1. نظرة عامة على أنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها (RAS)
(1) خصائص أنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها
تعد أنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها (RAS) نموذجًا جديدًا لتربية الأحياء المائية تم تطويره على أساس تربية الأحياء المائية المكثفة، والتي تتميز بإعادة تدوير وإعادة استخدام مياه الاستزراع. بالإضافة إلى مزايا الاستزراع المائي المكثف التقليدي، يقدم نظام RAS فوائد كبيرة في معالجة مياه الصرف الصحي، وتقليل استهلاك المياه، وتقليل تصريف النفايات السائلة. من خلال التصميم الأمثل لنظام إمدادات المياه والتشغيل المنسق للعديد من المرافق والأجهزة، تمكن RAS من إعادة التدوير المتكرر لحجم مياه المزرعة بالكامل. وبالمقارنة مع تربية الأحياء المائية التقليدية المكثفة، فإنها تتفوق من حيث كفاءة استخدام الطاقة للتحكم في درجة الحرارة، وتخفيف التلوث البيئي، والوقاية من الأمراض ومكافحتها.
تتطلب RAS الاستخدام المتكامل لمجموعة شاملة من مرافق تنقية ومعالجة المياه. يتضمن تصميم عملياتهم تطبيق تخصصات وتقنيات صناعية متعددة، بما في ذلك ميكانيكا الموائع، وعلم الأحياء، والهندسة الميكانيكية، والإلكترونيات، والكيمياء، وتكنولوجيا المعلومات الآلية. يمكن لنظام -RAS المصمم جيدًا تحقيق التحكم الكامل في معلمات جودة المياه مثل درجة الحرارة والأكسجين المذاب والمواد المغذية، وتحت أي ظرف من الظروف، يمكن إعادة استخدام أكثر من 90% من مياه النظام من خلال إعادة التدوير.
(2) جوهر ومزايا RAS
يكمن جوهر أنظمة إعادة تدوير تربية الأحياء المائية (RAS) في دعم وتحسين إنتاج تربية الأحياء المائية من خلال الأساليب الصناعية والحديثة. من خلال تمكين -تنظيم العملية الكاملة للبيئة المائية، يمكن لـ RAS التغلب جزئيًا على القيود الخارجية مثل درجة الحرارة وتوافر المياه والمساحة، وبالتالي تحقيق إنتاج مستمر على دفعات متعددة-على مدار العام-. وهذا يسمح بالزراعة-في غير موسمها والدخول المتدرج إلى السوق، مما يوفر للمنتجين ميزة تنافسية وعوائد اقتصادية أعلى.
(3) كفاءة الإنتاج واستخدام الموارد
يرتبط الأداء الإنتاجي الممتاز لـ RAS ارتباطًا وثيقًا بخصائصه التي تتميز بقدرة عالية على التحكم وكفاءة في استخدام الموارد. على أساس مائي لكل -وحدة-، يكون إنتاج المنتجات المائية في RAS أعلى بنسبة 3-5 مرات من التدفق التقليدي-من خلال تربية الأحياء المائية المكثفة و8-10 مرات أعلى من تربية الأحياء المائية في الأحواض، بينما تزيد معدلات البقاء على قيد الحياة بأكثر من 10%. علاوة على ذلك، انخفض استخدام الأدوية البيطرية والعوامل الكيميائية بنسبة 60% تقريبًا. تضمن هذه التحسينات الشاملة في مؤشرات الأداء الفوائد الاقتصادية والبيئية لـ RAS.
(4) معالجة المياه وتكامل النظام
في RAS، تخضع مياه الاستزراع لسلسلة من المعالجات، بما في ذلك الترشيح الفيزيائي، والتنقية البيولوجية، والتعقيم والتطهير، وإزالة الغازات، والأكسجين، مما يسمح بإعادة الاستخدام الكامل أو الجزئي للمياه. وفي الوقت نفسه، يمكن دمج تحسين بيئة الاستزراع مع المعدات الآلية مثل وحدات التغذية الأوتوماتيكية، مما يتيح درجة من الأتمتة والإدارة الذكية.
