Модуль «Реактор для денитрификации навоза» (УЗВ)


В Нидерландах рыба выращивается главным образом в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ).
Для дальнейшего повышения устойчивости рыбоводства в УЗВ, рыбоводы стараются:


1. Уменьшить расход энергии и воды,
2. Уменьшить объем выпуска сбросных вод (расходы на транспортировку навоза и выпуск отходов),
3. Улучшить утилизацию питательных веществ рыбами, используя хорошо спланированные режимы кормления и оптимальные условия выращивания, 
4. Снизить сборы за загрязнение, основанные на выпуске ХПК, азота по Кьелдалю и фосфора. 
Достижение этих целей требует так называемых «внутрисистемных инноваций», снижающих выпуск растворенных и твердых азота, ХПК и органических веществ. В рассматриваемом примере изучалась интеграция реактора для денитрификации навоза с восходящим потоком воды через слой анаэробного ила (upflow sludge bed manure denitrification reactor, USB-MDR) в УЗВ для уменьшения расхода воды и энергии для подогрева воды, а также выпуска питательных веществ. Целью исследований в голландском примере являлось определение: влияния скорости восходящего потока на эффективность USB-MDR; влияния соотношения C:N в кормах на удаление нитрата и качество воды; влияния кормов на основе растительных протеинов на удаление нитрата и качество воды в системе; эффективности модернизированного реактора; влияния системы «Geotube®» на снижение выпуска отходов из USB-MDR; влияния USB-MDR на здоровье и физическое благополучие рыбы в опытной УЗВ; а также того, препятствует ли интеграция USB-MDR в УЗВ появлению в системе соединений, причиняющих нежелательные привкусы и запахи в рыбе и воде (off-flavour compounds).
Наконец, результаты исследований и коммерческие данные (ZonAquafarming BV) были объединены в конкретный пример, в котором гипотетическая УЗВ мощностью 100 т с USB-MDR и такая же система без USB-MDR сравнивались с точки зрения их воздействия на показатели устойчивости.

 

Общее описание рассматриваемого примера


Проектирование рыбного хозяйства начинается с выбора объекта выращивания. Выбор вида во многом определяет параметры роста, производственные параметры и требования к качеству воды, а также производство отходов. Отходы выделяются в воду, где живут рыбы, ухудшая, таким образом, ее качество. Поэтому требуется постоянная проточность для удаления данных отходов от рыб. В проточной системе проточность рыбоводных бассейнов равна водообмену системы (Рисунок 21).

В проточной системе проточность рыбоводных бассейнов равна водообмену системы

Рисунок 21: В проточной системе проточность рыбоводных бассейнов равна водообмену системы. В Установке Замкнутого Водоснабжения (УЗВ) вода, вытекающая из рыбоводных бассейнов, очищается и повторно используется. В различных очистных сооружениях может требоваться различная проточность, поэтому они иногда функционируют независимо друг от друга.

В Установке Замкнутого Водоснабжения (УЗВ) вода, вытекающая из рыбоводных бассейнов, очищается и повторно используется (Рисунок 21). Твердые частицы удаляются путем седиментации или фильтрации, кислород добавляется путем аэрации или оксигенации, углекислый газ удаляется с помощью дегазации, а аммиак большей частью преобразовывается в нитрат (NO3) путем нитрификации в аэробных биологических фильтрах. Водообмен в системе уменьшается после каждого этапа очистки в соответствии со следующим ограничивающим компонентом отходов. В традиционных системах УЗВ водообмен определяется концентрацией нитрата (Рисунок 21). В УЗВ последнего поколения нитрат преобразовывается в газообразный азот (N2) путем денитрификации в анаэробных биологических фильтрах. В этих денитрификационных реакторах органическое вещество (предпочтительно внутреннего происхождения, т.e. несъеденный корм и экскременты из системы удаления твердых загрязнений) окисляются с помощью кислорода нитратной молекулы. Таким образом, эти УЗВ последнего поколения снижают не только потребление воды и выпуск азота (т.к. из них вымывается меньшее количество нитрата), но также выпуск органического вещества.
Для всех блоков УЗВ, рыбоводных и водоочистных единиц, существуют два основных вопроса: 

