3.4. Образцовые форелевые хозяйства

Целями образцового рыбоводного хозяйства (рис. 3.5) являются следующие:


1. Ведение документов об управлении и экологических параметрах, относящихся к датским форелевым хозяйствам, в том числе документации по выбросам веществ:
• азот (аммиак, нитраты, общее содержание азота);
• фосфор (растворенный и общий);
• биохимическая потребность в кислороде (БПК), которая выражает скорость потребления кислорода микроорганизмами в образце воды при температуре 20 °С в темноте;
• химическое потребление кислорода (ХПК), которое является мерой содержания органических веществ в воде.
2. Документирование и определение эффективности конкретных очистительных устройств (микросит, шламовых конусов, биофильтров, а также биологических прудов).
3. Уменьшение потребления пресной воды.
4. Увеличение удержания (преобразование) органических и питательных веществ.
5. Ознакомление с экологическими целями качества для конкретного водоприемника (река, озеро, прибрежные районы).
6. Увеличение производства рыбы без соответствующего негативного воздействия на окружающую среду.
7. Создание административных процедур по оптимизации и облегчению экологических разрешений.
На основе теоретических расчетов были определены три различных типа образцовых хозяйств по эффективности внедрения различных технологий очистки в существующих традиционных фермах. Тем не менее по разным причинам (забор воды, инвестиционные затраты и т. д.) были разработаны только два типа образцовых форелевых хозяйств (табл. 3.3).
Все данные основаны на стандартной модели с использованием 100 т кормов в год, со складом в 40 т, средней массой рыбы 120 г и максимальной плотностью посадки рыбы 50 кг/м3 (Dambrugsudvalget, 2002; Modeldambrugsbekendtgørelsen, 2002).
Образцовое рыбное хозяйство Ejstrupholm (тип 3)
Рис. 3.5. Образцовое рыбное хозяйство Ejstrupholm (тип 3). Производственные
подразделения включают две секции, каждая из которых состоит из двух бетонных каналов. На переднем плане видны три пруда для содержания рыбы. На заднем плане слева располагаются биологические пруды, которые состоят из бывших земляных
прудов, заросших растениями
Таблица 3.3. Некоторые из наиболее важных параметров, характеризующих
три типа образцовых рыбных ферм
Примечания: 1(Внутренняя рециркуляция / (Внутренняя рециркуляция + Водозабор)) · 100.
2Минимальная продолжительность использования – 9 часов в растительных прудах и максимальная гидравлическая нагрузка 1 л на 48 м2 растительного пруда; средняя глубина – 0,7–0,9 м.
Государственное распоряжение о моделях форелевых хозяйств, которое используется для регулирования потребления корма, содержания 92
в процентах азота, фосфора и органических веществ (БПК), основано на опыте использования устройств по очистке сточных вод в пресноводных рыбных фермах, очистных сооружениий, а также теоретических соображений (табл. 3.4).
Таблица 3.4. Предполагаемое выделение (%) согласно документу
«Об образцовых форелевых хозяйствах» по органическим веществам (БПК),
общему азоту и общему фосфору (Modeldambrugsbekendtgørelsen, 2002)

Предполагаемое выделение (%) согласно документу «Об образцовых форелевых хозяйствах» по органическим веществам (БПК), общему азоту и общему фосфору (Modeldambrugsbekendtgørelsen, 2002)

Соотношение между процентом удаления (R) и допустимым потреблением корма (F) определяется по формуле
FM = ((1 – Rn) / (1 – RN)) ∙ FT,
где FM – допустимое количество корма для образцового форелевого хозяйства;
Rn – процент поглощения БПК, азота и фосфора соответственно для традиционного форелевого хозяйства;
RN – процент поглощения БПК, азота и фосфора соответственно для образцового форелевого хозяйства;
FT – допустимое количество корма в соответствии с распоряжением «О форелевых хозяйствах» (Dambrugsbekendtgørelsen, 1989) (т. е. до реорганизации рыбной фермы в образцовое форелевое хозяйство).
Допустимое количество корма регулируется на основе самого низкого из процентов удаления для БПК, азота и фосфора соответственно.
Для обеспечения систематического документирования эффективности очистки в течение двух лет проводилась комплексная программа мониторинга для восьми образцовых форелевых хозяйств типа 3, которые были недавно реорганизованы из традиционных пресноводных форелевых хозяйств.

