Характеристика гидробионта, хронология эксперимента, система культивирования и описание гидроциклона.

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.

2.1. Происхождение и характеристика рыб, использованных в работе

В качестве испытуемого вида выбран Европейский морской окунь (Dicentrarchus labrax L.). Его аквакультура, особенно, в Европе имеет важное значение. Изначально, раба прибыла из хозяйства на севере Франции (Ecloserie Marine de Gravelines, бассейн 1; n1 = 206; средняя масса 4.7 г; бассейн 2; n2 = 206; средняя масса 4.5 г).

2.1.1. Хронология экспериментов и соответствующие события, связанные с исследованием

В таблице 3 приведено резюме выполненных экспериментов и важных событий в хронологическом порядке. Текст, таблицы и рисунки всегда связаны с днями от начала (т.е. t142). Таблица 3 также демонстрирует данные каждого события.

2.2. Система с рециркуляцией воды (RAS)

Эксперименты проведены в замкнутой морской системе с рециркуляцией (RAS), установленной в Институте морских наук Лейбница в Киле (IFM-GEOMAR, Германия) (Рисунок 2). Система разработана в сотрудничестве с компанией Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH (Uetze-Eltze, Германия), следуя исходному прототипу (Waller et al., 2001). Этот модифицированный прототип включал различную конфигурацию системы и рабочие комбинации компонентов, использованные ранее, с некоторыми техническими улучшениями. Экспериментальная RAS изначально состояла из двух бассейнов с рыбой и узлов обработки воды. Обработка воды происходила в ходе: работы гидроциклона, озон улучшал пенное фракционирование, биофильтрации (преимущественно, нитрификация). Система имела объем 3.34 м3 (таблица 2). Тестовый запуск провели в середине июня 2001 года. Следующие две недели система работала с целью проверки отдельных компонентов и позволяла биофильтру нарастить необходимую бактериальную биомассу для протекания гетеротрофных и нитрифицирующих процессов.

Изначально, её наполняли морской водой из RAS «Baltic Sea» (16 psu), расположенной при институте. Туже воду использовали для восполнения потерь (испарение, взятие образцов). Соленость постепенно увеличивали до 23 psu (t99), смешивая морскую воду из RAS «Baltic Sea» (16 psu) и воду из RAS «North Sea» (32 psu) при институте.

На рисунке 3 схематично изображена RAS. Стрелками показаны потоки (вода, воздух, озон, CaO (Ca(OH)2), сброс воды). Систему построили как энергетически низко затратную. Для минимизации затрат энергии и тепла от вовлечения традиционных насосов использовали гравитацию и аэролифтные силы.

Таблица 2. Объем воды (м3) каждого компонента морской системы с рециркуляцией (RAS)

Компоненты	Объем (м3)
Бассейн с рыбой, каждый 1.23 м3	2.46
Гидроциклон	0.24
Биологический фильтр	0.24
Пенноотделительная колонка	0.30
Трубы	0.10
Общий объем	3.34

Таблица 3. Время всех важных событий эксперимента. События представлены как дни от начала (tn). Дополнительная информация детализирует каждое событие от t0 до t902 периода эксперимента

Дата	Дни	Событие	Информация
12.07.2001	t0	— определение исходной массы; -взятие образцов воды для твердых загрязнений: субобразцы каждые 14 дней; — определение биомассы: субобразцы каждые 14 дней	Анестетик MS-222, 35 мг/л
18.10.2001	t98	— определение биомассы	Анестетик MS-222, 35 мг/л
29.11.2001	t140	— определение биомассы; — окончание ежедневного взятия образцов воды для определения растворенных нутриентов	Анестетик MS-222, 35 мг/л
01.12.2001	t142	— воздушные диффузоры в каждом бассейне
05.02.2002	t208	— ручное дозирование CaO	200 г/день
22.02.2002	t225	— увеличение дозы анестетика	Анестетик MS-222, 45 мг/л
28.02.2002	t231	— автоматическое дозирование CaO	Мембранный насос, 200 г/день; контроль pH
08.03.2002	t239	— установка дополнительного биофильтра	По-одному в каждый бассейн
02.05.2002	t294	— смена анестетика на бензокаин	Анестетик бензокаин 45 мг/л
30.05.2002	t322	— сортировка рыбы в бессейне 2	>250 г
05.06.2002	t328	— сортировка рыбы в бессейне 1	<250 г
01.07.2002	t354	— повышение количетва CaO	300 г/день
22.07.2002	t375	— определение биомассы; — увеличение дозы анестетика	Анестетик бензокаин 50 мг/л
13.09.2002	t428	— окончание взятия образцов воды каждые 3 дня для определения растворенных нутриентов
17.09.2002	t432	— установка второго типа биофильтра (подвижным слоем)	Капельный биофильтр удален из бассейнов с рыбой
19.09.2002	t434	— окончание взятия образцов для определения роста и твердых загрязнений
22.09.2002	t435	— сортировка рыбы в обоих бассейнах	Бассейн 1 <300г; бассейн 2 >300г
26.09.2002	t441	— взятие образцов для определения пищевой ценности рыбы и оценки сенсорных функций	Анализ качества рыбы
10.10.2002	t455-465	— взятие образцов для бактериологического анализа	Подсчет числа всех бактерий и КОЕ
21.10.2002	t466-562	— взятие образцов для определения распределения частиц по размеру	Гидроциклон и пеноотделительная колонка
11.05.2003	t668-679	— взятие образцов для определения растворенных нутриентов и твердых частиц; — определение распределения частиц по размеру	с озоном
29.05.2003	t686-690	— взятие образцов для определения растворенных нутриентов и твердых частиц; — определение распределения частиц по размеру	без озона
05.06.2003	t693	— дозирование CaO шланговым насосом
24.06.2003	t712	— установка обратной промывки воздухом в биофильтр
31.12.2003	t902	— окончание работы УЗВ

