Физические характеристики твердых загрязнений в аквакультуре, такие как размер, плотность и состав питательных веществ, зависят от вида гидробионта, его размера и конструкции системы (Lee et al., 2009; Lee, 2010). Плотность загрязнений варьирует от 1.01 до 1.2 г/см3 (Patterson et al., 2003; Summerfelt, 1998), а скорость их осаждения – от 0.01 до 3.91 см/сек (Wong and Piedrahita, 2000). Распределение взвешенных частиц по размеру обширное. Хотя число частиц наибольшее на нижней границе размерного диапазона, их общий объем больше на его верхней границе (Chen et al., 1993; Cripps, 1995).

Создано множество систем фильтрации твердых частиц. Разработка сепараторов твердых частиц, в особенности, в области замкнутых систем, ведется непрерывно и направлена на повышение их эффективности, которая определяется расходом энергии, расходом промывочной воды, возможностями удаления тонкодисперсных частиц.

Lee и Jo (2005a, 2005b) продемонстрировали эффективность работы безнапорных гидроциклонов различного размера. В качестве загрязнений исследователи брали полистирольные частицы двух размеров, которые воспроизводили плотность и скорость осаждения фекалий молоди Обыкновенного карпа. Однако они не воспроизводили все физические характеристики твердых загрязнений в условиях рециркуляционной системы. Тестирование коммерческих безнапорных гидроциклонов должно включать частицы корма с различными свойствами.

Как правило, эффективность гидроциклонов очень сильно зависит от распределения частиц корма по размеру и плотности. Большинство аппаратов высокого давления рассчитаны на корм высокой плотности (более 2 г/см3) и размер частиц менее 212 мкм (Hou et al., 1998; Patil and Rao, 1999;   Tavares et al., 2002). Так как эффективность осаждения можно улучшить, повысив разницу центробежных сил для жидкости и твердых частиц, гидроциклоны обычно тестируют при высоких давлениях 50-150 кПа (Asomah and Napier-Munn, 1997). Твердые загрязнения в аквакультуре содержат органические вещества с низкой плотностью в широком размерном диапазоне. Поэтому условия работы для безнапорных аппаратов в присутствии органических загрязнений отличаются от таковых для гидроциклонов высокого давления.

С начала внедрения гидроциклонов в практику УЗВ, их эффективность возросла (Scott and Allard, 1983, 1984). Однако маленькие размеры и необходимое для работы высокое давление затрудняло коммерческое использование гидроциклонов в рециркуляционных системах. Более того, твердые загрязнения имеют низкую плотность и сильно отличаются. Для массового удаления частиц в стоке применялись крупные гидроциклоны диаметром 0.6-1.5 метра. Они работали преимущественно при посредничестве сил тяготения, а не центробежных сил (Veerapen et al., 2005). Об использовании безнапорных гидроциклонов в аквакультуре мало данных.

В настоящей работе определена эффективность отделения несъеденного корма и фекалий Обыкновенного карпа (Cyprinus carpio) и Нильской тиляпии (Oreochromis niloticus) гидроциклоном низкого давления (безнапорного).

Решались задачи:

— определить количество загрязнений от корма, образующихся при выращивании Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии;

— определить количество загрязнений от фекалий, образующихся при выращивании Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии, с использованием оценки усвоения;

— оценить эффективность отделения фекалий и корма безнапорным гидроциклоном;

— изучить влияние условий работы на эффективность отделения корма и фекалий.

Целью работы являлась оценка эффективности удаления твердых частиц безнапорным гидроциклоном в условиях УЗВ.

Материалы и методы

Размеры и условия работы гидроциклона низкого давления

Безнапорный гидроциклон имел цилиндр (диаметр — 335 мм, длина — 575 мм), входящий патрубок диаметром 30 мм, диаметр перелива 60 мм и диаметр выходящего патрубка 50 мм.

Режимы работы для аппарата выбирались из статьи Lee (2014), где достигалась минимальная концентрация корма в переливе. Скорость входящего потока составляла 400, 600, 800 и 1000 мл/сек, а скорость стока – 25, 25, 20 и 10% от входящего потока, соответственно.

