8.2 Цикл минерализации
В RAS для поддержания качества воды из системы необходимо удалить твердый и насыщенный питательными веществами ил. Добавляя дополнительный цикл рециркуляции ила, накапливающиеся отходы РАС могут быть преобразованы в растворенные питательные вещества для повторного использования растениями, а не выброшены (Emerenciano et al. 2017). В биореакторах микроорганизмы могут разбить этот шлам на биодоступные питательные вещества, которые впоследствии могут быть доставлены растениям (Delaide et al. 2018; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2017a, b). Многие одноконтурные системы аквапоники уже включают в себя аэробические (Rakocy et al. 2004) и анаэробные (Yogev et al. 2016) дигесты, которые превращают питательные вещества, попадающие в рыбный шлам, и делают их биодоступными для растений. Однако интеграция такой системы в соединенную одноконтурную систему аквапоники имеет несколько недостатков:
Коэффициент разбавления богатых питательными веществами стоков намного выше при их сбросе в одноконтурную систему по сравнению с их сбросом только в гидропонику. Эффективно, питательные вещества разбавляются путем попадания в контакт с большими объемами воды для выращивания рыбы.
Рыба излишне подвержена воздействию стоков реактора минерализации; например, стоки анаэробных реакторов могут включать летучие жирные кислоты (УФАС) и аммиак, которые потенциально могут нанести вред рыбе; такие реакторы также представляют собой дополнительный источник потенциального интродукции патогенов.
Около 90% питательных веществ, попавших в шлам, могут быть восстановлены, когда RassLudge поддерживается на уровне pH 4 (Jung and Lovitt 2011). Такой низкий уровень рН невозможен при работе биореакторов при рН около 7 (Goddek et al. 2018), что является обычным компромиссным значением рН в одноконтурных системах аквапоники.
Рис. 8.3 Приблизительный показатель pH воды в различных компонентах системы, а также в технологической воде. ‘~’ указывает приближение
Что касается pH, то на рис. 8.3 показаны приблизительные значения pH соответствующих потоков технологической воды в многоконтурной системе аквапоники (например, показано на рис. 8.1c). На рис. 8.3 также показано влияние реакторов минерализации на производительность системы в целом на основе анаэробных реакторов, предложенных Goddek et al. (2018). Такая система представляет собой лишь одно из возможных решений для обработки осадка с альтернативными подходами, обсуждаемыми в главе [10](/community/articles/chapter-10-аэробные и анаэробные обработки - для аквапония-осадка-редукция-минерализация). Снижение pH технологической воды, поступающей из подсистемы RAS в гидропонику, как показано на рис. 8.3, демонстрирует подкисление в контуре концентрации питательных веществ (т.е. деминерализованная вода имеет рН 7). Таким образом, уровень рН сточных вод ниже, чем на выходе RAS, что уменьшает необходимость корректировки рН для оптимальных условий роста растений.
Таблица 8.1 Обзор оптимальных условий роста рыб и растений и предпочтительных условий эксплуатации для переработки питательных веществ в шламе
стол тхед tr class=“заголовок» Тподсистема/г Специя/ функция/т THPH/th ThТемпература (˚C) /ч Тнитрат (NOSub3/sub) (мг/л) /т /tr /thead tbody tr class=“нечетный» td Rowspan=“2"Рециркулирующая система аквакультуры (РАС) /td TDioreochromis нилотикус/i (Ниловая тилапия) /td td7—9 (Росс 2000) /td тд27-30 (Эль-Сайед, 2006 год) /тд td<100—200 (Далсгор и др., 2013) /td /tr tr class=“даже» TDionCorhynchus mykiss/i (радужная форель) /td td6.5-8.5 (ФАО 2005) /td td15 (Коглан и Ринглер 2005) /td td<40 (Дэвидсон и др., 2011 год; Шрадер и др., 2013 год) /td /tr tr class=“нечетный» td Rowspan=“2"Гидропоник/TD tdilactuca сатива/i (салат) /td тд 5.5—6.5 (реш 2012) /тд тд 21—25 (реш 2012) /тд тд730 (Реш 2012) /тд /tr tr class=“даже» TDlyCoperSicon эскулентум (томатный) /td тд 6.3—6.5 (реш 2002) /тд тд 18—24 (реш 2002) /тд td666 (Сонневельд и Вугт 2009) /td /tr tr class=“нечетный» td Rowspan=“2"Анаэробный реактор/td TDметаногенези/TD td6.8-7-4 (де Лемос Черничаро 2007) /td td30—35 (Альварес и Лиден 2008; де Лемос Черничаро 2007) /td td—/td /tr tr class=“даже» Мобилизация TDSladem/td td4.0 (Юнг и Ловитт 2011) /td tdn/a/td td—/td /tr /tbody /таблица Двухступенчатая реакторная система работает следующим образом:
На первом этапе (pH около 7 для обеспечения оптимальных условий для метаногенеза; таблица 8.1) органическое вещество разбивается для поддержания высокой степени производства метана (т.е. удаления углерода). Мирзоян и Гросс (2013) сообщили о снижении общего количества взвешенных твердых частиц примерно на 90% с использованием технологии реактора с анаэробным шламовым покрытием. Преимущество этого заключается в том, что 1) биогаз добывается в качестве возобновляемого источника энергии и 2) на втором этапе производится меньшее количество УФАС. Время удержания осадка на первой стадии должно составлять несколько месяцев, прежде чем удалить накопленные питательные вещества в шламе (например, агрегация фосфата кальция) на второй стадии.
