Source material

Глава 3 Рециркулирующие технологии аквакультуры

1. 3.1 Введение

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

   Рециркулирующие системы аквакультуры (РАС) описывают системы интенсивного производства рыбы, которые используют ряд этапов очистки воды для удаления рыбоводческой воды и облегчения ее повторного использования. RAS, как правило, будут включать в себя: 1) устройства для удаления твердых частиц из воды, состоящие из рыбных фекалий, несъеденного корма и бактериальных флоков (Chen et al. 1994; Cuturier et al. 2009), 2) нитрифицирующие биофильтры для окисления аммиака, выводимого рыбой, до нитрата (Gutierres-Wing and Malone, 2006) (Malone, 2006) и 3) газообменных устройств для удаления растворенного углекислого газа, выбрасываемого рыбой, а также для добавления кислорода, необходимого рыбе и нитрифицирующих бактерий (Colt and Watten 1988; Moran 2010; Summerfelt 2003; Wagner et al. 1995). Кроме того, RAS может также использовать ультрафиолетовое облучение для дезинфекции воды (Sharrer et al. 2005; Summerfelt et al. 2009), озонирование и обезживание белка для тонких твердых веществ и микробного контроля (Attramadal et al. 2012a; Gonçalves and Gagnon 2011; Summerfelt and Hochheimer 1997) и Hochheimer 1997), а также системы денитрификации для удаления нитратов (ван Рейн и др., 2006 год).

   Современная рециркулирующая технология аквакультуры развивается уже более 40 лет, но новые технологии все чаще предлагают способы изменения парадигм традиционных РСБУ, включая совершенствование классических процессов, таких как улавливание твердых частиц, биофильтрация и газообмен. В РСБУ также произошли важные изменения с точки зрения масштаба, производственных мощностей и признания рынка, при этом системы становятся все более масштабными и надежными.

   В этой главе рассказывается о том, как технология RAS развивалась за последние два десятилетия от периода технологической консолидации до новой эры промышленного внедрения.

   3.1.1 История РАН

   Самые ранние научные исследования по РАН, проведенные в Японии в 1950-х годах, были посвящены проектированию биофильтра для производства карпа, обусловленному необходимостью более продуктивного использования местных ограниченных водных ресурсов (Murray et al. 2014). В Европе и Соединенных Штатах ученые также попытались адаптировать технологии, разработанные для очистки бытовых сточных вод, с тем чтобы более эффективно использовать воду в рециркуляционных системах (например, активированные процессы ила для очистки сточных вод, просачивание, погружение и понижение биофильтры, а также несколько механических системы фильтрации). Эти первые усилия включали в себя главным образом работу над морскими системами для производства рыбы и ракообразных, однако вскоре они были приняты в засушливых районах, где сельскохозяйственный сектор ограничен водоснабжением. В аквакультуре были разработаны различные решения для максимального использования воды, включая высокоинтенсивные рециркуляционные системы, включающие системы фильтрации воды, такие как барабанные фильтры, биологические фильтры, белковые скиммеры и системы впрыска кислорода (Hulata and Simon 2011). Несмотря на твердую убежденность пионеров в отрасли в коммерческой целесообразности их работы, большинство ранних исследований были сосредоточены исключительно на окислении токсичных отходов неорганического азота, полученных в результате белкового метаболизма. Доверие к технологии было подкреплено успешным функционированием как государственных, так и домашних аквариумов, в которых, как правило, имеются крупногабаритные очистные установки для обеспечения кристально чистой воды. Кроме того, чрезвычайно низкая плотность заготовки и связанные с этим затраты корма означают, что такая чрезмерная инжиниринг все еще вносит относительно небольшой вклад в капитальные и эксплуатационные расходы системы по сравнению с интенсивной РСБУ. Следовательно, изменения в динамике процессов, связанные с изменением масштаба, не были учтены, что привело к сокращению размеров очистных установок РСО, с тем чтобы свести к минимуму капитальные затраты. Вследствие этого предельные нормы безопасности были слишком узкими или вообще отсутствовали (Murray et al. 2014). Поскольку многие новаторские ученые имели биологические, а не инженерные знания, технические усовершенствования также сдерживались недосвязью между учеными, проектировщиками, строительным персоналом и операторами. Разработка стандартизированной терминологии, единиц измерения и форматов отчетности в 1980 году (EIFAC/ICES 1980) помогла решить эту ситуацию, хотя региональные различия по-прежнему сохраняются. Лишь в середине 80-х годов циклические параметры качества воды получили широкое признание как имеющие важное значение для производства прудов, например периодическое измерение концентраций рН, кислорода, ТАН (общий аммиачный азот), NO2 (нитрат), БПК (биохимическая потребность в кислороде) и ХПК (химическая потребность в кислороде).

