10.2 Внедрение очистки сточных вод в аквапонике
В аквапонике сточные воды, заряженные твердыми веществами (т.е. осадком), являются ценным источником питательных веществ, и необходимо провести соответствующую очистку. Цели очистки отличаются от обычной очистки сточных вод, поскольку в аквапонике представляют интерес твердые вещества и водосбережение. Кроме того, независимо от используемой очистки сточных вод, ее цель должна заключаться в сокращении количества твердых веществ и в то же время минерализации питательных веществ. Другими словами, цель заключается в получении свободных от твердых частиц сточных вод, но богатых растворимыми питательными веществами (т. е. анионами и катионами), которые могут быть возвращены в водный контур в соединенной установке (рис. 10.1a) или непосредственно в гидропонные пласты в развязанной установке (рис. 10.1b). Твердые вещества рыбного ила состоят в основном из разлагаемого органического вещества, так что твердое восстановление можно назвать органическим сокращением. Действительно, сложные органические молекулы (например, белки, липиды, углеводы и т.д.) в основном состоят из углерода и будут последовательно сокращаться до соединений с более низкой молекулярной массой до тех пор, пока не будут получены конечные газообразные формы COSub2/sub и CHSub4/sub (в случае анаэробной ферментации). В ходе этого процесса деградации макроэлементы (например, N, P, K, Ca, Mg и S) и микроэлементы (например, Fe, Mn, Zn, Cu, B и Mo), связанные с органическими молекулами, выделяются в воду в их ионных формах. Это явление называется выщелачиванием питательных веществ или минерализацией питательных веществ. Можно предположить, что при достижении высокого органического сокращения также будет достигнута высокая минерализация питательных веществ. С одной стороны, шлам содержит часть нерастворенных минералов, а с другой стороны, некоторые макро- и микроэлементы выделяются в процессе минерализации. Они могут быстро оседать вместе и образовывать нерастворимые минералы. Состояние между ионами и осажденными минералами большинства макро- и микроэлементов зависит от рН. Наиболее известными минералами, которые осаждаются в биореакторах, являются фосфат кальция, сульфат кальция, карбонат кальция, пирит и струвит (Peng et al. 2018; Zhang et al. 2016). Конрой и Кутюрье (2010) отметили, что Ca и P были выпущены в анаэробный реактор, когда рН опустился ниже 6. Они показали, что высвобождение точно соответствует минерализации фосфата кальция. Goddek et al. (2018) также наблюдали собилизацию P, Ca и других макроэлементов в восходящем анаэробном иловом реакторе (UASB), который стал кислотным. Jung and Lovitt (2011) сообщили о 90% мобилизации питательных веществ в осадке аквакультуры при очень низком значении pH 4. В этом состоянии все макро- и микроэлементы были растворимы. Таким образом, существует антагонизм между органическим восстановлением и минерализацией питательных веществ. Действительно, органическое восстановление является максимальным, когда микроорганизмы активны для разрушения органических соединений, и это происходит при рН в диапазоне 6—8. Поскольку выщелачивание питательных веществ происходит при pH ниже 6, для оптимального органического восстановления и минерализации питательных веществ наиболее эффективным является разделение процесса на два этапа, т.е. этап органического восстановления при рН, близкий к нейтральному, и этап выщелачивания питательных веществ в кислотных условиях. Насколько нам известно, пока не поступало никаких сообщений об операциях с использованием этого двухэтапного подхода. Это открывает новое поле в очистке сточных вод, и необходимы дополнительные исследования для внедрения в аквапонике.
Рис. 10.1 Схематическая реализация обработки ила в одной контуре аквапонной системе** (a) ** и в развязанной аквапонной системе** (b) **
Выбор корма также важен в этом контексте. В кормах животного происхождения, где основная фракция компонента по-прежнему основана на источниках животного происхождения (например, рыбная мука, костная мука), связанный фосфат, например в виде апатита (полученного из костной муки), легко доступен в кислотных условиях, в то время как растительные корма содержат фитат в качестве основного источника фосфата. Фитат в отличие от, например, апатит требует ферментативной (фитазы) конверсии (Kumar et al. 2012), и поэтому фосфат не так легко доступен.