Aqu @teach: Технология рециркуляционной системы аквакультуры (RAS)

Рециркулирующая система аквакультуры (РАС) состоит из резервуаров для рыбы и нескольких фильтровальных установок, которые очищают воду. В классическом RAS вода, таким образом, находится в постоянном потоке из резервуаров для рыбы через систему фильтрации, а затем обратно в резервуары для рыбы (рис. 4). Из-за метаболизма рыбы вода, которая выходит из резервуаров, содержит высокую концентрацию твердых веществ, питательных веществ и углекислого газа, в то время как она бедна кислородом по сравнению с приточной водой. Целью фильтровальных установок является снижение концентрации твердых веществ, питательных веществ, токсинов и углекислого газа, а также повышение уровня растворенного кислорода в воде до его возвращения в аквариум.

Система фильтрации состоит из нескольких этапов (рис. 4). Первым этапом обработки после оттока является разделение твердых веществ (рис. 4, пункт 2), при котором твердые вещества (остатки корма, фекалы и бактерии) удаляются из воды. После этого вода дезинфицируется УФ (рис. 4, пункт 6). Этот шаг не всегда реализуется в рыбохозяйствах и также может быть помещен после биофильтра. Затем вода поступает в биофильтр (рис. 4, пункт 3), где бактерии метаболизируют часть органической нагрузки и окисляют аммиак до нитрита, а затем до нитрата. Все эти бактериальные метаболические реакции используют растворенный кислород (O₂) и, как и рыба, выделяют углекислый газ (CO₂) в воду. Таким образом, CO₂ в воде должны быть опущены после биофильтрации. Это делается в блоке дегазации, в котором площадь воды в воздух увеличивается таким образом, чтобы CO₂ воздушная фаза (рис. 4, точка 4). В качестве последнего шага концентрация кислорода в воде должна быть увеличена до уровня, соответствующего рыбе. Это делается в блоке оксигенации (рис. 4, точка 5). В следующих разделах эти компоненты системы описываются более подробно.

Рис. 4: Основные компоненты рециркулирующей системы аквакультуры (РАС)

Аквариум

Рыбный бак является зоной выращивания рыбы и, следовательно, ключевым компонентом РСБУ. «Классические» конструкции резервуаров представляют собой круглые резервуары и квадратные каналы потока. Одним из основных аспектов, которые делают круглые резервуары благоприятными по отношению к квадратным каналам потока, является эффект самоочистки, который может быть достигнут с помощью круговой гидравлической схемы (рис. 5). Поток в емкостях для рыб выполняет две функции: i) равномерное распределение приточной воды и кормов для рыб; и ii) транспортировка частиц в центр резервуара. Первичный вращающийся поток представляет собой поток от входного отверстия, а затем по часовой стрелке и против часовой стрелки вокруг резервуара. Он переносит осаждаемые твердые частицы на дно. Первичный вращающийся поток создает вторичный радиальный поток и вместе образует самоочищающийся резервуар.

Рис. 5: Роль первичных и вторичных потоков: первичный сток обеспечивает хорошее распределение воды на входе, а вторичный сток способствует эффективному удалению твердых веществ (адаптирован после Timmons et al. 1999)

Хотя круглые резервуары имеют многочисленные преимущества по сравнению с квадратными резервуарами, их основной недостаток (низкая эффективность площади) часто делает их неоптимальным решением для фермы RAS. Таким образом, за последние десятилетия были разработаны и испытаны многочисленные другие формы цистерн (более подробная информация содержится в главе 12).

Поскольку RAS приобрела популярность, и эти системы также планируются как крупномасштабные предприятия (например, Nordic Aquafarms планирует инвестировать в ферму RAS стоимостью 500 миллионов долларов США в Белфасте, Мэн, США), конструкции крупных резервуаров становятся все более крупными важно. Эти большие цистерны зачастую (по крайней мере теоретически) гораздо более экономичны по сравнению с традиционными меньшими цистернами (рис. 6).

Рис. 6: Большой круглый резервуар (глубина 6 м, диаметр 32,5 м) в составе лосося RAS (Швейцарская альпийская рыба)

Условия стока оказывают значительное влияние на здоровье рыб. Можно установить различные потоки воды и, таким образом, структурировать бассейны гидравлически с помощью панелей. Таким образом, рыба остается в оптимальной части бака (рис. 7). Важно знать, что пловцам нужно плавать, другими словами, им нужен ток. Скорость течения должна быть адаптирована к видам рыб. Как правило, мелкая рыба требует более низкой скорости тока, хотя она должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать, что разделение твердых веществ по-прежнему работает. Все это также влияет на качество мякоти рыбы.

