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ग्लोबल फिश एक्वाकल्चर 2014 में 50 मिलियन टन तक पहुंच गया (एफएओ 2016)। बढ़ती मानव आबादी को देखते हुए, मछली प्रोटीन की बढ़ती मांग है। जलीय कृषि के सतत विकास के लिए उपन्यास (जैव) प्रौद्योगिकियों की आवश्यकता होती है जैसे कि एक्वाकल्चर सिस्टम (आरएएस) को पुन: परिचालित करना। आरएएस एक कम पानी की खपत है (Orellana 2014) और निकालने वाले उत्पादों की एक रीसाइक्लिंग के लिए अनुमति देते हैं (वालर एट अल. 2015)। आरएएस मछली के लिए उपयुक्त रहने की स्थिति प्रदान करता है, एक बहुस्तरीय जल उपचार के परिणामस्वरूप, जैसे कण पृथक्करण, नाइट्रिफिकेशन (बायोफिल्टरेशन), गैस एक्सचेंज और तापमान नियंत्रण। विघटित और कण निकालने वाले उत्पादों को एकीकृत एक्वाएग्रीकल्चर (आईएएसी) प्रणालियों में संयंत्र (वालर एट अल। 2015) या शैवाल उत्पादन जैसे माध्यमिक उपचार में स्थानांतरित किया जा सकता है। आईएएसी सिस्टम पारंपरिक जलीय कृषि प्रणालियों के लिए टिकाऊ विकल्प हैं और विशेष रूप से आरएएस के लिए एक आशाजनक विस्तार हैं। आरएएस में प्रक्रिया के पानी को प्रसारित करना आवश्यक होगा जिसका आरएएस और शैलियो/संयंत्र प्रणाली दोनों में प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के लिए विशेष प्रभाव पड़ता है। आरएएस और शैली/संयंत्र प्रणाली को संयोजित करने के लिए, मछली और जल उपचार के बीच बातचीत की गहरी समझ शर्त है और गतिशील मॉडलिंग से प्राप्त की जा सकती है। मछली में चयापचय एक दैनिक पैटर्न जो अच्छी तरह से गैस्ट्रिक निकासी दर का प्रतिनिधित्व करती है इस प्रकार है (रिची एट अल. 2004)। कण जुदाई, बायोफिल्टरेशन और गैस एक्सचेंज एक ही पैटर्न के अधीन हैं। डिजाइन प्रयोजनों के लिए एक आरएएस उपचार प्रणाली के बुनियादी घटकों के लक्षण वर्णन सिमुलेशन मॉडल के माध्यम से जांच की जानी चाहिए। ये सिमुलेशन मॉडल अत्यधिक जटिल हैं। आरएएस के लिए उपलब्ध संख्यात्मक मॉडल जटिलता का केवल एक छोटा सा हिस्सा कैप्चर करते हैं और संबंधित तंत्र वाले घटकों का केवल एक हिस्सा मानते हैं। इसलिए, इस अध्याय में, गतिशील आरएएस मॉडल का केवल एक छोटा सा हिस्सा प्रस्तुत किया जाएगा, यानी नाइट्रिफिशन-आधारित बायोफिल्टरेशन। नाइट्रेट में जहरीले अमोनिया का रूपांतरण आरएएस में जल उपचार प्रक्रिया में एक केंद्रीय प्रक्रिया है। निम्नलिखित में, मछली के अमोनिया विसर्जन के द्रव्यमान संतुलन और नाइट्रेट में अमोनिया के रूपांतरण के गतिशील मॉडलिंग के साथ-साथ पोषक तत्व को एक एक्वापोनिक प्रणाली में स्थानांतरित किया जाएगा। इसके साथ ही न केवल आरएएस इंजीनियर करना संभव है बल्कि वैध मानकों के आधार पर आईएएसी प्रणाली में मछली उत्पादन को एकीकृत करना भी संभव है।

11.3.1 आरएएस में नाइट्रिफिशन-आधारित बायोफिल्टरेशन का गतिशील मॉडल

मॉडल यूरोपीय समुद्र तट, Dicentrarchus लैब्राक्स के लिए एक मछली मॉडल में विभाजित किया गया है, एक मॉडल अमोनिया के समय पर निर्भर उत्सर्जन, और एक नाइट्रिफिकेशन मॉडल (चित्र 11.8) का वर्णन करता है। मछली उत्सर्जन पैटर्न को इनपुट वेक्टर यू (ईक 11.15) के माध्यम से मॉडल में पेश किया जाता है, जो विक एट अल द्वारा उपयोग किए जाने वाले दृष्टिकोण के समान होता है। मछली मॉडल की जटिलता को कार्यान्वयन की अपनी विधि की व्याख्या करने में सक्षम होने के लिए कम रखा जाता है। फिर भी, मॉडलिंग मछली में एक संक्षिप्त परिचय संप्रदाय में प्रस्तुत किया गया है 11.3.2। रास (बाडियोला एट अल। 2012) में पोषक तत्व प्रवाह का वर्णन करने के लिए महत्वपूर्ण चार बुनियादी पहलुओं हैं:

