Бактериальные и вирусные инфекции создают различные проблемы в аквакультуре полуинтенсивного и интенсивного типов. Использование поверхностных вод в проточных системах открывает ворота для патогенных микроорганизмов рыб. Эта проблема ведет к большим потерям в аквакультуре и ограничивает прогресс в коммерческом культивировании новых гидробионтов. Некоторые операции требуют дезинфекции перед сбросом вод в окружающую среду. Серьезной проблемой является надежный контроль присутствия патогенов в поступающей воде. Дезинфекция озонированием или УФ-излучение выступают двумя, распространенными в аквакультуре, методами. Важно провести различия между дезинфекцией поступающей свежей водой (низкая органическая нагрузка) и сточными водами из УЗВ. Озонирование и УФ-излучение также применяют в области обработки живого корма, коловраток в морских продукционных системах, и поверхностной дезинфекции икры рыб.

Озонирование и качество воды

Озон применяют для улучшения качества воды в ультраинтенсивных системах. Этот газ делает воду чистой, не прибегая к высоким водным подменам, а также снижает проблему заболеваемости рыб. Он нашел широкое применение в аквакультуре, потому что имеет высокую скорость реагирования, образует мало токсичных побочных продуктов в пресной воде, в качестве конечного продукта образует кислород.

Преимущества:

— Высокая скорость реагирования

— Растворенный озон имеет время полужизни 0-15 секунд

— Конечным продуктом разложения озона является кислород

Недостатки:

— Озон опасен для человека и рыб.

Озон чрезвычайно реактивный окислитель и очень эффективное бактерицидное и противовирусное средство. За счет микрофлокуляции, т.е. повышения осаждения мелких частиц в фильтре, и окислении крупных органических частиц, нитрита и красящих соединений (обесцвечивает воду) этот газ улучшает качество воды.

Озон участвует в процессах фильтрации воды

— Непосредственно переводит нитрит (NO₂-) в нитрат (NO₃-).

— Помогает обесцветить воду и удалить растворенные органические вещества.

— Разрушает органическую материю на более мелкие частицы, подверженные биологическому разложению.

— Помогает путем микрофлокуляции удалить растворенные и мелкие неорганические частицы.

— Участвует в осаждении растворенных органических молекул.

Дезинфекция

Озон способен уничтожить микроорганизмы, но необходима достаточная концентрация растворенного озона и время его контакта. Может потребоваться остаточная концентрация 0.1-2.0 мг/л и время удержания в контактной камере 1-30 минут. В коммерческих системах культивирования сложно поддерживать остаточную концентрацию выше 1 мг/л, а концентрация более 2 мг/л – недопустима.

Микроорганизм	C*t, mg*min/L
ISAV (вирус инфекционной анемии лососевых)	0.3
Aeromonas salmonicida	1.6
Yersinia ruckeri	0.45-0.6
Flavobacterium sp	2.8
Flexibacter sp	1.6
Streptococcus sp	0.015
Vibrio salmonicidia	0.45-0.6

Обычно бактерии и вирусы Лососевых восприимчивы к остаточному озону в воде. «Доза-реакция» патогенов точно оценена в химически чистой воде (дистиллят, неорганический буфер). Более 99.9% из них инактивируется при 0.01-0.1 мг/л остаточной концентрации озона. В экспериментальных ваннах с природной водой остаточная концентрация озона быстро снижается, что усложняет точную оценку «дозы-реакции» болезнетворных организмов. Как эмпирическое правило, более высокие остаточные концентрации, 0.1-0.2 мг/л в природной морской, солоноватой, пресной водах и 0.3-0.4 мг/л в стоке рыбоводных ферм, необходимы для надежного обеззараживания.

Поддержание остаточной концентрации озона

Иногда, вследствие взаимодействия озона с веществами в воде, сложно сохранять его остаточную концентрацию в течение времени контакта. В рециркуляционной системе время полужизни этого газа в растворенном состоянии только секунда.

Потребление озона относительно чистыми поверхностными водами составляет 2-10 мг/л. Без учета этого потребления озон продолжает расходоваться на окисление микроорганизмов. Последнее зависит от типа организма, водоподготовки и отмывки, плотности микроорганизмов в обрабатываемом объеме. В природных водах и в воде УЗВ озон также тратится на окисление органики и других веществ.