(5) الأسس التكنولوجية والميزات الرئيسية
تدمج RAS تقنيات متقدمة من هندسة مصايد الأسماك، والمعدات الميكانيكية، والمواد الجديدة -الصديقة للبيئة، والتنظيم البيئي الدقيق، والإدارة الرقمية. نظرًا لبيئة الإنتاج التي يتم التحكم فيها بشكل كامل، والتي تتأثر إلى الحد الأدنى بالظروف الخارجية، تظهر RAS مزايا كبيرة بما في ذلك الحفاظ على المياه والأراضي، وانخفاض الطلب على الطاقة لتنظيم درجة الحرارة، وظروف التربية المستقرة، ومعدلات النمو المتسارعة، وكثافات التخزين العالية، وإنتاج منتجات-صديقة للبيئة وخالية من التلوث-. على هذا النحو، تعتبر RAS "النموذج الواعد لتربية الأحياء المائية واتجاه الاستثمار في القرن الحادي والعشرين".
(6) التطوير والتطبيق في الصين
حتى الآن، تم تصميم وإنشاء أكثر من 900 -منشأة RAS كبيرة الحجم في الصين، والتي تغطي المقاطعات الساحلية الرئيسية بالإضافة إلى المناطق الداخلية، وتمتد حتى إلى شينجيانغ. وقد تم تسويق هذه الأنظمة، التي تشمل التطبيقات البحرية وتطبيقات المياه العذبة، تجاريًا بنجاح، مما حقق أهداف الإنتاج المتوقعة وأظهر أداء تشغيليًا ممتازًا. تؤكد ممارسات الإنتاج أن نظام RAS لا يوفر إنتاجية فائقة ومزايا بيئية فحسب، بل يحقق أيضًا تكاليف إنتاج أقل بكثير لكل وحدة إنتاجية مقارنة بنماذج تربية الأحياء المائية الأخرى.
2. العمليات والتقنيات الرئيسية لأنظمة إعادة تدوير تربية الأحياء المائية (RAS)
تستخدم أنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها (RAS) على نطاق واسع معدات وتقنيات الهندسة الصناعية. وتتكون عادةً من وحدات معالجة ومرافق لإزالة الجسيمات الصلبة؛ إزالة الجزيئات العالقة والمواد العضوية القابلة للذوبان. التخلص من الأملاح غير العضوية القابلة للذوبان السامة والضارة مثل الأمونيا والنتريت؛ مكافحة مسببات الأمراض؛ إزالة ثاني أكسيد الكربون من عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية والكائنات الحية الدقيقة المستزرعة؛ مكملات الأكسجين؛ وتنظيم درجة الحرارة. وتشمل العمليات التقنية المستخدمة العزل الحراري والتحكم في درجة الحرارة، وإزالة الجسيمات الصلبة، وإزالة النيتروجين والفوسفور غير العضوي القابل للذوبان، والتطهير والتعقيم، وكذلك الأوكسجين.
(1) ميزات الإنتاج الصناعي والمكثف
كما يعمل نظام RAS على تعزيز الخصائص المكثفة لتربية الأحياء المائية الصناعية، مما يوفر كفاءة إنتاجية عالية ومساحة صغيرة لشغل الأراضي، مع التغلب على القيود المفروضة على موارد الأراضي والمياه. وباعتباره نموذجًا زراعيًا عالي-مدخلًا و{2}}عاليًا وكثافة-عاليًا وعالي الكفاءة-، يتوافق RAS مع أهداف الصين الشاملة للحضارة البيئية واستراتيجيات التنمية المستدامة.
