Осуществление


Объект выращивания


Первый необходимый выбор, выбор выращиваемого вида, уже сделан: это нильская тиляпия (Oreochromis niloticus). Подобный выбор часто делается на основе рыночной стоимости рыбы. 
Главным аспектом, который необходимо принять во внимание для достижения экономической устойчивости, должна быть разница между рыночной ценой и себестоимостью, определяемой в интенсивных системах, главным образом, продуктивностью (кг/м3/год).

 

Параметры роста


Выбор объекта выращивания и его рыночной позиции в значительной мере определяет и параметры роста, т.е. вес при посадке и товарный вес. Кривая роста рыбы определена временем, необходимым для достижения товарного веса, что, в свою очередь, определяется потреблением корма и кормовым коэффициентом, которые оба зависят от массы тела. От массы тела зависит и смертность, которую необходимо знать для расчета количества рыб, высаживаемых в одном цикле. Наконец, выбор вида также определяет необходимые условия выращивания, такие как максимальная плотность рыб и требуемое качество воды (качество воды будет обсуждаться в разделе Проточность).
В данном примере были выбраны вес при посадке 70 г и вес при вылове 845 г, на основе показателей роста и потребления корма тиляпии, выращиваемой в ZonAquafarming B.V. (см. Рисунок 23).
Необходимо отметить, что линия тиляпии, используемая в ZonAquafarming B.V., была выведена путем селекции в течение нескольких поколений. Большинство коммерческих пород тиляпии растет менее быстро и, в частности, с трудом достигает веса более чем 600-700 г в интенсивных условиях. Тиляпия в настоящем примере достигала товарного размера за 24 недели при кумулятивной выживаемости 99,5%. Дальнейшие расчеты см. во вставке 1 раздела Производственный план.

Максимальный ввод корма достигается после 24 недель, когда первая возрастно-весовая группа достигает товарного веса
Рисунок 23: Параметры роста и производственные параметры тиляпии в ZonAquafarming B.V. (Body weight - Масса тела; Time - Время; Weeks - Недели; SGR - УСР; Feed conversion - Кормовой коэффициент; Maximum density - Максимальная плотность; Mortality - Смертность; Cumulative survival - Кумулятивная выживаемость).

Производственный план


После выбора вида и параметров роста составляется производственный план. Он содержит проектную мощность (в данном случае, 100 т/год), число этапов выращивания (здесь 2, поделенных на середине срока, т.e. после 12 недель) и режим посадок/обловов (здесь каждые 3 недели).
Примечание: Хозяйство мощностью 100 т дает выход 100 т товарной рыбы. Так как это требует посадки 8,3 т посадочного материала, реальный прирост составляет только 91,7 т.
Из производственного плана можно определить, сколько возрастно-весовых групп рыб находится одновременно на хозяйстве, а зная вес и количество рыб в данных группах, можно рассчитать общую суточную потребность в кормах, выраженную в килограммах.
В производственном плане ZonAquafarming B.V. используются 12 рыбоводных бассейнов (24 недели/ 2 этапа выращивания). Они разделены на блоки по 3 бассейна, соединенные закрывающимися и открывающимися трубами, по которым рыбы могут перемещаться. Таким образом, рыбы из одного бассейна могут быть распределены в два бассейна, открыв трубу, ведущую в соседний пустой бассейн. Каждые 3 недели один из 3 бассейнов (не средний) зарыбляется 6 862 рыбами весом по 70 г. После 12 недель рыбы весом по 370 г распределяются по 2 бассейнам, как описано выше.
Одновременно третий бассейн зарыбляется новой группой 70-граммовых рыб. После 24 недель 2 бассейна с товарной рыбой облавливаются, рыба в третьем бассейне распределяется по 2 бассейнам, а первый бассейн зарыбляется новой группой 70-граммовых рыб. Этот производственный план представлен в Таблица 45, вместе с итоговым планом хозяйства, формой и объемом бассейнов, объемом воды в системе и потребностью в труде.

От начала работы хозяйства, биомасса находящихся на хозяйстве рыб постепенно растет из-за их роста и посадки новых возрастно-весовых групп. В то же время, ввод корма, т.е. количество в килограммах, выдаваемое ежедневно, также растет (Таблица 46). Максимальный ввод корма достигается после 24 недель, когда первая группа достигает товарного веса. После этого колебания следуют так называемой «пилообразной» функции (Рисунок 24). Хозяйство спроектировано исходя из максимального ввода корма, в настоящем примере: 349 кг/сут.

Максимальный ввод корма достигается после 24 недель, когда первая возрастно-весовая группа достигает товарного веса

Рисунок 24: Максимальный ввод корма достигается после 24 недель, когда первая возрастно-весовая группа достигает товарного веса. В это время (см. таблицу 45) на хозяйстве находятся 8 групп. Когда первая вылавливается и заменяется мелкими рыбами, ввод корма падает, потом опять растет из-за роста рыб.
Этот процесс продолжается, и в количестве введенного корма отмечаются пилообразные колебания. (Feed load - Ввод корма; Weeks from startup - Недели от начала эксплуатации)

Вставка 1.

Расчеты при составлении производственного плана.

Количество вылавливаемой рыбы равно 100 000 (кг/год)/0,845 (кг/шт.) = 118 343 рыб в год или 118 343*(3/52) = 6 828 рыб в возрастно-весовой группе. 3/52 = количество обловов/посадок в год.
Итак, количество высаживаемой рыбы равно 118 343/0,995 (кумулятивная выживаемость) ≈ 118 946 рыб в год или 118 946*(3/52) = 6 862 рыб в возрастно-весовой группе.
Смертность за первую неделю равна 1,75*70 -0,8 = 0,058%; таким образом, количество рыб в бассейне после 1 недели составляет 6 862*(1-0,00058)=6 858.
Требуемый объем бассейнов равен максимальному требуемому объему в конце этапов 1 и 2. Итак, в данном случае, требуемый объем после 12 недель равен 2 516 (кг/бассейн) / (35*ln(368)-80) = 19,8 м3. По проектным соображениям реальный объем одного бассейна составляет 20,5 м3, а общий объем всех бассейнов – 246 м3.
После 1 недели биомасса в одном бассейне равна 6 858*0,087 (кг/шт.) = 597 кг. Итак, плотность рыб составляет 597/20,5 = 29 кг/м3.
Прирост рыб после 1 недели равен 87 * (46*87 -0,61)/100 = 2,6 г на особь в сутки. Общая продукция в бассейне составляет 0,026*6,858 = 18 кг в сутки.


Таблица 45: Производственный план выращивания тиляпии в ZonAquafarming B.V. Потребность в труде и объем системы указаны для традиционной УЗВ.
Производственный план выращивания тиляпии в ZonAquafarming B.V. Потребность в труде и объем системы указаны для традиционной УЗВ.


Таблица 46: Изменения ввода корма от начала эксплуатации. Максимальная нагрузка после 24 недель (красная рамка)

Изменения ввода корма от начала эксплуатации. Максимальная нагрузка после 24 недель (красная рамка)
Модель баланса питательных веществ для расчета производства отходов (N, P и ХПК) из внесенных кормов
Рисунок 25: Модель баланса питательных веществ для расчета производства отходов (N, P и ХПК) из внесенных кормов (Feed - Корм; Faeces - Экскременты; Excretion - Выделение; Respiration - Дыхание; Growth - Рост).

Производство отходов


Производство рыбы неизбежно сопровождается производством отходов. Примерами являются производство экскрементов, выделение аммиака (NH3) и углекислого газа (CO2), а также потребление кислорода (O2). Эти отходы выделяются в воду, где обитают рыбы, тем самым ухудшая ее качество. Их удаление требует постоянного протока воды. Для расчета необходимого протока (см. раздел Проточность) надо знать количество отходов, произведенных за единицу времени.
Для этого в данном примере количество азота (N), фосфора (P) и химического потребления кислорода (ХПК) определяется с помощью модели баланса питательных веществ (Рисунок 25). ХПК равно количеству кислорода, необходимого для окисления 1 кг вещества, и, таким образом, может использоваться как общий показатель содержания органического вещества в рыбах, кормах, отходах и бактериальном материале.
Органическая фракция состоит из белков, жиров и углеводов. Окисление белков не является полным – органический азот не окисляется. Зная состав органического вещества, ХПК может быть рассчитано как сумма белков * 1,38, жиров * 2,78 и углеводов * 1,21. 
Примечание: Органический азот может окисляться, как и NH4-N, до NO3-N. Это теоретически требует 4,57 г O2/г N. 
Прибавив это к значению ХПК, мы получим общее потребление кислорода (ОПК). Рыбы в процессе утилизации кормов и роста также окисляют часть органического вещества кормов. Поэтому потребление кислорода рыбами (дыхание) может быть выражено непосредственно как ХПК (1).

Таблица 47: Состав корма и усвояемость N, P и ХПК.

Состав корма и усвояемость N, P и ХПК.


Для расчета количества произведенных отходов при скармливании 1 кг корма, необходимо знать состав и усвояемость данного корма (Таблица 47) и состав тела рыб (Рисунок 26). Выделение N и P может быть рассчитано как разница между усвояемой частью съеденного корма (корм минус экскременты) и ростом. Потребление кислорода рыбой может быть рассчитано как:
ХПКдыхание = (MEm + [1-kg] * ED) / OCE (1)
где:
MEm = потребность в энергии для поддержания физиологического состояния; в случае тиляпии, 65 кДж/кг0,8/сут.
ED = отложение энергии (прирост, выраженный в энергии, кДж/рыба/сут.)
kg = предельная эффективность отложения энергии; в случае тиляпии, 0.7
OCE = калорический эквивалент кислорода, 14,2 кДж/г O2
На основе этих шагов, производство отходов при максимальной кормовой нагрузке в настоящем примере, т.е. хозяйстве мощностью 100 т для производства тиляпии, представлено в Таблица 48.
Хотя рыбы непосредственно не выделяют ХПК, небольшое количество ХПК отсутствует из баланса (ХПКостаток). Это количество, вероятно, происходящее из растворенных несъеденных кормов и экскрементов, считается как «ХПКвыделение».

Состав всего тела тиляпии в ZonAquaculture B.V. в зависимости от массы тела
Рисунок 26: Состав всего тела тиляпии в ZonAquaculture B.V. в зависимости от массы тела (Protein - Белок; Fat - Жир; Ash - Зола; Energy - Энергия; COD - ХПК; Body weight - Масса тела).


Вставка 2.

Расчет производства отходов при максимальном вводе корма.

Состав тела рыб из возрастно-весовой группы 8: Nрыба = 0,16 * 13,5 * 126 0,03 * 10 = 25,0 г N/кг, Pрыба = 0,17 * 4,2 *126 -0,006 * 10 = 6,9 г P/кг, ХПКрыба = 275 * 126 0,1 = 446 г ХПК/кг и Eрыба = 4,5 * 126 0,09 = 7,0 МДж/кг.

Примечание:
Белок рыб содержит 16% N, а зола рыб – 17% P.


Состав и усвояемость корма берутся из таблицы 47. Белок корма также содержит 16% N.
Количество скормленных N, P и ХПК могут быть рассчитаны, например, Nскормленный = 24 (кг съеденного корма) * 0,0608 (кг N/кг корма) ≈ 1,43 кг N/сут.
Количества N, P и ХПК в экскрементах могут быть рассчитаны из усвояемости, например, Nэкскременты = (1 – 0,9) * 1,43 = 0,14 кг N/сут.
Количества N, P и ХПК в приросте могут быть рассчитаны как, например, Nприрост = 21 (кг прироста) * 0,025 (кг Nрыба/кг) ≈ 0,52 кг N/сут.
Выделение N и P может быть рассчитано как, например, Nскормленный – Nприрост – Nэкскременты = 1,43 – 0,52 – 0,14 = 0,76 кг N/сут.
Чтобы рассчитать ХПК, окисленное при дыхании рыб, сначала требуется рассчитать отложение энергии: ED = 21 (кг прироста)* 7,0 (МДж/кг) = 147 МДж/сут. Итак, ХПКдыханиерыба составляет [(65/1000 * 0,126 0,8 * 6 852) + (1 – 0,7) * 147 ]/14,2 ≈ 9,6 кг ХПК/сут.



Таблица 48: Производство отходов при максимальном вводе корма

Производство отходов при максимальном вводе корма

Проточность


Удаление отходов и пополнение кислорода в такой мере, чтобы качество воды оставалось в пределах, приемлемых для рыб, требует постоянного протока воды через бассейны. Очистные сооружения также требуют постоянного течения воды, снабжающей их удаляемыми отходами. Общей формулой для расчета необходимой проточности является следующая:
q = abs [ k * P / AC] (2)
q = проточность в данном блоке (м3/время)
k = фактор поправки на суточные колебания в производстве отходов (k ≥ 1)
P = производство отходов (или потребление O2) (г/время)
AC = разница между Cлимит (ограничивающей (=выходящей) концентрацией данного вещества) и Cвход (входящей концентрацией данного вещества), обеих в г/м3.
Абсолютное значение берется потому, что некоторые значения продукции давали отрицательную величину, а также поскольку в случае рыбоводных бассейнов и очистных сооружений разницы концентраций были с обратными знаками. Указанная формула действительна только в случае более или менее идеально смешанных компонентов и, поэтому, не применима к взвешенным твердым веществам, размер частиц которых может варьировать в широких пределах, от целых частиц кормов или экскрементов, размером несколько миллиметров, до частиц, измеряющихся микрометрами.
Некоторые различия возможны также в условиях экстремального поршневого режима потока, например, в длинных прямоугольных бассейнах с долгим временем гидравлического задержания. В Таблица 49 представлены предельно допустимые показатели качества воды и факторы k для тиляпии, а также величины, выбранные в настоящем примере и некоторые показатели качества воды для нитрификации и денитрификации (см. также раздел Системы очистки).

Таблица 49: Предельно допустимые показатели качества воды и факторы k для поправки на суточные колебания в производстве отходов

Предельно допустимые показатели качества воды и факторы k для поправки на суточные колебания в производстве отходов
В разделе Производство отходов было показано, что производство отходов (P) удобнее всего выразить на единицу веса корма, из чего следует, что проточность должна быть выражена так же. 

Проточность различных блоков аквакультурной системы, в зависимости от ее конфигурации (проточная, оборотная, УЗВ), показана в таблице 50. Видно, что проточная система требует значительных объемов воды, так как водообмен системы равен проточности бассейнов. Если добавить водоочистные установки, водообмен системы может быть снижен за счет дополнительной проточности. Некоторые методы обработки воды, применяющиеся в воде, поступающей в рыбоводные бассейны (оксигенация) или в самих бассейнах (аэрация), не требуют дополнительной проточности. Более того, оксигенация и аэрация снижают потребность в протоке воды через рыбоводные бассейны, а также, соответственно, и водообмен системы. Системы, где водообмен сокращен до 15% водообмена проточной системы, называются оборотными системами водоснабжения, при большем сокращении мы говорим об установках замкнутого водоснабжения (УЗВ). Видно, что, в то время как традиционная УЗВ сокращает требуемый водообмен системы до 1% водообмена проточной системы, интеграция с USB-MDR снижает его еще больше, до 0,15%.


Таблица 50: Проточность блоков системы, выраженная в м3/кг корма.

Проточность блоков системы, выраженная в м3/кг корма.

Системы очистки


В разделе Проточность было показано, что добавление систем очистки может уменьшить водообмен системы. Выбор используемого метода очистки зависит от первого ограничивающего компонента отходов. Например, из таблицы 50 видно, что если к проточной системе добавить оксигенацию, требуемый водообмен системы снижается с 203 до 94 м3/кг корма, т.e. первым ограничивающим отходом является кислород (его потребление). Следующим ограничивающим отходом является CO2 и т.д. В этом разделе системы очистки будут обсуждаться в порядке ограничивающих отходов. Для большинства систем очистки будут описаны лишь основы. 
Денитрификация, в частности, с использованием USB-MDR, будет изложена более подробно. Будут кратко упомянуты также две системы очистки, не снижающие водообмен рыбоводной системы, но повышающие ее устойчивость: теплообмен вентиляции и обработка шлама.
Вставка 3. Расчет проточности в УЗВ с USB-MDR.

Водообмен одного бассейна


Для TAN, в проточных и оборотных системах водоснабжения AC = Cлимит (предполагая, что входящая вода не содержит TAN), вследствие чего, q = abs[1,5 * 35 / 1,5] = 35 м3/кг корма. В УЗВ проток воды через рыбоводные бассейны для TAN равен требуемой проточности через нитрификационный фильтр (Вставка 7):
61 м3/кг корма в случае традиционной УЗВ и 75 м3/кг корма в случае УЗВ с USB-MDR.
Для O2, P = -512 г O2/кг корма и AC = -10,5 г/м3 (Вставка 4), поэтому q = abs[1,2 * -512 /-10,5] ≈ 59 м3/кг корма. 
Для CO2, P = 633 г CO2/ кг корма (RQрыба = 0,9) и AC = 10,3 г/м3 (Вставка 5), поэтому q = abs[1,2 * 633 /10,3] = 74 м3/кг корма.

Водообмен системы


Для NO3-N, P, остающееся после денитрификации, как спонтанной, так и в USB-MDR = 4,8 г N/кг корма (= 1,7 кг N/349 кг корма) и AC = 165 – 0 = 165 г/м3, поэтому q = abs[1 * 4,8 / 165] = 0,029 м3/кг корма


Проточность для денитрификации

Для NO3-N, P, остающееся после спонтанной денитрификации = (15 800/349) * 0,85 = 38,5 г N/кг корма (Вставка 10), из чего 85% денитрифицируется, и AC = 10 – 165 = -155 г/м3, поэтому q = abs[1 * (38,5 * 0,85) /- 155] ≈ 0,210 м3/кг корма.

Оксигенация


Кислород может добавляться в воду для выращивания путем аэрации, т.е. обеспечения соприкосновения воды с воздухом, либо оксигенации, т.е. обеспечения ее соприкосновения с газом, обогащенным кислородом (техническим кислородом). Аэрация может увеличить содержание кислорода только до точки насыщения. С помощью оксигенации поступающая вода может быть перенасыщена. Это не значит, что вода в рыбоводных бассейнах перенасыщена, в полностью смешанных системах вода в бассейнах равна вытекающей концентрации (см. раздел Проточность). В настоящем примере оксигенация воды происходит на месте ее впуска в рыбоводные бассейны в низконапорных оксигенаторах с соотношением газа и жидкости (соотношение Г/Ж) 0,05. 

Контролирующие параметры

 

Поверхность и время контакта, соотношение газа и жидкости.

Удаление углекислого газа

Удаление углекислого газа происходит с помощью дегазации. Удаление может осуществляться путем аэрации или перекачивания воды через колонку дегазации с набивным слоем (Packed Bed Stripping Tower, капельный фильтр). В настоящем примере используется продувка воздухом, как в рыбоводных бассейнах, так и в нитрификационном реакторе с подвижным слоем.

Контролирующие параметры

Поверхность и время контакта, соотношение газа и жидкости.

Удаление взвешенных твердых частиц

Удаление взвешенных твердых частиц из воды, используемой в аквакультуре, происходит гравитационными методами (седиментация, флотация, гидроциклон) или фильтрацией (фильтры грубой очистки, микрофильтры). Устройство всех этих систем зависит от гранулометрического состава, либо косвенно, через распределение массы частиц в случае гравитационных методов, либо непосредственно, в случае фильтрационных методов. В настоящем примере использовался барабанный микропористый фильтр (размер пор 80 мкм).

Контролирующие параметры


Гранулометрический состав.


Вставка 6.

Барабанный фильтр

При проектировании барабанного фильтра, его конкретный тип может быть выбран (http://www.hydrotech.se/en/solutions/drumfilters) на основе матрицы проточности (л/с), температуры (°C), ожидаемого ввода взвешенных твердых частиц (г/м3) и размера пор (мкм).


Вставка 5.

Удаление CO2

Аэрация в рыбоводных бассейнах увеличивает эффективную AC = Cлимит – Cввод CO2, или, поскольку Cлимит является постоянной (15 г/м3), снижает эффективную Cввод. При эффективности удаления SE, эффективная AC = AC / (1 – SE). В УЗВ мы не знаем фактическую Cввод, но из производства CO2 рыбами (Вставка 3) и факта, что на практике проточность, равная 70 м3/кг корма, бывает достаточна в традиционной УЗВ, можно рассчитать, что эффективность удаления равна 0,4 а эффективная Cввод = 4,2 г/м3 (AC = 10,8 г/м3). В УЗВ с USB-MDR в биологических фильтрах производится больше CO2 и эффективная Cввод рыбоводных бассейнов составляет Cввод = 4,7 г/м3 (AC = 10,3 г/м3).


Вставка 4.

Оксигенация

С помощью низконапорных оксигенаторов, концентрация O2 в воде, поступающей в рыбоводный бассейн, повышена до насыщенности 200% = 15 г/м3. Поскольку ограничивающая концентрация O2 (= концентрация на выходе) для рыб равна 4,5 г/м3 , AC = -10,5 г/м3 .
Примечание: Исходя из потребления технического кислорода на практике, предполагается, что оксигенация удовлетворяет всю потребность рыб и бактерий в O2 и что технический кислород используется с эффективностью 80% (т.e. использование кислорода = 1.25 * потребность O2)

Скорость нитрификации (г TAN/м2/сут.) в зависимости от концентраций TAN и O2

Рисунок 27: Скорость нитрификации (г TAN/м2/сут.) в зависимости от концентраций TAN и O2. Также показана средняя скорость нитрификации в хозяйстве мощностью 100 т для производства тиляпии, представленном в настоящем примере. (Nitrification rate - Скорость нитрификации; Actual O2 - Актуальный О2; Average nitrification rate - Средняя скорость нитрификации)

Нитрификация


В аквакультурных системах удаление TAN из воды для выращивания обычно происходит путем нитрификации. Нитрификация является биологическим окислением аммиака (NH3) до нитрата (NO3) бактериями. Реакция проходит в двух этапах, за которые ответственны различные группы бактерий.
Промежуточным продуктом является нитрит (NO2). Общая формула реакции следующая:

1 г NH3-N + 4,25 г O2 + 5,88 г NaHCO3  0,26 г ХПК + 0,98 г NO3-N + 2,72 г CO2 (3)


Из этой реакции видно, что процесс потребляет кислород и щелочность и производит, кроме NO3, бактериальную биомассу и CO2. На каждый грамм TAN требуется 4,25 г O2 и около 1 эквивалента щелочности, а также производится около 0,26 г ХПК. В аквакультурных системах нитрифицирующие бактерии обычно растут на пластиковом субстрате, в форме так называемой «биопленки». Поэтому скорость реакции выражена на единицу поверхности пластикового субстрата, в г/м2/сутки. Поскольку субстраты реакции, TAN и O2, должны диффундировать в биопленку, скорость реакции зависит от концентрации лимитирующего субстрата. Из-за кинетики диффузии эта зависимость принимает форму реакции ½ порядка; скорость зависит от концентрации в ½ степени (или √[концентрация]).

Скорость нитрификации r (г/м2/сут.) = a * √[TAN] + b (4)


Значения a и b зависят от типа используемого нитрификационного реактора.
Для реактора с подвижным слоем, используемого в настоящем примере, a = 0,65, b = -0,1. Соотношение концентраций O2 и TAN, при которых тот или иной становится субстратом, ограничивающим скорость реакции, равно 3,6.
Данные взаимоотношения показаны на рисунке 27, на котором видно, что при низких концентрациях TAN скорость реакции зависит от данной концентрации TAN, тогда как при более высоких концентрациях такой зависимости нет.  
Переходная концентрация TAN, а также максимальная скорость нитрификации, зависят от концентрации O2.

Примечание: 
Если Cлимит TAN близка к [O2]/3,6, в течение некоторого отрезка дня
средняя концентрация TAN будет ниже чем [O2]/3,6, так же, как и средняя скорость нитрификации.
Возможно сделать поправку на это, если взять [TAN]ср = Cлимит / k (значение k см. в уравнении 2 в разделе Проточность). Необходимая проточность через нитрификационный фильтр равна:

q (м3/время) = P / AC (5)


Итак, контролирующими параметрами при проектировании нитрификационного реактора являются средние концентрации TAN и O2. Они определяют реальную скорость нитрификации и, следовательно, общую поверхность, требуемую для нитрификации и необходимую проточность через нитрификационный реактор. Зная удельную поверхность материала биофильтра (м2/м3), возможно рассчитать его требуемый объем.


Контролирующие параметры

 

Концентрации TAN и O2 в нитрификационном реакторе.

Реактор для денитрификации навоза с восходящим потоком воды через слой анаэробного ила (USB-MDR) (Stirrer - Мешалка; Water - Вода; Sludge - Ил).
Рисунок 28: Реактор для денитрификации навоза с восходящим потоком воды через слой анаэробного ила (USB-MDR) (Stirrer - Мешалка; Water - Вода; Sludge - Ил).


Денитрификация

Удаление нитрата (NO3) из воды для выращивания возможно путем денитрификации.
Денитрификация является биологическим восстановлением NO3 до газообразного N2 бактериями. За денитрификацию ответственны факультативно аэробные гетеротрофные бактерии. Реакция денитрификации происходит в нескольких этапах, с NO2, NO и N2O в качестве промежуточных продуктов. Общая формула реакции является следующей:

1 г NO3-N + 4,4 г ХПК  1,54 г ХПК + 1 г N2 + 0,085 г NH4-N + 5,49 г NaHCO3 + 0,88 г CO2 (6) 

Из реакции видно, что процесс потребляет ХПК и производит, кроме N2, щелочность и бактериальную биомассу. Каждый грамм NO3-N может «окислить» 2,86 г ХПК, в то время как производится также около 0,91 эквивалента щелочности и 1,54 г ХПК (0,35 г ХПК/г ХПК).
Поэтому общая потребность в ХПК составляет 2,86 / (1 – 0,35) = 4,4 г ХПК / г N. Однако, если количество ХПК меньше, скорость реакции также будет меньшей (Рисунок 29). Примечание: Небольшое эндогенное («голодающее») удаление NO3-N есть даже тогда, когда ХПК полностью отсутствует. ХПК, используемое денитрифицирующими бактериями, может быть внутреннего (экскременты и несъеденный корм) или внешнего (например, метанол) происхождения.
Денитрифицирующие бактерии могут расти на пластиковом субстрате, в форме так называемой «биопленки», или во взвешенном виде, как бактериальный суп (ил). В настоящем примере используется перемешиваемый реактор с восходящим потоком воды через слой анаэробного ила (Upflow Sludge Bed Reactor, USB). Содержимое реактора перемешивается для облегчения удаления газообразного азота из слоя ила. В системе используется внутреннее ХПК, называемое также навозом, поэтому она называется USB-реактор для денитрификации навоза (USB Manure Denitrifying Reactor, USB-MDR)(Рисунок 28).


Необходимый объем ила в денитрификационном реакторе определяется по удельной способности удаления NO3-N (г N/м3/сут.). Эта удельная способность удаления зависит от соотношения ХПК/NO3-N в иле, поступающем в реактор (Рисунок 30) и от количества присутствующих бактерий, т.е. плотности ила (г VSS/м3), что, в свою очередь, зависит от скорости течения (м/ч) (Рисунок 29).
Общий объем реактора определяется соотношением объем ила/общий объем. Диаметр и высота реактора могут быть рассчитаны из общего объема и скорости восходящего потока.
Вставка 7. Нитрификационный реактор с подвижным слоем.
Поскольку Cлимит TAN = 1,5 г/м3 и [O2 ] = 4,5 г/м3, [O2]/[TAN] близко к 3,6 и, соответственно, средняя [TAN] в нитрификационном реакторе составляет [TAN]ср = 1,5/1,4 ≈ 1,1 г/м3, а скорость нитрификации r = 0,65 * √[1,1] – 0,1 ≈ 0,58 г N/м2/сут.
Фильтр с подвижной загрузкой наполнен биокольцами с удельной поверхностью 800 м2/м3. Если при максимальном вводе корма количество окисляемого N равно 12,6 кг N (в традиционной УЗВ, см. вставку 9), то требуется 12 600 / 0,58 / 800 = 28 м3 биоколец. Коэффициент заполнения в реакторе с подвижным слоем составляет 0,4, поэтому общий объем равен 27 / 0,4 = 71 м3. Предполагается также, что 95% общего объема составляет вода, поэтому ее объем в нитрификационном реакторе равен 0,95 * 75 = 67 м3.
Требуемая проточность через реактор с подвижным слоем составляет q = 12 600 / 0,59 ≈ 21 360 м3/сут. или 21 360 / 349 = 61 м3/кг корма. Примечание: AC и проточность были определены вместе путем итерации.
В УЗВ с USB-MDR необходимо окислить больше N (15,8 кг N в сутки, вставка 10), поэтому требуется 34 м3 биоколец (общий объем: 85 м3, объем воды: 81 м3), а необходимая проточность через реактор с подвижным слоем составляет 74 м3/кг корма.

Контролирующие параметры


Соотношение ХПК/NO3-N в поступающих отходах, скорость восходящего потока.

Теплообмен при вентиляции

Интенсивное хозяйство по производству тиляпии должно проветриваться, чтобы концентрация CO2 в воздухе оставалась в приемлемых пределах. Потери тепла через вентиляционный воздух могут быть значительными, 40 кВт в традиционной УЗВ, представленной в настоящем примере, что равно 44 000 м3 газа в год. Пропускание вентиляционного воздуха через теплообменник может сэкономить около 11 кВт (12 000 м3 газа) в год, а также снизить испарение воды с 2,7 до 0,5 л/кг корма.

Обработка шлама

Во избежание выпуска большого количества разбавленных твердых веществ (промывочная вода барабанного фильтра содержит менее чем 0,1% сухого вещества) и для снижения расходов на удаление шлама возможно его уплотнение. Это может быть сделано с использованием 

Вставка 8.

Реактор для денитрификации навоза с восходящим потоком воды через слой анаэробного ила (USB-MDR).

Соотношение ХПК/NO3-N в отходах, поступающих в USB-MDR, равно 5,1 (Вставка 10), т.е. выше, чем 4,4 (Уравнение 6), поэтому скорость удаления ила является максимальной при 45 г N/кг VSS/сут. (Рисунок 29).
В настоящем примере скорость восходящего потока была выбрана как 0,38 м/ч, поэтому плотность ила равна -22,6 * 0,38 + 26,8 = 18 кг VSS/м3 (Рисунок 30), а удельная скорость удаления составляет 0,045 * 18 ≈ 0,82 кг N/м3/сут.
Так как после спонтанной денитрификации остается 11,3 кг NO3-N, требуется 11,3 / 0,82 = 13,9 м3 ила. 
Общий объем USB-MDR равен 2 * 13,9 = 27,7 м3, вследствие чего, время гидравлического задержания ВГЗ = 27,7 / (349/24 * 0,210) = 9 ч. Время пребывания ила может быть рассчитано из количества имеющегося ила (13,9 м3 * 18 кг VSS/м3 = 250 кг) и его суточного производства (14,9/1,42=10,5 кг, вставка 10), по формуле ВП = 250 / 10,5 = 24 сут.
Диаметр USB-MDR может быть рассчитан из площади его поперечного сечения, которая, в свою очередь, рассчитывается из проточности через USB-MDR (Вставка 3) и скорости восходящего течения. Для большей гибкости было решено установить 3 блока USB-MDR, каждый диаметром 2*√[(349/24 * 0,210/3) / π] = 1,8 м.
Таким образом, высота USB-MDR составляет (27,7/3)/[(1,8/2)2 * π] ≈ 3,4 м.


Плотность ила в зависимости от скорости восходящего потока в USB-MDR. (Sludge density - Плотность ила; Upflow rate - Скорость восходящего потока)
Рисунок 29: Плотность ила в зависимости от скорости восходящего потока в USB-MDR. (Sludge density - Плотность ила; Upflow rate - Скорость восходящего потока)

Рисунок 30: Удельная скорость удаления в зависимости от соотношения ХПК/NO3-N в поступающих отходах. В случае отховов ХПК с интенсивного хозяйства, производящего тиляпию, максимальная скорость удаления составляет 45 г N/кг VSS. Скорость эндогенного удаления равна 16 г N/кг VSS. Для простоты предполагается, что скорость удаления ила уменьшается линейно со снижением соотношения ХПК/N. (Sludge removal rate - Скорость удаления ила; COD/NO3-N ratio - Соотношение ХПК/ NO3-N)

вышеупомянутых методов удаления твердых частиц, седиментации (септик-тенк), флотации и микрофильтрации. Еще одним методом фильтрации является использование «Geotubes», прочных плетеных мешков из полипропиленового геотекстильного материала, часто используемых для хранения и обезвоживания ила.
В настоящем примере ил от промывки барабанного фильтра традиционной УЗВ уплотняется путем флотации, что повышает содержание сухого вещества в конечном иле до 2%. Ил из USB-MDR в УЗВ с USB-MDR уплотняется с использованием «Geotubes» и полимеров, доводя содержание сухого вещества в конечном иле до 9%.