У нещодавньому експерименті Louise von Gersdorff Jørgensen з факультету охорони здоров’я та медичиних наук Університету Копенгагена разом з ,Bent Urup, Jeremy Gacon, та Stefan Rathje Lund з Aqua-Partners ApS, Fredericia, очистили стічні води з морської рециркуляційної аквакультурної системи (RAS) у пілотній системі активного мулу, застосувавши технологію, яка зазвичай використовується на очисних спорудах. Результати вчених були в переважній більшості позитивними з одним застереженням, яке, на їхню думку, можна легко вирішити
З екологічної точки зору, системи рециркуляційної аквакультури (RAS) не завжди можуть бути настільки сталими, як можна було б припустити. На фермах RAS передові технології ефективно відокремлюють органічні відходи у мул. Вони також перетворюють аміак на нітрати – форму азоту, яка навіть у відносно високих концентраціях нешкідлива для риб. Незважаючи на те, що вода рециркулює, залишається невеликий об’єм скидів (близько 5-1% від рециркулюючого об’єму). Процес внутрішнього очищення зазвичай розділяє ці скиди на дві фракції: фракцію мулу від механічної фільтрації, з одного боку, та фракцію без твердих частинок з високим вмістом фосфору та азоту (у формі нітратів) з потенційно низьким BOD (біохімічне споживання кисню). Хоча ці скиди значно зменшилися, вони потребують подальшої обробки, інакше чистий скид фосфору та азоту до реципієнта залишатиметься майже еквівалентним скиду на рибницькому господарстві, дщо використовує проточні системи. Для денітрифікації та видалення фосфору з прісної води розроблені різні технології. Концентрований осад з прісноводних рибницьких господарств може бути використаний як добриво для сільського господарства або в біогазових установках.
RAS з використанням солоної води порушує особливі питання
Виклик полягає у пошуку ефективних методів, застосовних до морських установок RAS. Осад з морських систем містить високий відсоток солі, що створює дилеми щодо його використання як добрива або в біогазових установках. Крім того, видалення азоту шляхом денітрифікації в анаеробних умовах може призвести до утворення сульфіду – токсичної і сумнозвісної їдкої сполуки. Тим не менш, оскільки скидні води з установки RAS є незначними порівняно зі скидами з проточної ферми (або з ферми у саджалковому утриманні), існує більше можливостей для обробки та очищення. Одним з перевірених методів денітрифікації є технологія активного мулу, що використовується на каналізаційних станціях. Тут мул слугує джерелом органічного вуглецю для денітрифікації. Це забезпечує економію коштів за рахунок зменшення потреби в альтернативних джерелах енергії, таких як метанол, і зменшення загального обсягу концентрованого осаду, що утворюється. В результаті утворюється фракція мулу зі значно зниженим вмістом органічних речовин, яка більше не може бути використана для виробництва біогазу. Однак, у сценарії з морською водою зменшення обсягу утвореного мулу буде перевагою, оскільки перепрофілювання концентрованого морського мулу є більш складним завданням.
Рисунок 1, макетування плану впровадження малих обсягів активного мулу в аквакультурному об’єкті Hanstholm RDF
Рисунок 2, верхня частина відстійника (резервуар 4), що показує накопичення плаваючого мулу в умовах солоної води.
Рисунок 3, верхня частина денітрифікаційного резервуару (резервуар 2), що показує накопичення плаваючого мулу в умовах солоної води.
Рисунок 4, верхня частина відстійника, що демонструє ефективну седиментацію та відсутність значного накопичення плаваючого мулу в умовах прісної води (паралельний експеримент в рамках проекту).
Пілотний проект на потужностях комерційного виробника райдужної форелі
Експеримент проводився на підприємстві Royal Danish Fish (RDF), яке має рециркуляційну аквакультурну установку для вирощування райдужної форелі (Oncorhynchus mykiss) в Hanstholm, Данія. Малогабаритна установка з використанням активного мулу складалася з чотирьох з’єднаних між собою резервуарів (Рис. 1) і системи управління для регулювання різних потоків, а також рівня кисню.Виготовлення установки, а також розробка протоколів випробувань були здійснені компанією Aqua-Partners ApS. Система активного мулу дозрівала протягом декількох тижнів, а перед початком експерименту на установку подавали стічну воду з RAS.
