6.2. Технологические методы
Технологическими называются такие методы снижения нагрузки, которые не влияют на сам процесс выращивания. Такими методами являются, например, методики обработки отработанной воды рыбоводного хозяйства. На практике методами обработки отработанной воды можно воздействовать только на устранение питательных веществ, связанных с взвешенными частицами.
Кислородный блок Кассета баллонов
Разделительный блок
Мини-контейнер Блок обогащения кислородом
Эжектор
Редуктор давления
Кислородный конус
Основной трубопровод
Наиболее распространенными методами являются:
• Использование самоочищающихся бассейнов, ускоряющих устранение взвешенных частиц
• Иловые карманы для сбора взвешенных частиц
• Отстойники, осаждающие взвешенные частицы
• Илонасосы и другие методы удаления взвеси
• Микрофильтрация отводимой воды
Наибольшей проблемой этих методов является большой объем воды, используемой для выращивания рыбы, а также относительно малое содержание питательных веществ. Технические методики очистки лучше всего подходят для использования на предприятиях с циркуляцией воды, где количество отработанной воды значительно меньше, чем на предприятиях других типов. На Северо-Западе России для обычного в регионе выращивания рыбы в садках рентабельное применение технологических методов очистки в большинстве случаев невозможно.
6.2.1. Снижение нагрузки при помощи методов очистки отработанной воды Садки Несмотря на многочисленные проекты по развитию методов очистки, пригодных для использования в садках, они не стали коммерчески доступны. Очищающая способность конструкций оставалась низкой. Обслуживание построенных под садками воронок или другого подобного оборудования было затруднено. Кроме того, они оказываются восприимчивы к течениям. Закрытые плавающие бассейны предполагают накачку воды насосом и аэрацию. Такое оборудование значительно повышает затраты и несет в себе производственные риски. В мире существуют некоторые проекты, направленные на развитие морских закрытых плавающих бассейнов. Причиной их использования является борьба с веслоногим рачком, известный как лососёвая вошь (Lepeophtheirus salmonis), при помощи накачки воды с глубины, а также предупреждение бегства рыбы. В этих новейших проектах развития не обращается внимание на устранение питательных веществ и дальнейшую обработку иловой воды, что остается еще неразрешенной проблемой.
Лучшими способами сохранения экологического благополучия водоемов при выращивании рыбы в садках являются:
• размещение хозяйств на больших водоемах и с хорошим водообменом
• расчет объемов производства предприятия в соответствии со способностью водоема к сопротивлению эвтрофированию
• выбор хороших кормов
• пунктуальное и обычно ограниченное кормление
Далее будет представлен краткий обзор очистных методик наземных рыбоводных хозяйств применяющих проточный принцип водоснабжения, хотя хозяйства такого типа не очень распространены на территории Карелии и Северо- Запада России.
При выращивании рыбы в садках правильное месторасположение предприятия и правильные расчеты являются лучшим способом уменьшения вредного воздействия на окружающую среду.
Выращивание в прудах и каналах Устранение питательных веществ, попавших в воду, особенно возможно в хозяйствах, использующих прудовый метод разведения рыбы. Скопление ила зависит от направления течения в пруду, а также от формы его дна. При небольшом перепаде высоты в длинных прудах образуется медленное, часто завихряющееся течение, благодаря которому ил неравномерно оседает на дно, и его эффективное удаление затрудняется. Традиционно ил удаляется редко, возможно, только раз в год во время опорожнения пруда и промывки дна путем откачки ила в передвижной контейнер.
Иловые карманы в прудовых хозяйствах используются как средство накопления питательных веществ (Схема 6). На дне нагульных прудов строятся ”карманы”, в которых оседают и накапливаются твердые частицы. Твердое вещество из иловых карманов можно удалять чаще, выкачивая его насосом. Следом за прудом можно построить безрыбные бассейны для осаждения ила. С помощью иловых карманов можно собрать от 5 до 20 % попадающего в воду фосфора. Нагрузку азотом можно уменьшить таким методом только на несколько процентов.
Осаждение и фильтрация твердого вещества в круглых бассейнах Наиболее интенсивные очистные решения, по всей видимости, должны основываться на круглых бассейнах, которые практически не используются для выращивания товарной рыбы весом более одного килограмма.
В круглых бассейнах вода может спускаться одной или двумя фракциями с поверхности или со дна. Разделение воды при сливе из бассейна на два потока улучшает возможности очистки. В бассейне ил стараются осаждать на дно, управляя гидравлическими свойствами бассейна и течением воды. Таким образом иловую воду можно удалять отдельно с небольшим количеством воды. На основании новейшей информации основную массу воды следовало бы спускать сбоку бассейна, тогда твердое вещество собирается посередине бассейна. С центральной части дна бассейна постоянно удаляется в вертикальный отстойник, находящийся рядом с бассейном, небольшое количество воды (возможно, всего только 10 %), содержащей основное количество ила. Из такого бассейна при правильном расчете эффективно удаляются фекалии рыб, а также несъеденный корм.
Схема 6. Принцип работы карманов (отстойников) для ила.
Круглые бассейны позволяют более эффективно собирать ил.
Осаждение устраняет большую часть твердых веществ.
Место кормления
Вертикальный отстойник На первом этапе концентрации твердого вещества можно использовать осаждение. Чаще всего для осаждения используются вертикальные отстойники, которые обычно в два раза эффективней, чем вихревой отстойник. Вертикальный отстойник имеет форму вихревого отстойника, но вода в нем не завихряется, а медленно протекает сверху вниз. Большая часть твердых веществ осаждается на коническом днище, а более чистая основная струя воды выходит из верхней части отстойника. Ил, накапливающийся в вертикальном отстойнике, может постоянно удаляться с его дна, или же его можно опорожнять в определенное время вручную или автоматически. Опорожнение, выполняемое в определенное время, может ухудшить результаты очистки, но снижает количество обрабатываемой загрязненной воды. Таким методом из поступающей из бассейна воды можно удалять почти треть всего неусвоенного рыбами фосфора.
Обработка основного стока воды Осаждением невозможно извлечь все твердые вещества. В основном стоке воды, выходящем из бассейна и вертикального
Барабанными фильтрами можно удалить неосажденные частицы твердого вещества и улучшить удаление взвеси из воды.
Предприятия с циркуляцией воды являются очень экологичными, но большие инвестиционные расходы ограничивают возможность их использования
Барабанный фильтр (фото: Петри Хейнимаа)
отстойника, содержатся взвешенные частицы. Для их удаления основной сток воды можно профильтровать с помощью микрофильтра. Из различных вариантов фильтров наиболее распространенными являются барабанные фильтры.
Поступающая на барабанный фильтр вода направляется внутрь устройства, где она фильтруется, проходя через вращающийся фильтр. Частицы твердого вещества пристают к фильтровальной сетке, откуда они смываются на дальнейшую обработку.
Мощность барабанного фильтра зависит как от размера фильтра, так и от размера пор фильтровальной сетки. Большими барабанными фильтрами можно обработать почти 1 000 литров воды в секунду. Количество удаляемой из барабанного фильтра загрязненной воды составляет примерно 0,2 – 2,0 % от количества отфильтрованной воды, в зависимости от частоты промывки. Таким образом, фильтрация отработанной воды по грубым оценкам в три раза увеличивает количество извлекаемой иловой воды, по сравнению с одним только вертикальным отстойником постоянного действия.
Обработка иловой воды Концентрирование поступающей с вертикального отстойника и барабанного фильтра иловой воды обязательно, т.к. иловой воды набирается большое количество, даже около 0,5 % от общего стока проходящей воды. Иловую воду можно концентрировать в числе прочего также при помощи метода осаждения, флотации или ленточным фильтром. Технические характеристики, расходы и содержание сухого вещества в итоге варьируются. Во время дальнейшей обработки иловой воды получение фосфора может быть очень хорошим, около 80 % фосфора, находящегося в иловой воде.
Рыбоводное хозяйство с рециркуляцией воды Метод выращивания рыбы с использованием технологии рециркуляционного (замкнутого) водоснабжения в последние годы распространился на предприятиях, специализирующихся на выращивании ценной на потребительском рынке товарной рыбы или мальков лососевых видов рыб. Интенсивное выращивание по технологии рециркуляционного водоснабжения, происходящее в крытых ангарах, не способно
Методики очистки отработанной воды лучше всего подходят для предприятий с замкнутым водоснабжением. конкурировать по цене с выращиванием в садках, поэтому потребитель по какой-то причине должен быть готов заплатить за лосося или радужную форель, выращенных по технологии замкнутого водоснабжения, гораздо более высокую цену. Пока выращивание по технологии рециркуляционной воды приемлемо только для самых ценных с точки зрения потребителя видов товарной рыбы (палия, сиг, осетр) или же для определенного жизненного этапа такого, например, как производство мальков. При выращивании по технологии замкнутого водоснабжения, протекающая через бассейны с рыбой вода обрабатывается, для того, чтобы большую ее часть можно было снова направить к рыбам. Степень оборачиваемости воды, иными словами количество поступающей в систему новой воды, влияет на потребность в обработке. Последовательное подведение воды в бассейны с промежуточной аэрацией можно рассматривать как некий простой метод выращивания рыбы с использованием циркуляционной воды, хотя главным моментом скорее является вторичное использование воды.
При наличии более хорошего технического оснащения перед вторичным частичным использованием воды, ее проводят в отдельные аэрационные и оксигенационные модули.
Аэрация удаляет выделяемый рыбами углекислый газ и насыщает воду кислородом. При этом, в воде все еще остаются твердые частицы и азотные соединения.
Собственно выращивание в циркуляционной воде означает такую систему, при которой потребность в поступлении дополнительного объема воды можно уменьшить, удалив из используемой воды механическим путем твердые частицы (корм, фекалии), углекислый газ (CO
Схема 7. Этапы обработки воды на предприятии с циркуляцией воды
разложением ) при помощи (схема 7). аэрации Кроме воды, того, при а азотные помощи соединения дезинфекции (NH
уменьшают 4
+, NH
3
) биологическим количество микроорганизмов в замещаемой воды можно воде, и также вода также отрегулировать насыщается до оптимального кислородом для (O
2
). выращиваемых Температуру
рыб уровня.
Потребность в новой воде При выращивании с использованием метода циркуляционной воды в сутки добавляется новой воды 20-50 % от объема воды
Большая часть в бассейнах. С помощью интенсивной технологии можно
воды возвращается сократить и этот объем, хотя для сокращения до менее 10
обратно в бассейны. % требуется уже особая причина. Потребность в новой воде наиболее правильно определять относительно количества использованного корма. Финские предприятия с циркуляцией воды забирают новую воду из расчета примерно 0,5-1 м3 на один использованный килограмм корма. В традиционном проточном выращивании воды требуется примерно 50 м3 на килограмм использованного корма. При особо интенсивном выращивании с циркуляцией воды потребность в новой воде составляет всего около 0,1 м3 на килограмм использованного корма.
Используемые бассейны При выращивании рыбы с использованием циркуляционной воды большое значение имеют гидравлические характеристики бассейна. Твердое вещество до его разложения
Устранение взвешенных частиц
oсаждение фильтрация
необходимо быстро удалить из бассейна, чтобы позже, во время обработки воды его можно было устранить при помощи осаждения или фильтрации. Чрезмерное количество твердого вещества в воде для выращивания обременяет рыбу и снижает способность биофильтра удалять аммонийный азот. Многочисленные исследования подтвердили, что для выращивания рыбы с применением технологии циркуляционной воды наиболее подходят бассейны, из которых 80-90 % воды сливается с боковой части, а 10-20 % из центра бассейна. Такой бассейн действует по принципу вихревого отстойника и собирает твердые вещества в центре. Оптимальное соотношение диаметра и глубины бассейна должно составлять примерно 3:1. Когда вода направляется в бассейн по расположенной на внешнем каркасе вертикальной сопловой трубе, рисунок течения, получаемый в результате кругового течения, можно поддерживать максимально равномерным, при этом, дно бассейна хорошо очищается. При помощи сопел, находящихся в вертикальной трубе, поступающую воду можно подавать таким образом, чтобы очищаемость дна была наилучшей.
Обработка твердого вещества Из потока иловой воды, вытекающей из центра бассейна, можно отделить наиболее грубые и тяжелые твердые частицы, например, в специальный вертикальный или вихревой отстойник. Частицы опускаются на дно отстойника, когда более чистая вода проходит сверху обратно в оборотную систему. Неосажденные твердые частицы удаляются чаще всего при прохождении всего основного потока воды через барабанный фильтр. На мощность барабанного фильтра влияет размер ячеек сетки, обычно примерно 0,05- 0,1 мм, а также количество воды, используемой для очистки сетки. Количество воды, используемой для очистки сетки, составляет около 0,5-2,0 % от фильтруемого объема воды, направляется при необходимости на дальнейшую обработку иловой воды и определяет вместе с иловой водой, удаленной в отстойник, потребность в новой воде для функционирования всей оборотной системы.
Удаление азотных соединений Функциональным ядром выращивания с использованием циркуляционной воды является биореактор или биофильтр. В биореакторе вода проходит через субстрат, например, песок, пластиковые гранулы или различной конфигурации соты, на поверхности которых развиваются бактерии, так называемая биопленка, расщепляющие азот. Существуют большие различия в переносимости концентраций азотных соединений в воде между разными видами рыб.
Бактерии преобразовывают аммонийный азот (NH
4
Отделение ила начинается уже в бассейне.
+) результате нитрификации в рыб промежуточным продуктом нитрат реакции (NO
3 ) нитрификации, (Схема в нитрит 1). Нитрит является (NO
токсичным 2
) и далее в для который не накапливается в правильно функционирующей системе. Нитрат же для рыб является более безобидным азотным соединением, чем аммиак и нитрит.
Биореакторы могут быть различных типов, в том числе биофильтры с псевдосжиженным фильтрующим слоем, с подвижным в процессе фильтрования фильтрующим слоем, и вертикальные седиментационные колонны, а также вращающиеся биореакторы. Их форма и размеры варьируются, и в них можно использовать различные субстраты (наполнители) для расселения бактерий. Некоторые биореакторы направлены на повышение эффективности очистки путем извлечения из воды также и взвешенных частиц. Существуют типы биореакторов, такие как традиционный песчаный фильтр, действуют одновременно и как механический фильтр.
В почти закрытых системах циркуляционной воды (водообмен в сутки менее 10 процентов от общего объема) приходится удалять и нитраты. Это происходит посредством отдельного анаэробного или почти анаэробного процесса в денитрификационном реакторе (Cхема 8).
Нитрификация 1 Бактерии семейства Nitrosomona: NH
4
Расчет системы циркуляционной воды требует много технических и биологических данных.
2 (3 Бактерии Денитрификация: Nitro-bacteriaceae: 2 NO
3
+ H+ NO + 2
источник + 0.5O
+ + 2
==> 1.5O
углерода NO
2
==> 3
2H+ + H
2
0 + NO
2
==> N
2
+ HCO
3
)
Схема 8. Бактерии, участвующие в удалении азота и вызванные ими химические реакции в биореакторе на предприятии с циркуляционной водой.
Удаление углекислого газа Выдыхаемый рыбами в воду углекислый газ является токсичным для рыб. Кроме рыб углекислоту производят также бактерии биореактора. Углекислоту можно удалить из воды путем аэрации или, другими словами, либо проводя воздух через воду, либо чаще всего проводя воду через модули имеющие большие воздушные пространства. Упомянутый первым способ представляет собой аэрацию воды в бассейне, с помощью которой можно также менять направление течения в бассейне. Второй принцип применяется с использованием различных конструкций, в которых вода пропускается через решетку или другие пористые модули сверху вниз, часто навстречу нагнетаемому воздуху. Как правило, аэрация проводится только после механической очистки воды, чтобы легко удаляемые более крупные твердые частицы не распались под воздействием аэрации на мелкие трудно устраняемые частицы.
Насыщение кислородом На предприятиях с использованием циркуляционной воды содержание кислорода в поступающей новой воде
Бактерии в незначительно относительно потребления кислорода рыбами
биореакторах очень и бактериями биореактора. Простой аэрации зачастую
чувствительны к недостаточно для необходимого насыщения воды кислородом,
химикатам. поэтому в воде растворяют чистый кислород. Кислород можно растворить в воде используя различные типы камер и башен. Этот процесс также можно объединить в одном модуле с процессом удаления углекислого газа. Несомненно, первым при этом должен происходить процесс удаления углекислоты. Кислород можно получать на месте при помощи генератора, или же его можно приобрести в виде жидкого кислорода.
Устранение микроорганизмов Удаление твердых частиц, биореактор, аэрация воды и насыщение ее кислородом не устраняют из воды микроорганизмы (бактерии, водоросли, дрожжи), количество которых в циркулирующей воде может повыситься. Для контроля над микроорганизмами, в системах циркуляционной воды часто устанавливается оборудование УФ-облучения и/ или озонирования, с помощью которого можно снизить риск возникновения заболевания рыб. Озонирование уменьшает также мутность воды и количество микроорганизмов, которые могут придать рыбе неприятный вкус.
Регулировка кислотно-щелочного баланса воды Контроль за кислотно-щелочным балансом воды очень важен, так как он влияет на токсичность азотных соединений. Чем выше pH, тем большая часть выделяемого рыбами аммонийного Кислотность воды азота влияет проявляется также на в деятельность воде в виде чрезвычайно бактерий, отвечающих токсичного за аммиака нитрификацию
(NH
3
).
и, таким образом, оказывает воздействие на деятельность биореактора.
Другая используемая техника Кроме упомянутых выше приборов на предприятиях с использованием циркуляционной воды применяется и другое оборудование, в том числе для кормления рыбы, регулирования температуры воды и для контроля за качеством воды. Системы наблюдения, оповещения и запасная система энергообеспечения являются чрезвычайно важными на предприятиях с циркуляцией воды, где благополучие рыб поддерживается техникой.
Расчет параметров системы циркуляционного водоснабжения Для расчета системы циркуляционного водоснабжения требуется много технических и биологических данных.
Нитрификация Основой для расчета можно считать модель роста рыбы,
снижает pH воды. которая прогнозирует скорость роста рыбы на основании температуры воды и размера рыбы. Оценку скорости роста можно также использовать при планировании производственного процесса. С помощью скорости роста, биомассы и эффективности использования кормов можно оценить ежедневное количество потребляемых кормов. Количество кормов влияет на выделение аммонийного азота, что опять же принимается во внимание при выборе типа и размера биореактора. Потребление рыбами кислорода можно, в свою очередь, оценить при помощи модели потребления кислорода. Упрощенный способ оценки этого параметра, позволяющий, как говорят “с точностью до размера для лаптя” определить потребление кислорода, основан на данных по количеству используемого корма. Для облегчения производимых расчетов опубликованы руководства и таблицы расчетов, но предприниматель чаще всего получает необходимую информацию для расчетов у изготовителей оборудования или проектировщиков систем замкнутого водоснабжения.
Величину подпроцессов можно рассчитать с помощью расчета материального баланса. Например, потребность в кислороде проверяется исходя из расчетов скорости потока воды и содержания кислорода в ней, иначе говоря, кислород добавляется в бассейн увеличением скорости потока и/или увеличением насыщенности кислородом поступающей воды. Из-за постоянного перекачивания воды насосом высоту подъема следовало бы уменьшить до минимума. Для упрощения технического решения, снижения потерь при перекачке воды и облегчения очистки труб расстояние между узлами оборудования для водоподготовки должно быть небольшим. Кроме этого среди имеющихся в наличии технических решений нужно суметь выбрать надежный и экономически конкурентоспособной вариант.
С точки зрения экономичности предприятия выгодно поддерживать биомассу рыбы на одном уровне, так как система рассчитывается на основании наибольшего потребления кислорода и выделения рыбами продуктов обмена веществ. Это опять же предполагает хорошее планирование производства, а также возможности для сортировки и рассадки рыбы по размеру в различные бассейны. Равномерная биомасса делает возможным также равномерное поступление рыбы на рынок.
Обработка иловой воды На предприятиях с использованием циркуляционной воды содержание питательных веществ в отработанной воде значительно более высокое, чем на предприятиях с проточной водой, т.к. на предприятиях с циркуляцией воды ее используется намного меньше. Несмотря на это, например, на предприятии мощностью в 100 тонн товарной рыбы в год, накапливается в сутки отработанной воды от 200 до 500 кубометров, а иловую воду, содержащую ил и другие компоненты необходимо еще сгустить.
При дальнейшей обработке иловой воды на предприятиях с использованием циркуляционной воды используется активированный химикатами метод осаждения, а также более сложные технически флотационные модули и ленточные фильтры. Иловая вода может отводиться также в муниципальную или промышленную канализационную систему, в том случае, если очистное сооружение способно переработать соответствующий объем и выдержать гидравлическую нагрузку направляемой иловой воды. Последующую обработку иловой воды можно активизировать, увеличив размер взвешенных частиц с помощью химикатов и полимеров.
Экологическое воздействие На предприятиях с использованием циркуляционной воды эффективность очистки фосфора может составлять 70-80 %, а при методике использования очень малого количества воды этот показатель может быть выше. Удаление азота не особенно эффективно без использования денитрификации. В то же время, в части другого экологического воздействия - потребления электроэнергии, можно утверждать, что при выращивании с использованием циркуляционной воды расход энергии намного больше, чем при проточном или садковом выращивании рыбы. Однако, при применении технологии замкнутого водоснабжения, по сравнению с традиционным выращиванием в проточной воде, потребность в производственной площади меньше. Использование циркуляционной воды в большинстве случаев предполагает наличие производственного сооружения ангарного типа, и по сравнению с садковым разведением рыбы требует монтажа многочисленных стационарных технических конструкций.
6.2.2. Прочие методы снижения воздействия рыбоводства на окружающую среду
Кроме выше перечисленных методов уменьшения внутренних и внешних нагрузок вредное воздействие рыбоводства, причиняемое окружающей среде и прочим пользователям водоемов, можно снизить, контролируя месторасположение предприятия и вторично используя питательные вещества.
Управление месторасположением Контроль за месторасположением рыбоводных хозяйств проявляется в виде диалога между различными органами власти, предпринимателями, а также гражданами с целью переноса производств с территорий, чувствительных к нагрузкам причиняемым рыбоводными хозяйствами и имеющих высокий рекреационный потенциал, на территории с хорошей стойкостью к отходам от аквакультуры. Также путем централизации небольших хозяйств, с учетом возможностей водоемов, может быть улучшена экономическая рентабельность рыбоводных предприятий. Именно управление месторасположением имеет большое значение в вопросах контроля воздействия рыбоводства на окружающую среду в Северо- Западном регионе России.
Управление месторасположением в Финляндии более подробно описано в главе 9.
Вторичное использование питательных веществ С помощью вторичного использования питательных веществ целый регион может заменить ввозимые корма своим кормовым сырьем, таким, например, как содержащие значительное количество доступного белка растения, или кормовая рыба, или же вторичное использование питательных веществ может быть осуществлено в более малом масштабе, используя уловы водных биоресурсов на ближайших к предприятию акваториях для кормления рыбы. Проекты по применению этих мер в Финляндии представлены в главе 9. Эти меры еще не применялись на практике, но включаются в обоснования подготавливаемые для выдачи разрешений рыбоводным хозяйствам.
