تصفیه آب اتوتروفیک و هتروتروفیک در پرورش نیمه متراکم، متراکم و فوق متراکم ماهیان و میگو
چکیده
حاصل‌خیزی آبزی‌پروری در طی 50 سال گذشته روند صعودی چشم‌گیری به خود گرفته‌است. آبزی‌پروری آب راکد تصفیه‌نشده که بعنوان سیستم‌های گسترده شناخته می‌شوند، 1121 تا 2242 کیلوگرم بر هکتار(1.000 تا 2.000 پوند در جریب) ماهی یا میگو در سیستم‌های دریایی یا آب شیرین بازدهی دارند. میانگین نرخ تغذیه 11 تا 17 کیلوگرم بر هکتار روز(10 تا 15 پوند بر جریب روز) است که عامل محدودکننده‌ی نرخ اکسیژناسیون مجدد سطح بادرو به شمار می‌رود. فتوسنتز جلبکی، سطوح آمونیاک در بازدهی جلبکی 5/0 تا 1 گرم کربن(C) بر مترمربع روز را با سطوح جامدات معلق فرار ستون آب 10 تا 20 میلی‌گرم بر لیتر کنترل می‌کند. در دهه 1980، مزرعه‌داران 1/8 تا 3/7 کیلووات بر هکتار(1 تا 2 اسب بخار در جریب) هوادهی تکمیلی را به استخرهای ماهی آب شیرین و میگوهای دریایی اضافه کردند و بازدهی 4.483 تا 7.846 کیلوگرم بر هکتار(4.000 تا 7.000 پوند بر جریب) در متوسط نرخ تغذیه 56 کیلوگرم بر هکتار روز(50 پوند بر جریب روز) و ماکزیمم نرخ تغذیه 112 کیلوگرم بر هکتار روز(100 پوند بر جریب روز) رقم زدند. فتوسنتز جلبکی 2 تا 3 گرم کربن بر مترمربع روز با نرخ هوادهی آمونیاک در چنین سیستم‌هایی تناسب دارد. فراتر رفتن از این سطح تولید مستلزم بهبود تولید جلبکی یا شست‌و‌شوی استخر با تخلیه آمونیاک در محیط است. در سیستم‌های دریایی در آسیا، شست‌و‌شوی آب مملو از آمونیاک و افزایش هوادهی استخر تا 19 الی 37 کیلو وات بر هکتار(10 تا 20 اسب بخار در جریب) امکان تولید میگو بیش از 11.209 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(10.000 پوند بر جریب در چرخه) را میسر ساخت. در ایالات متحده آمریکا، تخلیه آب بیش از گذشته با ممنوعیت روبرو شده‌است و در نتیجه، آبزی‌پروران این کشور به بهبود سیستم‌های فتوسنتزی مانند سیستم‌های آبزی‌پروری تقسیم‌شده، استخرهای بخش‌بندی شده، آبراهه‌های درون استخری و استخرهای دارای هوادهی شدید برای افزایش ظرفیت حمل روی آوردند. بازده ماهی به میزان 11.209 الی 21.296 کیلوگرم بر هکتار(10 هزار الی 19 هزار پوند بر جریب) با بارگذاری‌های تغذیه‌ای 112 تا 280 کیلوگرم بر هکتار روز(100 تا 250 پوند بر جریب روز) با اوج فتوسنتز جلبکی در 6 تا 12 گرم کربن بر سانتی‌متر مربع روز قابل حصول بود. برای افزایش بیشتر تولید تا سطوح فوق متراکم، مزرعه‌داران به تکنیک‌های درمان بیولوژیکی جایگزین، واکنش‌گرهای شوره‌ساز لایه ثابت، یا واکنش‌گرهای میکروبی پرورش معلق روی آوردند. تصفیه بیوفلاک با استفاده از سیستم‌های شوره‌ساز[1] یا سیستم‌های هتروتروفیک[2] به لحاظ اقتصادی در پرورش میگو مطلوب است. سطوح میکروبی بهینه در دامنه 200 تا 400 میلی‌گرم بر لیتر با حذف آمونیاک بدون تحمیل تقاضای اکسیژن مازاد همگام بودند. تولید میگو بیش از 44،834 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(40 هزار پوند بر جریب در هر چرخه) قابل دستیابی است. مزیت اصلی پرورش HS، نرخ رشد شریع میکروب‌هاست که امکان کنترل تقریباً آنی سطوح آمونیاک پرورش را فراهم می‌سازد. پرورش HS مستلزم مکمل آلی 40 تا 60 درصد غذا و حذف 10 درصد از جرم میکروبی در هر روز است. تولید جامدات از NS معمولاً یک دهم HS است و هیچ مکمل آلی مازادی مورد نیاز نیست. بودجه‌های شرکتی حاکی از آنند که هزینه‌های تولید میگو در NS و HS در 44،834 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه 120 روزه(40 هزار پوند بر جریب در هر چرخه 120 روزه) در نرخ 8 دلار بر کیلوگرم میگو مشابه هستند. یک مزیت افزوده‌ی آبزی‌پروری فوق متراکم، پتانسیل تامین سیستم‌های تخلیه صفر است که نیاز به تخلیه لجن پسماند و آب از طریق تبدیل تولید زیست توده میکروبی به محصولات جانبی مفید را برطرف می‌سازد.
مقدمه
حاصل‌خیزی آبزی‌پروری در طی 50 سال گذشته روند صعودی چشم‌گیری به خود گرفته‌است(جدول 7.1). الزام اولیه برای افزایش ظرفیت حامل سیستم‌های تولید آبزی‌پروری، حفظ غلظت‌های اکسیژن آب، دی اکسید کربن، و آمونیاک در چارچوب سطوح قابل قبول است. هوادهی طبیعی یا بهبودیافته برای حفظ سطوح اکسیژن و دی اکسید کربن به کار می‌رود، در حالی که رشد میکروبی هتروتروفیک، شیمواتوتروفیک (نیتریفیکاسیون) یا فوتواتوتروفیک (جلبک) ممکن است برای حفظ کنترل سطوح نیتروژن آمونیاک مورد استفاده قرار بگیرد. در دهه 1960، استخرهای آبزی‌پروری فاقد هوادهی، که تحت عنوان سیستم‌های گسترده شناخته می‌شدند، بازدهی 1121 تا 2242 کیلوگرم بر هکتار(1000 تا 2000 پوند بر جریب) ماهی یا میگو در سیستم‌های دریایی یا آب شیرین داشتند(برون و دراپکو، 1991). در این بازده‌ها، میانگین نرخ کاربرد غذا 11 تا 17 کیلوگرم بر هکتار روز(10 الی 15 پوند بر جریب روز) بود که عامل محدودکننده، نرخ هوادهی مجدد بادی بوده‌است. در چنین استخرهایی، فتوسنتز جلبکی، سطوح آمونیاک در بازدهی‌های جلبکی 0/5 تا 1 گرم کربن بر مترمربع در روز در سطوح جامدات معلق فرار[3] ستون آب 10 تا 20 میلی‌گرم بر لیتر را سرکوب می‌کند.