Рисунок 7: Система потока, специально разработанная для выращивания лосося, Swiss Alpine Fish AG, Лосталло, Швейцария

Разделение твердых тел

Существует несколько причин для удаления твердых веществ. Во-первых, качество воды улучшается за счет уменьшения содержания органических веществ, что снижает минерализацию (аэробное дыхание) и, следовательно, помогает стабилизировать содержание кислорода. Во-вторых, сохранение качества воды также способствует поглощению кормов и контролю запасов. Кроме того, удаление твердых веществ снижает бактериальную нагрузку, так как удаляет источник пищи для микроорганизмов. Высокая бактериальная активность в водной толще приводит к ненужному потреблению кислорода.

Еще одним преимуществом удаления твердых веществ является предотвращение засорения рыбной жабры, что может привести к замедлению роста или даже гибели рыбы. Однако это зависит от вида рыб. Фильтровальная кормящая рыба, как и многие виды карпа, может даже полагаться на определенное количество взвешенных соединений в своей естественной среде обитания и, следовательно, выдерживать большее количество взвешенных твердых веществ в РАС, чем, например, лососевые (Avnimeleh 2014).

Одной из наиболее важных технических причин, обусловливающих необходимость удаления твердых веществ, является потенциальное засорение биофильтра (c.f. Глава 9). Кроме того, эффективность снижения зародышей путем дезинфекции (c.f. Глава 9) повышается за счет удаления твердых веществ. Твердые вещества в рыбной воде имеют различные размеры, и процедуры удаления этих твердых веществ варьируются в основном в зависимости от их размера (рис. 8).

Очистка сточных вод и отведение осадка являются важными факторами затрат интенсивных РСО. RAS требует 300-1000 л воды обмена на кг выработанной рыбы и дает 100-200 г сухого осадка. Чтобы свести к минимуму объем сточных вод, можно обработать шламовую воду, которая образуется в результате разделения твердых частиц. Таким образом, даже низкотехнологичная система фильтрации может добиться значительного сокращения конечного объема сточных вод.

Рис. 8: Процессы удаления твердых частиц и диапазон размеров частиц (в мкм), в которых эти процессы являются наиболее эффективными (адаптированы после Timmons and Ebeling 2007

Дезинфекция

Бактериальные, а также вирусные заболевания могут создавать серьезные проблемы в интенсивных РАС. Наиболее распространенными методами являются дезинфекция воды с использованием озона или ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый свет при определенной интенсивности может разрушить ДНК биоорганизмов, таких как патогены и одноклеточные организмы. В RAS ультрафиолетовый свет (рис. 9) в основном покрывается коротким куском трубы между механической фильтрующей установкой (например, барабанным фильтром) и биофильтром. Интенсивность или доза ультрафиолетового света могут выражаться в мкВт/см² (энергия на площадь). В РАС УФ доза, необходимая для уничтожения (деактивации) около 90% организмов, колеблется в диапазоне 2000-10 000 мкВт/см². Однако для уничтожения всех грибов и мелких паразитов необходима доза до 200 000 мкВт/см² . Для максимальной эффективности важно разместить ультрафиолетовый свет после механической системы фильтрации таким образом, чтобы он не блокировался взвешенными твердыми веществами.

Рис. 9: УФ реактор (AKR UV Systems

Добавление озона (O₃) является еще одним эффективным методом уменьшения патогенов и других нежелательных организмов в РАС. При контакте с водой он расщепляется на O₂ свободный кислородный радикал O. Этот радикал «атакует» и окисляет органические вещества. Это приводит к деградации взвешенных частиц или некоторых веществ (осветление мутности воды, цветообразование гуминовыми кислотами). Аналогичным образом, стенки биологических клеток организмов также подвергаются нападению радикала O молекулы озона, убивая бактерии, плавающие и нитевидные водоросли. Тем не менее, озон очень реактивен и может также нанести вред нитрифицирующим бактериям в биофильтре и атаковать жабры рыбы, если они применяются в слишком больших количествах. Поэтому дозировка должна контролироваться постоянно. Химические агенты могут быть использованы для пунктуальной обработки, чтобы уменьшить концентрацию зародышей в воде. Обычно используется пероксид водорода (H_{2O 2}), иногда стабилизированный с помощью наруксусной кислоты (CH₃CO₃H). Передозировка может иметь серьезные последствия для здоровья рыб и может повредить фильтрующие бактерии.