Тщательно документировались баланс и потери питательных веществ, органических и взвешенных веществ, проценты удаления и потери на килограмм произведенной рыбы, эффективность различных устройств очистки воды (Svendsen et al., 2008). В ходе двухлетнего периода исследования восемь образцовых хозяйствучастников получили разрешение на количество корма, более чем в 2 раза превосходящее предлагаемое Dambrugsbekendtgørelsen (1989), что связано с использованием предполагаемого процента удаления фосфора. Если бы деятельность этих хозяйств регулировалась предполагаемым процентом удаления азота, эти модели хозяйств получили бы только около 40–50 % дополнительного разрешения по сравнению с традиционными рыбными фермами. Тем не менее дополнительные разрешения на корма в размере 40–50 % были расценены рыбоводами как недостаточные для согласия на риск инвестиций в реорганизацию своей рыбной фермы. Результаты мониторинга было предложено внедрять для управления образцовыми хозяйствами.
Образцовое форелевое хозяйство может получать дополнительно 10 т квоты на корма на каждые 1000 м2 растительных прудов по сравнению с площадью растительных прудов в обычных хозяйствах. Это дополнение связано с результатами мониторинга, показавшими удаление 1 г азота на 1 м2 биологического пруда в день (0,365 кг N в год) (Fjorback et al., 2003).
Образцовые форелевые хозяйства 1го типа.
Образцовое форелевое хозяйство этого типа (рис. 3.6) – это обширные фермы с механической очисткой воды и повторным использованием ее (максимально – 1,25 л воды/с/т корма в год). В них происходит довольно эффективное внутреннее преобразование питательных веществ, а плотность разведения является относительно низкой. Водоподготовка происходит частично за счет внутренних процессов преобразования, частично через конусы осаждения, микросита (или контактные фильтры), биологические пруды и шламовые бассейны. Биофильтры не требуются.
Форелевое хозяйство 2го типа.
Образцовое форелевое хозяйство этого типа – это высокозагруженные фермы с механической и биологической очисткой воды, с более низким расходом воды и увеличенным повторным использованием ее по сравнению с образцовыми форелевыми хозяйствами типа 1. В дополнение к внутреннему преобразованию питательных веществ очистка воды происходит с помощью иловых конусов, микросит (самоточных), биофильтров и шламовых бассейнов, но без применения биологических прудов. Тем не менее ни одно датское форелевое хозяйство не было преобразовано по этому типу, возможно, изза высокой стоимости конверсии по сравнению с полученным увеличением резерва кормов.

Образцовое форелевое хозяйство Bregnholm Mølle (тип 1)
Рис. 3.6. Образцовое форелевое хозяйство Bregnholm Mølle (тип 1)
с микроситами, вставленными в правом углу
Форелевое хозяйство 3го типа.
Форелевое хозяйство 3го типа представляет собой самый высокий уровень инноваций с низким потреблением свежей водой. Максимальное значение равно 0,15 л воды на входе/с/т/год, или 3600 л на 1 кг произведенной рыбы, но в настоящее время потребление свежей воды в этих образцовых хозяйствах значительно ниже, а степень рециркуляции соответственно увеличена. Таким образом, потребление воды примерно на 15–25 % ниже, чем потребление воды в традиционных проточных рыбных фермах. Кроме того, форелевые хозяйства 3го типа имеют самый высокий уровень рециркуляции (95 %) и в них применены самые передовые рециркуляционные технологии при обработке воды.
В форелевых хозяйствах 3го типа используются устройства, показанные на рис. 3.7.
Образцовое форелевое хозяйство Kongeåens (тип 3).
Рис. 3.7. Образцовое форелевое хозяйство Kongeåens (тип 3).
Производственные подразделения включают в себя три секции,
каждая из которых состоит из двух бетонных дорожек с микроситами
(размер ячейки – 74 мкм) перед секцией биофильтра (на переднем плане).
Слева расположены биологические пруды, состоящие из бывших
земляных прудов и впускных и выпускных каналов
(Svendsen et al., 2008)
В работающих образцовых хозяйствах 3го типа новая вода подается из верхних водохранилищ грунтовых вод (т. е. из скважины, источника или трубопровода под или рядом с заводом). Это означает, что эти хозяйства, в принципе, являются полностью независимыми от водоснабжения водотока и не требуют наличия плотин и дамб. Таким образом, они не оказывают никакого влияния на прохождение дикой фауны через рыбное хозяйство.
Пруды в виде бетонных резервуаров.
Типичные дорожки имеют глубину 1–1,5 м и разделены на секции, каждая из которых оснащена иловыми конусами и системами аэрации, разделенными сетками (рис. 3.8).

