مقدمه
جمعیت جهان به‌طور پیوسته در حال افزایش است و کاهش آن در آینده نزدیک پیش‌بینی نمی‌شود. در نتیجه، تقاضای جهانی برای پروتئین‌های باکیفیت به‌طور مستمر افزایش خواهد یافت. هم‌اکنون نیز به دلیل فقدان امنیت غذایی و محدودیت منابع، شمار افرادی که در سراسر جهان آواره می‌شوند، بیش از هر زمان دیگری است. افزون بر این، پیامدهای رویه‌های تجاری ناعادلانه کشورهای صنعتی و پیامدهای تغییرات اقلیمی جهانی، این وضعیت را وخیم‌تر خواهد کرد. بنابراین، مسئله تأمین غذای جهان و دسترسی به منابع، یکی از مهم‌ترین پرسش‌ها برای همزیستی مسالمت‌آمیز بشریت در آینده خواهد بود.
آبزی‌پروری
ماهی، علاوه بر شیر، تخم‌مرغ و گوشت، جایگزینی بسیار مناسب برای تأمین پروتئین‌های باکیفیت است. از این رو، تقاضا برای ماهی در سال‌های اخیر به‌طور پیوسته افزایش یافته است. تلاش برای پاسخگویی به این تقاضای بالا از طریق صید ماهیان وحشی، منجر به صید بی‌رویه و شدید در اقیانوس‌ها شده است. به همین دلیل و همچنین با توجه به رشد جمعیت جهان، اقیانوس به‌عنوان منبع پروتئین ماهی نمی‌تواند راه‌حلی برای مشکلات غذایی آینده باشد. برای حفظ حداقل سرانه مصرف فعلی محصولات آبزی (۱۹.۷ کیلوگرم)، نیاز به ۲۳ میلیون تن دیگر از این محصولات تا سال ۲۰۲۰ وجود داشت. اگر بخواهیم مناطق صید باقی‌مانده را از نابودی کامل نجات دهیم، این میزان عرضه اضافی باید از طریق آبزی‌پروری تأمین شود.
نرخ رشد سالانه تولید آبزیان پرورشی در سطح جهان، که بین سال‌های ۱۹۹۰ تا ۲۰۰۰ از مرز ۱۰ درصد فراتر رفته بود، تا سال ۲۰۱۵ به ۴ درصد کاهش یافت. با وجود کند شدن روند رشد در سال‌های اخیر، آبزی‌پروری سریع‌ترین بخش در حال رشد کشاورزی در جهان است و پتانسیل تولید پروتئین‌های باکیفیت به‌عنوان جایگزینی برای ماهی‌های صیدشده از طبیعت را دارد. هم‌اکنون ۴۶.۴ درصد از ماهی‌های مورد مصرف انسان از طریق آبزی‌پروری تأمین می‌شود (FAO، ۲۰۱۹). در نتیجه، بخش آبزی‌پروری در آینده نقشی فزاینده و حیاتی در زمینه امنیت غذایی، کاهش فقر و توسعه اقتصادی ایفا خواهد کرد. با این حال، توسعه و گسترش سریع آبزی‌پروری پیامدهای زیست‌محیطی منفی و قابل‌توجهی را در سطح محلی به همراه داشته است. پیامدهای این فعالیت‌ها طیف وسیعی را در بر می‌گیرد؛ از آلودگی یا یوتریفیکاسیون (غنی‌شدگی بیش از حد مواد مغذی) اکوسیستم‌های ساحلی ناشی از تخلیه کنترل‌نشده پساب‌ها گرفته تا کاهش منابع آبی. علاوه بر این، محدودیت دسترسی به زمین و مناطق ساحلی موجب بروز تعارضاتی می‌شود. همچنین، استفاده از ماهیان وحشی به‌عنوان خوراک در صنعت آبزی‌پروری، روشی پایدار محسوب نمی‌شود. به همین دلایل، الزامات قانونی و محدودیت منابع طبیعی، مانع از گسترش تولید ماهی به روش‌های مرسوم (مانند سیستم‌های استخری، سیستم‌های جریان‌باز یا قفس‌های دریایی) در مناطق ساحلی شده است. توسعه بیشتر آبزی‌پروری نیازمند روی آوردن به روش‌های جایگزین و رقابت‌پذیر در تولید ماهی است.
