---

Статья будет полезна читателям, которые хотят лучше разобраться в химизме процессов, происходящих в аквапонике. Состав большинства кормов для рыб не обеспечивает в полной мере потребности огородных растений, культивируемых на гидропонном модуле. Понимание этого — ключ к созданию работающей аквапоники.

---

Биологические фильтры используются для осуществления процессов нитрификации и снижения уровня биологического потребления кислорода. Их продуктивность зависит от общей площади поверхности наполнителя, обеспечивающего развитие бактериальной массы. Каждый тип субстрата имеет свое соотношение площади к объему, а производительность выражается как биомасса, удаленная в определенном объеме за определенное время.

К сожалению, традиционные капельные фильтры не подвергают вещества рециклингу, а лишь трансформируют их в нетоксичную (H₂O, NO₃) или газообразную (CO₂, N₂) формы.

В данной статье представлены результаты исследовательской работы Андреаса Грабера (Andreas Graber) и Ранка Джунге (Ranka Junge) — «Aquaponic Systems: Nutrient recycling from fish wastewater by vegetable production. Desalination», в которой изучалась возможность совместить обработку сточных вод в искусственных болотах с выращиванием культур растений. Идея состояла в использовании поверхности капельного фильтра в качестве субстрата для растений с целью совмещения процессов трансформации нутриентов (преимущественно, нитрификации) с их вторичным использованием. Изначально, концепция разработана рыбоводами для аквапоники. Они добились впечатляющих результатов по совместному выращиванию рыб и культуры растений. На каждый килограмм рыбы можно вырастить до 7 кг растительной биомассы.

Введение

На стыке двух дисциплин, обработки загрязнений и выращивания растений, требуется обратить внимание не столько на оптимизацию разложения, нитрификации, денитрификации и абсорбции, сколько на максимизацию вторичного использования фосфора и азота и удовлетворения нормам качества получаемой пищевой культуры и чистоты сточных вод.

С другой стороны, бактериальное разложение, усвоение нутриентов растениями ограничено площадью поверхности, потому что фотосинтетическая активность зависит от солнечной энергии. Поэтому, для достижения максимального уровня рециклинга питательных веществ, капельный фильтр должен иметь большую площадь поверхности. Это позволит растениям развить большую биомассу и, соответственно, активизирует фотосинтез. Теоретически, растительный капельный фильтр будет иметь удвоенную продуктивность, если его высота уменьшится вдвое, а площадь, напротив, увеличится вдвое.

Эта концепция не входит в классическое понимание обработки сточных вод, где занятие бо’льшей площади рассматривается как недостаток системы. Скорее, она относится к сфере сельскохозяйственного землепользования. Другими словами, идея заключается не в смене технологий обработки муниципальных сточных вод, а вовлечение в этот процесс производителей гидропонных культур, как реципиентов и потребителей богатых питательными веществами стоков.

Таким образом, предлагается интегрировать в единую производственную систему обособленные монокультурные хозяйства.

В данной статье рассматривается одна из точек приложения данной концепции: растительный капельный фильтр адаптирован для обеспечения нитрификации в установке замкнутого водоснабжения, где проводится выращивание рыбы. Авторы работы сосредоточились на выборе наиболее продуктивных культур растений, обладающих высокой степенью усвоения азота. Для определения пригодности аквапоники исследователи сравнили её продуктивность с традиционной гидропонной культурой.

В литературе, посвященной аквапонике, не рассматривается микробиологическое загрязнение целевых растений, потому что культура контактирует корневой системой только с водой, поступающей от рыб. Тем не менее, авторы работы путем чашечного метода подсчета гетеротрофных бактерий определили схожую концентрацию бактерий на выходе из фильтра лососевой фермы (10⁵ КОЕ/мл) и обработанном муниципальной стоке (10⁶ КОЕ/мл). Для гидропоники, используемой для усвоения нутриентов из муниципальных сточных вод, эти данные имеют особое значение. В этом случае после прохождения растительных песочных фильтров необходима УФ-стерилизация. Метод уже был опробован для городских стоков, где питательные вещества удалялись культурами салата и перца [B. Boyden and A. Rababah, Recycling nutrients from municipal wastewater, Desalination, 106(1996), 241–246.].

