Доступность растворенного кислорода (РК) обычно является главным фактором, который ограничивает возможность увеличения плотности посадки в замкнутой системе водоснабжения. Измерение его концентрации проводится различными методами (подробнее). Использование только аэрации для обеспечения кислорода позволяет поддерживать плотность посадки 40 кг/м³. Однако внесение чистого кислорода с помощью оборудования эффективной подачи газа повышает плотность посадки до 120 кг/м³. В расчет берется разница концентрации растворенного кислорода на входе емкости культивирования (10 мг/л при аэрации или 18 мг/л подача чистого кислорода) и на выходе системы. Например, при концентрации растворенного кислорода на выходе 6 мг/л для дыхания рыбы доступно лишь 4 мг/л при аэрации (10 мг/л — 6 мг/л) и 12 мг/л при подачи чистого кислорода (18 мг/л — 6 мг/л). Таким образом, плотность посадки может возрасти с 40 кг/м³ до 120 кг/м³. Интересно, что концентрация побочных продуктов (твердого осадка) при возрастании плотности зарыбления также возрастает. Поэтому необходимо более эффективное их удаление, например, использование микросетчатого фильтра.

Запросы водных организмов в отношении концентрации кислорода зависят от многочисленных факторов, включающих плотность посадки, количества вносимого корма, уровня стресса, температуры воды и ряда других. Холодноводные виды нуждаются в 0,3-0,5 кг кислорода на 1 кг корма. При высоких температурах и наличии кислородного запроса со стороны биофильтра и других бактерий потребность в кислороде возрастает до 1 кг кислорода на 1 кг корма. Минимальные значения растворенного кислорода зависят также от потребностей конкретного вида рыб и условий выращивания. Тилапия может выживать при таких уровнях растворенного кислорода, при которых радужная форель или лосось погибают в течение считанных минут. Стоит отметить, что концентрация O₂ менее 4-6 мг/л снижает ростовые показатели.

Плотность посадки можно повысить путем повышения количеств вносимого корма, когда решена проблема с доступностью кислорода и снижены такие лимитирующие факторы, как общий уровень азотсодержащих продуктов, CO₂, объем емкости культивирования. Повышение плотности зарыбления должно быть экономически оправдано.

Таким образом, концентрация растворенного кислорода является одним из наиболее существенных лимитирующих факторов, определяющих количество выращиваемой рыбы.

Тем не менее, интенсификация снабжения воды чистым кислородом, равно как и аэрация, ограничена, потому что на каждые 10 мг/л потребляемого O₂ образуется 1,0-1,4 мг/л TAN (общий уровень азота), 13-14 мг/л CO₂ и 10-20 мг/л твердых частиц в осадке. При потреблении кислорода системой более 10-22 мг/л (в зависимости от щелочности, pH, температуры, видов рыб) лимитирующим фактором становится концентрация растворенного углекислого газа (без снятия и контроля pH).

Перенос газов

Аэрация — процесс контакта газов с водой.

Когда воздух контактирует с водой, растворенные газы в воде достигают равновесной фазы, согласно парциальному давлению газов в атмосфере. На растворение газов влияют два фактора, площадь поверхности раздела сред «воздух-вода» и разница парциальных давлений (концентраций) газов при насыщении и в воде. Например, если вода не насыщена газом, последний будет растворяться. В противном случае, при сверхнасыщении воды, газ начнет покидать воду. В простейшей капельной колонне можно удалять из воды сверхнасыщенный азот, тогда как кислород, не достигший этого состояния, напротив, начинает растворяться. Скорость переноса газов зависит от дефицита (или избытка) их в растворе. Она пропорциональна константе, известной как коэффициент переноса газа. Общий коэффициент переноса газа определяется условиями, созданными с конкретной системе подачи газа. Это составной показатель, включающий такие факторы, как коэффициент диффузии газов, толщина жидкостной пленки и площадь поверхности раздела фаз «воздух-вода». Озвученные факторы также обозначают пути для повышения общего количества переносимого газа. Например, можно уменьшить толщину жидкостной пленки за счет перемешивания и создания турбулентных потоков; путем уменьшения размера пузырьков, повысить площадь поверхности раздела фаз «воздух-вода»; либо увеличить концентрационный градиент.

Концентрационный градиент можно повысить путем введения чистого кислорода, установкой систем повышенного давления, сдерживанием парциального давления газа в атмосфере от резких изменений при его протекании по системе переноса (увеличением площади поверхности раздела фаз).

Чистый кислород контактирует с водой, где достигает сверхнасыщенного состояния. При этом из раствора уходит незначительная доля азота. В условиях обычной аэрации плотность посадки остается относительно низкой (менее 40 кг/м³), но обеспечивается контакт воды с атмосферным воздухом, что предотвращает накопление токсических концентраций углекислого газа.

Кислородная смесь в 5 раз повышает растворимость кислорода в воде по сравнению с аэрацией обычным воздухом (48,1 мг/л против 10,1 мг/л при 15 °C). Возрастание давления с 1 до 2 атмосфер приводит к возрастанию растворимости кислорода в два раза (97 мг/л против 48 мг/л при 15 °C).

