ممارسات نظام إعادة تدوير المياه الخالية من تفشي الأمراض: هندسة نظام تحكم مزدوج بالأوزون والمرشحات البيولوجية لتربية الأحياء المائية الخالية من الأمراض

أصبح تحقيق استقرار نظام الاستزراع المائي المُعاد تدويره (RAS) كنظام خالٍ من تفشي الأمراض هدفًا أساسيًا في هندسة أنظمة الاستزراع المائي الحديثة، لا سيما في أنظمة الإنتاج التجاري المكثفة ذات الكثافة العالية ومعدل تبادل المياه المنخفض، حيث تكون ظروف نمو الميكروبات مثالية. ومع توسع أنظمة الاستزراع المائي عالميًا، بات الحفاظ على جودة المياه، واستقرار التجمعات الميكروبية، والقضاء على ضغط مسببات الأمراض داخل الأنظمة شديدة التحكم، اعتبارًا اقتصاديًا بالغ الأهمية لضمان الجدوى على المدى الطويل (لي وآخرون، 2023). ويُقصد بالمنشأة الخالية من تفشي الأمراض تلك التي تحافظ على صحة الأسماك والتوازن البيئي دون وقوع أي حوادث مرضية تُعطل دورات الإنتاج وتُسبب معدلات نفوق عالية. ولا يُمكن تحقيق هذا الاستقرار بمجرد تبادل المياه، بل يتطلب الأمر نظامًا دقيقًا لمعالجة المياه قائمًا على أسس علمية. تُعد طريقة الترشيح البيولوجي المزدوج للأوزون واحدة من أكثر الطرق فعالية المستخدمة في تربية الأحياء المائية الحديثة، وهي عملية تآزرية تتضمن كلاً من الأكسدة المتقدمة والنترجة البيولوجية لضمان جودة المياه، ومنع مسببات الأمراض، وتحقيق ظروف بيئية متسقة، وهو أمر حيوي لنجاح الأنظمة طويلة الأجل (برينا وآخرون، 2021).

تُعيد أنظمة الاستزراع المائي المُعاد تدويرها تدوير أكثر من 95% من المياه الموجودة في أحواض الاستزراع والمرشحات الميكانيكية وحجرات المعالجة. ورغم أن هذا يُقلل من التصريف البيئي ويُعزز الاستدامة، إلا أنه يُؤدي أيضًا إلى زيادة تركيز الكربون العضوي الذائب، والمواد الصلبة العالقة، والمخاط، وجزيئات البراز، وبقايا العلف، وتنوع المجتمعات الميكروبية (MAT، 2025). وعندما تتجاوز هذه المركبات المستويات المثلى، فإنها تُحد من نفاذ الضوء، وترفع من متطلبات الأكسجين البيوكيميائية، وتُعزز نمو البكتيريا الضارة، وتُسبب إجهادًا للأسماك. يُضعف الإجهاد جهاز المناعة، ويُؤثر سلبًا على أداء التغذية، ويُهيئ للإصابة ببكتيريا الضمة، والبكتيريا الهوائية، وبكتيريا الفلافوبكتيريا، والطفيليات، والفيروسات، وغيرها من مسببات الأمراض الانتهازية. لهذه الأسباب، يُركز تصميم أنظمة الاستزراع المائي المُعاد تدويرها عالية الأداء على آليات فعالة لمعالجة المياه قادرة على تنظيم الحمل العضوي والنشاط الميكروبي باستمرار (Fossmark et al.، 2020).

يلعب الأوزون دورًا محوريًا في مواجهة هذا التحدي. وباعتباره أحد أقوى المؤكسدات المستخدمة في معالجة مياه الاستزراع المائي، يُحلل الأوزون بسرعة المواد العضوية الذائبة، والأصباغ الملونة، والغرويات الدقيقة، والملوثات الميكروبية. وقد أظهرت العديد من الدراسات في مجال الاستزراع المائي، بما في ذلك تلك المتعلقة بإنتاج السلمونيات، والبلطي، والأسماك البحرية، أن استخدام الأوزون يُحسّن بشكل ملحوظ من صفاء المياه، ويزيد من نفاذية الأشعة فوق البنفسجية، ويُقلل من أعداد البكتيريا غيرية التغذية، ويُخفض تركيز مسببات الأمراض الحساسة للأوزون. ولأن الأوزون يتحلل إلى أكسجين، فإنه لا يُخلّف أي مخلفات كيميائية ضارة في النظام. وهذه هي ميزته الفريدة عن المطهرات القائمة على الكلور، والتي تُخلّف نواتج ثانوية مُستديمة لا تتوافق مع أنظمة إعادة التدوير. وبالتالي، يعمل الأوزون كمؤكسد سريع وخالٍ من المخلفات، قادر على تنقية المياه وتقليل ضغط مسببات الأمراض قبل المرشح البيولوجي (Xue et al., 2023).