با شروع در دهه 1980، مزرعه‌داران 1/8 تا 3/7 کیلووات بر هکتار(1 تا 2 اسب بخار در جریب) هوادهی تکمیلی را به استخرهای ماهی آب شیرین و میگوهای دریایی اضافه کردند و بازدهی 4483 تا 7846 کیلوگرم بر هکتار(4.000 تا 7.000 پوند بر جریب) با متوسط نرخ تغذیه 56 کیلوگرم بر هکتار روز(50 پوند بر جریب روز) و ماکزیمم نرخ تغذیه 112 کیلوگرم بر هکتار روز(100 پوند بر جریب روز) رقم زدند(برون و دراپکو، 1991). در این نرخ‌های بارگذاری تغذیه، فتوسنتز جلبکی 2 تا 3 گرم کربن بر مترمربع روز متناسب با نرخ تولید آمونیاک است. فراتر رفتن از این سطح تولید مستلزم بهبود تولید جلبکی یا شست‌و‌شوی استخر با تخلیه آمونیاک و VSS در محیط است(شکل 7.1).
در سیستم‌های دریایی اولیه در ایالات متحده آمریکا و آسیا، شست‌و‌شوی آب مملو از آمونیاک و افزایش هوادهی استخر تا 19 الی 37 کیلووات بر هکتار(10 تا 20 پوند بر جریب) امکان تولید میگو بیش از 11،209 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(1.000 پوند بر جریب در هر چرخه) را فراهم ساخت(اودیملک، 2010). . در ایالات متحده آمریکا، تخلیه آب بیش از گذشته با ممنوعیت روبرو شده‌است و در دهه 1990، آبزی‌پروران به بهبود سیستم‌های فتوسنتزی مانند سیستم‌های آبزی‌پروری تقسیم‌شده[4]، استخرهای بخش‌بندی شده، آبراهه‌های درون استخری و استخرهای دارای هوادهی بالا روی آوردند تا ظرفیت حمل افزایش یابد(برون، 2014؛ برون و همکاران، 2012). بازده ماهی 11،209 الی 21،696 کیلوگرم بر هکتار(10 هزار الی 19 هزار پوند بر جریب) با بارگذاری‌های تغذیه‌ای 112 تا 280 کیلوگرم بر هکتار روز(100 تا 250 پوند بر جریب روز) قابل حصول بود. تحت این شرایط، پیک فتوسنتز جلبکی در سطوح 6 تا 12 گرم کربن بر مترمربع روز قرار دارد.
جدول 7.1. پارامترهای بازده و حاصل‌خیزی سیستم‌های مختلف آبزی‌پروری و تاریخ تقریبی شروع آن‌ها. PAS: سیستم آبزی‌پروری تقسیم‌بندی شده؛ SP: استخرهای بخش‌بندی شده، VSS: جامدات معلق فرار
| سیستم | بازده(کیلوگرم بر هکتار) | تغذیه(کیلوگرم بر هکتار روز) | هوادهی(کیلووات بر هکتار) | نوع (گرم کربن بر مترمربع روز) | VSS (میلی‌گرم بر لیتر) | خط زمانی |
| گسترده | 2247 – 1124 | 34 – 11 | باد | جلبکی(1 – 0/5) | 20 – 10 | 1960 |
| نیمه متراکم | 6742 – 4494 | 112 – 56 | 3/7 – 1/8 | جلبکی(3-2) | 100 – 50 | 1980 |
| استخر متراکم | 13483 – 11235 | 168 – 112 | 22 – 11 | ترکیبی(4-3) | +100 | 1990 |
| PAS/SP | 21348 – 16854 | 280 – 225 | 18 – 13 | جلبکی(12-6) | 100 – 50 | 2000 |
| شوره‌سازی فوق متراکم | +44943 | 1123 | 111 – 92 | نیتریفیکاسیون | 400 – 300 | 2006 |
| هتروتروفیک فوق متراکم | +44943 | 1123/674 | 148 – 111 | هتروتروفیک | 400 – 300 | 2006 |
شکل 7.1. سطوح نیتروژن آمونیاک کل[5] در استخرهای متداول در مقابل سیستم‌های آبزی‌پروری تقسیم‌بندی شده در سطوح تغذیه 56 تا 224 کیلوگرم بر هکتار روز(50 تا 200 پوند بر جریب روز).
برای افزایش بیشتر تولید تا سطوح فوق متراکم، مزرعه‌داران به تکنیک‌های تصفیه بیولوژیکی جایگزین مانند واکنش‌گرهای شوره‌ساز لایه ثابت(فیلترهای چکنده) یا واکنش‌گرهای میکروبی پرورش معلق(بیوفلاک) روی آوردند(اولیملک،2010، 2015). به علت پتانسیل چگالی حجمی بالاتر در ماهیان برخلاف پرورش میگوها، فیلترهای چکنده به لحاظ اقتصادی در پرورش بیشتر باله‌ماهیان مطلوب هستند. به طور کلی، تصفیه بیوفلاک به لحاظ اقتصادی در پرورش میگو مطلوب است که از سیستم‌های شوره‌ساز یا سیستم‌های هتروتروفیک استفاده می‌شود. HS مستلزم مکمل آلی خارجی علاوه بر مصرف غذا است. سطوح میکروبی بهینه در دامنه 200 تا 400 میلی‌گرم بر لیتر با برداشت آمونیاک لازم هم‌خوانی دارند، در حالی که هیچ‌گونه تقاضای اکسیژن مازاد را تحمیل نمی‌کنند. تولید میگو بیش از 44،834 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(40 هزار پوند بر جریب در هر چرخه) قابل دستیابی است. NS مستلزم توان هوادهی 93 تا 112 کیلووات بر هکتار(50 تا 60 اسب بخار در جریب) است، در حالی که الزامات هوادهی در HS می‌تواند از 112 تا 149 کیلووات بر هکتار(60 تا 70 اسب بخار در جریب) فراتر برود. مزیت اصلی پرورش هتروتروفیک، نرخ رشد سریع میکروب‌های هتروتروفیک است که امکان کنترل تقریباً آنی سطوح آمونیاک را فراهم می‌سازد. پرورش هتروتروفیک مستلزم مکمل آلی 40 تا 60 درصدی غذا و حذف 10 درصد از جرم میکروبی در روز است. تولید جامدات میکروبی از NS معمولاً 10 درصد HS است و هیچ مکمل آلی مازادی مورد نیاز نیست. بودجه‌های شرکتی حاکی از آنند که هزینه‌های تولید میگو در NS و HS در 44،834 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه 120 روزه(40 هزار پوند بر جریب در هر چرخه 120 روزه) در نرخ 8 دلار بر کیلوگرم میگو مشابه هستند. یک مزیت افزوده‌ی آبزی‌پروری فوق متراکم، پتانسیل تامین سیستم‌های تخلیه صفر است که نیاز به تخلیه لجن پسماند و آب از طریق تبدیل تولید زیست توده مکیروبی به محصولات جانبی مفید را برطرف می‌سازد.
