Приложение 6

Технология запуска биологического фильтра


Биологическая фильтрация – это многостадийный, многоступенчатый процесс, полностью аналогичный самоочистке природных водоемов и осуществляющийся разнообразными бактериями. Первой стадией является минерализация. Специализированные бактерии – гетеротрофы – переводят органические азотсодержащие вещества (экскременты рыб, остатки несъеденного корма, мочевину и т. п.) в неорганические, в основном в аммиак. Следующая стадия – нитрификация аммиака и перевод его в нитрит, а далее в малотоксичный для рыб нитрат – осуществляется другими группами литотрофных бактерий, таких как Nitrobacter, Nitrospina, Nitrosomonas (рис. 1). Для рода Nitrobacter возможен миксотрофный рост. Основным источником энергии служит нитрит. В присутствии нитрита и органических веществ часто происходит двухфазный рост: сначала клетки используют нитрит, а затем окисляют органическое вещество. Энергия, выделяющаяся при окислении аммиачного азота до нитратного, используется бактериями для ассимиляции углекислого газа и для других эндотермических процессов.

Биологическая фильтрация
Рис. 1
Существуют также бактерии-прокариоты, которые переводят нитраты в нейтральный азот и совсем выводят его из круговорота веществ в аквасистеме. Этот процесс называется денитрификацией (протекает в анаэробной среде, т. е. без участия кислорода, при достаточно высокой температуре), он используется крайне редко, вследствие того, что удалять нитраты разбавлением более выгодно экономически. 
Первые две стадии и составляют суть биофильтрации – особые группы бактерий занимаются переработкой ядовитых соединений азота – аммиака и нитритов – в значительно менее ядовитые нитраты.
Следует отметить, что бактерии-нитрификаторы чувствительны к кислой среде. Область значений рН, при которых наблюдается рост разных видов и штаммов нитрифицирующих бактерий, приходится на 6,0–8,6, а оптимальное значение рН чаще всего 7,0–7,5. Известны штаммы, имеющие температурный оптимум 26 или около 40 °C, и штаммы, довольно быстро растущие при 4 °C.
Все известные нитрифицирующие бактерии являются облигатными аэробами. Но так как заметного снижения работы бактерий при снижении содержания кислорода в воде до 3 мг/л не происходит, а для выращиваемой рыбы это уже критические значения, то дополнительно в биофильтр вводить кислород не нужно.
Запуск нового биофильтра
Запуск нового биофильтра преследует цель заселения субстрата колониями минера-лизующих и нитрифицирующих бактерий (рис. 2).

Запуск нового биофильтра преследует цель заселения субстрата колониями минера-лизующих и нитрифицирующих бактерий
Рис. 2
206
Бактерии этих видов присутствуют практически повсюду, и если в биофильтр попа-дает аммоний, то это вызывает развитие колоний бактерий Nitrosomonas. В результате окислительной деятельности бактерий Nitrosomonas в воде появляется нитрит, служащий питанием для бактерий рода Nitrobacter, окисляющих нитрит до нитрата. Как и для всего живого, им требуется время для своего размножения и наращивания биомассы, достаточной для окисления поступающих из рыбоводных емкостей (бассейнов) загрязнений. Чем больше загрязнений в единицу времени поступает из бассейнов, тем большая биомасса активного ила требуется для их окисления. Причем процесс развития бактерий-окислителей связан со значительными изменениями гидрохимического режима.
Картина изменения концентраций аммония, нитрита и нитрата в процессе запуска биофильтра приведена на рис. 3.

