نظام الاستزراع المائي المعاد تدويره

تعتمد جميع أنظمة إعادة تدوير المياه في أحواض الأسماك على ^{الترشيح} البيولوجي لتحويل الأمونيا (NH₄⁺ _و NH₃ ₎ التي تفرزها الأسماك إلى نترات . ^{[ 7 ]} تُعد الأمونيا ناتجًا ثانويًا لعملية التمثيل الغذائي للأسماك، وتُعتبر التركيزات العالية منها (>0.02 ملغم/لتر) سامة لمعظم الأسماك. ^{[ 8 ]} البكتيريا المُنتجة للنترجة هي كائنات كيميائية ذاتية التغذية تُحوّل الأمونيا إلى نتريت (NO₂⁻ ₎ ^ثم إلى نترات (NO₃⁻ ₎ ^. تشمل هذه البكتيريا أجناس Nitrobacter و Nitrococcus و Nitrospira و Nitrospina . على الرغم من أن النتريت يتحول عادةً إلى نترات بسرعة إنتاجه، إلا أن عدم الأكسدة البيولوجية للنتريت سيؤدي إلى ارتفاع مستوياته، مما قد يكون سامًا للأسماك. كما تُشير المستويات العالية من النتريت إلى قرب تعطل المرشح البيولوجي. النترات هي المنتج النهائي لعملية النترجة، وهي أقل مركبات النيتروجين سمية، حيث تزيد قيم LC50 للتعرض _لمدة 96 ساعة في المياه العذبة عن 1000 ملغم/لتر. ^{[ 9 ]}  

يُوفّر المرشح الحيوي بيئةً مناسبةً لنمو البكتيريا، مما يؤدي إلى تكوّن طبقة حيوية سميكة داخله. ^{[ 7 ]} يُضخ الماء عبر المرشح، وتستخدم البكتيريا الأمونيا كمصدر للطاقة. في أنظمة إعادة التدوير، تُستخدم عمليات تبديل المياه اليومية عادةً للتحكم في مستويات النيتروجين. يتطلب تشغيل المرشح الحيوي بكفاءة توفير ظروف بيئية مستقرة وصيانة دورية. ^{[ 10 ] [ 6 ]}

بالإضافة إلى معالجة الفضلات السائلة التي تفرزها الأسماك، يجب أيضًا معالجة الفضلات الصلبة، وذلك بتركيزها وغسلها خارج النظام. ^{[ 11 ]} يقلل إزالة المواد الصلبة من نمو البكتيريا، واستهلاك الأكسجين، وانتشار الأمراض. أبسط طريقة لإزالة المواد الصلبة هي إنشاء حوض ترسيب حيث تكون سرعة الماء بطيئة نسبيًا، مما يسمح للجسيمات بالترسب في قاع الحوض، حيث يتم غسلها أو شفطها يدويًا باستخدام سيفون. مع ذلك، لا تُعد هذه الطريقة عمليةً لأنظمة الاستزراع المائي المُعاد تدويرها (RAS) التي تتطلب مساحة صغيرة. تتضمن عملية إزالة المواد الصلبة النموذجية في أنظمة الاستزراع المائي المُعاد تدويرها استخدام مرشح رملي أو مرشح جسيمات، حيث تتراكم المواد الصلبة ويمكن غسلها عكسيًا بشكل دوري. ^{[ 12 ]} هناك طريقة شائعة أخرى وهي استخدام مرشح أسطواني ميكانيكي، حيث يمر الماء فوق شاشة أسطوانية دوارة تُنظف دوريًا بواسطة فوهات رش مضغوطة، ثم تُعالج الرواسب الناتجة أو تُصرف. لإزالة الجزيئات الدقيقة للغاية أو المواد الصلبة الغروية، يمكن استخدام جهاز فصل البروتينات مع أو بدون إضافة الأوزون (O3 ₎ . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

إعادة أكسجة مياه النظام جزء أساسي لتحقيق كثافة إنتاج عالية. تحتاج الأسماك إلى الأكسجين لهضم الطعام والنمو، وكذلك مجتمعات البكتيريا في المرشح البيولوجي. يمكن زيادة مستويات الأكسجين المذاب بطريقتين: التهوية والأكسجة . في التهوية ، يُضخ الهواء عبر حجر هوائي أو جهاز مشابه يُكوّن فقاعات صغيرة في عمود الماء، مما ينتج عنه مساحة سطحية كبيرة حيث يمكن للأكسجين أن يذوب في الماء. عمومًا، نظرًا لبطء معدلات ذوبان الغاز وارتفاع ضغط الهواء اللازم لتكوين الفقاعات الصغيرة، تُعتبر هذه الطريقة غير فعالة، ويتم بدلاً من ذلك أكسجة الماء بضخ الأكسجين النقي. ^{[ 15 ]} تُستخدم طرق مختلفة لضمان ذوبان كل الأكسجين في عمود الماء أثناء الأكسجة. يجب حساب احتياجات الأكسجين للنظام بعناية ومراعاة هذه الاحتياجات، ويجب تلبيتها إما بمعدات الأكسجة أو التهوية. ^{[ 16 ]}