1। प्रवाह क्यू, जो आरएएस के माध्यम से प्रति यूनिट समय की कुल प्रक्रिया जल प्रवाह है, अमोनिया और नाइट्रेट सहित सभी भंग और कण पदार्थों के द्रव्यमान हस्तांतरण को निर्धारित करता है। 2। आरएएस प्रक्रिया पानी में मछली इनपुट अमोनिया का उत्सर्जन और मैट्रिक्स बी और वेक्टर यू (ईक 11.15) के उत्पाद द्वारा चित्रित किया गया है। 3। नाइट्रीफिकेशन में होने वाली नाइट्रेट में अमोनिया रूपांतरण, नाइट्रिफिकेशन वेक्टर एन (ईक 11.15) में चित्रित किया गया है। 4। आरएएस से जुड़े एचपी प्रणाली में पोषक तत्व हस्तांतरण को वेक्टरू (ईक 11.15) में दर्शाया गया है। आरएएस प्रक्रिया श्रृंखला के अन्य महत्वपूर्ण पहलुओं जैसे ठोस हटाने, भंग ऑक्सीजन एकाग्रता और कार्बन डाइऑक्साइड एकाग्रता यहां नहीं माना जाता है। इन मॉडलिंग के लिए संकेत संप्रदायों में पाए जा सकते हैं। 3.1.1 और 3.2.2 इस पुस्तक का।

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अंजीर 11.8 मछली टैंक, पंप, नाइट्रीफिकेशन रिएक्टर और हाइड्रोपोनिक सिस्टम में जल हस्तांतरण के साथ आरएएस सेटअप

11.3.2 मछली

वैज्ञानिक साहित्य में विभिन्न प्रकार के मॉडल विभिन्न जलीय प्रजातियों के विकास और फ़ीड सेवन की भविष्यवाणी करते हैं। मॉडल प्रति दिन वजन बढ़ाने के रूप में वृद्धि का वर्णन करते हैं, प्रतिशत वृद्धि वृद्धि वृद्धि या घातीय विकास मॉडल के आधार पर विशिष्ट वृद्धि दर के रूप में। मॉडल अक्सर विशिष्ट जीवन चरणों के लिए मान्य होते हैं। फ़ीड खपत, बायोमास और लिंग मॉडल आउटपुट को प्रभावित कर रहे हैं और साथ ही तापमान, ऑक्सीजन स्तर और पोषक तत्व एकाग्रता (लुगेर्ट एट अल। 2014) जैसे पर्यावरणीय परिस्थितियों को प्रभावित कर रहे हैं। विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए उपयोग किए जाने वाले सही मॉडल की पहचान करने के लिए सावधानीपूर्वक शोध की आवश्यकता है। वाणिज्यिक आरएएस जिसमें विभिन्न जीवन चरणों में मछली के कई सहकर्मी होते हैं, मॉडल (चित्र 8.6) (हलामाची और साइमन 2005) में कोहॉर्ट्स को शामिल करने के लिए मॉडलिंग की आवश्यकता होती है। यूरोपीय समुद्र तट (Dicentrarchus labrax) के लिए निकालने वाला जन प्रवाह Lupatsch और Kissil (1998) द्वारा प्रकाशित एल्गोरिदम के साथ अनुमान लगाया जा सकता है।