(2) الأهمية البيئية والاستراتيجية
بفضل ميزاته المكثفة والفعالة-الموفرة للطاقة، وخفض الانبعاثات-، والصديقة للبيئة، أصبح RAS اتجاهًا مهمًا لتحويل تربية الأحياء المائية وتطويرها في الصين نحو تنمية منخفضة-من الكربون والتنمية الخضراء. لعدة سنوات متتالية، تم إدراج RAS من قبل وزارة الزراعة والشؤون الريفية في الصين باعتبارها تكنولوجيا تربية الأحياء المائية الرئيسية الموصى بها.
(3) التطور والاتجاهات الحالية
في الوقت الحاضر، حصل هذا النموذج على اعتراف واسع النطاق من كل من الأوساط الأكاديمية والصناعة في الصين. وقد تزايد حجم بناء النظام الجديد والقدرة الاستزراعية الإجمالية بشكل مطرد في السنوات الأخيرة، مما يجعل RAS أحد اتجاهات التنمية المستقبلية الرئيسية لصناعة تربية الأحياء المائية في الصين.
3. نظرة عامة على البحث والتصنيع لأنظمة تربية الأحياء المائية المعاد تدويرها (RAS)
(1) البحث والتصنيع الدولي
البحث والتطوير المبكر
ظهر أول نظام للاستزراع المائي التدويري (RAS) في اليابان خلال الخمسينيات من القرن الماضي. وفي وقت لاحق، بدأت العديد من البلدان إجراء أبحاث حول تقنيات معالجة المياه وتربية الأحياء المائية في RAS. في البداية، اعتمدت هذه الدراسات على عمليات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية وأنظمة حوض السمك- (بكثافة استزراع تبلغ 0.16-0.48 كجم/م³ فقط). ومع ذلك، فإن هذه الأساليب لم تأخذ في الاعتبار المتطلبات الفريدة لتربية الأحياء المائية التجارية-لا سيما فيما يتعلق بتكاليف النظام، واستخدام الموارد، والنسبة بين أحجام مياه الاستزراع ومياه التنقية، والقدرة الاستيعابية للنظام (عادةً 50-300 كجم/م³). ونتيجة لذلك، واجهت الجهود البحثية العديد من النكسات، واستهلكت كميات كبيرة من الموارد، وتقدمت ببطء.
التعرف على الخصائص الديناميكية
أغفلت الدراسات المبكرة أيضًا سمة مهمة لـ RAS: طبيعتها الديناميكية. يجب أن تصل معدلات إنتاج وتحلل النفايات الأيضية للأسماك إلى التوازن الديناميكي حتى يظل النظام مستقرًا وصحيًا. بحلول منتصف-الثمانينات من القرن العشرين، ومع الفهم المتزايد لمعايير جودة المياه-مثل الرقم الهيدروجيني، والأكسجين المذاب (DO)، والنيتروجين الكلي (TN)، والنترات (NO₃⁻)، والطلب على الأكسجين الكيميائي الحيوي (BOD)، والطلب على الأكسجين الكيميائي (COD) - وأنماط تباينها في مياه تربية الأحياء المائية، تم دمج هذه التغييرات الديناميكية تدريجيًا في تصميم النظام. على سبيل المثال، يمكن تصحيح نقص الأكسجين بسرعة عن طريق التهوية، ولكن استجابة البكتيريا الآزوتية لتركيزات الأمونيا المرتفعة غالبا ما تتأخر بشكل كبير. وهكذا، أصبحت المعرفة الأعمق بالعوامل المقيدة المتفاعلة ذات أهمية متزايدة لتصميم النظام وتشغيله بشكل فعال.