Рисунок 5, ступінь денітрифікації протягом випробування в умовах солоної води, а також концентрація нітратів до та після обробки, та відсоток отриманого зниження.
Дослідження включало моніторинг та аналіз різних параметрів води в різних точках експериментальної системи, включаючи подачу води на вході в систему, на виході та всередині кожного з чотирьох резервуарів.
- Резурвуар ı: Денітрифікація з використанням органічних речовин з витоків з ферми RAS та зі зворотного потоку з резервуару 4. Крім того, метанол (джерело вуглецю) подавався дозуючим насосом з потрібною швидкістю.
- Резервуар 2: Денітрифікація з використанням залишкового джерела вуглецю в резервуарі 1. Подача метанолу в резервуар 1 збільшується або зменшується в залежності від потреби вуглецю в резервуарі 2.
- Резервуар 3: Аеротенк для видалення газу азоту, що утворюється в результаті денітрифікації, та для підвищення рівня кисню в цілому. Крім того, в цей резервуар за допомогою дозуючого насоса додається хлорид заліза для зменшення рівня фосфатів (фосфатних осадів) у чистій воді на виході з системи.
Резервуар 4: Відстійник для розділення чистої води (верхній вихід) та осаду (нижній вихід). Мул повертається в резервуар 1 для підвищення рівня частинок та органічних речовин, необхідних для належної денітрифікації та/або перепрофілювання/збору мулу.
Джерелом води на вході в малий активний мул був змішаний стік з однієї виробничої секції в межах RDF. Він перекачувався в резервуар 1 системи малих обсягів активного мулу. Потік в системі починався з резервуару 1, потім йшов до резервуарів 2, , і 4. Нарешті, з резервуара 4 потік води частково розділявся, причому приблизно 65% потоку знімалося з поверхні резервуара 4 – знята поверхнева фракція вважалася чистою фракцією, тепер вільною від частинок, і фракцією, придатною для скидання в реципієнта (було відзначено, що ця чиста фракція виявилася не повністю вільною від частинок, коли мала справу з морською водою, на відміну від того, коли експеримент проводився у прісній воді). Решта потоку проходила через нижній вихідний отвір резервуара 4 і складалася з накопиченого мулу, більша частина якого була перенаправлена в резервуар 1, в той час як менша фракція була зібрана з системи для потенційного подальшого концентрування (що виходить за рамки цього дослідження). Регулюючи кількість зібраного осаду по відношенню до потоку осаду, що повертається в резервуар 1, можна було управляти і контролювати концентрацію осаду в системі.
Рисунок 6, кореляція між середнім зменшенням нітратів (%) і виміряним вхідним потоком (л/год), що лежить в основі взаємозв’язку між швидкістю денітрифікації та розміром потоку. Коли потік добровільно збільшується, зменшення нітратів зменшується зі зменшенням часу відстоювання
Проблеми плаваючого мулу в солоній воді
Основною проблемою, яка спостерігалася в експерименті з солоною водою, було накопичення плаваючого мулу (рис. 2 і 3). Конструкція мулових відстійників відповідає принципам, які зазвичай використовуються на каналізаційних станціях, де чиста фракція (без осаду) знімається з поверхні резервуара. Однак при використанні цієї конструкції в солоній воді відбувалося значне змішування осаду з бажаною чистою (без осаду) фракцією. Хоча ця конструкція ефективно працювала для отримання чистої води на головному поверхневому виході в прісній воді (рис. 4), вона виявилася менш ефективною для солоної води. В умовах солоної води накопичення плаваючого мулу не обмежувалося відстійником (резервуар 4); воно було особливо помітним у другому денітрифікаційному резервуарі (резервуар 2), як показано на рисунку. Цікаво, що це явище не спостерігалося в першому денітрифікаційному резервуарі.
Рисунок 7, ефективність осадження фосфатів протягом тестування в умовах солоної води, включаючи концентрацію фосфатів до і після обробки, а також відсоток отриманих осадів.
Накопичення плаваючого мулу на поверхні резервуарів 2 і 4 (Рис. 2 і 3) можна пояснити припущенням наступних факторів:
- Різниця у вазі між морською та прісною водою. Морська вода має більшу питому вагу, що природно призводить до того, що частинки більше плавають у морській воді порівняно з прісною.
- Іншим важливим фактором є процес денітрифікації. Під час цього процесу утворюється газоподібний азот, частина якого затримується в твердих частинках. Цей ефект є більш вираженим у системі з морською водою через питому вагу морської води та вищу активність денітрифікації. Крім того, вищий поверхневий натяг морської води обмежує вивільнення газу порівняно з прісною водою. Як наслідок, вища солоність сприяє тому, що осад залишається плавучим протягом більш тривалого періоду.
- Третім критичним фактором є різниця в бактеріальній активності, оскільки бактерії розвиваються швидше в морській воді порівняно з прісною. Це може не тільки впливати на швидкість денитрифікації, але й на те, коли і де утворюється осад.
Ефективність зменшення азоту у солоній воді
Результати цього експерименту демонструють високу ефективність денітрифікації в морській воді, досягаючи майже 100% ефективності. Однак, як показано на рисунку 6, стає очевидним, що час відстоювання відіграє вирішальну роль. Результати показують, що час відстоювання в денітрифікаційному резервуарі в межах 6 годин, ймовірно, буде достатнім для досягнення високої швидкості денітрифікації при застосованій температурі. Це узгоджується з іншим досвідом роботи з денітрифікаційними установками, які не використовують активний мул, а покладаються виключно на просте джерело енергії, таке як метанол. Що може бути не відразу очевидним з результатів, так це вплив мулу як джерела енергії, який суттєво вплинув на виснаження кисню і денітрифікацію. Навіть за відсутності додавання метанолу в денітрифікаційному резервуарі 1 спостерігався помітно низький вміст кисню, в той час як в денітрифікаційному резервуарі 2 спостерігалося повне виснаження кисню. Отже, цей експеримент підкреслює придатність технології активного мулу для ефективного видалення нітратного азоту зі стічних вод наземних морських рибницьких господарств. При визначенні розмірів відстійників для денітрифікації об’єм, що приблизно в шість разів перевищує об’єм вхідної води, виявляється достатнім при температурі в межах 18-200С.
Процес видалення фосфатів довів свою високу ефективність
Видалення фосфатів за допомогою FeCl (хлорид заліза), що призводить до утворення осаду фосфатів, є хімічним процесом, який не потребує часу дозрівання для початку роботи. Отже, FeCl вносили лише на етапі тестування. Незважаючи на те, що FeCl не додавали в перший день випробувань, ми все одно спостерігали позитивний вплив процесу активного мулу на морську воду, який полягав у зниженні рівня фосфатів на 17% між входом і виходом з очисних споруд. Протягом періоду тестування видалення фосфатів було високоефективним, досягнувши майже 1ОО% видалення. Єдиний виняток спостерігався 5 липня (Рис. 7), що збіглося зі збільшенням вхідного потоку системи. Це збільшення потоку зменшило час утримання в системі. Як було показано раніше, очевидно, що денітрифікація і час утримання корелюють між собою. Однак, що стосується видалення фосфатів, це може бути дещо менш очевидним, оскільки до більшого потоку води додавали таку ж кількість FeCl, що призвело до меншої концентрації. Тому цілком можливо, що, пропорційно збільшивши кількість доданого FeCl, можна було б досягти подібних результатів навіть при збільшенні потоку води. Під час експерименту з морською водою дозування FeCl було зафіксовано на рівні 75 мл/год. (Tаблиця 2).
Таблиця 1, зведені таблиці ефективності денітрифікації в резервуарах 1 і 2 в умовах солоної води
Таблиця 2, зведені таблиці ефективності осадження фосфатів у резервуарі 3 в умовах солоної води
Варто зазначити, що під час додаткових випробувань, проведених у прісній воді (не обговорюються в цій статті), дозування FeCl було зменшено з 75 мг/год до приблизно половини цього рівня. Ми спостерігали лише помірне зниження ефективності з приблизно 99% до приблизно 98%. Це свідчить про те, що дозування FeCl можна оптимізувати, і, можливо, що в наших експериментах ми, можливо, передозували його. Таким чином, експеримент лише показує потенціал відносно невеликих кількостей FeCl для майже повного усунення фосфатів у виходах, тоді як фактичне дозування FeCl має бути додатково оптимізоване для комерційного використання.
Час відстоювання має вирішальне значення для зменшення нітратів
Ефективність концепції активного мулу для зниження концентрації нітратів у зливній воді з ферми RAS була напрочуд високою, досягаючи понад 80% на 5-й і 6-й день випробувань. Протягом усього періоду випробувань два ключові фактори суттєво впливали на продуктивність активного мулу. По-перше, час утримання виявився вирішальним визначальним фактором. Слід зазначити, що спостерігалася пряма кореляція між часом відстоювання і зниженням рівня нітратів; чим вищий час відстоювання, тим вищий показник зниження рівня нітратів. Цей висновок підкреслює важливість ретельного визначення розмірів денітрифікаційного резервуару; результати показують, що об’єм резервуару, необхідний для денітрифікації для отримання більш ніж 80% зниження нітратів, повинен бути в 6 разів більшим за об’єм погодинного скиду (при температурі води 18-20 градусів за Цельсієм). Другим параметром, що впливає на продуктивність, як і слід було очікувати, був вміст органічної речовини в осаді, що надходив до денітрифікаційного резервуару. Перевершивши очікування, пілотна установка активного мулу також продемонструвала виняткову ефективність у попередньому осадженні фосфатів, причому ступінь зниження перевищив 90 %.
Основною проблемою, з якою зіткнулися під час експерименту, був плаваючий мул. Цьому явищу могло сприяти декілька факторів, включаючи більшу питому вагу та поверхневий натяг морської води порівняно з прісною. Однак, через менший вміст води у плаваючому осаді порівняно з осадом, що осідає на дні відстійника, це може бути перевагою, оскільки може зменшити витрати, пов’язані з поводженням з відходами – за умови, що технологія буде модифікована таким чином, щоб скористатися перевагами плавучих властивостей осаду, що утворюється в морській воді.
На закінчення маємо зазначити, що експеримент підкреслює потенціал технології активного мулу для підвищення сталості RAS – ферм з морською водою шляхом ефективного вирішення проблем нітратів і фосфатів, а також виявлення операційних проблем, для яких, як видається, можуть бути розроблені додаткові рішення.
Хоча описаний вище експеримент фокусується виключно на результатах роботи технології активного мулу в морських умовах, він був лише одним із серії досліджень в рамках проекту «Активний мул та ефективний контроль хвороб у модельних системах аквакультури Dambrug та рециркуляційної аквакультури», що розглядає проблеми та можливості наземного рибництва та фінансується Агентством рибного господарства при Міністерстві продовольства, сільського та рибного господарства Данії, а також Європейським фондом мореплавства, рибальства та аквакультури.
Louise von Gersdorff Jørgensen PhD* (lvgj@sund.ku.dk),
Bent Urup PhD**, Jeremy Gacon BSc**,
Stefan Rathje Lund BSc**
*Faculty of Health and Medi- cal Sciences, University of Copenhagen, Denmark
**Aqua-Partners ApS, Fredericia Denmark
Посилання на оригінал журналу Eurofish Magazine Issue 3 2024 (May / June)
