نظام تربية الأحياء المائية الصناعي المعاد تدويره (RAS)، باعتبارها تكنولوجيا تربية الأحياء المائية الناشئة مدفوعة بسياسات مصايد الأسماك الوطنية للمرافق، تحقق التكثيف والكفاءة العالية والاستدامة البيئية في تربية الأحياء المائية من خلال دمج معدات الهندسة الصناعية وتقنيات التحكم البيئي. إنهالمزايا الأساسيةيشمل:إعادة تدوير المياه يوفر أكثر من 90% من المياه، والاستقلال عن القيود الإقليمية والموسمية، والتنظيم الدقيق للعوامل البيئية الرئيسية مثل درجة حرارة الماء والأكسجين المذاب، وتحسين إنتاجية الأراضي بشكل كبير ومعدلات تحويل الأعلاف.. ومن المسلم به أنه اتجاه حاسم للتنمية المستدامة لتربية الأحياء المائية. وتتميز "بالاستثمار العالي، والكثافة العالية، والإنتاج العالي"، كما أن اعتمادها على نطاق واسع مقيد بعوامل مثل الاستثمار الأولي المرتفع (تكاليف المرافق والمعدات) والحواجز الفنية العالية (تأقلم البذور وإدارة جودة المياه).
سمك الماندرين (Siniperca chuatsi)، باعتبارها أحد أنواع تربية الأحياء المائية في المياه العذبة-عالية القيمة، تواجه تحديات في الزراعة التقليدية مثل الأمراض المتكررة، وصعوبة التحكم في جودة المياه، والإنتاجية غير المستقرة. في الوقت الحالي، لا تزال الاحتياطيات الفنية الخاصة بـ RAS الصناعية لأسماك الماندرين غير كافية، ولا سيما الافتقار إلى الممارسة المنهجية في مجالات مثل تحسين عملية الزراعة، وتصميم المعدات المخصصة، وعمليات تنقية المياه. يركز هذا البحث على إعادة التدوير والاستخدام الفعال لموارد المياه، بهدف بناء نظام معدات المعالجة لتربية الأحياء المائية الصناعية القائمة على الأرض لأسماك الماندرين. من خلال تحسين أجهزة تصريف النفايات منخفضة الإزعاج- ودمج تقنية ربط المعدات، يتم إجراء أبحاث تجريبية حول المؤشرات الرئيسية مثل كفاءة تنقية المياه وسعة الحمولة الحيوية-. الهدف هو تطوير حل تقني قابل للتكرار لدعم التطوير عالي الجودة-لصناعة تربية أسماك الماندرين.
1. تدفق عملية تربية الأحياء المائية الصناعية المعاد تدويرها
جوهر نظام RAS الصناعي هو تحقيق التوازن الديناميكي للمياه وإعادة التدوير من خلال عملية حلقة مغلقة -من "ترشيح فيزيائي - تنقية بيولوجية - تطهير وأكسجين". "تربية الأسماك تبدأ برفع المياه"؛ تؤثر المعلمات مثل سرعة تدفق المياه ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة وتركيز نيتروجين الأمونيا ومستوى الأكسجين المذاب بشكل مباشر على بيئة نمو أسماك الماندرين. يتبع تصميم النظام هذا مبدأ "أنظمة صغيرة، وحدات متعددة". منطقه الأساسي هو: يمكن لمعدلات التدفق الأسرع تحسين كفاءة معالجة النظام، وتقليل تكسر نفايات الجسيمات الكبيرة، وتقليل استهلاك طاقة المعالجة اللاحقة؛ تتبع إزالة الملوثات التسلسل "صلب → سائل → غاز"، ويتم تصنيف معالجة النفايات الصلبة بواسطة "حجم جسيم كبير → صغير" حجم الجسيمات"، وعمليات الترشيح والتطهير متصلة بشكل تسلسلي.
كما هو مبين فيالشكل 1، تدفق النظام هو: يخضع الصرف من خزان الاستزراع للمعالجة المسبقة لإزالة النفايات الجسيمية الكبيرة، ويدخل في مراحل الترشيح الخشنة والناعمة لإزالة المواد الصلبة العالقة الدقيقة، ثم يمر عبر مرشح حيوي لتحلل المواد الضارة مثل نيتروجين الأمونيا، وأخيرًا، بعد التطهير والأكسجين، يعود إلى خزان الاستزراع، مما يحقق جودة مياه خاضعة للرقابة وإعادة تدوير المياه طوال العملية.
