Современное состояние рыбоводства в установках с замкнутым циклом водообеспечения
Одним из наиболее перспективных направлений индустриального товар
ного рыбоводства является разведение рыб в установках с замкнутым циклом
водообеспечения (15, 35, 38, 41).
Первое промышленное рыбоводное предприятие с замкнутой системой
водообеспечения было построено в Японии в 1951 году. В Европе первая
УЗВ появилась в 1967 году в Австрии, в 1972 — в Германии. Во второй поло
вине 70-х вступила в строй первая отечественная автоматизированная уста
новка «Биорек», общим объемом 40м”. С тех пор, особенно за последние
10-15 лет, это направление в рыбоводстве достигло огромного прогресса.
Появились новые, более совершенные системы очистки воды, резко возрос
уровень автоматизации, созданы технологии выращивания для десятков ви
дов рыб и других гидробионтов, как пресноводных, так и морских.
Российскими учеными разработаны типовые установки с замкнутым цик
лом водообеспечения производительностью по карпу соответственно 10 и
40т/год (табл. 1), которые по техническим характеристикам соответствуют
лучшим образцам известного в мире аналогичного оборудования (21,102).
Таблица 1
Параметры типовых УЗВ (производительность по карпу – 10 и 40 т/год)
Данная технология на современном этапе своего развития в состоянии
обеспечить;
— создание оптимальных условий для максимального роста любых куль
тивируемых видов;
— полный контроль и управление производством;
— высокую концентрацию производства;
— экономию воды, земли, электроэнергии;
экологическую чистоту получаемой продукции и технологического
процесса.
Для получения 1кг товарной рыбы в установках с замкнутым циклом
водообеспечения достаточно 50-100л воды, 0,01 кв.м земли, 5кВт электро
энергии (14,15,16,35).
Концентрация отходов на небольшой площади создает условия для ус
пешной их переработки и организации вторичных производств (тепличные
хозяйства, выпуск органических удобрений, вермикультура; осадки УЗВ
можно также включать в состав комбикормов для выращивания карпа и ти
Ляпии) (4, 13, 100).
Созданы типовые модули, позволяющие получать с площади 140-150кв.м
соответственно до 10т посадочного материала и до 40т товарной рыбы в ре
жиме полицикличной технологии (21, 102). На базе типовых модулей могут
комплектоваться хозяйства аквакультуры любой мощности и назначения.
Разработана математическая модель функционирования замкнутой систе
мы, которая позволяет рассчитывать и создавать установки любого объема и
типа для успешного выращивания всего известного перечня объектов аква
культуры (89, 99).
Уровень конструкторских разработок позволяет использовать в установ
ках различные виды рыбоводных емкостей, осуществлять различные вариан
ты комплектации и компоновки оборудования по высоте и площади. Это
расширяет область применения разработанных систем — от уровня крестьян
ских ферм до самостоятельных полносистемных рыбоводных комплексов
(28, 70).
Применительно к замкнутым системам проведены исследования по тех
нологиям выращивания различных объектов аквакультуры: карпа (12), расти
тельноядных рыб (33), тиляпии (18, 32), форели (91, 94), осетровых (34, 37,
88, 93), камбалы и налима (94), канального и африканского сомов (8, 9, 10,
11, 91, 92).
Технологии обеспечены специальными рецептурами комбикормов, позво
ляющими получать 1кг прироста при затратах корма 0,7-1,9кг в зависимости
от стадии развития объекта (35, 67).
Культивируемые виды достигают 1г за 1-1,5мес., 50г — за 3-4 месяца, то
варной массы в 500-700г — за 4-6 месяцев и половозрелости за один — полтора
года (тиляпия — за 3-4 месяца) от личиночной стадии.
Система очистки воды в УЗВ. Выращивание рыбы в УЗВ происходит
при многократном использовании одного и того же объема воды, подвергае
мого очистке и вновь возвращаемого в рыбоводные емкости. Важнейшим
условием нормального функционирования установки является эффективная
работа блоков очистки. Система регенерации воды УЗВ должна обеспечивать
эффективное удаление из оборотной воды взвешенных веществ и растворен
ных метаболитов рыб, поддержание оптимального температурного, газового
и солевого режима (14, 91 и др.).
Большинство применяемых методов очистки воды можно разделить на 4
группы: физические (осаждение, фильтрация, флотация), химические (окис
ление и коагуляция органических загрязнений), физико-химические (адсорб
ция и ионообмен) и биологические. В составе УЗВ они могут использоваться
как каждый в отдельности, так и в комплексе. В современных установках
наиболее широко используются физическая (механическая) и биологическая
очистка воды (18).
