Конструктивные особенности установок замкнутого водоснабжения (УЗВ)

Название «установки замкнутого водоснабжения» (УЗВ) в буквальном смысле подразумевает полную регенерацию воды и использование ее бесконечное количество раз для целей водоснабжения рыбоводных емкостей [41, 57, 254]. УЗВ позволяют в оптимальных условиях осуществлять круглогодичное выращивание любых видов гидробионтов, достигать максимальных значений показателей роста и продуктивности на фоне водосбережения и сохранения экологической чистоты производства [1186, 248, 264, 267]. Важнейшей особенностью замкнутых систем является возможность регулирования в них температурного, солевого, светового режимов в соответствии с задачами исследований или производства [163, 209].


Потребность в свежей воде для таких установок определяется компенсацией потерь воды на испарение, удаляемой из системы с отходами в виде рыбоводного осадка, протечек в технических узлах. Обычная потребность таких установок в подпитке воды на пополнение потерь составляет от 2 до 5 % общего объема воды в системе за сутки [209]. Так, при температуре воды 25 °С за сутки за счёт испарения уровень воды в прямоточных с глубиной до 1м бассейнах уменьшается примерно на 1 см. При площади поверхности воды, например, 500 м2 потери воды за счёт испарения могут составить до 5 м3.
Выделяемые рыбой продукты метаболизма проходят последовательные этапы превращения: от аммиака к аммонию, далее к нитритам и нитратам. Если процесс биологической очистки технологической воды эффективен, то накопление азота в рециркуляционной системе вероятно только на последнем этапе в форме нитратов.
Несмотря на то, что рыбы способны выдерживать существенно большую концентрацию промежуточных форм азота, чем в открытых рыбоводных системах, тем не менее, имеется предел, при котором нарушается жизнедеятельность рыб. Поэтому, применяя подпиточную воду, мы как бы разбавляем концентрации аммония, нитритов и нитратов и снижаем их возможную токсичность.
Кроме этого, образующийся в УЗВ и улавливаемый в механических фильтрах, конусах биофильтров, дегазаторов органический осадок не реже раза в сутки необходимо выводить из системы, иначе в циркулирующую воду начнут поступать токсичные продукты, в большей степени анаэробного разложения. Этот факт определяет дополнительную потребность в подпиточной воде [129].
В зависимости от конструктивных особенностей УЗВ, вида выращиваемых рыб, имеющих разную интенсивность обмена веществ, плотности их посадки, а значит нагрузки биомассы на искусственную экосистему, величина подмены воды может быть от 2-3 до 100 % в сутки. В первом случае, когда суточная подпитка составляет 2-3 %, может идти речь о выращивании рыб либо при разряжённой посадке (например, производителей), либо о значительном неиспользуемом резерве биофильтра. Во втором, о чрезвычайно больших плотностях посадки, не согласующихся с размерами (способность эффективно очищать воду) биофильтра.
Показателями качества воды, которые определяются ежедневно не менее 2 раз в сутки, являются температура воды и содержание растворённого в ней кислорода.
Не реже одного раза в 3 суток (если приборное обеспечение позволяет, то чаще) определяют по минимуму содержание нитритов, по максимуму общего аммиака, нитритов и нитратов. Температура воды в бассейнах должна соответствовать требованиям рыб на определённом этапе выращивания. Во втекающей в бассейны воде насыщение её кислородом должно быть 150-200 % (для личинок и мальков 100 %). В зависимости от температуры воды, например 22-24 °С, это 9-10 мг/л. В конце бассейна содержание в воде кислорода не должно опускаться ниже 5- мг/л. В этом случае речь идёт о достаточном обеспечении рыб кислородом и эффективном его потреблении. Контроль содержания общего аммиака, нитритов, нитратов позволяет оценивать эффективность работы биофильтра по очистке воды. Если значение первого показателя до 0,5-1 мг/л, второго до 0,2 мг/л, третьего до 60-100 мг/л (определение дано по содержанию азота в веществе), то это говорит о хорошем качестве воды, очищаемой в биофильтре. Если имеют место превышение, особенно первого и второго показателей, то возникает потребность смены большего количества воды в УЗВ. При этом существенно уменьшают или прекращают кормление рыб до восстановления качества воды. После восстановления качественных показателей воды кормление до принятой нормы увеличивают постепенно [191].