Введение 0.025 кг O₃ на 1 кг корма улучшает качество воды и возможности микросетчатого фильтра, снижает смертность от бактериальной инфекции жабр, снижает необходимость химической обработки для лечения бактериальной инфекции, не снижает количество бактерий даже до 1 log10.

В дозе 0.036-0.039 кг O₃ на 1 кг корма имеет такую же эффективность, что и более низкие концентрации. Скорее убьет рыбу.

Согласно Управлению рыбоводства и дикой природы Национального рыбного хозяйства в Ламаре (Пенсильвания), необходимо поддерживать концентрацию озона 2-4 мг/л для получения остаточной концентрации 0.2 мг/л после 10 минут. Cryer (1992) докладывал об аналогичной дозе в экспериментах с поверхностными водами на лососевой ферме. Хотя все тесты воды в Ламаре показали её высокое качество и низкое содержание окисляемых органических веществ, железа и марганца, время полужизни озона составляло всего несколько минут. Для сравнения, время его полужизни в чистой воде при 20°C составляет 165 минут.

Согласно Brazil (1996), наилучшее качество воды достигают использованием 0.025-0.045 кг O₃ на 1 кг корма. При этом, 0.013 кг O₃ на 1 кг корма достаточно для максимизации роста рыбы.

В воде УЗВ, с высоким содержанием органики и нитрита, время полужизни озона мало, менее 15 секунд. Это затрудняет поддержание остаточной концентрации, сложно добиться дозы, достаточной для уничтожения микроорганизмов. Чаще всего в рециркуляционной системе озон применяют в дозах, которые улучшают качество воды. Это также снижает возможность заражения рыб, исключает стрессорные факторы. Экспериментальные данные и результаты работы коммерческих систем УЗВ показывают, что улучшение качества и здоровья рыб возможно при введении 13-24 г O₃ на каждый 1 килограмм корма.

Влияние O₃ на качество поступающей в систему воды

	TSS (мг/л)	COD (мг/л)	DOC (мг/л)	Цвет (Pt-Co)
Контроль	6.3±1.1	44±4	7.1±0.4	17.7±1.2
Эксперимент 1	4.0±0.6	26±2	—	5.3±0.9
Эксперимент 2	2.9±0.6	26±6	6.3±0.3	2.9±0.4
Эксперимент 3	5.6±0.5	37±2	6.0±0.3	2.1±0.5
Эксперимент 4	3.1±0.3	24±2	5.5±0.2	2.1±0.4

Озон и работа микросетчатого фильтра

Удаление твердых частиц в отсутствии озонирования составляло 24% от количества вносимого корма. В присутствии озонирования это значение достигло 33%. Общее количество образующихся твердых частиц составило 40% от количества вносимого корма. Позитивные эффекты введения озона обусловлены осаждением растворенных частиц и микро флокуляцией тонкодисперсных частиц.

Озонирование улучшает удаление тонкодисперсных частиц скорее за счет изменения их размера, а не отделения частиц от воды. Как нестабильный реактивный газ, он разделяет крупные частицы на более мелкий биологически разлагаемый материал, который легко утилизируют гетеротрофные бактерии. С другой стороны, озон полимеризует метастабильные органические вещества, что ведет к их осаждению, связыванию и абсорбции. Иногда озон вводят для обесцвечивания и повышения прозрачности воды. Механизм действия этого газа сложен и не изучен полностью. В различных системах УЗВ он действует по-разному. Существуют опасения, что даже небольшие остаточные дозы газа вызывают слипание жабр и гибель рыб.

Озонирование повышает эффективность работы микросетчатого фильтра:

1. Удаление TSS на 33%
2. Длительность промывки фильтра снижается на 35%
3. Образование сточной воды снижается на 53%

Кроме того, улучшается фильтрация через пеноотделительные колонны, отстойники.

Озон и аммоний

В пресноводной системе вплоть до значений pH более 9 озон не окисляет значительное количество NH₃ в NO₃. В морской системе (где много бромидов) озон реагирует с бромидами с образованием бромноватистой кислоты и реагирует с аммонием с образованием газообразного азота. При этом происходит выделение ионов H⁺, которые снижают значение pH.

O₃ + Br^— + H⁺ -> HOBr + O₂

3HOBr + 2NH₃ -> N2 + 3Br^— + 3H⁺ + 3H₂O

HCO₃^— + 2H⁺ -> CO₂ + H₂O

Озон стехиометрически окисляет нитрит до нитрата.