Система регенерации воды в замкнутых установках как правило состоит
из нескольких элементов: узел механической очистки воды, в котором удаля
ется основная часть твердых отходов; узел биологической очистки, где про
исходит изъятие растворенных загрязнений; блок окончательной очистки, в
котором вода доводится до требуемых кондиций (терморегуляция, оксигена
ция, обеззараживание, pH-регулировка и т. д.).
Механическая очистка воды. Кроме постоянно выделяемых продуктов
метаболизма (аммиака и растворенных органических соединений), при корм
лении рыб в воду попадают остатки несъеденного корма и экскременты. Они
частично растворяются в воде, частично образуют взвешенные вещества, но
основная их часть оседает на дно и если вовремя не будет удалена то, посте
пенно разлагаясь, также загрязняет воду.
Для удаления взвешенных веществ из оборотной воды используют осаж
дение и фильтрацию. Осаждение взвешенных веществ происходит в отстой
никах различного типа – вертикальных, горизонтальных, радиальных и тон
кослойных, снабженных устройствами для сбора осадка. Основной их недос
таток — большие объемы и низкий эффект очистки (как правило не более
35—40 %). Принцип осаждения присутствует также в случае применения цен
трифуг или гидроциклонов. Их применение в составе рыбоводных систем
показало, что они способны не только осветлять воду, но и способствовать
удалению некоторого количества азотных соединений. Однако эти сооруже
ния весьма дорогостоящи и энергоемки, в виду чего они не нашли широкого
применения в рыбоводстве.
Наибольшее распространение в качестве устройств механической очистки
воды УЗВ получили фильтры различных конструкций (96, 103 и др.). Перво
начально использовали гравийные, песчано-гравийные и быстрые песчаные
фильтры. Однако им были свойственны серьезные недостатки: низкая удель
ная производительность, трудность промывки и значительный расход про
мывочной воды. В настоящее время наибольшее распространение получили
барабанные самопромывающиеся и плавающие фильтры.
Типичным примером барабанных фильтров является фильтр НСФ–50,
производительностью по очищенной воде 50м*/ч. Преимуществами фильтров
подобной конструкции являются высокая компактность и непрерывность
действия. Недостатки – сложность устройства, наличие дополнительного
электропривода. Минимальный размер отфильтровываемых частиц составля
ет, как правило, 150-200мкм, эффект очистки – 85-90 %.
Высокий эффект очистки оборотной воды от взвешенных веществ ( 90
— 95 %) обеспечивают фильтры-отстойники с плавающей загрузкой. В каче
стве загрузки плавающего фильтра обычно используются полиэтиленовые
гранулы диаметром 2,5мм. Регенерация загрузки осуществляется путем бар
ботажа. Плавающие фильтры просты по конструкции, надежны, имеют низ
кий расход промывочной воды, однако они менее компактны по сравнению с
барабанными сетчатыми фильтрами.
Биологическая очистка. Является наиболее распространенным способом
очистки воды в замкнутых системах и заключается в утилизации растворен
ных загрязнений с помощью микроорганизмов посредством процессов мине
рализации, нитрификации и дeнитрификации (15).
Конечным продуктом белкового обмена у рыб является аммиак. Он со
ставляет около 60-80% всех азотистых соединений, постоянно выделяемых
рыбой через жабры и почки в воду. Именно аммиак является основным ток
сическим веществом, против которого направлено действие системы биоло
гической очистки.
Процесс очистки осуществляется микроорганизмами, закрепленными на
поверхности загрузки, а также взвешенной микробной массой (активный ил).
Основные группы микроорганизмов, обитающие в устройствах биологиче
ской очистки — это автотрофные и гетеротрофные виды бактерий.
Гетеротрофы окисляют органические азотсодержащие компоненты вы
делений рыб и остатков кормов, превращая их в простые неорганические со
единения, главные из которых вода, углекислый газ и аммиак. Поэтому этот
первый этап биологической очистки получил название аммонификация (ми
нерализация). После того, как органические соединения переведены гетеро
трофными бактериями в неорганические, биологическая очистка вступает в
следующую стадию, получившую название нитрификации. Под этим процес
сом понимают биологическое окисление аммония до нитритов (NO,5) и даль
нейшее их окисление до нитратов (NO35). Нитрификация осуществляется ав
тотрофными бактериями, которые в отличие от гетеротрофов не нуждаются в
готовых органических соединениях. Нитрифицирующие бактерии в устрой
ствах биологической очистки представлены в основном родами Nitrosomonas
и Nitrobacter. Источником энергии для Nitrisomonas является процесс окисле
ния аммиака до нитритов, а Nitrobacter получает энергию из реакции даль
нейшего окисления нитритов до нитратов:
1) NH,* + OH + 1,50, =H+ NO, + 2H,0
2) NO, + 0,5 0, = NO;
Главный итог этих уравнений — превращение токсичного аммония в нит
раты, которые гораздо менее ядовиты для рыб.
Процесс нитрификации приводит к окислению неорганического азота.
Одновременно идет процесс восстановления неорганического азота – денит
рификация. В процессе денитрификации происходит переход азота из нитра
тов в газообразное состояние. Основными денитрифицирующими бактерия
ми являются Pseudomonas, Achromobakter, Bacillus и др. Если одновременно с
нитритами в среде присутствуют аммонийные соли или аминокислоты, то
свободный азот выделяется за счет их химического взаимодействия (косвен
ная дeнитрификация), в отличие от прямой денитрификации, когда восста
новление нитратов, напротив, идет до свободного азота. Таким образом, де
нитрификация в отличие от минерализации и нитрификации уменьшает ко
личество неорганического вещества в воде. Минерализация, нитрификация и
денитрификация – процессы, происходящие во вновь запускаемой системе
последовательно. В установившейся системе они идут параллельно (35).
Для биологической очистки воды в установках с замкнутым циклом во
дообеспечения в настоящее время применяют биофильтры — устройства, ис
пользующие прикрепленную микрофлору. Очистные сооружения, исполь
зующие активный ил (аэротенки и интеграторы) не получили широкого рас
пространения, в основном из за низкой удельной производительности.
Биофильтры представляют собой емкости, заполненные загрузкой раз
личного типа, на поверхности которой развивается бактериальная пленка,
осуществляющая очистки воды. Важнейшей характеристикой биофильтра,
определяющей его производительность, является удельная площадь поверх
ности загрузки.
В ранних конструкциях применялась объемная загрузка
(гравий, керамзит, раковины моллюсков и т. д.), имевшая удельную площадь
поверхности (УПП) 20-100м*/м. Позднее стали использовать пленочную и
кассетную загрузки (биофильтры ЛИСИ) с УПП 100-150м*/м. В настоящее
время широко применяются различные виды специальной пластиковой за
грузки (сотовая, мелкозернистая, “биошары” с развитой площадью поверхно
сти), имеющие УПП на уровне 350—1500 м*/м? (98, 101). И, наконец, исполь
зуются биофильтры с регенерируемой песчаной загрузкой (УПП 2000 —
— 4000м*/м*). Повышение удельной производительности устройств биологи
ческой очистки привело к резкому сокращению объема блоков очистки УЗВ.
Если у первых УЗВ соотношение объемов рыбоводных емкостей и аппаратов
водоподготовки составляло 1:5–10, то для современных систем этот показа
тель равен 1:0,5-1.
Существующие типы биофильтров можно условно разделить на 3 груп
пы: погружные; oрoшаемые; вращающиеся.
Погружные биофильтры. В них (рис. 1-2) вся масса загрузки находится
ниже поверхности воды в емкости. В устройствах данного типа применяют в
основном мелкозернистую регенерируемую загрузку (полимерные гранулы,
песок), а также пластиковые элементы с развитой поверхностью. Загрузку из
гравия, керамзита, стеклянных и керамических элементов применяют редко,
т. к. биофильтры с такого рода наполнителем нуждаются в периодической
промывке, в процессе которой уничтожается бактериальная пленка. Погруж
ные биофильтры просты в эксплуатации, не требуют создания больших пе
репадов уровней воды в установке, что позволяет уменьшить мощность цир
куляционных насосов, способны работать в широком диапазоне гидравличе
ских нагрузок. Однако, в отличие от биофильтров других типов, они требуют
относительно высокой (6-8мг/л) концентрации кислорода в поступающей на
очистку воде (86).
Биофильтры с регенерируемой загрузкой
Током воды). Рис.1,2.Погружные биофильтры
Орощаемые (капельные) биофильтры (рис ЗА): слой загрузки располага
коладна минутантантанамын мен монолитный?йтернативно лечението на самолетеломжт? ил?рне контролираненностеленн?н килет
ется выше уровня воды в емкости, биологическая очистка проходит в тонком
слое воды, стекающей по загрузке, что позволяет поддерживать оптимальный
родный режим
иопленки по окислению органических соединений.
ОФИЛЬТ
рах данного типа применяется кассетная и сотовая загрузка, а также пласти
ковые элементы с высокой удельной площадью поверхности. Наиболее со
вершенны конструкции орошаемых биофильтров в виде закрытой камеры с
движением воды сверху вниз и принудительной закачкой воздуха в нижнюю
часть фильтра. Орощаемые биофильтры имеют высокую окислительную
мощность, просты по конструкции, на них можно подавать воду с минималь
ной исходной концентрацией кислорода. Однако их применение требует зна
чительного увеличения перепада уровней воды в системе, вследствие чего
,
возрастает мощность циркуляционных насосов. Кроме того, орошаемые
фильтры успешно работают в достаточно узком диапазоне гидравлических
нагрузок, а равномерное распределение потоков воды по всей площади
фильтра требует специальных технических решений.
Иногда погружной и орошаемый биофильтры объединяют в одном корпу
се, такие конструкции называют комбинированными биофильтрами. Верхняя
часть подобного устройства представляет собой типичный орошаемый
фильтр, а нижняя – погружной. Наличие орошаемой части способствует зна
чительному увеличению интенсивности окисления органических веществ.
Подобную конструкцию имеет биофильтр установки ВНИИПРХ, СПГАСУ
(рис. 3Б).
Вращающиеся биофильтры: отличительной особенностью фильтров данного
типа является периодическая смена воздушной и водной среды на поверхно
сти биофильтра (рис. 4). Это позволяет улучшить кислородный режим систе
мы и тем самым существенно увеличить ее производительность. В конструк
тивном плане подобные устройства представляют собой вращающуюся сис
тему пластиковых перфорированных труб, заполненных гофрированными
полиэтиленовыми дисками («Штеллерматик»), или вращающийся барабан,
заполненный пластиковыми элементами с большой площадью поверхности
(«Евроматик») (6). Вращающиеся фильтры не требуют создания в УЗВ боль
ших перепадов уровней воды, имеют высокую окислительную мощность,
способны эффективно очищать воду с незначительной исходной концентра
цией кислорода. К недостаткам этих устройств относится сложность конст
рукции, наличие дополнительного электропривода и ограниченный объем
вращающейся части фильтра.
Вращающиеся биофильтры
“Цrеллерматик”
“Евроматик»
Население кои им них.. «:peыктакива катыка
трубы, заполненные гофрированными пластиковыми дисками
Сетчатый барабан, заполненный пластиковой
загрузкой
В процессе выращивания рыбы в УЗВ в оборотной воде накапливаются
нитраты – конечный продукт нитрификации. Поэтому в систему необходимо
ежесуточно добавлять до 10 % свежей воды (97). Для уменьшения расхода
воды в состав УЗВ включают блок денитрификации. Помимо перевода нит
е происходит и процесс
новления нитритов до молекулярного азота, минуя фазу образования нитри
тов бактериями – нитрификаторами. Денитрификаторы в рыбоводных уста
новках
рильтра Нитрификатора.
Подача
воды на денитрификатор составляет чаще всего 10-20 % от общего расхода
оборотной воды. В конструктивном плане дeнитрификаторы похожи на по
гружные биофильтры и представляют собой герметичные емкости, запол
ненные загрузкой. Отличительная черта денитрификаторов – значительное
время удержания воды в устройстве (до 1чи более), в связи с чем его объем
может превышать объем биофильтра – нитрификатора. Для успешного про
текания процесса денитрификации необходимо создание анаэробных усло
вий (концентрация кислорода не более 2мг/л) и наличие в воде органического
вещества, необходимого для питания бактерий–денитрификаторов.
После прохождения механической и биологической очистки оборотная
вода подогревается до требуемой температуры, насыщается кислородом (ок
сигенация или аэрация) и возвращается в рыбоводные емкости. В состав не
которых УЗВ дополнительно включаются устройства для регулирования рН
и обеззараживания воды (озонирование или УФ-облучение).
Создание оптимальных условий и управление на современном техниче
ском и биотехнологическом уровне производственным процессом и экологи
ческими факторами дает возможность успешно культивировать в УЗВ не
только традиционные объекты: карпа, форель, канального сома, тиляпию, но
и рыб с продолжительным периодом роста — осетровых, угря, а также ракооб
разных — креветок, раков и тропические виды рыб — индийских карпов, аква
риумных и других рыб, осуществляя не только производство посадочного
материала и товарной продукции в полицикличном режиме, но и выращива
ние и эксплуатацию производителей (12, 14).
Источник