Установки с замкнутым водоиспользованием (УЗВ) в аквакультуре и принципы их работы


В 21 веке во всем мире бурное развитие получила индустриальная аквакультура, позволяющая получать значительный выход рыбопродукции с единицы площади или объёма. Наиболее технически-совершенным при этом является выращивание водных животных в установках замкнутого водоиспользования. При эксплуатации подобных установок достигается полная независимость производственного процесса от природно-климатических условий, а также его непрерывность в любое время года. С помощью УЗВ специалисты имеют возможность заниматься культивированием или содержанием гидробионтов в несвойственных им климатических зонах.


Появляется возможность максимальной оптимизации абиотических факторов среды обитания гидробионтов, одновременно достигается высокая выживаемость выращиваемых объектов, обеспечивается локализация и предотвращение массовых заболеваний. Водопотребление при функционировании подобных систем сокращается более чем в 100 раз по сравнению с традиционными методами, что соответственно прекращает или значительно снижает объем сбросных вод рыбоводных хозяйств. [Жигин, 2011].
Современные методы использования УЗВ в аквакультуре предусматривают возможность их эксплуатации не только в круглогодичном режиме, но и для осуществления отдельных этапов жизненного цикла гидробионтов. В частности раннего получения молоди и крупного посадочного материала для последующего их использования при зарыблении садков и прудов [Киселёв, 1999].
Вода, используемая в рыбоводстве, в зависимости от своего исходного качества может подвергаться физико-химической, механической и биологической очистке, доводиться до оптимальной температуры, насыщаться кислородом, проходить через бактерицидные установки. В составе УЗВ обычно используют механическую и биологическую очистку воды.
Механический фильтр служит для грубой очистки воды от нерастворимых примесей крупной и средней фракции. Механический фильтр не только очищает воду от взвесей, но и служит защитным барьером для биофильтра.
Биологический фильтр применяется для очистки оборотной воды от растворенных загрязнений путем создания оптимальной среды обитания аммонифицирующих и нитрифицирующих микроорганизмов, участвующих в природном круговороте веществ водоёма. Наиболее распространенным биологическим фильтром является так называемый нитрифицируюший фильтр, суть которого – осуществление азотного цикла, аммонификации и нитрификации – двухступенчатого микробиологического преобразования выделяемых гидробионтами органических и минеральных азотсодержащих веществ. Биофильтр представляет собой проточную ёмкость, наполненную загрузочным материалом: морской галькой, керамзитом, полимерной крошкой или другими видами нейтральных к воде элементов неправильной формы. На поверхности этих элементов живут микроорганизмы (роды бактерий Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus и др.), активно поглощающие и разлагающие растворённые в воде продукты жизнедеятельности рыб, в первую очередь растворённые органические вещества, аммонийный азот до нитритов [Теппер и др., 2004]:

NH4++1,5O2→NO2- + 2H + 2H2O

Бактерии второй фазы нитрификации – Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus - окисляют нитриты NO2- до менее токсичных нитратов:
NO2-+ 1,5O2→NO3-
Основная задача при проектировании системы биологической очистки – это обеспечение для этих организмов наиболее благоприятных условий жизнедеятельности [Жигин, 2011].
Многолетние и многочисленные исследования в сфере создания и эксплуатации замкнутых систем позволили сформулировать основные принципы и последовательность осуществления технологических операций водоподготовки, требования к составу необходимого оборудования в УЗВ.
Типовая последовательность осуществления технологических операций водоиспользования включает в себя [Жигин, 2011]:
1. Размещение и содержание гидробионтов в рыбоводных ёмкостях (инкубационные аппараты, аквариумы, лотки, бассейны, силосы), в которых осуществляются все рыбоводно-технологические операции.
2. Первичная механическая очистка (механические фильтры), предназначенная для удаления из воды, вытекающей из рыбоводных ёмкостей, взвешенных веществ (главным образом экскрементов и остатков несъеденного корма).
3. Биологическая очистка (аэротенки, биофильтры, денитрификаторы и др.), предназначенная для очистки воды от растворённых органических и азотных загрязнений.
4. Терморегуляция для регулировки и поддержания заданной температуры оборотной воды. Как правило, это её подогрев, однако для холодноводных УЗВ используются водяные охладители.
5. Бактерицидная обработка оборотной воды (УФ-облучение, озонирование и др.), предназначенная для снижения уровня бактериального загрязнения циркулирующей воды. Как правило, используется в инкубационных системах при выращивании молоди и посадочного

материала. При товарном выращивании часто не используется, хотя её наличие желательно.
6. Насыщение воды атмосферным (аэрация) или чистым (оксигенация) кислородом. Важнейшее необходимое условие при содержании гидробионтов в индустриальных условиях с высокой плотностью посадки.
7. Перекачка оборотной воды (насосы, эрлифты) необходима для осуществления последовательного непрерывного перемещения оборотной воды по всем вышеназванным элементам системы, обеспечивающим выполнение вышеперечисленных функций и в итоге – нормальную жизнедеятельность культивируемых гидробионтов.
8. Накопление оборотной воды в специальной ёмкости, необходимой для обеспечения питания насоса и выполнения некоторых других вспомогательных функций (например, приёма подпиточной воды, регулировки рН, солёности и др.). При наличии в системе циркуляции нескольких точек установки насосов соответственно увеличивается и количество накопительных ёмкостей.
В зависимости от функциональных задач, стоящих перед конкретной системой циркуляции, при необходимости она может дополняться соответствующим вспомогательным оборудованием. Так, в условиях морских замкнутых систем, целесообразным является применение флотационных установок [Сандер, 2002].
Правильность подбора и размещения основного и вспомогательного оборудования является залогом эффективной эксплуатации всей рыбоводной циркуляционной системы в целом.
Кроме перечисленного основного оборудования, в составе УЗВ могут использоваться дополнительные агрегаты: стерилизаторы (ультрафиолетовые, озонаторы, хлораторы) [Jorquera et al., 2002; Yanong, 2012], дополнительные блоки биологической очистки (денитрификаторы, фито- и альгофильтры) [van Rijn et al., 1998, 2006; Rakocy et al., 2006].
Дополнения стандартной схемы направлены на уменьшение водопотребления системой, поддержание особо высокого качества воды и применяются в морских системах для содержания особенно ценных или редких организмов, например, в публичных аквариумах (океанариумах) или научно-исследовательских организациях. Отдельно стоит отметить заинтересованность в подобных системах у организаций, имеющих отношение к подготовке дальних космических экспедиций в будущем [Морозов, 1977; Nelson et al., 1993; Salisbury et al., 1997].
Одним из путей повышения эффективности УЗВ является использование интегрированных технологий путем создания на базе рыбоводных установок искусственных экосистем, называемых агрогидроэкосистемы [Киселёв, Коваленко, Борщёв и др., 1997], включающие выращивание гидробионтов и утилизацию продуктов их жизнедеятельности через культивирование растений. Серьёзным преимуществом по сравнению с традиционными формами аквакультуры является экономичное использование пространства такими агрогидроэкосистемами, что позволяет размещать их в любой климатической зоне, на небольшом расстоянии от основных потребителей – крупных городов, где зачастую имеет место нехватка земельных и водных ресурсов.
Культивирование морских гидробионтов назавают марикультурой (от лат. marinus — морской). Это относительно молодая ветвь аквакультуры, включающая в себя технологии, связанные с выращиванием животных и растений, нуждающихся в соленой или солоноватой воде. Особенно широко марикультура распространена в Японии, странах Юго-Восточной Азии, Скандинавии [Сельскохозяйственный энциклопедичекий словарь, 1989], Южной Америки. Наиболее распространены, из-за низкой стоимости и простоты осуществления, экстенсивные методы, когда продукцию получают в естественном водоёме (всевозможные пруды с морской водой, морские садки для рыб, культивирование моллюсков на коллекторах, искусственных
рифах и т.д.). Несмотря на сравнительно низкую себестоимость производимой продукции, данные методы имеют серьёзный недостаток – практически полную зависимость от условий среды (температурный, кислородный, световой и гидрологический режимы). Следующим уровнем развития марикультуры стало появление бассейновых прямоточных систем, когда вода из морской акватории используется всего один раз, поступая в систему после предварительной обработки или без неё, и возвращается в море. Этот способ даёт бóльшую возможность регулирования условий среды, относительно недорог в строительстве и обслуживании [Уитон, 1977]. Серьёзным недостатком подобных систем является невозможность строительства предприятия на сколько-нибудь большом удалении от побережья. Этого недостатка лишены замкнутые системы, в которых вся вода заливается один раз и практически не заменяется или заменяется очень редко [Уитон, 1977]. Это позволяет полностью контролировать все условия среды и строить предприятия марикультуры на большом удалении от побережья.
Недостатком замкнутых систем является высокая стоимость строительства и обслуживания, однако в некоторых случаях их использование является единственно возможным. Стоит отметить, что сделать полностью автономную систему чрезвычайно сложно. Считается нормой замена 5-10% оборотной воды ежедневно, поэтому, например, проекты большинства крупных публичных океанариумов подразумевают их строительство на небольшом удалении от побережья [Cansdale, 1981; Karydis, 2011]. На большом удалении от морского побережья единственным возможным решением при создании предприятий марикультуры являются замкнутые системы с минимальными (5-10% объёма в неделю) подменами морской воды из-за чрезвычайно высокой стоимости ее приготовления с применением морской соли стоимостью около 65 руб./кг (5-8 руб./л морской воды в ценах г. Москвы осенью 2014 года).
Подобные системы необходимы, например, при создании континентальных публичных аквариумов или рыбоводных предприятий по передержке живых морских гидробионтов, расположенных в непосредственной близости от больших городов, способных обеспечить население свежими морепродуктами [Wickins and Helm, 1981; van Rijn et al., 2006; Lawson et al., 2008].