2. التصميم والأبحاث حول مرافق ومعدات تربية الأحياء المائية لأسماك الماندرين
يعتمد تصميم مرافق تربية الأحياء المائية التقليدية في كثير من الأحيان على الخبرة، مما يؤدي بسهولة إلى عدم كفاءة المعدات وإهدار التكاليف. كما هو مبين فيالشكل 2قامت هذه الدراسة، بناءً على مبدأ توازن الكتلة، ببناء نموذج للقدرة القصوى على تحمل الكتلة الحيوية لأسماك الماندرين. من خلال حساب الحد الأقصى لمعدل التغذية، وإجمالي النفايات، وإنتاج نيتروجين الأمونيا، يتم تحقيق اختيار المعدات العلمية. باستخدام مؤسسة استزراع أسماك Mandarin Fish في جيانغشي كدراسة حالة، كان التركيز على تحسين جهاز تصريف النفايات منخفض الإزعاج ونظام ربط المعدات. يظهر تخطيط ورشة العمل فيالشكل 3. يتم عرض تخطيط منطقة RAS الصناعية-الأرضية لسمك الماندارين فيالشكل 4.
2.1 تصميم معلمة إعادة تدوير المياه
يعد معدل إعادة التدوير أمرًا أساسيًا لتشغيل النظام بكفاءة ويجب تحديده بشكل شامل بناءً على كثافة مخزون أسماك الماندرين وحجم المياه وقدرة معالجة المياه.
صيغة حساب حجم إعادة تدوير المياه:Q = V × N
حيث: Q هو حجم إعادة تدوير المياه (m³/h)؛
V هو حجم المياه الثقافة (م³)؛
N هو عدد مرات إعادة التوزيع في اليوم (مرات/د).
تصميم خزان الثقافة: قطر الخزان الفردي 6 م، الارتفاع 1.2 م، ارتفاع القاع المخروطي 0.3 م.
الحجم المحسوب هو π×3²×1.2 + 1/3×π×3²×0.3 ≈ 33.91 م³، ويبلغ الحجم الفعلي لمياه الاستزراع حوالي 30 م³. تحتوي الورشة الواحدة على 10 خزانات استزراع، إجمالي حجم المياه 300 متر مكعب.
معلمات التشغيل: تم ضبط معدل إعادة التدوير N على 3-5 مرات/يوم؛ يبلغ معدل دوران ماء الماكياج 10% من إجمالي حجم الماء (للتعويض عن خسائر التبخر والتصريف)، ويتم تعديله في الوقت الفعلي من خلال المراقبة عبر الإنترنت.
2.2 تصميم خزان الثقافة وجهاز تفريغ النفايات
كما هو مبين فيالشكل 5، تم تصميم خزان الاستزراع بهدف "التفريغ السريع للنفايات والتوزيع الموحد للمياه"، باستخدام جسم خزان دائري مدمج مع هيكل سفلي مخروطي. يتم تركيب جهاز "مرحاض الأسماك" في الأسفل لتحقيق تصريف منخفض للنفايات-. تم تحسين مرحاض الأسماك على النحو التالي:
- قطر أنبوب الإدخال/الإخراج موحد إلى 200 مم لزيادة سرعة التدفق.
- تعتمد لوحة الغلاف تصميمًا انسيابيًا دوارًا لتعزيز تأثير التنظيف الدوراني على الرواسب السفلية وتحسين القدرة على التنظيف الذاتي.
3. تصميم وأبحاث عملية معالجة الجسيمات الصلبة
تتم معالجة الجسيمات الصلبة حسب تصنيف الحجم باستخدام عملية -ثلاثية المراحل من "المعالجة المسبقة - الترشيح الخشن - الترشيح الدقيق". يتم عرض المعلمات المحددة فيالجدول 1.
3.1 عملية المعالجة المسبقة
يستخدم جهاز تصفية التدفق الرأسي المرتبط بأنظمة الصرف الجانبية-والصرف السفلي- الخاصة بخزان الاستزراع، باستخدام الفصل بالجاذبية لإزالة الجزيئات التي يزيد حجمها عن 100 ميكرومتر أو تساويها. يتم توصيل المستوطن مباشرة بخزان الاستزراع لتقليل خسائر النقل عبر خطوط الأنابيب وتقليل الحمل على مراحل الترشيح اللاحقة.
3.2 عملية الترشيح الخشنة
كما هو مبين فيالشكل 6، تتمحور عملية الترشيح الخشن حول مرشح أسطواني ذو شاشة دقيقة. تتضمن مبادئ التصميم: تحديد موقع المعدات بالقرب من خزانات الاستزراع لتقصير طول خط الأنابيب وتقليل استهلاك الطاقة.
استخدام نظام التحكم PLC لتحقيق الغسيل العكسي التلقائي (4-6 مرات/اليوم)، بالتنسيق مع مراقبة جودة المياه عبر الإنترنت لتعديل المعلمات في الوقت الفعلي.
الاستفادة من تصميم تدفق الجاذبية لتقليل استهلاك طاقة المضخة وخفض تكاليف التشغيل.
3.3 عملية الترشيح الدقيقة
كما هو مبين فيالشكل 7تعمل عملية الترشيح الدقيق على تنقية جودة المياه من خلال العمل التآزري للمرشح الحيوي ومعدات التطهير.