هوادهی استخر گسترده
بازده‌های مشاهده شده در استخرهای فاقد هوادهی در دامنه 1121 تا 2242 کیلوگرم بر هکتار(1.000 تا 2.000 پوند بر جریب) است(برون و دراپکو، 1991). بوید و تیچرت-کودینگتون(1992) نرخ هوادهی مجدد سطحی استخرهای ماهی کوچک را بصورت زیر مشخص می‌کند:
KLa(/h-1) = 0.0117 (Wind(m/s)) – 0.014
که در آن، KL ضریب انتقال اکسیژن استاندارد با بازدهی به میزان 0/071 بر هکتار در غلظت میانگین اکسیژن تقریبی 5 میلی‌گرم بر لیتر، میانگین سرعت باد 3/5 متر بر ثانیه و عمق ترکیبی موثر 1 متر است که حاکی از نرخ هوادهی مجدد سطحی 30 تا 50 کیلوگرم اکسیژن بر هکتار روز(27 تا 45 پوند اکسیژن بر جریب روز) است. میانگین فصلی تقاضای اکسیژن ماهیان و میگو در دامنه 1/5 درصد تا 2 درصد وزن بدن در روز قرار دارد(برون و همکاران، 2003)، که بیان‌گر ظرفیت حامل اکسیژن هوادهی مجدد سطحی 1513 تا 3363 کیلوگرم بر هکتار(1350 تا 3000 پوند بر جریب) است و با برداشت‌های استخر گربه‌ماهی به میزان 1121 تا 2242 کیلوگرم بر هکتار(1000 تا 2000 پوند بر جریب) هم‌خوانی دارد. از سوی دیگر، بازده‌های مشاهده شده میگو در استخرهای فاقد هوادهی معمولاً کمتر ا 1121 کیلوگرم بر هکتار(1000 پوند بر جریب) است. گارسیا و برون(1991) پیشنهاد دادند که بهبود ترکیب برای تامین اکسیژن برای استخرهای میگوی کف‌زی مورد نیاز است که منجر به الزامات انرژی هوادهی برای استخرهای میگوی بزرگ(بیش از ¼ هکتار(10 جریب)) به میزان دو تا سه برابر استخرهای گربه‌ماهیان آب شیرین و 1/1 تا 1/5 برابر استخرهای میگوی کوچکتر(کمتر از 0/41 هکتار(1 جریب)) می‌شود.
استخرهای متداول با هوادهی مکانیکی
با شروع از دهه 1980، پرورش‌دهندگان میگو و گربه‌ماهیان هوادهی سطحی استخر را با هواده‌های فواره‌ای یا چرخ پاروئی برقی با توان 1/8 الی 3/7 کیلووات بر هکتار(1 تا 2 اسب بخار در جریب) در استخرهای 2 تا 4 هکتاری(5 تا 10 جریبی) تکمیل کردند(برون و دراپکو، 1991). تحت این شرایط، بازده‌های گربه‌ماهی مشاهده شده برابر با 4.483 تا 7.846 کیلوگرم بر هکتار(4.000 تا 7.000 پوند بر جریب) است. هواده‌های مکانیکی قادر به تامین 0/9 تا 1/2 کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت 1/5 تا 2 پوند اکسیژن بر اسب بخار ساعت) هستند. این استخرهای به اصطلاح متداول(مرسوم) با انرژی هوادهی 1/8 تا 3/7 کیلووات بر هکتار(1 تا 2 اسب بخار در جریب)، 12 تا 24 ساعت در روز کار می‌کنند و معمولاً 1/2 کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت(2 پوند اکسیژن بر اسب بخار ساعت) انتقال می‌دهند. تحت این شرایط، هواده‌ها بین 27 و 108 کیلوگرم بر هکتار روز(24 تا 96 پوند بر جریب روز) اکسیژن با هوادهی سطحی مازاد 30 تا 50 کیلوگرم بر هکتار روز(27 تا 45 پوند بر جریب روز) را تامین می‌کنند که یک شار اکسیژن خالص 57 تا 158 کیلوگرم بر هکتار روز(51 تا 141 پوند بر جریب روز) را فراهم می‌سازند. در تقاضای اکسیژن برای گربه‌ماهیان به میزان 2 درصد وزن بدن در روز، این تامین اکسیژن از ظرفیت حامل گربه‌ماهی 3194 تا 7902 کیلوگرم بر هکتار(2850 تا 7050 پوند بر جریب) حمایت می‌کند و با بازده‌های مشاهده شده در میدان هم‌خوانی دارد. در مقابل، بازده استخر میگو در هوادهی 1/8 تا 3/7 کیلووات بر هکتار(1 تا 2 اسب بخار در جریب) معمولاً در دامنه 1.121 تا 2.914 کیلوگرم بر هکتار(1000 تا 2600 پوند بر جریب) قرار دارد که یک سوم بازده استخرهای گربه‌ماهی آب شیرین در سطوح انرژی هوادهی مشابه است(اونیملک، 2010).
استخرهای نیمه متراکم
تا دهه 1990، پرورش‌دهندگان گربه‌ماهیان و میگو، ظرفیت حامل استخر را با افزایش سطوح توان هوادهی تا 11 الی 19 کیلووات بر هکتار(6 تا 10 اسب بخار در جریب) در استخرهای گربه‌ماهیان و 19 تا 37 کیلووات بر هکتار(10 الی 20 اسب بخار در جریب) در استخرهای میگو ارتقا دادند(توکر و همکاران، 2014). تحت این شرایط، بازدهی گربه‌ماهیان به میزان 11،208 تا 13،450 کیلوگرم بر هکتار(10 هزار الی 10 هزار پوند بر جریب) امکان‌پذیر است، و بازده‌های مشابه در میگوها نیز در دو برابر کردن سطوح انرژی هوادهی حاصل می‌شود. در 11 کیلووات بر هکتار(6 اسب بخار بر جریب) با هواده‌هایی که 12 تا 24 ساعت در روز کار می‌کنند، نرخ انتقال اکسیژن به میزان 161 تا 323 کیلوگرم بر هکتار روز(144 تا 288 پوند بر جریب روز) حاکی از ظرفیت حامل ماهی به میزان 8070 تا 16،140 کیلوگرم بر هکتار(7.200 تا 14.400 پوند بر جریب) است. در استخرهای میگو، ظرفیت حامل معمول در انرژی هوادهی 660 تا 887 کیلوگرم بر کیلووات(1085 تا 1459 پوند بر اسب بخار) تعیین شده‌است(اونیملک، 2020، فائو، 2006؛ موهانتی، 2001) و بازده میگو را در دامنه 12،329 کیلوگرم بر هکتار(10،085 پوند بر جریب) در 19 کیلووات بر ساعت(10 اسب بخار بر جریب) تا 32،706 کیلوگرم بر هکتار(12.000 پوند بر جریب) در 37 کیلووات بر ساعت(20 اسب بخار بر جریب) پیش‌بینی می‌کند. با این وجود، در ظرفیت حامل میگو یا ماهی بیش از 13،450 کیلوگرم بر هکتار(12.000 پوند بر جریب)، مشاهدات میدانی حاکی از آن است که ظرفیت عمل‌آوری در استخرهای مرسوم یا استخرهای با هوادهی بالا قادر به همگامی با نرخ تولید آمونیاک نیست(همان‌گونه که در شکل 7.1 مشاهده می‌شود).
