تعریف فیلتراسیون زیستی
بیوفیلتراسیون (فیلتراسیون زیستی) یکی از اجزای کلیدی در سیستم‌های آکواپونیک است که نقش حیاتی در حفظ کیفیت آب و سلامت موجودات زنده ایفا می‌کند بیوفیلتراسیون فرآیندی زیستی است که در آن میکرو ارگانیسم‌های مفید، به ویژه باکتری‌های نیتریفیکاسیون، مواد آلی و نیتروژنی مانند آمونیاک را به ترکیبات کم ضررتر مانند نیترات تبدیل می‌کنند. این نیترات‌ها سپس توسط گیاهان جذب شده و به رشد آن‌ها کمک می‌کنند.
فیلتراسیون زیستی در سیستم آکواپونیک
بیوفیلتراسیون فرآیندی زیستی است که در آن میکروارگانیسم‌های مفید (مانند باکتری‌های نیتریفیکاسیون) مواد زائد نیتروژنی مانند آمونیاک را تجزیه کرده و به ترکیبات کم‌ضررتر تبدیل می‌کنند.
فرآیند نیتریفیکاسیون
- مرحله اول: تبدیل آمونیاک (NH₃) به نیتریت (NO₂⁻) توسط باکتری‌های Nitrosomonas
- مرحله دوم: تبدیل نیتریت به نیترات (NO₃⁻) توسط باکتری‌های Nitrobacter
این فرآیند نه‌تنها از تجمع مواد سمی جلوگیری می‌کند، بلکه مواد مغذی مورد نیاز گیاهان را نیز فراهم می‌سازد.
مراحل نیتریفیکاسیون
- تولید آمونیاک: ماهی‌ها از طریق دفع مواد زائد، آمونیاک تولید می‌کنند.
- تبدیل آمونیاک به نیتریت: باکتری‌های Nitrosomonas این مرحله را انجام می‌دهند.
- تبدیل نیتریت به نیترات: باکتری‌های Nitrobacter نیتریت را به نیترات تبدیل می‌کنند که توسط گیاهان جذب می‌شود.
نقش فیلتراسیون زیستی در سیستم آکواپونیک
- تصفیه طبیعی آب بدون نیاز به مواد شیمیایی
- تأمین نیترات برای گیاهان به عنوان کود طبیعی
- کاهش نیاز به تعویض آب و حفظ تعادل زیستی پایدار
- افزایش سلامت ماهی‌ها و رشد بهتر گیاهان
انواع مدیای بیولوژیکی مورد استفاده در سیستم آکواپونیک
- سرامیک‌های متخلخل
- اسفنج‌های بیولوژیکی
- بیوبال‌ها (توپ‌های پلاستیکی با سطح تماس بالا)
اجزای بیوفیلتر در سیستم آکواپونیک
- مدیای بیولوژیکی: شامل بیوبال‌ها، سرامیک‌های متخلخل، اسفنج‌ها و سنگ‌های آتشفشانی
- اکسیژن‌رسانی مناسب: برای فعالیت مطلوب باکتری‌ها
- جریان مناسب آب: برای تماس مؤثر بین آب و مدیای بیولوژیکی
راه‌اندازی بیوفیلتر در سیستم آکواپونیک
- انتخاب مدیای مناسب با سطح تماس بالا
- راه‌اندازی چرخه نیتریفیکاسیون قبل از ورود ماهی‌ها
- تأمین اکسیژن کافی برای فعالیت میکروارگانیسم‌ها
مکانیسم عملکرد بیوفیلتر یک واحد آکواپونیک
اساس مکانیسم عملکرد واحد آکواپونیک به این صورت است که:
آب از منبع پرورش ماهی به سمت فیلترها و بستر کشت گیاهان حرکت نموده و پس از بازچرخانی آب در یک سیستم مداربسته مجددا به حوضچه پرورش ماهی باز می‌گردد. در طراحی یک واحد آکواپونیک در ابتدا حوضچه‌های پرورش ماهی، سیستم فیلتراسیون (فیلترمکانیکی-فیلترزیستی) و بستر کشت گیاهان قرار داده شده است. در اولین مرحله فیلتراسیون سیستم آکواپونیک، آب حاوی پسماندها و ذرات جامد معلق حوضچه پرورش ماهی از فیلترمکانیکی عبور کرده و درطی این عمل، ذرات جامد معلق از آب در حال گردش جدا و پس از تصفیه کامل به سمت فیلتر زیستی هدایت می‌شود. در فیلترزیستی طی پدیده نیتریفیکاسیون آمونیاک محلول در آب که برای محیط پرورش آبزیان یک ماده سمی محسوب می شود، توسط باکتری‌های نیتروزوموناس به نیتریت و سپس نیتریت توسط باکتری های نیتروباکتر به نیترات قابل‌جذب برای گیاهان تبدیل می‌شود. در این مرحله آب حاوی مواد مغذی ضروری و نیترات قابل جذب توسط ریشه گیاه به سمت بستر کشت گیاهان حرکت کرده و پس از جذب مواد غذایی توسط گیاه مجدداً به حوضچه پرورش بازمی‌گردد.
