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8.1 导言

2 years ago

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正如第 [5] 章(/社区/文章/第二部分特定的水壶技术)和 [7](社区/文章/第 7 章-七对耦合-水壶系统)所讨论的那样,单环水壶系统研究得很好,但这些系统的整体效率不佳(Goddek 等人,2016 年和 Kedman)。 随着水生产逐步扩大到工业一级的生产,人们强调提高这种系统的经济可行性。 在收获产量方面优化产量的最佳机会之一是通过在水生系统中解开组件,以确保鱼类和植物的最佳生长条件。 分离系统与耦合系统失眠不同,因为它们将水产养殖单元和水培单元的水和养分循环相互分离,从而对两个系统中的水化学进行控制。 图 8.1 提供了传统耦合系统 (A)、解耦双环系统 (B) 和解耦多环系统 (C) 的示意图概述。 然而,由于分离的水生系统需要更多的基础设施,在经济上是否比较传统的系统具有优势,存在着相当大的争论。 为了回答这个问题,有必要考虑不同的系统设计,以查明它们的长处和弱点。

如图 8.1a 所示,耦合单循环水生养系统的概念可视为所有水生养殖系统的传统基础,其中水在水产养殖单位和水培单位之间自由循环,同时排出养分中心污泥。 这种系统的主要缺点之一是,有必要在两个子系统的饲养条件中就 pH 值、温度和营养浓度作出权衡(表 8.1)。

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** 图 8.1** 水生系统的演变。 (a) 显示了传统的单环水生系统, (b) 一个简单的分耦水生系统, (c) 一个分离的多环水生系统. 蓝色字体代表水输入、输出和流量,红色代表废弃物

相比之下,分离或双环水养殖系统将水产养殖和水产养殖单元彼此分离(图 8.1b)。 在这方面,水培单元的大小是一个关键方面,因为理想情况下,它需要直接或通过污泥矿化(例如,从污泥中提取养分并以可溶性形式提供给植物)吸收鱼类单位提供的营养物质。 事实上,植物面积大小和环境条件(例如表面、叶面指数、相对湿度、太阳辐射等)都决定了可蒸发的水量,并且是决定 RAS 水替代率的主要因素。 因此,从 RAS 送到水培单元的水由清洁水取代,从而降低营养浓度,从而提高水质 (Monsees 等人, 2017a, b)。 可替换的水量取决于植物的蒸发蒸散速率,而植物受净辐射、温度、风速、相对湿度和作物种类的控制。 值得注意的是,存在季节性依赖性,在温暖、阳光较强的季节,更多的水蒸发,这也是植物生长率最高的时候。 Goddek 等人(2015 年)和 Kloas 等人(2015 年)提出了这种方法,作为改进单环系统设计和更好地利用能力以确保最佳植物生长性能的一种方法。 除其他外,德国柏林的 ECF_ 和荷兰海牙现已破产的城市农民采用了这一概念。

尽管具有潜在优势,但采用分耦单环设计的初始实验仍然存在严重的缺点。 这是由于需要在水培循环中添加大量的额外营养素,因为从 RAS 流入水培循环的工艺水完全依赖于蒸发蒸散(Goddek 等人,2016 年;Kloas 等人,2015 年;Reyes Lastiri 等人,2016 年)。 当蒸发蒸散率较低时,营养素也会在 RAS 系统中积累,并且可能达到临界水平,因此需要定期从水中出血(Goddek 2017)。

克服这些缺点需要实施额外的循环,以减少系统中产生的废弃物量(Goddek 和 Körner 2019)。 图 8.1c 概述了这种多循环系统,并加强了双循环方法 (8.1b),在接下来的两个小章以及第 [10] 章 (社区/条款/第 10 章-有氧和厌氧治疗-水生-贫民窟-还原和矿化) 和 11:

  1. 利用两级厌氧反应器系统,有效的营养成分矿化和调集,减少通过鱼类污泥从系统中排出的养分

  2. 热蒸馏/海水淡化技术,将营养溶液集中在水培设备中,以减少对额外肥料的需求

这种方法部分得到了各种水产生产商的采用,如西班牙公司 NerBreen(图 8.1)(戈德克和基斯曼 2018)以及肯尼亚内罗毕的 Kikaboni 农业风险有限公司(van Gorcum 等人,2019 年)(图 8.2)。

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** 图 8.2** 在 (1) 西班牙 (NerBreen) 和 (2) 肯尼亚 (基卡博尼农业风险有限公司) 现有多环系统的图片. 虽然 NerBreen 系统位于受控环境中,但 Kikaboni 系统使用的是半开放式薄膜隧道系统

在经济优势方面(Goddek 和 Körner 2019;Delide 等人,2016 年),通过减少废物排放和改善各自的水生系统环路优化生长条件对植物和鱼类都具有固有的优势(Karimanzira 等人,2016 年;Kloas 等人,2015 年)营养回收和供应(戈德克和基斯曼 2018 年;卡里曼齐拉等人,2017 年;约盖夫等人,2016 年)。 在他们的工作中,德莱德等人(2016 年),戈德克和维默伦(2018 年),以及伍德考克(pers. Comm.) 表明,分离式水肺系统比其各自的单环水上乐器和水耕对照组具有更好的生长性能。 尽管如此,仍有各种问题需要解决,包括技术问题,例如系统扩展、参数优化以及不同区域情景下温室技术的工程选择。 在本章其余部分,我们将重点讨论当前的一些事态发展,以概述当前的挑战以及该领域的有希望的事态发展。


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