	NO2-N поступление (мг/л)	NO2-N захват (кг/день)
Контроль	0.28±0.01	0.76±0.02
Эксперимент 1	0.13±0.01	0.65±0.02
Эксперимент 2	0.15±0.01	0.51±0.02
Эксперимент 3	0.11±0.01	0.47±0.02
Эксперимент 4	0.10±0.01	0.41±0.02

Таким образом, он инициирует цепочку последствий: снижает концентрацию нитрита в воде, снижает нагрузку нитрита на биофильтр, вызывает снижение нитрифицирующих бактерий в фильтре, снижает общую способность биофильтра окислять нитрит. В этих условиях, если прекратить озонирование, биофильтр не справится с общим объемом нитрита, произойдет резкое возрастание его концентрации, ухудшится здоровье рыб. Потребуется несколько недель для адаптации биофильтра к новым условиям без подпиток озоном.

Генераторы озона

Источником энергии для генерации озона являются:

1. Высоковольтный коронный разряд
2. УФ-излучение с длиной волны <200нм. Требует в 6-30 раз больше энергии, чем коронный разряд.
3. Химические процессы
4. Электролитические процессы

Озон необходимо генерировать на месте. Наиболее эффективным методом является коронный разряд, который подразумевает прохождение кислорода, воздуха, через просвет между электродами, находящимися под высоким напряжением. Когда газ подвергается действию электрического тока двух параллельно расположенных электродов, из кислорода образуется озон. Согласно Masschelein (1998), эффективность генерации зависит от состава, чистоты, давлении газа, влажности, эффективности охлаждения и конструкции диэлектрика, характеристик тока, объемов производимого озона. Чтобы диэлектрик не портился, поступающая в озонатор газовая смесь должна быть сухой, без твердых частиц и масляных аэрозолей, содержать менее 15 мг/л углеводородов.

Генерация требует в 2-3 раза меньше энергии, если протекает с вовлечением чистого кислорода, а не воздуха. Кроме того, некоторые озонаторы требуют немного азота в кислородной смеси (>0.5%) для наилучшей эффективности.

Операционные затраты. Генератор на коронном разряде – 10 кВт/кг O₃. Увеличивает стоимость кислорода на 17-35%.

Капитальные затраты. Стоимость генераторов озона, работающих на месте, выше, чем генераторов кислорода. Экономия больше при масштабном производстве.

Очищенный кислород уже использовался для максимизации биомассы в аквакультуре. Генераторы на коронном разряде, работающие с чистым кислородом, потребляют 10 кВт электричества для производства 1 кг озона. Однако производство озона из воздуха имеет в 2-3 раза меньшую эффективность. С использованием чистого кислорода генератор производит 10-15% (по массе) концентрацию озона, что вдвое больше, чем при использовании обычного воздуха. Относительно более высокая концентрация генерируемого озона снизит общее потребление кислорода на генерацию. Отсюда, более энергетически выгодно производить 10-15% озон, чем 4-6% из воздушной смеси.

Перенос озона

Предполагаем, что перенос кислорода осуществляется эффективно в системе. Озон образуется из воздуха или кислорода и вместе с кислородом переносится по системе для дезинфекции. Поток озона выполняется с вовлечением тех же магистралей, что и для кислорода. Эффективный перенос озона важен, потому что затраты на его производство велики, особенно, если он получен из чистого кислорода.

Степень переноса и разложения озона зависит от эффективности контакта с окисляемыми объектами. Также она зависит от концентрации окисляемых объектов. Быстрая реакция окисления неорганических и органических веществ сохранит низкую равновесную концентрацию озона в жидкости и повысит степень его переноса. Движущая сила переноса этого газа максимальная, когда он абсорбируется и быстро потребляется в реакциях окисления загрязнений. Фактически, когда озон реагирует очень быстро, он разлагается ещё в газовой фазе и в молекулярной форме не обнаруживается в воде.

Если в УЗВ уже присутствует подача чистого кислорода, для озонирования потребуется установить генератор и систему контроля концентрации.

Введение озона в низконапорный оксигенатор имеет преимущество, так как источник кислорода и узел переноса для поддержания его необходимой концентрации уже установлены. Если вы вводите озон на различных участках УЗВ, потребуется другой источник кислорода новая магистраль.

Введение озона в низконапорный оксигенатор (LHO) перед культуральным бассейном позволяет флоккулировать некоторую часть окисленных органических соединений, которые пришли из бассейна. Озон окисляет поверхность органических молекул, что делает их липкими, и происходит   флокуляция.