Таблица 4. Подписи как на рисунке 3

1. Культуральные бассейны	10. Водяной насос для внутренней промывки от пены
2. Гидроциклон	12. Генератор озона
3. Аэролифт	13. Воздушный расходомер
4. Биофильтр (нитрификация)	14. Копрессор
5. Пеноотделительная колонка	15. Подводный насос для циркуляции внутри бассейна
6. Емкость сбора пены	16. Керамический распылитель
7. pH -ORP датчик	17. CaO дозирующая система
8. Расходомер воды	18. CaO канистра с внутренней циркуляцией
9. Водяной насос для датчика pH -ORP	19. CaO дозирующий насос
11. Водяной насос для внешней промывки от пены

Вода циркулирует следующим образом: Вода проходит к квадратному (450х450), пирамидному, конусовидному (угол 30°) дну бассейнов, через ПВХ-трубы (диаметр 75 мм) в гидроциклон. Из гидроциклона она разделяется и движется по двум трубам. Одна (75 мм диаметр) направляется к пеноотделительной колонке, а другая (75 мм диаметр) к аэролифту (1.35 м высота, 90 мм диаметр). Аэролифт нагнетает воду в биофильтр. Внутри пеноотделительной колонки вода движется вверх под действием внутреннего аэрлифта. Выходящая из биофильтра труба (63 мм диаметр) и выходящая из пеноотделительной колонки труба (75 мм диаметр) соединяется в одну трубу, которая возвращается в бассейны с рыбой. Водный поток изначально имеет скорость 3.5±0.2 м3/час.

Вода от гидроциклона в биофильтр и в пеноотделительную колонку проходит параллельно. Поэтому в пеноотделительную колонку можно вводить больше озона. В предварительном прототипе вода текла из бассейнов в гидроциклон, затем в пеноотделительную колонку и затем в биофильтр. Предполагается, что излишки озона опасны для нитрифицирующих бактерий в биофильтре. Новая конфигурация с двумя компонентами (биофильтр и пеноотделительная колонка), расположенными параллельно призвана улучшить условия содержания рыбы.

2.2.1. Гидроциклон: первый этап разделения взвешенных частиц

Первый этап обработки воды проходит в гидроциклоне. Гидроциклон имеет цилиндрическую форму и коническое дно (Veerapen et al., 2002). Вода, взвесь частиц (фекалии, несъеденный корм, бактериальные пленки) из бассейнов поступают в гидроциклон тангенциально и увлекаются в спиральный поток, который ведет к возникновению циркулярного движения. Гравитационные и гидродинамические силы притяжения работают совместно. Частицы, которые попадают в гидроциклон, направляются вверх к выходу из камеры. По пути наверх, крупные частицы теряют скорость, выпадают из спирального потока и мигрируют к центру камеры, где скорость ниже. Вследствие высокой массы, частицы в центре камеры оседают. Оставшаяся фракция, включающая воду и мелкие частицы, покидая камеру через верх (Рисунок 5a). Гидроциклон занимает гораздо меньше пространства, чем другие традиционные отстойники или бассейны в пресноводных и морских системах. Коническое дно сепаратора позволяет отделять твердые загрязнения путем открытия шарового крана в основании цилиндрического резервуара (Рисунок 5b).

Scott и Allard (1983, 1984) описали и использовали два параллельно установленные гидроциклона префильтра для удаления тяжелых органических частиц, фекалий, несъеденного корма и другого осаждаемого материала. Хотя это устройство показало хорошие результаты при удалении твердых частиц, оно не нашло отражения в литературных обзорах. Последние обычно посвящены традиционным барабанным фильтрам.

Langer et al. (1996) показали высокую степень загрязнения барабанного фильтра и частичный распад крупных частиц на более мелкие. Обычно не рассматриваются затраты энергии и расход воды на обратную промывку барабанного фильтра. В данном исследовании использование гидроциклона рассматривали как подходящее и инновационное, в совокупности с другими способами обработки.