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.

2.2.3. Биологическая фильтрация: нитрификация

В любой рециркуляционной системе культивирования водных животных функциональную роль играет биологическая фильтрация (удаление BOD и нитрификация). В ходе нее утилизируются растворенные органические соединения (гетеротрофные бактерии) и окисляются ионы аммония до нитрита, а затем в нитрат (двухэтапная нитрификация) бактериями Nitrosomona sp. и Nitrobacter sp. Для прикрепления микрофлоры используется твердый субстрат. Традиционные биофильтры в качестве субстрата включают песок и толченный коралловый гравий. В современных фильтрах находятся пластиковые структуры, сетки, гофрированные листы, сотовые или открытые блоки. Их основное назначение кроется в создании большой активной площади поверхности для микрофлоры.

В данной работе участвовало два типа биофильтра и загрузки (таблица 5). Первый тип биофильтра с нисходящим водным потоком, состоял из погруженной упакованной неподвижной загрузки, общей площади поверхности 36.5 м2. Этот биофильтр работал от начала эксперимента ко дню t431. Второй тип биофильтра с нисходящим водным потоком, состоял из погруженной подвижной загрузки, общей площадью 181.5 м2. Загрузка этого биофильтра перемещалась и циркулировала за счет аэрлифтной системы. Загрузка очищалась восходящим потоком воздуха, поэтому загрязнения не накапливались.

Второй тип биофильтра имел несколько преимуществ и гибкость по сравнению с биофильтром с фиксированной загрузкой. Аппараты с подвижной загрузкой имеют более высокую специфическую площадь поверхности при аналогичном объеме, они самоочищаются без необходимости обратной промывки, вода хорошо снабжается кислородом, загрузка не работает ловушкой для взвешенных частиц. На рисунке 11 изображено два типа пластиковой загрузки. Размер емкости биофильтров двух типов был одинаков. Емкость имела два шариковых крана, один для выхода воды и другой на дне для сброса воды (рисунок 12).

Таблица 5. Характеристики биофильтров и загрузки

Биофильтр	Тип	Субстрат	Специфическая площадь поверхности	Активная площадь биофильтра	Объем воды
Первый	Фиксированный наполнитель	полипропилен	180 м2/м3	36.5 м2	0.24 м3
Второй	Подвижный наполнитель	полиэтилен	963 м2/м3	181.5 м2	0.24 м3
Дополнительный (2)	Фиксированный наполнитель	полипропилен	180 м2/м3	63.5 м2	0.34 м3

Снабжение воздуха для внешнего аэрлифта, который нагнетает воду в биофильтр, происходит через основную систему поступления воздуха в лаборатории института. Система обеспечивает давление 1 bar, а скорость потока настроена на 900 л/час. Для перемешивания подвижной загрузки внутренним аэрлифтом воздух также поступает через основную систему поступления воздуха. В данном случае поток имеет скорость – 150 л/час. Оба типа загрузки и биофильтра построены компанией Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH.

На день t239 (рисунок 13) установили два отдельных дополнительных биофильтра, по одному для каждого бассейна с рыбой. Это сделано потому, что основной биофильтр неспособен адекватно работать при высокой плотности посадки рыбы, высокому уровню взвешенных частиц и бактерий в емкости биофильтра. Эти два дополнительных биофильтра наполняли аналогичной загрузкой (таблица 5), и имели общую площадь поверхности 31.8 м2, каждый. Воду нагнетают (Eheim 1250, 20 л/мин) из каждого бассейна через пластиковый распылитель в емкость биофильтра (рисунок 13). Внутри каждого биофильтра и сверху загрузки установлены квадраты из ПВХ-труб (40х40 см) для распределения подачи воды. Из биофильтра вода направляется в бассейны с рыбой. Это временное решение закончилось установкой второго типа биофильтра.

Фаза запуска биофильтра длилась примерно 14 дней. Главным образом, она проводилась для роста микрофлоры в биофильтре. Два дополнительных биофильтра установили ко дню t239. Для их быстрого старта воду в них и загрузку позаимствовали из основного биофильтра.

2.2.4. Культуральные бассейны

В работе использовали цилиндрические бассейны. Многие авторы рассматривали характеристики различных резервуаров для аквакультуры и отмечали достоинства цилиндрических бассейнов (Wheaton, 1977), Rosenthal. 1981b), Timmons et al., 1998). В этих бассейнах поток обычно поступает к поверхности воды и распределяется тангенциально для создания кругового потока. Это играет важную роль в концентрировании и сбросе твердых загрязнений. Описана способность цилиндрических бассейнов самоочищаться (Timmons et al. , 1998). Более того, отсутствие углов позволяет рыбе в полной мере использовать весь объем бассейна.

Для выращивания морского окуня, в этой работе устанавливали бассейны из армированного стекловолокном пластика. Стекловолокно – твердый материал с гладкой поверхностью (Waller, 2001). Форма и размеры бассейнов приведены на рисунке 14. На внутренней стороне каждого бассейна для создания кругового течения установлено ПВХ-колено под углом 90°. На противоположной стороне, на аналогичной с входным патрубком высоте, установлен погружной насос (Eheim 1250, 20 л/мин) для создания кругового течения и переноса взвешенных частиц в середину бассейна, а также обеспечения нормального стайного перемещения рыбы против течения (реотаксис). Во избежание бегства рыбы через входную трубу, к 90°-ПВХ-колену приклеили ПВХ фитинг с красной сеткой. Во избежание бегства рыбы через выходную трубу, внутрь нее поместили круглую ПВХ-пластину (диаметр 64 мм) с отверстиями (диаметр 7мм) (рисунок 14a). Бассейны имели плоское дно и пирамидный конус (45х45 см) около выходной трубы (рисунок 14b). Два бассейна с рыбой функционировали параллельно, их устанавливали на 9 (3х3) цементных блока в качестве опоры для ног. Дно бассейнов находилось на высоте 1.07 метра. Труба поступления воды находилась на высоте 1.52 метра. Каждый бассейн имел два шаровых крана, один на основную выходную трубу (диаметр 63 мм), второй на трубе для взятия проб и сброса воды (диаметр 32 мм, рисунок 14c).

2.3. Вторичные узлы

2.3.1. Контроль pH

Уровень pH контролировали введением CaO, растворенного в дистиллированной воде. С t0 по t208 (дни) раствор не вносили в культуральную воду. С t208 по t231, 250 граммов CaO растворяли в 10 литрах дистиллированной воды, и раствор добавляли в гидроциклон, 5 литров утром (10:30) и 5 литров вечером (16:30). Итоговое значение pH выше 7.0 единиц. С t231 по t693 аналогичное количество раствора автоматически закачивали из канистры в гидроциклон мембранным насосом (ProMinent, Mod. alpha ALPb, макс. 2.9 л/час). Со дня t693 насос заменяли на одноканальный шланговый насос (Fischer, макс. 4.2 л/час), который работал до дня t902. Дозировку раствора автоматически контролировали посредством измерения уровня pH. Кабель питания насоса подключали к реле измерения pH. Как только pH достигал установленного значения (±0.2) насос прекращал работать. Дозирование начиналось на отметке 7.2 и заканчивалось на 7.8. Во избежание выпадения раствора в осадок, внутрь подавали аэрацию для перемешивания. Количество CaO увеличивали ко дню t354 вплоть до 300 г на 10 литров дистиллированной воды.

CaO хороший буферный раствор, однако при растворении сильно нагревается. Поэтому обращение с ним опасно, и его нельзя использовать немедленно. Раствор Ca(OH)2 стал лучшим решением. CaO доступен в виде крупных зерен (5-10 мм), тогда как Ca(OH)2 в виде мелкой пыли, требующей ношения респиратора.

2.4. Регистрация данных физических свойств воды в RAS

Регистрацию следующих физических показателей проводили ежедневно с t0 по t550 дни эксперимента.

2.4.1. Температура и соленость в системе

Измерение температуры и солености проводили TetraCon® 325 электродом проводимости (компания WTW), соединенным с универсальным карманным метром MultiLine P4 (компания WTW). Соленость выражали в практических единицах солености (PSU). Электрод калибровали раз в неделю с помощью стандартного раствора 0.01 моль/л KCl. Для температурной компенсации MultiLine P4 имеет специфическую нелинейную функцию для морской воды.

2.4.2. Концентрация растворенного кислорода

Концентрацию растворенного кислорода в культуре регистрировали датчиком CellOx® 325 (компания WTW). Электрод имеет мембрану, покрывающую гальванический датчик. Диапазон измерений 0-50 мг/л и 0-50°C. При необходимости к электроду создавали водный поток аккумуляторной мешалкой BR325 (WTW). Мешалка создавала поток 18 см/сек. Калибровку датчика проводили раз в неделю с помощью камеры OxiCal® — PE/OXI. Гальваническую голову проверяли раз в месяц и при необходимости проводили регенерацию датчика.

2.4.3. Регистрация pH

Уровень pH в воде измеряли с помощью ручного метра pH 340 и SenTix® 41 комбинированным pH электродом с температурным датчиком (WTW). Диапазон измерений pH датчика – 0.0-14.0, температура — 0-80°C. Датчик калибровали раз в неделю с использованием стандартных растворов PL7 (pH 6.865 при 25°C) PL9 (pH 9.180 при 25°C) (WTW). Так как электрод SenTix® 41 имел встроенный температурный датчик, в компенсации не было необходимости.

2.4.4. Точки измерения

Физические показатели качества воды регистрировали ежедневно в 9:00 и 15:00 в обоих бассейнах. Значения ORP и pH на дисплее пеноотделительной колонки также регистрировали.