Цикл статей представляет собой перевод научной работы — Jaime Orellana. Identification and quantification of suspended solids and their effects in modern marine recirculation systems. Leibniz — Institut für Meereswissenschaften. Kiel, 2006.

«Идентификация и подсчет взвешенных частиц. Их влияние в современных морских рециркуляционных системах». Интересная работа, с вовлечением многих методов исследования. Ссылки на законченные главы приведены в конце статьи.

Обзор

Одним из ключевых факторов успешной работы систем с рециркуляцией воды (RAS) является контроль содержания взвешенных частиц. В данной статье рассмотрены качественные и количественные изменения содержания взвешенных частиц (TSS) в RAS, особое внимание уделено распределению частиц по размеру и эффективность удаления различных фракций твердых частиц. Конфигурация RAS создана для оценки характеристик этой системы, использующей двух этапную процедуру разделения (центробежный сепаратор и пеноотделительную колонку). Однако каждый из них независимо, отчасти влияет на другие характеристики. Система также создана для работы при низком потреблении электроэнергии и водообмене.

В качестве целевого вида выбран Европейский морской окунь (Dicentrarchus labrax), который выращивали в течение 437 дней. Рост рыбы и кормовой коэффициент перевода выступают критериями оценки функциональности системы. В период экспериментов температуру воды держали на уровне 23°C. Качество воды непрерывно контролировали и поддерживали в допустимых пределах. Диапазон значений: температура 20-24°C; соленость 20-25 psu; O2 – 8 мг/л; pH 7-8; TAN 0.5-1.5 мг/л; NO2-N 0.1-0.7 мг/л. В системе ежедневно обновляли около 1% от общего объема воды. За период экспериментов высокое качество воды поддерживали двухступенчатой фильтрацией твердых частиц. Центробежный сепаратор эффективно задерживал частицы непосредственно из бассейнов с рыбой. Состав твердых загрязнений варьировал в различное время, в зависимости от состава питательных веществ в кормах (N, C, P, органика без золы, энергетическая ценность). Определяли форму и структуру твердых загрязнений из центробежного сепаратора. На полученных образцах из сепаратора и пеноотделительной колонки изучали распределение частиц по размеру. Для этого, загрязнения пропускали через сита с ячейками 50 мкм, 100 мкм, 200 мкм, 400 мкм, 800 мкм и 1600 мкм. Очень мелкие частицы всегда захватывались, будучи прилипшими к крупной фракции. Результаты указывают на преобладание тонкодисперсных частиц (<45 мкм). С точки зрения управления системой, это очень важное наблюдение. Противоточное пеноотделение позволяет удалять твердые частицы и бактериальную биомассу. Для усиления формирования пены, агрегации частиц, последующего удаления частиц, снижения числа бактерий оказалось полезным использование озона.

Полученные данные окажутся полезными для оценки роста Европейского морского окуня в RAS от молоди до товарного размера (300 г). Можно оценить поступление питательных веществ (корма), состав корма, удержание корма (коэффициент перевода корма и рост рыбы), а также отходы (растворенные и твердые загрязнения). Приведенные сведения также являются базовыми для оценки баланса масс образующихся частиц в RAS и оптимизации обработки воды в условиях высокой рециркуляции.

Введение

1.1. Основные аспекты аквакультуры

Традиционные морские открытые системы отличаются успешной экономической активностью и продолжают расширяться. Однако индустрия вовлекает эти успешные системы, особенно, в открытой воде, без оглядки на экологические последствия. Поэтому во многих частях света портится экология и имидж аквакультуры (Rosenthal, 1994). В настоящее время фермеры пробираются через дебри национальных и региональных законов, учатся работать в гармонии с природой. Аквакультура лишь индустрия, где конечный продукт является идеальным биоиндикатором здорового статуса экосистемы, в которой происходит культивирования (Rosenthal, 1994). Оценка экологического риска (ERA), оценка воздействия на экологию (EIA), наилучшие практики управления (BMP) являются наиболее ценными инструментами для развития коммерческой и устойчивой аквакультуры, с минимальным экологическим влиянием и социо-экономическими проблемами. Национальная политика многих стран направлена на развитие устойчивого рыбоводства, хотя усилия по-прежнему недостаточны во многих регионах.

