Автор: Matej Leskovec , інженер з аквакультури
Стаття від: 14 серпня 2024 року
Біофільтри широко використовуються в рециркуляційних системах аквакультури (RAS), але їх функціональні обмеження мають результатом те, що інноватори зайняті розробкою можливих альтернатив, таких як електроокислення, або покращень, таких як електрокоагуляція та UASB реактори.
RAS широко використовуються для вирощування молоді риб
Однак їх здатність ефективно продукувати рибу ринкового розміру, таку як сьомгк, все ще є предметом дискусій
У типовій рециркуляційній системі аквакультури (RAS) використовується низка процесів очищення, щоб підтримувати рівень якості води, необхідний для утримання культивованих видів, за одночасного збереження дуже низької швидкості обміну води. Ключовим аспектом процесу очищення є біофільтрація.
Як працюють біофільтри
Біофільтри використовують нітрифікуючі бактерії для перетворення аміаку в нітрат і подальшого розщеплення розчинених і залишкових частинок. На роботу біофільтра впливає багато факторів, включаючи тип субстрату та якість води. На щастя, більшість сучасних систем автоматизовані, щоб підтримувати ці ключові фактори на правильному попередньо визначеному рівні та запобігати будь-яким швидким змінам.
На поверхні носія бактерії утворюють біоплівку, так званий біоносій. Розмір отвору, питома площа поверхні, опір механічному зсуву та частка заповнення (відсоток порожнього об’єму біофільтра) – все це важливі параметри, передумови того, наскільки добре працює біофільтр..
Щоб підвищити ефективність біофільтра, тверді речовини попередньо видаляються з технологічної води, зменшуючи біохімічну потребу в кисні, навантаження системи азотом і фосфором. Методи швидкого видалення твердих речовин включають просіювання, седиментацію, флотацію, флокуляцію та адсорбцію. Ці методи зменшують засмічення біосередовища та накопичення частинок, що осідають, і зважених часток у біофільтрі.
Запровадження біологічної фільтрації в аквакультурі
Біологічна фільтрація широко використовується в останні десятиліття через її відносно просте обслуговування та ефективність у видаленні азотистих забруднюючих речовин з технологічної води в аквакультурі.
Методика була адаптована з очисних споруд, де для обробки води використовується флокулянтна культура мікроорганізмів, яка називається активним мулом. В аквакультурі замість активного мулу зазвичай використовують штучні біосередовища як носії бактерій. Біоносії бувають різних форм і розмірів і зазвичай виготовляються з харчового поліетилену або поліпропілену. Форма та розміри отворів у біоносіях визначаються рівнем органічного завантаження та типом біофільтра, у якому він використовується.
Дві найпоширеніші форми біоносіїв бактерій, що використовуються в RAS, — біореактори з рухомим шаром (MBBR) і біореактори з нерухомим шаром (FBBR). FBBR можуть похвалитися нижчим споживанням енергії та вищими показниками видалення фосфору та денітрифікації, тоді як MBBR мають вищі показники об’ємного навантаження та нижче накопичення твердих речовин (Choi, Lee, & Lee, 2012).
В аквакультурі використовуються й інші типи біологічної фільтрації, такі як біофлок, водно-болотні угіддя, комплексна мультитрофічна аквакультура, псевдозріджені піщані шари та біореактори з іонообмінною мембраною. Однак жодна з них не досягла успіху в промислових аквакультурних операціях, головним чином тому, що вони, як правило, підвищують операційні витрати та створюють більший ризик невдач.
Біофільтри є серцем рибницьких потужностей RAS
Обмеження та виклики для традиційних біофільтрів
Однією з головних перешкод у біоносіях біофільтрів є те, що їхня ефективність змінюється залежно від типу субстрату та залежить від рівнів розчиненого кисню, органічних речовин, температури, pH, лужності, турбулентності та солоності (Qi, Skov, de Jesus Gregersen, & Pedersen, 2022). Будь-яка швидка зміна цих факторів впливає на бактеріальні спільноти, що створюють біоплівку на біоносіях, і, у свою чергу, на ефективність фільтрації. Крім того, на біоносії також можуть оселятись патогени та бактерії, продукти жіттєдіяльност яких створюють неприємний смак у об’єктів аквакультури.
Крім того, бактерії в біофільтрах використовують значну частину загальної потреби кисню в RAS (20-30 відсотків) і виділяють CO2 та інші метаболіти. Це збільшує необхідну потужність обладнання для дегазації та оксигенації, а також експлуатаційні витрати з точки зору споживання енергії та обслуговування.
Alberto Monteleone, менеджер із науково-дослідних розробок AquaBioTech Group з Мальти, який керує дослідницькими випробуваннями в понад 30 виробничих потужностях RAS – тобто він має понад 30 біофільтрів для регулярного обслуговування та перезапуску, – пояснює, що водообмін, коливання температури та зміни рН негативно впливають на час відновлення біофільтрів.