مع ذلك، لا يستطيع الأوزون وحده الحفاظ على بيئة مستقرة لنظام إعادة تدوير المياه. تُطلق الأسماك الأمونيا باستمرار عبر خياشيمها وفضلاتها الأيضية، وحتى التركيزات المنخفضة من الأمونيا تُضعف وظيفة الخياشيم، وتُثبط الشهية، وتُعيق النمو. لهذا السبب، يُعد الترشيح البيولوجي الركن الثاني الأساسي في نهج المعالجة المزدوجة. في المرشح البيولوجي , النيتروسوموناس نيتروباكتر   ونيتروسبيرا​   هي بكتيريا نترجة متخصصة تحول الأمونيا إلى نتريت، ثم إلى نترات عبر عملية النترجة (أوشيكي وآخرون، 2022). هذا التحويل الكيميائي الحيوي ضروري للحفاظ على بيئة آمنة في مزارع الأحياء المائية عالية الكثافة . ونظرًا لحساسية الأوزون لهذه البكتيريا، يجب الحفاظ على فصل مادي بين ملامسة الأوزون والترشيح البيولوجي أثناء تصميم النظام. في أنظمة إعادة تدوير المياه الحديثة، يُرش الأوزون في حجرة منفصلة حيث يختلط بالماء، ثم يمر عبر وحدة إزالة الغازات التي تزيل كل الأوزون المتبقي. تُجرى هذه الخطوة فقط قبل إدخال الماء المعالج إلى عملية الترشيح البيولوجي (شياو وآخرون، 2019).

تُعدّ البكتيريا المُنتجة للنيتروجين حساسة للغاية للإجهاد التأكسدي، ولذلك، يجب منع إطلاق أي أوزون متبقٍ في المرشح الحيوي. تُلبّي هندسة أنظمة إعادة تدوير المياه الحديثة هذه الحاجة من خلال ضمان تصميم عملي للنظام. يتضمن ذلك حقن الأوزون في حجرة تلامس خاصة، ثم يُخلط بالماء لفترة زمنية مُحددة. تُزوّد ​​وحدة تصريف الغازات أو وحدة إزالة الغازات في اتجاه مجرى النظام لإزالة أي أوزون متبقٍ، ثم يُمرّر الماء إلى المرشح الحيوي. هذا من شأنه تجنّب تعريض البكتيريا المُنتجة للنيتروجين لجزيئات مؤكسدة نشطة قد تُدمّر مساراتها الأيضية (محمودي وبيشبين، 2025). مع نظام مُصمّم جيدًا، يتميّز المرشح الحيوي بإنتاج مياه أنظف وأكثر صفاءً وغنية بالأكسجين مع حمولة عضوية أقل بكثير. هذا من شأنه تعزيز استقرار مستعمرات البكتيريا المُنتجة للنيتروجين وكفاءة تحويل الأمونيا، مما يؤدي إلى تحكّم أكثر فعالية في جودة المياه (بومكاو وآخرون، 2021).

يدعم العلماء التآزر بين معالجة الأوزون والترشيح البيولوجي. وتشير الدراسات العلمية إلى أن المياه الداخلة إلى المرشحات البيولوجية المعالجة بالأوزون وغير المعالجة به تُحسّن كفاءة النترجة عن طريق تقليل التنافس بين الكائنات غيرية التغذية على الأكسجين ومساحة السطح. كما تُسهم المياه المعالجة بالأوزون في تقليل التلوث البيولوجي، وزيادة استقرار الكتلة الحيوية النترجة، وتسريع التعافي بعد أحداث الإجهاد مثل زيادة التغذية المفاجئة أو تغيرات درجة الحرارة في المرشحات البيولوجية التي تتغذى على المياه المعالجة بالأوزون. ومع الأداء الفعال للمرشحات البيولوجية، تُحافظ على مستويات الأمونيا والنتريت عند مستوى منخفض وثابت، مما يُقلل من مستويات الإجهاد لدى الأسماك، ويُقلل من احتمالية تفشي الأمراض. ويستند أساس استراتيجية أنظمة إعادة تدوير المياه الخالية من تفشي الأمراض إلى هذا التآزر، حيث يُنقي الأوزون الماء ومسببات الأمراض، بينما يُحافظ المرشح البيولوجي على استقرار النيتروجين (بومكاو وآخرون، 2021).

لضمان نجاح نظام الأوزون المزدوج مع المرشح الحيوي، من المهم الحفاظ على معايير التشغيل الصحيحة. تتراوح قيم جهد الأكسدة والاختزال في حجرة تلامس الأوزون عادةً بين 275 و320 ملي فولت. يساعد هذا النطاق في تقليل المواد العضوية بكفاءة دون توليد أي نواتج ثانوية غير مرغوب فيها (ديفيدسون وآخرون، 2021). قبل وحدة الأوزون، تُستخدم مرشحات أسطوانية ميكانيكية يتراوح حجمها بين 60 و100 ميكرون لإزالة المواد الصلبة الكبيرة العالقة، مما يعزز كفاءة الأوزون عن طريق تقليل الحمل العضوي. القيمة المثلى للكربون العضوي المذاب هي 4 مليغرامات لكل لتر، لأنه عند تجاوز هذا المستوى، يصبح الماء غير صافٍ ويُشجع نمو الميكروبات. عادةً ما يكون تركيز الأكسجين المذاب أسفل حجرة الأوزون أكثر من 9 مليغرامات لكل لتر، لأن الأوزون يتحلل طبيعيًا لإنتاج الأكسجين. يؤدي ارتفاع مستويات الأكسجين المذاب إلى تحسين استقلاب الأسماك ومعدل النترجة بشكل كبير. والأهم من ذلك، يجب أن تكون كمية الأوزون المتبقي الذي يدخل إلى المرشح البيولوجي صفرًا أيضًا، ويتم تحقيق ذلك من خلال المراقبة المستمرة لضمان عدم تلف البكتيريا النيتروجينية.

يلخص الجدول أدناه القيم التشغيلية النموذجية في نظام إعادة تدوير المياه النشط ذي المرشح البيولوجي المزدوج للأوزون:

جدول: المعايير التشغيلية في أنظمة الاستزراع المائي المعاد تدويرها ذات المرشح البيولوجي المزدوج للأوزون

حتى مع وجود هذه الإرشادات، قد تظهر تحديات أثناء تشغيل النظام. يختلف الطلب على الأوزون تبعًا لنمو الكتلة الحيوية، وكثافة التغذية، وتغيرات درجة الحرارة، وغيرها من العوامل غير المتوقعة كالنفوق. قد يؤدي فرط الأوزون إلى تهيج الخياشيم، والإجهاد التأكسدي، أو تثبيط المناعة لدى الأسماك (هان وآخرون، 2023). أما نقص الأوزون فيسمح بتراكم الكربون العضوي المذاب، مما يُؤدي إلى عدم استقرار المجتمعات الميكروبية وجعلها عرضة للأمراض. كما أن الأعطال الميكانيكية في حاقنات الأوزون، أو حجرات التلامس، أو أنظمة إزالة الغازات، قد تتسبب في تسرب الأوزون إلى أحواض الاستزراع، مما يُؤدي إلى استجابات إجهاد حادة. لذلك، يعتمد العديد من المنتجين على أنظمة جرعات الأوزون الآلية التي يتم التحكم فيها بواسطة جهد الأكسدة والاختزال، والتي تستخدم المراقبة الآنية للحفاظ على أداء ثابت.

لا تقتصر تأثيرات الأوزون على بيئة الميكروبات على تثبيط قدرتها على إحداث الأمراض. فعلى الرغم من أن الأوزون يُعدّ طريقة أكثر فعالية للقضاء على تركيزات الكائنات الدقيقة الضارة، إلا أن الأكسدة المفرطة قد تُدمر المجتمعات الميكروبية المفيدة التي تُساهم في تحلل المواد العضوية والحفاظ على استقرار المرشحات البيولوجية. في ظل ظروف الأكسدة الشديدة، تُصبح بعض السلالات الميكروبية مقاومة للأوزون، وبالتالي قد تنمو بشكل غير متناسب، مما يُخلّ بالتوازن البيئي. ولمنع هذه الاختلالات، يستخدم مُشغّلو أنظمة إعادة تدوير المياه (RAS) جرعات معتدلة ومُدارة من الأوزون، مع التركيز على ضمان جودة المياه بدلاً من معالجتها بشكل مُفرط (بوتوندي وآخرون، 2023).

لا يُحسّن نظام الترشيح البيولوجي المزدوج بالأوزون جودة المياه فحسب، بل يُعزز أيضًا استدامة المزرعة بأكملها. فبيئة خالية من الأمراض تُقلل من استخدام المضادات الحيوية وتُخفّض الخسائر في العمليات. كما تُحسّن جودة المياه الثابتة كفاءة تحويل العلف، ومعدلات النمو، وإمكانية التنبؤ بالحصاد. ومع تزايد الضغوط على قطاع الاستزراع المائي العالمي لإنتاج مأكولات بحرية عالية الجودة بأقل تأثير على البيئة، تُعدّ عمليات أنظمة الاستزراع المائي المُعاد تدويرها الخالية من تفشي الأمراض خيارًا عمليًا نحو التكثيف المستدام.

فيWOLIZE يختص فريقنا بتصميم أنظمة الاستزراع المائي المتقدمة بتقنية إعادة تدوير المياه، والمُحسّنة علميًا لدمج الأوزون مع المرشحات الحيوية. نساعد المصنّعين على تحقيق عمليات تشغيل متسقة، ومقاومة للأمراض، وعالية الأداء، من خلال الهندسة الاحترافية، والدعم الفني، والتقييم المستمر للأنظمة.

مراجع: