ابداع یک سیستم دنیتریفیکاسیون بسیار کارآمد و ایمن با استفاده از هیدروژن برای سیستمهای آبزیپروری با گردش مجدد آب (RAS)
29 September 2025
تجمع نیترات (NO₃⁻-N) در سیستمهای RAS یا همان آبزیپروری با گردش مجدد آب همواره یک چالش است و میتواند سلامت ماهی و بازده تولید را تحت تأثیر قرار دهد. اگرچه روشهای مختلفی برای مقابله با این مشکل وجود دارد، بسیاری از آنها معایبی داند؛ مانند کاهش کیفیت آب یا تولید محصولات جانبی سمی .
در این زمینه، تیمی از دانشمندان دانشگاه University of Yamanashi،Mahidol University و Ramkhamhaeng University، یک سیستم نوآورانه دنیتریفیکاسیون هیدروژنوترفیک (HD) را مورد بررسی وارزیابی قرار دادهاند. این فناوری از گاز هیدروژن (H₂) به عنوان یک دهنده الکترون «پاک» استفاده میکند تا نیترات را به گاز نیتروژن بیضرر (N₂) تبدیل کند. مطالعهای که در مقیاس آزمایشگاهی و در یک مزرعه با سیستم RAS پرورش قزلآلای رنگینکمان (Oncorhynchus mykiss) انجام شد، نشان میدهد که این روش نه تنها بسیار کارآمد است بلکه کاملاً برای ماهیها ایمن میباشد
یافتههای کلیدی
- یک سیستم دنیتریفیکاسیون هیدروژنوترفیک (HD) بسته، بدون فشار و از نوع فیلتر چرخشی برای سیستمهای آبزیپروری با گردش مجدد آب (RAS) ایجاد شد.
- این سیستم به حداکثر نرخ حذف نیتروژن 0 g N/m³/d رسید که کارایی بالای تبدیل نیترات به گاز نیتروژن را نشان میدهد.
- استفاده از سیستم HD در یک تانک پرورش با قزلآلای رنگینکمان (Oncorhynchus mykiss) به مدت 100 روز، رشد ماهیها را تحت تأثیر منفی قرار نداد و هیچ مرگی ثبت نشد.
- باکتریهای متعلق به جنسهای Thauera و Dechloromonas جمعیت غالب در بیوفیلتر بودند و مسئول اصلی فرآیند دنیتریفیکاسیون محسوب میشدند.
- این فناوری از گاز هیدروژن (H₂) به عنوان دهنده الکترون استفاده میکند که نسبت به سایر روشهای دنیتریفیکاسیون تولید لجن و سمیت را به حداقل میرساند.
چالش نیترات در سیستمهای RAS
در هر سیستم چرخشی، فضولات ماهی و غذای خورده نشده، آمونیوم (NH₄⁺-N) آزاد میکنند که توسط باکتریهای نیتریفیکاسیون در بیوفیلترها به نیترات (NO₃⁻-N) تبدیل میشود. در حالی که نیترات نسبت به آمونیوم یا نیتریت سمیت کمتری دارد، تجمع تدریجی آن میتواند باعث مشکلات سلامتی در ماهیها، مانند methemoglobinemia (وجود متهموگلوبین در خون) شود و میزان بقا را کاهش دهد و در نتیجه بر سودآوری عملیات تأثیر بگذارد.
روشهای سنتی برای حذف نیترات، مانند نیتراتزدایی هتروتروف، نیاز به افزودن یک منبع کربن آلی (مانند متانول، گلوکز) دارند که میتواند کیفیت آب را کاهش وتولید لجن را افزایش دهد. نیتراتزدایی هیدروژنوتروف به عنوان یک جایگزین امیدوارکننده ظاهر میشود زیرا با استفاده از هیدروژن – یک ترکیب بیضرر که به طور طبیعی از بین میرود – از این معایب جلوگیری می کند.
طراحی و بهینهسازی سیستم نیتراتزدایی هیدروژنوتروفیک
محققان یک راکتور بسته، بدون فشار و از نوع فیلتر چرخشی طراحی کردند تا تماس بین آب، باکتریهای دنیتریفیکاسیون و گاز هیدروژن به حداکثر برسد. برای بهینهسازی سیستم، ابتدا سه نوع حامل باکتری بررسی شد: حلقههای polypropylene، حلقههای سرامیکی و اسفنجهای polyolefin . نتیجه نشان داد که اسفنج polyolefin به دلیل سطح تماس وسیع، مؤثرترین گزینه برای تثبیت لجن باکتریایی است.
سپس دو حالت عملیاتی مقایسه شد:
سیستم بستر متحرک و سیستم فیلتر چرخشی.
فیلتر چرخشی نرخ حذف نیتروژن بالاتری نشان داد که احتمالاً به دلیل انتقال کارآمدتر هیدروژن به آب بود.
سیستم نهایی 5.2 لیتری با اسفنجهای polyolefin تلقیحشده با باکتری پر شد و بهطور مداوم با گاز هیدروژن (H₂) و بهصورت دورهای با دیاکسید کربن (CO₂) تأمین شد تا pH آب پایدار باقی بماند.
کارایی بالا بدون تأثیر منفی بر سلامت ماهیها
سیستم HD در یک RAS 60 لیتری ادغام شد که در آن قزلآلای رنگینکمان بالغ به مدت تقریباً 100 روز پرورش یافت. نتایج بسیار قابل توجه بودند:
- عملکرد برتر حذف نیتروژن: سیستم به حداکثر نرخ حذف نیتروژن 0 g N/m³/d با زمان ماند هیدرولیکی (HRT) تنها 1 ساعت رسید و کارایی حذف 94.2٪ را ثبت کرد. این میزان بالاتر از سایر سیستمهای HD گزارششده برای آبزیپروری است و با راکتورهای با عملکرد بالا برای تصفیه آب زیرزمینی قابل مقایسه است.
- مصرف کارآمد هیدروژن: در اوج کارایی، سیستم برای حذف یک گرم نیتروژن به 5.5 لیتر H₂ و 2.1 لیتر CO₂ نیاز داشت که نشان میدهد حدود 87.3٪ هیدروژن تأمینشده بهطور مؤثر در فرآیند دنیتریفیکاسیون استفاده شده است.
- رشد و سلامت ماهیها: مهمترین یافته برای تولیدکنندگان این است که خروجی سیستم HD، زمانی که مستقیماً به تانک ماهی بازگردانده شد، هیچ تأثیر منفی بر رشد ماهیها نداشت. وزن کل ماهیها در تانک آزمایشی مشابه تانک کنترل (که آب آن تعویض میشد) افزایش یافت و هیچ مرگی در طول آزمایش مشاهده نشد.
باکتریهای کلیدی در فرآیند
تحلیل میکروبی لجن راکتور نشان داد که دو جنس باکتری Thauera و Dechloromonas غالب بودند و در مجموع بیش از 42٪ جامعه باکتریایی را در پایان آزمایش تشکیل میدادند. افزایش فراوانی این باکتریها همراه با افزایش ژنهای عملکردی مرتبط با دنیتریفیکاسیون (narG, nirk, nirS, nosZ) نقش مرکزی آنها در حذف نیترات در سیستم را تأیید میکند.
پیامدها و آینده دنیتریفیکاسیون هیدروژنوترفیک
این مطالعه نشان میدهد که دنیتریفیکاسیون هیدروژنوترفیک یک فناوری عملی و بسیار امیدوارکننده برای مدیریت نیتروژن در RASهای آب شیرین است.
مزایای اصلی آن عبارتند از:
- سازگاری زیستی: از ترکیبات آلی استفاده نمیکند که کیفیت آب را کاهش دهند یا محصولات جانبی سمی تولید کنند.
- عملکرد ساده: تنها به تأمین کنترلشده H₂ و CO₂ نیاز دارد، گازهایی که میتوانند در محل تولید شوند و وابستگی به منابع خارجی را کاهش میدهند.
- تولید کمتر لجن: با اتکا به رشد باکتریهای اتوتروف، تولید لجن نسبت به سیستمهای هتروتروف حداقل است.
نویسندگان اشاره کردهاند که هرچند هیچ اثر منفی مشاهده نشد، این سیستم باعث افزایش غلظت باکتریهای زنده در آب تانک شد. بنابراین توصیه میکنند که در پیادهسازی تجاری، واحد دنیتریفیکاسیون قبل از واحد ضدعفونی مثلاً (UV) نصب شود تا هرگونه ریسک به حداقل برسد.
موفقیت این فناوری راه را برای بهینهسازیهای آینده در مقیاس بزرگ باز میکند و ابزار قدرتمندی برای صنعت آبزیپروری فراهم میآورد تا پایداری و کارایی سیستمهای گردش مجدد آب را افزایش دهد.