Картина изменения концентраций аммония, нитрита и нитрата в процессе запуска биофильтра
Рис. 3
Нормальный срок завершения процесса формирования колоний нитрифицирующих бактерий в биофильтре составляет 30–40 суток при температуре 20 °С. Но выход на установленный режим биофильтров в установках для выращивания холодолюбивых рыб растягивается до 1–2 месяцев, а в соленой воде – до 2–3 месяцев.
При небольших плотностях посадки рыбы 2–3 кг/м3 запуск биофильтра проходит без затруднений, так как уровень концентрации токсичных продуктов не успевает возрасти до предельных значений. После формирования колоний бактерий нагрузка на биофильтр может плавно увеличиваться. О формировании колоний бактерий судят по изменению концентрации нитрата. Если концентрация нитрата растет, значит, бактерии рода Nitrobacter действуют.
Ускоренный запуск биофильтра проходит при частичной заправке его субстратом из функционирующего биофильтра. Это очень просто выполнить при сыпучем субстрате (гранула, щебенка, гравий). Но перед проведением этой процедуры следует провести тщательный санитарно-ветеринарный мониторинг хозяйства, из которого планируется брать культуру бактерий, так как с субстратом можно занести в аквасистему различные заболевания, в том числе и вирусные.
После монтажа системы УЗВ не следует сразу высаживать в нее объекты выращивания. Предварительно необходимо заполнить водой и промыть всю систему циркуляции, проверить работу всех ее элементов. Как правило, в этот момент выявляются все недостатки монтажных работ, протечки в соединениях и строительно-монтажных швах, недостаточная герметичность запорной арматуры и т. п. Рекомендуемый срок такой опытной эксплуатации составляет 2–3 недели, после чего воду из системы необходимо слить, заполнить ее свежей водой и приступить к пусковому периоду эксплуатации биоочистки.
Как уже говорилось, при небольших плотностях посадки рыбы проблем с запуском биофильтра не возникает. И после того как происходит устойчивое накопление нитратов в системе, а содержание аммонийного азота и нитритов опускается до оптимальных значений, можно еще подсаживать биомассу рыбы, но не более половины от существующей в неделю, и корректировать кормление по результатам анализов воды. То есть если в установке биомасса рыбы была на уровне 5 кг/м3 и биофильтр заработал, то в течение последующей недели можно подсадить до 2,5 кг/м3 рыбы и т. д. до необходимой плотности посадки. Таким образом, этот способ запуска биофильтра при возможности его применения наиболее предпочтительный, так как на биофильтре развиваются штаммы, приспособленные именно к данным видам загрязнений.
После выхода биофильтра на проектную мощность следует избегать сильных колебаний в кормлении, так как резкое снижение кормления может вызвать отмирание биологической пленки, что чревато, во-первых, вторичным загрязнением биофильтра вследствие переработки отмерших бактерий оставшимися (своеобразный «нитритный всплеск»), а во-вторых, возобновлением процесса наращивания бактериальной массы.
При запуске биофильтра с рыбой, как видно из рис. 3, сначала повышается концентрация аммонийного азота, затем нитритного, а после нитратного.
Аммонийный азот сам по себе не сильно токсичен для рыб, но при повышении рН более 7 он переходит в очень токсичный аммиак (табл. 1), концентрация которого не должна превышать сотых долей миллиграмма на литр. При повышенной концентрации аммиака в воде рыба не может полноценно выводить его из организма и помимо общего отравления происходит разрушение жаберного эпителия, куда проникает секундарная инфекция, в результате чего отравившаяся рыба еще и заболевает. Чтобы снизить токсическое действие аммиака при запуске биофильтра с рыбой, нужно регулировать рН воды в системе, медленно добавляя раствор соляной кислоты (х. ч.), желательно с помощью автоматических дозаторов корректировки рН. Однако следует помнить, что кислая среда неблаготворно влияет на рост нитрифицирующих бактерий, поэтому при высоких концентрациях солей аммония рН следует поддерживать на уровне 7.

Таблица 1. Содержание свободного аммиака в растворах гидроокиси аммония при различных значениях pH и температуры, %

Содержание свободного аммиака в растворах гидроокиси аммония при различных значениях pH и температуры, %

Нитритный азот также токсичен для рыб. Его оптимальное содержание в воде – десятые доли миллиграмма на литр. Нитритный токсикоз вызывает у рыб окисление феррогемоглобина в ферригемоглобин, влияет на ткани и сосудистую систему, а также на липидный и жирокислотный состав молоди рыб. Токсичность нитритов зависит от температуры, концентрации кислорода и хлоридов.
Ионы хлора снижают токсичность нитритов. Так, присутствие NaCl в концентрации 200 мг/л в 3 раза снижает токсичность нитритов для молоди стальноголового лосося. Снизить токсическое действие нитритов можно внесением хлорида натрия в сочетании с хлоридом кальция из расчета 5 мгCl–/м3 на каждые 0,1 г нитритного азота в 1 м3 воды. При отсутствии хлорида кальция дозу поваренной соли увеличивают до 8 г/м3.