سیستم‌های آبزی‌پروری با گردش مجدد آب (RAS)
سیستم‌های آبزی‌پروری با گردش مجدد آب (RAS) به دلیل فناوری فرآیندی خود، می‌توانند جایگزینی پایدار از نظر زیست‌محیطی برای سیستم‌های رایج آبزی‌پروری باشند. سیستم‌های RAS را می‌توان بر اساس شدت تولید نسبت به حجم آب مصرفی، به چهار دسته تقسیم کرد: گسترده (اکستنسیو)، نیمه‌متراکم، متراکم و فوق‌متراکم. آب مورد استفاده برای پرورش ماهی، با بهره‌گیری از یک سیستم تصفیه پیشرفته پاکسازی شده و به چرخه آب بازگردانده می‌شود تا میزان آلاینده‌های خروجی به حداقل ممکن برسد (شکل ۱). بدین ترتیب، این سیستم روشی را برای تولید فراهم می‌آورد که ضمن صرفه‌جویی در منابع و استقلال نسبی از محیط بیرونی، اثرات زیست‌محیطی کمتری دارد و امکان انطباق بهینه شرایط پرورش با گونه مورد نظر را از طریق کنترل کامل تمامی عوامل محیطی (مانند دمای آب، غلظت اکسیژن یا pH) فراهم می‌سازد. طی دو دهه اخیر، سیستم‌های RAS به‌طور مداوم توسعه یافته‌اند. محدودیت منابع آب و نظارت دقیق بر تخلیه فاضلاب و مواد مغذی به محیط زیست، منجر به افزایش تقاضا برای سیستم‌های دارای گردش مجدد آب شده است. عملکرد و توان رقابتی این‌گونه سیستم‌ها، اساساً به هزینه‌های سرمایه‌گذاری و نگهداری و بیش از همه، به کیفیت محصولات تولیدی بستگی دارد.
شکل ۱: تصویر یک نمونه سیستم تصفیه آب در سامانه آبزی‌پروری مداربسته (RAS)
عوامل محدودکننده در سیستم‌های آبزی‌پروری مداربسته (RAS)
سیستم‌های RAS در کنار مزایا، دارای برخی معایب اقتصادی و فنی نیز هستند. زیرا تولید ماهی در این سیستم‌های گردشی نسبتاً پرهزینه‌تر از سایر روش‌های تولید است و یکی از پیش‌نیازهای اساسی، دسترسی تضمین‌شده و مداوم به بچه‌ماهی‌های جدید با بالاترین کیفیت است.
دلیل دیگر، فناوری پیچیده و پیشرفته تصفیه آب در این سیستم‌هاست که هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری و عملیاتی را برای بهره‌بردار به همراه دارد. به‌ویژه، مصرف بالای انرژی در بخش تصفیه آب، عاملی تعیین‌کننده در موفقیت اقتصادی سیستم RAS محسوب می‌شود. بهره‌برداری بهینه از چنین سیستمی نیازمند کارکنان متخصص و دارای تجربه و دانش فنی لازم است تا ثبات شرایط آب تضمین گردد. سایر عوامل محدودکننده و تعیین‌کننده که در این مطالعه به‌تفصیل بررسی خواهند شد، عبارت‌اند از: تأثیر منفی ترکیبات ایجادکننده طعم نامطبوع بر مزه ماهی، خطر شیوع بیماری‌های عفونی ناشی از تراکم بالای پرورش، و همچنین مسئله تولید و دفع پساب.
طعم نامطبوع (Off-flavor)
کیفیت محصولات شیلاتی تولیدشده در سیستم‌های آب گردش بسته (RAS)، عاملی تعیین‌کننده در میزان فروش و پذیرش آن‌ها توسط بازار است. افت شدید کیفیت ماهی به دلیل طعم نامطلوب، زیان‌های مالی سنگینی را برای تولیدکنندگان به همراه دارد.
این طعم نامطلوب عمدتاً ناشی از دو ترکیب شیمیایی است: ۲-متیل ایزوبورنئول (2-MIB) و ژئوسمین (GSM).
