Интенсификация внутриматериковой аквакультуры в проточных и рециркуляционных системах

За последние 20 лет продуктивность хозяйств по выращиванию мальков и смолта форели и лосося существенно возросла. Эти наземные, внутриматериковые фермы располагаются преимущественно вдоль побережья и сбрасывают сточные воды в море. Подобные производства являются основным источником молоди форели и лосося для зарыбления морских садков в прибрежных странах с умеренным климатом – Чили, Шотландии и Норвегии. По всему миру наблюдается тенденция увеличения числа систем с рециркуляцией для выращивания пресноводных и морских рыб. Во многих случаях их использование имеет экологические преимущества над другими технологиями, особенно теми, которые базируются на протоке.

С середины 80-х годов непрерывного производства норвежские власти требуют минимальный поток воды 1.5 м3 на 100000 особей смолта Лососевых. Без оксигенации воды специфическая величина водного потока колеблется в течение года от 0.5 до 2.5 л/кг*мин. Добавление чистого кислорода существенно снижает требования к силе водного потока (0.3-0.5 л/кг*мин). Согласно другим законодательным нормам лицензирования хозяйств, минимальный допустимый поток в протоке составляет 0.3 л/кг*мин. Тем не менее, недавно для замены такого показателя, как водный поток, были предложены показатели качества воды (концентрация кислорода, углекислого газа, аммония). Во многом благодаря использованию технологии оксигенации, потребление воды на многих фермах по выращиванию смолта Лососевых составляет 100-200 м3/кг производимой рыбы. Двадцатью годами ранее этот показатель достигал 1000-1700 м3/кг производимой рыбы.

Когда поток воды снижается, возрастает концентрация углекислого газа и аммония, тогда как pH снижается. В условиях снижения водного потока и введении чистого кислорода лимитирующими факторами могут стать углекислый газ и водородный показатель. Однако для культуры смолта Атлантического лосося мало информации, относительно влияния на неё высоких концентраций углекислоты. При снижении водного потока может наблюдаться усиление частоты дыхания рыб и снижение скорости их роста. Эксперименты с длительной экспозицией радужной форели и Атлантического лосося в пресной воде с высоким уровнем углекислого газа приводили к снижению скорости роста и утилизации корма, а также нефрокальцинозу (отложение солей кальция в ткани почек).

Системы с рециркуляцией воды, поддерживая высокое качество вторичной используемой воды, позволяют снизить объем подпиточной воды. Они разрабатывались в различных странах для коммерческого выращивания морских и пресноводных видов рыб. В рамках данной статьи описаны несколько систем УЗВ, адаптированных к выращиванию рыб на различных стадиях развития (от разведения до получения особей коммерческого размера) и в различных географических зонах (Европа и США). Существенное влияние на снижение загрязнений в стоке оказывает повышение качества корма, тщательный контроль кормления и другие факторы. С середины 80-х годов средний коэффициент переводы корма (FCR) в норвежской индустрии по выращиванию смолта снизился с 1.5-1.8 до менее 1.0 (кг корма/кг производимой рыбы). Итоговое значение указывает на вдвое меньший объем органических загрязнений на килограмм производимой рыбы. Кроме того, многие фермы внедрили узлы механической очистки для обработки стока.

Главным лимитирующим фактором внутриматериковой аквакультуры является источник воды. Поэтому чистый кислород часто вводится непосредственно в месте поступления воды в систему, либо на входе в бассейны с рыбой. Оксигенация позволяет снизить объем водного потока, однако происходит накопление углекислого газа и аммония, и снижается pH среды. Падение водородного показателя напрямую связано с буферной емкостью (щелочностью) воды, поэтому углекислый газ и pH могут стать лимитирующими факторами в условиях сниженного водного потока.

В воде с низкой щелочностью pH становится лидирующим лимитирующим фактором. Падение этого показателя в подпиточной воде может быть настолько большим, что она станет непригодной для рыбоводства. В условиях низкого pH алюминий становится токсичным, накапливается в жабрах и нарушает осморегуляцию и захват кислорода. Когда щелочность высокая, основным лимитирующим фактором становится концентрация углекислого газа. Это верно для проточной и для рециркуляционной систем.

Во многих работах говорится о том, что объем используемой воды и загрязнение стока в наземной ферме могут быть снижены усилением аэрации, включением узла очистки воды, в том числе, установой отстойников перед сбросом стока в естественную среду.

Проточные системы
Основными параметрами воды в проточной системе являются кислород, pH, углекислый газ, щелочность и металлы (например, алюминий). Они связаны с потоком воды в системе. В проточных системах кислород рассматривается основным лимитирующим фактором при выборе скорости водного потока. Одним из наиболее важных детерминант производительности норвежской фермы по выращиванию смолта является источник пресной воды. Количественно потребности в водном потоке могут быть представлены:

q0 = M/(DOin — DOout), где q0 специфические потребности в водном потоке (л/кг*мин), M – расход кислорода (мг/кг*мин), DOin и DOout – концентрация кислорода на входе в систему и на выходе из стока (мг/л).
q0 = M/d, где d – разница между DOin и DOout. Когда концентрация кислорода возрастает на входе в систему, d возрастает при заданном значении DOout. При этом специфический водной поток можно снизить при заданном метаболическом уровне.