   Во второй половине прошлого века были опубликованы многочисленные статьи о раннем развитии РАН. Розенталь (1980) подробно остановился на состоянии систем рециркуляции в Западной Европе, а Bovendeur et al. (1987) разработали систему рециркуляции воды для культуры африканского сома с точки зрения кинетики производства отходов и удаления отходов (был представлен проект системы очистки воды, состоящей из первичный осветлитель и аэробный реактор с фиксированной пленкой, которые показали удовлетворительные результаты для высокой плотности культуры африканского сома). Эта работа была частью стремительного развития рыбохозяйственных систем до середины 1990-х годов в Северной и Западной Европе (Rosenthal and Black 1993), а также в Северной Америке (Colt 1991). Новые классификации, такие, как классификация в зависимости от того, как вода проходит через систему аквакультуры, позволили получить ключевую информацию о процессах качества воды, имеющих важное значение для производства рыбы (Krom and van Rijn 1989). В последующей работе van Rijn (1996) были введены концепции, ориентированные на биологические процессы, лежащие в основе систем очистки. Выводы, сделанные в ходе этой работы, заключались в том, что внедрение методов снижения накопления ила и нитрата привело к более стабильным условиям качества воды в культурных единицах. За этот период объем производства РАС значительно возрос и видовое разнообразие (Rosenthal 1980; Verreth and Eding 1993; Martins et al. 2005). В настоящее время в РАС производится более 10 видов (африканский сом, угорь и форель в качестве основных пресноводных видов и тюрбан, морской окунь и подошва в качестве основных морских видов) (Martins et al 2010b), при этом РАС также становится важнейшим элементом в производстве личинок и молодцов различных видов.

   Хотя максимальная устойчивая урожайность многих видов водных диких запасов уже достигнута или скоро будет достигнута, а многие виды уже переловлены, РСБУ считается ключевой технологией, которая поможет сектору аквакультуры удовлетворить потребности водных видов в ближайшие десятилетия (Ebeling and Timmons 2012).

   3.1.2 Краткая история аквапоники в контексте РАН

   

   Рис. 3.1 Чинампас (плавучие сады) в Центральной Америке — искусственное строительство островов как предшественник аквапонной технологии. (От Марзолино/ Shutterstock.com)

   «Аквапоника» — термин, который был «придуман» в 1970-х годах, но на практике имеет древние корни — хотя до сих пор ведутся дискуссии о его первом появлении. Ацтеки возделывали сельскохозяйственные острова, известные как чинампа (первые 1150-1350CE), в системе, которая, по мнению некоторых, является первой формой аквапоники для сельскохозяйственного использования (рис. 3.1). В таких системах растения выращивались на стабильных или иногда подвижных и плавучих островах, помещаемых в мелководье озер, где богатая питательными веществами грязь могла быть выгружена из каналов чинампы и размещена на островах для поддержания роста растений (Crossley 2004).