مهم‌ترین منشأ این ترکیبات در بخش‌های هوازی سیستم RAS، نظیر فیلتر درامی (drum filter)، فیلتر چکه‌ای (trickling filter) یا حوضچه پرورش ماهی شناسایی شده است. هر دو ماده، متابولیت‌های ثانویه‌ای هستند که توسط میکروارگانیسم‌های مختلفی همچون سیانوباکتری‌ها، اکتینومیست‌ها یا قارچ‌ها آزاد می‌شوند. علاوه بر این، تجزیه باکتریایی جلبک‌ها نیز می‌تواند منجر به آزاد شدن این ترکیبات گردد. با این حال، شرایط مساعد برای رشد این ارگانیسم‌ها (مانند آب گرم و غنی از مواد مغذی) لزوماً به بروز طعم نامطلوب منجر نمی‌شود؛ از این رو، پدیده طعم نامطلوب اغلب ماهیتی پراکنده و غیرقابل‌پیش‌بینی دارد و جلوگیری از آن دشوار است.
از دیگر عوامل پیچیده‌کننده در مورد 2-MIB و GSM می‌توان به سرعت پایین تجزیه زیستی و خاصیت لیپوفیلیک (چربی‌دوستی) آن‌ها اشاره کرد (جدول ۱). این ترکیبات در آبِ محیط پرورش تجمع یافته و مستقیماً از طریق آبشش‌ها جذب می‌شوند؛ به‌طوری که حتی غلظت‌های بسیار ناچیز آن‌ها در حد نانوگرم در لیتر (ng/L) برای ایجاد بو و طعم «خاکی-مانند» (earthy-musty) در ماهی کافی است.
جدول ۱: خواص فیزیکی و فرمول ساختاری 2-MIB و GSM
| پارامتر | 2-MIB | GSM |
| نقطه جوش [°C] | ۱۹۶.۷ | ۱۶۵.۱ |
| فشار بخار [atm] | ۶.۶۸ × ۱۰⁻⁵ | ۵.۴۹ × ۱۰⁻⁵ |
| ثابت قانون هنری [atm m³/mol] | ۵.۷۶ × ۱۰⁻⁵ | ۶.۶۶ × ۱۰⁻⁵ |
| حلالیت در آب [mg/L] | ۱۹۴.۵ | ۱۵۰.۲ |
تلاش‌های متعدد برای جلوگیری گزینشی از رشد میکروارگانیسم‌های مولد طعم نامطبوع، معمولاً به دلیل تنوع گسترده و اغلب ناشناخته‌ی این میکروارگانیسم‌ها که ترکیبات مذکور را در آب آزاد می‌کنند، با شکست مواجه شده است. در نتیجه، استفاده از روش‌های درمانی غیرگزینشی برای مقابله با این میکروارگانیسم‌ها می‌تواند مراحل تصفیه بیولوژیکی، مانند عملکرد بیوفیلتر را نیز مختل کند. علاوه بر این، حمله مستقیم به این میکروارگانیسم‌ها می‌تواند منجر به آزادسازی ترکیبات مولد طعم نامطبوع در آب از طریق متلاشی شدن سلولی شود.
تاکنون، آزمایش‌های انجام‌شده با استفاده از روش‌های تصفیه آب آشامیدنی، کارایی بسیار پایینی را در حذف ترکیبات مولد طعم نامطبوع نشان داده‌اند. مشکل اصلی، حضور همزمان مواد آلی است. مواد آلی که معمولاً با غلظت‌های بسیار بالاتر وجود دارند، همواره با ترکیبات مولد طعم نامطبوع رقابت می‌کنند؛ برای مثال، این رقابت در فرآیند جذب با کربن فعال پودری (PAC) یا در طی تجزیه شیمیایی با اکسیدان‌های مختلفی نظیر ازن یا رادیکال‌های هیدروکسیل مشاهده می‌شود. در فرآیندهای اکسیداسیون، خطر تشکیل محصولات جانبی گندزدایی (DBPs) سمی برای ماهی نیز وجود دارد. تاکنون، روش «پاکسازی» (purging) – یعنی انتقال ماهی به آب تمیز و عاری از بو برای مدتی مشخص پیش از برداشت – همچنان تنها روش قابل اطمینان برای مقابله با طعم‌های نامطلوب در آبزی‌پروری محسوب می‌شود. با این حال، این روش به دلیل گرسنگی ماهی‌ها (که ناشی از ممنوعیت تغذیه در این دوره است) منجر به کاهش وزن آن‌ها می‌شود. افزون بر این، مصرف بیشتر منابع و نیاز به مقادیر زیادی آب تمیز، هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهد. به همین دلیل، تمایل فزاینده‌ای برای تحقیق در مورد فناوری‌های جایگزین وجود دارد که بتوانند به‌طور کارآمد از تشکیل ترکیبات مولد طعم نامطبوع جلوگیری کرده یا آن‌ها را حذف کنند.
