10.1 Введение

Концепция аквапоники связана с тем, что она является устойчивой производственной системой, поскольку она повторно использует рециркулирующие воды системы аквакультуры (РАС), обогащенные макроэлементами (т.е. азотом (N), фосфором (P), калием (K), кальцием (Ca), магнием (Mg) и серой (S)) и микроэлементами (т.е. железом (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), медь (Cu), бор (B) и молибден (Mo)) для удобрения растений (Graber и Junge 2009; Licamele 2009; Николс и Савидов 2012; Turcios и Papenbrock 2014). Широко обсуждается вопрос о том, может ли эта концепция соответствовать ее собственным амбициям, состоящим в квазизамкнутой системе, поскольку большое количество питательных веществ, поступающих в систему, расходуется впустую в результате сброса насыщенного питательными веществами рыбного ила (Endut et al. 2010; Naylor et al. 1999; Neto and Ostrensky 2013). Действительно, для поддержания хорошего качества воды в системах RAS и аквапоники вода должна постоянно фильтруться для удаления твердых частиц. Двумя основными методами фильтрации твердых частиц являются сохранение частиц в сетке (т.е. фильтрация сетки в качестве барабанных фильтров), а также выделение частиц в осветлители. На большинстве обычных установок шлам извлекается из этих механических фильтрующих устройств и сбрасывается как сточные воды. В лучшем случае осадк высушивается и применяется в качестве удобрения на земельных полях (Brod et al. 2017). Следует отметить, что до 50% (в сухом веществе) потребляемого корма выводится рыбой в виде твердых веществ (Chen et al. 1997), и большинство питательных веществ, попадающих в аквапонные системы через корм рыб, накапливаются в этих твердых телах и так далее в осадке (Neto and Ostrensky 2013; Schneider et al. 2005). Таким образом, эффективная фильтрация твердых частиц удаляет, например, более 80% ценных P (Monsees et al. 2017), которые в противном случае могли бы быть использованы для производства растений. Поэтому рециркуляция этих ценных питательных веществ для применения в аквапонике имеет большое значение. Разработка соответствующей очистки осадка, способной минерализовать питательные вещества, содержащиеся в осадке, для повторного использования их в гидропонной установке, представляется необходимым процессом, способствующим более тесному закрытию цикла питательных веществ и, таким образом, снижению воздействия аквапонных систем на окружающую среду (Goddek et al. 2015; Годдек и Кисман 2018; Годдек и Кёрнер 2019).

В экспериментальных исследованиях показано, что дополнение аквапонного питательного раствора (т.е. после добавления недостающих питательных веществ) способствует росту растений по сравнению с гидропоникой (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). Таким образом, минерализация осадка также является перспективным способом улучшения работы аквапонной системы, поскольку извлеченные питательные вещества используются в дополнение к аквапоническому раствору. Кроме того, установки минерализации на месте также могут повысить самообеспеченность аквапонных объектов, особенно в отношении конечных ресурсов, как P, что имеет важное значение для роста растений. P добывается в результате горнодобывающей деятельности, в результате чего месторождения распределяются неравномерно по всему миру. Кроме того, его цена за последнее десятилетие выросла на 800% (McGill 2012). Таким образом, установки минерализации, применяемые в аквапонных системах, также могут повысить ее будущий экономический успех и стабильность.

К обработке осадка в аквапонике необходимо подходить иначе, чем в прошлом. Действительно, при обычной очистке сточных вод основная цель заключается в получении очищенных и чистых сточных вод. Эффективность очистки выражается в виде удаления загрязняющих веществ (например, твердых веществ, азота (N), фосфора (P) и т.д.) из сточных вод и количественной оценки сточных вод с учетом достигнутого качества (Techobanoglous et al. 2014). Используя этот традиционный подход, несколько исследований дали количественные доказательства того, что устойчивая доля химической потребности в кислороде (ХПК) и общего количества взвешенных твердых веществ (ТСС) может быть удалена путем переваривания сточных вод RAS в аэробных, анаэробных и последовательных аэробных - анаэробных условиях (Goddek et al. 2018; Чоудхури и др. 2010; Мирзоян и др. 2010; Ван Рейн 2013). Однако в аквапонных системах сточные воды из рыбы считаются ценным источником удобрений. В рамках подхода, основанного на замкнутом цикле, необходимо свести к минимуму объем сброса твердых частиц (т.е. максимизировать органическое восстановление), а содержание питательных веществ в сточных водах должно быть максимальным (т.е. максимизировать минерализацию питательных веществ). Поэтому эффективность очистки сточных вод в аквапонике больше не должна выражаться с точки зрения удаления загрязняющих веществ, а с точки зрения снижения загрязнений и минерализации питательных веществ.

Несколько исследований продемонстрировали функциональную способность переваривания рыбного ила с помощью аэробной и анаэробной обработки для целей органического восстановления (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). При анаэробной обработке в биореакторе могут быть достигнуты показатели сокращения выбросов с высоким содержанием сухого вещества (например, выше 90%), в то время как метан также может быть получен (van Lier et al. 2008; Mirzoyan and Gross 2013; Yogev et al. 2016).

Аэробная обработка осадка также является очень эффективным способом уменьшения органического вещества, которое окисляется до COSub2/sub во время дыхания (см. экв. 10.1). Например, показатели сокращения выбросов в размере 90% (здесь определяются как взвешенные твердые вещества, сокращение ХПК и БПК) были получены от объекта по рекуперации водных ресурсов (Seo et al. 2017). Аэробные процессы протекают быстрее, чем анаэробные, но они могут быть более дорогостоящими (Chen et al. 1997), поскольку постоянная аэрация смеси ила и воды требует энергоемких насосов или двигателей. Кроме того, значительные фракции питательных веществ преобразуются в микробную биомассу и не остаются растворенными в воде.

Хотя эти исследования показали потенциал органического восстановления рыбного ила, лишь несколько авторов рассмотрели вопрос о высвобождении конкретных питательных веществ (например, N и P) из рыбного ила. Большинство из этих исследований были для коротких лабораторных экспериментов in vitro (Конрой и Кутюрье 2010; Monseees et al. 2017; Stewart et al. 2006) и из действующих РАС (Yogev et al. 2016), а не аквапонной установки. Хотя в определенной степени обсуждаются в теории (Goddek et al. 2016; Yogev et al. 2017), исследование должно начаться сейчас для систематического изучения эффективности органического восстановления и минерализации питательных веществ рыбного ила как для аэробных, так и анаэробных реакторов и его влияния на состав воды и растения рост. Таким образом, эта глава призвана дать обзор различных методов обработки рыбного ила, которые могут быть интегрированы в аквапонные установки для достижения органического восстановления и минерализации питательных веществ. Будут выделены некоторые подходы к проектированию. Будет обсужден подход к балансу массы питательных веществ в контексте обработки аквапонных шламов и разработана конкретная методология количественной оценки эффективности обработки осадка.