   Еще более ранний пример аквапоники начался с другой стороны мира в Южном Китае и, как полагают, распространился в Юго-Восточной Азии, где китайские поселенцы из Юньнаня поселились около 5 н.э. Фермеры выращивали и выращивали рис на рисовых полях в сочетании с рыбой (ФАО 2001). Эти поликультурные системы земледелия существовали во многих странах Дальнего Востока для выращивания рыбы, такой как восточный лоч (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), болотный угорь (fam. Synbranchidae), карп обыкновенный (Cyprinus carpio_) и карась (Carassius carassius) (ФАО 2004). Однако, по сути, эти системы не являются аквапоническими, но их лучше всего описать как первые примеры интегрированных систем аквакультуры (Gomez 2011). В XX веке первые попытки создать практические, эффективные и интегрированные системы рыбного производства наряду с овощами были предприняты в 1970-х годах благодаря работе Льюиса и Негеля (Льюис и Вер 1976; Нэгель 1977; Льюис и др. 1978). Дальнейшие ранние системы были разработаны Waten и Busch в 1984 году и Rakocy в 1989 году (Palm et al. 2018).

2. 3.2 Обзор контроля качества воды в РАН

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

   RAS представляют собой сложные водные системы производства, включающие целый ряд физических, химических и биологических взаимодействий (Timmons and Ebeling 2010). Понимание этих взаимодействий и взаимосвязи между рыбой в системе и используемым оборудованием имеет решающее значение для прогнозирования любых изменений в качестве воды и производительности системы. Существует более 40 параметров качества воды, которые можно использовать для определения качества воды в аквакультуре (Timmons and Ebeling 2010). Из них лишь немногие (как описано в разделах. [3.2.1](#321 -растворенный-оксиген-до), [3.2.2](#322 -аммиак), [3.2.3](#323 -биотвердые вещества), [3.2.4](#324 -углерод-диоксид-косуб2sub), [3.2.5](#325 -total-ga-dressure-tgp), 3.2.6 и 3.2.7) традиционно контролируются в основной рециркуляции #326 #327 , учитывая, что эти процессы могут быстро повлиять на выживаемость рыб и склонны к изменениям с добавлением корма в систему. Многие другие параметры качества воды обычно не контролируются или не контролируются, поскольку 1) анализ качества воды может быть дорогостоящим, 2) анализируемый загрязнитель может быть разбавлен при ежедневном обмене водой, 3) потенциальные источники воды, содержащие их, исключаются для использования или 4) потому, что их потенциальный отрицательный эффекты не наблюдались на практике. Таким образом, в RAS обычно контролируются следующие параметры качества воды.

   3.2.1 Растворенный кислород (DO)

   Растворенный кислород (DO), как правило, является наиболее важным параметром качества воды в интенсивных водных системах, так как низкий уровень DO может быстро привести к высокому стрессу у рыб, неисправности нитрифицирующего биофильтра и, действительно, к значительным потерям рыбы. Обычно плотность залова, добавление кормов, температура и допуск рыб к гипоксии определяют потребности системы в кислороде. Поскольку кислород может переноситься в воду в концентрациях, превышающих его насыщенность в атмосферных условиях (это называется пересыщением), существует целый ряд устройств и конструкций, обеспечивающих снабжение рыбы достаточным кислородом.

   В RAS DO можно контролировать с помощью аэрации, добавления чистого кислорода или их сочетания. Поскольку аэрация способна только повысить концентрации DO до точки насыщения атмосферы, этот метод, как правило, предназначен для легконагруженных систем или систем с терпимыми видами, такими как Tilapia или сом. Однако аэраторы также являются важным компонентом коммерческих РАС, где использование дорогостоящего технического кислорода сокращается за счет аэрации воды с низким содержанием растворенного кислорода обратно в точку насыщения перед пересыщением воды техническим кислородом.

   

   Рис. 3.2 Диаграммы двух примеров переноса газа в жидкость: диффузная аэрация и инжекторы Вентури/аспираторы

   Существует несколько типов аэраторов и оксигенаторов, которые могут быть использованы в RAS, и они относятся к двум широким категориям: газо-жидкостные и жидкостно-газовые системы (Lekang 2013). Газо-жидкостные аэраторы в основном состоят из диффузных систем аэрации, в которых газ (воздух или кислород) передается в воду, создавая пузырьки, которые обмениваются газами с жидкой средой (рис. 3.2). Другие газо-жидкостные системы включают проходящие газы через диффузоры, перфорированные трубы или перфорированные пластины для создания пузырьков с помощью инжекторов Вентури, которые создают массу мелких пузырьков или устройств, которые улавливают пузырьки газа в потоке воды, таких как конус Speeece и оксигенатор U-трубки.