1) объем протекающей через них воды и 2) их размеры (т.e. объем и форма).
В рыбоводных бассейнах проточность должна быть достаточно большой для удаления произведенных отходов и поддержания качества воды, подходящего для рыб. В каждой водоочистной единице проточность должна быть достаточной для обеспечения предназначенного к удалению количества питательных веществ (отходов). В различных очистных сооружениях может требоваться различная проточность, поэтому они иногда функционируют независимо друг от друга (Рисунок 21).
Необходимый объем рыбоводных бассейнов зависит от максимальной плотности посадки данных видов рыб. Требуемые объем и форма очистных сооружений зависят от их функциональных характеристик. В случае удаления твердых веществ, они зависят в первую очередь от гранулометрического состава. В случае биологических фильтров, объем зависит от удельной активности, выраженной в г удаленных отходов/м3/сут.
Из вышесказанного следует, что для проектирования УЗВ необходимо знать количество отходов, производимых за сутки. Поскольку все отходы происходят из кормов, т.e. все в кормах, что не задерживается в рыбах, превращается в отходы, данный вопрос сводится к необходимости знать суточные нормы кормления. Из-за меняющегося количества рыб на хозяйстве, являющегося следствием обловов и посадок, нормы кормления также меняются. При проектировании хозяйства  следует брать за основу максимальное внесенное количество кормов, необходимое для достижения проектной мощности. Это, в свою очередь, может быть рассчитано из производственного плана.
Наконец, производство отходов может быть определено из максимального внесенного количества кормов с помощью модели баланса питательных веществ, в которой для расчета количества твердых (экскременты) и растворенных отходов (выделение через жабры и почки) используются состав и усвояемость корма, состав рыб и интенсивность их дыхания.


Принципы модуля для денитрификации навоза


USB-MDR является цилиндрическим анаэробным (не содержащим свободного кислорода) реактором, подпитываемым потоком отходов из блока для удаления твердых веществ (Рисунок 21), содержащим  растворенные и твердые фекальные органические отходы, бактериальные хлопья и неорганические соединения. Вода, содержащая отходы, поступает в реактор внизу в центре и создает восходящий поток. Скорость восходящего потока в реакторе меньше, чем скорость оседания крупногранульной фракции твердых отходов, вследствие чего в нижней части реактора возникает слой ила, содержащий оседающие твердые отходы. В этом слое фекальные твердые углеродсодержащие отходы разлагаются денитрифицирующими бактериями, результатом чего являются: (1) продукция бактериальной биомассы, (2) восстановление нитрата до газообразного азота и производство углекислого газа; (3) увеличение щелочности и (4) выработка тепла. Твердые отходы в слое ила служат также в качестве субстрата для роста денитрифицирующих бактерий. Отстоявшаяся вода покидает реактор через водослив с V-образным вырезом, расположенный в верхней части реактора.
В сравнении с традиционной УЗВ, УЗВ с USB-MDR позволяет: уменьшить объем подпиточной воды, необходимой для контроля концентрации нитрата; сократить выпуск нитратного азота; снизить расход энергии благодаря меньшей потребности в подпиточной воде и выработке тепла бактериальной биомассой в USB-MDR; концентрировать твердые вещества, поступающие из барабанного фильтра; уменьшить размер/объем блока доочистки, поскольку USB-MDR уже концентрирует и разлагает твердые частицы; уменьшить размер сборов за выпуск питательных веществ (TAN, нитрата, органического N и органического вещества (ХПК)); увеличить щелочность и создать нейтральный pH для ведения рыбоводной деятельности. Недостатками являются: значительные инвестиции, необходимость обширных знаний для успешной эксплуатации, аккумуляция растворенных твердых веществ (Total Dissolved Solids, TDS).


Оценка избранных показателей устойчивости «SustainAqua»


Показателями устойчивости «SustainAqua», анализируемыми в данном модуле для гипотетической УЗВ мощностью 100 т без USB-MDR (традиционная УЗВ) и идентичной системы с USB-MDR, являются потребление ресурсов и выпуск отходов на килограмм выловленной рыбы, а также использование питательных веществ, выраженное в процентах от их ввода (см. Таблица 43).


Таблица 43: Оценка показателей устойчивости «SustainAqua» в модуле USB-MDR

Оценка показателей устойчивости «SustainAqua» в модуле USB-MDR

 a) На практике, если применяется денитрификация, потребность в бикарбонате (щелочности) равна нулю.

 

Факторы успеха и ограничивающие факторы


В голландском примере интеграция реактора для денитрификации навоза (USB) в традиционную УЗВ имела следующие:

Факторы успеха


• Потребление воды, энергии и щелочности в традиционной УЗВ могут быть сильно сокращены
• Расход энергии значительно меньше, чем в традиционной УЗВ, поскольку: (a) контроль концентрации нитрата требует обмена и, соответственно, подогревания меньших объемов воды и (b) бактериальная биомасса вырабатывает значительное количество тепла путем повторного использования и окисления питательных веществ, которые иначе были бы потеряны.
• Если цикл рециркуляции содержит USB, то выпуск отходов является меньшим (разложение) и более концентрированным (из-за выбора процесса очистки), чем в традиционной УЗВ. Возможна дальнейшая концентрация отходов, очищая ил из USB с помощью системы «Geotubes®».
Перспективы
• В будущем в условиях рыбоводства, если нитратный азот не может контролироваться с помощью USB-MDR, составление (изменение) рецептур кормов с целью повышения соотношения C/N в отходах рыб может быть полезным методом для контроля аккумуляции нитрата путем денитрификации. Таким образом, потребление воды, энергии и щелочности может быть снижено. 
• Дальнейшее повышение общественного признания устойчивости производства рыбы в УЗВ в будущем может потребовать использования кормов, содержащих растительные протеины.
Настоящее исследование не выявило значимого влияния кормов с растительными протеинами на эффективность работы USB-MDR. Однако концентрация ортофосфатного P была значительно выше в УЗВ, где рыбы получали корма с растительными протеинами, чем в УЗВ, где они получали корма на основе рыбной муки.

Ограничивающие факторы


• Нильская тиляпия весом до ±150 г может выращиваться в рециркуляционных системах с почти закрытым водоснабжением, где водообмен составляет 30 л на килограмм корма в сутки (с USB), без отрицательного влияния на физическое благополучие рыб. С другой стороны, у более крупных рыб (±300 г), по-видимому, появляется тенденция к задержке роста, когда они выращиваются в УЗВ опытного масштаба с USB-MDR при таком же обмене воды. Однако этот эффект не наблюдался в коммерческой УЗВ (информация от ZonAquafarming BV)
• Эксплуатация системы требует больших инвестиций и большего объема знаний.


Преимущества применения системы


Общие преимущества и трудности применения USB-MDR в традиционной УЗВ основаны на примере гипотетического хозяйства, производящего тиляпию, мощностью 100 тонн (т.е. ежегодно реализующего 100 т рыбы). В примере были использованы научные данные (AFI-WUR) и данные по товарному выращиванию в УЗВ (ZONAQUAFARMING BV). Указанные преимущества и трудности основаны на сравнении традиционной УЗВ с УЗВ, интегрированной с инновацией USB-MDR.
Ожидаемыми преимуществами и трудностями применения USB-MDR и системы «Geotube®» в УЗВ по сравнению с УЗВ без USB-MDR и «Geotube®» являются:
Преимущества
Использование
ресурсов:
- Снижение расходов на энергию: 3 кВт.ч/кг выловленной рыбы
- Снижение потребления воды: 200 л/ кг выловленной рыбы
- Снижение потребления бикарбоната: 252 г/кг выловленной рыбы


Повторное использование питательных веществ:

- Повторное использование питательных веществ бактериями и их преобразование в 0,5 кВт.ч/кг произведенной рыбы
Выпуск питательных веществ:
- Снижение на 81% в случае N,
59% в случае ХПК,
61% в случае ОПК,
30% в случае CO2
1)
58% в случае TDS
Объем ила: - Снижение объема: 7,3 л на кг корма, используя систему «Geotube®»

Трудности


- Большие инвестиции (±52800 евро за USB-MDR, дополнительный материал для биофильтра и дополнительный объем), чем в традиционной УЗВ 

- Может потребоваться барабанный фильтр с большей способностью к удалению TSS, поскольку TSS не полностью задерживается в USB-MDR. В экспериментах, проведенных в опытном масштабе, эффективность удаления TSS (%) в USB-MDR составляла 65 ± 18 (средняя ± S.D; N=7).
- Эксплуатация УЗВ с USB-MDR требует больших знаний
- Соотношение C:N в отходах жизнедеятельности рыб может ограничивать эффективность удаления нитрата
1) Снижение выпуска углекислого газа является следствием экономии ископаемого топлива. 
В целом, в экономических условиях Нидерландов данный пример показывает снижение себестоимости обловленной рыбы на 10% в УЗВ с USB-MDR по сравнению с УЗВ без USB-MDR.