Определение загрязнений от корма, фекалий и скоростей осаждения загрязнений Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии

Усвоение твердого вещества количественно оценивали по количеству фекалий у особей двух видов. Группу массой 10 килограммов Обыкновенного карпа (Cyprinus carpio, 27 ± 3.1 г, среднее ± стандартное отклонение) и Нильской тиляпии (Oreochromis niloticus, 33 ± 3.4 г, среднее ± стандартное отклонение) помещали в бассейн объемом 0.5 м3 (диаметр 1.2 метра и глубина 0.45 метра). Обыкновенного карпа и тиляпию кормили три раза в день из расчета 3.1-3.2% и 2.7-2.8% (сухого вещества) от массы тела, соответственно, и 1% и 0.9% от массы тела за каждый раз, соответственно.

Несъеденный корм и фекалии собирали три раза в день. Воду, поступающую в культуральный бассейн, пропускали через волоконный фильтр (<1 мкм) и фильтровали через подводный фильтр и фильтр с псевдоожиженным слоем. Выходящая из культурального бассейна вода поступала в гидроциклон. После прохождения безнапорного гидроциклона, потоки через перелив и сток направлялись в две отдельные емкости, наполненные 4.6 м3 воды (диаметром 2.7 метра и глубиной 0.8 метра). Во время сбора, стоки из емкостей пропускали через сито с диаметром ячеек 10 мкм. Затем вода поступала в самп и биологический фильтр.

В течение первых 3 часов сбора загрязнений рыбу кормили с 8:00 утра 20 минут, позволяли грязи пройти из культурального бассейна в гидроциклон. Перелив и сток от гидроциклона поступали в отдельные емкости в течение 20 минут кормления и 30 минут после кормления, перед сбором фикалий из культурального бассейна (9:00-12:00). Во второй 6-ти часовой период сбора рыбу кормили в 12:00, позволяли грязи пройти из бассейна в гидроциклон и емкости для накопления загрязнений. Затем, фекалии собирали с 13:00 до 19:00. Третий 12-часовой сбор проводился аналогично в течение ночи, с 20:00 до 8:00. Все процедуры повторялись по три раза (выборка n = 3), согласно операционным условиям. Твердые частицы из емкостей концентрировали и гомогенизировали с помощью активной аэрации. Затем, для определения общего содержания твердых частиц, их собирали в стерильные полиэтиленовые бутылки объемом 1 литр. Аналогичные процедуры проводили с Нильской тиляпией.

Скорость осаждения загрязнений от корма и фекалий для Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии определяли по разделению статическим осаждением (APHP, 1995; Wong and Piedrahita, 2000).

Для расчета количества фекалий в коммерческий корм вводили 0.3% оксида хрома (Cr2O3). Питательный состав корма указан в таблице 1. В сутки обновляли 5% всего объема воды. Температура воды, концентрация растворенного кислорода и pH находились на уровне 26±1°C, 5.3±1.3 мг/л и 6.4±0.4, соответственно.

Таблица 1. Химический состав корма

	Химический состав, %
	Сырой белок	Сырой жир	Зола	Cr2O3
Корм	34.8±0.47	7.26±0.01	9.5±0.18	0.3±0.01

Эффективность разделения фекалий и корма в безнапорном гидроциклоне

Весь сток из культурального бассейна поступал в гидроциклон. Сбор загрязнений велся двумя путями: через перелив аппарата и через его сток. Для определения общего количества твердых загрязнений их гомогенизировали и концентрировали. Эффективность разделения рассчитывалась по формуле:

Et = Mu/(M0-Mu), где M0 – количества загрязнений в потоке через перелив, Mu – количество загрязнений в потоке через сток.

Химический и статистический анализ

Содержание сырого белка определяли методом Кьельдаля, с использованием автоматической системы Кьельдаля (Buchi B-324/435/412, Флавиль, Швейцария). Содержание жиров определяли методом экстрагирования. Содержание влаги рассчитывали выпариванием при температуре 105°C, в течение 24 часов, а содержание золы – после 4-х часового нагрева в муфельной печи. Все методы соответствовали стандарту AOAC (1990). Удельная плотность фекалий и взвешенных частиц определяли согласно стандартным методам (APHA, 1995). Анализ Cr2O3 и Предполагаемого коэффициента усвояемости (ADC) для сухого вещества определяли по методике Lee et al. (2009). Вся процедура химического анализа проводилась трижды (выборка n = 3).

