن!