التحديات في الممارسات المبكرة
يتمتع العديد من ممارسي تربية الأحياء المائية بالخبرة في مجال التدفق-من خلال الأنظمة المكثفة ولكنهم يفتقرون إلى المعرفة بتشغيل RAS. ونتيجة لذلك، فقد فشلوا في كثير من الأحيان في التحكم بشكل صحيح في كثافة التخزين، وكميات التغذية، وتكرار التغذية، وإدارة جودة المياه، مما أدى إلى اختلال التوازن في تدفق المياه في النظام ودورة المواد والتسبب في نهاية المطاف في فشل التشغيل. وقد انعكس هذا النقص في الفهم العلمي والخبرة الإدارية في مستويات كثافة الاستزراع: حقق RAS على نطاق المختبر -عادةً ما يصل إلى 10-42 كجم/م3 فقط، بينما حافظ -المقياس التجاري المبكر على مستوى منخفض يصل إلى 6.7-7.9 كجم/م3. بعد أكثر من نصف قرن من التقدم التكنولوجي-بما في ذلك تحسين العمليات والتهوية والأكسجين (على سبيل المثال، استخدام الأكسجين السائل)، والتغذية الآلية واختيار الأنواع المناسبة-تغلبت RAS الحديثة على العديد من العوامل المقيدة ويمكنها الآن دعم كثافات استزراع عالية تبلغ 50-300 كجم/م3.
النمو الصناعي والابتكارات التكنولوجية
نظرًا لأن تربية الأحياء المائية التقليدية في الأحواض واجهت الركود بسبب المنافسة على الأراضي والضغوط البيئية، فقد شهدت RAS في أوروبا وأمريكا الشمالية نموًا سريعًا بين الثمانينيات والتسعينيات. كان هذا التوسع الصناعي مصحوبًا بتحسينات تكنولوجية، بما في ذلك استخدام المرشحات المضغوطة وغير المضغوطة- للمواد الصلبة العالقة الكبيرة، والأوزون للتطهير وتحلل المواد العضوية، وتطوير مرشحات بيولوجية متعددة مثل المرشحات المغمورة، والمرشحات المتقطرة، والمرشحات الترددية، والموصلات البيولوجية الدوارة، والمرشحات الحيوية الأسطوانية، ومفاعلات الطبقة المميعة، بالإضافة إلى وحدات إزالة النتروجين اللاهوائية. مع هذه التطورات، نضجت RAS تدريجيًا ودخلت التطبيق التجاري.
حالة الولايات المتحدة
حافظت الولايات المتحدة على مكانتها الرائدة في كل من أبحاث RAS الأساسية والتطبيقية، والتي تغطي مجالات مثل التغذية وعلم وظائف الأعضاء للأنواع المستزرعة بشكل مكثف، والوقاية من الأمراض، وتقنيات معالجة المياه. من السمات الرئيسية لـ US RAS هي الدرجة العالية من الأتمتة والميكنة في مراقبة جودة المياه. تعمل الأنظمة المدعومة بالكمبيوتر تلقائيًا على تنظيم مستويات الأكسجين المذاب ودرجة الحموضة والتوصيل والعكارة والأمونيا، بالإضافة إلى الظروف البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة وشدة الضوء. ومن خلال الاستفادة من قاعدتها الصناعية المتقدمة، اعتمدت الولايات المتحدة على نطاق واسع-معدات عالية التقنية للأكسجين، والتنقية البيولوجية، وإزالة المواد الصلبة، والتصنيف، والحصاد. على سبيل المثال، يشتمل نظام RAS التجريبي الذي طوره مركز التكنولوجيا الحيوية البحرية في جامعة ميريلاند على عمليات معالجة لاهوائية، تشبه إلى حد كبير الأنظمة التي صممتها شركة Aquatec-Solutions في الدنمارك.
4. التحديات والتدابير المضادة لتطوير أنظمة تربية الأحياء المائية الصناعية المعاد تدويرها (RAS)
(1) عدم كفاية التكامل بين المرافق والمعدات
على الرغم من أن معدات معالجة المياه والتغذية الأوتوماتيكية والتطهير والتهوية في الصين قد اقتربت تدريجيا من المستوى المتقدم الدولي، إلا أن تكامل النظام الشامل لا يزال غير كاف. أدى عدم وجود -مؤسسات كبيرة الحجم قادرة على إنتاج مجموعات كاملة من معدات RAS إلى زيادة تكاليف البناء والتعقيد، وبالتالي إعاقة التقدم السريع للمعدات المحلية.