यहां प्रक्रिया में शुद्ध नाइट्रोजन द्रव्यमान प्रवाह का प्रवाह फ़ीड संरचना (प्रोटीन सामग्री), दी गई फ़ीड की मात्रा और मछली के विकास (वजन वृद्धि) के माध्यम से शरीर के ऊतकों में बनाए रखा गया नाइट्रोजन से अनुमान लगाया गया है। मल नाइट्रोजन नुकसान मॉडल में शामिल नहीं हैं, लेकिन उत्सर्जन दर क्रमशः 0.25 और 0.75 नाइट्रोजन उत्सर्जन मल हानि और अमोनिया उत्सर्जन के हिस्से को संभालने में सुधार किया जाता है। मछली के भोजन के माध्यम से नाइट्रोजन इनपुट प्रोटीन सामग्री और प्रोटीन की औसत सापेक्ष नाइट्रोजन सामग्री से अनुमानित है जिसे 0.16 माना जाता है। सीबास ऊतक की प्रोटीन सामग्री लगभग 0.17 ग्राम प्रोटीन gsup-1/sup seabass (Lupatsch एट अल 2003) पर रिपोर्ट की जाती है। एक निश्चित राशि का उपभोग करके शरीर के वजन को प्राप्त करने वाली मछली के लिए, नाइट्रोजन विसर्जन (एक्सएसयूबीएन, निकालने/उप, जी) की गणना ईक से की जा सकती है। (11.9)। यह माना जाता है कि फ़ीड (एक्ससबफीड/सब) में 0.5 ग्राम प्रोटीन जीएसयूपी -1/एसयूपी मछली होती है। यह आगे माना जाता है कि फ़ीड रूपांतरण दर 1 के बराबर होती है, यानी। फ़ीड खपत के 1 ग्राम के परिणामस्वरूप शरीर के वजन में वृद्धि (चित्र 11.9) का 1 ग्राम होता है:

$ X_ {N, उत्सर्जित} = X_ {फ़ीड} * 0.16 * 0.75 * (0.5 - 0.17) $ (11.9)

मछली के गिल के माध्यम से उत्सर्जित विघटित अमोनिया गैस्ट्रिक निकासी दर (जीईआर) के समान दैनिक पैटर्न का पालन करता है। जीईआर को क्रमशः वह और वुर्ट्सबॉग (1993) और रिची एट अल (2004) द्वारा ठंडे पानी और गर्म पानी की मछली के लिए वर्णित किया गया है। निकालने वाला पैटर्न एक साइन फ़ंक्शन के साथ अच्छी तरह से अनुकरण किया जा सकता है। अमोनिया विसर्जन की गणना ईक से की जा सकती है (11.10):

$ X_ {NHx-n, उत्सर्जित} = X {N, उत्सर्जित} [g] * (पाप (\ frac {2\ pi} {1440}) +1) $ (11.10)

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चित्र 11.9 फीड सामग्री और निकालने वाले उत्पादों के द्रव्यमान प्रवाह (सांकी चार्ट) का प्रतिनिधित्व 1000 ग्राम फीड 1 का एफसीआर मानते हुए मछली के लिए

11.3.3 रास

जटिलता के विभिन्न स्तरों वाले आरएएस का वर्णन करने वाले विभिन्न प्रकार के मॉडल साहित्य में पाए जा सकते हैं। बहुत जटिल मॉडल विशिष्ट पहलुओं के लिए उपलब्ध हैं, जैसे घुलनशील गैसों और क्षारीयता (कोल्ट 2013) की बातचीत या माइक्रोबियल समुदाय का विवरण (हेन्ज़ एट अल। 2002)। आरएएस के बड़े पैमाने पर संतुलन के लिए अधिक व्यावहारिक मॉडल सांचेज़-रोमेरो एट अल द्वारा प्रकाशित किए गए हैं। (2016), पगैंड एट अल। (2000), विक एट अल। (2009) और वेदरली एट अल। सभी मॉडल प्रक्रिया श्रृंखला में समय और स्थान की निर्भरता में निकालने वाला द्रव्यमान प्रवाह और/या पोषक तत्व प्रवाह पर जानकारी प्रदान करते हैं। ऐसे मॉडल आरएएस और एचपी के युग्मन के सिमुलेशन के लिए आधार प्रदान करते हैं। आरएएस मॉडलिंग में सबसे महत्वपूर्ण भंग मामला कुल अमोनिया नाइट्रोजन (टैन) है। टैन के अलावा रासायनिक (सीओडी) और जैविक (बीओडी) ऑक्सीजन की मांग, कुल निलंबित ठोस (टीएसएस) और भंग ऑक्सीजन एकाग्रता पर विचार किया जाना चाहिए। हालांकि, वैज्ञानिक साहित्य में विभिन्न नोटेशन कभी-कभी पढ़ने, परिवर्तित करने और मॉडलों में जानकारी को लागू करने में कठिनाई होती है। निम्नलिखित में, कोरोमिनस एट अल द्वारा अनुशंसित नोटेशन (2010) का उपयोग किया जाएगा। टैन XSubnhx-N/उप के रूप में फिर से लिखा जाएगा और नाइट्रेट नाइट्रोजन XSubno3-N/उप के रूप में व्यक्त किया जाएगा।