Рисунок 1. По оси ординат - специфический водный поток (л/кг/мин), по оси абсцисс - разница между концентрациями растворенного кислорода на входе в систему и в сточной воде (d-значение, мг/л) при различном расходе кислорода (мг/кг/мин)
Рисунок 1. По оси ординат — специфический водный поток (л/кг/мин), по оси абсцисс — разница между концентрациями растворенного кислорода на входе в систему и в сточной воде (d-значение, мг/л) при различном расходе кислорода (мг/кг/мин)

Основные связи между концентрацией растворенного кислорода (DO) и скоростью роста описаны Jobling [Jobling, M. 1993, Fish Bioenergetics. Chapman and Hall, London. 309 p]. Когда значение DO низкое, подавляется прием корма. Вероятно, это связано с тем, что недостаточный уровень кислорода не может поддерживать высокие энергетические потребности питающихся рыб. При низком DO, снижение приема пищи, очевидно, приводит к замедлению роста. Поэтому очень важно определить критический уровень DO, при котором прием корма и рост культивируемого вида начинает меняться.

Концентрация растворенного кислорода должна поддерживаться на стабильном, высоком уровне, особенно в системах культивирования холодноводных видов (Лососевых). Даже при температуре ниже 10°C, длительное сохранение DO на уровне 70% от насыщения снижает аппетит и рост Атлантического лосося. Более низкие концентрации растворенного кислорода в садках и бассейнах с лососем приводят к полному краху производительности. Аналогичное падение продуктивности в условиях низкой концентрации DO и нормальной температуры (15°C) отмечено и для радужной форели [Pedersen, L.C. 1987, Energy budget for juvenile rainbow trout at various oxygen concentrations. Aquaculture, 62, 289-298].

Рисунок 2. Кормовой коэффициент перевода (FCR) и скорость роста (SGR) у Атлантического лосося на стадии после смолта. Четыре бассейна в условиях различной концентрации растворенного кислорода (DO) и низкой температуры (8 – 9 °C). Тестовый период: 24 апрель - 17 июнь 2002. EWOS Innovation Dirdal
Рисунок 2. Кормовой коэффициент перевода (FCR) и скорость роста (SGR) у Атлантического лосося на стадии после смолта. Четыре бассейна в условиях различной концентрации растворенного кислорода (DO) и низкой температуры (8 – 9 °C). Тестовый период: 24 апрель — 17 июнь 2002. EWOS Innovation Dirdal

Водный поток, углекислый газ и pH
Недавно проводился эксперимент, в котором смолт Атлантического лосося (Salmo salar L.) (вне сезона) массой 42-47 граммов выращивался в течение 40 дней в различных условиях культивирования. Испытывались три режима скоростей водного потока – 0.55-0.71 л/кг*мин (высокий), 0.25-0.31 л/кг*мин (умеренная) и 0.15-0.20 л/кг*мин (низкий), и два режима солености. В каждой группе находилось два бассейна с рыбой. Кислород вносился на входе в систему так, чтобы его концентрация в стоке составляла 7.5 мг/л при температуре 8-9°C. Водородный показатель достигал 6.1-6.4 и 6.3-6.7 в бассейнах с низкой и высокой соленостью, соответственно. Концентрация углекислого газа составляла 14 мг/л при низкой скорости водного потока, 10 мг/л при умеренной и 7 мг/л при высокой. Спустя 6 недель, все группы переносились из солоноватой воды в морскую воду. В данном эксперименте не было обнаружено статистически значимых различий скорости роста в условиях пресной или солоноватой воды, даже при низкой скорости водного потока 0.15 л/кг*мин [Fivelstad, S., Olsen, A.B., Wågbø, R., Zeitz, S, Hosfeld, A.-C.- D., and Stefansson, S. 2003. A major water quality problem in smolt farms: Combined effects of carbon dioxide, reduced pH and aluminium on Atlantic salmon ( Salmo salar L.) smolts: physiology and growth. Aquacult. 215, 339-357].

Таблица 1. Водный поток, соленость и другие параметры качества воды в бассейне на пресноводной стадии, EWOS Инновацонная исследовательская станция в Дирдале, ноябрь-декабрь, 2000. Бассейны зарыблены смолтом Атлантического лосося. Начало — 11 ноября, окончание — 20 декабря (40 дней). Перенос в соленую воду: 22 декабря. Средняя температура — 8.6°C, max – min: 9.0 – 7.9 °C. Средняя концентрация углекислого газа в поступающей воде 4.7 мг/л (диапазон 3.2 -5.9 мг/л; n = 8). F — поток, S — соленость, L — низкая, M — умеренная, H — высокая

Соленость потока№ бассейнаПоток, л/кг/минСоленость
СреднееМакс.-Мин.СреднееМакс.-Мин.
LF-HS10.170.20-0.154.65.2-3.5
20.180.20-0.15««
LF-LS110.180.22-0.161.61.8-1.5
120.190.20-0.17««
MF-HS30.280.31-0.284.55.4-3.6
40.280.30-0.25««
MF-LS90.290.30-0.271.61.8-1.5
100.290.31-0.28««
HF-HS50.630.68-0.554.45.3-3.4
60.660.70-0.59««
HF-LS70.640.68-0.561.61.8-1.5
80.640.71-0.57««

На рисунке 3 показано, что pH снижается как функция от концентрации углекислого газа. Однако в условиях максимальной солености значение pH выше 6.2 для всех групп.