بیماری‌های عفونی
به منظور بهره‌برداری هرچه سودآورتر از سیستم‌های پرورش ماهی با سیستم مداربسته (RAS)، این سیستم‌ها اغلب با تراکم بالای ذخیره‌سازی ماهی اداره می‌شوند. این امر خطر شیوع بیماری‌های عفونی ناشی از میکروب‌ها یا انگل‌ها را افزایش می‌دهد که می‌تواند منجر به خسارات تولیدی قابل‌توجه و مشکلات مالی برای بهره‌بردار سیستم RAS شود. امکانات موجود برای محافظت پیشگیرانه یا درمان بیماری‌های عفونی که قبلاً شیوع یافته‌اند، در سیستم‌های RAS بسیار محدود است.
استفاده گسترده از آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر داروها برای مقاصد پیشگیرانه یا درمان موارد حاد بیماری، در سال‌های اخیر به شدت مورد انتقاد قرار گرفته است. به‌ویژه هنگام استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها، همواره خطر گسترش میکروب‌های مقاوم وجود دارد. علاوه بر این، فرآیندهای پاکسازی بیولوژیکی در بیوفیلتر ممکن است بر اثر استفاده از مواد ضدعفونی‌کننده به شدت مختل شوند. روش‌های ضدعفونی با استفاده از اکسیدکننده‌هایی مانند ازن یا کلر، در شرایط فعلی پرورش ماهی در سیستم‌های RAS تنها با محدودیت‌هایی قابل اجرا هستند. تشکیل و تجمع محصولات جانبی ضدعفونی (DBP) که برای ماهی سمی هستند، میزان مصرف این‌گونه مواد ضدعفونی‌کننده را محدود می‌کند. افزون بر این، کارایی این فرآیندها به ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی آب (ماتریس آب) نیز بستگی دارد. مواد آلی و معدنی در این فرآیند به عنوان جاذب (پاک‌کننده) عمل کرده و با مصرف قابل‌توجه عوامل اکسیدکننده، قدرت اکسیداسیون را کاهش می‌دهند. پرتو فرابنفش (UV) محافظت مؤثری در برابر باکتری‌ها و ویروس‌ها ایجاد می‌کند و به همین دلیل اغلب در سیستم‌های RAS مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، موجودات بزرگ‌تری مانند تک‌یاختگان (پروتوزوآها) یا کرم‌های انگلی تحت تأثیر تابش UV قرار نمی‌گیرند. همچنین، اثربخشی تابش UV به عمق نفوذ پرتو و در نتیجه به میزان کدورت آب وابسته است. علاوه بر این، پرتو فرابنفش (UV) می‌تواند منجر به کاهش فوتوشیمیایی نیترات به نیتریت سمی شود. این واقعیت‌ها موجب افزایش توجه به سامانه‌های تصفیه‌ای شده است که می‌توانند آب سیستم‌های آبزی‌پروری مداربسته (RAS) را، صرف‌نظر از میزان آلودگی آب، به‌طور کارآمد ضدعفونی کنند.
پساب آبزی‌پروری مداربسته (RAS)
در سیستم‌های آبزی‌پروری مداربسته (RAS)، به‌ویژه در سیستم‌های متراکم، حجم قابل‌توجهی پساب تولید می‌شود که یا باید دفع گردد و یا با به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته (نظیر فیلترهای درامی یا اسکیمرها همراه با تزریق تکمیلی ازن) تصفیه شود. از دیدگاه زیست‌محیطی و اقتصادی، کارایی تصفیه این پساب یکی از عوامل تعیین‌کننده برای پایداری زیست‌محیطی و گسترش جهانی سیستم‌های RAS در آینده خواهد بود. ترکیبات آلی و معدنی (که عمدتاً شامل باقی‌مانده‌های خوراک، فضولات و محصولات نهایی متابولیسم هستند) در آب محیط پرورش انباشته می‌شوند. تجزیه میکروبیولوژیکی هوازی مواد آلی تولیدشده، موجب مصرف اکسیژن موجود در سیستم می‌گردد. برای حفظ غلظت اکسیژن مورد نیاز در آب، این افزایش مصرف اکسیژن باید با تأمین اکسیژن جبران شود. به‌علاوه، ذرات آلی بسیار ریز و معلق می‌توانند موجب آسیب به آبشش ماهیان شوند یا بستری ایده‌آل برای رشد میکروب‌ها و انگل‌ها فراهم آورند. در حال حاضر، مواد آلی محلول یا ذرات بسیار ریز آلی با افزودن عوامل اکسیدکننده حذف می‌شوند. ازن نه‌تنها به‌عنوان ماده ضدعفونی‌کننده، بلکه برای اکسیداسیون مواد آلی معلق یا محلول (مانند پروتئین‌ها یا اسیدهای آمینه) و ترکیبات معدنی (مانند نیتریت) به کار می‌رود. با این حال، استفاده از ازن به‌عنوان اکسیدکننده محدودیت‌هایی دارد؛ زیرا تشکیل محصولات جانبی حاصل از ضدعفونی (DBPs) می‌تواند اثرات نامطلوبی بر سلامت ماهیان داشته باشد، به‌ویژه در آب‌های شور (دریایی) که حاوی واکنش‌دهنده‌های متعدد هستند.