Принципиальная схема УЗВ состоит из следующих элементов:
- рыбоводные емкости (бассейны);
- трубопроводы с запорной и регулирующей арматурой для подачи воды в рыбоводные бассейны и стока загрязненной воды на систему очистки;
- устройства механической очистки оборотной воды;
- устройства аэробной биологической очистки воды;
- вторичные механические фильтры, устанавливаемые после устройств биологической очистки воды;
- устройства для обеззараживания или снижения уровня бактериальной обсемененности оборотной воды;
- устройства для аэрации или оксигенации оборотной воды;
- оборудование для регулирования рН;
- система подпитки свежей воды;
- система терморегуляции (подогрева или охлаждения);
- контрольно-регулирующая аппаратура.
Кроме оборудования в составе одной или нескольких рыбоводных установок, имеется также общее для всех установок оборудование, которое обеспечивает поставку электроэнергии, воды, тепла, кислорода или воздуха, а также обработки
стоков из рыбоводных систем [41, 57, 58, 214, 248].
Рыбоводные бассейны бывают разной формы, габаритов, выполняются из разных материалов в соответствии с биологическими требованиями выращиваемых объектов. Главные требования к бассейнам – они должны обеспечивать условия содержания гидробионтов (скорость водообмена, глубина воды в бассейнах, скорость течения воды) [248, 254]. Следует учитывать и такую важную конструктивную особенность бассейнов как способность к самоочищению. Под этим термином понимают высокую вероятность того, что экскременты рыб, несъеденный корм с потоком, выходящей из бассейнов воды, выносятся и по трубопроводам попадают в механические фильтры, где улавливаются и выводятся за пределы УЗВ. Это крайне важно, поскольку в противном случае, в бассейнах формируются зоны органического загрязнения. В результате в этих местах массово развивается избыточная микрофлора, в том числе условно патогенная. Ухудшается также гидрохимический режим в УЗВ [180]. Кроме того, конструкция и габариты бассейнов должны обеспечивать удобное их обслуживание. Материалы для изготовления должны быть относительно долговечными [209].
Механические фильтры выполняют важнейшую роль в составе технических узлов УЗВ, улавливая и удаляя из установки органические взвеси. По конструктивным особенностям исполнительных механизмов механические фильтры можно подразделить следующим образом:
- отстойники;
- сетчатые фильтры;
- дисковые фильтры;
- песчано-гравийные фильтры;
- фильтры с плавающей загрузкой гранулированного полиэтилена;
- гидроциклоны;
- флотационные фильтры [129, 163].
Для первичной механической очистки воды после рыбоводных бассейнов применяют чаще барабанные фильтры Hydrotech и Faivre [55, 218]. Они компактны, способны удалять из оборотной системы взвеси размером от 15 микрон и более, работают в автоматическом режиме, удаление загрязнений производится не в периодическом, а в непрерывном режиме. Отстойники не получили развития из-за своих габаритов: они должны вмещать не менее 25 % объема воды в системе. Механические засыпные фильтры также не получили развития как из-за больших габаритов, так и из-за трудностей в обслуживании, которое заключается в периодической обратной промывке фильтрующего слоя.
Биофильтры, применяемые в УЗВ, отличаются конструктивно, имеют разную способность к очистке воды от органических веществ, выделяемых рыбой.
Поэтому, современная оценка этих особенностей позволяет классифицировать их следующим образом:
биофильтры с вращающимися дисками;
биофильтры с плоскостной перфорированной поверхностью;
биофильтры с вращающимся барабаном и неорганизованной загрузкой;
биофильтры с неорганизованной загрузкой из полиэтиленовых гранул (модификации ерши, ежи и т.п.);
биофильтры с постоянной регенерирующей загрузкой гранулированного полиэтилена, имеющего положительную или отрицательную плавучесть [112].
В биофильтрах решается задача, связанная с максимальным по возможности насыщением воды кислородом и обеспечения протекания эффективных процессов аммонификации и нитрификации. Эффективность биологической очистки находится в прямой зависимости с удельной площадью носителей (загрузки биофильтра). Поэтому принято учитывать, какая площадь различных носителей приходится на объём биофильтра, занимаемый ими. Говоря об определяющем эффект биологической очистки значении площади расселения бактерий на носителях, необходимо отметить, что развитие биоплёнки на первом этапе связано с увеличением её по толщине. В результате внутри слоёв биоплёнки начинают преобладать анаэробные (без участия кислорода) процессы разложения органики, в том числе отмерших бактерий. Как следствие, при достижении критической массы, когда происходит отрыв биоплёнки от поверхности носителей или разрушения целостности живой (бактериальной) поверхности биоплёнки токсичные продукты анаэробного разложения попадают в проходящую через биофильтр воду и загрязняют её. Поэтому важно ограничивать рост биоплёнки в толщину [122, 163].
