Системы с биофлоком разработаны для улучшения экологического контроля над производством­. В районах с недостатком воды или дорогой землей рентабельное производство требует более интенсивных методов ведения аквакультуры. По многим экономическим причинам, с учетом дорогих кормов и ограниченных площадей и воды, биофлок технология демонстрирует свою эффективность. Выращивание рыбы в условиях высокой плотности посадки, как правило, требует определенной инфраструктуры для обработки отходов. По своей сути, биофлок технология представляет собой механизм очистки отходов.

Система с биофлоком также предотвращает попадание болезнетворных бактерий и вирусов на ферму вместе с поступающей водой. В прошлом, стандартная эксплуатация креветочных прудов предусматривала водообмен (обычно 10% в день) в качестве метода контроля качества воды. В устьевых районах, где многие креветочные производства практикуют водообмен, болезнь распространяется на всех фермах. Сокращение водообмена является очевидной стратегией повышения биобезопасности. Креветочное хозяйство постепенно стремится к более закрытому и интенсивному производству, где обработка отходов происходит внутри самой фермы.

В культуре с биофлоком практикуют нелогичный, на первый взгляд, подход накопления твердым загрязнений и микробного сообщества в воде. Качество воды контролируют путем перемешивания и аэрации, которые поддерживают активный осадок в виде суспензии. Однако управление этими системами не настолько простое, и для того, чтобы она функционировала целиком и с наибольшей эффективностью, требуется определенная техническая подготовка.

Состав и питательная ценность биофлока

Биофлоки представляют собой скопления (флоки) водорослей, бактерий, простейших­ и твердых органических частиц, таких как экскременты и остатки корма. Элементы флока удерживаются вместе благодаря рыхлой слизи, которую выделяют бактерии, нитевидным микроорганизмам или электростатическому притяжению. В биофлоке также обитают живые существа, например, зоопланктон­ и нематоды, использующие флоки в качестве источников питания. Крупные биофлоки можно увидеть невооруженным глазом, но большинство из них микроскопических размером. Агрегаты в типичной для биофлоков «зеленой воде» довольно большие, от 50 до 200 микронов, и легко образуются в спокойной воде.

Хотя питательные качества биофлоков подходят для выращиваемых животных, они изменчивы. Содержание­ белка в биофлоке в сухом состоянии составляет от 25 до 50%, чаще всего цифры колеблются в пределах 30-45%. Содержание жира колеблется от 0,5 до 15%, большинство измерений показывает от 1 до 5%. Сообщения о содержании незаменимых аминокислот метионина и лизина противоречивы. Биофлоки являются хорошими источниками витаминов и минералов, особенно фосфора. Они могут проявлять эффекты пробиотика.

Высушенные биофлоки предлагают использовать как ингредиент для кормов вместо рыбной муки или соевых бобов. Их питательные качества высоки, и результаты эксперимента, во время которого почти 30% корма для креветок заменили высушенным биофлоком, оказались многообещающими­. Тем не менее маловероятно, что эти агрегаты заменят источники животного или растительного белка, используемые в промышленном производстве кормов для аквакультур, поскольку их количество ограничено. Кроме того, рентабельность производства и сушки твердых биофлоков в промышленных масштабах вызывает сомнения.

Как работают системы с биофлоком

Биофлок выполняет две важнейшие задачи — обрабатывает отходы после кормления и служит источником питания после поглощения флока­. Он работает при низком водообмене (от 0,5 до 1% в день). Благодаря долгому пребыванию в воде, формируется плотное и активное сообщество биофлоков, которое улучшает процесс обработки органических отходов и питательных веществ. В этих системах использование водообмена для управления качеством воды сводится к минимуму, а внутренние процессы очистки отходов совершенствуются и развиваются.

Исследования с креветками показывают, что в водной культуре содержатся вещества, способствующие росту, например, микробные и животные белки, что стимулирует производство. Флоки­ являются дополнительным кормом креветок и тилапии в периоды между внесением гранулированных кормов.

Потенциальным преимуществом культуры с биофлоком является способность перерабатывать питательные элементы загрязнений через продукцию микробного белка, и его усвоения креветками и рыбами. Около 20-30% азота в кормах усваивается рыбами, но 70-80% — выделяется в среду в виде отходов­. В системах с биофлоком часть этого азота утилизируется бактериальными клетками, которые являются основным компонентом биофлока­. Потребление этого микробного белка способствует росту животных.

Исследования с креветками и тилапией показывают, что на каждую единицу роста, полученную путем потребления корма, дополнительные 0,25-0,50 единицы особи получают из микробного белка биофлоков­. Другими словами, от 20 до 30% роста креветок или тилапий — результат потребления и переваривания микробного белка. Это преимущество нашло отражение в улучшенной конверсии корма, средстве, которое точнее других предсказывает прибыльность и устойчивость бизнеса. Однако ценность флоков в питании при очень высокой интенсивности производства сводится к минимуму, потому что в этих условиях корм вносит основной вклад в рост гидробионтов.

Таблица 1. Преимущества и недостатки биофлок систем по сравнению с прудами полуинтенсивного типа и рециркуляционными системами (RAS). Звездочками указаны преимущества или недостатки биофлок систем по сравнению с большинством прудов или RAS

	Пруды	ras
Преимущества
Улучшение биобезопасности	*
Улучшение конверсии корма	*	*
Улучшение эффективности использования воды	*
Улучшение эффективности использования земли	*
Улучшение качества контроля воды	*
Снижение чувствительности к колебаниям света (погоды)	*
Недостатки
Возрастание затрат энергии на перемешивание и аэрацию	*	*
Снижение времени отклика, потому что возрастает потребление кислорода	*	*
Длительный период запуска	*
Возрастание нестабильности нитрификации		*
Требуется внесение щелочей	*
Возрастает загрязнение от накопления нитрата	*
Нестабильность сезонных показателей системы на открытом воздухе		*

Подходящие виды животных

Основным фактором распространения биофлоков является диапазон подходящих для культивирования видов животных. Системы биофлоков лучше всего подходят видам, которые способны извлекать питательную выгоду от непосредственного потребления флока. Эти виды, как правило, легко переносят высокую концентрацию­ твердых загрязнений и терпимы к плохому качеству воды. Креветки и тилапии могут адаптироваться ­физиологически, что позволяет им потреблять и переваривать микробный белок, и использовать биофлок в качестве пищевого ресурса. Почти все системы этого типа предназначены для выращивания креветок, тилапии или карпов. Канальному сому и скальному окуню биофлок не подойдет, поскольку эти виды не переносят воду с очень высокой концентрацией загрязнений и не имеют приспособлений для фильтрации твердых частиц, содержащихся в воде.

Основные типы систем с биофлоком

Несколько типов систем с биофлоком используют в промышленной­ аквакультуре и стали объектом исследования. Два основных типа — под прямыми солнечными лучами и в темноте. Системы биофлоков под прямыми солнечными лучами имеют открытые ряды прудов или бассейнов для выращивания креветок или тилапии, и ряды каналов для выращивания креветок в теплицах­. За качество воды в таких системах биофлоков в «зеленой водной среде» отвечают сложные процессы жизнедеятельности водорослей и бактерий. Именно такие системы в большинстве своем используются в промышленном производстве.

Однако некоторые каналы и бассейны установлены в закрытых зданиях без естественного освещения. Эти системы функционируют как биофлок в «коричневой воде», где на качество воды влияют только бактериальные процессы.

Более подробные описания технических характеристик и производительности различных типов систем находятся в конце этой статьи.

Смешивание и аэрация

Интенсивное турбулентное перемешивание является важным требованием систем с биофлоком. Твердые частицы должны находиться во взвешенном состоянии в толще воды, иначе система не начнет функционировать. Без перемешивания,­ биофлоки оседают из суспензии, образуют скопления, отмечается быстрое потребление растворенного кислорода. Эти анаэробные зоны приводят к выделению сероводорода, метана и аммиака, которые являются высокотоксичными веществами для креветок и рыб. Твердые частицы можно извлечь путем периодической промывки или откачки донного осадка из центра бассейна. Осадок периодически размешивают лопастными аэраторами. Создать подходящие для перемешивания условия в относительно небольших бассейнах или каналах намного проще, чем в больших открытых прудах. Чрезмерное перемешивание проблема для культурных животных, поскольку рыбам или креветкам сложнее находить корм.

По сравнению с водой в водоемах для аквакультуры или в большинстве рециркуляционных систем, вода в системах с биофлоком повышает у обитателей частоту дыхания из-за высокой концентрацией взвешенных частиц. В интенсивных каналах «с зеленой водой» для креветок уровень потребления кислорода колеблется от 2 до 2.5 мг О2/л в час, хотя может достигать 6 мг О2/л в час. Эти расчеты не включают в себя дыхание рыб или креветок, что в совокупности дает от 5 до 8 мг О2/л в час. Потребление кислорода в закрытых системах с биофлоком в «коричневой воде» в среднем составляет около 6 мг O2/л в час. Для поддержания концентрации кислорода на безопасных уровнях необходимо обеспечивать достаточную аэрацию или оксигенацию. Высокое потребление кислорода говорит о небольшом времени отклика в случае сбоя системы, часто менее 1 часа. Таким образом, необходимыми элементами являются мониторинг, сигнализация и системы аварийного питания.

На практике, для подачи кислорода и обеспечения перемешивания используют аэрацию. Хотя аэраторы с гребным колесом поставляют кислород эффективно, они не идеальны для перемешивания воды в прудах. Устройства, обеспечивающие только перемешивание, используются редко. В зависимости­ от конкретного типа систем возможны различные конфигурации аэрационного оборудования. В прудах или бассейнах с облицовкой дна для обеспечения кругового перемешивания всей массы воды используют множественные аэраторы с гребным колесом. Каналы для креветок в теплицах часто имеют воздушные насосы, размещенные на определенном расстоянии друг от друга вокруг канала для аэрации и циркуляции воды. Диффузионную аэрацию можно включать в небольших бассейнах. Практикуются и низконапорные устройства, которые обеспечивают циркуляцию воды, например, низкоскоростные воздушные насосы или насосы с гребным колесом­.

Требования к мощности, необходимой для смешивания и аэрации, намного превышают таковые для обычных прудов и большинства­ рециркуляционных систем водообмена. Водоемы для креветок с биофлоком аэрируют с мощностью от 25 до 35 л.с./га, а некоторые интенсивные пруды для тилапии аэрируют с мощностью от 100 до 150 л.с./га. Такую интенсивную аэрацию нельзя применять в земляных прудах, не вызывая существенной эрозии­ почвы; таким образом, большинство систем с биофлоком работает только в водоемах с облицовкой. Биофлок не стоит применять в районах с ненадежным источником питания или дорогим электричеством.

Влияние норм кормления и переход от водорослей к бактериальному биофлоку

По мере увеличения норм кормления в системах с биофлоком под солнечным светом с течением времени происходит предсказуемая последовательность изменений. В какой-то момент она резко переходит от «зеленой», водорослевой, к бактериальной системе с «коричневой водой». Переход­, описанный здесь, основан на условиях, созданных в интенсивном­ тепличном канале для креветок. Условия, приводящие к переходу от водорослевой­ к бактериальной водной среде, будут несколько отличаться в прудах, каналах, бассейнах.

По мере увеличения суточной нормы кормления со 100 до 200 кг/га (10-20 г/м²) вода, из-за обильного цветения водорослей, приобретет зеленый оттенок. Образование водорослей является основным механизмом контроля аммиака. Мощность аэратора, необходимая при такой норме кормления, составляет от 25 до 30 л.с/га.

При суточной норме кормления 300 кг/га происходит резкий сдвиг, поскольку недостаток света при очень высокой плотности водорослей препятствует фотосинтезу­. Бактерии растут и развиваются в биофлоки, о чем свидетельствует увеличение концентрации взвешенных частиц (250-500 мг/л) и связанное с этим увеличение потребления кислорода (6 мг О2/л в час). В таком случае для удовлетворения потребности в кислороде требуется пятикратное увеличение мощности аэратора, с 30 до 150 л.с./га. Большая часть энергии требуется для поддержания биофлоков во взвешенном состоянии. Несмотря на эти изменения, вода продолжает оставаться зеленой и образуется небольшой избыток кислорода.

Когда норма кормления составляет от 400 до 600 кг/га в сутки, вода становится зеленовато-коричневой. При показателях выше 700 кг/га в день вода кажется коричневой из-за биофлока, поскольку водоросли практически не участвуют в протекающих процессах. Дальнейшее увеличение норм кормления требует соответственно большей мощности аэратора.

Переход иногда трудно отслеживать­ визуально. Функциональный переход от избытка к дефициту кислорода происходит даже тогда, когда вода сохраняет зеленый оттенок. Изменение цвета с зеленого на коричневый происходит после перехода от преимущественно водорослевого к преимущественно бактериальному биофлоку. Поэтому цвет воды не является точным индикатором состояния системы. При высоких темпах аэрации хорошим показателем изменений в системе является возникновение большого количества поверхностной пены.

Таблица 2. Переход от водорослевого к бактериальному типу культуры с биофлоком как функции от внесения корма. Пример в таблице описан для креветочной канальной фермы. Значения потребления кислорода и активности фотосинтеза существенно варьируют в зависимости от конфигурации системы. Отрицательное значение — потребление кислорода, положительное — образование кислорода. Резкий переход при норме кормления 200-300 кг/га в день (Значения в таблице K. Kirk.)

кормление (кг/га в день)	цвет воды	доминирует	мощность аэратора (л.с./га)	потребление кислорода (мг/л на га)	фотосинтез (мг/л на га)
100	зеленый	водоросли	30	-0.5	+4.2
200	зеленый	водоросли	30	-1.0	+8.3
300	зеленый	водоросли+бактерии	150	-5.8	+1.2
400	зеленый	водоросли+бактерии	150	-5.8	-2.0
500	зеленый-коричневый	водоросли+бактерии	150	-4.0	-1.0
600	коричневый-зеленый	бактерии+водоросли	150	-4.0	-3.5
700	коричневый	бактерии	175	-4.0	-4.0
800	коричневый	бактерии	200	-5.0	-5.0
900	коричневый	бактерии	200	-6.0	-6.0

Динамика концентрации аммиака

Одной из основных целей управления качеством воды в любой культуре водных животных является поддержание концентрации аммиака­ ниже токсичных уровней. В биофлоке протекает три основных процесса, которые контролируют поглощение аммиака — рост водорослей, ассимиляция бактериями и нитрификация. Преобразования и динамика концентрации аммиака в биофлоке ­- сложный процесс, вовлекающий взаимодействие водорослей и бактерий, которые конкурируют за аммиак. Относительная важность­ каждого процесса зависит от многих факторов, в том числе от суточной нормы кормления, концентрации взвешенных частиц (биофлока), концентрации аммиака, интенсивности света и соотношения углерода к азоту (C:N).

Скопление водорослей

В любой культуре с биофлоком, из-за большого количества питательных веществ, остающихся после­ кормления, под воздействием солнечного света начинается обильное цветение водорослей. Питательные вещества, выделяющиеся из разлагающихся органических частиц (включая мертвые водоросли, экскременты и остатки корма), быстро усваиваются и хранятся в клетках водорослей. Скорость скопления водорослей в биофлоке в основном зависит от интенсивности подводного света. В биофлоке с преобладанием водорослей длительные периоды пасмурной погоды вызывают резкие увеличения концентрации аммиака. Накопление твердых частиц в биофлоке с водорослями создает условия затененности, что ограничивает поглощение аммиака. Суточные колебания концентрации растворенного кислорода и pН, несмотря на интенсивную аэрацию, являются еще одной характеристикой культуры с биофлоком, в которой преобладают процессы, связанные с ростом водорослей. Как правило, при суточной норме кормления менее 300 кг/га (30 г/м²) активность водорослей является основным фактором, контролирующим качество воды.

Бактериальная ассимиляция

Многие из ранних названий для культуры с биофлоком включали слово «гетеротрофы», описывающее группу бактерий, которые, по определению, получает углерод из органических источников. Несмотря на высокие затраты на корма для интенсивных систем, рост гетеротрофных бактерий в биофлоке ограничен количеством растворенного в воде органического углерода. Для стимулирования роста числа­ гетеротрофных бактерий соотношение C:N повышают путем установки дополнительного источника углеводов или снижения уровня белка в корме. Благодаря этой манипуляции возрастает утилизация азота (в виде аммиака­), потому что органический углерод и неорганический азот обычно берутся в фиксированном соотношении, которое отражает состав­ и потребность бактериальных клеток. Таким образом, аммиак можно контролировать путем добавления органического углерода для стимулирования роста гетеротрофных бактерий.

Подобно водорослям, аммиак «неподвижен», пока находится в гетеротрофных бактериальных клетках в виде белка. Поскольку скорость роста гетеротрофных бактерий намного выше, чем у нитрифицирующих бактерий, контроль аммиака путем усвоения гетеротрофными бактериями происходит быстро, обычно в течение часов или дней, если добавляется достаточное количество простого органического углерода (например, сахара или крахмала). «Хранение» азота в бактериальных клетках временно, поскольку клетки быстро погибают, выделяя азот в виде аммиака при разложении. Клетки также служат кормом для рыб или удаляются в виде излишек твердых частиц. Как и в случае с азотом, усваиваемым водорослями, микробный белок во флоках, содержащий гетеротрофные бактерии, служит дополнительным­ источником питания для рыб и креветок.

Нитрификация

Двухступенчатое окисление аммиака до нитрата называется нитрификацией. Бактериальный процесс превращает токсичную форму азота (аммиак) в токсичную только при высоких концентрациях (нитрат). С течением времени нитраты накапливается в культуре с биофлоком в условиях низкого водообмена. В отличие от быстрого процесса усвоения растворенного аммиака водорослями или бактериями, нитрификация имеет пролонгированный эффект и отвечает за значительную долю (25-50%) азота из кормов в интенсивных системах с биофлоком. Этот механизм становится более важным по мере интенсификации производства, которая измеряется суточной нормой кормления.

Как упростить динамику азота в системах биофлока с низким водообменом: Отработанный азот повторно задействован в процессах, происходящих между растворенным аммиаком и твердыми агрегатами водорослей или бактерий. Если извлечь твердые агрегаты, то значительную часть добавленного азота можно удалить из системы. Если твердые загрязнения не удалять, большая часть азота (в виде аммиака) в конечном счете окисляется до нитрата и накапливается.

Стратегии контроля уровня аммиака в культуре с биофлоком

Регулирование баланса показателей C:N

В системах с биофлоком основным фактором, который контролирует концентрацию аммиака­, является соотношения C:N в кормах и других материалах. В корме с концентрацией белка от 30 до 35% относительно низкое соотношение C:N, примерно от 9 до 10:1. Увеличение соотношения C:N до 12-15:1 способствует гетеротрофному пути контроля аммиака. Низкий коэффициент C:N в кормах можно увеличить путем добавление дополнительных веществ с высоким содержанием C:N. Или коэффициент C:N может повысить, уменьшив содержания протеина в кормах. Поглощение аммиака гетеротрофными бактериями происходит быстро после добавления углеводов. Контроль аммиака­ с помощью гетеротрофных бактерий часто более стабилен и надежен, чем процесс культивирования водорослей или нитрификации.

В качестве источников углерода в культурах с биофлоком пробовали многие виды сырья и обработанных субпродуктов, включая зерновые гранулы, мелассу, багассу сахарного тростника, скошенное сено и другие. Сырье, содержащее углеводы, должно быть недорогими и удобными в использовании. Лучше всего для этой цели подходит легкое и быстро разрушающаяся органическая материя. Гетеротрофные бактерии в системах с биофлоком воздействуют на простые органические вещества очень быстро, в течение минут­ или нескольких часов. Самый быстрый эффект демонстрируют простые углеводы, такие как сахар (сахароза или декстроза) или крахмал. Лучшим источником углерода, который необходимо добавить во время запуска системы, когда требуется наивысшая скорость реакции, является обычный сахар.

Для полного контроля концентрации­ аммиака гетеротрофными бактериями добавление углеводов должно производиться в соответствии с нормой кормления. На каждые 1 кг 30-38% белкового корма необходимо добавлять 0,5-1 кг источника углеводов, например, сахара. Чем выше уровень белка, тем больше требуется углеводов. Понятно, что для контроля концентрации аммиака необходимо добавлять относительно большое количество углеводов. Меньше углеводов следует добавлять, если в культуре с биофлоком одновременно вовлечены и другие пути удаления аммиака.

У процесса постоянного добавления органического углерода для контроля аммиака­ существует несколько недостатков. Он стимулирует образование твердых бактериальных агрегатов и их накопление­. Без должного контроля концентрация твердых частиц достигает уровня, при котором происходит закупорка жабр. При возрастании­ бактериальной нагрузки для обеспечения окисления и дыхания требуется больше кислорода, тратится дополнительная энергия на сохранение твердых частиц во взвешенном состоянии. Высокое потребление кислорода снижает время отклика в случае отказа системы. Необходимо направить дополнительные мощности на извлечение, обработку и удаление накопленных твердых частиц.

Контроль уровня аммиака при таком подходе требует постоянного добавления­ углерода. Для прекращения внесения углерода необходимо приостановить работу системы. Резкое прекращение внесения углерода раньше, чем начнется процесс нитрификации, приведет к нестабильности качества воды и потенциально вредным выбросам аммиака­ и/или нитрита. Как только добавление углерода прекращается, наиболее интенсивные системы с биофлоком естественным образом переходят к процессу нитрификации.

Нитрификация с приостановлением роста микроорганизмов

В отличие от предыдущего подхода, стимулирование нитрификации не требует дополнительных углеводов или учета соотношения C:N. Акцент сделан на нитрификации с помощью бактерий, которые прикрепляются к взвешенным твердым частицам (и другим поверхностям) для контроля уровня аммиака. Системы с биофлоком с достаточным перемешиванием без добавления углеводов, как правило, естественным образом развивают этот механизм пролонгированного контроля аммиака.

Одним из основных недостатков такого подхода является снижение щелочности из-за нитрификации. Все три процесса­, которые контролируют аммиак в культуре, влияют на щелочность воды, но активнее всего — именно нитрификация. Реакторы денитрификации можно использовать для восстановления щелочного баланса, но это увеличивает цену производства. Обязательным требованием для систем с биофлоком, в которых используется нитрификация, является регулярное известкование.

Управление системой при запуске

Во время запуска системы изменения качества воды чрезвычайно похожи на те, которые происходят в обычных замкнутых системах. Запуск характеризуется временными задержками в области пиковых концентраций аммиака, а затем нитрита по мере развития различных популяций бактерий. Если норма кормления увеличивается слишком быстро, концентрации аммиака или, особенно, нитрита увеличиваются до такой степени, что становятся токсичными и влияют на рост рыб, конверсию­ кормов, устойчивость к болезням или, в некоторых случаях, на показатели выживаемости.

Продолжительность запуска зависит от многих факторов, включая температуру, график кормления и предварительную инокуляцию в культуру подходящих микробов в достаточном количестве. Программы акклиматизации для систем с биофлоком не стандартизированы, поэтому многие  пользователи разработали собственные методы на основе личного опыта, полученного в результате напряженных усилий. Нитрифицирующие бактерии можно выращивать в автономных бассейнах до высокой концентрации, а затем добавлять в культуральные бассейны перед внесением рыбы. Добавление ила или воды из ранее акклиматизированной системы также является эффективным подходом для запуска нового бассейна или пруда, хотя эта практика несет определенную угрозу биобезопасности.

Пиковых концентраций аммиака или нитрита во время запуска можно избежать или свести к минимуму, добавив углевод. Для нейтрализации 1 мг/л аммиака (в виде N) следует добавить сахар в количестве 15-20 мг/л. Углевод, добавляемый во время запуска для поддержания низкой концентрации аммиака, может продлить время, необходимое для акклиматизации системы. Как только система акклиматизирована, дальнейшее добавление углерода необязательно, поскольку нитрифицирующие бактерии поддерживают концентрацию аммиака и нитрита на безопасных уровнях. Иногда по мере необходимости следует добавлять углеводы во время формирования культурной среды, когда концентрация аммиака резко возрастает.

Удаление твердых отходов

В культуре с биофлоком накапливаются отходы в виде твердых частиц, при этом дополнительное количество таких частиц формируется из-за интенсивной аэрации и добавления углеводов. Со временем, при достаточном перемешивании твердые частицы накапливаются до нежелательно­ высокой концентрации (от 2000 до 3000 мг/л). Системы с биолфоком, как правило, работают при концентрации взвешенных твердых частиц менее 1000 мг/л, чаще всего — менее 500 мг/л. Концентрация взвеси от 200 до 500 мг/л достаточна для правильной работы системы, поскольку обеспечивает контроль содержания аммиака без чрезмерного потребления кислорода. Наиболее активное потребление корма в каналах с креветами происходит при концентрации твердых частиц от 100 до 300 мг/л.

Осаждающие конусы представляют собой простой способ измерять концентрацию взвешенных твердых частиц . Снаружи на конусы нанесена маркировка, которую можно использовать для измерения объема твердых частиц из расчета на 1 литр воды. Необходим стандартизированный и удобный интервал времени, который обычно составляет от 10 до 20 минут. Твердые частицы также можно измерить с помощью мутнометра.

Поддержание осаждаемой концентрации твердых частиц в пределах 25-50 мл/л обеспечит правильную работу системы с биофлоком для тилапии. В облицованных прудах для креветок идеальные показатели колеблются от 10 до 15 мл/л. Замутненность в пределах от 75 до 150 NTU примерно равна рекомендованной концентрации твердых частиц при условии, что не наблюдается активной интерференции цвета.

Концентрацию твердых частиц необходимо регулировать таким образом, чтобы найти компромисс­ между функционированием системы с биофлоком как биофильтра (для контроля аммиака) и потребностью воды в кислороде, которая возрастает непосредственно с концентрацией­ твердых частиц. Другими словами, концентрация должна оставаться как можно более низкой для обеспечения достаточной биофильтрации и не настолько высокой, чтобы потребовалась чрезмерные аэрация и перемешивание. Работающие культуральные бассейны с относительно низкой концентрацией взвешенных твердых частиц уменьшают риск снижения уровня растворенного кислорода­ и последующего отказа системы из-за увеличения временного интервала для отклика. Относительно низкая концентрация взвеси также позволяет фотосинтезу водорослей вносить свой вклад в снабжение воды кислородом.

Отстойники для контроля уровня твердых частиц

Простые гравитационные отстойники, также известные как осветлители, используют для контроля концентрации твердых частиц при высоких нормах кормления­ в интенсивных системах с биофлоком. Отстойники используют периодически, когда осаждающие конусы показывают, что концентрация твердых тел превышена. В качестве альтернативы отстойники эксплуатируют непрерывно, если их размеры позволяют ежедневно очищать относительно небольшую часть объема бассейна. Достаточный контроль концентрации твердых частиц достигается, если мощность отстойника позволяет полностью очищать воду­ в бассейне за 3-4 дня. Как правило, объем­ отстойника составляет от 1 до 5% объема системы. Его работа регулируется по силе поступающего потока, чтобы время нахождения воды в резервуаре составило от 20 до 30 минут. Этого достаточно для осаждения большинства тяжелых твердых частиц.

Отстойники просты в использовании и эффективны при удалении грубых, легко оседающих­ твердых частиц. Однако их чрезмерное использование для контроля взвеси приведет к образованию мелких твердых частиц или более крупных твердых частиц, которые не оседают в системе. Мелкие твердые частицы можно извлечь с помощью пеноотделительной колонки или систем воздушной флотации. На практике распределение твердых частиц относительно их размеров в культуре с биофлоком не регулируется. Удаление твердых частиц биофлока ограничено контролем времени их выведения, хотя у большинства систем способность контролировать концентрацию твердых частиц ограничена.

Известкование для регулирования щелочности

Щелочностью называется буферная емкость воды или ее способность сопротивляться изменениям значения pH в ответ на добавление кислот. В воде с биофлоком должен находиться достаточный запас щелочности, поскольку он постоянно истощается в результате реакций с кислотой, поступающей в воду. Активность­ нитрифицирующих бактерий приводит к значительной потере щелочности в интенсивных системах с биофлоком. Со временем, кислота от нитрификации снижает запас щелочности­. Как только запас истощился, уровень pH резко падает, ингибируя активность бактерий, в том числе, функцию важных нитрифицирующих бактерий. В результате, аммиак накапливается до такой степени, что аппетит­ рыбы и отклик­ на кормление снижаются. Это ограничивает ежедневную норму кормления, эффективность конверсии корма и, в конечном счете, снижает продуктивность.

Путем регулярного добавления бикарбоната натрия щелочность должна поддерживаться в диапазоне 100 — 150 мг/л (СаСО3).

Другие ощелачивающие агенты меньше подходят. Каустические агенты (например, гидроксид кальция) можно использовать с непрерывной распределительно-дозирующей системой. В интенсивных биофлок системах­ с преобладанием нитрификации на каждый килограмм корма приходится вносить 250 граммов бикарбоната­ натрия. Даже с регулярными добавлениями вещества операторы системы должны еженедельно следить за щелочностью.

Денитрификация и обработка осадка

Щелочность можно восстановить в процессе денитрификации. Протекание нитрификации в наиболее интенсивных системах сопровождается накоплением нитрата. В отсутствии мониторинга, этот параметр отражает общую нагрузку кормом на систему. Накопление нитратов снижают подпиткой водой из внешнего источника, но это сводит на нет усилия по интенсивному использованию воды и снижает биозащищенность.

Реакторы денитрификации становятся частью стратегии сбережения­ и биозащиты воды, если при этом существует финансовая необходимость сохранения солей. Эта проблема наиболее остро стоит в морской культуре креветок, особенно, на внутренних, расположенных вдали от моря, территориях. Кроме того, сброс соленых сточных вод ограничен или регулируется во многих, особенно, центральных районах.

Реакторы денитрификации эксплуатируют в условиях статичной анаэробной среды. Твердые частицы оседают в резурвуаре с боковым током воды и накапливаются в нем. Слабый поток обеспечивает время удержания в системе от 1 до 2 дней и подходит для контроля концентрации­ нитратов. Накопление твердых частиц перейдет в устойчивое состояние. В анаэробных условиях необходимо постоянное добавление нитрата в качестве окислителя органических соединений, хотя для поддержания процесса достаточно простого органического углерода (сахара). Бактерии выделяют бикарбонат в качестве побочного продукта. Таким образом, щелочность, которая снижается из-за нитрификации, может восстановить путем денитрификации.

Дополнительную воду сохраняют путем установки серии последовательных реакторов. Таким образом, снижают объем осадка и массу веществ, удаляемых из объекта интенсивной аквакультуры­. Конкретная последовательность действий:

1. Заполнение. В реактор добавляют партию осадка, собранного из отстойников. (Закрытые реакторы подходят лучше всего, но не являются единственным вариантом; подходит­ любой резервуар или сосуд.)
2. Реакция. Твердые частицы и остаточные биофлоки активно смешивают и подвергают аэрации в период от ½ до 1 дня для более быстрого разложения твердых частиц.
3. Оседание. Прекращение смешивания и аэрации. Большинство твердых частиц быстро оседают, этот процесс занимает от 2 до 3 часов.
4. Фильтрация. Чистую надосадочную воду извлекают и возвращают в систему биофлоков.

Эти действия повторяют для каждой дополнительной партии осадка. Воду с запахом тухлых яиц, указывающим на сероводород, не следует возвращать в бассейны с рыбой до ее интенсивной аэрации.

Одним из вариантов реализации процесса является продление периода оседания. Сразу после оседания, твердые частицы биофлока начнут потреблять весь кислород в воде. Благодаря анаэробным условиям, происходят и другие реакции, включая­ денитрификацию. Эта операция поочередно происходит в режиме аэрации и окисления и спокойном анаэробном режиме оседания. Такое чередование вовлекает несколько механизмов бактериального разложения органической материи.

Технические характеристики и функционирование систем с биофлоком

Облицованные пруды для промышленного выращивания креветок

Большой интерес к разработке систем с биофлоком проявили сотрудники центра морской культуры Уодделла в середине 1990-х годов. В этом исследовании участвовала коммерческая креветочная ферма «Belize Aquacul­ture Limited». С тех пор, этот метод применяется в бассейнах на крупных креветочных фермах Индонезии­, Малайзии и Австралии. Как упоминалось ранее, одной из основных причин использования биофлок технологии для выращивания креветок является необходимость биозащиты, особенно в отношении борьбы с синдромом белых пятен и другими вирусами.

Основной подход заключается в использовании относительно небольших (0,5 — 1,5 га) прудов, которые облицовывают пластиком (обычно 30-40-миллиметровым ПНД) и для поддержания флоков во взвешенном состоянии интенсивно аэрируют (28-32 л. с./га) с помощью лопастных аэраторов. Как правило, одной лошадиной силы аэрации лопастным аэратором­ достаточно для выращивания 400-500 кг креветок. Расположение аэратора важно, поскольку оно влияет на циркуляцию. В водоеме не должно остаться зоны спокойной воды (статичной зоны), где может накапливаться осадок. Аэраторы необходимо регулярно перемещать во избежание накопления твердых частиц и появления токсичных анаэробных зон.

Концентрацию биофлоков в виде оседающих твердых частиц 15 мл/л поддерживают путем добавление зерновых брикетов (18% белка) и мелассы. Это приводит к повышению уровня C:N больше показателя 15:1. Когда биомасса креветок достигает 10 метрических тонн/га, осадок по возможности следует удалить из центра водоема.

Разведение креветок происходит при высокой плотности посадки (от 125 до 150 PL на м²). Максимальная суточная норма кормления перед выловом составляет 400-600 кг/га. Через 90-120 дней вылов креветок составляет от 20 до 25 метрических тонн/га, где масса особи достигает 18-20 г, хотя средние показатели вылова варьируют от 15 до 20 метрических тонн/га. Вылов почти 50 метрических тонн/га производят в интенсивных прудах с системой биофлока, где плотность посадки креветок составляет 280 на м². Для сравнения, обычные полуинтенсивные креветочные пруды имеют продуктивность от 4 до 8 метрических тонн/га.

Тепличные каналы для креветок

Основываясь на интенсификации облицованных открытых прудов для креветок, учреждения, входившие в состав бывшего консорциума по разведению морских креветок США, разработали технологию с биофлоками для интенсивных облицованных каналов в стандартных теплицах­ (100 футов в длину × 25 футов в ширину). Эти теплицы расположены внутри страны, вдали от дорогостоящих прибрежных земель, и, при установке дополнительного обогрева, в районах с умеренным климатом. Экспериментальные или первичные каналы (40-50 м³) и системы промышленного выращивания (250-300 м³) сконструированы таким образом, чтобы помещаться в стандартную теплицу.

Каналы неглубокие (от 50 до 100 см) и обычно содержат центральный дефле­ктор или перегородку для улучшения внутренней­ циркуляции. Движение воды обеспечивают системами воздушных насосов, которые вытягивают воду со дна и выводят ее на поверхность водоема, или насосами, которые впрыскивают воду через форсунки, предназначенные для обеспечения аэрации. Вода направляется вдоль канала в одном направлении и в противоположном направлении по другую сторону перегородки. В каналах также установлена разветвленная сеть приборов для аэрации для поддержания биофлока во взвешенном состоянии. При максимальной плотности посадки и устоявшейся культуре кислород можно впрыскивать в течение короткого времени после кормления или непрерывно по мере необходимости.

Концентрацию твердых частиц, биофлоков регулируют с помощью отстойников­. Объем отстойника составляет менее 5% от объема системы. В некоторых системах работает пеноотделительная колонка для удержания мелких твердых частиц и пены. Система функционирует лучше всего, когда концентрация оседающих твердых частиц составляет от 10 до 15 мл/л; лучшее потребление корма креветками наблюдается на нижней границе этого диапазона загрязнений.

Молодь креветок выращивают при плотности посадки 300-500 PL/м² (максимум 750-1000 PL/м²). Нормальными считаются продуктивность от 3 до 7 кг/м², продуктивность 10 кг/м² возможна при добавлении чистого кислорода. Использование воды составляет от 200 до 400 л/кг.

Помимо выращивания креветок, технологию биофлоков используют в малявочниках. Относительно небольшой и мелкий канал подходит для интенсивной­ культуры. Важно отметить, что молодь креветок активнее использует питательные вещества, содержащиеся в биофлоке, нежели более крупные креветки.

Таблица 3. Оценка продуктивности различных культур с биофлоком. Для упрощения, рассматривается глубина 1 метр водоемов. * — 1 кг/га в день = 0.1 г/м² в день. ** Аэрлифт и распылители работали от воздуходувки; распылители получали кислород от оксигенатора

система	плотность посадки	аэрация (л.с./га)	кормление (кг/га в день)*	емкость
пруды с креветками	125-150 pl/м2	25-35	400-500	20-25 т/га
каналы с креветками	200 pl/м2	150	1000-1500	5-7 кг/м2
каналы с креветками	300-500 /м2	**	400-650	4-7 (до 10) кг/м2
тиляпия	20-25/м3	130-150	1750-2000	15-20 (до 30) кг/м2

Тепличный канал для креветок (система Clemson)

В университете Клемсона оценили вариант системы с биофлоком для выращивания креветок в теплицах. Система состоит из трех каналов для выращивания креветок, каждый из которых имеет площадь 250 м² и содержит 150 м³ воды. Систему эксплуатируют при концентрации твердых частиц от 200 до 500 мг/л (15 до 50 мл/л). Вода из каналов с креветками перетекает в первичный бассейн для оседания твердых частиц, где становится анаэробной. В этих условиях проходит процесс денитрификации­ и некоторое восстановление щелочности. Затем вода попадает в бассейн с аэрацией, где выращивают тилапию. Это обеспечивает фильтрацию и восстановление питательной среды. Далее вода поступает в резервуар с интенсивным перемешиванием с плотным биофлоком (от 1000 до 2000 мг/л), который служит в качестве биофильтра для окисления аммиака. После этого вода поступает в отстойник для оседания твердых частиц и возвращается в каналы с креветками. Осевшие твердые частицы направляют в биофильтр с взвешенной средой.

Основным различием между этой и описанной выше системами является использование плотного взвешенного биофлока отдельно от креветок в качестве биофильтра. Система­ Клемсона также отличается тем, что она включает анаэробный компонент­ в цикл обработки. Система производит от 2.5 до 3.5 кг/м² за 150-180-дневный сезон выращивания. Достигнуты­ устойчивые нормы кормления свыше 1000 кг/га и пиковые показатели норм ­кормления, равные 1800 кг/га.

Облицованные бассейны для тилапии

Система с биофлоком в Университете Виргинских островов состоит из основного бассейна для выращивания тилапии и меньших бассейнов для осаждения (отстойники), с добавлением щелочных агентов и денитрификацией. Бассейн для выращивания имеет диаметр 16 м и глубину 1 м (Объем = 200 м³). У бассейна крепкие стены из армированного бетона и пластиковая 30 мм (HDPE) облицовка ровного земляного дна, с небольшим (3%­) уклоном к центральному стоку.

В бассейн помещают три вертикальных аэратора мощностью ¾ л. с. При этом один аэратор начинает работать в течение первых 2 месяцев, а затем в течение каждого последующего 2-месячного периода добавляют по одному аэратору. Другой аэратор мощностью ¾ л.с. расположен горизонтально и эксплуатируется непрерывно для перемешивания. Он отвечает за круговую циркуляцию воды, которая сгоняет твердые частицы к центральному стоку.

Линия от центрального стока тянется до отстойника размером 1,9 м³ (1% объема системы). С помощью центробежного насоса мощностью ¼ л.с., при скорости потока 10 галлонов в минуту, воду нагнетают в отстойник. Отстойник имеет интервал удерживания 50 минут, достаточный для оседания 90% твердых частиц, включая крупные частицы и водорослевой флок. Большинство частиц оседает за 10 минут­. Полный объем воды бассейна для культивирования проходит через отстойник каждые 3-4 дня. Отстойник поддерживает концентрацию­ взвешенных частиц в бассейне на уровне 500 мг/л. Осадок сливают от дна конуса отстойника и направляют в реактор для денитрификации (размеры: 50 футов × 4 футов × 3 фута). Реактор полностью обратавает поступающую воду за 1 день.

Таким образом, скорость нитрификации достигает 3 мг/л в сутки. Концентрация нитратов увеличивалась при общим увеличением норм кормления, при этом объем накапливаемых частиц составил около 25г/кг корма. До подключения реактора для денитрификации, в течение 6-7 месяцев эксплуатации, нитрат накапливался в объеме 600-700 мг/л (в пересчете на N). Из всего азота в корме 45% восстановилось в виде нитрата­, 24% обнаружено в выловленной рыбе и 31% — в осадке. Известкование (1-2 кг/д негашеной извести [Ca(OH)2]) необходимо для повышения уровня щелочности, снизившегося из-за воздействия кислоты, полученной в результате нитрификации, и для поддержания уровня рН около 7.5.

Достигнуты устойчивые суточные нормы кормления 175-200 г/м³ (1750-2000 кг/га). Максимальный вылов тилапии составил около 15 кг/м³, если объем бассейна для выращивания равен 20-25 м³. Условием для функционирования этой системы является поддержание концентрации­ твердых частиц от 300 до 500 мг/л, что соответствует 25-50 мл/л оседающих частиц.

Прямое потребление энергии в расчете на единицу продукции­ рыбы составляет около 3.5-4 КВт.ч/кг. Эффективность использования воды очень высока, около 100 л/кг. Для замены суточных потерь требовалась вода, эквивалентная 0.2-0.4% объема резервуара.

Проблемы

Взвешенные частицы напрямую влияют на работу системы с биофлоком. Возможность контролировать концентрацию­­ твердых частиц зависит от конфигурации системы. Чрезмерная концентрация загрязнений снижает продуктивность, потому что твердые частицы забивают жабры рыб или креветок. Она также увеличивает количество энергии на перемешивание и сохранение твердых частиц во взвешенном состоянии, и на аэрациию. Избыточная потребление кислорода средой также означает, что время отклика в случае сбоя системы крайне небольшое, часто менее 1 часа. Иногда непредсказуемо развиваются биофлоки, состоящие из большого количества нитевидных бактерий. Эти так называемое “нитевидные объединения” влияют на скорость оседания флока и затрудняют контроль за концентрацией твердых частиц. Нитевидные бактерии также забивают жабры креветок и обуславливают высокую смертность.

Микробная экология биофлоков изучена только на самом базовом уровне. В частности, роль биофлоков в контроле или стимулировании развития патогенных бактерий­­, особенно вибрионов, требует дальнейшего изучения. Вибрионы могут накапливаться в системах биофлоков для креветок и, время от времени, вызывать различные заболевания. Это происходит непостоянно и случается в культуре с биофлоком, где концентрацию твердых частиц поддерживают на очень низком или очень высоком уровнях.

Как и в случае с большинством систем УЗВ, в интенсивной культуре с биофлоком в воде накапливаются питательные­ вещества и минералы (особенно металлы). В креветочных каналах с низкой скоростью водообмена нитрат может накапливаться до нескольких сотен мг/л, что снижает потребление корма креветками. В интенсивных системах с биофлоком рекомендуется использовать емкость для денитрификации. Поддержание концентрации нитратов около 50 мг/л в морских системах является эффективным способом минимизации образования высокотоксичного сероводорода.

Хотя с начала 1990-х годов проводятся исследования с участием предшественников систем с биофлоком, а с начала 2000-х годов применяются промышленные технологии, ключевые вопросы функционирования этих систем по-прежнему остаются малоизученными. Системы с биофлоком­ нашли широкое применение лишь в выращивании тилапии и креветок, и производители внедряли и оценивали широкое множество конфигураций промышленных­ систем. Такое разнообразие затрудняет установление общих принципов и критериев для стандартизации проектирования. В этой публикации рассмотрены наиболее важные переменные, которые необходимо учитывать для достижения желаемых результатов.
——
John A. Hargreaves. Biofloc Production Systems for Aquaculture. SRAC Publication No. 4503 April 2013