7.4 Группа аквакультуры
Резервуары для выращивания рыбы (размер, количество и конструкция) подбираются в зависимости от масштабов производства и используемых видов рыб. Rakocy et al. (2006) использовали четыре больших рыбопромысловых резервуара для коммерческого производства O. niloticus в аквапонной системе UVI (США). При производстве всеядных или рыбоядных видов рыб, таких как C. gariepinus, необходимо использовать несколько резервуаров за счет сортировки классов размеров и шахматного производства (Palm et al. 2016). Резервуары для рыбы должны быть сконструированы таким образом, чтобы твердые вещества, оседающие на дне резервуаров, могли эффективно удаляться через стоки на дне. Это удаление твердых отходов является первым важным этапом очистки воды в сочетании аквапоники, как это имеет место в аквакультуре и развязанной аквапонике. Отходы образуются из нееденных кормов, рыбных фекалий, бактериальной биомассы и флокулянтов, образующихся при производстве аквакультуры, что повышает БПК и снижает качество воды и доступность кислорода как в аквакультуре, так и в гидропонных установках. В аквакультуре твердые отходы в значительной степени состоят из органического углерода, который используется гетеротрофными бактериями для получения энергии за счет потребления кислорода. Чем лучше удаление твердых отходов, тем лучше общие характеристики системы как для рыб, так и для растений, т.е. с оптимальными уровнями оксигенации и отсутствием накопления частиц в ризосфере, препятствующих поглощению питательных веществ, а также с круглыми или овальными резервуарами, доказавшими свою эффективность (Knaus et al. 2015).
Производство рыбы в сочетании аквапоники в FishGlassHouse в Германии тестировалось в различных масштабах с целью определения экономической эффективности. Это было сделано эффективно как экстенсивное (макс. 50 кг, 35 рыбы мсуп-3/суп), так и интенсивное (макс. 200 кг, 140 рыбы мсуп-3/суп) производство африканского сома. Полуинтенсивное производство (макс. 100 кг, 70 мсуп-3/суп) не может быть рекомендовано из-за отрицательного баланса затрат и выгод. В полуинтенсивном режиме производства техническое обслуживание системы, трудовые ресурсы и кормовые ресурсы были столь же, как и в интенсивном производстве, но при этом сокращались объемы производства рыбы и растительной биомассы, и любые экономические выгоды в аквакультуре не окупились (Palm et al. 2017). Это обусловлено высокой биохимической потребностью в кислороде (БПК), высокой денитрификацией из-за снижения доступности кислорода, относительно высокими темпами обмена водой, преимущественно анаэробной минерализацией с выраженными осадками, низкими уровнями P и K, а также низкими значениями рН при гораздо меньшем объеме добычи рыбы по сравнению с с интенсивными условиями. В отличие от этого, широкое производство рыбы позволило повысить доступность кислорода при меньших темпах обмена водой и лучшей обеспеченности питательными веществами для роста растений. Таким образом, в вышеуказанных условиях рыбоводческая единица РАС для спаренной аквапоники функционирует либо в условиях экстенсивного, либо интенсивного рыбного производства, и следует избегать промежуточных условий.
7.4.1 Фильтрация
Осветлители, иногда называемые также седименторами или вихревыми сепараторами (см. также главу 3), являются наиболее часто используемыми устройствами для удаления твердых отходов в соединенной аквапонике (Rakocy et al. 2006; Nelson and Pade 2007; Danaher et al. Рис. 7.4) Более крупные твердые частицы должны быть удалены из системы во избежание аноксических зон, оказывающих денитрифицирующее воздействие, или развития HSub2/subs. Большинство осветлителей используют ламели или пластины для облегчения удаления твердых частиц. Конические днища поддерживают концентрацию осадка на дне во время эксплуатации и очистки, в то время как плоские днища требуют большого количества воды для смыва и удаления осадка. Во время работы твердые частицы опускаются на дно осветлителя, образуя шлам. В зависимости от подачи и времени удержания, этот шлам может накапливаться, образуя относительно толстые слои. Микробная активность внутри шламовых слоев постепенно сдвигается в сторону анаэробных условий, стимулируя микробную денитрификацию. Этот процесс сокращает количество нитратов, имеющихся в растениях, и его следует избегать, особенно если технологическая вода должна использоваться для производства гидропонных установок. Следовательно, денитрификация может быть контрпродуктивной в сочетании аквапоники.
Плотность твердых отходов, удаляемых осветлителем, довольно низкая по сравнению с другими технологиями, техническое обслуживание занимает много времени, а очистка осветлителя пресной водой отвечает за основные потери воды всей системы. Необходимое количество воды зависит от ее общей конструкции, формы дна и доступности перегородок из ПВХ для промывки воды (рис. 7.4a, b). Увеличение плотности рыбного промысла требует большего количества воды (ежедневно в течение недели в интенсивных условиях) для поддержания оптимального качества воды для производства рыбы, что может привести к потере больших объемов технологической воды, а также к потере значительного количества питательных веществ, необходимых для растений рост. Кроме того, замена пресной водой вводит карбонаты кальция и магния, которые затем могут осаждаться фосфатами. Поэтому использование таких осветлителей с ручным управлением делает прогнозы по составу технологической воды относительно оптимального роста растений практически невозможным (Palm et al. 2019). Было бы эффективнее следовать примеру Нэгле (1977) разделения аэробного и анаэробного ила и газообразного азота с двойной системой ила.
Рис. 7.4 Принцип аквапонной фильтрации с седиментером (a-b) и (c) дисковым фильтром (Pal-Aquakulur GmbH, Абтшаген, Германия) коммерческого африканского сома (Clarias gariepinus) РАН в Рыбном доме (Ростокский университет, Германия)
Более эффективное удаление твердых отходов может быть достигнуто с помощью автоматических фильтров для барабанов или дискфильтров, которые обеспечивают механические барьеры, сдерживающие твердые вещества, которые затем удаляются путем промывки. Новые разработки направлены на сокращение использования промывочной воды с помощью технологий вакуумной очистки, позволяя концентрацию твердых веществ в осадке до 18% (Dr. Günther Scheibe, PAL-Aquakultur GmbH, Германия, личные коммуникации, рис. 7.4c). Такое эффективное удаление отходов положительно влияет на состав осадка, улучшая контроль сточной воды, чтобы лучше соответствовать требованиям садоводства. Другим вариантом является применение нескольких осветлителей (седименторов) или компонентов удаления осадка в ряд.
Биофильтры являются еще одной важной частью RAS, поскольку они преобразуют аммиачный азот через микробное окисление в нитрат (нитрификацию). Несмотря на то, что корни растений и сама система обеспечивают поверхности для нитрифицирующих бактерий, способность контролировать качество воды ограничена. Системы, которые не имеют биофильтрации, ограничиваются мини-установками или установками для хобби с низким влагом. Как только биомасса рыбы и поступления кормов увеличиваются, требуются дополнительные мощности биофильтра для поддержания надлежащего качества воды для рыбной культуры и обеспечения достаточного количества нитратов для роста растений.
Для бытовых и мелкомасштабных аквапоник в качестве эффективных биофильтров может быть достаточно растительных сред (например, гравий или керамовидная глина). Однако в связи с высоким потенциалом засорения и, следовательно, требованием регулярной ручной очистки и технического обслуживания эти методы не подходят для крупномасштабной коммерческой аквапоники (Palm et al. 2018). Кроме того, Knaus и Palm (2017a) показали, что использование простого биофильтра в байпасе уже увеличило возможный ежедневный вход корма в аквапонной системе с обратной связью примерно на 25%. Современные биофильтры, используемые в интенсивных РАС, эффективны в обеспечении достаточной нитрификационной мощности для рыбного и растительного производства. В связи с ростом инвестиционных затрат такие компоненты более применимы в средних и крупных коммерческих аквапонных системах.
7.4.1.1 Гидропоника в связанной аквапонике
В связанной аквапонике может использоваться широкий спектр гидропонных подсистем (см. также [главу 4](/community/articcles/глава 4-гидропонические технологии)) в зависимости от масштабов эксплуатации (Palm et al. 2018). Если рабочая сила не оказывает существенного влияния на урожайность (или прибыль) и система не является слишком большой, то одновременно могут использоваться различные гидропонные подсистемы. Это распространено в бытовых и демонстрационных аквапониках, которые часто используют системы подложки (песок, гравий, перлит и т.д.) в приливах и проточных корытах, каналах DWC (глубоководной культуры или плотов) и даже часто самодельных каналах питательных пленок (NFT). Наиболее трудоемкими являются подложки сред (песок/гравий) в отливах и проточных впадинах, которые могут засорять из-за осаждения детрита и часто нуждаются в промывке (Rakocy et al. 2006). В связи с обработкой подложек размер этих систем, как правило, ограничен. С другой стороны, гидропонные подсистемы DWC требуют меньшего труда и менее подвержены техническому обслуживанию, что позволяет использовать их для более крупных посадочных площадей. По этой причине подсистемы DWC встречаются главным образом в бытовом и мелко/полукоммерческом системах, однако обычно не в крупномасштабных аквапонных системах. Что касается более крупного коммерческого аквапонического производства, то доля рабочей силы и технического обслуживания в системе DWC по-прежнему считается слишком высокой. Даже использование водных ресурсов и энергии для перекачки также неблагоприятно сказывается на крупномасштабных системах.
Если замкнутые аквапонные системы предназначены для производства, ориентированного на прибыль, использование рабочей силы должно сокращаться, а площадь производства должна увеличиваться. Это возможно только путем оптимизации производства рыбы в сочетании с применением простых гидропонных подсистем. Технология биогенной пленки (NFT) в настоящее время может считаться наиболее эффективной гидропонной системой, сочетающей низкую рабочую силу с большими площадями выращивания растений и хорошее соотношение водных, энергетических и инвестиционных затрат. Однако не все аквапонные растения хорошо растут в системах NFT, поэтому необходимо найти правильный выбор растений для каждой гидропонной подсистемы, что, в свою очередь, коррелирует с запасом питательных веществ конкретных видов рыб, интегрированных в конструкцию конкретной гидропонной подсистемы. В случае связанной аквапоники иногда более высокая нагрузка частиц в воде может быть проблематичной из-за засорения капель, труб и клапанов в установках NFT. Таким образом, крупные аквапонные системы должны содержать профессиональное управление водой с эффективной механической фильтрацией, чтобы избежать блокировок рециркуляции. При обеспечении непрерывной подачи воды через трубы система NFT может использоваться во всех типах соединенных аквапонных систем, но наиболее рекомендуется для производства в мелко/полукоммерческих системах и крупномасштабных системах (Palm et al. 2018).