في جميع أنظمة إعادة تدوير المياه، يجب مراقبة درجة الحموضة والتحكم بها بدقة. تستهلك الخطوة الأولى من عملية النترجة في المرشح البيولوجي القلوية ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حموضة النظام. ^{[ 17 ]} يُعد الحفاظ على درجة الحموضة ضمن نطاق مناسب (5.0-9.0 لأنظمة المياه العذبة) أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على صحة كل من الأسماك والمرشح البيولوجي. عادةً ما يتم التحكم في درجة الحموضة بإضافة القلوية على شكل جير (كربونات الكالسيوم ₎ أو هيدروكسيد الصوديوم. يؤدي انخفاض درجة الحموضة إلى ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون المذاب (CO2 ₎ ، والذي قد يكون سامًا للأسماك. ^{[ 18 ]} يمكن أيضًا التحكم في درجة الحموضة عن طريق إزالة ثاني أكسيد الكربون _في عمود معبأ أو باستخدام جهاز تهوية، وهذا ضروري في الأنظمة المكثفة، خاصةً عند استخدام الأكسجة بدلًا من التهوية في الأحواض للحفاظ على مستويات _{الأكسجين} . ^{[ 19 ]}

لكل نوع من أنواع الأسماك درجة حرارة مفضلة، فعند تجاوزها أو انخفاضها، تتعرض الأسماك لتأثيرات صحية سلبية، وقد تؤدي في النهاية إلى نفوقها. تفضل أسماك المياه الدافئة، مثل البلطي والباراموندي ،  درجة حرارة 24 درجة مئوية أو أعلى، بينما تفضل أسماك المياه الباردة، مثل التراوت والسلمون ، درجة حرارة أقل من 16  درجة مئوية. كما تلعب درجة الحرارة دورًا هامًا في تركيز الأكسجين المذاب، حيث ترتبط درجات حرارة الماء المرتفعة بانخفاض تشبع الأكسجين المذاب. ويتم التحكم في درجة الحرارة باستخدام سخانات غاطسة، ومضخات حرارية ، ومبردات ، ومبادلات حرارية . ^{[ 20 ]} ويمكن استخدام هذه الوسائل الأربع للحفاظ على تشغيل النظام عند درجة الحرارة المثلى لزيادة إنتاج الأسماك إلى أقصى حد.

تزداد احتمالية تفشي الأمراض عند التعامل مع كثافة تخزين الأسماك العالية المستخدمة عادةً في أنظمة الاستزراع المائي المكثفة. ويمكن الحد من تفشي الأمراض بتشغيل أنظمة مستقلة متعددة في المبنى نفسه، وعزل المياه بين هذه الأنظمة عن طريق تنظيف المعدات والأفراد المتنقلين بينها. ^{[ 21 ]} كما أن استخدام نظام معالجة المياه بالأشعة فوق البنفسجية أو الأوزون يقلل من عدد الفيروسات والبكتيريا العائمة في مياه النظام. وتساهم هذه الأنظمة في تقليل الحمل المرضي على الأسماك المجهدة، وبالتالي تقليل احتمالية تفشي الأمراض. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

يُطلق على دمج النباتات والأسماك في نظام إعادة تدوير المياه اسم الزراعة المائية المتكاملة (الأكوابونيكس). في هذا النوع من الأنظمة، لا يتم تحويل الأمونيا التي تنتجها الأسماك إلى نترات فحسب، بل تمتصها النباتات أيضًا من الماء. ^{[ 32 ]} في نظام الأكوابونيكس، تُخصب الأسماك النباتات بكفاءة، مما يُنشئ نظامًا مغلقًا يُنتج القليل جدًا من النفايات ويُقلل من المدخلات. توفر الأكوابونيكس ميزة القدرة على حصاد وبيع محاصيل متعددة. توجد آراء متضاربة حول مدى ملاءمة وسلامة مخلفات أنظمة إعادة تدوير المياه لدعم نمو النباتات في ظل ظروف الأكوابونيكس. لا ينبغي أن تُثني حجج نقص المغذيات أو سلامة المغذيات عن تحويل مزارع أنظمة إعادة تدوير المياه العاملة إلى مشاريع أكوابونيكس شبه تجارية. يُشجع على تحفيز استخدام مخلفات مزارع أنظمة إعادة تدوير المياه من خلال الأكوابونيكس شبه التجارية. تحتوي المغذيات الموجودة في مياه الصرف الصحي والحمأة لأنظمة إعادة تدوير المياه على مغذيات كافية وآمنة لدعم نمو النباتات في ظل ظروف الأكوابونيكس. ^{[ 33 ]}

تُعدّ أحواض السمك المنزلية والتجارية الداخلية نوعًا من أنظمة إعادة تدوير المياه، حيث تُضبط جودة المياه بدقة عالية، وتكون كثافة الأسماك منخفضة نسبيًا. في هذه الأنظمة، يكمن الهدف في عرض الأسماك بدلًا من إنتاج الغذاء. ومع ذلك، لا تزال المرشحات البيولوجية وغيرها من وسائل معالجة المياه تُستخدم لتقليل الحاجة إلى تغيير المياه والحفاظ على نقائها. ^{[ 34 ]} وكما هو الحال في أنظمة إعادة تدوير المياه التقليدية، يجب إزالة المياه دوريًا لمنع تراكم النترات والمواد الكيميائية السامة الأخرى في النظام. غالبًا ما تتميز أحواض السمك الساحلية بمعدلات عالية لتغيير المياه، وعادةً لا تُدار كنظام إعادة تدوير مياه نظرًا لقربها من مسطحات مائية نظيفة واسعة.