В рыбоводстве чаще всего используется три источника кислорода: кислородная смесь под высоким давлением, сжиженный кислород и генерация кислорода на месте. Для гарантированного присутствия кислорода во многих хозяйствах предусмотрено, по крайней мере, два источника его получения. Кислородная смесь под высоким давлением, содержит от 3 до 7 м³ газа под давлением 170 атмосфер. С целью повышения емкости можно соединить вместе несколько баллонов. Вследствие своей дороговизны и ограниченной вместимости, кислородные баллоны используются только в качестве запасного средства, на крайний случай.

Также кислород можно генерировать на месте, используя адсорбцию с перепадом давления (PSA – “Pressure Swing Adsorption”) или вакуумное адсорбционное разделение (VSA – “Vacuum swing Adsorption”). В обоих случаях для избирательной адсорбции или абсорбции азота из воздуха для продукции смеси, обогащенной кислородом, используется молекулярный микрофильтр. На рынке представлены модели, производительностью 0,5-14 кг кислорода в час при 0,7-3,3 атмосферах. Для продукции смеси, содержащей 85-95% кислорода, требуется источник сухого, отфильтрованного воздуха, подаваемого под давлением 6,0-10,0 атмосфер. PSA и VSA операционные единицы функционируют периодически и включаются только по необходимости. Они очень надежны и не требуют большого ухода. Тем не менее, данное оборудование очень дорого стоит, равно и как его работа, что связано с необходимостью подачи воздуха под высоким давлением. Кроме того, так как для своей работы PSA и VSA единицы нуждаются в электричестве (1,1 кВт на 1 кг O₂), на случай его отключения необходим запасной источник чистого кислорода.

Очень часто существует возможность получить жидкий кислород 98-99% чистоты, который может транспортироваться и храниться в контейнерах типа сосуда Дьюара. При 1 атмосфере жидкий кислород вскипает при -182.96°C, поэтому требуется специальный криогенный контейнер для хранения. Он может варьировать в размерах от 0,11 м³ до 38 м³, и обычно арендуется или поступает в лизинг от поставщиков, хотя небольшие емкости могут продаваться. Четыре с половиной литра жидкого кислорода эквивалентно 3,26 м³ газообразного кислорода. Максимальное давление в контейнере варьирует от 8,775 до 11,7 атмосфер. Перед использованием жидкий кислород испаряется непосредственно через теплообменники. Система хранения жидкого кислорода состоит из емкости для хранения, теплообменника-газификатора и регулятора давления. Использование данного оборудования зависит от транспортных расходов, и снижает затраты на поддержание и покупку PSA систем. Оборудование для хранения и подачи жидкого кислорода очень надежно и работает даже при отключении электричества. Проблемы наблюдаются при его использовании в качестве запасного варианта на случай отключения электричества, когда хранимого объема газа оказывается недостаточно. Необходимо внимательно отнестись к возможным рискам и подбирать контейнеры достаточного объема. Кислорода должно быть достаточно, по крайней мере, на 30 дней эксплуатации. При первых признаках ухудшения погодных условий и использовании сжиженной смеси благоразумно снизить количество вносимого корма, что уменьшит кислородные запросы рыб в течение следующих 24 часов.

Оборудование для оксигенации

В непрерывной жидкой фазе (пузырьки в воде): U-образные трубы, кислородные конусы (насыщение в нисходящем водном потоке), кислородный аспиратор, распылители.

Для переноса кислорода используются непрерывная газовая фаза (вода капает в воздухе): многоуровневые низконапорные оксигенаторы, упакованные или распыляющие колонны, колонны под давлением, закрытые механические поверхностные смесители.

Многоуровневые низконапорные оксигенаторы используются чаще всего, потому что они приспособлены для высокоскоростного потока с минимальным гидростатическим напором. Традиционный низконапорный оксигенатор был разработан Воттеном в 1989 году. В настоящее время созданы разнообразные схемы данного устройства, которые, однако, имеют один принцип работы. Оксигенатор состоит из распределительной пластины, находящейся над несколькими (5-10) прямоугольными камерами. Вода течет через заградительные пластины до конца канала, либо с помощью помпы направляется вверх от емкости с рыбой, через распределительную пластину, а затем падает через прямоугольные камеры. Камеры обеспечивают поверхность на границе раздела фаз, необходимую для смешивания и переноса газа. Нисходящий поток собирается на дне каждой камеры и покидает их. Весь чистый кислород вводится во внешнюю или первую прямоугольную камеру. Смесь газов в первой камере постепенно распространяется по всем камерам. При прохождении от камеры в камеру газовая смесь постепенно теряет кислород, который растворяется в воде. Наконец, остатки смеси покидают последнюю камеру. Каждая из прямоугольных камер газопроницаема. Отверстия между ними сделаны таким образом, чтобы препятствовать обратному смешиванию воды.