(2) الحاجة إلى تحسين الأعلاف المركبة المتخصصة
في الوقت الحاضر، تعتبر تركيبات الأعلاف المائية في الصين متجانسة للغاية وتفتقر إلى الأعلاف المتخصصة المصممة لـ RAS وأنواع محددة مستزرعة. وهذا يزيد من العبء التشغيلي لأنظمة معالجة المياه ويؤثر على أداء الزراعة. من الضروري تطوير خلاصات RAS-لأنواع محددة مع تغذية متوازنة بشكل جيد، ومعدلات ترشيح منخفضة، ونسب تحويل تغذية مناسبة.
(3) تتطلب الوقاية من الأمراض ومكافحتها دقة أكبر
تزيد الكثافة-والزراعة العالية-الفعالية من خطر تفشي الأمراض بمجرد حدوث خلل في توازن النظام، وصعوبة القضاء على مسببات الأمراض في الأنظمة المغلقة. يجب تحسين تحسين النظام لتحسين قدرة التخزين المؤقت، في حين يجب أن يركز البحث على فسيولوجيا الأسماك، واستجابات الإجهاد، ومؤشرات المرض المبكرة، وآليات التحذير-الفعالة من المرض.
(4) الضغط الكبير لاستهلاك الطاقة وخفض التكلفة
يعد ارتفاع الاستثمار الأولي في البناء واستهلاك الطاقة من التحديات التي لا مفر منها لـ RAS. يجب تنفيذ تدابير توفير الطاقة- على مستوى المعدات والنظام، بما في ذلك تطوير مرشحات الطاقة المنخفضة-، وأجهزة إزالة ثاني أكسيد الكربون، وتقنيات معالجة المياه العادمة، وتطبيقات الطاقة المتجددة مثل المضخات الحرارية ذات مصادر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والمياه-.
(5) عدم وجود توحيد في التشغيل والإدارة
حاليًا، لا توجد معايير أو قواعد فنية موحدة لـ RAS في الصين. ونتيجة لذلك، فإن تصميم النظام، وممارسات الإدارة، والأداء الزراعي يتباين بشكل كبير، كما أن حالات الفشل التشغيلي شائعة. ومن الضروري إنشاء إطار فني موحد لتربية الأحياء المائية الصحية، وتحسين معايير العملية والإدارة، وتشجيع المشاريع التجريبية للإنتاج الموحد.
(6) الحاجة إلى تعزيز البحوث الأساسية
لا يزال الفهم العلمي للعديد من الجوانب غير كافٍ، بما في ذلك الحالة الصحية للأنواع المستزرعة تحت كثافة عالية وظروف جودة مياه محددة، والتغيرات الهيكلية للأغشية الحيوية أثناء تشغيل النظام، وآليات تدوير المغذيات، والطرق المثلى لإزالة الجزيئات الصلبة ومعالجتها غير الضارة. وتعوق هذه الثغرات مواصلة تطوير التكنولوجيات والمعدات ذات الصلة.
(7) اتجاهات وفرص التنمية المستقبلية
على الرغم من هذه التحديات، تقدم RAS مزايا كبيرة في كفاءة الإنتاج، والاستدامة البيئية، ورعاية الحيوان. وباعتباره نموذجًا زراعيًا صديقًا للبيئة ودائريًا وفعالاً، فهو يتماشى مع الاتجاهات العالمية نحو التنمية منخفضة-الكربون. ومع تحديث مصايد الأسماك في الصين، وتقدم الحضارة البيئية، وتسريع أهداف الحياد الكربوني، من المتوقع أن تدخل RAS مرحلة جديدة من التطور السريع.