Биологические фильтры являются важным компонентом рециркуляционных систем культивирования. Они преобразуют токсичные аммоний и нитриты, в менее вредные нитраты. Авторы работы протестировали удобство и эффективность трех методов первичной инокуляции в аэробные биофильтры. Только система с низкой плотностью посадки рыбы показала стабильную нитрификацию и низкий уровень аммиака и нитритов. Система, оснащенная бывшим в использовании фильтрующим материалом, начала нитрификацию немедленно, в то время как концентрации аммиака и нитритов в системе с промышленным раствором, содержащим нитрифицирующих бактерий, оставались высокими.

Правильно функционирующая система с рециркуляцией воды (RAS) состоит из различных модулей, необходимых для выращивания водных организмов в соответствующих условиях. Для обеспечения хорошего качества и возможности повторного использования воды она сочетает механическую, биологическую и химическую обработку.

Отходы жизнедеятельности рыб, включающие растворенный аммиак, а также взвешенные органические частицы, обуславливают накопление токсичных соединений, которые ставят под угрозу состояние здоровья животных. Механическая очистка через барабанный или песчаный фильтры позволяет удалить большую часть твердых частиц, в то время как биологическая фильтрация, за счет метаболизма нитрифицирующих бактерий биофильтра, преобразует растворенные токсичные соединения в менее вредные вещества. Система с рециркуляцией может иметь и другие узлы очистки, в том числе, белковые сепараторы, ультрафиолетовые стерилизаторы и анаэробные биофильтры для денитрификации.

Экспериментальная установка

В зависимости от условий системы запуск устойчивого сообщества бактерий — долгий процесс, который занимает от нескольких недель до нескольких месяцев. Авторы провели исследование для демонстрации удобства и эффективности методов инокуляции в интактный аэробный биофильтр при вводе его в эксплуатацию. Для трех идентичных новых рециркуляционных систем использовали три разных метода.

Каждая RAS состояла из трех бассейнов для рыбы объемом 1.1 м³ , фильтра картриджа, аэробного биофильтра с подвижным ложе для нитрификации, анаэробного биофильтра с подвижным ложе для денитрификации, белкового сепаратора с добавлением озона, отстойника и нескольких водяных и воздушных насосов. Для поддержания постоянной температуры воды, каждую систему, вмещающую 5.3 м³ воды, через пластинчатый теплообменник подключили к центральной системе охлаждения.

Объем воды отдельных биофильтров составил 0.75 м³, объем субстрата — 0.54 м³, площадь его активной поверхности — около 315 м².

Инокуляция в фильтры

В первой системе (S1) 10% нового субстрата заменили наполнителем из другой RAS, уже содержавшим колонии нитрифицирующих бактерий. Во вторую систему (S2) посадили тюрбо, Scophthalmus maximus, с низкой плотностью посадки. Последнюю систему (S3) заполнили промышленным раствором с бактериями, в соответствии с рекомендациями производителя. Каждую систему снабдили одинаковым количеством питательных веществ для аэробных биофильтров на 13 недель. S1 и S3 снабдили растворенным хлоридом аммония, рассчитанным на основе экскрементов рыбы в S2.

Результаты

Условия среды во время эксперимента оставались стабильными и находились в диапазоне, рекомендованном для выращивания холодноводной рыбы, такой как тюрбо. Температура варьировала от 14.5 до 16.0° C, уровень pH слегка опустился с 8.1 до 7.5, а уровень насыщения кислородом стабильно держался чуть выше 100%.

На рисунке 1 приведены концентрации отдельных соединений для экспериментальных систем. В системе S1 отмечена высокая концентрация аммиачного азота, составившая около 20 мг/л, и растущая концентрация нитратного азота — около 12 мг/л — в конце эксперимента.

Система S2, заполненная рыбой с низкой плотностью посадки, имела очень низкие концентрации аммиачного азота — около 0.05 мг/л и высокие концентрации нитратного азота — около 35 мг/л.

Система S3, заполненная бактериальным раствором, также имела высокий уровень аммиачного азота — около 19 мг/л — и промежуточную концентрацию нитратного азота около 15 мг/л.

Концентрация нитритного азота во всех системах достигла верхнего уровня к концу эксперимента и находилась в диапазоне 0.2-0.4 мг/л.

Обсуждение

Биофильтры запустили при температуре, рекомендованной для выращивания тюрбо. Однако при запуске аэробного биофильтра при таких низких температурах требуется больше времени для достижения стабильных процессов нитрификации.

Нитрификация в системе S1 началась почти сразу после инокуляции, благодаря нитрифицирующим бактериям, ранее размещенным на субстрате. Это стало причиной раннего достижения и относительно низкого пикового уровня нитрита через три недели после инокуляции. Тем не менее, в ходе эксперимента концентрация аммиачного азота постоянно увеличивалась, достигнув пика после 11 недель, после чего снизилась.

Система S2 демонстрировала классические кривые, характерные для начала работы нитрифицирующего биофильтра. Концентрация аммиака достигла пика через несколько недель после запуска системы, затем последовал непродолжительный пиковый уровень нитритов и, наконец, рост концентрации нитратов. Инокуляция S2 завершилась через 10 недель.

Динамика в системе S3 отличалась медленным увеличением концентраций нитритного и нитратного азота, которые оказались значительно ниже, чем в других системах. Нитрифицирующие бактерии в растворе, вероятно, должны были осесть, прежде чем их метаболизм смог эффективно конвертировать аммиачный азот в нитритный или нитратный азот.

Несколько факторов, возможно, увеличили время достижения приемлемых и стабильных процессов нитрификации. Все биофильтры имели подвижную конструкцию ложе. Постоянный барботаж наполнителя вызывал трение, которое стирало бактериальные нарост, таким образом замедляя успешную бактериальную колонизацию. Кроме того, белковые отделители обусловили снижение числа свободных бактерий, которые оседали в системе. Последнее вызвано образованием пены и последующим её удалением из системы.

Перспективы

Запуск новой системы фильтрации требует значительного времени и должен быть организован заблаговременно. Авторы рекомендуют проводить инокуляцию в новые биофильтры, путем размещения культивируемого вида при низкой плотности посадки в течение нескольких недель, особенно обращая внимание на температуру воды. Уменьшение подачи воздуха в биофильтр снизит трение и, тем самым, увеличит скорость оседания нитрифицирующих бактерий. Выключение белкового отделителя во время инокуляции в биофильтр также поможет сохранить высокий уровень бактерий. Но полное отключение может вызвать другие проблемы, например, окрашивание воды. Также может помочь сокращение подачи озона.

Сочетание различных методов инокуляции сократит время, необходимое для достижения стабильных условий. Добавление в систему с низкой биомассой бывшего в употреблении субстрата приведет к немедленному началу нитрификации. Добавление бактериального раствора в систему с ограниченным поголовьем рыбы способствует введению в нее более желательных нитрифицирующих бактерий и, следовательно, ускорит ее работу.
——
Dr. Adrian A. Bischoff. Biofilter Inoculation In Recirculating Aquaculture Systems, global aquaculture advocate, 2015