Для оценки статистической значимости различий средних значений (P>0.05) использовались Однофакторный дисперсионный анализ (One-way ANOVA) и тест Данкана для множественных сравнений (Duncan’s multiple range tests) (Duncan,1955). Программное обеспечение SAS version 9.1 (SAS Institute Inc., Cary, Северная Каролина, США).

Результаты и обсуждение

Скорости осаждения загрязнений корма и частиц фекалий из гранулированных и негранулированных каловых масс Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии

Скорость осаждения частиц корма и фекалий для карпа представлена на рисунке 2. Скорость осаждения частиц корма варьировала от 0.05 до 0.43 см/сек. С максимальной частотой встречались частицы в диапазоне скоростей 0.15-0.3 см/сек. Для фекалий эти значения составили 0.18-1.5 см/сек. Максимум для негранулированных и гранулированных фекалий приходился на диапазон 0.18-0.34 и 1.03-1.2 см/сек, соответственно.

Скорость осаждения загрязнений корма и фекалий от тиляпии показаны на рисунке 3. Скорость осаждения частиц корма варьировала от 0.05 до 0.75 см/сек. С максимальной частотой встречались частицы в диапазоне скоростей 0.24-0.31 см/сек, они оседали быстрее, чем у карпа. Для фекалий эти значения были аналогичны данным, полученным для карпа. Максимум для негранулированных и гранулированных фекалий приходился на диапазон 0.25-0.44 и 1.03-1.25 см/сек, соответственно.

Скорости осаждения для фекалий и корма лежали в пределах, ранее полученных в других работах (Lee and Jo,2005; Summerfelt and Timmons, 2000; Wong and Piedrahita,2000).

Загрязнения корма от Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии, и эффективность разделения безнапорного гидроциклона

Загрязнения корма от Обыкновенного карпа составляют 4.1-4.8% от съеденной массы (Таблица 2). Отсутствуют значимые различия в норме кормления выборок. Максимальная эффективность разделения гидроциклона (71%) достигается при входящем потоке в аппарат 600 мл/сек и объеме воды через сток 25% от поступающего объема (Таблица 2). Минимальная эффективность разделения отмечается для загрязнений корма при входящем потоке в аппарат 1000 мл/сек и объеме воды через сток 10%. Эффективность разделения в режимах 400 800 мл/сек значимо ниже, чем для 600 мл/сек.

Таблица 2. Загрязнения корма от Обыкновенного карпа и эффективность работы гидроциклона

Поток на входе (мл/сек) (% сток от входящего)	Кормление (% от массы рыбы)	Загрязнения корма (% от вносимого корма)	Эффективность отделения
400 (25)	3.1±0.07	4.68±0.071	0.67±0.016
600 (25)	3.1±0.14	4.78±0.306	0.71±0.012
800 (20)	3.2±0.28	4.78±0.306	0.63±0.002
1000 (10)	3.1±0.28	4.07±0.236	0.59±0.012

Загрязнения корма для Нильской тиляпии составляют 3.6-4.0% от съеденной массы (Таблица 3). Отсутствуют значимые различия в норме кормления выборок. Минимальная эффективность разделения отмечается для загрязнений корма при входящем потоке в аппарат 1000 мл/сек и объеме воды через сток 10%. Однако, отсутствовали статистически значимые различия для режима 800 мл/сек и объеме воды через сток 20% (по сравнению с чем?). Максимальная эффективность разделения (59%) достигалась в режиме 400 мл/сек и объеме воды через сток 25% (Таблица 3). С возрастанием скорости водного потока в гидроциклон снижалась эффективность разделения загрязнений корма. В этой работе более высокое количество загрязнений для Нильской тиляпии, чем для карпа, обуславливало более низкую эффективность фильтрации при повышении поступающего потока. С возрастанием размера частиц, их абсолютная радиальная скорость снижается (Chu et al., 2002a,b), поэтому высокая эффективность осаждения крупных твердых частиц отмечается в условиях низкого поступающего потока в гидроциклон.

