Узел первичной водоподготовки.
Основными источниками водоснабжения УЗВ могут быть глубинные скважины, колодцы, местный водопровод, близлежащие реки или озёра. Довольно часто вода в них не соответствует нормативным рыбоводным требованиям. Очень большое число подземных водоисточников в Беларуси содержат железо, тяжёлые металлы в дозах, превышающих ПДК. Нередко в этих источниках также содержатся азотосодержащие ионы. В связи с этим такую воду перед подачей в УЗВ необходимо обрабатывать, удаляя из неё все вредные для рыбы вещества. За данными услугами необходимо обращаться к специалистам, занимающимся первичной водоподготовкой. Исходя из оценки анализов воды из конкретного водоисточника, они могут рекомендовать соответствующее оборудование, определяя его отдельные сильные и слабые стороны.
Фото 1: Узел первичной водоподготовки.
Бассейны
По форме они бывают круглыми, прямоугольными, продольными, овальными или продольными с округлёнными углами. Наиболее технологичные – круглые бассейны. Соотношение диаметра к высоте бассейна должно составлять 3:1 (Н. Барулин, 2016). У таких бассейнов круговое движение воды создаёт равномерный поток по всей глубине, позволяет обогащать весь объём воды кислородом и не иметь застойных анаэробных зон, а концентрация взвесей осуществляется в центре, у дна резервуара. Дно бассейна, предназначенного для выращивания форели или африканского сома желательно делать конусным, а для осетра или угря лучше плоским, с возможностью подачи воды на очистку как через верх, так и через низ бассейна. Зачастую они оборудуются двойным с двойным сливом: один для подачи оборотной воды на очистку, другой – для вывода шламового осадка за пределы УЗВ. Недостаток круглых бассейнов – иррациональное использование общей площади УЗВ, чего не скажешь о квадратных и прямоугольных бассейнах.
Схема 1: Варианты конструкции бассейнов для УЗВ.
Механические фильтры
Они конструктивно бывают типа МСБФ (механический сетчатый барабанный фильтр), дисковые, с функциями подобно МСБФ, а также в форме трубчатых или пластинчатых отстойников. Очень часто в УЗВ осуществляют очистку воды от взвесей погружными фильтрами с неподвижной пластиковой загрузкой. Преимущество МСБФ и дисковых фильтров заключается в том, что здесь требуется ручной труд при обслуживании, они довольно надёжны в УЗВ с высокой гидравлической нагрузкой. Степень очистки твёрдых веществ в МСБФ: с ячейками 30 микрон (мк) – 99%, 60 мк – 48% и 100 мк –21% (M. Hochleithner, 2010). Недостатки – высокий расход промывочной воды: чем меньше ячейки сетки, тем больше расход воды с частичной закупоркой ячеек, потребление электричества, большая цена по сравнении с другими устройствами. Тем не менее, МСБФ очень широко применяются в современных УЗВ. Преимущества отстойников и погружных фильтров – высокая степень очистки воды от взвесей, 90 — 95% (Dr. F. Ruemmler, 2010) с осаждением очень мелких частиц, и, что очень важно — частичная нитрификация и диффузная денитрификация. Данные фильтры используются во всех форелевых УЗВ Беларуси. Их недостаток – ручной труд при регенерации загрузки, сливе загрязнений.
Схема 2: Установка МСБФ в УЗВ
Биофильтры
Фильтры для биологической очистки воды УЗВ ещё называют биореакторами. В зависимости от своего предназначение большинство из них бывают капельными (триклинг) или орошаемыми, погружными с неподвижной загрузкой и с подвижной загрузкой (MBBR – moving bed bioreactor) (M. B. Timmons and J. M. Ebeling, 2010). Капельные фильтры представляют собой своеобразную башню, высотой 1-5 м, со сложенными друг на друга крупными пластиковыми биоблоками или решётчатый каркас с заполненной мелкими биосредствами с активной поверхностью 200-400 м2/м3. Разбрызгиваемая сверху вода стекает вниз тонким слоем по биозагрузке, обогащаясь кислородом, окисляя аммоний и освобождаясь от диоксида углерода. Средняя удельная производительность такого биофильтра – 0,52 г NH4-N/м2/сутки (Knoesche, 2009). Преимущество его в том, что данные процессы в фильтре протекают одновременно. Недостатки – требуется помещение с высоким потолком, большие энергозатраты на подачу воды на данную высоту и продувку воздухом. Погружные биофильтры (резервуары с водой) заполняются биосредствами с активной поверхностью до 800 м2/м3 и более. Соотношение объёмов биосредств и воды 50% : 50%. Эти фильтры бывают с нисходящим или восходящим потоком воды, с подачей сжатого воздуха снизу из диффузоров для обогащения воды кислородом. Средняя удельная производительность такого биофильтра – 0,36 г NH4-N/м2/сутки (Ruemmler u. Knoesche, 2009). Преимущество – в способности данного биофильтра наряду с нитрификацией обеспечивать диффузную денитрификацию за счёт частично образующихся в нём анаэробных зон. Недостаток – эти фильтры требуют периодической промывки и сброса шлама. МBBR – биологический фильтр, в котором загрузка посредством потока воздуха или воды находится в постоянном движении. За счёт этого толстые слои биоплёнки периодически смываются с бионаполнителей, позволяя наиболее производительным тонким слоям биоплёнки эффективнее осуществлять процесс окисления аммония до нитратов. Преимущество МББР – в их высокой производительности – до 1,3 г NH4-N/м2/сутки (Ruesten u.a. 2007), отсутствие необходимости в регенерации загрузки, большая вместимость биомедиа – до 70% от общего объёма резервуара. В современных УЗВ они представлены почти всегда. Недостаток – отсутствие процесса диффузной денитрификации, энергозатраты на движение воды и подачу воздуха.
