Рециркуляционная система культивирования (RAS) предлагают ряд преимуществ для рыбоводов. Прежде всего RAS обеспечивают усиленный контроль над культуральной средой, сокращают землепользование и использование воды, обеспечивают повышенную биобезопасность, а также максимизируют показатели роста рыбы. Технология рециркуляции позволила разработать высокоэффективные системы улавливания и сбора отходов для поддержания оптимального качества воды.

После удаления из контура рециркуляции твердые отходы необходимо утилизировать. В настоящее время этот процесс включен в эксплуатационные расходы. Тем не менее, образующийся осадок из фекалий и несъеденного корма является ценным ресурсом, потому что содержит много органических веществ, азота и фосфора.

В процессе анаэробного брожения органическое вещество в отходах можно преобразовать в возобновляемый энергетический ресурс.

Брожение приводит к микробиологическому расщеплению сложных органических молекул в осадке, образуя ценный биогаз, смесь метана (CH4) и углекислого газа (CO2) с другими следовыми газами, такими как сероводород (H2S) и аммиак (NH3). Несмотря на то, что этот процесс широко используется для утилизации навоза на наземных животноводческих фермах и в промышленности по очистке сточных вод от отходов жизнедеятельности человека, включение его в работу RAS не изучено. Предварительные исследования позволили получить представление об особенностях, которые могут препятствовать брожению осадка в RAS, некоторые из которых описаны ниже.

Сгущение осадка

В потоке разбавленных сточных вод, как при обратной промывке из барабанного фильтра, не хватает щелочности и органических веществ для эффективного брожения в полносмесительных биореакторах и реакторах идеального вытеснения. Для увеличения содержания твердых частиц в отработанном осадке потребуется осушение и сгущение осадка. Щелочность можно повысить внесением бикарбоната, который предотвратит внезапное падение рН, так как он повышает буферную способность.

Для достижения концентрации твердых частиц от 5 до 22% в осадке на фермах с RAS можно использовать технологии осушения и сгущения, например, гравитационные отстойники для сгущения, геотекстильные рукавные фильтры, наклонные ленточные фильтры или мембранные реакторы (Sharrer et al. 2009). Следует отметить, что разбавленную сточную воду можно анаэробно переработать без сгущения осадка с помощью различных конструкций реакторов, таких как высокоскоростные анаэробные биореакторы с фиксированной пленкой или с восходящим потоком жидкости (UASB).

Соотношение углерода и азота (C/N), аммиак

Соотношение C/N в исходном сырье является важным параметром, измеряющим долю органического вещества, используемого для производства энергии и синтеза клеток. Микроорганизмы используют углерод в качестве источника энергии, и азот для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Твердые частицы рыбных отходов обычно имеют низкое соотношение C/N, что приводит к снижению производства СН4 из-за ограниченной доступности углерода и повышенной концентрации аммиака.

Расщепление азотсодержащих органических соединений, таких как белки, приводит к образованию аммиака внутри бродильной камеры. В зависимости от рН осадка, внутри биореактора аммиак находится в двух формах, иона аммония, или NH4+, и свободного аммиака, или NH3. При повышении рН (рН>8) ионы аммония быстро превращаются в токсичный для гидробионтов аммиак, дестабилизируют процесс брожения и приводят к низкому производству СН4.

Твердые отходы рыб также содержат повышенное количество общего азота (около 10–30% сухого вещества в зависимости от вида рыбы и корма), который внутри реактора минерализуется в аммиак (van Rijn, 2013). Потенциальным решением этой проблемы является разбавление осадка, добавление субстрата для совместного расщепления с высоким содержанием углерода, но низким содержанием азота, баланс соотношения C/N, и использование микробного источника, адаптированного к этим условиям.

Летучие жирные кислоты

Летучие жирные кислоты — это низкомолекулярные карбоновые кислоты, способные при кипячении улетучиваться с водяным паром. 

Расщепление органического вещества в бродильном реакторе приводит к образованию органических кислот, содержащих от двух до шести атомов углерода, в совокупности известных как летучие жирные кислоты (ЛЖК). Совместная активность различных микроорганизмов в процессе брожения приводит к непрерывному образованию и потреблению ЛЖК. Однако, если вследствие ингибирования, избытка аммиака, летучие жирные кислоты не потребляются на образование метана, либо, когда скорость продукции кислот намного превышает скорость потребления (перегрузка реактора органическими веществами), значительно снижается рН, особенно в системе без достаточной щелочности. Значение рН ниже 6,5 приводит к прекращению продукции метана и сбою процесса брожения. Разбавленный осадок RAS, напротив, способен привести к низкой продукции ЛЖК, что обусловит низкий выход СН4 (Manchala et al., 2017). Стратегия минимизации проблем с ЛЖК включает достаточное сгущение осадка, соответствующую скорость загрузки органическими веществами и добавление субстрата для совместного брожения.

Сероводород

Высокая концентрация сульфата (SO4 ^2-) в солоноватой и морской воде препятствуют образованию метана из-за избыточного образования H2S. При более высокой солености (>15 г/л) концентрация H2S может превышать 15 г/л. Такие условия неблагоприятны для образования метана и удлиняют фазу запуска брожения.

Более важен тот факт, что H2S в высоких концентрациях вызывает проблемы при производстве электроэнергии. Для большинства электрогенераторов на биогазе рекомендуемый верхний предел H2S составляет 500 мг/л. В результате на фермах RAS потребуются дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты на предварительную десульфурацию биогаза. Коммерчески доступные растворы для очистки H2S, как правило, эффективны для снижения концентрации H2S до уровня ниже рекомендуемых пределов.

По всему миру растут инвестиции на развитие RAS, поэтому устойчивость работы этих систем требует исследований в области переработки отходов. Текущие научные работы показали потенциал брожения для обработки осадка при одновременном обеспечении рекуперации энергии за счет производства метана, но осуществимость идеи предстоит подтвердить. В Институте пресноводных вод Фонда охраны природы, расположенном в Шепердстауне, штат Западная Вирджиния, США, в настоящее время решают некоторые из вышеупомянутых проблем, связанных с процессом брожения осадка в RAS.
——
Abhinav Choudhury and Christine Lepine. Anaerobic digestion of sludge from RAS: Challenges and potential solutions. Hatchery International. 2021

Ссылки:

• Sharrer, M.J., Rishel, K. and Summerfelt, S., 2009. Evaluation of geotextile filtration applying coagulant and flocculant amendments for aquaculture biosolids dewatering and phosphorus removal. Aquacultural Engineering, 40(1), pp.1-10.
• Van Rijn, J., 2013. Waste treatment in recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering, 53, pp.49-56.
• Manchala, K.R., Sun, Y., Zhang, D. and Wang, Z.W., 2017. Anaerobic digestion modelling. In Advances in Bioenergy (Vol. 2, pp. 69-141). Elsevier.
• Zhang, X., Hu, J., Spanjers, H. and van Lier, J.B., 2014. Performance of inorganic coagulants in treatment of backwash waters from a brackish aquaculture recirculation system and digestibility of salty sludge. Aquacultural Engineering, 61, pp.9-16.
• Quinn, B.M., Apolinario, E.A., Gross, A. and Sowers, K.R., 2016. Characterization of a microbial consortium that converts mariculture fish waste to biomethane. Aquaculture, 453, pp.154-162.