Source material

Глава 10 Аэробные и анаэробные процедуры для восстановления и минерализации аквапонного ила

1. 10.1 Введение

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Концепция аквапоники связана с тем, что она является устойчивой производственной системой, поскольку она повторно использует рециркулирующие воды системы аквакультуры (РАС), обогащенные макроэлементами (т.е. азотом (N), фосфором (P), калием (K), кальцием (Ca), магнием (Mg) и серой (S)) и микроэлементами (т.е. железом (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), медь (Cu), бор (B) и молибден (Mo)) для удобрения растений (Graber и Junge 2009; Licamele 2009; Николс и Савидов 2012; Turcios и Papenbrock 2014). Широко обсуждается вопрос о том, может ли эта концепция соответствовать ее собственным амбициям, состоящим в квазизамкнутой системе, поскольку большое количество питательных веществ, поступающих в систему, расходуется впустую в результате сброса насыщенного питательными веществами рыбного ила (Endut et al. 2010; Naylor et al. 1999; Neto and Ostrensky 2013). Действительно, для поддержания хорошего качества воды в системах RAS и аквапоники вода должна постоянно фильтруться для удаления твердых частиц. Двумя основными методами фильтрации твердых частиц являются сохранение частиц в сетке (т.е. фильтрация сетки в качестве барабанных фильтров), а также выделение частиц в осветлители. На большинстве обычных установок шлам извлекается из этих механических фильтрующих устройств и сбрасывается как сточные воды. В лучшем случае осадк высушивается и применяется в качестве удобрения на земельных полях (Brod et al. 2017). Следует отметить, что до 50% (в сухом веществе) потребляемого корма выводится рыбой в виде твердых веществ (Chen et al. 1997), и большинство питательных веществ, попадающих в аквапонные системы через корм рыб, накапливаются в этих твердых телах и так далее в осадке (Neto and Ostrensky 2013; Schneider et al. 2005). Таким образом, эффективная фильтрация твердых частиц удаляет, например, более 80% ценных P (Monsees et al. 2017), которые в противном случае могли бы быть использованы для производства растений. Поэтому рециркуляция этих ценных питательных веществ для применения в аквапонике имеет большое значение. Разработка соответствующей очистки осадка, способной минерализовать питательные вещества, содержащиеся в осадке, для повторного использования их в гидропонной установке, представляется необходимым процессом, способствующим более тесному закрытию цикла питательных веществ и, таким образом, снижению воздействия аквапонных систем на окружающую среду (Goddek et al. 2015; Годдек и Кисман 2018; Годдек и Кёрнер 2019).

   В экспериментальных исследованиях показано, что дополнение аквапонного питательного раствора (т.е. после добавления недостающих питательных веществ) способствует росту растений по сравнению с гидропоникой (Delaide et al. 2016; Ru et al. 2017; Saha et al. 2016). Таким образом, минерализация осадка также является перспективным способом улучшения работы аквапонной системы, поскольку извлеченные питательные вещества используются в дополнение к аквапоническому раствору. Кроме того, установки минерализации на месте также могут повысить самообеспеченность аквапонных объектов, особенно в отношении конечных ресурсов, как P, что имеет важное значение для роста растений. P добывается в результате горнодобывающей деятельности, в результате чего месторождения распределяются неравномерно по всему миру. Кроме того, его цена за последнее десятилетие выросла на 800% (McGill 2012). Таким образом, установки минерализации, применяемые в аквапонных системах, также могут повысить ее будущий экономический успех и стабильность.

   К обработке осадка в аквапонике необходимо подходить иначе, чем в прошлом. Действительно, при обычной очистке сточных вод основная цель заключается в получении очищенных и чистых сточных вод. Эффективность очистки выражается в виде удаления загрязняющих веществ (например, твердых веществ, азота (N), фосфора (P) и т.д.) из сточных вод и количественной оценки сточных вод с учетом достигнутого качества (Techobanoglous et al. 2014). Используя этот традиционный подход, несколько исследований дали количественные доказательства того, что устойчивая доля химической потребности в кислороде (ХПК) и общего количества взвешенных твердых веществ (ТСС) может быть удалена путем переваривания сточных вод RAS в аэробных, анаэробных и последовательных аэробных - анаэробных условиях (Goddek et al. 2018; Чоудхури и др. 2010; Мирзоян и др. 2010; Ван Рейн 2013). Однако в аквапонных системах сточные воды из рыбы считаются ценным источником удобрений. В рамках подхода, основанного на замкнутом цикле, необходимо свести к минимуму объем сброса твердых частиц (т.е. максимизировать органическое восстановление), а содержание питательных веществ в сточных водах должно быть максимальным (т.е. максимизировать минерализацию питательных веществ). Поэтому эффективность очистки сточных вод в аквапонике больше не должна выражаться с точки зрения удаления загрязняющих веществ, а с точки зрения снижения загрязнений и минерализации питательных веществ.