За последние несколько лет тенденция смещается от традиционной открытой системы к продуктивным наземным рециркуляционным системам с высокой плотностью посадки. По крайней мере, это заметно по экспериментальным, пилотным проектам и появлению коммерческих ферм. RAS можно считать искусственной экосистемой с альтернативной производственной схемой, обеспечивающей оптимальные условия для развития организмов, и независимой от естественной экосистемы. Эта тенденция обусловлена несколькими факторами: (a) необходимость содержания маточного стада в контролируемых условиях для безопасного времени созревания; (b) обеспечение роста и развития личинок; (c) обеспечение прогнозируемого выпуска сеголеток. RAS вызывает интерес ещё и потому, что исключает непредсказуемость естественной среды, сезонные колебания температуры, вспышки роста водорослей, антропогенные загрязнения.

1.2. Обзорные исследования технологии RAS

Многие авторы изучали системы с рециркуляцией для морской культуры. До начала века, работы имели описательный и аналитический характер. Они обобщены в трудах Rosenthal (1981) и в дальнейшем получили развитие в работах многих авторов (Wickins, 1981; Muir, 1981; Murray et al., 1981; LaBosmascus et al., 1987; Russell and O’Brien, 1988; Bergheim et al., 1991; Menasveta et al., 1991; Sigholt et al., 1993;Honda and Kikuchi, 1995; Baskerville-Bridges and Kling, 1996; House et al., 1998;Lupatsch and Kissil, 1998; Van Gorder and Jug-Dujakovic, 1998). С начала нового тысячелетия, исследования направили на изучение общих характеристик системы и отдельных процессов и компонентов (Blancheton, 2000; Chen etal., 2000; Kim et al., 2000; Lee et al., 2000; Olivar et al., 2000; Nijhof and Bovendeur,1990; Lefebvre et al., 2001; Perry et al., 2001, Seo et al., 2001; Timmons et al., 2001;Thoman et al., 2001; David et al., 2002; Espinoza et al., 2002; Borges et al., 2003;Piedrahita, 2003; Barak et al., 2003; Suantika et al.,2003, Waller et al., 2003a; Waller etal., 2003b; Orellana et al., 2005).

Одной из ключевых проблем в системе с рециркуляцией является нагрузка твердыми взвешенными частицами, особенно, тонкодисперсными частицами. За последние десять лет, исследования в этой области активизировались и, в большинстве случаев, направлены на изучение технических аспектов проектирования компонентов и их характеристик. Немногие проводили исследования с видом, использованным в настоящей работе (Blancheton, 2000), тогда как большинство занимается обзором систем, компонентов и их функций (Timmons etal., 2001; Van Gorder and Jug-Dujakovic, 1998; Espinoza et al., 2002; David et al.,2002; Borges et al., 2003; Chen et al., 2000; Piedrahita, 2003). Различные авторы изучали оборудование для удаления фосфора (Barak et al.,2003; House et al., 1998), контроль процессов денитрификации (Lee et al., 2000), прогнозирование образования загрязнений (Lupatsch and Kissil, 1998), кинетику и нитрифицирующие свойства биофильтров (Seo et al., 2001; Timmons et al., 2001; Kim et al., 2000; Chenet al., 2006; Michaud et al., 2006), пищевые запросы специфических видов (Thomanet al., 2001).

Авторы рассмотрели другие исследования, отличные от своей работы: культивирование новых видов (Perry et al., 2001), инкубация икры и личинок в замкнутых системах (Baskerville-Bridges and Kling, 1996; Olivar et al., 2000), моделирование цикла питательных веществ в системе с заданной конфигурацией (Lefebvre et al., 2001). Это позволило по-новому взглянуть на критерии проектирования. Культивирование живого корма (Suantika et al., 2003) имеет концептуальные отличия от выращивания обычных видов рыб с традиционной обработкой воды, таких как лососевые (Sharer et al., 2005).