 

 

 

 

 

 

 

Для снижения скопления осадка низконапорные оксигенаторы могут конструироваться с коническим дном. Благодаря серии камер и снижению короткой циркуляции газа, многоуровневая система позволяет максимизировать абсорбцию O₂. С введением кислорода (объем введения составляет 0,5-2% от объема водного потока) происходит выделение азота из воды. Гидравлическое давление при этом составляет 50-100 г*мин/ фут².

Представленная модель оксигенатора использована для демонстрации влияния числа камер и площади поверхности раздела фаз «газ/жидкость» на эффективность абсорбции кислорода. Как можно видеть, даже модель с 4-5 камерами уже оказывается очень эффективной. Это обусловлено существованием коммерческих моделей с числом камер, равным семи. На графике видно, что при соотношении G/L = 2% эффективность переноса газа несколько падает. Таким образом, увеличение соотношения G/L экономически не оправдано.

На данном графике показано, что соотношение газа и жидкости 1,4% характеризует наибольший объем подачи кислорода, когда наблюдается минимальная эффективность абсорбции кислорода 70%; это связано с повышением выделения растворенного кислорода из воды при объеме его подачи в концентрации 12 мг/л по сравнению с 6 мг/л. Отсюда вытекает эмпирическое правило, что дельта растворенного кислорода при 10-12 мг/л является целевым значением при проектировании многоуровневых низконапорных оксигенаторов. Быстрое падение эффективности абсорбции при повышении соотношения газа и жидкости создает опасность для рыбоводов, которые пытаются увеличить соотношение G/L и, тем самым, лишь повышают уход кислорода из раствора.

Часто непосредственно над многоуровневым низконапорным оксигенатором располагают CO₂-дегазационную колонну.
U-образная труба для аэрации функционирует по принципу повышения давления газа, что приводит к возрастанию растворения кислорода. Она состоит из двух концентрических трубок, либо из двух трубок в вертикальной шахте глубиной 9-45 метров. Кислород подается в верхний конец перевернутой U-образной трубы, по которой вниз к изгибу спускается смесь воды с газом. Эффективность растворения кислорода определяется высотой U-трубы, скоростью подачи газа, скоростью водного потока, глубиной диффузора и концентрацией поступающего кислорода. Концентрация растворенного кислорода варьирует от 20 до 40 мг/л, однако эффективность его переноса составляет всего 30-50%. Установка узла вторичного использования отработанного газа повышает эффективность переноса до 55-80%. У U-образной трубы имеется два преимущества, одно из которых заключается в низком гидравлическом напоре, что при наличии достаточной высоты жидкости исключает необходимость во внешнем источнике электропитания. Данный тип оксигенатора может использовать воду, содержащую большое количество загрязнений. Его единственным недостатком является плохая экстракция углекислого газа и азота, а также высокая стоимость строительства, особенно в присутствии коренной породы.

Вода движется со скоростью 1,8-3 м/сек и увлекает за собой пузырьки кислорода, плавучесть которых составляет 0,3 м/сек. Растворение кислорода повышается при достижении глубины 10-45 метров. Одной из проблем эксплуатации U-трубы может стать блокада канала слишком большим объемом пузырьков кислорода, которые ломают водный поток (при соотношении газа и жидкости более 25%). Для работы оксигенатора необходим гидравлический напор 1-6 метров. Для больших труб с большим потоком требуется низкий столб воды, для маленьких труб – высокий.

Кислородные конусы

Кислородные или оксигенационные конусы состоят из конусовидного цилиндра или серии труб с постепенно увеличивающимся диаметром. Вода и кислород входят в верхнюю часть конуса, направляются вниз к выходному патрубку. С возрастанием диаметра конуса по ходу вниз, скорость воды снижается, вплоть до момента, когда она становится равна скорости всплытия пузырьков кислорода. Таким образом, пузырьки находятся во взвешенном состоянии и постепенно растворяются в воде. Эффективность данного процесса определяется скоростью поступления воды и кислорода, концентрацией вводимого кислорода, геометрией конуса и создаваемым давлением. Эффективность абсорбции варьирует от 95 до 100% с концентрацией на выходе 30-90 мг/л. Коммерческие модели рассчитаны на растворение 0,2-4,9 кг кислорода в литре при скорости водного потока 170-2300 л/мин. Стоит отметить, что кислородные конусы плохо удаляют азот из воды.

Контроль O₂ и CO₂

Необходимо удалять углекислый газ из воды после достижения им максимального уровня, перед сверхнасыщением воды кислородом. Этот процесс осуществляется после биофильтрации.

Воду необходимо очистить от летучих компонентов перед её поступлением в аппарат оксигенации. Предварительная фильтрация газообразных продуктов поднимает концентрацию растворенного кислорода до 90% уровня насыщения. Только чистый кислород должен поступать на сверхнасыщение.

Состояния сверхнасыщения растворенного кислорода необходимо достигать непосредственно перед поступлением воды в емкость культивирования. При этом вода должна быть изолирована от атмосферного воздуха.
——
[user]
Brian Vinci, Ph.D. Steven Summerfelt, Ph.D. Oxygenation. The Freshwater Institute, Shepherdstown, WV
[/user]