   Несколько исследований продемонстрировали функциональную способность переваривания рыбного ила с помощью аэробной и анаэробной обработки для целей органического восстановления (Goddek et al. 2018; van Rijn et al. 1995). При анаэробной обработке в биореакторе могут быть достигнуты показатели сокращения выбросов с высоким содержанием сухого вещества (например, выше 90%), в то время как метан также может быть получен (van Lier et al. 2008; Mirzoyan and Gross 2013; Yogev et al. 2016).

   Аэробная обработка осадка также является очень эффективным способом уменьшения органического вещества, которое окисляется до COSub2/sub во время дыхания (см. экв. 10.1). Например, показатели сокращения выбросов в размере 90% (здесь определяются как взвешенные твердые вещества, сокращение ХПК и БПК) были получены от объекта по рекуперации водных ресурсов (Seo et al. 2017). Аэробные процессы протекают быстрее, чем анаэробные, но они могут быть более дорогостоящими (Chen et al. 1997), поскольку постоянная аэрация смеси ила и воды требует энергоемких насосов или двигателей. Кроме того, значительные фракции питательных веществ преобразуются в микробную биомассу и не остаются растворенными в воде.

   Хотя эти исследования показали потенциал органического восстановления рыбного ила, лишь несколько авторов рассмотрели вопрос о высвобождении конкретных питательных веществ (например, N и P) из рыбного ила. Большинство из этих исследований были для коротких лабораторных экспериментов in vitro (Конрой и Кутюрье 2010; Monseees et al. 2017; Stewart et al. 2006) и из действующих РАС (Yogev et al. 2016), а не аквапонной установки. Хотя в определенной степени обсуждаются в теории (Goddek et al. 2016; Yogev et al. 2017), исследование должно начаться сейчас для систематического изучения эффективности органического восстановления и минерализации питательных веществ рыбного ила как для аэробных, так и анаэробных реакторов и его влияния на состав воды и растения рост. Таким образом, эта глава призвана дать обзор различных методов обработки рыбного ила, которые могут быть интегрированы в аквапонные установки для достижения органического восстановления и минерализации питательных веществ. Будут выделены некоторые подходы к проектированию. Будет обсужден подход к балансу массы питательных веществ в контексте обработки аквапонных шламов и разработана конкретная методология количественной оценки эффективности обработки осадка.

