Особенности проектирования и эксплуатацции УЗВ

AvatarОпубліковано at 09.03.2019
451 0

Установки замкнутого водоснабжения

В рыбоводных установках замкнутого водоснабжения в малом объёме воды создаётся очень большая плотность рыб. Выделения рыб, а также остатки корма, способствуют бурному росту различных бактерий. Колонии бактерий образуют маты, закупоривающие поры биофильтра. Бактерии также сужают просвет сбросных труб из бассейнов. По этой причине обычные гравийно-песчаные фильтры оказываются малопроизводительными. Если через них пропускать сбросную воду непосредственно из бассейнов с рыбой, фильтры быстро засоряются.

В погоне за сокращением относительного объёма биофильтров, при увеличении рабочей поверхности субстрата, конструкторская мысль шла в направлении создания синтетических субстратов, различной формы.

На Можайском производственно – экспериментальном осетровом рыбоводном заводе, спроектированном германской фирмой «Фиштехник», биофильтр изготовлен по принципу градирни. В нём вода из верхних распределителей стекает вниз вдоль развешенных полиэтиленовых лент, специально обработанных для создания шероховатой поверхности, чтобы на ней держалась бактериальная плёнка. Из бассейнов сбросная вода проходит через автоматически промывающиеся барабанные фильтры из тонкой нержавеющей сетки, диаметр отверстий в которой составляет 50 микрон и поступает в насосный приямок. Насосами вода подаётся наверх биофильтра, в нём она стекает по лентам в сборную ванну, откуда самотёком вновь поступает в бассейны к рыбам. По пути от биофильтра к бассейнам вода проходит под ультрафиолетовыми излучателями. Часть воды  отбирается насосами для оксигенации. В специальных ёмкостях под давлением в воде растворяется кислород.   Циркуляционный водообмен в рыбоводных бассейнах – 1 раз в час. Бассейны имеют размер 5х4 м, с объёмом воды 25 м3. При выращивании в этой установке осетров, в 1998-2000 годах, при средней плотности посадки до 10 кг/м2, по циклу и до 16,5 кг/м2  в отдельных бассейнах, без непрерывной оксигенации, выяснилось, что вода в ней со временем приобретает тёмный цвет, и повышается содержание растворённого аммонийного азота, до величин близких к критическим – 10 мг/л.

Другая конструкция биофильтров, распространённая по всему миру, представляет собой цилиндрическую ёмкость, в которую загружается плавающая крошка, из полипропилена или другого инертного синтетического материала. В верхнюю часть биофильтра, через распылители подаётся вода из бассейнов с рыбой. Вода равномерно омывает и перемешивает плавающую крошку. Нарастающая бактериальная масса, отлипая от крошки, оседает на дно биофильтра, или отстойника, где накапливается и затем удаляется.

У биофильтров с плавающей крошкой есть природный аналог. В естественных водоёмах на поверхности воды могут плавать различные предметы: водные и прибрежные растения, кусочки древесины, листья, хвоя, семена; мёртвые тела водных животных и другие продукты их жизнедеятельности: шкурки после линьки, перья птиц, стойкие яйца, например эфипии дафний, и т.п. Плавающие предметы концентрируются в заливах. В толще плавающего мусора, благодаря разложению белковых тел, продуцируется аммонийный азот, который тут же окисляется нитрифицирующими бактериями, которые находят благоприятные условия для своего роста на частицах, находящихся в толще мусора, в темноте.

По технологической схеме выращивания товарного осетра, разработанной ВНИИПРХом в 1995 году, для выращивания 100 тонн товарного осетра в два цикла, предлагается использовать шесть модулей, включающих 5 блоков биофильтров БО 136, с площадью рабочей поверхности 23000 м2 каждый, кроме того, для выращивания молоди один биофильтр БО -1, с рабочей поверхностью 700 м2. Каждый из 6 модулей, имеет блок очистки, два фильтра-отстойника, один блок водоподготовки, один адаптационный бассейн и  рыбоводные ёмкости.