فرایند نیتریفیکاسیون (Nitrification) مهم‌ترین عمل بیولوژیک درآکواپونیک است. برای رشد گیاهان وجود نیتروژن بسیار ضروری بوده و نیتروژن موجود درهوا برای گیاهان قابل جذب نیست. نیترات به خوبی توسط گیاهان جذب شده و در طبیعت نیترات موردنیاز آن‌ها به کمک برخی باکتری‌ها و از تبدیل آمونیاک به دست می‌آید. در یک سیستم آکواپونیک، پسماندهای حاصل از آبزیان، منبع عظیمی از آمونیاک و نیتریت را تولید و برای تبدیل آمونیاک به نیتریت و نیترات قابل جذب توسط گیاهان درسیستم آکواپونیک هم باید باکتری‌های مفید (باکتری‌های AOB و باکتری‌های NOB) وجود داشته باشند و هم شرایط لازم برای رشد و تکثیر آن‌ها فراهم باشد. در نتیجه لازم است که طراحی سیستم کشت گیاه و حوضچه پرورش ماهی بر اساس نیاز باکتری‌ها صورت بگیرد.
آموزش طراحی سیستم فیلتراسیون زیستی در سیستم اکواپونیک
میزان فیلتراسیون مورد نیاز یک واحد اکواپونیک براساس مقدار غذای روزانه مورد مصرف در سیستم طراحی می‌شود. شرایط بیوفیلتر به نوع مواد بستر آن وسطح مورد پوشش آن‌ها بستگی دارد. در سطوح بالاتراجتماع کلونی باکتری‌ها وسیع‌تر و در نتیجه نرخ تبدیل آمونیاک به نیترات افزایش می‌یابد. در نتیجه دو عامل اساسی در طراحی بیوفیلتر باید در نظر گرفته شود.
- مقدار پروتئین غذای ماهی
- نرخ تبدیل آمونیاک به نیترات توسط باکتری‌ها
آمونیاک توسط متابولیسم پروتئین تولید می‌شود و مقدارآمونیاک در آب به عوامل مختلفی شامل کیفیت و کمیت پروتئین یا آمینواسیدها درغذا، میزان هضم و جذب غذا ، گونه ماهی، دما و خروج پسماندهای جامد از حوضچه پرورش ماهی بستگی دارد.
به طور متوسط 30 درصد میزان پروتئین موجود درغذا توسط ماهی جذب و 70 درصد آن دفع می‌گردد که از این مقدار دفع شده 15 درصد به صورت غذای هضم نشده و 55 درصد آن به صورت آمونیاک خارج می‌گردد. به علاوه مقدار آمونیاک تولیدی توسط پسماندهای جامد در حوضچه پرورش ماهی معادل 6 درصد پروتئین غذا است که در نهایت 61 درصد پروتئین موجود درغذا تبدیل به آمونیاک شده و وارد مرحله نیتریفیکاسیون می‌گردد.
مزایای بیوفیلتراسیون در سیستم آکواپونیک
- کاهش آمونیاک و نیتریت سمی
- تأمین نیترات برای گیاهان
- کاهش نیاز به تعویض آب
- افزایش سلامت ماهی‌ها و رشد گیاهان
- حفظ تعادل اکولوژیکی سیستم
چالش‌ها و راهکارها
- راه‌اندازی چرخه نیتریفیکاسیون: نیاز به زمان و شرایط پایدار
- حساسیت به تغییرات دما و pH: باید کنترل شود.
- تجمع مواد جامد: نیاز به پیش‌فیلتراسیون مکانیکی
نتیجه‌گیری
بیوفیلتراسیون قلب تپنده سیستم‌های آکواپونیک است. بطوریکه بدون عملکرد فیلتراسیون زیستی کیفیت آب به سرعت کاهش می‌یابد و سلامت موجودات زنده به خطر می‌افتد. طراحی مناسب، انتخاب مدیای مؤثر و مدیریت دقیق می‌تواند عملکرد این سیستم را بهینه کند و بهره‌وری آن را افزایش دهد.