Для оценки текущих тенденций по литературным данным, внимание уделили классификации и подсчету твердых частиц в морской RAS, представленных в научных работах Franco-Nava et al. (2004a), Franco-Nava et al. (2004b), Waller et al.(2003a), и Orellana et al. (2005). Удаление TSS из воды и влияние этого процесса на характеристики системы всегда вызывают большой интерес. Значительная доля исследований распределения частиц по размеру посвящена пресноводным системам (Chen et al., 1993a; Chen et al., 1993b; Chen et al., 1994b;Han et al., 1998; Patterson and Watts, 2003; Brinker and Rösch, 2005; Brinker et al.,2005), касается эффективности удаления (Viadero and Noblet, 2002; Ebeling et al., 2003;Davidson and Summerfelt, 2005; Huggins et al., 2005; Summerfelt and Penne; 2005), влияния питательных компонентов на фильтрацию (Summerfelt and Penne, 2005; Viadero and Noblet,2002), оценивает влияние отдельных компонентов системы на свойства частиц загрязнений (McMillan etal., 2003; Summerfelt and Penne, 2005; Veerapen et al., 2002; Veerapen et al., 2005), затрагивает вопросы масштабирования узлов обработки (Brinker et al., 2005). Кроме того, изучалось влияние озона на распределение частиц по размеру в пресноводной системе (Krumins et al., 2001), тогда как приложение озона в морских системах мало затрагивалось (Dwivedy, 1974; Schlesner und Rheinheimer, 1974; Rosenthal and Sander, 1975;Rosenthal and Westernhagen, 1976; Blogoslawski et al., 1977; Ingols, 1978; Honn,1979; Rosenthal and Otte, 1979; Rosenthal, 1981a, 1981b; Rosenthal and Krüner, 1985;Lin and Wu, 1996; Brazil et al., 1998; Singh et al., 1999). Colt (2006) описал важные лимитирующие факторы, касающиеся качества воды, отметил их неясность и необходимость разрабатывать для промышленных систем адекватные критерии качества воды. Этот вопрос особо остро стоит для морских систем, чему и посвящена данная статья.

1.3. Почему твердые частицы в RAS настолько опасны, и их необходимо удалять?

Присутствие и накопление загрязнений в RAS (фекалии, несъеденный корм, бактериальные пленки) ухудшают качество воды, потому что снижают эффективность её обработки. Высокая нагрузка взвешенными частицами имеет следующие недостатки:

— она потребляет кислород в процессе биологического разложения, снижается доступность кислорода в культуре рыб (Rosenthal, 1997; Davidson and Summerfelt, 2005);

— распад органических загрязнений повышает концентрацию TAN в водеи влияет на нитрификацию (Liao and Mayo, 1974; Spotte, 1979; Davidson andSummerfelt, 2005; Chen et al., 2006). Небольшие количества неионизированного аммония токсичны для эпителиальных тканей и нарушают выход белковых метаболитов через жабры (Peters et al., 1984);

— Подложка твердых частиц для роста гетеротрофных бактерий может быть избыточной и вызывать конкуренцию с нитрифицирующими бактериями. Процесс нитрификации сильно ингибируется от протекания гетеротрофных процессов, когда количество органического углерода высокое (Zhuand Chen, 2001);

— Взвешенные частицы выступают временным субстратом для факультативных патогенных организмов, которые ищут конечного хозяина. Bullock et al. (1994) прогнозировал вовлеченность взвешенных частиц во вспышку бактериального заболевания жабр (BGD). Noble и Summerfelt (1996) описали возникновение неинфекционных проблем с ростом количества взвешенных частиц, возрастание смертности в RAS, связанных с засильем оппортунистических микроорганизмов;

— загрязнения забивают биофильтры и снижают их эффективность (Chen et al.,1993; Rosenthal, 1997);

— избыток загрязнений приводит к забиванию аэрационных колонн, экранов и распылительных отверстий (Davidson and Summerfelt, 2005);

— соотношение органического C/N в воде негативно влияют на эффективность нитрифицирующих бактерий (Rosenthal, 1997; Ebeling et al., 2006);

— накопление твердых частиц создает бескислородную среду, благоприятную для бактерий которые выделяют геосмин и 2-метилизоборнеол. Это портит запах и вкус рыбы (Tucker and Martin, 1991);

— ткань жабр повреждается твердыми частицами (Rosenthal, 1997) в процессе кормления, дыхания. Bullock et al. (1994) предполагает, что мелкие взвешенные частицы раздражают ткань жабр и создают поврежденные участки для прикрепления бактерий (BGD). Peters et al. (1984) выяснил, что повреждения плавников и жабр радужной форели отчасти обусловлены накоплением выделений и продуктов разложения. Madetoja et al. (2000) определил существенное возрастание инвазии патогенных агентов на рыбу после стирания кожной слизи и кожи;

— высокая нагрузка взвешенными частицами нарушает зрение рыб и кормление.

Одним из ключевых факторов успешной работы RAS является строгий контроль за концентрацией взвешенных частиц. Взаимосвязь продуктивности системы и степени удаления органического материала имеет комплексный характер (Franco-Nava et al., 2004). Она частично изучалась некоторыми авторами (Avnimelech et al., 1995; Leonard et al., 2002), которые подчеркнули необходимость более полного понимания природы органической материи для разработки стратегий их контроля (Franco-Nava et al., 2004). Таким образом, технологические и экономические решения должны базироваться на детальном понимании биологических и химических процессов, контролирующих не только уровень питательных элементов, но также твердых частиц в рециркуляционной системе.

Для достижения желаемого удаления твердых частиц дизайн RAS должен учитывать следующие аспекты:

— быстрое удаление твердых частиц из воды дает меньше времени для их разложения, прикрепленные бактерии расходуют меньше кислорода (Bullock et al., 1994, 1997; Rosenthal, 1997; Davidson and Summerfelt, 2005). Длительное время удержания частиц в системе влияет на их размер, потому что происходит их стирание и бактериальное разложение. Вещества выделяются быстрее из мелких частиц, чем крупных. Мелкие частицы, однако, сложнее удалять из культурной воды, потому что они имеют маленький размер и плотность, близкую к плотности воды;

— методы удаления твердых частиц (осаждение, фильтрация, флотация) способны удалять частицы в широком размерном диапазоне. Обычно необходима совокупность нескольких методов (Waller et al., 2003a; Orellana et al., 2005). В частности, несколько подходов используют для удаления тонкодисперсных частиц (<20 мкм), которые не осаждаются в ходе традиционных процессов очистки, осаждения и фильтрации с микроситом, и с течением времени накапливаются в среде культивирования (Chen et al., 1993; Chen et al.,1994; Langer et al., 1996; Rosenthal, 1997; Waller, 2001; Viadero and Noblet,2002; Orellana et al., 2005).

— скорость водного потока и размер рыбы являются двумя тесно связанными факторами, которые определяют характеристики твердых загрязнений. Так как обе эти переменные известны, характер загрязнений по большей части прогнозируемый. Рыба небольшого размера производит мелкие загрязнения и нуждается в большом количестве корма на единицу биомассы для удовлетворения энергетических запросов. Крупная рыба производит крупные загрязнения и требует меньше корма на единицу биомассы, так как скорость роста относительно низкая (Franco-Nava et al., 2004). Количество, характеристики и размер твердых загрязнений косвенно влияют на выбор методов их эффективного удаления;

— часто, для повышения прибыльности RAS практикуют высокую плотность посадки (в зависимости от вида). Она позволяет производить больше биомассы рыб на единицу культуры. Однако повышение плотности посадки требует лучшего управления удалением твердых загрязнений и надежности технологий. Нагрузка твердыми загрязнениями быстро возрастает. Если механические методы обработки более не достаточны, эффективное удаление загрязнений становится затратным.

1.4. Удаление твердых частиц в рециркуляционной системе

Удаление взвешенных частиц является процессом разделения твердой и жидкой фаз. К числу таких процессов относятся осаждение, фильтрация и флотация. Чем выше различия плотности, тем быстрее происходит осаждение твердых частиц (Timmons et al., 2001). Традиционным оборудованием для осаждения являются отстойники и гидроциклоны. Фильтрация проходит с использованием экранов, гранулированного наполнителя, пористого наполнителя (Chen et al.,1994). Отделение твердых частиц из воды проводят пропусканием её через фильтрующий материал (Chen et al., 1994; Timmons, etal., 2001). В процессах флотации частицы задерживаются на пузырьках воздуха и отделяются от воды. Несколько авторов описали технику пенного фракционирования (Rosenthal and Sander, 1975; Mathews et al.,1979; Rosenthal, 1981a; Rosenthal and Krüner, 1985; Chen et al., 1993b; Sander,1998; Boonyasuwat, 2003).

Выбор адекватного метода очистки или совокупности методов обусловлен поддержанием такого качества воды, которое обеспечивает здоровый, быстрый рост рыбы, с минимальными капитальными и операционными затратами. Технологии удаления взвешенных частиц схематично представлены в таблице 1. Каждая из них рассчитана на частицы определенного размера. В зависимости от целевого использования RAS (содержание маточного стада, культивирование живого корма, нагульные, малявочники) технологии очистки комбинируют. Как видно на рисунке 1, особое внимание следует уделять удалению мелких частиц (<20 мкм). Поэтому основной мерой очистки широкого спектра твердых частиц является комбинированный подход. Losordo et al. (1999) и Summerfelt (2002) описали комбинации осаждения и механической фильтрации для удаления взвешенных частиц. Waller (2000) и Waller et al. (2002) докладывали о комбинированном использовании гидроциклона или барабанного фильтра с пенным фракционированием.

 

Новой проблемой загрязнений стало появление сложных кормовых смесей и улучшение кормового коэффициента перевода. Изменение состава корма влияет на физические свойства гранул корма, соответственно, фекалий и характера их удаления из системы. Разработка высокоэнергетических экструдированных кормов ведется навстречу высокому содержанию жиров (около 30% и более; Rosenthal, 1997). К сожалению, не все жиры усваиваются рыбой. Жир попадает в среду, реагирует с твердыми частицами при низкой температуре, забивает мелкоячеистые фильтры (Rosenthal, 1997). Излишки жира также повышают поверхностные натяжение и негативно влияют на флотационные процессы и пенное фракционирование. В конечном счете, для удаления взвешенных частиц требуется больше расходов. Высокоэнергетические корма содержат меньше фосфора и азота, которые снижают нагрузку на биофильтр. Однако фекалии имеют различные физические свойства, которые должны учитывать инженеры при проектировании методов очистки. Одним из методов снижения нагрузки взвешенными частицами является использование усвояемых кормов, что минимизирует потери корма (Brinker et al., 2003).

1.5. Характеристики твердых частиц и распределение частиц по размеру

Двумя важнейшими свойствами взвешенных частиц в RAS является удельная плотность и размер частиц (Chen et al., 1994). Удельная плотность определяется компактностью и составом материала. Распределение частиц по размеру также зависит от источника материала (состава корма), вида и размера рыб. Силы стирания и другие механические силы определяют распад материала на частицы.

Поведение частиц в толще воды зависит, главным образом, от удельной плотности. Кроме того, не все частицы в заданном диапазоне размеров имеют одинаковую удельную плотность, которая зависит от их органической и неорганической природы (Chen et al., 1994). Особенности осаждения зависят и от структуры их поведения.

Свойства частиц изучены Patterson и Watts (2003) в месте смолтификации атлантического лосося (Salmo salar). В попытках воспроизвести сопоставимые данные, авторы работы рассмотрели оптические (макро- и микроскопические) характеристики частиц из образцов различного размера (из разных сит) в отношении к росту Обыкновенного лаврака (Dicentrarchus labrax) в морской среде. Для описания свойств частиц и бактериальной флоры использовали бинокулярный и цифровой сканирующий микроскопы.

Распределение частиц по размеру в культуральной воде исследовали многие авторы (Chen et al., 1993; Langer et al., 1996; McMillan et al., 2003; Brinker et al., 2006). Несмотря на различные методы исследования, виды рыб и параметры воды, авторы единогласно признавали тонкодисперсные частицы основной проблемой в рециркуляционной системе. В таблице 1 представлен диапазон распределения частиц по размеру в RAS.

Все работы из таблицы 1 указывают на неспособность системы удалять мелкие частицы (<20 мкм). Определенно, масса мелких частиц по сравнению с крупными незначительна. Однако число их гораздо больше, они образуют огромную площадь поверхности для прикрепления бактерий по сравнению с крупными. Эта высокая площадь поверхности не только позволяет расти гетеротрофным бактериям (Rosenthal, 1997), влияя на качество воды, но также факультативным патогенным бактериям, которые способны заражать рыб. Более того, со снижением размера частиц экспоненциально снижается расстояние диффузии от внутренней части к поверхности и большой площади контакта с окружающей средой (отношение поверхности к объему).

