3.1 Введение
Рециркулирующие системы аквакультуры (РАС) описывают системы интенсивного производства рыбы, которые используют ряд этапов очистки воды для удаления рыбоводческой воды и облегчения ее повторного использования. RAS, как правило, будут включать в себя: 1) устройства для удаления твердых частиц из воды, состоящие из рыбных фекалий, несъеденного корма и бактериальных флоков (Chen et al. 1994; Cuturier et al. 2009), 2) нитрифицирующие биофильтры для окисления аммиака, выводимого рыбой, до нитрата (Gutierres-Wing and Malone, 2006) (Malone, 2006) и 3) газообменных устройств для удаления растворенного углекислого газа, выбрасываемого рыбой, а также для добавления кислорода, необходимого рыбе и нитрифицирующих бактерий (Colt and Watten 1988; Moran 2010; Summerfelt 2003; Wagner et al. 1995). Кроме того, RAS может также использовать ультрафиолетовое облучение для дезинфекции воды (Sharrer et al. 2005; Summerfelt et al. 2009), озонирование и обезживание белка для тонких твердых веществ и микробного контроля (Attramadal et al. 2012a; Gonçalves and Gagnon 2011; Summerfelt and Hochheimer 1997) и Hochheimer 1997), а также системы денитрификации для удаления нитратов (ван Рейн и др., 2006 год).
Современная рециркулирующая технология аквакультуры развивается уже более 40 лет, но новые технологии все чаще предлагают способы изменения парадигм традиционных РСБУ, включая совершенствование классических процессов, таких как улавливание твердых частиц, биофильтрация и газообмен. В РСБУ также произошли важные изменения с точки зрения масштаба, производственных мощностей и признания рынка, при этом системы становятся все более масштабными и надежными.
В этой главе рассказывается о том, как технология RAS развивалась за последние два десятилетия от периода технологической консолидации до новой эры промышленного внедрения.
3.1.1 История РАН
Самые ранние научные исследования по РАН, проведенные в Японии в 1950-х годах, были посвящены проектированию биофильтра для производства карпа, обусловленному необходимостью более продуктивного использования местных ограниченных водных ресурсов (Murray et al. 2014). В Европе и Соединенных Штатах ученые также попытались адаптировать технологии, разработанные для очистки бытовых сточных вод, с тем чтобы более эффективно использовать воду в рециркуляционных системах (например, активированные процессы ила для очистки сточных вод, просачивание, погружение и понижение биофильтры, а также несколько механических системы фильтрации). Эти первые усилия включали в себя главным образом работу над морскими системами для производства рыбы и ракообразных, однако вскоре они были приняты в засушливых районах, где сельскохозяйственный сектор ограничен водоснабжением. В аквакультуре были разработаны различные решения для максимального использования воды, включая высокоинтенсивные рециркуляционные системы, включающие системы фильтрации воды, такие как барабанные фильтры, биологические фильтры, белковые скиммеры и системы впрыска кислорода (Hulata and Simon 2011). Несмотря на твердую убежденность пионеров в отрасли в коммерческой целесообразности их работы, большинство ранних исследований были сосредоточены исключительно на окислении токсичных отходов неорганического азота, полученных в результате белкового метаболизма. Доверие к технологии было подкреплено успешным функционированием как государственных, так и домашних аквариумов, в которых, как правило, имеются крупногабаритные очистные установки для обеспечения кристально чистой воды. Кроме того, чрезвычайно низкая плотность заготовки и связанные с этим затраты корма означают, что такая чрезмерная инжиниринг все еще вносит относительно небольшой вклад в капитальные и эксплуатационные расходы системы по сравнению с интенсивной РСБУ. Следовательно, изменения в динамике процессов, связанные с изменением масштаба, не были учтены, что привело к сокращению размеров очистных установок РСО, с тем чтобы свести к минимуму капитальные затраты. Вследствие этого предельные нормы безопасности были слишком узкими или вообще отсутствовали (Murray et al. 2014). Поскольку многие новаторские ученые имели биологические, а не инженерные знания, технические усовершенствования также сдерживались недосвязью между учеными, проектировщиками, строительным персоналом и операторами. Разработка стандартизированной терминологии, единиц измерения и форматов отчетности в 1980 году (EIFAC/ICES 1980) помогла решить эту ситуацию, хотя региональные различия по-прежнему сохраняются. Лишь в середине 80-х годов циклические параметры качества воды получили широкое признание как имеющие важное значение для производства прудов, например периодическое измерение концентраций рН, кислорода, ТАН (общий аммиачный азот), NO2 (нитрат), БПК (биохимическая потребность в кислороде) и ХПК (химическая потребность в кислороде).
Во второй половине прошлого века были опубликованы многочисленные статьи о раннем развитии РАН. Розенталь (1980) подробно остановился на состоянии систем рециркуляции в Западной Европе, а Bovendeur et al. (1987) разработали систему рециркуляции воды для культуры африканского сома с точки зрения кинетики производства отходов и удаления отходов (был представлен проект системы очистки воды, состоящей из первичный осветлитель и аэробный реактор с фиксированной пленкой, которые показали удовлетворительные результаты для высокой плотности культуры африканского сома). Эта работа была частью стремительного развития рыбохозяйственных систем до середины 1990-х годов в Северной и Западной Европе (Rosenthal and Black 1993), а также в Северной Америке (Colt 1991). Новые классификации, такие, как классификация в зависимости от того, как вода проходит через систему аквакультуры, позволили получить ключевую информацию о процессах качества воды, имеющих важное значение для производства рыбы (Krom and van Rijn 1989). В последующей работе van Rijn (1996) были введены концепции, ориентированные на биологические процессы, лежащие в основе систем очистки. Выводы, сделанные в ходе этой работы, заключались в том, что внедрение методов снижения накопления ила и нитрата привело к более стабильным условиям качества воды в культурных единицах. За этот период объем производства РАС значительно возрос и видовое разнообразие (Rosenthal 1980; Verreth and Eding 1993; Martins et al. 2005). В настоящее время в РАС производится более 10 видов (африканский сом, угорь и форель в качестве основных пресноводных видов и тюрбан, морской окунь и подошва в качестве основных морских видов) (Martins et al 2010b), при этом РАС также становится важнейшим элементом в производстве личинок и молодцов различных видов.
Хотя максимальная устойчивая урожайность многих видов водных диких запасов уже достигнута или скоро будет достигнута, а многие виды уже переловлены, РСБУ считается ключевой технологией, которая поможет сектору аквакультуры удовлетворить потребности водных видов в ближайшие десятилетия (Ebeling and Timmons 2012).
3.1.2 Краткая история аквапоники в контексте РАН
Рис. 3.1 Чинампас (плавучие сады) в Центральной Америке — искусственное строительство островов как предшественник аквапонной технологии. (От Марзолино/ Shutterstock.com)
«Аквапоника» — термин, который был «придуман» в 1970-х годах, но на практике имеет древние корни — хотя до сих пор ведутся дискуссии о его первом появлении. Ацтеки возделывали сельскохозяйственные острова, известные как чинампа (первые 1150-1350CE), в системе, которая, по мнению некоторых, является первой формой аквапоники для сельскохозяйственного использования (рис. 3.1). В таких системах растения выращивались на стабильных или иногда подвижных и плавучих островах, помещаемых в мелководье озер, где богатая питательными веществами грязь могла быть выгружена из каналов чинампы и размещена на островах для поддержания роста растений (Crossley 2004).
Еще более ранний пример аквапоники начался с другой стороны мира в Южном Китае и, как полагают, распространился в Юго-Восточной Азии, где китайские поселенцы из Юньнаня поселились около 5 н.э. Фермеры выращивали и выращивали рис на рисовых полях в сочетании с рыбой (ФАО 2001). Эти поликультурные системы земледелия существовали во многих странах Дальнего Востока для выращивания рыбы, такой как восточный лоч (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), болотный угорь (fam. Synbranchidae), карп обыкновенный (Cyprinus carpio_) и карась (Carassius carassius) (ФАО 2004). Однако, по сути, эти системы не являются аквапоническими, но их лучше всего описать как первые примеры интегрированных систем аквакультуры (Gomez 2011). В XX веке первые попытки создать практические, эффективные и интегрированные системы рыбного производства наряду с овощами были предприняты в 1970-х годах благодаря работе Льюиса и Негеля (Льюис и Вер 1976; Нэгель 1977; Льюис и др. 1978). Дальнейшие ранние системы были разработаны Waten и Busch в 1984 году и Rakocy в 1989 году (Palm et al. 2018).