Процесс аммонификации проходит при участии бактерий Nitromonas при значительном потреблении кислорода. В результате процесса нитрификации на первом этапе аммоний окисляется до нитритов. Далее на втором этапе процесса нитрификации при участии бактерий Nitrobakter нитриты окисляются до нитратов.
[112, 122, 129, 163].
Дегазаторы устанавливаются после прохождения оборотной водой устройств биологической очистки. Их назначение – удалять взвешенные вещества, проскочившие предыдущие стадии обработки воды, избыток углекислого газа, а также частицы отмирающей биопленки биофильтров [213]. В дегазаторах, которые представляют ёмкость, по дну которой проложены многочисленные трубки. Трубки объединены в единую систему нагнетания воздуха под давлением в камеру дегазатора. Нагнетание воздуха осуществляется через многочисленные отверстия в трубках. Диаметр отверстий около 1 мм. [129].
Оксигенация оборотной воды является одним из важнейших условий применения технологий УЗВ. Кроме эффекта увеличения плотности посадки культивируемых объектов производства на единицу площади или объема рыбоводных емкостей, оксигенация существенно снижает объем воды в системе. Это напрямую влияет на габариты таких установок, снижает энергозатраты на обеспечение работы систем УЗВ [213].
Наиболее часто используют в практике УЗВ безнапорные и напорные оксигенаторы. Безнапорные оксигенаторы, исключающие использование насосов, а значит более экономичные в эксплуатации, целесообразно применять, когда биофильтры имеют большие габариты по высоте (не менее 6 м). В этом случае, по вертикали стока воды с верхнего оголовка биофильтра до бассейнов встраивают безнапорный оксигенатор. Внутри герметического сосуда имеется «флейта» через которую вода, поступающая в оксигенатор из биофильтра, разбрызгивается в его объёме. В нижнюю часть оксигенатора сбоку подведён через патрубок с редуктором и манометром технический кислород. Падающая из флейты вода скапливается в нижней части оксигенатора, откуда выдавливается в направлении на бассейны. Пузырьки кислорода проходят в оксигенаторе через небольшой слой воды и испаряются.
Направление движения кислорода в верхнюю часть оксигенатора, где имеется клапан избыточного давления. Поднимающийся газообразный кислород насыщает стекающую тонкими струями воду кислородом. Эффект насыщения воды кислородом до 100-150 %. Потери кислорода в оксигенаторе за счёт выброса через клапан в атмосферу до 20 % [112, 129, 163].
Напорный оксигенатор предполагает подачу в герметическую камеру (сосуд) под давлением и воды и кислорода. Для обеспечения забора воды используют или специальную ёмкость сбора воды, выходящей из биофильтра, или дегазатор. Эти ёмкости нужны для забора из них насосом воды и подаче на оксигенатор. Причём, как правило, на оксигенацию забирается от 30 до 50 % циркулирующей в УЗВ воды, а остальная смешивается на следующем участке её движения с вышедшей из оксигенатора. В результате удаётся устанавливать процент насыщения входящей в бассейны воды в диапазоне от 100 до 300 %. В оксигенатор под давлением через редуктор подаётся технический кислород. Давление поступающей в оксигенатор воды регулируется вентилями, кислорода редуктором [163].
В оксигенаторах, как было сказано ранее, используется технический кислород. Именно он под давлением растворяется в воде и обеспечивает, переносясь с водой к бассейнам, условия для нормального дыхания рыб и протекания аммонификационного и нитрификационного процессов. Исходя из этого, функционирование оксигенаторов без подачи в них кислорода не возможно. Источниками же кислорода являются специальные технические устройства: резервуары (баллоны) с кислородом под давлением (до 150 атм.), завозимые из предприятий по изготовлению технических газов; ёмкости (газгольдеры) для хранения жидкого кислорода; генераторы кислорода, в которых кислород получают путём расщепления атмосферного воздуха на составляющие [112].
Для ограничения количества бактерий в циркулирующей в УЗВ воде, как следствие её осветления, применяют обеззараживание воды [112]. Обычно для этих целей используются обеззараживающие установки с ультрафиолетовыми бактерицидными лампами, озонирование воды или их совместное воздействие на микрофлору оборотной воды. При этом уровень мощности ультрафиолетового облучения или воздействия озона не должен обеспечивать полной стерильности оборотной воды. Выращивание рыбы в стерильных условиях снижает ее иммунитет, и перевод такой рыбы из систем УЗВ на товарное выращивание в традиционные рыбоводные хозяйства зачастую бывает проблемным [213].
В практике эксплуатации УЗВ применение малогабаритных озонаторов имеет место при очистке артезианской воды от железа и сероводорода (следы, то есть очень малые концентрации) [129, 194]. Озон, являясь мощным окислителем, разрушает оболочки бактерий, простейших, грибов. Признается еще один дополнительный эффект, особенно важный при обеззараживании артезианской воды с повышенным содержанием железа. При воздействии озона закисное железо переходит в окисленную форму и в виде хлопьев осаждается. Но при использовании озонаторов надо помнить, то при реакции озона образуются токсичные окислы, полный распад которых проходит за 15 минут. Поэтому воду, подвергнутую озонированию, надо отстоять в течение указанного времени и только потом использовать для водообеспечения рыбоводного процесса [112].
Поэтому в большинстве УЗВ в качестве обеззараживающего устройства применяют бактерицидные (ультрафиолетовые) лампы. Принцип их работы основан на использовании губительного действия ультрафиолетового излучения на бактерии, грибки и вирусы. Бактерицидные лампы как обеззараживающее устройство, могут быть одиночными в использовании для небольших установок. Множественными параллельно соединёнными в форме батареи для небольших и средних по размеру УЗВ. Кассетными автономными или встроенными в технические блоки иного назначения для средних и больших по размеру УЗВ [122, 129].
Наибольший губительный для микроорганизмов эффект ультрафиолетового излучения достигается при длине волны 2600 А0 (ангстрем). Отклонение от этой
величины в обе стороны снижает губительный эффект. Немаловажное значение для достижения высокой эффективности излучения играет мутность воды. Высокий эффект гарантирован, если содержание взвешенных веществ меньше 2 мг/л.
При увеличении концентрации взвешенных веществ эффективность обеззараживания снижается. Мощность излучения должна быть в диапазоне от 1000 до 10000 мкВт х с/см2. При такой мощности глубина слоя воды, омывающего ультрафиолетовую лампу, не должна превышать 1-1,5 см. В этом случае обеззараживающий эффект высокий. При увеличении толщины слоя воды обеззараживающий эффект существенно снижается [129].
Регулирование температуры воды в УЗВ складывается из усилий на поддержание температурного баланса циркулирующей воды в определённом диапазоне и подогрев или охлаждение подпиточной воды.
Поддержание определённой температуры воды сопряжено с поддержанием соответствующей температуры воздуха в помещении. Использование промышленных кондиционеров (климат-контроль), отопления здания с помощью традиционных теплоносителей позволяют поддерживать определенную температуру воздуха.
Соответственно температуру воды.
Подогрев или охлаждение подпиточной воды зависит от количества и продолжительности подмены воды в установках. Также, когда содержание производителей в течение круглого года предполагает проведение «искусственной зимовки» при температуре 4-6 °С, то неизбежно в эти периоды (каждый в пределах 2-3 месяцев) использование устройства «климат-контроль» [20, 129].
Традиционные (консервативные) методы регулирования температуры воды предполагают воздействие теплом или холодом непосредственно на технологическую воду, циркулирующую в УЗВ.
Одним из вариантов нагрева воды – использование электронагревателей. Например, для установки с объёмом воды до 2 – 4 м3 можно использовать обще-
принятые в аквариумистике подогреватели воды. В установках с объёмом воды 8 – 10 м3 и более целесообразно использовать проточные водоподогреватели. В них нагрев воды осуществляется с помощью электротэнов. Принцип работы таких водоподогревателей основан на нагреве электричеством тэнов и передачу от них тепла в воду. Включение их производится при понижении температуры воды, в результате подпитки свежей воды с низкой температурой или в результате испарения [169]. Перспективным способом терморегуляции применительно к УЗВ является использование тепловых насосов. Принцип их работы основан на использовании трёх взаимосвязанных технических узлов: компрессора, конденсатора и испарителя. В компрессоре сжимается циркулирующий по замкнутому кругу газ. В результате сжатия он нагревается и отдаёт тепло в воду (в конденсаторе), поступающую в тепловой насос. Остывший в результате передачи тепла в воду газ, поступает в испаритель. На один кВт/час электроэнергии, потребляемой компрессором, получают 3- 4 квт/час тепловой энергии на нагреве воды [169].