Рисунок 3. Взаимосвязь между концентрацией углекислого газа и pH воды
Рисунок 3. Взаимосвязь между концентрацией углекислого газа и pH воды

Совместные эффекты pH, углекислого газа и алюминия
Отмечено, что накопление углекислого газа в пресноводном бассейне, снижение pH и изменение содержания алюминия может быть губительно для парра (parr) и смолта Атлантического лосося, даже при низкой концентрации алюминия.

Parr – стадия лосося и форели между мальком и смолтом. Определяется по темным округлым участкам, равномерно распределенным по бокам тела.

Рисунок 4 рассчитан на основе теоретической модели, где pH является функцией от концентрации углекислого газа при бикарбонатной щелочности 0.08 мМ. График также показывает взаимосвязь между pH, углекислым газом и токсичностью алюминия. При pH выше 6.8 алюминий становится ядовитым, потому что образуется Al(OH)4-. Согласно Jenssen и Leivestad [Jenssen, E. A. and Leivestad, H., 1989. Surt vann og smoltoppdrett (in Norwegian). Sluttrapport fra vannbehandlingsprosjektet Salar/BP 1984 — 1987, 1 — 82], алюминий токсичен для смолта Атлантического лосося даже в низких концентрациях, когда pH ниже 6.2. При высоких концентрациях алюминия, во избежание его токсического влияния, значение pH должно поддерживаться в диапазоне 6.5-6.8. Рыбоводы избегают пагубного влияния алюминия путем внесения бикарбоната для стабилизации pH (добавление морской воды или известняка), либо образованием комплекса алюминия с силикатом натрия.

Рисунок 4. Теоретическая связь между концентрацией углекислого газа и уровнем pH в сточной воде. Вода на входе в систему имеет pH - 7.0, температуру 8 градусов, карбонатную щелочность 0.08 ммоль/л. Рисунок основан на модели Colt, J. and Orwicz, K. 1991, Modeling production capacity of aquatic culture systems under freshwater conditions. Aquac, Eng., 10, 1-29. Штриховые линии показывают безопасный уровень pH при низкой концентрации алюминия. Реально наблюдаемые значения показаны точками
Рисунок 4. Теоретическая связь между концентрацией углекислого газа и уровнем pH в сточной воде. Вода на входе в систему имеет pH — 7.0, температуру 8 градусов, карбонатную щелочность 0.08 ммоль/л. Рисунок основан на модели Colt, J. and Orwicz, K. 1991, Modeling production capacity of aquatic culture systems under freshwater conditions. Aquac, Eng., 10, 1-29. Штриховые линии показывают безопасный уровень pH при низкой концентрации алюминия. Реально наблюдаемые значения показаны точками

Допустимые границы химических показателей воды для смолта Атлантического лосося освещены в Норвежском руководстве по работе с аквакультурой (Norwegian guidelines for operating instructions for Aquaculture).

Таблица 2. Безопасный уровень параметров воды для Атлантического лосося

Факторы окружающей средыБезопасный уровень
Кислород (низкое давление газа)85-100 от насыщения
Углекислый газ<15 мг/л
pH6-8
Неионизированный аммоний10мкг/л
NO2<0.1 мкг/л
Лабильный алюминий<5 мкг/л
Алюминий в жабрах<20 мкг/г

Требования к качеству воды
Как и в случае проточных систем, требования к качеству воды для систем с рециркуляцией зависят от биологических потребностей конкретных видов рыб и стадий их развития. Описанные выше параметры (температура, растворенный кислород, pH, углекислый газ и аммоний) являются потенциальными лимитирующими факторами в проточной системе, но также и в системе с рециркуляцией. Металлы, такие как алюминий, вызывают беспокойство и в условиях УЗВ. Некоторые параметры воды, например, нитриты, нитраты, щелочность, очень важны в УЗВ, потому что они образуются и расходуются в ходе процессов нитрификации. Существует дополнительная категория веществ, вызывающая беспокойство в системах с рециркуляцией. Это следовые соединения, накапливаемые в системе в ходе кормления или иными путями, либо производимые внутри системы рыбами и в ходе очистки воды. Они включают металлы, феромоны и химические вещества, портящие вкус рыбы [Colt, J. 2006, Water quality requirements for reuse systems. Aquac. Eng., 34, 143-156; Schrader, K.K., Acuña-Rubio, S., Piedrahita, R.H., and Rimando, A.M. 2005, Geosminand 2-methylisoborneol cause off-flavors incultured largemouth bass and white sturgeonreared in recirculating-water systems. North American Journal of Aquaculture 6,177-180].