2. 10.2 Внедрение очистки сточных вод в аквапонике

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В аквапонике сточные воды, заряженные твердыми веществами (т.е. осадком), являются ценным источником питательных веществ, и необходимо провести соответствующую очистку. Цели очистки отличаются от обычной очистки сточных вод, поскольку в аквапонике представляют интерес твердые вещества и водосбережение. Кроме того, независимо от используемой очистки сточных вод, ее цель должна заключаться в сокращении количества твердых веществ и в то же время минерализации питательных веществ. Другими словами, цель заключается в получении свободных от твердых частиц сточных вод, но богатых растворимыми питательными веществами (т. е. анионами и катионами), которые могут быть возвращены в водный контур в соединенной установке (рис. 10.1a) или непосредственно в гидропонные пласты в развязанной установке (рис. 10.1b). Твердые вещества рыбного ила состоят в основном из разлагаемого органического вещества, так что твердое восстановление можно назвать органическим сокращением. Действительно, сложные органические молекулы (например, белки, липиды, углеводы и т.д.) в основном состоят из углерода и будут последовательно сокращаться до соединений с более низкой молекулярной массой до тех пор, пока не будут получены конечные газообразные формы COSub2/sub и CHSub4/sub (в случае анаэробной ферментации). В ходе этого процесса деградации макроэлементы (например, N, P, K, Ca, Mg и S) и микроэлементы (например, Fe, Mn, Zn, Cu, B и Mo), связанные с органическими молекулами, выделяются в воду в их ионных формах. Это явление называется выщелачиванием питательных веществ или минерализацией питательных веществ. Можно предположить, что при достижении высокого органического сокращения также будет достигнута высокая минерализация питательных веществ. С одной стороны, шлам содержит часть нерастворенных минералов, а с другой стороны, некоторые макро- и микроэлементы выделяются в процессе минерализации. Они могут быстро оседать вместе и образовывать нерастворимые минералы. Состояние между ионами и осажденными минералами большинства макро- и микроэлементов зависит от рН. Наиболее известными минералами, которые осаждаются в биореакторах, являются фосфат кальция, сульфат кальция, карбонат кальция, пирит и струвит (Peng et al. 2018; Zhang et al. 2016). Конрой и Кутюрье (2010) отметили, что Ca и P были выпущены в анаэробный реактор, когда рН опустился ниже 6. Они показали, что высвобождение точно соответствует минерализации фосфата кальция. Goddek et al. (2018) также наблюдали собилизацию P, Ca и других макроэлементов в восходящем анаэробном иловом реакторе (UASB), который стал кислотным. Jung and Lovitt (2011) сообщили о 90% мобилизации питательных веществ в осадке аквакультуры при очень низком значении pH 4. В этом состоянии все макро- и микроэлементы были растворимы. Таким образом, существует антагонизм между органическим восстановлением и минерализацией питательных веществ. Действительно, органическое восстановление является максимальным, когда микроорганизмы активны для разрушения органических соединений, и это происходит при рН в диапазоне 6—8. Поскольку выщелачивание питательных веществ происходит при pH ниже 6, для оптимального органического восстановления и минерализации питательных веществ наиболее эффективным является разделение процесса на два этапа, т.е. этап органического восстановления при рН, близкий к нейтральному, и этап выщелачивания питательных веществ в кислотных условиях. Насколько нам известно, пока не поступало никаких сообщений об операциях с использованием этого двухэтапного подхода. Это открывает новое поле в очистке сточных вод, и необходимы дополнительные исследования для внедрения в аквапонике.

   

   Рис. 10.1 Схематическая реализация обработки ила в одной контуре аквапонной системе** (a) ** и в развязанной аквапонной системе** (b) **

   Выбор корма также важен в этом контексте. В кормах животного происхождения, где основная фракция компонента по-прежнему основана на источниках животного происхождения (например, рыбная мука, костная мука), связанный фосфат, например в виде апатита (полученного из костной муки), легко доступен в кислотных условиях, в то время как растительные корма содержат фитат в качестве основного источника фосфата. Фитат в отличие от, например, апатит требует ферментативной (фитазы) конверсии (Kumar et al. 2012), и поэтому фосфат не так легко доступен.

3. 10.3 Аэробические процедуры

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Аэробная обработка усиливает окисление ила, поддерживая его контакт с кислородом. В этом случае окисление органического вещества вызвано главным образом дыханием гетеротрофных микроорганизмов. COSub2/sub, конечный продукт дыхания, высвобождается, как показано в экв. (10.1).

   $C_6H_ {12} O_6 + 6\ O_2\ rarr 6\ CO_2+6\ H_2O +энергия $ (10.1)

   Этот процесс в аэробных реакторах достигается главным образом путем впрыска воздуха в смесь ила и воды с воздуходувками, соединенными с диффузорами и пропеллерами. Впрыск воздуха также обеспечивает правильное смешивание осадка.

   Во время этого окислительного процесса выделяются макро- и микроэлементы, связанные с органическим веществом. Этот процесс называется аэробной минерализацией. Таким образом, дополнительные питательные вещества могут быть рециркулированы в процессе минерализации, в то время как некоторые питательные вещества, например натрий и хлорид, могут также превышать пороговый уровень для гидропонного применения и должны подвергаться тщательному контролю перед применением (Rakocy et al. 2007). Аэробная минерализация органического вещества, полученного из установки удаления твердых частиц (например, осветлителя или барабанного фильтра) в RAS, представляет собой простой способ переработки питательных веществ для последующего применения в аквапонике.

   Кроме того, в процессе аэробного сбраживания рН падает и способствует минерализации связанных минералов, попавших в шлам. Например, Monsees et al. (2017) показали, что P высвобождается из шлама RAS из-за такого сдвига рН. Это снижение pH обусловлено главным образом дыханием и в меньшей степени, вероятно, нитрификацией.

   Благодаря постоянному снабжению кислородом через аэрацию камеры минерализации и обилию органического вещества, гетеротрофные микроорганизмы находят идеальные условия для роста. Это приводит к увеличению дыхания и высвобождению COSub2/Sub, который растворяется в воде. COSub2/sub образует углеродную кислоту, которая диссоциирует и тем самым снижает рН технологической воды, как показано в следующем уравнении:

   $CO_ {2 (г)} +2\ H_2O\ rarr H_3O^++ {HCO_3} ^- (10.2)

   Сточные воды, полученные в результате RAS, часто содержат NHSub4/Subsup+/SUP и, кроме того, характеризуются нейтральным рН около 7, поскольку рН в RAS необходимо поддерживать на этом уровне, чтобы обеспечить оптимальное микробное преобразование NHSub4/Subsup+/SUP в NOSub3/sub в биофильтре (т.е. нитрификация). Процесс нитрификации может способствовать снижению pH в аэробных реакторах на начальном этапе путем выделения протонов в технологическую воду, как это видно из следующего уравнения:

   $ {NH_4} ^+ 2\ O_2\ rarr {NO_3} ^- +2\ H^++H_2O+энергия $ (10.3)

   Это, по крайней мере, относится к начальной фазе, где уровень pH все еще превышает 6. При pH ≤ 6 нитрификация может значительно замедлиться или даже прекратиться (Ebeling et al. 2006). Однако это не представляет проблемы для блока минерализации.

   Общее снижение pH в агрегате аэробной минерализации в ходе текущего процесса является основным фактором выделения питательных веществ, присутствующих в виде осажденных минералов в виде фосфатов кальция. Monseees et al. (2017) отметили, что около 50% фосфата в осадке является растворимым в кислоте, полученным из Tilapia RAS, где применялся стандартный корм, содержащий рыбную муку. Здесь около 80% фосфата в РАС было потеряно в результате очистки декантера и выброса смеси шлам-вода. Учитывая этот факт, большой потенциал агрегатов минерализации для аквапонных применений становится очевидным.

   Преимущества аэробной минерализации заключаются в низком техническом обслуживании без необходимости в квалифицированном персонале и без последующей реоксигенации. Обогащенная вода может быть использована непосредственно для удобрения растений, в идеале управляемой онлайновой системой для адекватной подготовки питательного раствора. Недостатком по сравнению с анаэробной минерализацией является то, что метан не производится (Chen et al. 1997) и, как уже упоминалось, более высокий спрос на энергию в связи с необходимостью постоянной аэрации.

   10.3.1 Блоки аэробной минерализации

   

   Рис. 10.2 Схематический пример установки аэробной минерализации, работающей в пакетном режиме. Камера минерализации (коричневая) отделяется от выпускной камеры (синяя) ситовой пластинкой, которая покрывается твердой крышкой во время процесса минерализации (сильная аэрация) для предотвращения засорения и образования мелких частиц. Органически богатая вода из осветлителя или барабанного фильтра поступает в блок минерализации через входное отверстие. После завершения цикла минерализации богатая питательными веществами вода выходит из блока минерализации через выход и либо непосредственно передается на гидропонный блок, либо хранится в резервуаре для хранения до тех пор, пока это необходимо

   Пример конструкции агрегата аэробной минерализации представлен на рис. 10.2. Впускное отверстие соединяется с блоком удаления твердых частиц с помощью клапана, что позволяет разрывную заправку камеры минерализации смесью ила и воды. Камера минерализации аэрируется сжатым воздухом, чтобы способствовать дыханию гетеротрофных бактерий и поддерживать как можно более минимальные процессы анаэробной денитрификации. Чтобы предотвратить выход органического материала из камеры минерализации, в качестве барьера может служить ситовая пластина. В идеале во время процесса минерализации (во время аэрации) следует использовать вторую, непроницаемую крышку. Это должно предотвратить засорение пластины сита, так как во время интенсивной аэрации органический материал будет постоянно перемещаться против ситовой пластины. Перед переносом богатой питательными веществами воды из камеры минерализации в гидропонный блок аэрация прекращается, чтобы частицы могли оседать. Затем крышка удаляется, и обогащенная питательными веществами вода может проходить через решетовую пластину и покидать камеру минерализации через выход, как показано на рис. 10.2. Наконец, крышка пластины снова вставляется на место, камера минерализации пополняется смесью ила и воды, производной RAS, и процесс минерализации начинается снова (т.е. процесс партии).

   Блок минерализации должен иметь по крайней мере в два раза больше осветлителя, чтобы обеспечить непрерывную минерализацию. Один цикл минерализации может длиться до 5—30 дней в зависимости от системы, органической нагрузки и требуемого профиля питательных веществ и должен быть разработан для каждой отдельной системы. Для систем, включая барабанный фильтр, как это имеет место в большинстве современных RAS, размер единицы минерализации должен быть скорректирован в соответствии с суточным или недельным оттоком осадка барабанного фильтра. Поскольку это до сих пор не было опробовано в экспериментальном режиме, конкретные рекомендации в настоящее время невозможны.

   10.3.2 Реализация

   Пример внедрения агрегата аэробной минерализации в развязанную аквапонную систему представлен на рис. 10.3. Поскольку не требуется предварительной и последующей обработки (например, повторной оксигенации), блок минерализации может быть помещен непосредственно между блоком удаления твердых частиц и гидропонным слоем. При установке клапана до и после установки минерализации возможна разрывная работа и доставка питательных веществ в гидропонный блок по требованию, однако во многих случаях потребуется дополнительный резервуар для хранения. В идеале, после направления богатой питательными веществами воды в гидропонный блок, смещенная вода заменяется новым шламом и водой из блока удаления твердых частиц. В зависимости от объема установки минерализации важно отметить, что заправка новой смесью ила и воды может привести к увеличению рН, и, таким образом, процесс минерализации может быть прерван. Увеличивая размер блока минерализации, этот эффект будет буферизован. В исследовании Rakocy et al. (2007), исследовании жидких органических отходов из двух систем аквакультуры, длительность удержания аэробной минерализации составила 29 дней, что привело к значительному успеху в минерализации. Тем не менее, это также зависит от содержания ТВ в камере минерализации, от корма, применяемого в РАС, от температуры и от потребностей растений в питательных веществах, производимых в гидропонной установке.

   

   Рис. 10.3 Схематическая картина развязанной аквапонной системы, включающей аэробную минерализацию. Вода может быть передана в резервуар питательных веществ либо из водяного контура RAS, либо непосредственно из блока минерализации

4. 10.4 Анаэробные процедуры

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Анаэробное сбраживание (АД) уже давно используется для стабилизации и уменьшения массы ила, в основном из-за простоты эксплуатации, относительно низких затрат и производства биогаза в качестве потенциального источника энергии. Общее стехиометрическое представление анаэробного сбраживания можно описать следующим образом:

   $CNHAOB+ (n-a/4-b/2)\ cdot H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cdot CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4$ (10.4)

   Уравнение 10.4 Общий баланс массы биогаза (март 1992 года).

   Теоретическая концентрация метана может быть рассчитана следующим образом:

   $ [CH_4] =0.5+ (a/4+b/2) /2n$ (10,5)

   Уравнение 10.5 Теоретическая ожидаемая концентрация метана в биогазе (март 1992 года).

   Конечными продуктами АД являются главным образом неорганический материал (например, минералы), незначительно деградированные органические соединения и биогаз, который обычно состоит из\ > 55% метана (CHSub4/sub) и двуокиси углерода (COSub2/sub), при этом содержание сероводорода (\ 1%) и общего аммиака азота (NHSub3/ Субсуп+/суп/NH4sup+/SUP) (Appels et al. 2008).

   

   ** Рис. 10.4** Схематическая диаграмма, показывающая анаэробное разложение органического вещества на основе Garcia et al. (2000)

   В процессе АД органический ил претерпевает значительные изменения в своих физических, химических и биологических свойствах и схематически может быть разделен на четыре этапа (рис. 10.4). Первый этап — гидролиз, где сложные органические вещества, такие как липиды, полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, разлагаются в растворимые органические вещества (сахар, аминокислоты и жирные кислоты). Этот шаг обычно считается ограничением скорости (Deublein and Steinhauser 2010). На втором этапе ацидогенеза мономера, образующиеся на первом этапе, еще больше разделяются, а летучие жирные кислоты (VFA) вырабатываются ацидогенными (ферментативными) бактериями наряду с аммиаком, COSub2/Sub, HSub2/Subs и другими побочными продуктами. Третий этап — ацетогенез, где VFA и спирты дополнительно перевариваются ацетогенами для получения преимущественно уксусной кислоты, а также COSub2/Sub и HSub2/Sub. Это преобразование в значительной степени контролируется парциальным давлением HSub2/Sub в смеси. Последним этапом является метаногенез, где метан в основном производится двумя группами метаногенных бактерий: ацетотрофные археи, которые разделяют ацетат на метан и COSub2/Sub, и гидрогенотрофные археи, которые используют водород в качестве донора электронов и углекислый газ в качестве акцептора электронов для производства метана (Appels и др., 2008 год).

   Различные факторы, такие как pH осадка, соленость, минеральный состав, температура, скорость загрузки, время удержания гидравлики (HRT), соотношение углерода и азота (C/N) и содержание летучих жирных кислот влияют на усвояемость осадка и производство биогаза (Khalid et al. 2011).

   

   Рис. 10.5 Схема восходящего анаэробного илового реактора (УАСБ)

   Анаэробная очистка осадка из РАС началась около 30 лет назад с сообщений об осадках из пресноводных РАС (Ланари и Франчи 1998), а также о морских операциях (Арбив и ван Рейн 1995; Клас и др. 2006; Макдермотт и др. 2001) и солоноватых водных операциях (Гебауэр и Эйкеброкк 2006; Мирзоян и др. 2008). В последнее время было предложено использовать УАСБ (рис. 10.5) для АД шлама РАН с последующим производством биогаза в качестве альтернативного источника энергии (Mirzoyan et al. 2010). Реактор изготовлен из резервуара, часть которого заполнена анаэробным гранулированным иловым одеялом, содержащим активные виды микроорганизмов. Шлам протекает вверх через «микробное одеяло», где он деградируется анаэробными микроорганизмами и образуется биогаз. Перевернутый конусный отстойник в верхней части реактора позволяет сепарацию газа и жидкости. Когда биогаз высвобождается из флока, он ориентируется в конус с помощью дефлекторов, которые должны быть собраны. Медленное смешивание в реакторе происходит от восходящего потока в сочетании с естественным перемещением микробных флоков, прикрепленных к пузырькам биогаза. В какой-то момент флок покидает газовый пузырь и оседает вниз, позволяя сбросить стоки из TSS, которые затем могут быть переработаны обратно в систему или высвобождены. Основными преимуществами УАСБ являются низкие эксплуатационные расходы и простота эксплуатации при обеспечении высокой (\ > 92%) эффективности твердосплавной обработки отходов с низким (1— 3%) содержанием ТСС (Мархаим 1992; Йогев и др. 2017).

   Два последних тематических исследования показали использование УАСБ в качестве обработки твердых веществ в пилотном масштабе морских и соленых РАС, которые служат примером потенциальных преимуществ этой установки в аквапонике (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Подробный анализ углеродного баланса показал, что около 50% вводимого углерода (из корма) удаляется путем усвоения рыбы и дыхания, 10% удаляется аэробной биодеградацией в нитрификационном биореакторе и 10% удаляется в реакторе денитрификации (Yogev et al. 2017). Таким образом, в целом в реактор УАСБ было внесено около 25% углерода, из которых 12,5% было преобразовано в метан, 7,5% в COSub2/Sub, а остальная часть (\ ~ 5%) оставалась в качестве неразлагаемого углерода в УАСБ. Подводя итог, было продемонстрировано, что использование УАСБ позволило улучшить рециркуляцию воды (\ > 99%), уменьшить (\ 8%) добычу ила по сравнению с типичными РСБУ, которые не имеют твердой обработки на месте, и рекуперацию энергии, которая может составлять 12% от общего спроса на энергию РСБУ. Следует отметить, что использование УАСБ в аквапонике также позволит значительно восстановить до 50% больше питательных веществ, таких как азот, фосфор и калий, поскольку они выделяются в воду в результате твердой биодеградации (Goddek et al. 2018).

   Анаэробный мембранный биореактор (AnMBR) является более передовой технологией. Основной процесс состоит в использовании специальной мембраны для отделения твердых веществ от жидкости вместо использования процесса декантирования, как в UASB. Сброжение осадка происходит в простой анаэробной емкости, и стоки оставляют его через мембрану. В зависимости от размера пор мембраны (до 0,1—0,5 мкм) могут сохраняться даже микроорганизмы. Существует два типа мембранного биореактора: один использует режим бокового потока вне резервуара, а другой имеет мембранный блок погружен в резервуар (рис. 10.6), последний является более благоприятным в применении AnMBR благодаря более компактной конфигурации и более низкому энергопотреблению (Chang 2014). Мембраны из различных материалов, таких как керамика или полимерные (например, поливинилиденфторид (PVDF), полиэтилен, полиэфирсульфон (PES), поливинилхлорид (PVC)), могут быть сконфигурированы в качестве пластины и рамы, полых волокон или трубчатых блоков (Gander et al. 2000; Huang et al. AnMBR имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с типичными биологическими реакторами, такими как UASB, а именно: развязка (длительное) время удержания осадка (SRT) и (короткое) время пребывания гидравлической системы (HRT), что позволяет преодолеть проблему медленной кинетики процесса AD; очень высокое качество сточных вод, при котором большинство питательные вещества остаются; и удаление патогенов и небольшой след (Judd and Judd 2008). Кроме того, эффективное производство биогаза в AnMBR может привести к чистому энергетическому балансу.

   

   Рис. 10.6 a) Боковой поток MBR с отдельной фильтрующей установкой с оставленной жидкостью, переработанной обратно в биореактор; b) погруженный MBR: фильтрующий блок интегрирован в биореактор. (Гандер и др. 2000)

   Хотя эта технология заслуживает большого внимания и исследований, следует отметить, что, поскольку она является достаточно новой технологией, существует ряд существенных недостатков, которые необходимо устранить до того, как AnMBR будет принят в аквакультуре. Это высокие эксплуатационные расходы, связанные с обслуживанием мембран для предотвращения биообрастания, регулярного мембранного обмена и высокой долей CO<sub2/sub (30— 50%) в биогазе, что ограничивает его использование и способствует выбросу парниковых газов (Cui et al. 2003). Позитивным моментом является то, что в ближайшем будущем будут разработаны новые методы предотвращения биозагрязнения, а стоимость мембраны, безусловно, снизится по мере более широкого использования этой технологии. Успешно изучена комбинация УАСУ с мембранным реактором для фильтрации сточных вод УАСУ для удаления органического углерода и азота (An et al. 2009). Такое сочетание представляется перспективным вариантом аквапоники для безопасного и санитарного использования сточных вод УАСБ.

   10.4.1 Реализация

   Одним из возможных решений внедрения анаэробных реакторов является последовательный подход (см. также главу 8). Комбинация «высокий рН — низкий рН» позволяет собирать метан (и, таким образом, уменьшать углерод) на первом этапе с высоким рН и мобилизовывать питательные вещества в декарбонизованном осадке в последующей среде с низким рН. Преимущество этого метода заключается в том, что сокращение выбросов углерода в условиях высокого pH приводит к меньшему количеству VFA, что может произойти на втором этапе низкого pH (рис. 10.7). Этот подход также позволяет совместное пищеварение зеленого растительного вещества (т.е. из любой заготовки растений, будут отходы растительного вещества, которые могут быть помещены через такой реактор) для увеличения как производства биогаза, так и извлечения питательных веществ из общей схемы.

   Еще одна возможность технической интеграции была представлена Ayre et al. (2017). Они предлагают сбросить стоки высокоpH анаэробного реактора в водородный водоем. В этом пруде выращиваются водоросли, биомасса которых может использоваться для кормов для животных — аквакультуры или биофертилизации (рис. 10.8). Более подробную информацию об этом подходе можно найти в главе 11.

   

   Рис. 10.7 Двухступенчатая анаэробная система. На первом этапе (высокий pH) углерод будет удален из осадка в виде биогаза, тогда как низкий pH на втором этапе позволяет питательным веществам, попадающим в шлам, растворяться в воде. Как правило, летучие жирные кислоты (VFA) формируются в средах с низким рН. Однако удаление источника углерода на первом этапе ограничивает производство VFA в такой последовательной установке

   

   Рис. 10.8 Анаэробная система сбраживания, интегрированная с аквакультурой и водорослями на основе Ayre et al. (2017)

5. 10.5 Методология количественной оценки эффективности снижения осадка и минерализации

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Для определения сбраживания аквапонной обработки ила в аэробных и анаэробных биореакторах необходимо следовать специальной методике. В этой главе представлена методология, адаптированная для целей обработки аквапонных шламов. Конкретные уравнения были разработаны для точного количественного определения их производительности (Delaide et al. 2018), и их следует использовать для оценки эффективности обработки, применяемой в конкретном аквапонном растении.

   Для того чтобы оценить эффективность лечения, необходимо применять подход к балансу массы. Это требует, чтобы ТВУ, ХПК и массы питательных веществ определялись для всех входов реактора (т.е. свежего ила) и выходов (т.е. стоков). Содержание реактора также необходимо отбирать в начале и в конце исследуемого периода. Ввод, выход и содержание реакторов должны быть идеально перемешены для отбора проб. Входные и выходные данные реактора должны в основном отбираться каждый раз, когда реакторы питаются свежим шламом.

   Затем производительность редукции осадка реактора (η) может быть сформулирована следующим образом:

   $\ eta_s = 100% (1- (\ Дельта S + S_ {out}) /S_ {in}) $ (10.6)

   где ΔS - осадк внутри реактора в конце исследуемого периода минус один в начале периода, Ssubout/Sub - общий шлам, оставивший реактор в оттоке, а SsSubin/Sub - общий шлам, поступающий в реактор через приток.

   Что касается органического восстановления, то шлам (т.е. термин S) может характеризоваться сухой массой ила (например, TSS) или массой кислорода, необходимой для окисления осадка (т.е. ХПК). Таким образом, для показателей сокращения ХПК и ТСС, чем меньше накопление и чем меньше количество в оттоке, тем выше эффективность сокращения (т.е. высокая процентная доля) и тем меньше твердых веществ, выбрасываемых из контура.

   На основе того же баланса массы, минерализации питательных веществ в процессе обработки (), т.е. преобразования в растворимые ионы макро- и микроэлементов, присутствующих в осадке при нерастворенных формах, можно использовать следующую формулу:

   $\ zeta_N = 100% ((DN_ {out} -DN_ {in})/(TN_ {in} -DN_ {in})) $ (10.7)

   где - восстановление N питательного вещества в конце изучаемого периода в процентах, DNsubout/sub - общая масса растворенного питательного вещества в оттоке, DNsubin/sub - общая масса растворенного питательного вещества в притоке, а Tnsubin/sub - общая масса растворенных и нерастворенных питательных веществ в притоке.

   Таким образом, по аналогии с показателями органического восстановления, чем меньше накопление внутри реактора и содержание нерастворенных питательных веществ в оттоке, тем выше эффективность минерализации (т.е. высокая процентная доля) и поэтому растворенное питательное вещество восстанавливается в стоках (или оттоке) для аквапонной культуры удобрения (см. пример 10.1). Приведенные уравнения баланса масс используются в поле для примера.

   Пример 10.1

   Производительность пищеварения анаэробного биореактора 250-л оценивалась в течение 8-недельного периода. Он питался один раз в день с 25 л свежего ила, поступающего из системы Tilapia RAS, и эквивалентный объем (или выход) был удален из биореактора. Свежий шлам (входной) имел TSS 10 г сухой массы (DM) на литр или 1%, а супернатант (выход) имел TSS 1 Гдм/л или 0,1%. ВТС внутри биореактора в начале и в конце периода составлял 20 Гдм/л. Следовательно, общий объем входов, выходов и внутри биореактора в течение рассматриваемого периода рассчитывается следующим образом:

   DM в = 0,01 кг/LD $\ раз $25 L $\ раз $7 дней $\ раз

   DM выход = 0,001 кг/LD $\ раз$ 25 L $\ раз $7 дней $\ раз

   DM до = DM tf = 250 L $\ раз

   Производительность восстановления TSS (ηTSS) биореактора может быть рассчитана следующим образом:

   $\ жирный {\ eta} _ {TSS} =100% (1- ((5-5) +1,4) /14) = 90%

   Производительность минерализации биореактора Р может быть оценена, зная, что свежий ил (входной) имел концентрацию растворенного Р 15 мг/л и общее содержание Р 90 мг/л. Концентрация растворенного Р в супернатанте (выход) составляла 20 мг/л. Следовательно, общее содержание Р во входе, общее содержание Р растворенные Р во входах и выходах в течение рассматриваемого периода рассчитываются следующим образом:

   TP в = 0,090 г/ЛД $\ раз $25 л\ раз $7 дней $\ раз

   ДП в = 0,015 г/ЛД $\ раз$ 25 л $\ раз $7 дней $\ раз

   ДП выход = 0,020 г/ЛД $\ раз$ 25 л $\ раз $7 дней $\ раз

   Производительность минерализации P (subp/sub) биореактора может быть рассчитана следующим образом:

   $_p = 100% ((28-21)/(126-21)) = 6,67%

6. 10.6 Выводы

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Обработка рыбного шлама в целях восстановления и восстановления питательных веществ находится на ранней стадии внедрения. Необходимы дальнейшие исследования и улучшения, и этот день будет наблюдаться с растущими заботами о циклической экономике. Действительно, рыбный шлам следует рассматривать скорее как ценный источник, а не как одноразовые отходы.