При эксплуатации рыбоводного комплекса подращивание молоди осуществляется в отдельных, независимых  модулях, имеющих автономную систему водоподготовки с регулируемым температурным режимом. Рыбоводное оборудование модуля для выращивания молоди до 3 г включает 10 бассейнов (объёмом 0,3м3 и площадью 1м2), общим объёмом 3 м3. Для выращивания осетра предлагают использовать плоскостные рыбоводные ёмкости объемом от 5 до 10 м3  и слоем воды 1.2 м. Данные ёмкости обеспечивают нормальный рост осетра до плотности посадки 70-80 кг/м3.  В составе установки с биофильтром БО-136 могут устанавливаться до 18 плоскостных емкостей объемом по 10 м3 каждая и глубиной 1,2 м. 

 

Таким образом, соотношение объемов очистных и рыбоводных емкостей приводится 1:2.

Каждый из пяти модулей для выращивания товарной рыбы комплектуется рыбоводными ёмкостями двух типов: 6 шт. «выростных» бассейнов (объем 10 м3) и 12 шт. «нагульных» бассейнов (объемом 10 м3). Общий объем рыбоводных емкостей в каждом модуле составляет 180 м3. В «выростных» бассейнах  молодь осетра увеличивает средне штучную массу от 3 г до 500 г, в «нагульных» – от 500 г до 1.5 кг массы. Такая 1,5 килограммовая рыба, выращенная в установках, благодаря жирности, имеет высокие пищевые качества.

Переходный период (время выхода производства на полную мощность) занимает 395 суток и начинается с зарыбления всех 10 бассейнов малькового модуля выдержанными личинкам осетра (средне штучная масса 0.035 г) с начальной плотностью посадки 5 тыс. шт./м2 (15 тыс.шт./м3). Этот момент посадки личинок обозначают начало первого рыбоводного цикла. Общее количество посаженных в установку личинок равно 50 тыс. шт. Через 30 суток, когда средняя масса молоди достигнет 3 г, а общее количество, при планируемом выходе 80%, составит 40 тыс. шт., молодь осетра пересаживается в «выростные» ёмкости пяти модулей. Общее число таких бассейнов 30 шт. Вначале на этом этапе рационально сгустить плотность посадки рыб, используя часть рыбоводных бассейнов. Через 180 дней от начала первого цикла, в рыбоводные ёмкости малькового модуля, вновь производится посадка выдержанных личинок осетра, с той же плотностью и таким же количеством, как это было в первом цикле, – это будет являться точкой отсчета второго цикла.

Спустя  210 дней от начала первого цикла (или 30 суток от второго). Подросшая до 500 г рыба пересаживается в «нагульные» бассейны, а освободившиеся «выростные» бассейны вновь зарыбляются трёх – граммовым посадочным материалом. Завершается цикл съёмом  товарной продукции 1,5 кг осетра в количестве 33,3 тыс. шт. (50 т) – при конечной плотности – 83 кг\м3 (56 шт.\м2). Освободившиеся ёмкости зарыбляются  500-граммовым осетром в количестве 35 тыс. шт. из «выростных» бассейнов, которые, в свою очередь, зарыбляются 3-граммовой молодью в количестве 40 тыс. шт., выращенной в модуле 1. В дальнейшем, через каждые 180 суток операции по пересадке и съёму продукции будут аналогичными. Количество товарной продукции за этот период – 50 т, а годовая производительность линии – 100 т товарного осетра.

Кроме того, по технологической схеме максимальный расход кислорода составляет 24,7 кг О2/час, а суммарные затраты технического кислорода, составляют 137,1 тонны в год. Планируемые суммарные затраты корма (ЛК-5), составляют 272 тонны. Минимальный удельный расход циркулирующей воды должен составлять: для 3 г молоди – 0,0075л/с·кг, для 100 г молоди – 0,0040 л/с·кг,  для 500 г рыбы – 0,0030 л/с·кг, и для 1,5 килограммовой рыбы – 0,0025 л/с·кг, Выращивание осетровых предполагается осуществлять при оптимальной температуре – 24 °С. Площадь, занимаемая одним модулем – 400 м2. Выход продукции с 1 м2 общей площади 41кг/м2, с рыбоводной площади – 82 кг/ м2.  

В процессе жизнедеятельности рыбы выделяют в окружающую среду очень токсичное вещество – аммиак. Даже кратковременное воздействие на рыб повышенных концентраций аммиака, например, вследствие кратковременного повышения рН среды и превращения аммонийного азота в аммиак, может повлечь за собой быструю гибель или длительное заболевание рыб. Поэтому, перед посадкой в рыбоводную установку рыб, рекомендуется осуществлять формирование нитрифицирующей микрофлоры. Одновременно, в период формирования нитрифицирующей микрофлоры, происходят частичные детоксикация и вымывание токсичных веществ из материалов вновь построенной установки.

Культуру нитрифицирующих бактерий можно получить из садовой земли или перегнившего навоза.

После внесения в циркуляционную воду культуры бактерий нитрификантов, осуществляют добавление аммонийных соединений, начиная с небольших количеств 5-10 мг/л (NH4). Когда дозируемое количество NH4 окислится до уровня менее 1 мг/л, добавляют двойное количество первой дозировки. В зависимости от скорости роста бактерий – нитрификантов повышается количество и частота добавки NH4.

Это производится до тех пор, пока искусственно дозируемый NH4, который преобразуется бактериями за день в NО3,  не будет получен в количестве, максимально  получаемом в установке при полном объёме кормления.

Это значение можно легко рассчитать, если исходить из того, что приблизительно 60% поступающего из корма азота поглощается бактериями – нитрификантами. Остаток остаётся в рыбе и выносится из установки с удаляемым осадком. Корм, содержащий 40% сырого протеина, содержит 16% окисляемого азота, что составляет 6,4%, из них 60% для бактерий составят 3,8%. В корме, содержащем 45% сырого протеина, содержится 4,3% окисляемого азота.

Если в установку уже посажены рыбы или кормовые беспозвоночные, то параметры нитрификации, предварительно, до внесения очередной порции азота для нитрификантов, можно определить в экспериментальной кювете, куда помещена губка с собранными на неё со стенок бассейна и биофильтра бактериями. В эту кювету добавляется аммонийный азот, в концентрации 10-20 мг/л, и затем ежедневно проверяется его остаточная концентрация. Так можно узнать о том, как активно работают нитрифицирующие бактерии, при условиях соответствующих таковым в рыбоводной установке. Нужно держать кювету в тёмном месте, поскольку под влиянием света происходит гиперполяризация клеточных мембран. Обладая положительным зарядом, мембраны отталкивают одноимённо заряженные ионы аммония, вследствие чего процессы нитрификации прекращаются.

В реальных условиях состав микробного сообщества биофильтров рыбоводных установок очень сложен. Он включает микрофлору, участвующую в  процессах аммонификации, или гниения, – разложении белков на менее сложные соединения: пептоны, пептиды, аминокислоты. Последние в свою очередь разрушаются до конечных продуктов – аммиака. В процессах расщепления белка активное участие принимают аэробные микроорганизмы: Bac. Subtilis, Bac.Mycoides, Bac. Mesentericus и пигментообразующие бактерии Bac. Pseudomonas fluorescens. В анаэробных условиях процессы разложения белка могут осуществлять протей, кишечная палочка, а также актиномицеты и плесневые грибы. В этих условиях, помимо аммиака и углекислого газа, образуются продукты промежуточного обмена: органические кислоты, спирты, амины и др. Существуют бактерии, расщепляющие мочевину до аммиака. Частично он улетучивается в атмосферу, а в основном подвергается дальнейшим превращениям в процессах нитрификации. Процессы нитрификации, или окисления аммиака в нитриты, а затем в нитраты осуществляют, на первом этапе, нитрозные бактерии Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira. Они окисляют аммиак в азотистую кислоту, получая при этом энергию, необходимую для их жизни. На втором этапе нитратные бактерии (нитробактер) окисляют азотистую кислоту в азотную. На третьем этапе, в зоне биофильтра с низким содержанием кислорода, нитратный азот может восстанавливаться до молекулярного газообразного азота, выделяющегося в атмосферу при аэрации.

Кроме бактерий, участвующих в азотистом обмене, в установках развиваются бактерии, получающие энергию для роста, в результате окислительно-восстановительных процессов, с такими химическими элементами как углерод, водород, сера, фосфор, железо и другими.

Гетерогенные бактерии не обеспечивают условий эффективного окисления аммонийного азота. А для развития полезных бактерий, регулирующих азотистый обмен установки, нужно время, стабильное содержание аммиака и аммония, в пределах 10 мг/л, и дополнительные условия, способствующие развитию нужной микрофлоры.

В период создания необходимых условий нитрификации температура воды не должна падать ниже 20°С. Чем вода холоднее, тем дольше продолжается процесс создания биологических условий. При снижении температуры на 10°С процесс формирования микрофлоры должен длиться в 2-3 раза дольше. При температуре 20°С продолжительность формирования нитрифицирующей микрофлоры и промывки установки составляет 1,5-2 месяца, а при температуре 10°С – 4,5-6 месяцев. Эти рекомендации следует учитывать только для вновь построенных рыбоводных установок с синтетическим биофильтром. Для новых установок, построенных с применением нетоксичных материалов и с мощным биофильтром, состоящим из природных субстратов, например из гравия, раковин моллюсков, взятых с берегов водоёмов, срок формирования микрофлоры можно совместить с посадкой рыбы. Это тем более естественно, если установка зарыбляется мелким рыбопосадочным материалом, и поэтому нагрузка на биофильтр, в первое время после зарыбления, незначительна.

Для эффективной работы нитрифицирующих бактерий необходим кальций. Кальций взаимодействует с азотной кислотой, получающейся в результате нитрификации, с образованием нитрата кальция (известковой селитры).

Нитрат кальция нередко образуется при гниении азотсодержащих органических соединений в присутствии извести: так, он образует белые выцветы на стенах конюшен (стенная селитра). Прежде нитрат кальция получали этим способом искусственно, в так называемых «селитряницах», куда забрасывали всякого рода животные отбросы, смешивали их со строительным щебнем, извёсткой и т.п. и время от времени поливали эту массу навозной жижей до тех пор, пока в ней не образовывалось в результате разложения органических веществ достаточного количества нитрата кальция и других азотнокислых солей, которые затем подвергали выщелачиванию.

В регуляции проницаемости клеточных мембран большую роль играют ионы кальция.  Кальций служит универсальным регулятором проницаемости мембран по отношению к воде и ионам; высокое содержание кальция, как правило, ведёт к снижению проницаемости, низкое содержание увеличивает её. Было высказано предположение, что кальций уменьшает степень гидратации полярных органических молекул путём снижения взаимного  отталкивания между фиксированными анионами, благодаря чему достигается более плотная упаковка органических молекул, и проницаемость мембран, состоящих из таких молекул, уменьшается. 

Все клетки окружены плазматической мембраной, лежащей непосредственно под наружной оболочкой. Эта мембрана электрически поляризована. В норме она электроотрицательна со стороны протоплазмы и положительно заряжена с внешней стороны. Возбуждаясь мембраны деполяризуются, и волны деполяризации могут распространяться, перенося электрический импульс. В физиологии описан классический опыт влияния кальция на возбудимые мембраны.

У инфузории туфельки (Paramecium) потенциал покоя, измеренный с помощью внутриклеточных электродов, составляет от 30 до 40 мВ; тактильное, химическое или электрическое раздражение вызывает активную электрическую реакцию, изменяющую направление биения ресничек. Тактильное раздражение переднего конца клетки вызывает быструю деполяризацию, распространяющуюся к заднему концу; её амплитуда зависит от концентрации кальция в окружающей среде. Раздражение заднего конца клетки вызывает местную гиперполяризацию, которая уменьшается при повышении концентрации калия в окружающей среде и, следовательно, обусловлена оттоком калия из цитоплазмы. Мембранный потенциал, связанный с инверсией биения ресничек, обусловлен повышением проницаемости мембраны для кальция; градиент [Ca2+] направлен внутрь клетки. Таким образом, у примитивных  одноклеточных организмов, потенциал действия определяется изменением проницаемости мембраны для Са2+, а не для Na+, как у высших организмов.

По законам электростатики одноимённые заряды отталкиваются. Положительно заряженные мембраны микробных клеток должны отталкивать одноимённо заряженные ионы аммония NH4+. Проницаемость клеточных мембран для иона аммония может быть увеличена за счёт деполяризации мембран повышенной концентрацией ионов кальция. Осаждаясь на клеточной мембране, ионы кальция уменьшают её проницаемость для других ионов. Из химии известно, что растворимость гидроокиси кальция значительно повышается в присутствии солей щелочных металлов, и особенно хлорида аммония.    Это значит, что непроницаемая для ионов клеточная мембрана, благодаря работе кальциевого насоса, становится способной поглощать ионы аммония. Кроме того, кальций взаимодействует с сахарами, с образованием сахаратов. У бактериальных клеток имеются наружные полисахариды, имеющие отрицательный заряд и способные связывать положительно заряженные ионы аммония из раствора. Эти концентрированные на внеклеточных полисахаридах  ионы аммония могут обмениваться на ионы кальция, выходящие из клеток. Таким образом, проницаемость мембран бактерий нитрификантов, для ионов аммония, благодаря повышенной концентрации кальция, еще больше увеличивается.

При кормлении рыб в установках с неэффективно работающим биофильтром, вода чернеет, в ней повышается содержание меланиноподобных полимеров, состоящих главным образом, из сахаров и аминокислот, условно можно назвать их гуминовыми и афлубиновыми кислотами. Они консервируют ионы аммония, поскольку в воде повышается содержание аммонийного азота. Кальций эффективно осаждает эти кислоты, осветляет воду, таким образом, способствует удалению аммония с осадком.

Биофильтр из кальцийсодержащих природных материалов эффективно окисляет аммонийный азот, равномерно нейтрализуя повышающуюся кислотность. Установка с таким биофильтром не нуждается в добавлении щелочных реагентов, нейтрализующих образующуюся азотную кислоту. В установках с синтетическим биофильтром рН постепенно снижается, при этом аммиак может накапливаться в воде в виде аммонийного буфера. Добавление щелочных реагентов резко повышает рН среды, вследствие чего аммонийный азот снова превращается в аммиак, который может отравить рыбу.

ТЕМПЕРАТУРА. Выращивание осетровых на тёплых водах возможно при температуре воды 15-25°С; оптимум для бестера и ленского осетра 22°С. При повышении температуры свыше 25°С рост рыб резко замедляется, а при 35°С начинается их гибель.

При повышении температуры выше оптимальных пределов в первую очередь погибают наиболее быстрорастущие рыбы. Этот факт парадоксален, поскольку  с увеличением массы тела у рыб расширяется метаболический диапазон. То есть, отношение скоростей потребления кислорода при активности и в покое. Но с увеличением температуры до верхней температурной границы метаболический диапазон у рыб начинает резко сокращаться. Недостаток кислорода усугубляется токсикозом. Токсиканты любой природы обычно увеличивают свою токсичность, по мере увеличения температуры выше верхних оптимальных пределов. И оказывается что, по сравнению с мелкими рыбами, крупные одновозрастные рыбы  меньше лабильны по отношению к токсинам. Они живут по типу стратегии на рост, расширение, но не на выживание в условиях токсичности внешней среды.

Мощный, хорошо промывающийся биофильтр из раковин моллюсков или кальций содержащих минералов позволит повысить верхнюю температурную границу оптимального роста осетровых, тем самым повысить темп роста, что очень важно для товарного производства и сокращения сроков выращивания производителей.

Чем определяется предпочитаемая рыбами температура? – Это не вполне изученный вопрос. Предполагают, что это та температура, при которой ионные насосы поддерживают определённую величину мембранных потенциалов. Известно, что добавление ионов натрия, магния и кальция увеличивает сопротивляемость рыб к высоким температурам. И при снижении температуры, ниже оптимальной, в крови у рыб также снижается концентрация ионов, что приводит к осморегуляторному коллапсу

 С учётом резервов установки, по продукции растворённого в воде кислорода, при температуре 24-26°С, планируемая биомасса выращиваемых в ней рыб, навеской 3-10 г, составляет 25 кг/м2, а товарных рыб и производителей – 80 кг/м2.  В атмосферном воздухе содержится 20,9 об.% кислорода и 79 об.%  азота и инертных газов. При изменении этого соотношения на 10% в пользу кислорода, биомасса выращиваемых в установке рыб может быть увеличена в два раза.

Создание благоприятных биологических условий для роста осетровых рыб в установках замкнутого водоснабжения определяется работой биофильтра. Важнейшей характеристикой биофильтра является эффективная площадь поверхности, служащей субстратом для бактерий нитрификантов, окисляющих продукты азотистого обмена рыб, приносимые промывающей биофильтр циркулирующей водой.

Нагрузка на биофильтр, при температуре 24°С, не более 1 г N/m2·сутки или 25 г/м2 корма в сутки. Рабочая площадь поверхности биофильтра зависит от размеров гранул и относительной площади поверхности, омываемой водой. Для гравийного биофильтра на 1 м2 рыбоводной площади достаточно иметь  – 1 м3 наполнителя биофильтра. Эффективность окисления аммонийного азота биофильтром, с наполнителем, состоящим из кальций содержащих минералов выше, чем с синтетическим наполнителем. И ходя поры биофильтра могут быстро заполняться органическим материалом, такой биофильтр всё равно имеет преимущество. В не омываемых водой зонах, с пониженным содержанием растворённого кислорода, нитратный азот может восстанавливаться до нейтральных молекул газообразного азота, с выделением кислорода на окисление органики. При этом предотвращается развитие анаэробных процессов. Кроме того, образующиеся в биофильтре растворимые соли нитрата и бикарбоната кальция, поступая в бассейн с рыбой, превращаются в тонкую взвесь карбоната кальция. Аморфная взвесь карбоната кальция является очень хорошим соосадителем токсичных  для рыб и  вредных для нитрификации тяжелых элементов, ионов, в том числе ионов аммония, соосаждающихся вместе с высокомолекулярными разветвлёнными органическими молекулами, типа гуминовых и афлубиновых кислот. Соосаждаются различные неорганические и органические вещества, выделяющихся из конструкционных материалов, а также метаболиты рыб и микроорганизмов.

При работе биофильтра, на поверхности гравия образуются бактериальные маты, препятствующие прохождению воды. Для увеличения пропускной способности гравийного наполнителя обычно используют аэрацию. То есть, гравий барботируют воздухом, выходящим из распылителей. Кроме того, для уменьшения поступления в биофильтр органики используются отстойники или механические барабанные фильтры из тонкой нержавеющей сетки. Или, с помощью клапана, воду поочерёдно подают в разные отсеки биофильтра, чтобы поочерёдно промывать их разнонаправленным током воды.

Заключение.

Надеюсь, прочитав эту статью вы, возможно, захотите переосмыслить некоторые взгляды на стратегию развития своего УЗВ… Я был бы икренне рад этому.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Avatar

Мегалодон

Ветеран галузі рибного господарства

Схожий пост

Деякі проблеми виробництва “чорної” ікри в індустріальних осетрових господарствах (УЗВ)

Створено - 21.04.2020 0
Деякі проблеми виробництва «чорної» ікри в індустріальних осетрових господарствах (УЗВ) Заборона промислу природних популяцій осетрових видів риб в Азово-Чорноморському басейні…

Сомові для УЗВ

Створено - 16.03.2019 0
Африканский клариевый сом Рыб, входящих в общее семейство «сомовых» всего в мире насчитывается более ста видов. Африканский длинноусый или клариевый…

Лососевые рыбы для УЗВ

Створено - 15.03.2019 0
  Лососевые виды рыб для УЗВ Лососевые рыбы хорошо приспособлены к выращиванию в условиях УЗВ. Это, прежде всего касается высокой…