1. תהליך חדשני ויתרוני להפעלה של מערכות מדגה מסוחררות
2016
תהליך חדשני ויתרוני להפעלה של מערכות מדגה מסוחררות
תיאור עקרונות השיטה שפיתחנו, ואת היתרון היחסי שלה על השיטה היחידה שקיימת כיום בשוק המערכות המסוחררות
רז בן-אשר
פרופ' אורי להב
המחקר ממומן חלקית ע"י קרן המדען הראשי במשרד החקלאות

2. תהליך חדשני ויתרוני להפעלה של מערכות מדגה מסוחררות
מה במצגת?
סקירת הטכנולוגיה הקיימת ומגבלותיה העיקריות
תיאור התהליך הפיסיקו-כימי כתחליף לתהליכים הביולוגים
סקירת תוצאות פיילוט עם דגי דניס

3. תחזית עולמית של תוצרת חקלאות המים (ללא צמחים)
מערכות מסוחררות
Aquaculture production, million tons
תמריץ
עד תחילת העשור הנוכחי היו מעדכנים את המספרים על ציר ה X, בתחילת העשור הנוכחי, בעקבות שינויים ברגולציה ובמדיניות של הרגולטור אכן רואים עליה בנפח היצור של המערכות המסוחררות

4. ביו-פילטר ניטריפיקציה
מדגה מסוחרר טיפוסי
דניטריפיקציה
נידוף
CO2
החדרת O2
מים טריים
(1-15%)
קולחים
TSS, P, NO3-
מערכת חיטוי
תיאור המדגה הטיפוסי
הדגשת יכולות הטיפול הירודות בחנקן כנקודה ראשונה לשיפור
הפרדת מוצקים
NO3-
ביו-פילטר ניטריפיקציה
NH4+

5. מגבלות הביו-פילטר: גורמי תחלואה
הביו-פילטר הוא המאגר הגדול ביותר של מיקרו-אורגניזמים במתקן מסוחרר. חלקם פתוגניים.
פטוגנים: חיידקים, וירוסים, תולעים, חד-תאיים, ועוד
כל המערכות המסוחררות נוקטות באמצעי חיטוי:
חיטוי on-line (UV, O3) = 15%~ מעלויות הקמה ותפעול:
מי הכניסה למתקן
על קו הסחרור
חיטוי מנתי:
ריקון וחיטוי המערכת כולה, אחת לתקופה
טיפול במים באמצעים שאינם ביולוגים יצור סביבה בעלת עומס מיקרוביאלי נמוך
← פחות גורמי תחלואה ← תחלואה נמוכה יותר
הביופילטר מביא איתו נדוניה לא קטנה

6. מגבלות הביו-פילטר: טעמי לוואי
טעמי לוואי בדגים גורמים לירידה באיכות התוצר, לפגיעה ביכולת השיווק ופגיעה בשם הטוב של בשר הדגים.
התנאים שנוצרים במערכת מסוחררת מהווים נישת גידול טובה לאקטינומיצים, ציאנובקטריה ופטריות מסוימות.
MIB & geosmin – מתאבוליטיים משניים של אותם מיקרואורגניזמים, והגורמים העיקריים לטעמי הלוואי בדגים.
MIB & geosmin מצטברים ברקמות השומניות של הדג, ואפילו בריכוזים נמוכים יכולים להוביל לטעם לוואי וריח חזק של בוץ.
פגיעה באיכות מוצר ומחיר
ללא ביופילטר, הנישה להתפתחות המיקרואורגניזמים שמפרישים MIB & geosmin תקטן באופן משמעותי.

7. מגבלות הביו-פילטר: טמפרטורה
גידול דגים במים קרים (<15OC)
מערכות מדגה מסוחררות מתבססות על הרחקת אמוניה על-ידי ניטריפיקציה.
קצב ניטריפיקציה הוא הגורם שמכתיב את גודלו של הביו-פילטר.
ירידה בטמפ' מורידה את קצב חמצון האמוניה על-ידי הניטריפיקנטים:
אתחול ממושך של הביו-פילטר
קצב חמצון אמוניה נמוך (עצירה מוחלטת ב- 4°C)
טווח אמוניה טיפוסי במערכות מסוחררות
עלויות הקמה גבוהות
תקופת איתחול ארוכה

8. בנוכחות אמוניה התגובה הכוללת:
חמצון אמוניה עקיף באמצעים פיסיקו-כימיים
אלקטרוליזה
הנעת ריאקציות כימיות, שאינן ספונטניות, על-ידי זרם חשמלי.
אלקטרוליזה למים בנוכחות כלורידים (Cl-) יוצרת כלור פעיל (Cl2)
כלור פעיל מגיב עם אמוניה ליצירת חנקן גזי (N2) בריאקציה מהירה, שמתרחשת בשלב אחד בתוך האלקטרולייזר, ללא היווצרות של ניטריט, ניטראט או כלוראמינים DC
זרם ישר
2 – 3.5 V
Cathode (Ti)
Anode (Ti/RuO2TiO2)
2H+ + 2e-  H2
2Cl-  Cl2 + 2e-
ללא מעבר דרך ניטריט או ניטראט
בנוכחות אמוניה התגובה הכוללת:
3Cl2 + 2NH4+ → N2(g) + 6Cl- + 8H+

9. ביו-פילטר מול הגישה הפיסיקו-כימית
ביו-פילטר (השיטה הבלעדית בשוק)
גישה פיסיקו-כימית
הרחקת חנקן
ניטריפיקציה – 0% הרחקה
ניטריפיקציה + דניטריפיקציה – 70% הרחקה
ניטריפיקציה + דניטריפיקציה – 90% הרחקה
95% הרחקת חנקן בשלב אחד
טמפרטורה
במגבלות הניטריפיקציה
ירידה בטמפרטורה דורשת הגדלת ביו-פילטר
אין מגבלה
זמן אתחול ביופילטר
שבועות עד חודשים (תלוי טמפרטורה)
לא קיים
שטח מע' טיפול במים
30-150% משטח הבריכות (תלוי טמפרטורה)
כ-10% משטח הבריכות
עומס מיקרוביאלי
גבוה
נמוך – שיפור בתחלואה
אלמנט חיטוי
אופציונלי: 15%~ מעלויות תפעול והקמה
אינהרנטי בתהליך (ללא תוספת עלויות)
מליחות
70% מי ים ומעלה
מים מתוקים
אספקת חמצן
לרוב על בסיס חמצן טהור
יתרון גדול לאיוורור
60% מדרישת החמצן במתקן מבוסס ביו-פילטר
עלויות (תפעול והקמה)
גבוהות
כ-70-80% מאלו של מתקן מבוסס ביו-פילטר
טעמי לוואי
פוטנציאל גבוה להתפתחות טעמי לוואי
ללא
ביו-פילטר מול הגישה הפיסיקו-כימית
התמריץ לשימוש באלקטרוליזה

10. הגישה הפיסיקו-כימית למדגה מסוחרר עם מי-ים
מעגל חמצון אמוניה
הפרדת מוצקים
מיכל דגים
מפריד מוצקים
אלקטרוליזר
מיכל אלקטרוליזה
מי-ים
מעגל רציף
הדגים מפרישים NH3, CO2, וצואה
מעגל מנתי
אלקטרוליזה מבוצעת על מים בעלי ריכוז כלורידים גבוה
הפרדת מוצקים רציפה מתבצעת על מנת להרחיק שאריות מזון וצואה ← שמירה על ריכוז נמוך של חומר אורגני במערכת
אין במערכת נישה נוחה להתפתחות מיקרוביאלית

11. הגישה הפיסיקו-כימית למדגה מסוחרר עם מי-ים
הפרדת מוצקים
מיכל דגים
מפריד מוצקים
מיכל אלקטרוליזה
אלקטרוליזר
הדגים מפרישים NH3, CO2, וצואה במי-ים
מעגל חמצון אמוניה
פעולת חיטוי אנהרנטית במערכת
במהלך מרבית זמן האלקטרוליזה ערכי pH יורדים מתחת ל-3.5
בגמר האמוניה המים מכילים כלור פעיל
מתקיים חיטוי אגרסיבי של המים המטופלים
נוסף על העובדה שהריכוז המיקרוביאלי נמוך יותר בגלל שאין ביופילטר, וריכוז MIB וgeosmin צפוי להיות נמוך יותר, מתקיים כאן תהליך חיטוי אגרסיבי עם כלור.
אלקטרוליזה מפרקת MIB ו-geosmin.

12. תנאי NH4+, pH וטמפרטורה מול ריכוז NH3 קבוע
לצורך הקטנת נפחים וניצול יעיל של אנרגיה קיימת עדיפות ל עבודה בריכוז אמוניה גבוה

13. אמוניה ודו-תחמוצת הפחמן כתלות ב-pH
NH3 ו-CO2 אשר מופרשים מהדגים אל המים רעילים עבור הדגים בריכוזים נמוכים
NH3 רעיל לדגים בריכוז גבוה מ-0.1 mg/l
Physicochemical RAS
Typical RAS
CO2 רעיל לדגים בריכוז גבוה מ-10 mg/l - 2-
CO2(aq)
לסביר שיש כאן תמריץ ומהו

14. פיילוט מי-ים בגישה הפיסיו-כימית
ORP/pH controllers
Conveyor belt feeder
Electrolysis tanks
O2 & air supply
pH controller
electrolyzer
כשנראה היה שהכל אפשרי – בנינו מתקן פיילוט עם בריכת דגים בנפח של 750 ליטר.
Chemicals dosing pumps
Makeup water tank
Solids separator

15. Stage 1 (75 days) Stage 2 (29 days) Fish tank Effluent Units
Stage 1 (75 days)
Stage 2 (29 days)
Units
Fish tank
Effluent
Temperature oC
24.4 (1.3)
29.5 (0.8) DO
mg/l
7.2 (0.7)
7.8 (1.7) pH
6.7 (0.1)
~3.1
6.4 (0.2)
~2.8
Alkalinity
mgCaCO3/l
35.3 (3.7)
35.3 (4.7)
CO2
mg CO2/l
5.1 (0.9)
9.4 (2.0)
TAN
27.3 (5.0)
0.8 (1.0)
64.1 (8.2)
4.6 (5.2)
NH3-N
0.043 (0.008)
0.037 (0.012)
NO2-N
3.9 (1.1)
0.0 (0)
4.4 (2.9)
NO3-N
7.9 (3.1)
8.6 (1.8)
9.0 (6.0)
9.0 (2.3)
%/d
4.9% (1.4%)
4.7% (2.8%)
צח"ב ביציאה = 0 מוחלט!

16. תוצאות גידול הדגים בפיילוט

17. פרופיל ריכוזים של צורוני החנקן
אמוניה
ניטראט
ניטריט וניטראט לא מתפתחים
אחוזי הרחקת חנקן

18. פרופיל אמוניה, ניטריט, ניטראט ו-pH במחזור אלקטרוליזה
לדבר על חיטוי, תוצרי לוואי של חמצון חומר אורגני (THM ברומאט)

19. תמחור השוואתי של עלויות תפעול והקמה
מערכת פיסיקו-כימית עבור מים מתוקים
מערכת פיסיקו-כימית עבור מי-ים
מערכת מסוחררת ביולוגית (ניטריפיקציה בלבד)
אמנון – 200 טון שנתי
דניס – 110 טון שנתי
אמנונים או דניס
ייצור1
$ ,000
$ 710,000
$ ,000
עלות הקמה
$ ,100
$ 269,400
$ ,500
עלות תפעול שנתית2
$ ,100
$ 96,400
$ ,500
החזר הון
$ ,000
$ 35,000
$ 60,000
חמצן
$ ,000
$ 110,000
$ 90,000
חשמל3
$ ,000
$ 3,000
$ 15,000
כימיקלים
$ ,000
$ 25,000
$ 50,000
קנסות איכות סביבה4
1 תמחור עבור מערכת לדגי מים חמים
2 עלות תפעולית ללא מזון, דגיגים והוצאות פריפריאליות
3 מחיר חשמל לפי 9 סנט אמריקאי לקוט"ש
4 מחירים הנהוגים בדנמרק

20. המשך מחקר . . . בהווה מזעור והשפעת תוצרי לוואי של כלורינציה
בחינת יכולות חיטוי
בעתיד
עבודה בעומס גבוה למשך מחזור גידול שלם
בחינת טעמי לוואי
בחינה השוואתית להתמודדות עם תחלואה
גידול דגי מים קרים

21. תהליך חדשני ויתרוני להפעלה של מערכות מדגה מסוחררות
יתרוני – בעל יתרון יחסי
עלויות הקמה ותפעול נמוכות ב-20-30%
אינו מוגבל בטמפרטורה
ללא התפתחות טעמי לוואי
95% הרחקת חנקן
מכיל חיטוי אינהרנטי
ללא זמן אתחול
דרישת שטח קטנה
עומס מיקרוביאלי נמוך
תודה על ההקשבה

22. פונקציות גידול כתלות בטמפרטורה