11.3.4 मॉडल उदाहरण

निम्नलिखित में वर्णित मॉडल केवल चित्र 11.8 में प्रस्तुत आरएएस के लिए मान्य है। आरएएस के लिए अन्य संभावित प्रक्रिया श्रृंखलाओं को इस अध्याय के संप्रदाय 11.3 में चर्चा की गई है। भौतिक प्रणालियों के गणितीय चित्रण के लिए, निम्नलिखित मान्यताओं को बनाया गया था:

(क) पानी की घनत्व स्थिर माना जाता है।

(b) टैंक और रिएक्टर को अच्छी तरह मिश्रित माना जाता है।

(c) टैंक और रिएक्टर वॉल्यूम स्थिर माना जाता है।

(d) प्रक्रिया जल प्रवाह हमेशा शून्य से अधिक होता है।

एक अच्छी तरह से मिश्रित टैंक और रिएक्टर की धारणा ईक में ड्रेयर और हावर्ड (2014) द्वारा वर्णित निरंतर हड़कंप मच गया टैंक रिएक्टर (सीएसटीआर) के लिए बड़े पैमाने पर संतुलन समीकरण की ओर ले जाती है। (11.11)। यह उल्लेख किया जाना चाहिए कि आम तौर पर उच्च प्रक्रिया जल प्रवाह दर के कारण आरएएस गणनाओं में फैलाने वाली प्रक्रियाओं को आमतौर पर उपेक्षित किया जा सकता है। बहु-टैंक आरएएस के लिए, निम्नलिखित हैं:

संचय = प्रवाह - बहिर्वाह + पीढ़ी - कमी

$ vi {\ dot x} _i = Q {में} x_ {i, में} -Q_ {बाहर} x_ {i, out} +x_ {i, जनरल} -x_ {i, लाल} $ (11.1)

$ j =\ begin {मामलों} n, और मैं = 1\ i-1, और मैं\ ne1 \ अंत {मामलों} $ (11.1)

उपरोक्त दिए गए समीकरण में $ n $ सिस्टम में टैंकों की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है, $ {\ dot x} i $ $ V {i.} $ द्वारा दिए गए वॉल्यूम में दिए गए सब्सट्रेट x की एकाग्रता में परिवर्तन होता है। टैंक या रिएक्टर में प्रक्रिया जल प्रवाह का प्रतिनिधित्व $ Q {in} $ द्वारा किया जाता है। $ Vi $ घटक की मात्रा है जहां प्रक्रिया जल प्रवाह $ Q {in} $ में प्रवेश कर रहा है। प्रक्रिया जल प्रवाह $ Q_ {in} $ वॉल्यूम $ V_J $ वाले घटक से आया था।

Xsubnhx-N/उप में XSubno3-N/उप का रूपांतरण जैव फिल्टर नाइट्रीफाइंग में सतह क्षेत्र ए [msup2/sup] नाइट्रिफिकेशन रिएक्टर (रस्टन 2006) में जैव-वाहक पर उपलब्ध होता है। नाइट्रिफिकेशन में उपलब्ध बायोएक्टिव सतह की मात्रा विशिष्ट सक्रिय सतह जैव-वाहक ASUBS/उप [msup2/sup msup-3/sup] के साथ रिएक्टर की मात्रा गुणा करके गणना की जाती है। कुल बायोएक्टिव सतह की गणना (ईक 11.12) रिएक्टर के सापेक्ष भरने वाले एफसबबीसी/उप से की जाती है जो आमतौर पर 0.6 होती है (विवरण के लिए, रस्टन 2006 देखें)।

ए = VSubnitrification/उप asubs/उप fsubbc/उप (11.2)

कुल दैनिक टैन माइक्रोबियल रूपांतरण μsubmax/उप जी dsup-1/sup विशिष्ट टैन रूपांतरण (nitrification) दर, NHXsubconversion-दर/उप [जी msup-2/sup dsup-1/sup], जैव वाहक के कुल सक्रिय सतह क्षेत्र के साथ, एक [msup2/sup]। विभिन्न प्रकार के नाइट्रीफाइंग बायोफिल्टर में टीएएन रूपांतरण के लिए मूल्य साहित्य में पाए जा सकते हैं। बिस्तर बायोफिल्म रिएक्टरों (एमबीबीआर) को स्थानांतरित करने के लिए, रस्टन (2006) द्वारा मूल्यों की सूचना दी जाती है। यह दर कुछ प्रक्रिया स्थितियों के लिए मान्य है, और यह माना जाता है कि बैक्टीरिया बायोफिल्म पूरी तरह से पूरी तरह से विकसित है।

$μ_ {मिमी} = ए ^* एनएचएक्स_ {रूपांतरण-दर} $ (11.13)