Стандартные производственные линии в форелевом хозяйстве Hallundbæk
Рис. 3.8. Стандартные производственные линии в форелевом хозяйстве Hallundbæk
Эрлифты.
У воздушных насосов (также называемыми эрлифтами) есть две функции: поднять воду на несколько сантиметров, чтобы побудить движение воды под действием силы тяжести, или одновременно освежить (дегазировать) воду. Был проведен мониторинг внутреннего расхода воды и скорости потока в каналах форелевых рыбоводных хозяйств 3го типа. Расход составил 400–700 л/с, а скорость – примерно 0,06–0,10 м/с–1 (Svendsen et al., 2008) .
Воздушный насос состоит из водоема (углубления), снабженного перегородкой. На одной стороне (справа на рис. 3.8) имеется несколько диффузоров, которые вводят под давлением атмосферный воздух через компрессоры. Движущей силой в эрлифте является разница в удельном весе между водным участком и воздушноводным. Количество воздуха, нагнетаемое в систему, определяется требуемым расходом воды и кислорода (Lokalenergi, 2008). Основным преимуществом эрлифта является его способность перемещать большие объемы воды при относительно низком расположении рабочего органа (Lokalenergi, 2008).
97
Шламовые конусы, микросита и шламовые бассейны.
Целью шламовых уловителей (конусов) в задней нижней части каждой секции каналов является удаление твердых частиц. Шламовые ловушки быстро удаляют крупные частицы (фекалии, избыток корма и т. д.), тогда как микросита с размером ячеек около 70 мкм являются более эффективными при удалении мелких частиц. Микросита обычно помещаются в конце каждой производственной единицы перед биофильтрами. Микросита могут быть установлены в качестве дополнения к шламоуловителям.
Опыт использования шламовых конусов указывает на важность их регулярного опорожнения (по крайней мере 2 раза в неделю или более, прежде чем они заполняются) для оптимизации удержания питательных и органических веществ и уменьшения утечки растворенных питательных и органических веществ и ресуспендированных мелких частиц (Svendsen et al., 2008). Процесс опорожнения должен быть очень коротким, чтобы уменьшить количество потерь воды в шламовых бассейнах. Это может быть выполнено автоматически (с помощью компьютерного управления) через определенные промежутки времени с фиксированным коротким отрезком времени или это может осуществляться в зависимости от фиксированной степени заполнения шламовых конусов. Эффективное удаление органических веществ при механической фильтрации необходимо для должного функционирования биофильтров.
Шлам перекачивается в бассейны (резервуары) для отстаивания (хранения) отложений и очистки оставшей осадочной воды (рис. 3.9). Долгое время удерживания его в шламовых бассейнах позволяет более эффективно оседать частицам, что уменьшает количество питательных и органических веществ, которые возвращаются с очищенной от шлама водой из шламовых бассейнов.
При добавлении осадителя (полиалюминийхлорид или феррожелезо) большая часть растворенного фосфора может осесть в иловых бассейнах, тем самым снижая выбросы фосфора из растительных прудов. Кроме того, удаление соединений азота может быть улучшено путем пропускания осадочной воды через биофильтр, прежде чем она попадет в биологический пруд (Svendsen et al., 2008). В биологических прудах происходят окончательные процессы природного удаления и переработки. Осадок транспортируется в качестве сельскохозяйственных удобрений или для производства биогаза.
Из шламовых конусов шлам поступает в бассейны (емкости)
Рис. 3.9. Из шламовых конусов шлам поступает в бассейны (емкости)
для твердых частиц. Слева – образцовое форелевое хозяйство Ejstrupholm;
справа – образцовое форелевое хозяйство Løjstrup
Биофильтры.
Основной целью биологической фильтрации является удаление растворенных веществ, таких как аммиак и растворенные органические вещества, БПК и мелкие частицы, прошедшие механическую фильтрацию. Биофильтр является средой с большой площадью поверхности контакта. Биофильтр может являться контактным и быть построенным из керамзита или биоблоков, которые также могут удалять органические вещества (рис. 3.10).
Также существуют жидкие фильтры, такие как подвижные фильтры с большим количеством пластиковых шариков, которые взвешены и вращаются потоком воды и (или) путем барботажа воздухом. Поверхность загрузки биофильтра покрыта автотрофной биопленкой и гетеротрофными бактериями, которые питаются питательными веществами, выделяемыми рыбой и растворенными из фекалий. Автотрофные бактерии преобразуют аммиак с использованием кислорода, в то время как гетеротрофные бактерии превращают органические вещества, а также используют кислород. Поэтому удовлетворительные кислородные условия в биофильтрах имеют важное значение для достижения оптимальной производительности.
В принципе, в биофильтрах происходят два биологических процесса. Оба процесса являются аэробными и поэтому требуют достаточного количества кислорода:
1) удаление органического вещества гетеротрофными бактериями:
органическое вещество + О2 биомассы (шлам) + CO2 + H2O;

