Современное состояние рыбоводства в установках с замкнутым циклом водообсспсчсния

Одним из наиболее перспективных направлений индустриального товар­ного 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.

уровень автоматизации, созданы технологии выращивания для десятков ви­дов рыб и других гидробионтов, как пресноводных, так и морских.

Российскими учеными разработаны типовые установки с замкнутым цик­лом 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 куль­тивируемых 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, 0,01кв.м земли, 5кВт электро­энергии (14,15,16,35).

Концентрация отходов на небольшой площади создает условия для ус­пешной их переработки и организации вторичных производств (тепличные хозяйства, выпуск органических удобрений, вермикультура; осадки УЗВ можно также включать в состав комбикормов для выращивания карпа и ти­ляпии) (4,13,100).

Созданы типовые модули, позволяющие получать с площади 140-150кв.м соответственно до 10т посадочного материала и до 40т товарной рыбы в ре­жиме полицикличной технологии (21, 102). На базе типовых модулей могут комплектоваться хозяйства аквакультуры любой мощности и назначения.

Разработана математическая модель функционирования замкнутой систе­мы, которая позволяет рассчитывать и создавать установки любого объема и типа для успешного выращивания всего известного перечня объектов аква­культуры (89,99).

Уровень конструкторских разработок позволяет использовать в установ­ках различные виды рыбоводных емкостей, осуществлять различные вариан­ты комплектации и компоновки оборудования по высоте и площади. Это расширяет область применения разработанных систем - от уровня крестьян­ских ферм до самостоятельных полносистемных рыбоводных комплексов (28,70).

Применительно к замкнутым системам проведены исследования по тех­нологиям выращивания различных объектов аквакультуры: карпа (12), расти­тельноядных 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, позво­ляющими 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, то­варной массы в 500-700г - за 4-6 месяцев и половозрелое™ за один - полтора года (тиляпия - за 3-4 месяца) от личиночной стадии.

Система очистки воды в УЗВ. Выращивание рыбы в УЗВ происходит при многократаом использовании одного и того же объема воды, подвергае­мого очистке и вновь возвращаемого в рыбоводные емкости.

Большинство применяемых методов очистки воды можно разделить на 4 группы: физические (осаждение, фильтрация, флотация), химические (окис­ление и коагуляция органических загрязнений), физико-химические (адсорб­ция 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 удаля­ется основная часть твердых отходов; узел биологической очистки, где про­исходит изъятие растворенных загрязнений; блок окончательной очистки, в котором вода доводится до требуемых кондиций (терморегуляция, оксигена­ция, обеззараживание, рИ-регулировка и т. д.).

Механическая очистка воды. Кроме постоянно выделяемых продуктов метаболизма (аммиака и растворенных органических соединений), при корм­лении 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, посте­пенно разлагаясь, также загрязняет воду.

Для удаления взвешенных веществ из оборотной воды используют осаж­дение и фильтрацию. Осаждение взвешенных веществ происходит в отстой­никах различного типа - вертикальных, горизонтальных, радиальных и тон­кослойных, снабженных устройствами для сбора осадка. Основной их недос­таток - большие объемы и низкий эффект очистки (как правило не более 35-40 %). Принцип осаждения присутствует также в случае применения цен­трифуг или гидроциклонов.

показало, что они способны не только осветлять воду, но и способствовать удалению некоторого количества азотных соединений. Однако эти сооруже­ния 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, ЮЗ и др.). Перво­начально использовали гравийные, песчано-гравийные и быстрые песчаные

фильтры. Однако им были свойственны серьезные недостатки: низкая удель­ная производительность, трудность промывки и значительный расход про­мывочной воды. В настоящее время наибольшее распространение получили барабанные самопроммвающисся и плавающие фильтры.

Типичным примером барабанных фильтров является фильтр НСФ-50, производительностью по очищенной воде 50м^э/ч. Преимуществами фильтров подобной конструкции являются высокая компактность и непрерывность

действия. Недостатки - сложность устройства, наличие дополнительного

электропривода. Минимальный размер отфильтровываемых частиц составля­ет, 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 каче­стве загрузки плавающего фильтра обычно используются полиэтиленовые гранулы диаметром 2,5мм. Регенерация загрузки осуществляется путем бар­ботажа. 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 растворен­ных загрязнений с помощью микроорганизмов посредством процессов мине­рализации, нитрификации и денитрификации (15).

Конечным продуктом белкового обмена у рыб является аммиак. Он со­ставляет около 60-80% всех азотистых соединений, постоянно выделяемых рыбой через жабры и почки в воду.

Процесс очистки осуществляется микроорганизмами, закрепленными на поверхности загрузки, а также взвешенной микробной массой (активный ил). Основные группы микроорганизмов, обитающие в устройствах биологиче­ской очистки - это автотрофные и гетеротрофные виды бактерий.

Гетсротрофы окисляют органические азотсодержащие компоненты вы­делений рыб и остатков кормов, превращая их в простые неорганические со­единения, главные из которых вода, углекислый газ и аммиак. Поэтому этот первый этап биологической очистки получил название аммонификация (ми­нерализация). После того, как органические соединения переведены гетеро­трофными бактериями в неорганические, биологическая очистка вступает в следующую стадию, получившую название нитрификации. Под этим процес­сом понимают биологическое окисление аммония до нитритов (NO^^-) и даль-

нейшее их окисление до нитратов (NO3”). Нитрификация осуществляется ав­тотрофными бактериями, которые в отличие от гетеротрофов не нуждаются в готовых органических соединениях. Нитрифицирующие бактерии в устрой­ствах биологической очистки представлены в основном родами Nitrosomonas и Nitrobacter. Источником энергии для Nitrisomonas является процесс окисле­ния аммиака до нитритов, a Nitrobacter получает энергию из реакции даль­нейшего окисления нитритов до нитратов:

1) NHj*+ ОЬГ+ 1,5О₂ = Н* + NO/+ 2Н₂О

2) NOf + 0,5 О₂ = NO₃'

Главный итог этих уравнений - превращение токсичного аммония в нит­раты, которые гораздо менее ядовиты для рыб.

Процесс нитрификации приводит к окислению неорганического азота. Одновременно идет процесс восстановления неорганического азота - денит­рификация. В процессе денитрификации происходит переход азота из нитра­тов в газообразное состояние. Основными денитрифицирующими бактерия­ми являются Pseudomonas, Achromobakter, Bacillus и др.

денитрификация - процессы, происходящие во вновь запускаемой системе последовательно. В установившейся системе они идут параллельно (35).

Для биологической очистки воды в установках с замкнутым циклом во­дообеспечения в настоящее время применяют биофильтры - устройства, ис­пользующие прикрепленную микрофлору. Очистные сооружения, исполь­зующие активный ил (аэротенки и интеграторы) не получили широкого рас­пространения, в основном из за низкой удельной производительности.

Биофильтры представляют собой емкости, заполненные загрузкой раз­личного типа, на поверхности которой развивается бактериальная пленка, осуществляющая очистку воды. Важнейшей характеристикой биофильтра, определяющей его производительность, является удельная площадь поверх­ности загрузки. В ранних конструкциях применялась объемная загрузка (гравий, керамзит, раковины моллюсков и т. д.), имевшая удельную площадь поверхности (УПП) 20-100м²/м³. Позднее стали использовать пленочную и кассетную загрузки (биофильтры ЛИСИ) с УПП 100-150м²/м³. В настоящее время широко применяются различные виды специальной пластиковой за­грузки (сотовая, мелкозернистая, “биошары” с развитой площадью поверхно­сти), имеющие УПП на уровне 350-1500 м²/м³ (98, 101). И, наконец, исполь­зуются биофильтры с регенерируемой песчаной загрузкой ( УПП 2000- - 4000м²/м³). Повышение удельной производительности устройств биологи­ческой 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 показа­тель равен 1 :0,5-1.

Существующие типы биофильтров можно условно разделить на 3 груп­пы: погружные; орошаемые; 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. Погруж­ные биофильтры просты в эксплуатации, не требуют создания больших пе­репадов уровнен воды в установке, что позволяет уменьшить мощность цир­куляционных насосов, способны работать в широком диапазоне гидравличе­ских нагрузок. Однако, в отличие от биофильтров других типов, они требуют относительно высокой (б-8мг/л) концентрации кислорода в поступающей на очистку воде (86).

Биофильтры с регенерируемой загрузкой

Всдзна

омкгху

осада

А. Биофильтр с регенерируемой загружай из ’’олиэтиленоэьа гпанул: 1 • сетка. 2 - приемная вороно. 3 • гвдроалеазтор; 4 - отбойная тарелка; 5 • воддосбороне геъ 2 • загруэз

Рис.З. а-орошаемый биофильтр.

Комбинированный бнофнлыр ВНИИПРХ, СПГАСУ

1 ■ pmewi охогеъ ? ■ «груза орэюмгс бмфгнрв 3 • сеча < mfqxe оъх 5 гаедм фггъгр 6 «груза хгрухюп:

? пщсзпектар { ктротгас дм сбои осаді >лоас

б-биофильтр установки ВНИИПРХ,

СПГАСУ

Вращающиеся биофильтры: отличительной особенностью фильтров данного

типа является периодическая смена воздушной и водной среды на поверхно­сти биофильтра (рис. 4). Это позволяет улучшить кислородный режим систе­мы и тем самым существенно увеличить ее производительность. В конструк­тивном плане подобные устройства представляют собой вращающуюся сис­тему 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 боль­ших перепадов уровней воды, имеют высокую окислительную мощность, способны эффективно очищать воду с незначительной исходной концентра­цией кислорода. К недостаткам этих устройств относится сложность конст­рукции, наличие дополнительного электропривода и ограниченный объем вращающейся части фильтра.

Вращающиеся биофильтры

‘Штеллерматик’ ’Евроматик’

пластеюеымм

Рис.4. Вращающиеся биофильтры

В процессе выращивания рыбы н 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 соегав УЗВ включают блок денитрификации. Помимо перевода нит­ратов в свободный а ют, в денитрификаторе происходит и процесс восста­новления нитритов до молекулярного азота, минуя фазу образования нитри­тов бактериями - нитрификаторами Денитрифи кагоры в рыбоводных уста­новках размешают как до, так и после биофильтра-нитрификатора І Іодача

воды на денитрификатор составляет чаще всего 10-20 % от общею расхода

оборотной воды. В конструктивном плане денитрнфикаторы похожи на по­гружные биофильтры и представляют собой герметичные емкости, запол­ненные загрузкой. Отличительная черта денитрификаторов - значительное время удержания воды в устройстве (до 1ч и более), в связи с чем его объем может превышать объем биофильтра - тарификатора. Для успешного про­текания процесса денитрификации необходимо создание анаэробных усло­вий (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 (ок­сигенация или аэрация) и возвращается в рыбоводные емкости. В состав не­которых УЗВ дополнительно включаются устройства для регулирования pH и обеззараживания воды (озонирование или УФ-облучсиис).

Создание оптимальных условий и управление на современном техниче­ском и биотехнологическом уровне производственным процессом и экологи­ческими факторами даст 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 ракооб­разных - креветок, раков и тропические виды рыб - индийских карпов, аква­риумных и других рыб, осуществляя не только производство посадочного материала и товарной продукции в полицикличном режиме, но и выращива­ние и эксплуатацию производителей (12,14).

1.2.