Таблица 3. Загрязнения корма от тиляпии и эффективность работы гидроциклона

Поток на входе (мл/сек) (% сток от входящего)	Кормление (% от массы рыбы)	Загрязнения корма (% от вносимого корма)	Эффективность отделения
400 (25)	2.7±0.12	4.0±0.21	0.59±0.05
600 (25)	2.8±0.14	3.9±0.21	0.53±0.05
800 (20)	2.7±0.12	3.9±0.42	0.44±0.04
1000 (10)	2.8±0.25	3.6±0.31	0.42±0.05

Твердые загрязнения в интенсивной культуре преимущественно образуются из несъеденного корма. В этой работе, количество загрязнений корма зависят от пищевой активности Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии. Оценочная концентрация взвешенных частиц, образующихся из несъеденного корма в различных операционных условий, варьировала от 1.12 до 4.0 мг/л. Han с коллегами (1996) при рассмотрении системы культивирования рыб докладывал о диапазоне 0.4-8.4 мг/л взвешенных частиц. Рекомендованный предел для взвеси составляет 15 мг/л (FIFAC, 1980). Однако без должного отделения загрязнений корма, они продолжат повышать концентрацию взвеси в рециркуляционной системе.

Большинство взвешенных частиц очень маленькие, но со временем они могут объединяться, образуя более крупные конгломераты различного размера и формы. Таким образом, в проточной системе и УЗВ представлены взвешенные частицы различного размера (Brinker and Rösch, 2005; Lee, 2010). Скорость осаждения тонкодисперсных взвешенных частиц гораздо меньше крупных частиц. Для отделения 80% осаждаемых частиц отстойник должен быть спроектирован так, чтобы скорость потока через него не превышала 0.5 см/сек (Wongand Piedrahita, 2000). В условиях УЗВ микросетчатый фильтр может удалить 22-70% взвешенных частиц через ячейки диаметром 60-100 мкм (Summerfelt, 1998). Однако более мелкие частицы диаметром менее 100 мкм, вероятно, будут накапливаться в системе с неадекватной фильтрацией. Более того, твердые частицы становятся мелкими при прохождении через насос (McMillan et al., 2003).

Устройства для гравитационного оседания и барабанные фильтры недостаточны для отделения тонкодисперсных частиц. Таким образом, в рециркуляционной системе должно происходить непрерывное отделение мелких и крупных частиц. Ранние исследования (Scott and Allard, 1983) показали, что гидроциклон удаляет примерно 56% твердых частиц (в пересчете на сухую массу нетто), циркулирующих в системе, и повышает эффективность удаления взвеси микросетчатым фильтром до 97%. Кроме того, удлиняет периоды до проведения обратной промывки биологического фильтра с 4 дней до 3 недель. В данной работе безнапорный гидроциклон демонстрировал набольшую эффективность при удалении загрязнений корма, 71% и 59%, для Обыкновенного карпа и Нильской тиляпии, соответственно. Продуктивность отделения частиц зависела от их свойств и операционных условий.

Выделение фекалий Обыкновенным карпом и Нильской тиляпией и эффективность отделения безнапорного гидроциклона

Из оценки усвоения сухой материи значения выделений фекалий Обыкновенным карпом (37.9%) и Нильской тиляпией (35.7%) попали в диапазон 25-46%, о котором докладывали Bergheim и Asgard (1996), Beveridge et al. (1991), и Rijn (1996) для Лососевых, сомов и карпов.

Эффективность отделения фекалий Обыкновенного карпа варьировала от 60 до 36%, при режимах поступления воды 600 мл/сек и 1000 мл/сек, соответственно. Максимальное значение достигалось при 600 мл/сек входящего потока.

Эффективность отделения (59.6%) для 3-х часового сбора на режиме 600 мл/сек и стоке 25% от входящего потока была значительно выше (P<0.05), чем при 6- и 12-ти часовом сборе (Рисунок 4). Во всех возможных операционных режимах эффективность отделения существенно снижалась (P<0.05) при возрастании времени сбора.

 

 

Эффективность отделения фекалий тиляпии варьировала от 63 до 41%, при режимах поступления воды 400 мл/сек и 1000 мл/сек, соответственно. Во всех операционных режимах эффективность отделения при 3-х часовом сборе была существенно (P<0.05) выше, чем при 6- и 12-ти часовом сборе. Карп и тиляпия выделяли различное количество фекалий. Карп выделял фекалии различной формы, и их размер был намного меньше, чем у тиляпии. Тиляпия выделяла цилиндрические фекалии с незначительными различиями длины и диаметра. Timmons и Chen (2000) отмечали, что фекалии тиляпии покрыты слизистой оболочкой, поэтому образуют пряди. Эти пряди обладают хорошей плавучестью. Фекалии тиляпии имеют различную радиальную и тангенциальную скорости, поэтому скручиваются и менее подвержены завихрениям водного потока. Чтобы более длинные фекалии не задерживались в восходящем потоке гидроциклона, скорость циркуляции должна быть ниже, чем для более коротких фекалий, и оптимально подобранной для их захвата. Когда каловые массы останавливаются верхним щитком, они обычно подходят к половине длины цилиндра. Затем скручиваются и медленно всплывают и вымываются. Chu с коллегами (2002b) исследовали перемещение твердых частиц в гидроциклоне с различной геометрией, параметрами работы и характеристиками корма. Они продемонстрировали, что кривые аксиального распределения радиальной скорости частиц имеют форму парабол, потому что перенос жидкости от внешнего спирального к внутреннему спиральному потоку преимущественно существует в средней части внутри гидроциклона. Поэтому радиальная скорость жидкости на этом участке выше, чем в верхней и нижней отделах. В результате, радиальная скорость твердых частиц в середине цилиндра выше, и более длинные фекалии легко захватываются на этом участке. Для повышения эффективности отделения длинных каловых масс требуется более низкая радиальная скорость и малая высота цилиндра (Lee and Jo, 2005a). Различия оптимальных операционных условий для отделения фекалий Обыкновенного карпа (входящий поток 600 мл/сек, сток 25% от входящего) и Нильской тиляпии (входящий поток 400 мл/сек, сток 25% от входящего) обусловлены размером и формой каловых масс. Безнапорный гидроциклон достаточно чувствителен для отделения частиц различной формы и размера, и может повысить эффективность этого процесса. Плотности фекалий карпа (1,063 кг/м3) и тиляпии (1,061 кг/м3) статистически значимо не отличаются (P>0.05). Эти значения вписываются в данные, полученные Patterson et al. (2003) (1,190 кг/м3) и Summerfelt (1998) (1,005-1,200 кг/м3) для аквакультурных загрязнений. Плотность твердых частиц также может влиять на работу безнапорного гидроциклона (Lee,2010). Исследование показало эффективность отделения фекалий рыб и несъеденного корма безнапорным гидроциклоном, установленным непосредственно после культурального бассейна.

Заключение

Обыкновенный карп (27±3.1 г) и Нильская тиляпия (33±3.4 г) образовывали 4.1-4.8% и 3.6-4.0% загрязнений корма, соответственно. Количество фекалий составляло 37.9 и 35.7% от вносимого корма, соответственно. Скорости осаждения несъеденного корма и каловых масс для двух видов распределялись в диапазоне 0.05-0.75 см/сек и 0.18-1.5 см/сек, соответственно. Эффективность отделения загрязнений корма и фекалий от Обыкновенного карпа и тиляпии безнапорным гидроциклоном составила 59-71% и 60-63%, соответственно. Операционные условия показали максимальную эффективность для входного потока 400 мл/сек при 25% стоке для Нильской тиляпии, и 600 мл/сек при 25% стоке для карпа.

——
Jinhwan Lee. Practical applications of low-pressure hydrocyclone (LPH) for feed waste and fecal solid removal in a recirculating aquaculture system. Aquacultural Engineering. Volume 69, November 2015, Pages 37–42