2) удаление аммиака автотрофными бактериями путем нитрификации; это включает в себя два процесса (окисление аммония (NH4+) и окисление нитрита (NO2–)):
NH4+ + О2 + НСО3– (щелочность) NO2–+ СО2 + Н + + Н2О;
NO2–+ O2 + НСО3– (щелочность) NO3–+ СО2 + Н + + Н2О.

Биофильтры разделены на секции из биоблоков в образцовом форелевом хозяйстве Ejstrupholm (тип 3). Справа от биофильтров находится
Рис. 3.10. Биофильтры разделены на секции из биоблоков в образцовом форелевом хозяйстве Ejstrupholm (тип 3). Справа от биофильтров находится
устройство для аэрации отведенных грунтовых вод и осадков
до попадания воды в производственные узлы
Использование неорганического углерода для роста бактерий требует больше энергии, чем использование органического углерода. Таким образом, требуется гораздо больше времени, чтобы активировать автотрофный биофильтр (4–6 недели) по сравнению с гетеротрофным биофильтром (несколько дней). Так как гетеротрофные бактерии растут гораздо быстрее, чем автотрофные бактерии, то при наличии достаточного количества органического углерода на биофильтре можно вырастить толстое покрытие из гетеротрофных бактерий (Janning, 2010). Учитывая тот факт, что оба процесса потребляют кислород, оптимальная производительность биофильтров зависит от количества кислорода.
Процесс нитрификации является затратным, при этом выделяется кислота. Кроме того, CO2 получают путем гетеротрофной конверсии 100
органического вещества, что приводит к падению уровня рН. Соответственно для стабилизации рН необходимо добавление щелочи (например,
NaHCO3). Щелочность, рН, температура воды, концентрация кислорода, содержание питательных соединений и органических веществ должны контролироваться ежедневно в целях оптимизации нитрификации и трансформации органического вещества в биофильтре.
Регулярная промывка биофильтра важна для оптимизации нитрификации. Промывка главным образом удаляет кислородопоглащающие гетеротрофные бактерии, которые могут замедлить процесс нитрификации, и другие частицы, которые уменьшают проток через биофильтр. Промывка помогает поддерживать оптимальный баланс между этими двумя группами бактерий.
Кроме того, за счет уменьшения количества твердых частиц, поступающих в биофильтр, может быть уменьшена частота промывки. Опыт восьми образцовых форелевых хозяйств показал, что промывка должна проводиться как минимум один раз в неделю, но только на короткий промежуток времени, с использованием минимального количества воды (Svendsen et al., 2008). Для подвижных фильтров нет очевидной необходимости для промывки, но достаточность кислорода имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности фильтра.
Применение антибиотиков и терапевтических агентов может временно снизить эффективность биофильтра, но биопленки являются устойчивыми и могут пережить процедуры очистки и дезинфекции. Тем не менее эффект от этих химических соединений на процессы в биофильтре необходимо изучить более подробно. Однако конструкция некоторых типовых ферм позволяет воде протекать в обход биофильтра в периоды лечения.
Растительные пруды.
Биологические пруды состоят из старых взаимосвязанных земляных прудов и каналов, в которых растут различные дикие растения (рис. 3.11). В этих прудах резервуары и каналы должны быть подключены как извилистые протоки и избыток воды из производственных блоков и шламовых бассейнов должен попадать вверх по течению, насколько это возможно в пруде, чтобы гарантировать, что весь объем растительного пруда участвует в химическом и физическом удалении и трансформационных процессах.
Биологические пруды образцового хозяйства в Ejstrupholm
Рис. 3.11. Биологические пруды образцового хозяйства в Ejstrupholm
Биологические пруды важны для переработки нитрата в N2; деградации БПК; поглощения накопленного органического вещества, частиц фосфора, азота и взвешенных веществ, а также для поглощения растворенного азота и фосфора растительной биомассой. Тем не менее биологические пруды не эффективны при преобразовании аммиака в нитрат. Благодаря переработке органических веществ, анаэробные условия часто встречаются в нижней части и вблизи нижних областей в прудах и таким образом способствуют денитрификации, т. е. превращению нитратов в газообразный азот при потреблении органического вещества в соответствии со следующей схемой:
органическое вещество + NO3– + Н+ CO2 + N2 + H2O;
на следующих этапах: NO3– NO2– NO N2.
Кроме того, время пребывания производственной воды в прудах важно для удаления питательных веществ и разрушения органических веществ.
Часть воды в растительных прудах совместно с растворенными питательными и органическими веществами может проникать на дно прудов и земляных каналов, чтобы достичь зоны аэрации ниже. Часть проникающей воды может просачиваться дальше в грунтовые воды, некоторая часть может в последующем попасть в поверхностные воды, 102
а некоторая часть в скважины и канализацию в качестве свежей воды для рыбного хозяйства, что в определенной степени может повлиять на общую эффективность очистки образцовых хозяйств (Svendsen et al., 2008). Предполагается, что большая часть инфильтрирующих питательных и органических веществ перерабатывается, связывается и, следовательно, удерживается или возвращается в рыбное хозяйство в составе новой воды. Тем не менее с течением времени донное просачивание в биологических прудах, вероятно, снижается изза засорения.
Экологические преимущества образцовых форелевых хозяйств.
Сниженный и стабильный водозабор, который характеризует образцовые форелевые хозяйства, является благоприятным для окружающей среды, но он имеет свои преимущества и недостатки при управлении хозяйством (табл. 3.5).
Таблица 3.5. Преимущества и недостатки для проточной воды и рыбного
хозяйства при сниженном потреблении воды на ферме, в том числе частичном
или полном удалении плотин и дамб с водотоков