- مرشح حيوي: يحدد وسائط منطقة-سطحية محددة-عالية، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي 1-2 ساعة، ويحافظ على الأكسجين المذاب أكبر من أو يساوي 5 مجم/لتر، ويحلل نيتروجين الأمونيا والنتريت.
- معدات التطهير: معقم بالأشعة فوق البنفسجية (الجرعة 3-5 × 10⁴ μW·s/cm²) أو مولد الأوزون (التركيز 0.1-0.3 مجم/لتر، وقت الاتصال 10-15 دقيقة) لقتل الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض.
- نظام الأوكسجين: جهاز الأكسجين النقي يستخدم مع أجهزة التهوية لضمان استقرار مستويات الأكسجين المذاب.
4. تخطيط خطوط الأنابيب ونظام التحكم
4.1 تصميم تخطيط خطوط الأنابيب
يتم تصنيف خطوط الأنابيب حسب الوظيفة إلى أربعة أنواع: إمدادات المياه، وإعادة التدوير، وتصريف النفايات، والمياه التركيبية. مبادئ التصميم: تحسين التخطيط المتمركز حول خزانات الاستزراع، وتقليل طول الأكواع وخطوط الأنابيب لتقليل فقدان الرأس؛ ضمان التدفق الداخلي والخارجي المتوازن للحفاظ على مستويات المياه المستقرة في خزانات الاستزراع؛ تحتوي أنابيب تصريف النفايات على ميل (أكبر من أو يساوي 3%) لتسهيل تجميع النفايات ذاتيًا-.
4.2 تصميم نظام التحكم
يعتمد النظام بنية حلقة مغلقة- مكونة من "أجهزة الاستشعار - وحدة التحكم -" كما هو موضح فيالشكل 8. تشمل الوظائف الأساسية ما يلي:
- مراقبة جودة المياه-في الوقت الفعلي: جمع البيانات عبر الإنترنت عن طريق أجهزة استشعار الأكسجين المذاب، ودرجة الحموضة، ونيتروجين الأمونيا.
- التحكم في ربط المعدات: الضبط التلقائي للغسيل العكسي بالشاشة الدقيقة، وطاقة الأكسجين، ووقت تشغيل معدات التطهير بناءً على معلمات جودة المياه.
- عيب تحذير: إنذارات مسموعة ومرئية يتم إطلاقها بواسطة معلمات غير طبيعية، ويتم دفعها إلى محطات الإدارة عبر شبكة إيثرنت أو الاتصال اللاسلكي.
5. تحليل بيانات اختبار أداء المعدات
كما هو مبين فيالشكل 9، تم إجراء عملية تجريبية مدتها ستة-أشهر في قاعدة تربية أسماك الماندرين في جيانغشي. ولم يشهد النظام أي خلل في معالجة المياه، وعمل نظام المراقبة والإنذار المبكر بثبات.
لم يتم العثور على أي خلل في معالجة المياه أثناء التطبيق، وعمل نظام المراقبة والإنذار المبكر والتحكم بشكل مستقر. تم استخدام التهوية في أحواض الاستزراع مع التحكم في الأكسجين المذاب أثناء عملية الزراعة. يظهر تقييم أداء المعدات الرئيسية فيالجدول 2.
خلال التجربة، وصلت كثافة التخزين إلى 50-60 سمكة/م3، ومعدل البقاء أكبر من أو يساوي 90%، وزاد معدل النمو بنسبة 20% مقارنة بالاستزراع التقليدي، ووصل معدل إعادة تدوير المياه إلى 92%، مما حقق أهداف توفير الطاقة وخفض الانبعاثات.
6. ملخص
يحقق نظام RAS الصناعي -المرتكز على الأرض لشركة Mandarin Fish أهداف تربية الأحياء المائية المتمثلة في "توفير المياه، والكفاءة العالية، وحماية البيئة" من خلال تكامل التقنيات الذكية الهندسية والقائمة على المنشأة-والرقمية-. تكمن ابتكارات هذا البحث في: تحسين اختيار المعدات بناءً على نموذج القدرة الاستيعابية للكتلة الحيوية لتحسين مطابقة النظام؛ تحسين جهاز تفريغ النفايات منخفض الإزعاج- لتعزيز كفاءة إزالة النفايات؛ بناء نظام التحكم في ربط المعدات لتحقيق تنظيم دقيق لجودة المياه.
ويمكن تعزيز هذا النظام وتطبيقه على استزراع أسماك المياه العذبة الأخرى، مما يوفر مرجعًا فنيًا للتحول المكثف لتربية الأحياء المائية. يحتاج العمل المستقبلي إلى تقليل تكاليف المعدات بشكل أكبر وتحسين أداء المستشعر لزيادة معدل انتشار التكنولوجيا.