استخرهای فوتواتوتروفیک متراکم
سطوح تغذیه مورد استفاده برای استخرهای گسترده فاقد هوادهی در دامنه 11 تا 22 کیلوگرم بر هکتار روز(10 تا 20 پوند بر جریب روز) است. در سطوح پروتئین غذایی 32 تا 35 درصد و 75 درصد نیتروژن غذایی[6] رها شده در ستون آب، این سطح معادل 0/43 تا 0/94 کیلوگرم نیتروژن بر هکتار روز(0/38 تا 0/84 پوند نیتروژن بر جریب روز)، یا 0/043 تا 0/094 گرم نیتروژن بر مترمربع روز یا 0/43 تا 0/094 میلی‌گرم نیتروژن بر لیتر روز در عمق موثر 1 متر است. در یک نسبت میانگین C/N جلبکی 1 : 5/6، این امر حاکی از نرخ تثبیت جلبکی 0/24 تا 0/53 گرم کربن بر مترمربع روز یا تا میزان 1 گرم کربن بر مترمربع روز با نرخ بازیابی نیتروژن داخلی 100 درصد است. بازیابی نیتروژن معناداری در سیستم‌های آبزی‌پروری متراکم ثبت شده‌است(برون، 2018؛ برون و همکاران، 2003، 2012). در یک عمر سلول جلبکی معمول در استخرهای غیرترکیبی 10 تا 20 روزه، این امر حاکی از غلظت VSS جلبکی 5 تا 20 میلی‌گرم بر لیتر است. در استخرهای مرسوم دارای هوادهی، سطوح تغذیه به 56 تا 112 کیلوگرم بر هکتار روز(50 تا 100 پوند بر جریب روز) می‌رسد که تثبیت جلبکی را تا 2 الی 3 گرم کربن بر مترمربع روز در VSS به میزان 50 تا 100 میلی‌گرم بر لیتر افزایش می‌دهد. همان‌گونه که سطوح تغذیه تا 112 الی 202 کیلوگرم بر هکتار روز(100 تا 180 پوند بر جریب روز) افزایش می‌یابد، سطوح تثبیت کربن 3 تا 4 گرم کربن بر مترمربع روز در VSS جلبکی بیش از 100 میلی‌گرم بر لیتر بسته به عمر سلول جلبکی مشاهده می‌شوند. تلاش‌ها در جهت به کارگیری نیتروژن غذایی در سطوحی فراتر از 202 کیلوگرم بر هکتار روز(180 پوند بر جریب روز) برای استخرهای دارای هوادهی(بدون شستشو) معمولاً موفق نیستند، چنانچه پیکربندی‌های استخر بیشتری قادر به تامین نیتروژن جلبکی بیش از4 تا 6 گرم کربن بر مترمربع روز نیستند.
PAS توسعه یافته در دانشگاه کلمسون[7]، کارولینای جنوبی(شکل 7.2) براساس افزایش حاصل‌خیزی جلبکی در استخرهای جریان سریع آب ایجاد می‌شود که در اصل برای تصفیه فاضلاب در دهه 1960 توسعه یافته بود(اوسوالد، 1988). ترکیب آب با چرخ پاروئی مواجهه جلبکی با نور خورشید را افزایش می‌دهد در حالی که هم‌زمان سرعت آب یکنواخت را در کل استخر تحمیل می‌کند(اسکوارد، 1998) (شکل 7.3). این اثرات نرخ تثبیت کربن جلبکی را تا 6 الی 12 گرم کربن بر مترمربع روز افزایش می‌دهد و یک ظرفیت حامل ماهی را تا 21،296 کیلوگرم بر هکتار(19.000 پوند بر جریب) برای تولید گربه‌ماهیان با 5،044 کیلوگرم بر هکتار بیشتر(4500 پوند بر جریب) برای ماهیان تیلاپیلا فراهم می‌سازد(برون و همکاران، 2012). تحت چنین شرایطی، ماکزیمم سطوح تغذیه ممکن است در 280 کیلوگرم بر هکتار روز(250 پوند بر جریب روز) حفظ شوند. پرورش هم‌زمان تیلاپیلا برای پرورش مستمر جمعیت جلبکی تا سطوح 50 الی 100 میلی‌گرم بر لیتر در میانگین سن جلبکی 5 تا 6 روز به کار می‌رود، در حالی که چیرگی سیانوباکتریایی حذف شده و جمعیت زئوپلانکتون‌ها به حداقل می‌رسد و به این ترتیب جمعیت جلبکی استخر تثبیت می‌شود(برون، 2017).
شکل 7.2. یک PAS جریبی(0/8 هکتاری) در دانشگاه کلمسون تولیدکننده گربه‌ماهیان.
علاوه بر PAS، سایر سیستم‌های فتوسنتزی بهبودیافته شامل استخرهای بخش‌بندی شده و استخرهای نیمه متراکم هستند. این استخرها بیان‌گر تلاشی از جانب پرورش‌دهندگان و محققان در مرکز آبزی‌پروری وارم واتر[8] در استون ویل[9]، میسیسیپی، برای تکثیر ظرفیت حامل PAS در یک طراحی سیستم کم هزینه‌تر هستند(توکر و همکاران، 2014). استخرهای بخش‌بندی شده معمولاً شامل استخرهای پرورش ماهی زمینی با تراکم بالاتر به میزان 0/8 تا 2 هکتار(2 تا 5 جریب) به همراه استخرهای تصفیه پسماند بزرگ 2/4 تا 8/1 هکتاری(6 تا 20 جریب) با استفاده از چرخ‌های پاروئی با حرکت آرام(1 تا 3 دور در دقیقه) یا پمپ‌های محوری برای تبادل آب بین این دو استخر هستند.
شکل 7.3. پروفایل سرعت در یک PAS 2 جریبی(0/8 هکتاری) با سرعت پرخ پره‌دار 1/3 دور در دقیقه.
در WAC، و در دانشگاه کلمسون، مقایسه‌های بین PAS، استخرهای بخش‌بندی شده[10]، استخرهای نیمه متراکم و استخرهای متداول به ترتیب با اندازه‌های 0/8، 2/8، 1/6 و 0/8 هکتاری(2/0، 7/0، 4/0 و 2/0 جریبی) نشان‌دهنده‌ی تراکم پرورش 96، 4، 0/96 و 0/46 کیلوگرم بر مترمکعب(6/0، 0/25، 0/06، و 0/04 پوند بر فوت مکعب) در میانگین نرخ‌های فتوسنتزی 7/5، 5/5، 6/6 و 1/4 گرم کربن بر مترمربع روز در نرخ‌های تغذیه 179 تا 280، 123 تا 280، 94 تا 202 و 67 تا 112 کیلوگرم بر هکتار روز(160 تا 250، 110 تا 250، 84 تا 180 و 60 تا 100 پوند بر جریب روز) هستند. سطوح VSS جلبکی به ترتیب 80 میلی‌گرم بر لیتر تحت تسلط جلبک سبز، 115 میلی‌گرم بر لیتر تحت تسلط سیانوباکتری‌ها، 110 میلی‌گرم بر لیتر تحت تسلط سیانوباکتری‌ها و 100 میلی‌گرم بر لیتر لیتر سیانوباکتری‌های دارای رشد آرام هستند. میانگین تولید ماهی در چهار سیستم به ترتیب برابر با 20175، 12132، 12890 و 8406 کیلوگرم بر هکتار(18.000، 13.500، 11.500 و 7.500 پوند بر جریب) است. در استخرهای نیمه متراکم، تا میزان 20 درصد نیتروژن افزوده از طریق نیتریفیکاسیون حذف شد. مزیت اصلی استخر بخش‌بندی شده، تامین 75 درصد ظرفیت تولید PAS با 50 درصد هزینه است. افزایش نیتریفیکاسیون در استخرهای نیمه متراکم بیان‌گر شروع انتقال از پرورش جلبکی به پرورش شوره‌ساز است که حاصل‌خیزی جلبکی لازم از حد استخر 5 تا 6 گرم کربن بر مترمربع روز فراتر می‌رود. استخرهای نیمه متراکم فاقد سرعت آب یکنواخت PAS هستند و بنابراین حاصل‌خیزی جلبکی در مقدار تقریبی 6 گرم کربن بر مترمربع روز در همگامی با بارگیری نیتروژن ناموفق است؛ در نتیجه، تولید زیست توده میکروبی شوره‌ساز تاثیرگذار خواهد بود.