Особенности применения вышеперечисленных биофильтров в сочетании с мехфильтрами и в зависимости от видов гидробионтов отмечены ниже в таблице.
Таблица 1. Варианты комбинация мехфильтров и МББР в УЗВ
Формирование биопленки
Её формирование включает три этапа: поглощение молекул, необходимых для контакта бактерий, колонизацию субстрата пионерской группой бактерий, размножение и вторичное прикрепление (Characklis, 1981; Costerton, 1999). Фактически, бактериальные клетки фитопланктона обратимо прикрепляются к субстрату после обработки его поверхности органическими молекулами и минеральными веществами. На этом этапе наблюдается ингибирование синтеза и последующая потеря жгутиков, которые нарушают структуру биопленки. Неуклонно возрастает продукция экзополисахаридов, играющих важную защитную (повышают устойчивость к действию антибиотиков, дезинфицирующих средств и детергентов) и механическую роль (прикрепление к субстрату) (Watnik and Kolter, 2000; Michaud, 2007). После этого происходит деление клеток, увеличение объема биомассы и образование зрелой биопленки, имеющей эффективные внеклеточные коммуникации. Наконец, часть этой пленки шелушится, и высвобождаются свободные планктонные бактерии, которые захватывают новый свободный субстрат (Costerton, 1999; Ghigo, 2006).
На картинке стадии формирования биопленки бактерий
Сумматоры
Бассейны – сумматоры присутствуют обычно в больших классических УЗВ. В них сосредотачивается вода, прошедшая биологическую очистку, с целью подключения в байпас к УЗВ систем обеззараживания (УФ- или озоновый стерилизатор), подогрева, стабилизации рН, подпитки свежей воды и забора насосом дополнительно обработанной воды для последующей подачи её в узлы дегазации и оксигенации, а от них в рыбоводные бассейны. Недостаток сумматоров – потребность в дополнительном пространстве для их установки. В малых УЗВ вместо сумматоров используют небольшие насосные приямки с подобными функциями.
Схема 3. Бассейн-сумматор.
Биологическая фильтрация
Биологический фильтр
Одним из ключевых звеньев рециркуляционной системы выступает биологический фильтр. Обычно он состоит из цилиндрического реактора, где располагается наполнитель, предназначенный для увеличения контактной поверхности и обеспечения роста бактерий (Avnimelech, 2006; Gutierrez-Wing and Malone, 2006).
Независимо от типа системы (морская или пресноводная, мелкий аквариум или крупная ферма), биофильтр осуществляет аэробные и анаэробные процессы с целью удаления загрязнений в форме аммония, углекислого газа. Аммоний продуцируют рыбы, а углекислый газ образуется из несъеденного корма и фекалий (Schreier et al., 2010).
Традиционно биофильтр характеризует объем субстрата (м3), входящего в него, либо соотношение площадь поверхности субстрата к его объему (м2/м3) (Drennan et al., 2005). Сегодня рынок наполнителей очень разнообразен и включает песок, ракушки, керамзит, пластиковый материал.
Выбор подходящего биофильтра сказывается на вложениях и операционных затратах УЗВ, качестве воды и эффективности обработки воды.
Денитрификаторы
Это узел, предназначенный для преобразования накопившихся в оборотной воде нитратов в газообразный азот, N2. Преимущество его в том, что имея в УЗВ денитрификатор, отпадает необходимость в дополнительном использовании воды для поддержания уровня нитратов в воде УЗВ на оптимуме. Недостаток – требуется постоянный уход, добавление в воду метанола или других веществ для поддержания на должном уровне анаэробных гетеротрофных бактерий. В УЗВ, где проходит диффузная денитрификация, этот узел не используется.