“Однією з великих проблем є тривалий і непередбачуваний період запуску роботи біофільтру, який робить планування дослідницьких випробувань надзвичайно складним, але вирішальним для успіху,” – зауважує він.
Monteleone очікує, що з’являться більш надійні датчики якості води для виявлення проблем, які можуть призвести до колапсу бактеріальних спільнот у біофільтрах.
Біофільтри також мають досить серйозні проблеми з інженерної точки зору. Часто їх потрібно інтегрувати в існуючі конструкції, що накладає обмеження, такі як структурні навантаження та обмеження розмірів. Це може негативно вплинути на кінцеву ефективність біофільтрів. Інша проблема полягає в тому, що оператори аквакультури можуть змінювати норми годування та щільність поголів’я, що створює проблеми для розробки стабільного та ефективного біофільтра.
Michele Gallo, який відповідає за проектування водних дослідницьких об’єктів в AquaBioTech, пояснює: “Для подолання просторових обмежень використовується моделювання гідродинаміки, щоб створити проекти, які пропонують найбільш адекватний гідродинамічний профіль для заданих необхідних результатів і доступного простору.”
Крім того, для покращення продуктивності біофільтра використовується фільтрація мікрочастинок за допомогою таких методів, як видалення (скімінг) білка.
Щоб завершити конструкцію (побудову) біофільтра, виробничі плани необхідно оптимізувати таким чином, щоб забезпечити плавні переходи між різними періодами вирощування та мінімізувати коливання завантаження біофільтра..
Gallo також зазначає, що він спостерігає швидке зростання технологій штучного інтелекту, які впроваджуються в програмне забезпечення для управління культивування об’єктів аквакультури, де дані, зібрані системами моніторингу, аналізуються за допомогою моделей штучного інтелекту для покращення процесів прийняття рішень операторами та системами керування.
Нові розробки у галузі фільтрації
Останніми роками з’явилося кілька відносно нових технологій як альтернатива звичайній біофільтрації, хоча вони ще не були масштабовані.
1. Електроокислення
Електроокислення – це процес, який може замінити біологічне очищення води, допомогти видалити тверді частинки та усунути неприємні запахи. Електроокислення аміаку відбувається в реакторі за допомогою процесу електролізу з використанням електричного струму для утворення газоподібного азоту з аміаку, одночасно видаляючи загальний органічний вуглець (TOC) і зменшуючи кількість патогенів.
Процес електроокислення у Eloxiras, продукті, розробленому Apria Systems © Apria Systems
Електроокислення обіцяє низьке споживання енергії в системах морської аквакультури, навіть за високої щільності зариблення.
“Ми досягли дезінфекційної здатності понад 3 логарифмів (зменшення мікробної популяції на 99,9%) навіть для бактерій з вищим рівнем патогенності,” – каже German Santos Bregel, старший інженер з дослідно-конструкторських робіт компанії Apria Systems, яка спеціалізується на електрокоислювальних технологіях у секторі аквакультури.
Впровадження системи електроокислення у RAS © Apria Systems
Найсуттєвішою перевагою електроокиснення є те, що його можна запускати та зупиняти без помітного впливу на виробничий цикл у RAS.
“Помітною перевагою є здатність процесу працювати на повну потужність навіть за низьких температур, геть до 5 °C.,” – каже Bregel. Видалення низки забруднювачів в одному процесі також означає, що капітальні витрати можуть бути зменшені для RAS, оскільки потреба в обробці озоном і УФ-опромененням може бути значно зменшена або навіть усунена.
Одним із найбільших недоліків цього процесу є утворення тригалометанів (THM) – побічних продуктів, токсичних для водних організмів. Під час електролізу необхідний низький рН, щоб перешкоджати утворенню ТНМ (Ben-Asher & Lahav, 2016). Необхідні два процеси доочищення: дегазація та адсорбція побічних продуктів. Дегазація вже існує у звичайних RAS, тоді як процес адсорбції виконується гранульованим активованим вугіллям і є додатковим компонентом, який необхідно враховувати з точки зору інвестицій та експлуатації.
“Ми не маємо достатньої кількості відгуків про нашу технологію, оскільки сектор все ще покладається на традиційні методи фільтрації, а також через брак фінансування для подальшого вдосконалення, розвитку та інтеграції цієї технології для RAS,” – зазначає Bregel. Ця система видається найбільш перспективною для морських RAS, оскільки їх ефективність визначається рівнем солоності води.
2. Електрокоагуляція
Основним процесом електрокоагуляції є проходження електричного струму через електроди, виготовлені з одного матеріалу і занурені в оброблювану воду або інший електроліт. У цьому процесі утворюються оксиди металів, водень і кисень. Оксиди металів притягують забруднюючі речовини і мають високу схильність до утворення з ними згустків (флокул). Легші флокули потім піднімаються до верхньої частини товщі води за допомогою водню і кисню, які утворюються в процесі електролізу. Потім флокули можна легко видалити шляхом зняття пінки. Більш важкі згустки опускаються на дно і потім видаляються у вигляді осаду за допомогою відстоювання або навіть механічної фільтрації (Boinpally, Kolla, Kainthola, Kodali, & Vemuri, 2023).
У сфері RAS електрокоагуляція цікава з двох аспектів: вона допомагає видаляти тверді частинки та окислювати розчинні забруднювачі, такі як різні сполуки сірки та аміачний азот. Ще однією перевагою є той факт, що електролізна комірка може легко адаптуватися до різних умов, таких як швидкість подачі і зміна температури, шляхом подачі меншого або більшого струму на електроди.
Метод має свої проблеми, які полягають у різній ефективності видалення забруднюючих речовин через різні фактори, такі як рН, температура, швидкість води та щільність струму в комірці.
NaturalShrimp використовує електрокоагуляцію, щоб сприяти очищенню води у своїх креветкових резервуарах © NaturalShrimp Inc
Нещодавно ця технологія була впроваджена в креветочній установці RAS компанією NaturalShrimp. Основною метою було збільшити розмір зважених часточок, щоб їх можна було видалити за допомогою мікро-барабанних фільтрів. Процес також підвищив ефективність видалення хімічного споживання кисню, аміаку та нітритів (Ben-Asher & Lahav, 2016). Щоб впоратися з постійно мінливим середовищем у воді для аквакультури, вони вимірюють каламутність води, а потім відповідно змінюють струм, що подається на електроди.
Компанія має намір провести кілька невеликих випробувань з місцевими креветківницькими компаніями з метою подальшої перевірки своєї технології.
3. Реактори UASB
Іншим потенційним процесом, який нещодавно був розроблений для RAS, є висхідний анаеробний реактор з муловим заповнювачем (UASB). Він використовується для очищення стічних вод, які залишають установку RAS (очищення в кінці труби), або як етап доочищення води, що повертається в систему.
Результати очищення стічних вод RAS, Landing Aquaculture, 2024
UASB поєднує в собі біореактор і відстійник, що робить його дуже компактним в сегменті анаеробних реакторів.
“Високе об’ємне навантаження та відносно короткий час гідравлічного утримання робить його придатним для високого водообігу в RAS і сприяє виробленню органічної кислоти, що є корисним у деяких системах, які надають перевагу слабокислим умовам (наприклад, інтегрована мультитрофічна аквакультура),” – каже Carlos Espinal, директор з інновацій у Landing Aquaculture, інжиніринговій та консалтинговий компанії, яка фокусується на інтенсивному суходільному рибництві.
У той же час, можна досягти високого часу утримання твердої фази для сприяння денітрифікації. Ці реактори також відомі як прості в експлуатації і відносно дешеві у будівництві.
Продуктивність реактора залежить від температури. Якщо реактор працює при неоптимальних температурах (нижче 20 і вище 35°C), бактеріальна спільнота змінюється, і муловий шар заселяє спільнота, більш пристосоване до даної температури. Щоб підтримувати швидкість видалення азоту, температура повинна бути в оптимальному діапазоні, а температурні зміни повинні бути поступовими. Цього можна досягти завдяки хорошій ізоляції та використанню джерел залишкового тепла (якщо такі є).
Крім того, Espinal звертає увагу на проблему об’ємного мулу в прісноводних реакторах і високу початкову вартість обладнання для автоматизації, необхідного для належного контролю та моніторингу. Щоб запобігти цьому, Landing Aquaculture використовує автоматичне промивання та спеціальну конструкцію випускного отвору. Там, де вартість додаткової автоматизації є надто високою, моніторинг та експлуатація цих реакторів може здійснюватися вручну.
На відміну від електроокислення, UASB вже впроваджується в секторі.
“Ці системи використовуються в Нідерландах як кінцева обробка на рибницьких фермах і є одними з рекомендованих практик Голландського стандарту сталої аквакультури (Dutch Standard for Sustainable Aquaculture),” – каже Espinal.
Прогноз на майбутнє
Схоже, що традиційна біофільтрація залишиться у використанні, завдяки її давнім традиціям і доведеній ефективності. Електроокислення та електрокоагуляція мають потенціал для заміни біофільтрів або, принаймні, послаблення недоліків методів фільтрації, що використовуються в RAS. Жодні інші технології, схоже, не зможуть конкурувати з тією специфічною роллю, яку відіграють нітрифікуючі бактерії в біофільтрах. Очікується вдосконалення традиційних біофільтрів у вигляді поліпшеного біосередовища і кращих профілів потоку біофільтрів.
Реактори UASB, швидше за все, знайдуть своє місце в якості кінцевої обробки, оскільки екологічні стандарти стають більш суворими, а ферми RAS стають більшими, що робить ці типи реакторів більш життєздатними. Подальший розвиток датчиків якості води дасть змогу краще зрозуміти стан бактерій і дасть фермерам більше можливостей для застосування коригувальних заходів.
Посилання на оригінал статті: Is it time to look beyond traditional biofilters in RAS?