آبزی‌پروری فوق متراکم
در طی 20 سال گذشته، محققان، پرورش‌دهندگان و سرمایه‌گذاران آبراهه‌های محصور در گل‌خانه و استخرهای لایه‌دار با قابلیت تولید بازده‌های 39،230 تا 50،438 کیلوگرم بر هکتار(35 هزار تا 45 هزار پوند بر جریب) را نصب کرده‌اند. در چنین سیستم‌هایی، نرخ تغذیه ممکن است از 897 کیلوگرم بر هکتار روز(800 پوند بر جریب روز) فراتر رود و یک بارگذاری کربن آلی مازاد بیش از 40 گرم کربن بر مترمربع روز رخ دهد که سطحی فراتر از حدود حاصل‌خیزی جلبکی پایدار کاربردی 12 گرم کربن در مترمربع روز است. در چنین مواردی، به کارگیری تکنیک‌های تصفیه بیولوژیکی جایگزین مانند واکنش‌گرهای شوره‌ساز لایه ثابت(فیلترهای چکنده) یا واکنش‌گرهای میکروبی پرورش معلق، تحت عنوان سیستم‌های بیوفلاک، ضرورت می‌یابد. فیلترهای چکنده به لحاظ اقتصادی در پرورش بیشتر باله ماهیان به علت پتانسیل چگالی‌های حجمی بالاتر در ماهیان، برخلاف سیستم‌های پرورش میگو، مطلوب است. در سیستم‌های پرورش ماهیان، تراکم ماهیان به میزان 96 کیلوگرم بر مترکعب(6 پوند بر فوت مکعب) با عمق 1 متر منجر به بارگذاری‌های نیتروژن 70 تا 80 میلی‌گرم نیتروژن بر لیتر روز می‌شود. این سطح از بارگذاری نیتروژن ممکن است در فیلتر چکنده 10 تا 50 درصد حجم پرورش ماهیان حذف شود. از سوی دیگر، پرورش میگو معمولاً دوبعدی است و در تراکم‌های پرورش میگوی فوق متراکم 3/6 تا 4/5 کیلوگرم بر مترمربع (8 تا 10 پوند بر مترمربع)، در بارگذاری نیتروژن غذایی 3 تا 4 میلی‌گرم نیتروژن بر لیتر، رخ می‌دهد. این سطح از بارگذاری نیتروژن را می‌توان با 200 الی 400 گرم زیست توده میکروبی در هر مترمکعب حذف کرد، درحالی که یک فیلتر چکنده مستلزم ده برابر پمپاژ آب و بارگیری برای تصفیه آمونیاک در نرخی مشابه با سیستم بیوفلاک میگو است. در نتیجه، تصفیه بیوفلاک به لحاظ اقتصادی در پرورش میگو با استفاده از سیستم‌های شوره‌ساز یا سیستم‌های هتروتروفیک مطلوب است. در سیستم‌های بیوفلاک، پرورش حیوان آبزی و تصفیه آب غالباً در همان ردپای آب رخ می‌دهد که برخلاف عملیات تصفیه آب جداگانه مانند فیلترهای زیستی لایه ثابت یا ستون‌های تبادل گاز است. تصفیه آب در این سیستم‌ها ممکن است شامل ترکیبی از رشد میکروبی سلول معلق و یا سایر واکنش‌های واسطه میکروبی از جمله فتوسنتز، نیتریفیکاسیون، دنیتریفیکاسیون و یا رشد باکتریایی هتروتروفیک باشد.
سیستم‌های بیوفلاک شوره‌ساز فوق متراکم
اثبات شده‌است که سیستم‌های بیوفلاک شوره‌ساز بازده میگوی 39،230 تا +44،834 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(35 هزار تا 45 هزار پوند بر جریب در هر چرخه) دارند. چرخه‌های شوره‌ساز معمولاً در دامنه 120 تا 150 روز قرار دارند که میگوی اندازه بزرگ(20 تا 25 گرم) تولید می‌کنند(برون، 2018). نرخ بارگذاری غذا در دامنه 785 تا 1121 کیلوگرم بر هکتار روز(700 تا 1000 پوند بر جریب روز) قرار دارد. در ظرفیت حامل 44،834 کیلوگرم بر هکتار(40 هزار پوند بر جریب)، دامنه‌ی تقاضای اکسیژن سیستم از 573 تا 897 کیلوگرم اکسیژن بر هکتار روز(600 تا 800 پوند اکسیژن بر جریب روز) است. با هوادهی پیوسته و 1/2 کیلوگرم اکسیژن انتقال یافته در هر کیلووات ساعت(2 پوند اکسیژن بر هکتار ساعت)، تقاضای هوادهی پیش‌بینی‌شده برابر با 31 کیلووات بر هکتار(16/6 اسب بخار بر جریب) است؛ با این وجود، تجربه عملی نشان می‌دهد که نیازمندی‌های انرژی میدانی 93 تا 112 کیلووات بر هکتار(50 تا 60 اسب بخار بر جریب) از افزایش زیست توده میگو حمایت می‌کنند(برون، 2017). این الزام سه وجهی ورودی انرژی احتمالاً ناشی از نیاز به حفظ ترکیب آب کامل است که تعلیق VSS و تصفیه آب را تضمین می‌کند. متکالف و ایدی اینک(2003) پیشنهاد می‌دهند که 131 تا 262 کیلووات بر هکتار(70 تا 140 اسب بخار بر جریب) برای حفظ شرایط ترکیب کامل در تالاب‌های هوازی، سه برابر انرژی برای هوادهی مجدد مورد نیاز است. گارسیا و برون(1991) پیشنهاد دادند که این انرژی ترکیبی دو تا سه برابر نسبت به نیازمندی هوادهی برای حمایت از استخرهای بزرگ میگو(2 تا 4 هکتار(5 تا 10 جریب )) و 1/5 تا 2 برابر با استخرهای کوچک (0/4 تا 0/8 هکتار(1 تا 2 جریب))، به منظور حفظ انتقال اکسیژن به جمعیت‌های میگوی کف‌زی و حفظ تعلیق VSS ضروری است. در چنین سیستم‌هایی، ترکیب VSS و توزیع یکنواخت اکسیژن محدودکنندگی بیشتری نسبت به نرخ انتقال اکسیژن واقعی دارد.