متابولیسم پروتئین عمدتاً منجر به تولید ترکیبات نیتروژن‌داری مانند آمونیوم (NH₄⁺) می‌شود که از طریق آبشش‌های ماهی دفع می‌گردند. در بیوفیلتر، آمونیوم طی فرآیند نیتریفیکاسیون ابتدا به نیتریت (NO₂⁻) و سپس به نیترات (NO₃⁻) اکسید می‌شود. نیترات در غلظت‌های مشخص، تأثیر منفی بر سلامت و رشد ماهی دارد. رایج‌ترین روش کاهش نیترات در سیستم، رقیق‌سازی آب پرورش از طریق تعویض بخشی از آن با آب تازه است. روش دیگر، به‌کارگیری سیستم نیترات‌زدایی (denitrification) است. در فرآیند نیترات‌زدایی، نیترات تحت شرایط فقدان اکسیژن (آنوکسیک) به نیتروژن مولکولی تبدیل می‌شود. با این حال، شرایط آنوکسیک با شرایط مطلوب پرورش ماهی در تضاد است؛ از این رو، عملکرد موفقیت‌آمیز سیستم نیترات‌زدایی نیازمند پشتیبانی فنی گسترده و نیروی انسانی متخصص است.
راهکارهای جایگزین برای حذف ترکیبات آلی یا نیتروژن‌دار از پساب، از نظر فنی بسیار پیچیده بوده و یا از دیدگاه مصرف انرژی، ناکارآمد هستند. حذف این ترکیبات معدنی یا آلی به کمک یک سیستم تصفیه آب کارآمدتر، مزایای بسیاری به همراه خواهد داشت.
کاویتاسیون ناشی از امواج فراصوت
در سال‌های اخیر، موضوع کاویتاسیون ناشی از امواج فراصوت (اولتراسونیک) در حوزه تصفیه آب اهمیت فزاینده‌ای یافته است. امواج فراصوت یا اولتراسونیک، طبق تعریف، امواج صوتی با فرکانسی در محدوده تقریبی ۱۶ تا ۱۰۰۰ کیلوهرتز هستند؛ یعنی فرکانس‌هایی که بالاتر از محدوده شنوایی انسان و پایین‌تر از محدوده هایپرسونیک (فراصوت بسیار بالا) قرار دارند. پدیده کاویتاسیون اغلب در اثر حرکت سریع اجسام در مایعات (مانند توربین‌های آبی یا پمپ‌های گریز از مرکز) و یا حتی هنگام انتشار امواج فشار ناشی از فراصوت در آب رخ می‌دهد. در اینجا، دو نوع کاویتاسیون متمایز می‌شوند: کاویتاسیون پایدار و کاویتاسیون گذرا.
در جریان کاویتاسیون، فشار استاتیک به کمتر از فشار تبخیر مایع کاهش می‌یابد و منجر به تشکیل حباب‌های بخار می‌شود. اگر این حباب‌های بخار به ناحیه‌ای با فشار بالاتر منتقل شوند، فشار استاتیک مجدداً از فشار بخار فراتر می‌رود؛ این امر در حالت کاویتاسیون گذرا، موجب فروپاشی ناگهانی به شکل انفجار درونی (implosion) می‌شود (شکل ۲). در کاویتاسیون پایدار، حباب‌های گاز عمدتاً از گازهای محلول در آب تشکیل شده‌اند که مانع از وقوع فروپاشی درونی می‌شوند.
شکل ۲: تصویر شماتیک کاویتاسیون گذرا. تشکیل و فروپاشی حفره توسط امواج تراکمی در سیال که ناشی از امواج صوتی است.