Изменения некоторых параметров воды, например pH, влияет не только на здоровье рыбы, но также работу узла очистки. Хотя, в целом, влияние углекислого газа на здоровье рыб в условиях УЗВ изучено, не хватает информации о деталях данного процесса. Пробелы в знаниях тянутся от практических методов измерения концентрации CO2 в воде, до исследований физиологического воздействия незначительного подъема уровня CO2 и определения его оптимальных значений в аквакультуре.

Карбонатная система
Важность pH и углекислого газа в аквакультуре заставляют подробнее остановиться на взаимодействии: «щелочность-pH-углекислый газ». Карбонатная система отвечает за контроль водородного показателя в большинстве естественных вод. Она включает растворенные формы углекислого газа: двуокись углерода (CO2aq — водный), угольная кислота (H2CO3), ион бикарбоната (HCO3-) и карбоната (CO32-). Лишь небольшая часть CO2aq гидратируется до H2CO3, и обычно эта доля незначительна для дифференцировки двух этих форм: [H2CO3*] = [CO2(aq)] + [H2CO3].

Концентрацию гипотетического соединения H2CO3* обычно связывают со свободным CO2 или общим растворенным CO2. Вводя аббревиатуру H2CO3*, уравнение реакции можно выразить как:

CO2 (g) + H2O H2CO3*, KH = [CO2 (г)]/[H2CO3*] (4)
H2CO3* H+ + HCO3-, Ka,1 = ([H+][ HCO3-])/[H2CO3*] (5)
HCO3— H+ + CO32-, Ka,2 = ([H+][ CO32-])/[ HCO3-] (6)

KH – константа закона Генри и две константы уравнения (K 1,2) являются функциями температуры и солености. Квадратные скобки уравнения указывают на молярную концентрацию (моль/л).

Щелочность, способность воды нейтрализовать кислоту до угольной кислоты
Щелочность = [HCO3-]+2[CO32-]+[B(OH)4]+[NH3]+[SiO(OH)3-]+[HPO42-]+2[PO43-]-[H3PO4]+[OH]-[H+] (7)

Во многих случаях и большинстве расчетов щелочность выражается упрощенно, с включением только карбонатов, водорода и гидроксид иона:

Щелочность = [HCO3-]+2[CO32-]+[OH]-[H+] (8)

Применительно к морской аквакультуре и некоторым системам с рециркуляцией, щелочность может включать дополнительные переменные, влияющие на неё. Они повышают точность расчетов, связанных со щелочностью, pH и концентрацией углекислого газа:

Щелочность (Alkextra) = [B(OH)4]+[NH3]+[SiO(OH)3-]+[HPO42-]+2[PO43-]-[H3PO4] (9)

Щелочность легко измеряется титрованием. Кроме того, для получения полезной информации о буферной емкости воды, щелочность удобно рассчитывать как концентрацию карбоната:

Рисунок 5. Взаимосвязь между концентрацией углекислого газа и pH для пресноводной системы при температуре 10°C и щелочности 0.5-4 meq/L (миллиэквивалент/л)
Рисунок 5. Взаимосвязь между концентрацией углекислого газа и pH для пресноводной системы при температуре 10°C и щелочности 0.5-4 meq/L (миллиэквивалент/л)

В системе с рециркуляцией воды щелочность расходуется на процессы нитрификации в стехиометрическом соотношении два эквивалента на моль аммония, переведенного в нитрат. Снижение щелочности сопряжено с падением pH, что влияет не только на культивируемую рыбу, но и бактерии биофильтра. В результате некоторые хозяйства нуждаются в дополнительном источнике щелочей (бикарбонат натрия или гидрооксид натрия). Денитрификация, напротив, приводит к образованию щелочей, поэтому УЗВ, в которой совмещены процессы нитрификации и денитрификации, не нуждается в дополнительном источнике щелочей [van Rijn, J., Tal, J., and Schreier, H.J. 2006, Denitrification in recirculating systems: theory and applications. Aquac. Eng., 34, 364-376].

Другие параметры воды
Как сказано выше, некоторым показателям качества воды, на которые в норме не обращают внимание в проточных системах, уделяется большое внимание в системах с рециркуляцией. Нитрит является промежуточным продуктом нитрификации. Он может накапливаться непосредственно после запуска биофильтра, в случае его сильного загрязнения, либо неоптимального режима работы. Токсичность нитрита для рыб более высокая в пресной, чем морской воде, что связано с присутствием в последней большого числа хлорид ионов [Colt, J. 2006, Water quality requirements for reuse systems. Aquac. Eng., 34, 143-156].

В дополнение к металлам, таким как алюминий, который попадает в систему в растворенном виде с подпиточной водой, существуют другие, образующиеся при растворении компонентов системы (труб, следовых загрязнений корма). К числу таких металлов относятся медь и цинк. Их токсичность сильно зависит от жесткости и солености воды. Хотя они обычно не причиняют больших проблем в УЗВ, в условиях низкого количества подпиточной воды, необходимо тщательно подходить к выбору строительных материалов.