Аквапоника

Аквапоника является разновидностью систем с рециркуляцией воды, предусматривающей поликультуру. Она включает аквакультуру (гидробионты) и культуру растения (гидропонику), использующих одну воду. Аквапоника предусматривает вторичное использование загрязнений, выделяемых рыбами, для развития растений.

В большинстве систем с рециркуляцией воды фекалии рыб фильтруются и удаляются так быстро, насколько это возможно. Фекалии повышают уровень биологического потребления кислорода, ухудшает процессы нитрификации и вызывает слипание корней растений, что приводит к ухудшению урожайности.

Авторы исследования построили аквапонику в Веденсвили, Швейцарии. В качестве наполнителя для растительного капельного фильтра они использовали керамзит. Этот материал обеспечивает хорошую опору для корней растений и может применяться в помещении и на открытом воздухе. Керамзит засыпался в стандартные ящики (0.4 x 0.6 x 0.4 м, зеленый ПВХ), расположенные в три ряда в парнике. Всего 74 ящика вмещало 3 м³ керамзита.

Первостепенная задача заключалась в испытании полностью замкнутой системы, в которой также происходила бы переработка фекалий. Стекловолоконные емкости с рыбой имеют размеры 2 на 2 метра, глубину 0.65 метра и объем 2.5 квадратных метра. Из отверстия в центральной части дна бассейнов с помощью специальной ирригационной системы вода поступает в ящики с керамзитом со скоростью 10-15 м³/час. Для достижения гомогенной загрузки ящиков загрязнениями использовались обычные канализационные трубы (диаметр = 0.11 метра, оранжевый ПВХ). Труба располагалась горизонтально над ящиками, и над каждым из них в трубе проделывались отверстия диаметром 6 см. Обновление воды в системе на свежую не производилось, т.е. она была полностью замкнутой. Восполнялись лишь потери от испарения.

В качестве аквакультуры выступали нильские тиляпии (Oreochromis niloticus) в 2004 году и европейский окунь (Perca fluviatilis) в поздних экспериментах с томатом и огурцами. Тиляпии были дикими и вылавливались в в озере Туркана, Кении, окунь приобретен швейцарской компании Percitech S.A.. Рыбу кормили ad libitum (вволю) плавучим гранулированным кормом (Trouvit Tilapia Starter 3 мм, 45% сырого белка).

В качестве контроля были установлены 29 ящиков с гидропоникой, включающие 1.2 м³ керамзита. Водопроводная вода выкачивалась из 0.3 м³ резервуара со скоростью 5 м³/час. Концентрация удобрения восполнялась 2-3 раза в неделю, при этом электропроводность составляла 2.5 мкСм/см. Подобная концентрация солей является верхней границей нормы для развития овощных культур. Испарившаяся вода восполнялась постоянно. В ходе экспериментов с томатом вторая контрольная группа растений высаживалась почву той же теплицы. Почвенная культура поливалась каждые несколько дней водой из бассейнов с рыбой, согласно запросам томата в поливе.

Составление питательной смеси

Так как весь объем воды в системе проходил через капельный фильтр каждые 20 минут, концентрация веществ варьировала в поступающей и выходящей из фильтра воды. Поэтому образцы воды забирались только из основного водного резервуара (бассейн с рыбой или резервуар с водой). Поступление и удаление веществ рассчитывалось по балансу масс через специфические временные интервалы. Питательные вещества вносились с рыбьим кормом, утилизировались в форме плодов и растительной биомассы. Принимались во внимание изменения запаса веществ в воде и их потери при прохождения цикла обработки.