کاویتاسیون گذرا (Transient cavitation) به‌ویژه در کاربردهای تصفیه آب حائز اهمیت است. فروپاشی شدید حباب بخار، به دلیل تغییر وضعیت آدیاباتیک، منجر به ایجاد اوج‌های شدید فشار و دما می‌شود (فشار بیش از ۱۰۰ اتمسفر و دما تا ۵۲۰۰ کلوین). این پدیده اثرات مکانیکی و سونوشیمیایی به همراه دارد. اثرات مکانیکی شامل ترکیبی از تلاطم‌ها، جریان‌ها و نیروهای برشی ناشی از امواج شوک است. اثرات سونوشیمیایی نیز شامل تجزیه حرارتی (پیرولیز) ترکیبات فرار در ناحیه داغ (hot spot) و تشکیل رادیکال‌های آزاد یا اکسیدان‌های ثانویه در توده سیال است. تجزیه حرارتی بخار آب منجر به تولید اتم‌های هیدروژن و رادیکال‌های هیدروکسیل می‌شود و ترکیب مجدد دو رادیکال هیدروکسیل، پراکسید هیدروژن تولید می‌کند. علاوه بر این، واکنش‌های هیدرولیز و پیرولیز در دمای پایین در فصل مشترک آب-مایع-گاز (فصل مشترک فوق بحرانی) رخ می‌دهند.
شکل ۳: تصویر حباب کاویتاسیون ناشی از تابش فراصوت
شدت این اثرات بسته به فرکانس یا شدت صوتی (W/m²) اولتراسوند متغیر است. اولتراسوند با فرکانس بالا (HFUS) به دلیل طول موج کوتاه‌تر، حباب‌های کاویتاسیونی با حداکثر قطر کوچک‌تر ایجاد می‌کند. در مقابل، اولتراسوند با فرکانس پایین (LFUS) تعداد کمتری حباب تولید می‌کند، اما زمان بیشتری را برای رشد آن‌ها فراهم می‌آورد؛ از این رو، حباب‌های ایجادشده در حالت LFUS با رسیدن به ابعاد نهایی بزرگ‌تر، با شدت بیشتری فرو می‌پاشند.
شکل ۴: مقایسه تصویری تشکیل کاویتاسیون توسط اولتراسوند با فرکانس پایین (LFUS) و اولتراسوند با فرکانس بالا (HFUS)
در نتیجه، نیروهای مکانیکی قوی‌تر از طریق LFUS آزاد می‌شوند. از سوی دیگر، HFUS ایجاد حفره‌های بیشتر و نقاط بحرانی بیشتر و در نتیجه رادیکال‌های هیدروکسیل بیشتری با افزایش پیرولیز واکنش‌هایی که منجر به اثرات سونوشیمیایی بیشتر می‌شود.
همان‌طور که در چندین مطالعه اثبات شده است، کاویتاسیون پتانسیل بالایی برای کاهش موارد نامطلوب دارد. بنابراین، هدف از این گزارش، ارزیابی نانوحباب ناشی از اولتراسوند به عنوان یک فرآیند فیزیکوشیمیایی نوآورانه برای جلوگیری از طعم بد، کاهش پیشگیرانه میکروب‌ها و بهبود کارایی تصفیه فاضلاب در RAS است.