Таблица 1: Преимущества и недостатки дезинфекции УФ, озона и перекиси водорода (H₂O₂) в РАС

Биофильтрация

Процесс нитрификации происходит в биофильтре для окисления токсичного свободного аммония в токсичный нитрит и, в конечном итоге, в нетоксичный нитрат. Нитрифицирующие бактерии являются сердцем биофильтра. Эти бактерии растут на поверхности фильтрующих сред. Средство может быть закреплено (например, фильтр просачивания) или перемещено (например, фильтр перемещения слоя). Нитрифицирующие бактерии чувствительны к изменениям качества воды в системе (особенно рН и температуры), поэтому быстрые изменения следует избегать или делать медленными шагами, поскольку в противном случае большое количество нитрифицирующих бактерий может исчезнуть, что приведет к появлению аммиака и нитрита в системе. Кроме того, поскольку нитрифицирующие бактерии аэробные, содержание растворенного кислорода в биофильтре всегда должно поддерживаться на определенном пороге (в зависимости от температуры воды). Химические реакции, происходящие в биофильтре, объясняются в главе 5. Более подробная информация о выборе правильной биофильтрации приведена в главе 12.

Дегазация и аэрация

Передача газа между жидкой и газовой фазой происходит при субнасыщении в одной фазе. Растворимость газа зависит от давления, температуры, солености и парциального давления газа. Перенос происходит по контактным поверхностям между газом и жидкостью. Аэрация увеличивает содержание кислорода в воде. Дегазация удаляет из воды такие газы, как углекислый газ.

Дегазация

Газы, особенно углекислый газ, образующийся в результате дыхания рыбы и бактерий, накапливаются в воде системы. Они могут оказывать вредное воздействие на рыбу, если концентрации становятся слишком высокими. Поэтому установка дегазации обычно добавляется к интенсивным РАС. Вывод газа (дегазация) достигается за счет увеличения площади контактной поверхности между водой и воздухом либо путем аэрации водной толщи, либо путем разбрызгивания воды через воздух. Различные биофильтры уже обладают высоким эффектом дегазации: в фильтре проникает вода через воздух, в то время как в фильтре движущегося слоя воздух проходит через воду. Таким образом, это может привести к избытку дополнительной установки дегазации.

Окисление

Содержание растворенного кислорода (O₂) является одним из важнейших параметров качества воды в RAS и часто является первым сдерживающим фактором в чрезвычайных ситуациях (например, в случае отключения электроэнергии, выхода из строя насоса и т.д.). Существует множество методов обогащения растворенного кислорода в воде. Потребление газа (аэрация) может быть увеличено за счет: (i) максимального увеличения зоны контакта кислорода и воды с помощью вихрей или мелких пузырьков; (ii) максимального периода контакта кислорода с водой с использованием небольшого диаметра пузырька и/или медленного потока воды; (iii) повышения давления (повышает растворимость) — уровень воды, давление сосуд; и (iv) повышение парциального давления O₂(повышает растворимость) — чистый кислород.

Высокоэффективный вход кислорода

В интенсивных РАС технологии оксигенации зависят от использования чистого кислорода, а не от простой аэрации, которая становится непрактичной при определенных плотностях рыб. Кислород производится либо на месте с помощью генератора кислорода, либо поставляется внешней фирмой и хранится в резервуарах для жидкого кислорода за пределами аквакультуры.

Низкоэффективный вход кислорода

В обширных рыбных прудах, как правило, достаточно низкоэффективного ввода кислорода. Это достигается за счет (i) поддержания прохладной воды, так как она растворяет больше кислорода, и (ii) увеличения движения воды. Это может быть поддержано различными режимами аэрации (см. Глава 12).

Насосы и насосные котлы

Насос для RAS то, что сердце для человеческого тела. Если он терпит неудачу, то результат может быть катастрофическим. Поэтому при покупке насоса не стоит жалеть никаких расходов. При необходимости можно использовать насосы с регулируемой скоростью, чтобы уменьшить расход. Использование параллельной серии насосов с обратными клапанами позволяет снизить вероятность выхода из строя системы. Перед покупкой насоса следует рассчитать потери давления в трубах, например, с помощью этого онлайн-калькулятора: http://www.pressure- Drop.com/Online-Calculator/.

*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *