Выращивание водоросли Caulerpa prolifera в барабанной конструкции альгофильтра

В качестве объекта исследования была выбрана распространенная тропическая водоросль Caulerpa prolifera. Сам элемент альгофильтра представлял собой два барабана № 1 и № 2 из инертной пластиковой сетки. Их характеристики представлены в таблице 14.

Таблица 14. Характеристики барабанов альгофильтра

Характеристики барабанов альгофильтра

Вращение барабанов осуществляется за счет потока воды, создаваемого двумя насосами по касательной к боковой стороне. При этом барабан 1 оснащен специальными гидродинамическими ребрами, что позволило облегчить его вращение и сделать его крупнее, увеличив площадь поверхности (рис. 15). Скорость вращения барабана № 1 - 4 об./мин., № 2 - 6 об./мин., что соответствует имеющимся в литературе рекомендациям [Darren, 1998; Janssen, 2002].

Вращающиеся барабаны альгофильтра с каулерпой

Рис. 15. Вращающиеся барабаны альгофильтра с каулерпой
Освещение обеспечивалось разработанным нами светодиодным светильником определенного спектра (см. раздел 3.5.).
Результаты эксплуатации циркуляционной системы с альгофильтром показывают, что на протяжении всех 30 суток в ней удавалось поддерживать стабильный кислородный режим на уровне 7-8 мг/л (90-100 % насыщения).
Кислородный режим контрольного аквариума в циркуляционной системе без очистки воды оказался закономерно хуже и колебался в пределах 4,8-5,1 мг/л (58-62% насыщения) с четкой тенденцией постепенного снижения концентрации растворенного кислорода, причем положительный эффект от применения водорослевой очистки особенно хорошо заметен при увеличении нормы кормления (рис. 16). Таким образом, каулерпа успешно выполняла функцию насыщения воды кислородом с интенсивностью 9,6 мг на 100 г сырой массы в час.

Кислородный режим в системе с альгофильтром (опыт) и без него (контроль) в сочетании с режимом кормления рыб (по содержанию кислорода различие достоверно на 99%)

Рис. 16. Кислородный режим в системе с альгофильтром (опыт) и без него (контроль) в сочетании с режимом кормления рыб (по содержанию кислорода различие достоверно на 99%)
Наличие водорослевого фильтра в опытном аквариуме позволило на протяжении всего эксперимента поддерживать величину рН на оптимальном уровне 8,1-8,5. В контроле показатель рН предсказуемо сразу начал снижение от исходного уровня с 8,1 до 7,2 к концу эксперимента. Подмена 15% объема воды на 20 сутки опыта лишь ненадолго замедлила этот процесс (рис. 17).

Динамика показателя рН в системе с альгофильтром (опыт) и без него (контроль) (различие достоверно на 99,9%)

Рис. 17. Динамика показателя рН в системе с альгофильтром (опыт) и без него (контроль) (различие достоверно на 99,9%)
Всего за все время эксперимента в оба аквариума было скормлено по 45,7 г мидий и такое же количество креветок, что в пересчете соответствует 5,26 г белка по мидии и 9,36 г белка по креветке. Таким образом, за время эксперимента в каждую систему поступило 14,62 г белка. Так как система с водорослевым фильтром работала стабильно, удерживая концентрацию азотистых веществ на минимальном уровне, можно сделать вывод о способности водоросли C. prolifera к поглощению, как минимум, азота от этого количества органики. Несмотря на то, что в обоих аквариумах показатель окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) колебался в пределах от 236 до 280 мВ, в опытном аквариуме он постепенно повышался на 15-20 мВ, тогда как в контрольном, наоборот, снижался на те же 15-20 мВ, что говорит о снижении органического загрязнения в опыте и нарастании его в контроле.
Концентрация аммонийного и нитритного азота в опытном аквариуме с фитофильтром после начала кормления рыб была минимизирована водорослями в течение 3-4 дней. При этом уровень аммония в контрольном аквариуме на протяжении всего эксперимента не опускался ниже 0,3 мг/л, а концентрация нитритов – ниже 0,25 мг/л, несмотря на то, что в нем была произведена подмена 15% (56 л) воды (рис. 17).

Динамика аммонийного азота в системе с альгофильтром (опыт) и без него (контроль) (различие достоверно на 99,9%)

Рис. 18. Динамика аммонийного азота в системе с альгофильтром (опыт) и без него (контроль) (различие достоверно на 99,9%)
К концу эксперимента концентрация аммонийного азота достигла 2,2 мг/л. Таким образом, поглощающая способность водоросли C. prolifera в опытном аквариуме составила 818,4 мг аммонийных соединений за 30 дней эксперимента, или 147,4 мг на 100 г биомассы водоросли, или 367,7 мг аммонийных соединений на 100 г ее прироста.
Что касается продуктов нитрификации – нитритов и нитратов, то в воде опытного аквариума они не обнаруживались, что, видимо, связано с тем, что весь аммонийный азот после экскреции рыбой потреблялся водорослями. Была проведена оценка влияния включения водорослевого фильтра в систему очиски морской УЗВ совместно с аэробным нитрифицирующим фильтром. С этой целью в двух опытных системах имелось специальное отделение, где культивировалась водоросль, участвующая в процессе водоочистки. При этом оценивали два способа ее выращивания: обычный, без закрепления водоросли на каком-либо субстрате (рис. 19), и выращивание на барабанной конструкции (рис. 20). В процессе выполнения двух экспериментов (исследование работы водорослевого фильтра самостоятельно и совместно с нитрифицирующим фильтром) важной задачей являлось поддержание в двух опытных системах одинаковой массы водорослей. Для этой цели проводилась ее еженедельная «обрезка». При этом «барабанная» система требовала этого более чем в два раза чаще по сравнению с аналогичной по производительности водорослевой системой без барабана. Это обусловлено тем, что скорость роста водорослей в барабанном альгофильтре достоверно выше по сравнению с традиционным выращиванием, что приводило к затруднению или прекращению вращения барабана.
Таким образом, скорость недельного прироста биомассы двух опытных групп водорослей была близкой и составляла в разные периоды от 20 до 50%. Средняя растительная масса двух групп водорослей на протяжении всего эксперимента была близка – 615 г (система с барабаном) и 586 г (система без барабана), различие недостоверно. Линии трендов, отражающие усреднённое значение биомассы водорослей в двух системах, практически совпадают, что говорит о достигнутой равномерности по этому показателю. При этом налицо постепенное увеличение массы растительных сообществ – во время эксперимента без нитрифицирующего фильтра средняя масса водорослей барабанной системы составляла 560 г, а системы без барабана – 590 г., тогда как среднее значение этого показателя при использовании нитрифицирующего фильтра составило 660 г в барабанной системе и 617 г. в системе без барабана.
Как правило, раз в неделю, после бонтировки, водоросль на водорослевом барабане обрезали, так как избыток каулерпы затруднял его

Способ выращивания водоросли без «барабана»

Рис. 19. Способ выращивания водоросли без «барабана»
Рис. 20. Способ выращивания водоросли на «барабане»
вращение. Отмечено, что водоросли активно растут не только на внешней, но и на внутренней поверхности барабана.
Еженедельные бонтировки каулерпы двух опытных альгофильтров (с барабаном и без барабана) показали более высокие показатели роста с использованием нитрификации по сравнению с выращиванием без нитрифицирующего фильтра, причем выращивание на системе с барабаном дало большее преимущество. Так, средний прирост за неделю при обычном выращивании каулерпы составлял 28,9% без нитрифицирующего фильтра и 34,4% с нитрифицирующим фильтром, в то время как выращивание каулерпы на барабанной системе продемонстрировало 39,6% прироста без нитрификаторов и 44,1% с нитрифицирующим фильтром в системе (коэффициент вариации во всех случаях менее 30, достоверность различий 95%). Наиболее наглядно более высокая эффективность барабанной системы по сравнению с обычным, неприкреплённым способом выращивания отражена линиями тренда на графике динамики недельного прироста (рис. 21).
*- включение в систему водоочистки нитрифицирующего биофильтра (45 день эксперимента)

Динамика недельного относительного прироста водоросли Caulerpa prolifera, выращенной в барабанном альгофильтре и без него

Рис. 21. Динамика недельного относительного прироста водоросли Caulerpa prolifera, выращенной в барабанном альгофильтре и без него
В результате проведенных экспериментов установлены ориентировочные количества удельного потребления каулерпой аммонийного азота и выделяемого кислорода в единицу времени на единицу сырой массы. Показана способность водоросли поддерживать нормальное значение рН. Полученные данные отражают перспективность использования предложенной конструкции фитофильтра и послужили отправной точкой для разработки рекомендаций по оптимизации системы очистки оборотной воды в ТРЦ «РИО» на основе применения морских водорослей.