سطوح معمولی VSS در سیستم‌های شوره‌ساز فوق متراکم در دامنه 200 تا 400 میلی‌گرم بر لیتر قرار دارند و مقدار بهینه 300 میلی‌گرم بر لیتر VSS است که با حذف آمونیاک همگام است، در حالی که تقاضای مازادی برای اکسیژن تحمیل نمی‌کند. با این وجود، نرخ برداشت آمونیاک ممکن است در سطوح کاهشی 70 تا 80 میلی‌گرم بر لیتر در زمان برداشت تهاجمی جامدات با استفاده از جت‌های هوا در مخازن به همراه تخلیه به فیلترهای مهره‌ای حفظ شود(پی.ار.مک اینتاچ، کارون پوکفاند، بانگوک، تایلند، 2019). نرخ‌های برداشت آمونیاک مشاهده شده در میدان بین 0/02 و 0/05 میلی‌گرم نیتروژن بر گرم VSS روز است(برون، 2007). در مقابل، نرخ‌های برداشت آمونیاک مشاهده شده در سیستم‌های شوره‌ساز فاضلاب معمولاً در دامنه 0/07 و 0/09 میلی‌گرم بر نیتروژن بر گرم VSS روز قرار دارند(متکالف و ایدی اینک، 2003؛ اسکیبل و همکاران، 1993) که نشان می‌دهد زیست توده شوره‌ساز 22 تا 55 درصد کل زیست توده میکروبی در سیستم‌های آبزی‌پروری شوره‌ساز فوق متراکم است. در مقابل، در سیستم نمونه اولیه مک اینتاچ (در 70 تا 80 میلی‌گرم بر لیتر)، زیست توده شوره‌ساز احتمالاً به 80 تا 100 درصد کل زیست توده میکروبی نزدیک می‌شود. در 300 میلی‌گرم بر لیتر VSS، نرخ جذب آمونیاک بالقوه 6 تا 15 میلی‌گرم نیتروژن بر لیتر روز خواهد بود. در یک نرخ مصرف غذای پروتئینی 35 درصد به میزان 897 کیلوگرم بر هکتار روز(800 پوند بر جریب روز)، انتظار می‌رود که بارگذاری نیتروژن 5 میلی‌گرم بر لیتر روز باشد که درست در محدوده ظرفیت میکروبی پیش‌بینی شده قرار دارد. تولید جامدات از نیتریفیکاسیون در دامنه 0/1 تا 0/2 میلی‌گرم VSS بر میلی‌گرم نیتروژن حذف شده قرار دارد. بنابراین، انباشت مورد انتظار زیست توده شوره‌ساز تقریباً 1/0 میلی‌گرم بر لیتر روز است. در سطح جامدات 300 میلی‌گرم بر لیتر، میانگین نرخ برداشت جامدات برابر با 1/300 حجم پرورش در هر روز پیش‌بینی می‌شود. در مقابل، نرخ تولید جامدات از تولید مدفوع میگو حدود 20 درصد غذا یا 27 میلی‌گرم بر لیتر روز است که نشان می‌دهد برداشت زیست توده شوره‌ساز یک الزام اساسی به شمار نمی‌رود.
سیستم‌های بیوفلاک هتروتروفیک فوق متراکم
سیستم‌های بیوفلاک هتروتروفیک مستلزم ورودی مکمل آلی خارجی علاوه بر مصرف غذا هستند. در این مورد، برداشت آمونیاک از طریق جذب نیتروژن برای ساخت زیست توده میکروبی با استفاده از انرژی کربوهیدرات اضافه محقق می‌شود. همانند مورد NS، تولید میگو بیش از 44،834 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(40 هزار پوند بر جریب در هر چرخه) قابل حصول است. برودی و همکاران(2012) یک عامل پیش‌بینی را برای مکمل آلی بصورت زیر ارائه می‌دهند:
2) مکمل آلی(گرم) = (غذا) × (درصد نیتروژن) × 20 × (درصد نیتروژن دفع شده)
در 897 کیلوگرم غذا در هکتار روز(800 پوند بر جریب روز) و پروتئین 35 درصد، با 75 درصد نیتروژن دفع شده، این عدد 84 درصد 897 کیلوگرم(800 پوند) یا 754 کیلوگرم آلی بر هکتار روز(672 پوند آلی بر جریب روز) برای مصرف غذای کامل + آلی به میزان 1650 کیلوگرم بر هکتار روز(1472 پوند بر جریب روز) است. تقاضای اکسیژن ترکیبی غذای ماهی و میگو و مکمل آلی در دامنه 0/8 تا 1/25 کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم غذا قرار دارد(برون و دراپکو، 1991؛کاتویجیتیکول و همکاران، 2017). بنابراین، در 1/0 کیلوگرم اکسیژن بر کیلوگرم مکمل آلی اضافه شده، و در نرخ افزایش اکسیژن 1/2 کیلوگرم اکسیژن بر کیلووات ساعت(2/0 پوند اکسیژن بر اسب بخار ساعت)، این امر بیان‌گر نیازمندی هوادهی 56 کیلووات ساعت(30 اسب بخار بر جریب) است. با این وجود، همانند موارد پیشین نیازمندی‌های هوادهی میگوی مشاهده شده، انرژی واقعی مورد نیاز دو تا سه برابر نیازمندی اکسیژناسیون یا 112 الی 168 کیلووات بر هکتار(60 تا 90 اسب بخار بر جریب) است. مت کالف و ایدی اینک (2003)، 0/004 تا 0/008 کیلووات بر مترمکعب(0/5 تا 1/0 اسب بخار در هزار فوت مربع) را به منظور پیشگیری از ته‌نشینی جامدات در واکنش‌گرهای لجنی فعال توصیه می‌کند، که به 133 تا 267 کیلووات بر هکتار(71 تا 143 اسب بخار بر جریب) در تالاب‌های تصفیه فاضلاب به عمق 3 متر تبدیل می‌شود. مزیت اصلی پرورش هتروتروفیک، نرخ رشد سریع میکروب‌های هتروتروفیک است که کنترل تقریباً آنی سطوح آمونیاک را فراهم می‌سازد. رشد هتروتروفیک، بارگذاری جامدات میکروبی بیشتری تا میزان 50 درصد جرم افزایش کربوهیدرات را می‌افزاید. در مثال ارائه شده در بالا، این مقدار معادل 38 میلی‌گرم بر لیتر روز VSS علاوه بر 27 میلی‌گرم بر لیتر VSS از پسماند مدفوع میگو است که 65 میلی‌گرم بر لیتر جامدات را اضافه می‌کند که باید هر روز برداشته شوند یا 20 درصد سطوح پایدار VSS که بسیار متفاوت از نیازهای برداشت و تصفیه جامدات سیستم شوره‌ساز است.
سیستم‌های میکروبی ترکیبی و انتقالی
همان‌گونه که پیش از این ذکر شد، اندازه‌گیری فتوسنتز و نیتریفیکاسیون در سیستم‌های تولید فوق متراکم گربه‌ماهیان نشان داد که تا 20 درصد بارگذاری نیتروژن از طریق نیتریفیکاسیون رخ می‌دهد(برون و همکاران، 2015). در این استخرها، 11 تا 19 کیلووات بر هکتار(6 تا 10 اسب بخار در جریب) برای حصول اطمینان از ترکیب کامل حجم استخر ناکافی است. در نتیجه، ماکزیمم فتوسنتز پایدار معمولاً از 6 گرم کربن بر مترمربع روز فراتر نمی‌رود. تحت چنین شرایطی، افزایش غلظت آمونیاک به نفع توسعه جمعیت‌های شوره‌ساز است. مک اینتاچ (2001) داده‌هایی را ارائه داد که حاکی از موفقیت استخرهای فوق متراکم اولیه‌است که وابسته به جمعیت‌های میکروبی شوره‌ساز و هتروتروفیک در حفظ کنترل سطوح آمونیاک انباشته‌است. ظاهر بصری سبز رنگ این استخرها حاکی از آن است که جمعیت‌های جلبکی نیز وجود داشته‌اند، اما احتمالاً به بخش عمده‌ی تصفیه آمونیاک کمکی نکرده‌اند. این استخرها، همانند بیشتر سیستم‌های پرورش متراکم و فوق متراکم، شامل ترکیبی از انواع میکروبی هستند.
در آزمایش‌های تولید میگو در دانشگاه کلمسون، کرک(2010) و کرک و برون(2011) غلظت‌های VSS ستون آب، فتوسنتز ناخالص و خالص و هم‌چنین رنگ ظاهری سیستم پرورش را بصورت تابعی از بارگذاری غذا کمی‌سازی کردند(شکل‌های 7.4، 7.5 و 7.6). مشاهده شد که فتوسنتز خالص در 13/8 گرم کربن بر مترمربع روز در بارگذاری غذایی 179 تا 247 کیلوگرم بر هکتار روز(160 تا 220 پوند بر جریب روز) به اوج خود می‌رسد. در طی این دوره انتقالی، سطوح VSS ستون آب از 80 میلی‌گرم بر لیتر به تقریباً 400 میلی‌گرم بر لیتر افزایش یافت. زمانی که سطوح غذا تا 673 کیلوگرم بر هکتار روز(600 پوند بر جریب روز) افزایش یافتند، رنگ سبز زیست توده جلبکی دیگر با چشم غیرمسلح قابل رویت نبود، علی‌رغم اینکه سطح پایین ماندگاری از فتوسنتز در مرتبه 1 تا 2 گرم کربن بر مترمربع روز وجود داشت. این مشاهدات حاکی از منشأ و ماهیت اختراع آبزی‌پروری فوق متراکم غیرفتوسنتزی هستند. در سطوح تغذیه‌ای که از تثبیت کربن و نیتروژن در سیستم‌های فتوسنتز بهبودیافته فراتر می‌روند(6 تا 12 گرم کربن بر مترمربع روز)، افزایش سطوح آمونیاک سیستم، نیروی محرک‌های را برای افزایش و تجمع رشد میکروبی شوره‌ساز فراهم می‌سازد. اگر ماده آلی کافی در ستون آب از غذای معلق خورده نشده، ماده مدفوع یا مواد آلی با مکمل عامدانه موجود باشد، جمعیت‌های میکروبی توسط جمعیت‌های هتروتروفیکی رشد سریع‌تر به سمت چیرگی سوق مییابند.
شکل 7.4. بیوفلاک شوره‌ساز و فتوسنتزی در یک سیستم تولید میگوی فوق متراکم در دانشگاه کلمسون. (A) PAS میگو در ماکزیمم نرخ فتوسنتز 20 گرم کربن بر مترمربع روز. (B) بیوفلاک: لجن فعال رقیق.
شکل 7.5. (A) غلظت جامدات فرار در مقابل نرخ مصرف غذا، و(B) تثبیت کربن فتوسنتزی در مقابل کربن غذای مورداستفاده در سیستم‌های تولید میگوی متراکم و فوق متراکم.
شکل 7.6. رنگ آب در یک سیستم پرورش میگو در نرخ‌های تغذیه در دامنه 112 تا 1009 کیلوگرم بر هکتار روز(100 تا 900 پوند بر جریب روز).
سرنوشت نیتروژن و تاثیر آن بر قلیایی بودن سیستم
در بیشتر سیستم‌های پرورش استخری، سرنوشت نهایی نیتروژن فراتر از میزان برداشت شده در ماهیان یا میگوها از طریق دنیتریفیکاسیون و از دست رفتن گاز نیتروژن از ناحیه بی اکسیژن در رابطه آب استخر هوازی و رسوب غیرهوازی رخ می‌دهد(شکل 7.7).
در HS فوق متراکم، توده نیتروژن به لجن میکروبی انتقال خواهد یافت که باید یا تصفیه شود یا بصورت کود محصول بالقوه دفع شود یا از طریق پرورش حیوان آبزی جذب شود که محصولات فرعی ارزشمندی را ایجاد می‌کند. در NS، توده نیتروژن به نیترات تبدیل می‌شود که در آب پرورش تجمع می‌کند و یا بایستی برای کاربری زمین برداشته شود که در مورد سیستم‌های آب شور دشوار است، یا در یک واکنش‌گر دنیتریفیکاسیون تصفیه شود. در دانشگاه کلمسون و در دانشگاه میزوری، مخازن ته‌نشینی لجن قادر به تحقق هدف مضاعف برداشت جامدات میکروبی مازاد بودند و بعنوان واکنش‌گرهای دنیتریفیکاسیون کم هزینه عمل می‌کردند(برون، 2017، 2018). یک مزیت اضافه دنیتریفیکاسیون این است که این فرایند جایگزین قلیائیت از دست رفته در فرایند نیتریفیکاسیون می‌شود.
یک سیستم پرورش یکپارچه نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون مستلزم جایگزینی قلیائی نیست. در مقابل، یک سیستم تولیدکننده‌ی 44،834 کیلوگرم بر هکتار(40 هزار پوند بر جریب) میگو که نیازمند 89،668 کیلوگرم بر هکتار(80 هزار پوند بر جریب) غذایی پروتئین 35 درصد است مستلزم 22،417 کیلوگرم بر هکتار(20 هزار پوند بر جریب) NaHCO3 برای خنثی کردن تولید اسید از واکنش‌های نیتریفیکاسیون است(برون، 2018).
شکل 7.7. نرخ بارگذاری و سرنوشت نیتروژن در یک سیستم تولید میگوی نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون در 897 کیلوگرم بر هکتار روز(800 پوند بر جریب روز) مصرف غذا.
هزینه‌ی تولید
کومار و اینگل(2017) به تازگی نشان داده‌اند که هزینه‌های تولید گربه‌ماهیان در استخرهای نیمه متراکم در سطوح هوادهی 11 تا 19 کیلووات بر هکتار(6/0 تا 10/0 اسب بخار بر جریب) در دامنه 1/85 دلار تا 2/16 دلار آمریکا بر کیلوگرم(0/84 تا 0/98 دلار آمریکا بر پوند) قرار دارد، در حالی که هزینه دامنه‌ای از استراتژی‌های تولید گربه‌ماهیان در دامنه 1/96 تا 2/84 دلار آمریکا در کیلوگرم(0/89 تا 1/29 دلار آمریکا بر پوند) قرار دارد(جانسون و همکاران، 2014). کومار و اینگل(2017)، هزینه‌های 3/75 تا 8/40 دلار آمریکا بر کیلوگرم(1/70 تا 3/81 دلار آمریکا بر پوند) را برای بازده‌های تولید سیستم میگو از سال 2018 به میزان 10،088 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(1800 تا 9000 پوند بر جریب در هر چرخه) پیشنهاد دادند. هانسون و همکاران(2014) هزینه‌های تولید 7/21 دلار آمریکا بر کیلوگرم(3/27 دلار آمریکا بر پوند) برای تولید میگوی بیوفلاک فوق متراکم در 39،230 کیلوگرم بر هکتار در هرچرخه(35 هزار پوند بر جریب در هر چرخه) را گزارش کردند.