Эти факты вызывают пристальное внимание (таблица 1), хотя знаний о распределении частиц по размеру и правильном удалении тонкодисперсных частиц в морской рециркуляционной системе недостаточно. Техники удаления взвешенных частиц и конфигурация RAS в данной работе предусматривают двухэтапную очистку: осаждение (гидроциклон), затем флотация (пенное фракционирование). Это позволяет отдельно удалять крупные (осаждение) и мелкие (флотация) загрязнения из воды. Кроме того, использовали озон для улучшения агрегации частиц и последующей флотации (пенное фракционирование), химической подготовки воды для биологической фильтрации (окисление органики, частично питательных веществ, а также инактивации микроорганизмов).

Таблица 1. Различные методы расчета и результаты распределения частиц по размеру (PSD) в УЗВ. RPC = счетчик импульсов сопротивления (Coulter Counter, Elzone, and Fritsch); LLS = анализ размеров частиц методом лазерной дифракции; * = в корме использовали связывающие вещества (очевидно влияние на распределение частиц по размеру во взвеси и фекалиях); ** = проточная система культивирования

Расчет	Среда	Вид	Масса (г)	PSD (мкм)	% твердых частиц (<20 мкм)	Источник
RPC	Пресноводный	Oncorhynchus mykiss	500	7-50	95	Chen et al. (1993b)
RPC	Пресноводный	Oncorhynchus mykiss	500	7-50	95	Chen et al.(1993b)
RPC	Пресноводный	Salvelinus fontinalis	50	7-50	95	Chen et al.(1993b)
Сито	Солоноватый	Anguilla anguilla	15-20	0.45->100	56-68	Langer et al. (1996)
RPC		Morone saxatilis	270-560	0.4-100	50	Krumins et al. (2001)
LLS	Пресноводный	Oncorhynchus mykiss		4->500	15	Brinker et al. (2003)*
RPC		Morone saxatilis	400	0.4-900	70	McMillan et al. (2003)
LLS	Пресноводный	Salmo salar		2-60	>90	Patterson & Watts (2003)
LLS	Пресноводный	Oncorhynchus mykiss	63-700	0.2->600		Brinker & Rösch (2005)
LLS	Пресноводный	Oncorhynchus mykiss	250-320	0.2->600	>60	Brinker et al. (2005)**
RPC	Морской	Dicentrarchus labrax	320-350	2.8-710	95	Orellana et al. (2005)

1.6. Цели

Опираясь на текущие знания о биологических эффектах взвешенных частиц и конфигурацию лабораторной системы, авторы сформулировали несколько целей:

— выяснить, является ли рост рыбы в данном эксперименте аналогичным наблюдаемому в традиционной интенсивной аквакультуре. Обоснование: Пригодные к практическому применению результаты могут быть получены только, когда рост рыбы и эффективность перевода корма не нарушены;

— способна ли текущая конфигурация системы поддерживать уровень органической нагрузки как в других системах культивирования. Обоснование: Оптимальные рост и здоровье рыб достигаются лишь при оптимальном уровне удаления токсических метаболитов;

— как состав корма и конфигурация системы влияют на удаление взвешенных частиц. Обоснование: Состав корма влияет на свойства фекалий. Механизмы удаления твердых частиц обеспечивают сохранение безопасного качества воды и захват критической массы частиц, предпочтительно, эквивалентной поступающему количеству;

— зависит ли эффективность удаления гидроциклоном и пеноотделительной колонкой от размера частиц. Обоснование: Двухэтапный процесс очистки позволяет удалять крупные (гидроциклон) и мелкие частицы (пенное фракционирование);

— способна ли пеноотделительная колонка эффективно снижать бактериальную нагрузку (свободноплавающие бактерии). Обоснование: Высокая бактериальная нагрузка ухудшает качество воды и влияет на здоровье рыб. Кроме того, компоненты системы, созданные не для поддержания культуры нитрифицирующих бактерий, начинают потреблять кислород. Поэтому свободноплавающие бактерии необходимо эффективно и непрерывно удалять из воды;

— какое влияние оказывает озонирование на размер частиц, состав питательных веществ, бактериальную нагрузку. Обоснование: Использование озона улучшает удаление мелких частиц и формирование крупных агегатов, окисляет питательные вещества, инактивирует свободные бактерии.