Преимущества и недостатки для проточной воды и рыбного хозяйства при сниженном потреблении воды на ферме, в том числе частичном или полном удалении плотин и дамб с водотоков


Использование воды из скважин, приводящее к уменьшению количества сезонных колебаний температуры.
Улучшенный контроль управления и производства.
Сокращение риска внешнего заражения патогенными микроорганизмами.
Сокращение потребности в медикаментах и терапевтических процедурах.
Улучшенная рабочая среда.
Недостатки:
Высокое потребление энергии на 1 кг рыбы.
Повышение выделений СО2.
Риск токсичных уровней аммиака и риск ухудшения вкуса рыбы.
Повышенная потребность надзора и управления.
Повышенная потребность в резервных системах: электричество, кислород, насосы и т. д.
Исследования образцовых форелевых хозяйств показали значи
103
тельное снижение выбросов питательных и органических веществ в реках и ручьях, связанных с производством, по сравнению с разрядами от традиционных датских форелевых ферм (табл. 3.6).
Таблица 3.6. Сбросы N, P и БПК за 20062007 гг. (кг/т произведенной рыбы)
от восьми контролируемых образцовых форелевых хозяйств 3го типа по сравнению со сбросами из датских пресноводных рыбных хозяйств в 2006 г.
Кг/т рыбы
Традиционные фермы в 2006 г.
Образцовые фермы 3го типа 2006–2007 г.
Образцовые фермы в % от традиционных ферм
Всего N
31,2
20
64
Всего P
2,9
1,1
38
БПК
93,6
5,6
6
Регистрация измерений показала, что удельный расход (кг/т рыбы) азота (N), фосфора (P) и органических веществ (в расчете на БПК) в образцовых хозяйствах составил 64, 38 и 6 % соответственно от расчетного сброса из традиционных датских пресноводных форелевых хозяйств (Svendsen et al., 2008).