10.3 Аэробические процедуры

Аэробная обработка усиливает окисление ила, поддерживая его контакт с кислородом. В этом случае окисление органического вещества вызвано главным образом дыханием гетеротрофных микроорганизмов. COSub2/sub, конечный продукт дыхания, высвобождается, как показано в экв. (10.1).

$C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +энергия $ (10.1)

Этот процесс в аэробных реакторах достигается главным образом путем впрыска воздуха в смесь ила и воды с воздуходувками, соединенными с диффузорами и пропеллерами. Впрыск воздуха также обеспечивает правильное смешивание осадка.

Во время этого окислительного процесса выделяются макро- и микроэлементы, связанные с органическим веществом. Этот процесс называется аэробной минерализацией. Таким образом, дополнительные питательные вещества могут быть рециркулированы в процессе минерализации, в то время как некоторые питательные вещества, например натрий и хлорид, могут также превышать пороговый уровень для гидропонного применения и должны подвергаться тщательному контролю перед применением (Rakocy et al. 2007). Аэробная минерализация органического вещества, полученного из установки удаления твердых частиц (например, осветлителя или барабанного фильтра) в RAS, представляет собой простой способ переработки питательных веществ для последующего применения в аквапонике.

Кроме того, в процессе аэробного сбраживания рН падает и способствует минерализации связанных минералов, попавших в шлам. Например, Monsees et al. (2017) показали, что P высвобождается из шлама RAS из-за такого сдвига рН. Это снижение pH обусловлено главным образом дыханием и в меньшей степени, вероятно, нитрификацией.

Благодаря постоянному снабжению кислородом через аэрацию камеры минерализации и обилию органического вещества, гетеротрофные микроорганизмы находят идеальные условия для роста. Это приводит к увеличению дыхания и высвобождению COSub2/Sub, который растворяется в воде. COSub2/sub образует углеродную кислоту, которая диссоциирует и тем самым снижает рН технологической воды, как показано в следующем уравнении:

$CO_ {2 (г)} +2\ H_2O\ rarr H_3O^++ {HCO_3} ^- (10.2)

Сточные воды, полученные в результате RAS, часто содержат NHSub4/Subsup+/SUP и, кроме того, характеризуются нейтральным рН около 7, поскольку рН в RAS необходимо поддерживать на этом уровне, чтобы обеспечить оптимальное микробное преобразование NHSub4/Subsup+/SUP в NOSub3/sub в биофильтре (т.е. нитрификация). Процесс нитрификации может способствовать снижению pH в аэробных реакторах на начальном этапе путем выделения протонов в технологическую воду, как это видно из следующего уравнения:

$ {NH_4} ^+ 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ H^++H_2O+энергия $ (10.3)

Это, по крайней мере, относится к начальной фазе, где уровень pH все еще превышает 6. При pH ≤ 6 нитрификация может значительно замедлиться или даже прекратиться (Ebeling et al. 2006). Однако это не представляет проблемы для блока минерализации.

Общее снижение pH в агрегате аэробной минерализации в ходе текущего процесса является основным фактором выделения питательных веществ, присутствующих в виде осажденных минералов в виде фосфатов кальция. Monseees et al. (2017) отметили, что около 50% фосфата в осадке является растворимым в кислоте, полученным из Tilapia RAS, где применялся стандартный корм, содержащий рыбную муку. Здесь около 80% фосфата в РАС было потеряно в результате очистки декантера и выброса смеси шлам-вода. Учитывая этот факт, большой потенциал агрегатов минерализации для аквапонных применений становится очевидным.

Преимущества аэробной минерализации заключаются в низком техническом обслуживании без необходимости в квалифицированном персонале и без последующей реоксигенации. Обогащенная вода может быть использована непосредственно для удобрения растений, в идеале управляемой онлайновой системой для адекватной подготовки питательного раствора. Недостатком по сравнению с анаэробной минерализацией является то, что метан не производится (Chen et al. 1997) и, как уже упоминалось, более высокий спрос на энергию в связи с необходимостью постоянной аэрации.