Узел отдувки СО2
В воде действующей УЗВ в результате дыхания гидробионтов и процесса нитрификации выделяется углекислый газ. На каждый грамм потреблённого кислорода рыбами выделяется 1,2-1,4 г диоксида углерода. Этот газ очень хорошо растворяется в воде и при высоких концентрациях (более 20 мг/л) в дальнейшем препятствует поступлению кислорода рыбам через жабры (Schlottfeld, 1980). Чтобы СО2 не накапливался в воде, его нужно отдувать воздухом, из расчёта подачи в воду на каждый килограмм потребляемого рыбами корма — 80-120 м3 воздуха. На практике в этих целях сооружают «поле аэрации/дегазации» в виде отдельных бассейнов с централизованной подачей через диффузоры сжатого воздуха. Недостаток данного способа – нужны дополнительные площади, отдельный бассейн, энергозатраты. Дешевле эта проблема решается за счёт использования в каждом УЗВ системы эрлифтов. Они же одновременно насыщают воду кислородом из воздуха. Эрлифты очень хорошо себя показали на осетровой УЗВ ФХ «Василёк» в Беларуси.
Фото 2. Эрлифт в УЗВ ФХ Василёк
Состав биопленки
Обычно структура бактериальной биопленки состоит из комплекса клеточных агрегатов, погруженных в защитный самовоспроизводимый матрикс. Этот матрикс, построенный из внеклеточных полимерных соединений, препятствует прикреплению других организмов и, таким образом, играет важную роль в конкурентной борьбе за ресурсы (Davey and O’Toole, 2000; HallStoodley et al., 2004). Кроме того, частичная неоднородность сказывается на поведении и общей функциональности биопленки (Xavier et al., 2004).
Оксигенация
Это способ обогащения воды техническим кислородом. В рыбоводстве есть два способа оксигенации: напорный и безнапорный. В напорном используются оксигенаторы – агрегаты, обеспечивающих принудительное растворение кислорода. Кислород туда может подаваться из баллонов, газгольдеров или генераторов кислорода. Распределение обогащённой О2 воды по
бассейнам осуществляется насосом. При применении насоса с давлением 1,3 бар обеспечивается насыщение воды кислородом до 300-400%. Этот способ используется при содержании рыбы с большими плотностями посадки. Есть ещё оксигенаторы низкого давления (0,1-0,2 бар), работающие на плаву непосредственно в бассейнах с рыбой. Недостаток данного способа – наличие затрат на приобретение кислорода и потребление электричества насосами и компрессорами. При безнапорном способе используются оксигенаторы, в которых поток воды через форсунки распыляется над слоем кислорода, смешивается с ним и самотёком подаётся в бассейны. Насыщение воды О2 при этом составляет не более 200%, но дополнительного расхода электричества уже не требуется.
Схема 4. Схемы оксигенаторов
Нитрификация протекает в два этапа
На первом этапе окисляющие аммоний бактерии, переводят аммоний в нитрит. К числу этих бактерий относятся две филогенетические группы:
1. В морских системах. Род Nitrococcus, принадлежащий к β подклассу протеобактерий, и представленный двумя морскими видами (Koops and Pommerening-Röser, 2001); 2. В пресноводных системах. Гамма-подкласс протеобактерий, представленный кладами Nitrosospira и Nitrosomonas (Michaud, 2007).
Окисление аммония имеет следующий вид: NH4+ + 3/2 O2 → NO2— + 2H+ + H2O + 84 ккал моль-1
Сначала аммоний окисляется до гидроксиламина, как промежуточного продукта, а затем до нитрита. Процесс вовлекает два фермента: аммоний монооксидгеназу (AMO) и гидроксиламин оксид-редуктазу (HAO) (Tsang and Sukuki, 1982; Bock et al., 1991). Гидроксиламин является первым продуктом аэробного окисления. В анаэробных условиях образование нитрита из гидроксиламина снижается (van de Graaf et al., 1996).
На втором этапе нитрит окисляется до нитрата различными группами микроорганизмов, бактерий окисляющих нитрит (NOB). Эти бактерии включают четыре группы (Egli, 2003).
Основная группа, относящаяся к α подклассу протеобактерий, имеет лишь один род Nitrobacter, который подразделяется на четыре вида, два из которых морские (N. mobilis и N. gracilis, принадлежат β и γ подклассам протеобактерий, Koops and Pommerening-Röser, 2001). Другой род Nitrospira включает два вида, N. marina и N. mascoviensis (Ehrich et al., 1995), которые являются частью типа, принадлежащего δ подклассу протеобактерий (Michaud, 2007).
Реакция окисления нитрита в нитрат имеет следующий вид: NO2— + 1/2 O2 → NO3— + 17.8 ккал моль-1
В этот процесс вовлечено несколько ферментов: нитрит оксидредуктаза (NOR), цитохром a1 и a2, хинин и NADH дегидрогеназа (Bock et al., 1986; Bock et al., 1990).
Если механизмы нитрификации уже всесторонне изучены (van Rijn, 1996; Aoi et al., 2000; Koops and Pommerening-Röser, 2001; Egli, 2003; Tal et al., 2003; Sharrer et al., 2005; Michaud, 2007), то исследование флоры гетеротрофных бактерий началось сравнительно недавно (Michaud et al., 2006, 2009). Эти бактерии играют важную роль в потреблении кислорода, образовании субпродуктов метаболизма после лизиса клеток, вспышке инфекций рыб. Кроме того, они конкурируют с автотрофными бактериями за кислород и субстрат, и существенно ингибируют нитрификацию (Zhu and Chen, 2001a; Léonard et al., 2002; Michaud et al., 2006). Фактически, в биофильтре гетеротрофные бактерии развиваются быстрее и преобладают на внешнем слое наполнителя, непосредственно потребляя кислород из воды. Это пагубно сказывается на автотрофах, которые растут медленнее и в глубоких слоях наполнителя (Lewandowski et al., 1993; Zhu and Chen, 2002). Конкуренция имеет критическое значение в эффективности работы фильтра, окислении аммония. Она особенно актуальна, когда высока доступность органического углерода для гетеротрофных бактерий (Zhu and Chen, 2001b; Michaud et al., 2006).
Аэрация
Насыщение воды УЗВ кислородом из окружающего воздуха – наиболее простой и менее затратный способ по сравнению с оксигенацией. Как уже указывалось, он может осуществляться путём установки эрлифтов (воздушных насосов) в каждом бассейне. В зависимости от температуры воды, концентрации органики и давлении в атмосфере при помощи эрлифта можно создать концентрацию О2 от 5 до 12 мг/л. Таким образом в одном кубе воды будет 5-12 тыс. мг кислорода. При водообмене 1 раз за час в нём можно вырастить около 30 кг осетров, а при 2х кратном — уже 60 кг, навеской до 2 кг/шт. Насытить воду кислородом из воздуха можно также путём установки в УЗВ одной аэрационной колоны. Её преимущество – в централизованной аэрации всей оборотной воды. Аэрационные колоны успешно эксплуатируются уже много лет в угрёвой УЗВ ФХ «Актам Фиш» в Миорском р-не Витебской обл.
Фото 3. Эрлифты и аэраторы в Миорах.
В данной статье рассмотрены лишь некоторые принципы работы, сильные и слабые стороны основного оборудования УЗВ. В комбинации в цепи УЗВ одних узлов с другими можно допиться высокой результативности в выращивании рыбы. Однако, не имея полноты знаний в этой области, добиться устойчивого производства невозможно. Рекомендуется обращаться к соответствующим специалистам.
Павел Аксиментьев
Разработчик УЗВ
Бактериальная очистка
В системах с рециркуляцией воды бактерий можно отнести к одной из двух основных групп: 1. Почти все органические вещества представлены углеводами, аминокислотами, белками и липидами. Они поступают с несъеденным кормом, мертвыми тушками и экскрементами рыб, и минерализуются гетеротрофными бактериями, как в фильтре, так и в водном потоке.
2. С другой стороны, автотрофные бактерии используют углекислый газ, как источник углерода, и добывают энергию через окисление неорганических азотсодержащих соединений, серы и железа. В ходе минерализации азота в составе протеинов происходит выделение аммония (NH4+). Этот процесс инициируется и протекает при посредничестве протеаз и дезаминаз бактерий. Более того, аммоний выделяется непосредственно рыбами (Sharrer et al., 2005; Sugita et al., 2005).
Во время эксплуатации, в фильтрах работает гетерогенная группа хемо-лито-автотрофных строго аэробных бактерий, которые филогенетически не связаны (Aoi et al., 2000; Michaud, 2007). Эти, так называемые, нитрифицирующие бактерии выполняют нитрификацию, т.е. переводят аммоний в нитрит и, затем, менее токсичный нитрат (Schuster and Stelz, 1998). Данный механизм позволяет очистить поступающую в фильтр воду, снизить содержание аммония.
Нитрификация осуществляется лишь двумя бактериальными фракциями: фиксированная фракция (прикрепленная к субстрату) и взвешенная (свободная). Основными лимитирующими факторами для нитрифицирующей биопленки служат TAN (общий аммонийный азот) или DO (концентрация растворенного кислорода). Фактически, этот процесс максимально активен при концентрации кислорода 80%, а при концентрации DO ниже 2 мг/л он прекращается (Michaud, 2007). Кроме того, уровень нитрификации в биопленке можно выразить как баланс между потребностями в субстрате, вследствие роста биомассы, и, наличием свободного пространства, обусловленным процессами диффузии (Rasmussen and Lewandowski, 1998).