Нитратный азот не столь токсичен для рыб. Его концентрация может доходить до десятков, а по некоторым данным до сотен миллиграммов на литр без видимого вреда для рыбы. Впрочем, при высоких концентрациях и низких значениях рН нитриты переходят в азотную кислоту и могут раздражать кожные покровы. Из УЗВ нитраты удаляются в основном за счет разбавления свежей подпиточной водой, в результате чего, собственно, и устанавливается лимит подпиточной воды современных УЗВ в 5–10 %.
В идеале пусковой период сооружений биологической очистки в УЗВ следует проводить заблаговременно, когда в рыбоводных емкостях еще нет гидробионтов. Это позволяет избежать риска губительного воздействия на них высоких концентраций аммиака и нитритов в момент формирования биоценоза активного ила. В этом случае в качестве источника загрязнений (органического и аммонийного питания для развития бактерий) в систему циркуляции следует вносить какую-либо органику и минеральные соли, например хлорид аммония, другие искусственные питательные среды. Но у этого метода может быть недостаток, выраженный в том, что, видимо, развиваются не совсем те штаммы бактерий, которые сопровождают работу биофильтра с рыбой, и при вселении гидробионтов происходит некоторая разбалансировка в работе биофильтра.
Для подкормки нитрифицирующих бактерий, особенно в начальный период, в воде необходимо поддерживать концентрацию ионов аммония в пределах 1–3 мг/л. Для создания концентрации ионов аммония на уровне 1 мг/л необходимо добавить 3,8 г хлорида аммония на 1 м3 воды. После того как заработают колонии бактерий и начнется снижение концентрации аммония, раствор солей аммония необходимо добавлять не реже 1 раза в сутки. Во время безрыбного запуска биофильтра подпитку свежей водой проводить не следует.
Для подкормки гетеротрофных бактерий необходимо добавлять комбикорм для рыб, желательно такой же, которым будет кормиться рыба, из расчета 0,1–0,2 кг/м3 воды в системе в сутки. Перед внесением комбикорм следует замочить в горячей воде для размягчения, а затем сделать из него жидкую суспензию и только после этого добавлять в воду, так как если бросать неразмягченные гранулы, то они не будут успевать растворяться, особенно при невысоких температурах, и покроются плесневыми грибами рода Saprolegnia. В конце запуска биофильтр должен перерабатывать 4–5кг аммонийного азота на тонну молоди форели и 0,7 кг на тонну товарной рыбы в сутки. Переработкой данного количества солей аммония определяется окончание пускового периода био-фильтра. Так как на различных хозяйствах в разные периоды года индивидуальный бактериальный состав в атмосфере, то каждая установка будет запускаться по индивидуальным временным промежуткам (в течение 1–2 месяцев), а концентрацию солей аммония необходимо поддерживать по результатам анализов воды. Оптимальная температура для безрыбного запуска биофильтра составляет 28–30 °С. После этого в течение 2 суток температуру оборотной воды в установке снижают до 18–19 °С, а затем продолжают плавное ее снижение до заданного уровня со скоростью 1 °С в сутки, чтобы избежать гибели имеющегося биоценоза биоочистки от резкого перепада температуры воды и плавно адаптировать его к работе при низкой температуре. В этом случае пусковой период биофильтра продлится не более месяца. Воду в данный период можно подогре-вать проточными нагревателями или дополнительными батареями из пластиковых труб, подключенным к котельной. При этом открытое зеркало воды в бассейнах и приямках необходимо закрыть полиэтиленовой пленкой (устроить парник). Но так как осуще-ствить вышеописанное технически достаточно сложно, особенно на больших установках, то не всегда этот способ используется. При запуске биофильтра ежедневно осуществляется контроль качества оборотной воды по аммонийному азоту, нитритам и нитратам. На основании полученных результатов определяют момент стабилизации гидрохимического режима по перечисленным показателям. Чтобы сократить опасный 210
период запуска и оперативно начать технологический процесс содержания гидробионтов, в практике аквакультуры используют специальные водные кондиционеры и ускори-тели, представляющие собой концентрированные смеси культур бактерий-нитрификаторов. Но необходимо помнить, что нитрифицирующие бактерии Nitrobacter дольше приживаются на субстрате биофильтра, чем остальные, и если добавлять эти препараты при запуске с рыбой, то, как правило, через несколько часов происходит сильнейший всплеск токсичных нитритов. Водные кондиционеры широко представлены на аквариумном рынке (Sera, Tetra, APY и пр.), и пользоваться ими необходимо согласно инструкции фирмы-продавца. Но большим недостатком этого способа ускорения запуска является высокая стоимость используемых биопрепаратов. Во время запуска био-фильтра устройства дезинфекции воды (УФ-фильтры, озонаторы и т. п.) должны быть по возможности отключены. Однако озон имеет свойство быстро окислять нитриты до нитратов, и во время «нитритных всплесков» при запуске с рыбой эту способность, возможно, использовать в установках, оснащенных системой озонирования.
Таким образом, проведение пускового периода сооружений биоочистки в УЗВ можно осуществить тремя основными способами (или их комбинацией): внесением всевозможных реагентов в качестве питательной среды для микроорганизмов; добавлением популяций бактерий в виде чистых культур и бактериальных смесей, всевозможных субстратов из других биофильтров или природных источников; постепенной подсадкой гидробионтов в систему.
Схема запуска УЗВ по ускоренному варианту (на 1 м3 загрузки)

Схема запуска УЗВ по ускоренному варианту (на 1 м3 загрузки)
Порции вносятся равномерно через каждый час. Одновременно с введением субстанций ведется контроль газового и химического режима системы. Как правило стабилизация процесса нитрификации наступает к 15–20-м суткам (при температуре 22–23 °C). Это является признаком того, что система готова принять для выращивания рыбу.