Эффективность переноса озона достигает 100% в хорошем узле переноса кислорода, потому что растворимость озона в 13 выше, чем кислорода. Время нахождения озона в LHO может достигать 45 минут. Нитрит и TOC (общий органический углерод) быстро реагируют с озоном.

Узел для переноса озона с непрерывной жидкой фазой, т.е. газ в виде пузырьков вводят в жидкость (U-трубы, конусы, аспираторы, распылители, погружаемые миксеры), обеспечивает перенос газа и некоторое время для реагирования. Узел переноса с непрерывной газовой фазой, т.е. жидкость попадает на поверхность газовой фазы (колоны для дегазации, многоуровневый низконапорный оксигенатор), обеспечивает эффективный перенос, но очень короткое время реагирования. Лучше всего узел с непрерывной газовой фазой подходит для ситуаций, когда обычно требуют переноса максимального количества озона за короткое время. С другой стороны, узел с непрерывной жидкой фазой выбирают для ситуаций, когда скорость реакции ограничена и в течение определенного времени должна сохраняться остаточная концентрация озона.

Перенос озона в узле с непрерывной газовой фазой не так распространен как в узле с непрерывной жидкой фазой. В первом случае, обычно применяют ряды упакованных колон для дегазации. Однако такой узел предназначен для эффективного переноса озона внутри относительно маленького сосуда. Эффективность переноса в низконапорном оксигенаторе составила 100% в УЗВ института Пресных вод. Такое высокое значение отмечено потому, что озон в 13 раз лучше растворяется в воде, чем кислород. LHO оксигенатор был разделен на 8 независимых отсеков, время нахождения озона в них достигало 45 минут. Нитрит, растворенные и взвешенные органические соединения быстро реагировали с ним.

Наиболее распространенным является узел переноса озона с непрерывной жидкой фазой. Распылители пузырьков в упакованных колонах имеют эффективность переноса озона в жидкой фазе 85%. Эта конструкция особенно полезна в ситуациях, например, при дезинфекции, когда скорость реакции ограничена, и должна сохраниться остаточная концентрация озона. Конусы и u-трубы также используются для быстрого переноса кислорода/озона, где, в первую очередь, необходимо окислить нитрит и органические вещества, а не провести дезинфекцию.

Озон уничтожает микроорганизмы, но для этого требуется сохранять в течение определенного времени его остаточную концентрацию. Эффективность дезинфекции является результирующей времени контакта и остаточной концентрации газа. Контактная емкость обеспечивает время, достаточное для реагирования озона с патогенными микроорганизмами. В зависимости от микроорганизма мишени, дезинфекция может потребовать остаточной концентрации 0.1-2.0 мг/л в проточной контактной камере в течение 1-30 минут. Очень сложно поддерживать остаточную концентрацию более 1 мг/л в коммерческих УЗВ, и практически невозможно 2мг/л.

Удаление растворенного озона

Обеспечьте длительное время контакта, а затем удалите озон. Для выведения озона в атмосферу проведите аэрацию воды (G:L – 10:1 до 20:1). Облучайте воду ультрафиолетом с длиной волны 250-260 нм (60-120 мВт*сек/см2 на каждые 0.5 мг/л O₃). Также поможет обработка воды перекисью водорода и пропускание через фильтр с активированным углем или биофильтр.

Важно добиться достаточной для дезинфекции остаточной концентрации озона, который затем исчезнет до поступления воды к культивируемому виду. Этот газ может быть смертелен для рыб в концентрации менее 0.01 мг/л, но действительная летальная доза зависит от вида гидробионта и стадии жизненного цикла. Поэтому узлы выведения озона необходимы. Во многих случаях, для этих целей достаточно пропускать воду через бассейн буфер, где она задерживается и утрачивает остаточный озон. Иногда прибегают к небольшим дозам редуцирующих агентов, тиосульфата натрия, который окисляется озоном. Растворенный озон также распыляют в воздух пропусканием через упакованные колоны для дегазации. Этот способ способствует насыщению воды кислородом до уровня сверхнасыщения, что может быть полезно или вредно.

Подробнее о мониторинге и контроле дозировок озона в УЗВ можно ознакомиться в статье.

——

Ozonation and UV Disinfection. Steven Summerfelt & Brian Vinci Freshwater Institute, Shepherdstown, WV