Системы с рециркуляцией воды
Повсеместно, ограничения законодательства и давление среды обитания толкают рыбоводов навстречу технологиям замкнутого водоснабжения. В системах такого типа рыба выращивается в условиях высокой плотности, когда объем подпиточной свежей воды в 10-100 меньше, чем в протоке. Следовательно, для упрощения обработки воды скорость загрязненного водного потока должна снижаться, а концентрация загрязнений в стоке, напротив, возрастать. Степень «замкнутости» УЗВ зависит от вида рыб, технологической сложности петли очистки воды и эффективности её компонентов. После прохождения бассейнов с рыбой, вода теряет кислород и насыщается взвешенными частицами, общим аммонием, мочевиной, фосфором и углекислым газом. Компоненты петли очистки выбираются и проектируются таким образом, чтобы восстанавливать качество рециркулирующей воды. Они вовлекают физико-химические (механическая фильтрация, обмен между жидкостью и газом, температурный и pH контроль, дезинфекция) и биологические (аэробная и анаэробная биофильтрация) процессы. Качество подпиточной воды тщательно контролируется, а загрязнения дополнительно обрабатываются в стороннем цикле обработки.

В Европе, за последние два десятилетия УЗВ развивалось специфически. В северных странах преимущественно выращивали пресноводные виды рыб (угри и Африканский сом), а в южных странах выращивали сеголеток морских видов рыб (окунь, лещ, тюрбо). Хозяйства Северной Америки, главным образом, сосредоточились на культивировании пресноводных видов. Внедрение УЗВ для культивирования при любой солености проходит повсеместно. Существующие в настоящее время системы производят до сотен тонн рыбы ежегодно.

Как отмечено ранее, рециркуляционные установки включают ряд этапов обработки воды, которые восстанавливают её качество и позволяют использовать вторично. Не все системы имеют полный цикл очистки, что связано со степенью вторичного использования воды (м3/кг корма) и запросами культивируемого вида. Также существуют региональные различия в предпочтениях, что обусловлено экономией и, в некоторой степени, типом технологий. Некоторые примеры представлены ниже.

Современные системы с рециркуляцией
Для выращивания личинок и маточного стада
Рециркуляционные системы обеспечивают постоянную и контролируемую культуральную среду с незначительными колебаниями показателей. В тоже время, они существенно снижают затраты на нагрев воды. Ключом к надежному и дешевому выращиванию сеголеток является комбинация УЗВ с улучшенными процедурами кормления личинок и рационами. В большинстве европейских государств этот прогресс двигается с начала 90-х годов.

Для улучшения качества сеголеток необходимо обеспечить биобезопасность, ограничить распространение заболеваний, проникновение инфекции в/из фермы. Это ключ к прибыльности предприятия и следующий этап выращивания. Концепция биобезопасности предусматривает три этапа: 1. Санитарный контроль производителей и ранее обнаружение патогенов; 2. Оптимальный контроль качества воды с использованием рециркуляции и контролируемой бактериальной популяции; 3. Обработка поступающей и уходящей воды для повышения её качества и снижения давления на окружающую среду.

Системы для нагула рыбы
В течение последних двадцати лет в Европе активно развиваются системы нагула рыб, пресноводных в коммерческих масштабах [Heinsbroek, L.T.N., Kamstra, A. 1990, Design and performance of water recirculation systems for eel culture. Aquac. Eng., 9, 187-207; Verreth, J.A.J., Eding, E.H. 1993, European farming industry of Afrcan catfish (Clarias gariepinus): (Facts and Figures). Magazine of the European Aquaculture Society, 18(2), 6-13; Eding, E., and Kamstra, A. 2002, Netherlands farms tune recirculation systems to production of varied species. Global Aquaculture Advocate, 5(3), 52-55] и морских СС продуктивностью 100 тонн в год [Blancheton, J.-P. 2000, Developments in recirculation systems for Mediterranean fish species. Aquac. Eng., 22, 17-31, Eding, E., and Kamstra, A. 2002, Netherlands farms tune recirculation systems to production of varied species. Global Aquaculture Advocate, 5(3), 52-55]. Сегодня, технологии созрели, и коммерческое применение доказало их стабильность. Например, в 2003 году примерно 90 хозяйств работали в Нидерландах и производи около 10000 метрических тонн рыбы ежегодно.

Пилотные системы (несколько тонн в год) создаются для культивирования отдельных видов рыб: во Франции — Красный горбыль (Sciaenops ocellatus) и Обыкновенный сом (Silurus glanis), в Нидерландах — Европейская солея (Solea solea) и Обыкновенный судак (Stizostedion lucioperca). В Северной Америке, УЗВ использовались преимущественно для культивирования пресноводных видов, тиляпии (Oreochromis sp.), полосатого окуня (Morone saxatilis) и различных Осетровых (Acipenser sp.) и, в меньше степени, морских видов. В любом случае, концепция подразумевает адаптацию систем культивирования под требования конкретных вида рыб.