Обычно поступление питательных веществ рассчитывается исходя из их концентрации в рыбьих кормах и приросте биомассы рыб, т.е. в форме поглощения. В данной работе поступление веществ рассчитывалось с использованием коэффициента удобрения кормом, который определялся в экспериментах с двумя повторениями. Тиляпии (25 особей массой 1330 граммов и 31 особь массой 1730 граммов) помещали в 220 литровый стеклянный аквариум, оборудованный ящиком с керамзитом в качестве биологического фильтра. Рыба питалась кормами для тиляпии и выделяла нутриенты (NH4, NO2, NO₃, PO4, K), которые измерялись спустя 14 дней.

Электропроводность, pH, редокс-потенциал и концентрация растворенного кислорода измерялись непрерывно и записывались каждые 15 минут с помощью датчика SC1000 (Hach Lange sc-sensors 3798-S, phD-S, 1200-S, LDO), либо измерялись ежедневно с помощью ручного многоэлектродного метра (WTW Multiline 350i). Концентрация растворенных ионов определялась с помощью фотометра (Hach Lange LCK tests, Cadas30).

Развитие растений и сбор фруктов производился еженедельно, согласно критериям, установленным в продуктивном садоводстве [A. Graber and R. Junge-Berberovic, Wastewaterfed aquaculture otelfingen, Switzerland: Influence of system design and operation parameters on the efficiency of nutrient incorporation into plant biomass. In: J. Vymazal (Ed.), Wastewater Treatment, Plant Dynamics and Management in Constructed and Natural Wetlands, Springer Verlag, 2008, 299–310.]. Растительная биомасса полностью собиралась в конце эксперимента, и определялись сырая масса, сухая масса и в некоторых случаях элементный состав биомассы (Углерод, Азот, Фосфор). Анализ биомассы томата выполнялась в лаборатория почвы и экологического анализа в Цюрихе, с использованием метода Кьельдаля, фотометрии, атомно-абсорбционной спектроскопии (AAS) или индуктивно-связанной плазмы (ICP). Для огурцов и баклажанов содержание азота, фосфора и калия в сухой массе бралось из литературы.

Результаты

Тиляпия в аквариуме поедали 30 и 436 граммов корма, соответственно. В воду с 1 кг корма выделялось 46 + 4 граммов азота, 6.0 + 0.8 граммов фосфора и 1.0 + 0.4 граммов калия.

Качество воды

Капельный фильтр является эффективной альтернативой традиционным биологическим фильтрам. Все параметры воды имели удовлетворительное значение, за исключением нитрита , уровень которого при культивировании тиляпии иногда превышал 0.2 мг N/л. Во время выращивания окуня, поступление корма было почти в два раза ниже, что решало проблему нитрита. В общем, эффективность нитрификации капельного фильтра составляла 0.26 кг рыбного корма /м³ керамзита в день.

В течение трех экспериментов свежая вода вносилась в емкости с рыбой в объеме 0.445, 1.233 и 0.275 м³/день или 15, 41 и 9% объема в день. Во время экспериментов с томатом, для полива почвенной культуры потребовалось 49.17 м³ или 0.734 м³/день воды из бассейнов с рыбой, что объясняет высокие расходы воды во втором эксперименте. Первый и третий эксперимент потребовал внесение свежей воды лишь для восполнения испарений. Более низкий расход воды на выращивание огурцов обусловлен периодом их культивирования – поздняя осень. С другой стороны, баклажаны выращивали летом.

Параметр	Ед-ца измерения	Допустимый уровень	Тиляпия (Баклажаны)		Окунь (Огурцы, Томаты)
			n	диапазон	n	диапазон
NH4-N	мг/л	<1.0	12	0.03–0.88	13	0.06–0.68
NO2-N	мг/л	<0.2	8	0.08–0.57	12	0.01–0.18
NO3-N	мг/л	<150	12	1.9–42	13	12.1–95
pH		7-8	9	6.8–7.8	7	6.19–7.41
EC	мкСм/см	<1200	9	350–680	9	400–1103
O2	мг/л	>6	9	2.6–4.8	4	6.7–7.5

Допустимые концентрации химических веществ при выращивании рыбы и диапазон колебаний параметров воды во время выращивания тиляпии и окуня