یک بودجه شرکتی ارائه شده در همین اواخر(شکل 7.8)، هزینه‌ی تولید میگو در سیستم‌های فوتواتوتروفیک فوق متراکم، شوره‌ساز و هتروتروفیک را مقایسه می‌کند. دوازده پیکربندی سیستم مقایسه شده‌اند که حاصل‌خیزی آن‌ها در دامنه 10.984 تا 50.438 کیلوگرم بر هکتار در هر چرخه(9.800 تا 45.000 پوند بر جریب در هرچرخه) با زمآن‌های چرخه‌ی 80 تا 120 روز قرار دارد. دامنه‌ی هزینه‌های پیش‌بینی شده بین 8/00 دلار آمریکا و 14/66 دلار آمریکا در هر کیلوگرم(3/63 تا 6/65 دلار آمریکا در هر پوند) قرار دارد و هزینه‌های NS و HS در 50،438 کیلوگرم بر هکتار در چرخه(45 هزار پوند بر جریب در هر چرخه 120 روزه) مشابه با 8/00 دلار آمریکا در هر کیلوگرم میگو(3/63 دلار آمریکا در هر پوند میگو) هستند(شکل 7.8) که با هزینه‌های تولید میگوی نیمه متراکم آسیایی به میزان 6/06 دلار در آمریکا هر کیلوگرم(2/75 دلار آمریکا در هر پوند) قابل مقایسه هستند و با قیمت‌های خرده‌فروشی 7/71 تا 20/94 دلار آمریکا در هر کیلوگرم(3/50 تا 9/50 دلار آمریکا در هر پوند) متضاد هستند.
شکل 7.8. هزینه‌ی میگوی تولید شده در 12 سیستم مختلف پرورش میگوی هتروتروفیک، شوره‌ساز و فوتواتوتروفکی فوق متراکم.
پایداری سیستم
یکی از مزایای آبزی‌پروری فوق متراکم، پتانسیل تامین سیستم‌های تخلیه صفر، حذف تخلیه آب و لجن از طریق تبدیل تولید زیست توده میکروبی به محصولات جانبی مفید است.
شکل 7.9. تبدیل جامدات میکروبی هتروتروفیک مازاد در پرورش میگو به محصولات جانبی میگوی آب شور و تیلاپیلا
شکل 7.10. تبدیل جامدات جلبکی مازاد در پرورش میگو به محصولات جانبی میگوی آب شور و تیلاپیلا
شکل 7.11. سرمایه‌گذاری انرژی در میگوها، پیش‌بینی شده برای 12 سیستم مختلف فوق متراکم.
جامدات تولید شده از پرورش استخری معمولاً در کف استخر ته‌نشین شده و بصورت غیرهوازی تجزیه می‌شوند و آمونیاک و ترکیبات آلی را مجدد در ستون آب آزاد می‌کنند و به نیازهای هوادهی و تصفیه آب می‌افزایند. با این وجود، تولید VSS از سیستم‌های فوق متراکم را می‌توان به پرورش‌های تغذیه فیلتری مانند میگوهای آب شور یا تیلاپیلا منحرف کرد که نیاز به تخلیه آب یا لجن و دفع را برطرف می‌کند و می‌تواند درآمد مازاد را بعنوان جایگزین پودر ماهی یا محصولات غذایی دریایی انسانی بیشتر تولید کند. علی‌رغم نیاز به انرژی بالا برای ترکیب و هوادهی در سیستم‌های فوق متراکم، به علت حاصل‌خیزی بالا در هر واحد سطح، نیازمندی انرژی در هر کیلوگرم محصول در این سیستم‌ها می‌تواند کمتر از 3/6 کیلووات ساعت بر کیلوگرم(8 کیلووات ساعت بر پوند) مورد نیاز برای تولید جوجه باشد(شکل 7.11).
نتیجه‌گیری
در طی 50 سال گذشته، بهره‌وری آبزی‌پروری از 1.121 تا 2.242 کیلوگرم بر هکتار(1.000 تا 2.000 پوند بر جریب) به بیش از 50،438 کیلوگرم بر هکتار(45.000 پوند بر جریب) با افزودن سطوح افزایشی هوادهی از 1/9 تا 3/7 کیلووات بر هکتار(1 تا 2 اسب بخار بر جریب) تا میزان 168 کیلووات بر هکتار(90 اسب بخار بر جریب) یا حتی بیشتر رسیده‌است. سطوح طبیعی حاصل‌خیزی جلبکی معمولاً سطوح آمونیاک در استخرهای پرورش ماهی سنتی یا گسترده را کنترل می‌کنند، اما زمانی که بارگذاری غذا از 112 کیلوگرم بر هکتار روز(100 پوند بر جریب روز) فراتر می‌رود، حاصل‌خیزی جلبکی استخر نمی‌تواند همگام با برداشت آمونیاک و نیازمندی‌های تثبیت کربن پیش برود. بهبود تکنیک‌های فتوسنتزی مانند PAS و استخرهای بخش‌بندی شده امکان بارگذاری غذا به میزان بیش از 224 کیلوگرم بر هکتار روز(200 پوند بر جریب روز) را فراهم می‌سازد که از تولید ماهی به میزان بیش از 11،209 تا 15،692 کیلوگرم بر هکتار(10 هزار تا 14 هزار پوند بر جریب) در نرخ‌های تثبیت جلبکی 6 تا 12 کربن بر مترمربع روز حمایت می‌کند. حاصل‌خیزی فراتر از ظرفیت رشد جلبکی پایدار مستلزم سیستم‌های پرورشی است که از رشد میکروبی هتروتروفیک و یا شوره‌ساز برای همگام شدن با بارگذاری نیتروژن در نرخ‌های تغذیه فراتر از 673 تا 897 کیلوگرم بر هکتار روز(600 تا 800 پوند بر جریب روز) استفاده می‌کند. علی‌رغم مصرف بالای انرژی و افزایش نرخ تغذیه، آبزی‌پروری فوق متراکم، پتانسیل تامین تولید غذای دریایی پایدار برحسب انرژی و نیازمندی‌های آب در هر واحد زیست توده آبزی تولید شده را فراهم می‌سازد. سیستم‌های فوق متراکم یکپارچه، برداشت و تبدیل زیست توده میکروبی مورد استفاده برای حفظ کیفیت آب، می‌توانند محصولات جانبی باارزشی را فراهم سازند، در حالی که به طور هم‌زمان تخلیه آب یا پسماند در محیط را کاهش داده یا حتی حذف می‌کنند.