В рециркуляционной установке водный поток направляется из культуральных бассейнов в узел механической очистки, обычно, механический фильтр с диаметром ячейки 40-100 мкм. Затем вода попадает в биофильтр, где в ходе нитрификации окисляется аммоний. Скорость нитрификации играет ключевую роль в построении биофильтра и является предметом многочисленных лабораторных и коммерческих исследований. Обычно за биологической фильтрацией следует узел газообмена, где вода освобождается от излишек углекислого газа и обогащается кислородом. Эффективное удаление CO2 происходит в специальных колоннах или капельном биофильтре, где также наблюдается охлаждение воды. Необходимый для дыхания рыб кислород вводится непосредственно в воду с помощью системы с высоким давлением (обычно конусы).

Рециркуляционные системы для подращивания пресноводной рыбы
Пресноводные виды рыб, такие как Африканский сом, нетребовательны к качеству воды, поэтому для них достаточно низкого водообмена и первичной седиментации твердых частиц в отстойнике. Для выращивания угрей требуются сетчатые фильтры и высокая скорость водообмена.

Рисунок 6. Схема УЗВ для выращивания Европейского угря и тюрбо. pdf.gaalliance.org/pdf/GAA-Eding-June02.pdf
Рисунок 6. Схема УЗВ для выращивания Европейского угря и тюрбо. pdf.gaalliance.org/pdf/GAA-Eding-June02.pdf

После осаждения в отстойнике или сетчатом фильтре, вода собирается в сампе, где нагревается и подвергается УФ-стерилизации. Следующий этап обработки включает колонны оксигенации, где происходит окисление аммония, удаления углекислого газа и при необходимости охлаждение воды. На многих фермах по выращиванию угря часть водного потока направляется в погруженный биофильтр, как отдельную петлю, для удаления взвешенных частиц, которые не захватываются барабанным или дисковым фильтрами. Отсутствие реактора для денитрификации обуславливает накопление нитрата в системе, ограничивает возможность рециркуляции и диктует необходимость водных подмен.

Хотя загрязнения от рыб, растворимые COD (химически потребляющие кислород) и аммоний, частично удаляются биофильтром, б’ольшая часть COD и содержание азота по Кьельдалю (органический-N и аммонийный N) удаляются в составе взвеси. Если эта часть не обрабатывается, загрязнение стока может быть очень высоким. На угревых и сомовых фермах перед сбросом используются емкости перегниватели. Они удаляют N и задерживают P, когда отлажено адекватное время удержания и удельная гидравлическая нагрузка, но затраты воды от этого не снижаются.

С другой стороны, расход воды уменьшается при использовании реакторов для денитрификации. Процесс денитрификации может проводиться в больших резервуарах, наполненных плавучими шариками, перемешиваемых винтом, и метанолом в качестве источника углерода.

Из реактора вода возвращается в барабанный фильтр. Новейшие УЗВ включают зоны для введения флокулянтов (дефосфоризация) и ленточные фильтры для концентрации загрязнений. Остаточная жидкая фракция сбрасывается в канализацию. После обработки остается небольшая порция твердого осадка, в котором, в числе прочего, осаждается и фосфор.

Системы культивирования тиляпий (Oreochromis niloticus) в Нидерландах отличается от культивирования угрей. Их производительность составляет 300-600 метрических тонн в год. Биологическая фильтрация происходит в ходе барботажа воздухом слоя наполнителя (подвижный слой), а контроль нитрата путем денитрификации в одноярусном илистом слое (single sludge).С 2004 года в коммерческих системах по выращиванию Нильской тиляпии реакторы для денитрификации в одноярусном илистом слое используют полностью перемешивающийся осадок и фекалии в качестве источника углерода. Объем подпиточной воды в них составляет всего 25-50 л/кг корма в день, а концентрация нитрата примерно 150 мг NO3-N/л. Таким образом, соотношение C/N вместе с правильно подобранным временем удержания в осадке позволяет поддерживать уровень нитрата при относительно низких объемах обновления воды.

Также используются реакторы с восходящим взвешенным илистым слоем (USB реакторы, одноярусная денитрификация) и фекалиями в качестве источника углерода [Eding, E.H., Klapwijk A., and Verreth, J.A.J. 2003, Design and performance of an upflow sludge blanket reactor in a zero discharge recirculation system. In: Abstracts and Extended Communications of Contributions Presented at the International Conference AQUACULTURE EUROPE 2003, “Beyond monoculture”, pp. 172-174. European Aquaculture Society Special Publication No. 33, June 2003].

УЗВ для выращивания морских видов рыб
Морские рыбы гораздо более чувствительны к растворенным органическим соединениям, чем пресноводные. Эти вещества образуются при бактериальном распаде органической материи, которая не удаляется из циркулирующей воды механическим фильтром. Роль бактерий очень важна в морской системе, особенно, на раннем этапе, но её точное содержание неизвестно. Хорошо известно, что стабильная бактериальная популяция препятствует вспышке моноспецифических бактериальных видов, которые угрожают культивируемому виду. Узел очистки для морских видов включает УФ-стерилизатор, контролирующий концентрацию бактериальной популяции в культуре и инактивирующий патогенные бактерии, которые могут заразить рыбу.

В интенсивной системе культивирования потребление кислорода бактериями соразмерно потреблению его рыбами. Примерно половина кислорода, расходуемая бактериями, приходится на гетеротрофные виды. Они утилизируют небольшие кусочки материи, которые не задерживаются механическим фильтром. Гетеротрофные бактерии конкурируют с автотрофными за кислород, вносят вклад в снижение общего аммонийного азота (TAN) и создание неблагоприятных условий среды (снижение pH, образование растворимых продуктов гниения – подобных гуминовым кислотам). Биофильтр, изображенный на рисунке 7, погружается в воду. Таким образом, в отличие от капельного фильтра, где биопленка находится в воздухе, в нем субстрат располагается в воде.

Рисунок 7. Система для морских видов рыб
Рисунок 7. Система для морских видов рыб

Система для холодноводных пресноводных рыб
Системы для культивирования Арктического гольца (Salvelinus alpinus) и радужной форели (Oncorhynchus mykiss) строятся с включением бассейна с двойным дренажем и фильтрами с псевдоожиженным слоем. Они имеют гидроциклон для удаления осаждаемых твердых частиц, барабанный фильтр, биофильтр с псевдоожиженным слоем и колонны для дегазации и оксигенации.

Рисунок 8. Схематическая диаграмма холодноводной УЗВ
Рисунок 8. Схематическая диаграмма холодноводной УЗВ

Использование бассейнов с двойным дренажем помогает удалить взвешенные частицы и воды и позволяет уменьшить габариты некоторых фильтров относительно размеров, которые необходимы при отсутствии дренажной системы. Песочные фильтры с псевдоожиженным слоем имеют преимущество, потому что загружаются дешевым песком, однако в большей степени, чем другие биофильтры, требуют мощный насос.

Система для тепловодных пресноводных рыб
Часто, для культивирования тепловодных рыб применяются системы с включением фильтров с плавучей загрузкой, которые обеспечивают удаление твердых частиц и биофильтрацию. Регулировкой частоты и агрессивности процесса промывки можно заставить работать эти аппараты только на механическую или биологическую очистку. В зависимости от требований к качеству воды фильтры с плавучей загрузкой могут работать в качестве первого фильтра, за которым будет следовать аппарат с песочным псевдоожиженным слоем, капельный фильтр или с микрошариками.

Сравнение систем:
Описанные системы отличаются, по крайней мере, двумя основными аспектами, связанным с биофильтром:
— нитрификация и трансформация растворенного и нерастворенного углерода происходит во всех типах биофильтров. Капельные аппараты и фильтры с подвижным шариковым наполнителем совмещают аэрацию, дегазацию (удаление углекислого газа) и охлаждение. Системы с погружаемым под воду биофильтром нуждаются в отдельных колоннах для удаления CO2, аэрации и охлаждения.
— капельные фильтры самоочищаются и процессы очистки воды не прекращаются. Вследствие обратной промывки, качество обработки воды не изменяется. Погружаемые под воду биофильтры имеют сравнительно небольшой объем (примерно в 10 раз меньше капельного), но в зависимости от типа требует обратной промывки. Например, подводный биофильтр с неподвижным слоем загрузки обычно промывают 2-4 раза в месяц, тогда как подводный аппарат с подвижным слоем не нуждается в обратной промывке.

Таблица 3. Основные характеристики коммерческих систем с рециркуляцией с ежегодной продуктивностью 100 тонн для Европейского угря, морского окуня и тюрбо

ХарактеристикиЕвропейский угорь 0.25-150 гМорской окунь, 10-350 гТюрбо, 10-1000 г
Продуктивность (кг/м2/год)200-30020070
Средняя потность посадки (кг/м2)11410050
Расход кислорода (кг/кг корма)0.741.51.2
Замена воды (м3/кг корма)0.09-0.10.5-0.91.4
Затраты энергии (кВт/кг корма)76.56.7
Трудозатраты (тонн/год/особей)709550

Описание и оценка новых методов в системах с рециркуляцией воды
Цель улучшения всех типов систем с рециркуляцией воды заключается в снижении затрат энергии на килограмм производимой рыбы. Попыткой её достижения явилась «Датская система» на французской форелевой ферме. Система полузамкнутого типа для нагула форели разработана в Дании несколько лет назад. В этой стране действуют жесткие ограничения на потребление воды и загрязнения сточных вод. Рыбоводы и административные органы работают вместе для выявления такой системы, которая бы удовлетворяла всем требованиям закона. Перед появлением окончательного варианта фермы, было испытано несколько модельных систем. На сегодня, 10% датских хозяйств работают по одной схеме.

Основная идея базируется на снижении затрат энергии путем минимизации потери тепла. Используются бассейны «Фостера-Лукуса» (Foster-Lucas type) с быстрой циркуляцией воды (5-10 объемов в час против 1-2 в традиционных системах).

Емкости типа «Фостера-Лукуса» не отличаются от каналов, с той лишь разницей, что они имеют продольную перегородку и скругленные углы. Таким образом, оптимально используется площадь, а внутреннее течение такое же быстрое, как и в цилиндрическом бассейне. Они самостоятельно очищаются и имеют более однородную среду, чем каналы.

Рисунок 9. Датский тип  УЗВ для выращивания форели
Рисунок 9. Датский тип УЗВ для выращивания форели

Одна часть емкости предназначена для выращивания рыбы и ежедневного слива частиц загрязнений через конусы, оборудованные заглушкой. Другая часть служит для очистки воды. Узел фильтрации состоит из дополняющих друг друга – фильтра твердых частиц, биофильтра и аэрлифта для циркуляции воды и газового обмена (внесение O2, удаление CO2). Для удаления взвеси, которая не оседает в отстойнике, используется микросетчатый фильтр (барабанный или ленточный). Биофильтр включает подвижный слой пластиковой или статичный слой мелкопористой загрузки. Он промывается еженедельно.

Эта система требует внесения 10м3/кг рыбы свежей воды, что в 10 раз меньше, чем в проточной системе.

Для обработки стока используются искусственные болотные угодья (неиспользуемые старые земляные пруды).
Распространенные заболевания в хозяйствах Дании (йерсиниоз, вирусная геморрагическая септицемия и пролиферативное заболевание почек) обычно не встречается на фермах во Франции, где используется чистая грунтовая вода. Другие типы инфекций, ихтиофтириоз, болезни жабр и бактериальное заболевание почек находятся под контролем.

Некоторые проекты и разработки, связанные с обработкой стока из УЗВ
Обработка загрязнений в сточной воде и её вторичное использование рассматриваются в качестве ключевого вопроса в УЗВ. Ответ на него лежит в плоскости применения интегрированных систем. В Нидерландах разработан проект «Blue Label». Эта рециркуляционная системаспециально создана, чтобы минимизировать колебания качества воды, использование природных ресурсов и уровень загрязнений. Европейский проект (Направление международного научного сотрудничества — INCO), названный ZAFIRA (нулевое загрязнение стока в аквакультуре путем ведения интегрированной рециркуляционной культуры в Азии), направлен на улучшение усвоения нутриентов через ведение интегрированных процессов. Пригодным для очистки загрязненной воды признан водорослевый пруд.

Заключение
Системы с рециркуляцией воды, на сегодня, с небольшой продуктивностью вовлечены в коммерческое производство. Их удовлетворительная оптимизация может происходить лишь в ходе технических улучшений, параллельно с углублением наших знаний в области культивирования видов. Ключевым элементом в определении кконструкции и экономической эффективности системы является качество культуральной среды, которое она обеспечивает для рыб. Как только построена безопасная и экономически эффективная петля рециркуляции, необходимо шаг за шагом добавлять этапы обработки сточных вод. В этом плане, полезно объединить усилия со специалистами, вовлеченными в постройку интегрированных систем.

Исход для окружающей среды
Использование воды в аквакультуры тесно связано с системой, используемой для интенсификацией производства. В недавней работе Verdegem с коллегами [Verdegem, M.C.J., Bosma, R.H., and Verreth, J.A.J. 2006, Reducing water use for animal production through aquaculture. Int. J. Water Res. Development, 22, 101-113], кроме всего прочего, включили воду, расходуемую на производство зерна для смесевых кормов, для того, чтобы оценить результирующий расход воды в аквакультуре. В среднем, на производство 1 килограмма зерна требуется 1.17 м3 воды. Расход воды на производство аквакультурных кормов имеет тенденцию возрастать с интенсификацией производства гидробионтов. Для УЗВ и прудов с высокой интенсивностью выращивания расход воды, затрачиваемый на производство злаковых для кормов, обычно превышает её затраты на содержание самой фермы.

В холодноводной системе с культурой Лососевых расход воды в традиционных проточных бассейнах и каналах в 1970-80-х годах был очень высок, вплоть до 500 м3/кг производимой рыбы. С введением полной рециркуляции в 1990-х годах (рециркуляция >90-95%), расход воды снизился до 3-5м3/кг производимой рыбы. Однако наименьший расход воды зафиксирован в условиях тепловодной УЗВ (рециркуляция >99%), которая производит 1 кг сома и затрачивает только 0.1 м3 воды [Losordo, T.M., Westerman, P.M., and Liehr, S.K. 1994. Water treatment and wastewater generation in intensive recirculating fish production systems. Bull. Nat. Res. Inst. Aquaculture Suppl. 1, 27-36].

Возрастание концентрации твердых частиц в сточной воде, вследствие снижения водного потока, в основном обусловлено улучшение эффективности работа микросетчатого фильтра. Удаление твердых частиц, вместе с улучшение физических свойств загрязнений в сточной воде, снизило нагрузку загрязнениями в холодноводной системе до 1/3-1/4 от уровня 30-летней давности. Также были улучшены методы сбора, уплотнения, стабилизации и утилизации осадка.
——
Blancheton Jean-Paul, Piedrahita R., Eding E.H., Lemarie Gilles, Bergheim A, Fivelstad S, Roque D’Orbcastel Emmanuelle. Intensification of landbased aquaculture production in single pass and reuse systems. Aquacultural Engineering and Environment (Research Signpost), 2007 , P. 21-47

archimer.ifremer.fr/doc/2007/publication-6831.pdf

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *