3.2 Обзор контроля качества воды в РАН

RAS представляют собой сложные водные системы производства, включающие целый ряд физических, химических и биологических взаимодействий (Timmons and Ebeling 2010). Понимание этих взаимодействий и взаимосвязи между рыбой в системе и используемым оборудованием имеет решающее значение для прогнозирования любых изменений в качестве воды и производительности системы. Существует более 40 параметров качества воды, которые можно использовать для определения качества воды в аквакультуре (Timmons and Ebeling 2010). Из них лишь немногие (как описано в разделах. [3.2.1](#321 -растворенный-оксиген-до), [3.2.2](#322 -аммиак), [3.2.3](#323 -биотвердые вещества), [3.2.4](#324 -углерод-диоксид-косуб2sub), [3.2.5](#325 -total-ga-dressure-tgp), [3.2.6](Themon -нитрат) и [3.2.7](Em -щелочность)) традиционно контролируются в основной рециркуляции #326 #327 , учитывая, что эти процессы могут быстро повлиять на выживаемость рыб и склонны к изменениям с добавлением корма в систему. Многие другие параметры качества воды обычно не контролируются или не контролируются, поскольку 1) анализ качества воды может быть дорогостоящим, 2) анализируемый загрязнитель может быть разбавлен при ежедневном обмене водой, 3) потенциальные источники воды, содержащие их, исключаются для использования или 4) потому, что их потенциальный отрицательный эффекты не наблюдались на практике. Таким образом, в RAS обычно контролируются следующие параметры качества воды.

3.2.1 Растворенный кислород (DO)

Растворенный кислород (DO), как правило, является наиболее важным параметром качества воды в интенсивных водных системах, так как низкий уровень DO может быстро привести к высокому стрессу у рыб, неисправности нитрифицирующего биофильтра и, действительно, к значительным потерям рыбы. Обычно плотность залова, добавление кормов, температура и допуск рыб к гипоксии определяют потребности системы в кислороде. Поскольку кислород может переноситься в воду в концентрациях, превышающих его насыщенность в атмосферных условиях (это называется пересыщением), существует целый ряд устройств и конструкций, обеспечивающих снабжение рыбы достаточным кислородом.

В RAS DO можно контролировать с помощью аэрации, добавления чистого кислорода или их сочетания. Поскольку аэрация способна только повысить концентрации DO до точки насыщения атмосферы, этот метод, как правило, предназначен для легконагруженных систем или систем с терпимыми видами, такими как Tilapia или сом. Однако аэраторы также являются важным компонентом коммерческих РАС, где использование дорогостоящего технического кислорода сокращается за счет аэрации воды с низким содержанием растворенного кислорода обратно в точку насыщения перед пересыщением воды техническим кислородом.

Рис. 3.2 Диаграммы двух примеров переноса газа в жидкость: диффузная аэрация и инжекторы Вентури/аспираторы

Существует несколько типов аэраторов и оксигенаторов, которые могут быть использованы в RAS, и они относятся к двум широким категориям: газо-жидкостные и жидкостно-газовые системы (Lekang 2013). Газо-жидкостные аэраторы в основном состоят из диффузных систем аэрации, в которых газ (воздух или кислород) передается в воду, создавая пузырьки, которые обмениваются газами с жидкой средой (рис. 3.2). Другие газо-жидкостные системы включают проходящие газы через диффузоры, перфорированные трубы или перфорированные пластины для создания пузырьков с помощью инжекторов Вентури, которые создают массу мелких пузырьков или устройств, которые улавливают пузырьки газа в потоке воды, таких как конус Speeece и оксигенатор U-трубки.

Рис. 3.3 Схемы двух примеров переноса жидкости в газ: аэратор упакованной колонны и поверхностные брызги в закрытом резервуаре. Аэратор заполненной колонны позволяет воде просачиваться по закрытому сосуду, обычно упакованному со структурированной средой, где воздух просачивается через вентилятор или воздуходувку. Поверхностные брызги, найденные в аквакультуре пруда, могут также использоваться в закрытых средах, обогащенных газами — обычно кислородом — для транспортировки газа

Жидкостно-газовые аэраторы основаны на диффузии воды на небольшие капельки для увеличения площади поверхности, доступной для контакта с воздухом, или создания атмосферы, обогащенной смесью газов (рис. 3.3). Примерами систем «жидкость-газ», используемых в рециркулирующей аквакультуре, являются аэратор упакованных колонн (Colt and Bouck 1984) и низкоголовые оксигенаторы (LHOS) (Wagner et al. 1995). Вместе с тем в РАС используются и другие системы «жидкость-газ», популярные в прудах и на открытых фермах, такие как аэраторы весла (Fast et al. 1999).

Имеется обширная литература по теории газообмена и основам передачи газа в воде, и читателю рекомендуется не только ознакомиться с техническими текстами аквакультуры и аквакультуры, но и обратиться к технологическим и очистным материалам для лучшего понимания этих процессов.

3.2.2 Аммиак

В водной среде аммиак существует в двух формах: неионизированная форма (NHSub3/Sub), токсичная для рыб, и ионизированная форма (NHSub4/Subsup+/SUP), которая обладает низкой токсичностью для рыб. Эти два вида образуют общий аммиачный азот (ТАН), при этом соотношение между двумя формами определяется pH, температурой и соленостью. Аммиак накапливается в растительной воде как продукт белкового метаболизма рыбы (Altinok and Grizzle 2004) и может достигать токсических концентраций, если не лечить. Из 35 различных видов пресноводных рыб, которые были изучены, среднее значение острой токсичности аммиака составляет 2,79 мг NH3/л (Randall and Tsui 2002).

Аммиак традиционно обрабатывается в системах рециркуляции с помощью нитрифицирующих биофильтров, устройств, которые предназначены для развития микробных сообществ, способных окислять аммиак в нитрат (NOSub3/sub). Несмотря на то, что использование нитрифицирующих биофильтров не является новым, в современных РАС наблюдается оптимизация конструкций биофильтров, причем лишь несколько хорошо изученных проектов получили широкое признание. За последние несколько лет были разработаны и другие весьма новаторские методы обработки аммиака, однако они не находят широкого применения на коммерческой основе (примеры приводятся ниже).

Аммиак окисляется в биофильтрах сообществами нитрифицирующих бактерий. Нитрифицирующие бактерии являются хемолитотрофными организмами, которые включают виды родов Nitrosomonas, Nitrosoccus, Nitrospira, Nitrobacter и Nitrococcus (Prosser 1989). Эти бактерии получают свою энергию от окисления неорганических соединений азота (Mancinelli 1996) и растут медленно (репликация происходит в 40 раз медленнее, чем для гетеротрофных бактерий), поэтому легко конкурируют гетеротрофные бактерии, если органический углерод, в основном присутствует в биотвердых веществах, взвешенных в культуре воды, разрешено накапливаться (Grady and Lim 1980). Во время работы RAS хорошее управление системой в значительной степени зависит от минимизации взвешенных твердых частиц с помощью адекватных методов удаления твердых частиц (рис. 3.4).

Нитрифицирующие биофильтры или реакторы биофильтра были примерно разделены на две основные категории: взвешенный рост и прицепные системы роста (Malone and Pfeiffer 2006). В системах взвешенного роста нитрифицирующие бактериальные сообщества свободно растут в воде, образуя бактериальные флоки, которые также содержат богатые экосистемы, где присутствуют простейшие, реснички, нематоды и водоросли (Manan et al. 2017). При надлежащем перемешивании и аэрации водоросли, бактерии, зоопланктон, кормовые частицы и фекальные вещества остаются взвешенными в водной толще и естественным образом стекаются вместе, образуя частицы, которые дают биофлоковым культурам свое название (Browdy et al. 2012). Основным недостатком подвесных систем роста является их тенденция к утрате бактериальной биомассы по мере того, как технологическая вода вытекает из реактора, что требует средств для улавливания и возврата ее в систему. В присоединенных системах роста твердые формы (песок, камни, пластмассовые элементы) используются в качестве субстратов для удержания бактерий внутри реактора и, таким образом, не нуждаются в этапе улавливания твердых частиц после обработки. Как правило, прицепные системы роста обеспечивают большую площадь поверхности для бактериального прикрепления, чем подвесные системы роста, и не производят значительных твердых веществ в их оттоке, что является одной из основных причин, почему приклеенные биофильтры роста так часто используются в РАС.

Рис. 3.4 Нитрифицирующие бактерии Nitrosomonas (слева) и Nitrobacter (справа). (Фото слева: Bock et al. 1983. Справа фото: Мюррей и Уотсон 1965)

Предпринимаются усилия по классификации биофильтров и документированию их характеристик, с тем чтобы помочь фермерам и разработчикам определить системы с более высокой степенью надежности (Drennan et al. 2006; Gutierres-Wing and Malone 2006). В последние годы индустрия аквакультуры выбрала конструкции биофильтра, которые были широко изучены и, таким образом, могут предложить предсказуемую производительность. Биореактор с подвижным слоем (Rusten et al. 2006), биореактор с кипящим песком фильтром (Summerfelt 2006) и биореактор с фиксированным слоем (Emparanza 2009; Zhu and Chen 2002) являются примерами конструкций биофильтров, которые стали стандартными в современных коммерческих РАС. Еще одна популярная конструкция фильтров Trickling (Díaz et al. 2012), их популярность снижается из-за относительно высоких требований к перекачке и относительно больших размеров.

3.2.3 Биотвердые вещества

Биотвердые вещества в РАС происходят из кормов для рыб, фекалии и биопленки (Timmons and Ebeling 2010) и являются одним из наиболее важных и сложных параметров качества воды для контроля. Поскольку биотвердые вещества служат субстратом для гетеротрофного роста бактерий, увеличение их концентрации может в конечном итоге привести к увеличению потребления кислорода, снижению производительности биофильтра (Michaud et al. 2006), увеличению мутности воды и даже механическому блокированию частей системы (Becke et al. 2016; Chen и др., 1994 год; Кутюрье и др., 2009 год).

В РАС биотвердые вещества, как правило, классифицируются как по размеру, так и по способности к удалению с помощью определенных методов. Из общей фракции твердых веществ, образующихся в RAS, осаждаемые твердые вещества обычно превышают 100 мкм и могут быть удалены путем гравитационного разделения. Подвесные твердые вещества, размеры которых варьируются от 100 мкм до 30 мкм, являются те, которые не оседают из суспензии, но которые могут быть удалены механическими (т.е. просеиванием) средствами. Мелкодисперсные твердые вещества размером менее 30 мкм обычно не могут быть удалены путем просеивания и должны контролироваться другими средствами, такими как физико-химические процессы, процессы мембранной фильтрации, разбавление или биоосветление (Chen et al. 1994; Lee 2014; Summerfelt and Hochheimer 1997; Timmons и Ebeling 1997; 2010; Wold et al. 2014). Методы контроля улаживаемых и взвешенных твердых веществ хорошо известны и развиты, и по этому вопросу имеется обширная литература. Например, использование двухдренажных резервуаров, вихревых сепараторов, радиальных сепараторов потока и отстойных бассейнов является популярным средством борьбы с улавливаемыми твердыми веществами (Couturier et al. 2009; Davidson and Summerfelt 2004; De Carvalho et al. 2013; Ebeling et al. 2006; Veerapen et al. 2005). Микроэкранные фильтры являются наиболее популярным методом контроля взвешенных твердых частиц (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) и часто используются в промышленности для контроля как осаждаемых, так и взвешенных твердых частиц с помощью одного метода. Другие популярные устройства улавливания твердых частиц — это фильтры глубины, такие как фильтры буса (Cripps and Bergheim 2000) и фильтры быстрого песка, которые также популярны в бассейнах. Кроме того, в литературе также имеются руководящие принципы по проектированию для предотвращения накопления твердых веществ в резервуарах, трубопроводах, отстойниках и других компонентах системы (Davidson and Summerfelt 2004; Lekang 2013; Wong and Piedrahita 2000). Наконец, мелкодисперсные твердые вещества в РАС обычно обрабатываются озонированием, биоосветлением, фракционированием пены или сочетанием этих методов. Последние несколько лет развития РАН были сосредоточены на более глубоком понимании того, как контролировать фракцию тонкодисперсных твердых веществ и понять ее влияние на благосостояние рыб и эффективность системы.

3.2.4 Диоксид углерода (COSub2/sub)

В РАН контроль за растворенными газами не прекращается с подачей кислорода в рыбу. Другие газы, растворенные в пищей воде, могут влиять на благосостояние рыб, если они не контролируются. Высокие концентрации растворенного углекислого газа (COSub2/Sub) в воде препятствуют диффузии COSub2/Sub из крови рыб. У рыб, увеличение COSub2/sub в крови снижает рН крови и, в свою очередь, сродство гемоглобина для кислорода (Noga 2010). Высокие концентрации COSub2/sub также связаны с нефрокальцинозом, системными гранулемами и меловыми отложениями в органах лососевых (Noga 2010). COSub2/sub в РАН происходит как продукт гетеротрофного дыхания рыбой и бактериями. Будучи высокорастворимым газом, углекислый газ не достигает атмосферного равновесия так легко, как кислород или азот, и поэтому он должен находиться в контакте с большими объемами воздуха с низкой концентрацией COSub2/Sub для обеспечения переноса из воды (Summerfelt 2003). Как правило, RAS, которые поставляются чистым кислородом, потребует определенной формы очистки углекислого газа, в то время как RAS, которые поставляются с аэрацией для кислородной добавки, не потребует активной очистки COSub2/Sub (Eshchar et al. 2003; Loyless and Malone 1998).

Теоретически любое устройство для передачи газа или аэрации, открытое для атмосферы, будет предлагать некоторую форму COSub2/Sub зачистки. Однако специализированные устройства для зачистки углекислого газа требуют, чтобы большие объемы воздуха соприкасались с технологической водой. Конструкции COSub2/Sub stripper в основном ориентированы на устройства каскадного типа, такие как каскадные аэраторы, каскадные биофильтры и, что более важно, аэратор заполненных колонн (Colt and Bouck 1984; Moran 2010; Summerfelt 2003), который стал стандартным оборудованием в коммерческих RAS, работающих с чистым кислородом. Хотя за последние годы разработка технологии аэрации упакованных колонн продвинулась вперед, большинство исследований, проведенных на этом устройстве, было сосредоточено на понимании его характеристик в различных условиях (например, пресная вода и морская вода) и конструктивных вариациях, таких как высота, типы упаковки и скорость вентиляции . Как известно, влияние скорости гидравлической нагрузки (удельный расход на единицу площади дегазатора) оказывает на эффективность дегазатора, однако для лучшего понимания этого расчетного параметра необходимы дальнейшие исследования.

3.2.5 Общее давление газа (TGP)

Общее давление газа (TGP) определяется как сумма парциальных давлений всех газов, растворенных в водном растворе. Чем менее растворим газ, тем больше «пространства» он занимает в водном растворе и, таким образом, тем больше давления он оказывает в нем. Из основных атмосферных газов (азот, кислород и двуокись углерода) азот является наименее растворимым (например, в 2,3 раза менее растворимым, чем кислород, и более чем в 90 раз менее растворимым, чем диоксид углерода). Таким образом, азот способствует общему давлению газа больше, чем любой другой газ, но не потребляется рыбой или гетеротрофными бактериями, поэтому он будет накапливаться в воде, если не будет разделен. Важно также отметить, что кислород также будет способствовать высокому TGP, если процесс передачи газа не позволит вытеснить лишние газы из раствора. Классическим примером этого являются пруды с фотоавтотрофической активностью в них. Фотоавтотрофы (как правило, растительные организмы, осуществляющие фотосинтез) выделяют кислород в воду, в то время как тихая поверхность воды может не обеспечить достаточного газообмена для выхода избыточного газа в атмосферу и, таким образом, может произойти пересыщение.

Для рыб требуется общее давление газа, равное атмосферному давлению. Если рыба дышит водой с высоким общим давлением газа, избыток газа (обычно азота) выходит из кровотока и образует пузырьки, что часто оказывает серьезное воздействие на здоровье рыб (Noga 2010). В аквакультуре это известно как болезнь пузырьков газа.

Для того чтобы избежать высоких TGP, необходимо тщательно изучить все участки в РСБУ, где может произойти перенос газа. Впрыск кислорода под высоким давлением без газообразования (что позволяет вытеснять избыточный азот из воды) также может способствовать высокому TGP. В системах с рыбой, которые очень чувствительны к TGP, одним из вариантов является использование вакуумных дегазаторов (Colt and Bouck 1984). Тем не менее, поддержание РСБУ без зон неконтролируемого давления газа, использование стриптизеров углекислого газа (которые также будут удалять азот) и дозирование технического кислорода с осторожностью, достаточно для поддержания ТГП на безопасном уровне в коммерческих РСБУ.

3.2.6 Нитрат

Нитрат (NOSub3/Sub) является конечным продуктом нитрификации и обычно последним параметром, подлежащим контролю в РАС, из-за относительно низкой токсичности (Davidson et al. 2014; Schroeder et al. 2011; van Rijn 2013). Это в основном связано с низкой проницаемостью на жаберной мембране рыбы (Camargo and Alonso 2006). Токсическое действие нитрата аналогично действию нитрита, влияя на емкость молекул, несущих кислород. Контроль концентраций нитратов в РАС традиционно обеспечивается путем разбавления путем эффективного контроля времени удержания гидравлической системы или ежедневного обменного курса. Однако биологический контроль нитратов с помощью денитрификационных реакторов является растущей областью исследований и разработок в РАН.

Толерантность к нитратам может варьироваться в зависимости от водных видов и стадии жизни, при этом соленость оказывает смягчающее воздействие на его токсичность. Важно, чтобы операторы РАС понимали хронические последствия воздействия нитратов, а не острые последствия, поскольку при нормальном функционировании РАС, вероятно, не будут достигнуты острые концентрации.

3.2.7 Щелочность

Щелочность в широком смысле определяется как рН буферизации воды (Timmons and Ebeling 2010). Контроль щелочности в РАС имеет важное значение, так как нитрификация представляет собой кислотообразующий процесс, который разрушает его. Кроме того, нитрифицирующие бактерии требуют постоянного запаса щелочности. Низкая щелочность в РАС приведет к падению рН и неисправности нитрифицирующего биофильтра (Summerfelt et al. 2015; Colt 2006). Добавление щелочности в РАС будет определяться нитрификационной активностью в системах, которая, в свою очередь, связана с добавлением кормов, содержанием щелочности в подпитывающей (суточной) воде и наличием денитрифицирующей активности, которая восстанавливает щелочность (van Rijn et al. 2006).