Вид	Начало/Конец	С-ма	Длит-ть (дней)	Площадь под растения (м2)	Корм для рыб (кг/день)	Выращ-е рыбы (кг свежей массы)	Выращ-е плодов растений		Общий уровень удаления веществ (г/м2 в день)			Удаление веществ плодами(г/м2 в день)			Уровень утил-и (%)
							кг свежей массы	грамм свежей массы на м2 в день	N	P	K	N	P	K	N	P	K
Баклажаны	07.04.2004	Гидропоника	105	5.0	—	—	40.2	82	1.0	0.20	1.3	0.26	0.02	0.2	25	9	16
	19.07.2004	Аквапоника	105	5.0	1.58	88	38.2	90	3.3	0.41	—	0.29	0.02	0.2	9	5	—
Томат	23.05.2005	Гидропоника	43	2.8	—	—	73.6	389	1.5	0.29	3.0	0.52	0.11	0.8	34	37	28
	29.07.2005	Аквапоника	67	4.9	0.89	27	116.1	355	0.6		—	0.43	0.07	0.4	69		—
Огурцы	11.10.2005	Гидропоника	42	4.9	—	—	25.6	125	0.3	0.06	0.7	0.12	0.03	0.2	36	48	25
	22.11.2005	Аквапоника	42	14.4	0.26	4	48.2	80	0.4	0.07	—	0.08	0.02	0.1	17	27	—

Утилизация питательных веществ

Система гидропоники имела одинаковые характеристики во всех трех эксперимента, а различия степени использования нутриентов определялись лишь специфическими запросами видов растений. Повышенное потребление нутриентов при сборе плодов наблюдалось при выращивании томата: за трехмесячный период культивирования утилизировано в гидропонике 0.52, 0.11 0.8 грамма/м² в день для N, P и K, а для аквапоники — 0.43, 0.07, 0.4 граммов/м² в день N, P и K. Летом 2005 года практически треть утилизации N, P и K пришлось на гидропонную культуру томата (плоды). В случае аквапоники, утилизация азота на 69% приходилась на томат. Для фосфора, процент было значение в процентах более 100, потому что при поливе почвы водой из бассейнов с рыбой наблюдается потеря питательных веществ. И их невозможно точно измерить. Томат продемонстрировал более высокую эффективность утилизации питательных веществ по сравнению с баклажанами и огурцами. Для баклажанов приток нутриентов был выше на 78%, благодаря высокому поступлению корма. Однако урожайность томатов была на 201% выше. Огурцы имеют низкую эффективность утилизации нутриентов, а урожайность оставалась умеренной, так как культивирование началось в конце года.

Среди баклажанов урожайность преимущественно зависела скорее от сорта, чем от системы культивирования. Сорта «Gilo Brasil» и «Red Egg» были наилучшими и давали 28.9 и 25.9 кг, составляющие 69% из 78.9 кг всех собранных плодов при занятии всего 1/3 площади.

Эффективность утилизации питательных веществ предусматривает только урожайность и сбор плодов для последующей продажи. Остальная вегетативная часть (корни, стебель и листья) не рассматривалась. Общая эффективность утилизации нутриентов, включая зеленую биомассу, оценивалась в культуре огурцов. К конце выращивания вегетативная часть в аквапонике достигала 68 кг а в гидропонике — 24 кг, либо 141% и 95% относительно массы плодов огурца. На основе этих данных можно заключить, что эффективность утилизации нутриентов растительной биомассой вдвое больше, фосфора около 100% в гидропонике (как и предполагалось с внесением удобрений) и 50% в аквапонике.

Выращивание овощей

В отличие от гидропоники, вода в аквапонике содержит в 3 (азот), а в некоторых случаях в 10 (фосфор) раз раза меньше элементов. Не смотря на это, томаты имели практически идентичную урожайность для гидропоники, аквапоники и почвенной культуры. Существенным недостатком воды в аквапоники является нехватка калия, которая в 45 раз ниже, чем в гидропонике. Это приводит ухудшению качества томатов в аквапонике по сравнению с гидропонной культурой. Концентрация калия, полученная при анализе плодов, составила: 22.0 г/кг от сухой массы в аквапонике и 40.8 г/кг от сухой массы в гидропонике.

В экспериментах, проведенных в 2003 году, авторы работы провели аналогичное исследование с томатами. Все сорта, выращенные в условиях аквапоники, имели более высокую урожайность. Это частично объяснялось более высокой температурой в аквапонике и, соответственно, ускоренным начальным ростом, которое приводило к раннему дозреванию. Урожайность томата была изначально низкой, потому что в 2003 году, вследствие высокой температуры, растения испытали температурный стресс. Оценка вкусовых качеств томата сорта «Grappella» показала, что 15% людей предпочитают помидоры, выращенные в аквапонике, 21% — в гидропонике, 41% — выращенные на почве и 17% не почувствовали различий.

Обсуждение

Качество и эффективность выращивания рыбы (тиляпии и окуня) в условиях аквапоники не отличается от традиционной аквакультуры. Однако качество аквапонных томатов хуже, потому что в воде мало калия. Так как калий не нужен рыбам, он не вносится в рыбные корма и, таким образом, его недостаточно для растений. В последующих экспериментах калий вводился в виде KOH для стабилизации pH и процессов нитрификации. Урожайность томатов сопоставима с урожайностью традиционной почвенной культуры, но значительно ниже интенсивного выращивания в гидропонике. С точки зрения утилизации питательных веществ аквапоника, тем не менее, пригодна для выращивания овощных культур. Компьютерное моделирование показало, что совмещение аквакультуры с выращиванием растений повышает продуктивность и снижает расходы. В Австралии несколько компаний уже внедрили эту технологию для удовлетворения потребностей рынка.

Степень утилизации питательных веществ

Авторы исследования получили значения для утилизации нутриентов, аналогичные для искусственных болотных угодий, в которых обрабатываются городские сточные воды. В последнем случае значения составляли: 250–630 г/м² для азота, 45–75 г/м² для фосфора.

Согласно работе с аквапоникой, растения удаляют 100-200 г/м² азота и 10-20 г/м² фосфора. Таким образом, достигается утилизация 32-40% общего азота и 22-27% общего фосфора.

Недостатком искусственных болотных угодий является невозможность удаления большого количества общего азота в одноуровневом исполнении системы. Это связано с тем, что нельзя совместить в одном типовом акте аэробные и анаэробные процессы. В свою очередь, в условиях аквапоники аэробный процесс нитрификации протекает в капельном фильтре, тогда как нитраты потребляются растениями для развития.

Компромисс между объемом фильтра и площадью

Удаление загрязнений определяется объемом наполнителя фильтра, тогда как захват питательных веществ растениями – его площадью и интенсивностью солнечного света. Отношение объема к площади определяет максимальную производительность системы. При её проектировании достигается высокая степень удаления загрязнений в минимальном объеме и высокий потенциал утилизации питательных веществ, требующий большой площади. Является ли рециклинг нутриентов роскошью, доступной только для сельской местности, где маленькое пространство не проблема? Когда прирост площади сопровождается возрастанием производства и утилизацией отходов, затраты больше не рассматриваются как роскошь. Эксперименты продемонстрировали, что использование аквапоники оправдано, потому что томаты имеют практически такую же урожайность, как и почвенная культура, в которую вносятся минеральные удобрения. Удивительно, но овощи не имеют специфического рыбного запаха и привкуса.

Работы с искусственными болотными угодьями показали, что увеличение глубины более 0.5 метров не повышает очистку стоков. Резервуар глубиной 0.27 метра позволяет снизить уровень химического (COD) и биологического (BOD5) потребления кислорода, повысить усвоение аммония и растворенного фосфора больше, чем при глубине 0.5 метра. Эти результаты направят работы на создание мелководных резервуаров, откуда растения смогут быстрее утилизировать питательные вещества.

——
Andreas Graber, Ranka Junge. Aquaponic Systems: Nutrient recycling from fish wastewater by vegetable production. Desalination 246 (2009) 147–156