10.3.1 Блоки аэробной минерализации

Рис. 10.2 Схематический пример установки аэробной минерализации, работающей в пакетном режиме. Камера минерализации (коричневая) отделяется от выпускной камеры (синяя) ситовой пластинкой, которая покрывается твердой крышкой во время процесса минерализации (сильная аэрация) для предотвращения засорения и образования мелких частиц. Органически богатая вода из осветлителя или барабанного фильтра поступает в блок минерализации через входное отверстие. После завершения цикла минерализации богатая питательными веществами вода выходит из блока минерализации через выход и либо непосредственно передается на гидропонный блок, либо хранится в резервуаре для хранения до тех пор, пока это необходимо

Пример конструкции агрегата аэробной минерализации представлен на рис. 10.2. Впускное отверстие соединяется с блоком удаления твердых частиц с помощью клапана, что позволяет разрывную заправку камеры минерализации смесью ила и воды. Камера минерализации аэрируется сжатым воздухом, чтобы способствовать дыханию гетеротрофных бактерий и поддерживать как можно более минимальные процессы анаэробной денитрификации. Чтобы предотвратить выход органического материала из камеры минерализации, в качестве барьера может служить ситовая пластина. В идеале во время процесса минерализации (во время аэрации) следует использовать вторую, непроницаемую крышку. Это должно предотвратить засорение пластины сита, так как во время интенсивной аэрации органический материал будет постоянно перемещаться против ситовой пластины. Перед переносом богатой питательными веществами воды из камеры минерализации в гидропонный блок аэрация прекращается, чтобы частицы могли оседать. Затем крышка удаляется, и обогащенная питательными веществами вода может проходить через решетовую пластину и покидать камеру минерализации через выход, как показано на рис. 10.2. Наконец, крышка пластины снова вставляется на место, камера минерализации пополняется смесью ила и воды, производной RAS, и процесс минерализации начинается снова (т.е. процесс партии).

Блок минерализации должен иметь по крайней мере в два раза больше осветлителя, чтобы обеспечить непрерывную минерализацию. Один цикл минерализации может длиться до 5—30 дней в зависимости от системы, органической нагрузки и требуемого профиля питательных веществ и должен быть разработан для каждой отдельной системы. Для систем, включая барабанный фильтр, как это имеет место в большинстве современных RAS, размер единицы минерализации должен быть скорректирован в соответствии с суточным или недельным оттоком осадка барабанного фильтра. Поскольку это до сих пор не было опробовано в экспериментальном режиме, конкретные рекомендации в настоящее время невозможны.

10.3.2 Реализация

Пример внедрения агрегата аэробной минерализации в развязанную аквапонную систему представлен на рис. 10.3. Поскольку не требуется предварительной и последующей обработки (например, повторной оксигенации), блок минерализации может быть помещен непосредственно между блоком удаления твердых частиц и гидропонным слоем. При установке клапана до и после установки минерализации возможна разрывная работа и доставка питательных веществ в гидропонный блок по требованию, однако во многих случаях потребуется дополнительный резервуар для хранения. В идеале, после направления богатой питательными веществами воды в гидропонный блок, смещенная вода заменяется новым шламом и водой из блока удаления твердых частиц. В зависимости от объема установки минерализации важно отметить, что заправка новой смесью ила и воды может привести к увеличению рН, и, таким образом, процесс минерализации может быть прерван. Увеличивая размер блока минерализации, этот эффект будет буферизован. В исследовании Rakocy et al. (2007), исследовании жидких органических отходов из двух систем аквакультуры, длительность удержания аэробной минерализации составила 29 дней, что привело к значительному успеху в минерализации. Тем не менее, это также зависит от содержания ТВ в камере минерализации, от корма, применяемого в РАС, от температуры и от потребностей растений в питательных веществах, производимых в гидропонной установке.

Рис. 10.3 Схематическая картина развязанной аквапонной системы, включающей аэробную минерализацию. Вода может быть передана в резервуар питательных веществ либо из водяного контура RAS, либо непосредственно из блока минерализации