نانوحباب و کاربرد آن در حذف طعم نامطبوع
طعم نامطبوع در ماهی، به دلیل تأثیرات اقتصادی قابل‌توجه، همچنان یکی از جدی‌ترین مشکلات صنعت آبزی‌پروری در سراسر جهان محسوب می‌شود. تا به امروز، تنها روش قابل اطمینان برای مقابله با طعم‌های نامطبوع در آبزی‌پروری، فرآیند پاکسازی (depuration) بوده است؛ روشی که مستلزم صرف هزینه و زمان زیاد و نیازمند ظرفیت عملیاتی بالا است و طی آن ماهی پیش از برداشت، برای مدتی مشخص به آب تمیز و عاری از بو منتقل می‌شود. از این رو، هدف گزارش حاضر بررسی پتانسیل تصفیه آب با امواج فراصوت (اولتراسونیک) برای کاهش غلظت ترکیبات اصلی ایجادکننده طعم نامطبوع، یعنی ژئوسمین (GSM) و ۲-متیل ایزوبورنئول (2-MIB)، در آب سیستم‌های آبزی‌پروری است. بدین منظور، نمونه‌هایی از انواع مختلف آب با بار و ترکیبات آلی و معدنی متفاوت (آب لوله‌کشی، آب شیرین سیستم‌های مداربسته یا RAS، و آب شور RAS) با مقادیر استانداردی از 2-MIB و GSM غنی‌سازی شدند و سپس زیرنمونه‌های ۲۵۰ میلی‌لیتری آن‌ها به مدت ۱۵ دقیقه تحت تیمار با فرکانس ۸۵۰ کیلوهرتز قرار گرفتند. برای راستی‌آزمایی، نمونه‌هایی از سیستم‌های تجاری RAS که حاوی GSM و 2-MIB با منشأ زیستی بودند نیز به همین شیوه تیمار شدند. تأثیر فرکانس فراصوت و شوری آب بر میزان حذف 2-MIB و GSM، به ترتیب از طریق مقایسه بازده حذف در فرکانس‌های بالا (۸۵۰ کیلوهرتز) و پایین (۲۰ کیلوهرتز) و همچنین با افزودن نمک دریایی مصنوعی (۱۰ قسمت در هزار) به نمونه‌های مختلف آب شیرین پیش از اعمال فراصوت، مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که پدیده کاویتاسیون (حباب‌زایی) ناشی از امواج فراصوت، غلظت ترکیبات طعم‌دهنده نامطبوع مورد مطالعه (GSM و 2-MIB) را در تمامی انواع آب‌های آزمایش‌شده به‌طور معنی‌داری کاهش می‌دهد؛ امری که ظاهراً مستقل از میزان بار آلی یا معدنی آب است. به‌طور کلی، میزان کاهش GSM اندکی بیشتر از 2-MIB بود. علاوه بر این، میزان کاهش ترکیبات طعم‌دهنده نامطبوع در شرایط استفاده از فراصوت با فرکانس بالا (۸۵۰ کیلوهرتز) در مقایسه با فرکانس پایین (۲۰ کیلوهرتز)، به‌طور قابل‌توجهی بیشتر بود. افزودن نمک دریایی مصنوعی به نمونه‌های آب شیرین باعث بهبود بیشتر در قابلیت حذف هر دو ترکیب بدطعم شد.
نتایج ما، امواج با فرکانس بالا را به‌عنوان یک فرآیند تصفیه بالقوه برای حذف قابل‌توجه ترکیبات بدطعم مرتبط با 2-MIB و GSM از آب سیستم RAS نشان می‌دهد. به‌طور خاص، کاویتاسیون القایی اولتراسونیک را به‌عنوان یک استراتژی بالقوه برای جلوگیری از طعم بد در RAS در مقایسه با استراتژی‌های جایگزین مانند فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته یا فرآیندهای جذب، پیش‌بینی می‌کند.
جمع‌بندی
تصفیه آب با سیستم نانو حباب حاصل از امواج فراصوت (اولتراسونیک) می‌تواند فرصتی تازه برای حذف مؤثر ترکیبات ایجادکننده طعم نامطبوع از سیستم‌های آبزی‌پروری مداربسته (RAS) فراهم آورد. مقایسه کارایی سیستم‌های فراصوت با فرکانس پایین و بالا، حاکی از کاهش به‌مراتب بیشتر این ترکیبات در فرکانس ۸۵۰ کیلوهرتز بود.
برخلاف فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) که صرفاً رادیکال‌های هیدروکسیل (•OH) تولید می‌کنند، حذف ترکیبات 2-MIB و GSM به روش فراصوت احتمالاً ناشی از پدیده پیرولیز (تجزیه حرارتی) است تا اکسیداسیون توسط رادیکال‌های هیدروکسیل؛ از این رو، این روش کمتر تحت تأثیر واکنش‌های رقابتی با پاک‌کننده‌های رادیکال آزاد (مانند یون کلرید یا مواد آلی موجود در خوراک و فضولات) قرار می‌گیرد. به‌ویژه در صنعت آبزی‌پروری، مستقل بودن تجزیه 2-MIB و GSM به روش فراصوت از میزان بار آلی یا معدنی آب، می‌تواند مزیتی مهم نسبت به سایر راهکارهای تصفیه آب محسوب شود. با این وجود، در شرایط واقعی پرورش که مستلزم جریان‌دهی با دبی بالاتر آب است، تصفیه با امواج فراصوت باید در قالب یک سیستم «بای‌پس» (جریان فرعی) اجرا شود تا گرمای تولیدشده در محل توزیع شده و گونه‌های پرورشی از تابش مستقیم و آسیب‌زای امواج فراصوت در امان بمانند.
استفاده از امواج فراصوت با فرکانس پایین (LF) یا بالا (HF) و همچنین ازن زنی به تنهایی برای گندزدایی در آبزی‌پروری، راهکاری جامع محسوب نمی‌شود. بلکه ترکیب این دو می‌تواند بسیار موثر باشد یعنی تزریق ازن به صورت نانوحباب تحت کاویتاسیون امواج تابیده شده.
نتایج از یک سو حاکی از پتانسیل بالای روش فراصوت برای کنترل انگل‌ها و ریزجلبک‌ها در این صنعت است؛ به‌طوری که هر دو نوع امواج (LFUS و HFUS) در برابر اکثر موجودات یوکاریوتی مورد آزمایش، مؤثر واقع شدند. از آنجا که اثر غیرفعال‌سازی این امواج به شدت به نوع گونه بستگی دارد، فرکانس بهینه فراصوت نیز متناسب با گونه هدف تغییر می‌کند.
از سوی دیگر، داده‌ها نشان می‌دهند که استفاده از فراصوت به تنهایی برای کاهش مؤثر میکروارگانیسم‌های کوچک، نظیر باکتری‌ها یا ریزجلبک‌های کوچک، کافی نیست. بنابراین، ترکیب این روش با روش ازن زنی، توصیه می‌شود. به‌ویژه هنگام استفاده از امواج فراصوت با فرکانس بالا (HFUS) در جریان آب فرآیندی محیط‌های دریایی، پایش میزان کل اکسیدان‌های باقی‌مانده ضروری است تا از بروز اثرات زیان‌بار بر سلامت آبزیان جلوگیری شود. مطالعات آتی محققان باید بر مقیاس‌سازی (افزایش مقیاس عملیاتی) و بهینه‌سازی اقتصادی فرایند فراصوت به‌عنوان روشی بالقوه برای گندزدایی در سیستم‌های آبزی‌پروری متمرکز باشند.
به‌طور کلی، در این مطالعه، نتایج آزمایش‌های مختلف هیچ اثر قابل‌توجهی از کاویتاسیون القایی فراصوت بر ترکیبات کربن یا نیتروژن در آب‌های RAS نشان نداد. در مقایسه با سایر روش‌های تصفیه، نه فراصوت در فرکانس ۲۰ کیلوهرتز و نه در فرکانس ۸۵۰ کیلوهرتز قادر نبودند به کاهش مؤثر غلظت DOC یا TN در فاضلاب RAS کمک کنند. ما پس از تصفیه با فرکانس ۸۵۰ کیلوهرتز، کاهش تمایل به کاهش محتوای DOC را در آب RAS مشاهده کردیم. این کاهش فقط در آب دریایی RAS قابل مشاهده بود که احتمالاً ناشی از اثرات سونوشیمیایی است که عوامل اکسیدکننده ثانویه مانند رادیکال‌های هیدروکسیل را تولید می‌کنند. این فرض با نتایج ۲۰ کیلوهرتز پشتیبانی می‌شود که اثرات سونوشیمیایی کمتری ایجاد می‌کند و بنابراین قدرت اکسیدکننده کمتری برای تخریب کربن‌ها یا ترکیبات نیتروژن دارد. با توجه به اندازه‌گیری فقط پارامترهای تجمعی، تجزیه و تحلیل متمایزتری از اینکه کدام مواد تخریب، اصلاح یا تازه تشکیل شده‌اند، در این مرحله امکان‌پذیر نیست. بنابراین، مطالعات آینده برای درک بهتر اثرات اولتراسوند بر مواد مورد بررسی در اینجا مهم هستند.
بنابراین به‌طور کلی می‌توان گفت باید استفاده از امواج فراصوت و کاویتاسیون همراه آن باید با هدف اصلی تزریق گاز اکسیژن یا ازن در آب سیستم RAS انجام شود و در کنار مزایای افزایش اکسیژن محلول، از مزایای کاویتاسیون سیستم نیز بهره برد.
نتیجه گیری نهایی:
به طور کلی می توان گفت باید استفاده از امواج فراصوت و کاویتاسیون همراه با تزریق گازهای موثر در تصفیه آب سیستم RAS به ویژه ازن انجام شود و در کنار مزایای افزایش اکسیژن محلول، از مزایای کاویتاسیون سیستم نیز بهره برد.