На втором этапе питательные вещества в взвешенных твердых веществах эффективно мобилизуются и становятся доступными для поглощения растений. Эта мобилизация наиболее эффективна в среде с низким уровнем pH (Goddek et al. 2018; Jung and Lovitt 2011). После снижения pH кислотных реакторов он, как правило, остается стабильным; таким образом, в гидропонной установке требуется меньшее регулирование pH.
Сточные воды, богатые питательными веществами, могут потребовать некоторой последующей обработки в зависимости от количества измеренных общих взвешенных веществ и VFA. Однако важно иметь в виду, что аммиак может стимулировать рост растений, например, листовая зелень, когда он составляет 5— 25% от общей концентрации азота (Jones 2005). Однако фруктовые овощи, такие как помидоры или сладкий перец, особенно чувствительны к аммиаку в питательном растворе. Для систем выращивания этих видов сельскохозяйственных культур потребуется аэробная очистка сточных вод или хорошо аэрированный гидропонический картер.
8.2.1 Определение потоков воды и питательных веществ
Для определения размеров системы (раздел 8.4) необходимо знать количество воды, поступающей из системы RAS через реактор (реакторы) в гидропонику (Qsubmin/Sub) (Eq. 8.1):
$Q_ {MIN} (кг/сутки) =\ гидроразрыва {n_ {подача}\ раз k_ {шлам}} {\ pi_ {шлам}} $ (8.1)
где nsubfeed/sub - количество корма для рыбы в кг, ksubsladge/sub - коэффициент пропорции корма для рыбы, заканчивающегося шламом, а πsubsladge/sub - доля общего количества твердых веществ (т.е. ила) в потоке шламовой воды, поступающей в цикл минерализации.
Концентрация осадка может быть увеличена путем добавления устройства гравитационного сепаратора перед биореакторами, направляющего «прозрачный» супернатант обратно в систему RAS. Эта формула также может быть использована для получения входных данных для определения размеров реактора на основе гидравлического времени удержания ([глава 10](./10-аэробные и анаэробные обработки для аквапонического осадка-редукция-минерализации.md)). От 20 до 40% кормов для рыб заканчивается как общее количество взвешенных твердых веществ в шламе RAS (Timmons and Ebeling 2013). В качестве примера установлено, что в шламе тилапии содержится около 55% питательных веществ, которые были добавлены в систему через корм (Нето и Остренский 2013; Явузкан Йылдыз и др. 2017), что является ценным ресурсом для роста сельскохозяйственных культур.
Основными питательными веществами, которые могут быть восстановлены в процессе минерализации, являются N и P. Поскольку P (один из основных компонентов ила) является наиболее ценным макроэлементом с точки зрения стоимости и доступности для растениеводства, он должен быть первым элементом, который будет оптимизирован в аквапонной системе.
Скорость минерализации цикла минерализации рассчитывается следующим образом:
$Минерализация (г/день) = (n_ {корм}\ раз 1000) π_ {корм}\ раз π_ {шлам}\ раз η_ {мин} $ (8,2)
где _n_subfeed/sub - входной сигнал подачи в систему (в кг); _π_subfeed/subis - доля питательного вещества в составе корма; _π_subsludge/subis - доля конкретного питательного элемента, получаемого в иле; и ηsubmin/subis - эффективность минерализации и мобилизации системы реактора .
Последним шагом будет определение концентрации соответствующего элемента в стоках цикла минерализации:
$Питательные вещества\ концентрация\ (мг/л) =\ гидроразрыва {минерализация\ раз 1000} {Q_ {MIN}} $ (8,3)
Пример 8.1
Наша система RAS питается 10 кг корма для рыбы в день. Мы предполагаем, что 25% кормов в конечном итоге образуется в виде шлама. В нашей системе мы используем радиальный отстойник потока (RFS) для концентрации осадка до 1% сухого вещества. Следовательно, поток из RAS в HP через цикл минерализации рассчитывается следующим образом:
$Q_ {MIN}\ (кг/день) =\ гидроразрыва {10 кг\ раз\ 0,25} {0,01} =250\ приблизительно 250 кг/день
Мы принимаем решение о размерах нашей системы на П. Содержание P в нашем корме (в большинстве случаев предоставляется производителем кормов) составляет 1,5% и 55% его попадает в шлам (Neto и Ostrensky 2013). Мы предполагаем, что наши реакторы достигают КПД минерализации 90% для этого элемента. Таким образом, граммы P, передаваемые в гидропонику каждый день, могут быть определены:
$Минерализация\ (г/день) = (10 кг\ раз 1000)\ раз 0.55\ раз 0.015\ раз 0.9=74.25$
Концентрация стоков в результате:
$Питательные вещества\ концентрация\ (мг/л) =\ гидроразрыва {74,25 г\ раз 1000} {250л} =297\ мг/л
Эта концентрация P в стоках в приведенном выше примере примерно в шесть раз выше, чем в большинстве гидропоники питательных растворов. Исследование Goddek et al. (2018) подкрепляет это теоретическое число, и они сообщают, что их раствор RAS содержит 150 и 200 мг/л Р для двух независимых систем, соответственно (1% шлама TSS), с содержанием P рыбы в корме 0,83% в кормах сухого вещества для последних (200 мг/л).