एनएचएसयूबीएक्स/सब के कुल द्रव्यमान को नोसब/उप-एन में परिवर्तित किया जाता है, बाद में एक मोनोड काइनेटिक (ईक 11.14) के साथ गणना की जा सकती है। इसके लिए एनएचसबक्स-एन/उप एकाग्रता, एक्ससबएनएचएक्स-एन, 2/सब [जी 1sup-1/sup], नाइट्रिफिकेशन रिएक्टर (एमबीबीआर) वीएसयूबी 2/सब की मात्रा में आवश्यक है।

$\ frac {d} {dt} X_ {nhx-n,2} =-\ mu {अधिकतम} * (\ frac {X_ {NHx-n,2}}} {ks+x_ {NH_ {x-n,2}}}}) *\ frac1 {V2} $ $ के साथ $ ks =\ frac {\ frac {\ frac {\ frac {\ frac {\ frac {\ mu_ (11.4)

$\ frac {d} {dt} X_ {n0x-n,2} =+\ mu {अधिकतम} * (\ frac {X_ {NHx-n,2}}} {ks+x_ {NH_ {x-n,2}}}}) *\ frac1 {V2} $ $ $ $ के साथ ks=\ frac {\ frac {\ frac {\ frac {\ frac {\ frac {\ mu_ (11.4)

ईक्स को देखते हुए (11.9, 11.10, 11.11, 11.12, 11.13 और 11.14), निम्नलिखित स्टेटस्पेस मॉडल (मछली-नाइट्रीफिकेशन के संयोजन) परिणाम

[\ frac {dx (t)} {dt} = ए ^* एक्स+बी ^* यू+एन]

$ एक्स =\ प्रारंभ {bmatrix} X_ {NH_ {x} -N,1}\ X_ {NH_ {x} -N,2}\ X_ {NO_ {3} -N,1}\ X_ {NO_ {3} -N,2}\ अंत {bmatrix} $ u =\ प्रारंभ {bmatrix} X, पाठ {उत्सर्जित}}\ 0\ {Q {Exc}} ^ {*} X_ {एनएचएक्स-एन,\ टेक्स्ट {हाइड्रोपोनिक्स}}\ 0\ अंत {bmatrix} $ n =\ प्रारंभ {bmatrix} 0\ -\ frac {\ mu {अधिकतम} * [एक्स] 2} {Ks+ [x] 2} * 1 {V2}\ 0\ +\ frac {\ mu_ {max} * [एक्स] 2} {K _s+ [X] _2} *\ frac1 {V2}\ अंत {bmatrix} $

$ ए =\ प्रारंभ {bmatrix} -\ frac {Q} {V1} -\ frac {Q {Exc}} {V1} और\ frac {Q} {V1} और 0\\ frac {Q} {V2} &-\ frac {Q} {V2} &0&0\\\ 0 क्यू} {V1} -\ frac {Q {Exc}} {V1} और\ frac {Q} {V1}\ 0 और\ frac {Q} {V2} और -\ frac {Q} {V1}\ अंत {bmatrix} $

$\ बार बी =\ प्रारंभ करें {bmatrix}\ frac1 {V1} और 0 और 0\ 0 और\ frac1 {V2} और 0\ 0&0&\ frac1 {V1} &0\ 0&0&0&0&\ frac {1} {V2}\ end {bmatrix} $ $

(11.5)

** उदाहरण**

इस उदाहरण में, Vreactor = 1300 एल और VTank = 6000 एल के साथ एक सैद्धांतिक आरएएस नकली है।

सभी सिमुलेशन की एक दैनिक फ़ीड इनपुट था 2000 ग्राम/साथ दिन 500 ग्राम प्रोटीन/किलो फ़ीड (Eq 11.8)। दैनिक टैन उत्सर्जन को एक साइन वक्र माना जाता था (Eq 11.9)। जैव-वाहक ASUBS/उप की सक्रिय सतह 300 [msup2/sup msup-3/sup] है, और रिएक्टर fsubbc/उप के सापेक्ष भरने 0.6 है। विशिष्ट टैन रूपांतरण दर, NHXSubconversion-दर/उप, 1.2 है [जी msup-2 -/supd], और बायोफिल्म पूरी तरह से विकसित किया जाना चाहिए (Eqs 11.11 और 11.12)। राज्य-अंतरिक्ष प्रतिनिधित्व (ईक 11.14) MATLAB सिमुलिंक में लागू किया गया था। उदाहरण युग्मित प्रणालियों (चित्र 11.10 और 11.11) में पोषक तत्वों की सांद्रता के लिए बड़े पैमाने पर प्रवाह के महत्व को दर्शाता है।


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