   

   Рис. 3.3 Схемы двух примеров переноса жидкости в газ: аэратор упакованной колонны и поверхностные брызги в закрытом резервуаре. Аэратор заполненной колонны позволяет воде просачиваться по закрытому сосуду, обычно упакованному со структурированной средой, где воздух просачивается через вентилятор или воздуходувку. Поверхностные брызги, найденные в аквакультуре пруда, могут также использоваться в закрытых средах, обогащенных газами — обычно кислородом — для транспортировки газа

   Жидкостно-газовые аэраторы основаны на диффузии воды на небольшие капельки для увеличения площади поверхности, доступной для контакта с воздухом, или создания атмосферы, обогащенной смесью газов (рис. 3.3). Примерами систем «жидкость-газ», используемых в рециркулирующей аквакультуре, являются аэратор упакованных колонн (Colt and Bouck 1984) и низкоголовые оксигенаторы (LHOS) (Wagner et al. 1995). Вместе с тем в РАС используются и другие системы «жидкость-газ», популярные в прудах и на открытых фермах, такие как аэраторы весла (Fast et al. 1999).

   Имеется обширная литература по теории газообмена и основам передачи газа в воде, и читателю рекомендуется не только ознакомиться с техническими текстами аквакультуры и аквакультуры, но и обратиться к технологическим и очистным материалам для лучшего понимания этих процессов.

   3.2.2 Аммиак

   В водной среде аммиак существует в двух формах: неионизированная форма (NHSub3/Sub), токсичная для рыб, и ионизированная форма (NHSub4/Subsup+/SUP), которая обладает низкой токсичностью для рыб. Эти два вида образуют общий аммиачный азот (ТАН), при этом соотношение между двумя формами определяется pH, температурой и соленостью. Аммиак накапливается в растительной воде как продукт белкового метаболизма рыбы (Altinok and Grizzle 2004) и может достигать токсических концентраций, если не лечить. Из 35 различных видов пресноводных рыб, которые были изучены, среднее значение острой токсичности аммиака составляет 2,79 мг NH3/л (Randall and Tsui 2002).

   Аммиак традиционно обрабатывается в системах рециркуляции с помощью нитрифицирующих биофильтров, устройств, которые предназначены для развития микробных сообществ, способных окислять аммиак в нитрат (NOSub3/sub). Несмотря на то, что использование нитрифицирующих биофильтров не является новым, в современных РАС наблюдается оптимизация конструкций биофильтров, причем лишь несколько хорошо изученных проектов получили широкое признание. За последние несколько лет были разработаны и другие весьма новаторские методы обработки аммиака, однако они не находят широкого применения на коммерческой основе (примеры приводятся ниже).

   Аммиак окисляется в биофильтрах сообществами нитрифицирующих бактерий. Нитрифицирующие бактерии являются хемолитотрофными организмами, которые включают виды родов Nitrosomonas, Nitrosoccus, Nitrospira, Nitrobacter и Nitrococcus (Prosser 1989). Эти бактерии получают свою энергию от окисления неорганических соединений азота (Mancinelli 1996) и растут медленно (репликация происходит в 40 раз медленнее, чем для гетеротрофных бактерий), поэтому легко конкурируют гетеротрофные бактерии, если органический углерод, в основном присутствует в биотвердых веществах, взвешенных в культуре воды, разрешено накапливаться (Grady and Lim 1980). Во время работы RAS хорошее управление системой в значительной степени зависит от минимизации взвешенных твердых частиц с помощью адекватных методов удаления твердых частиц (рис. 3.4).

   Нитрифицирующие биофильтры или реакторы биофильтра были примерно разделены на две основные категории: взвешенный рост и прицепные системы роста (Malone and Pfeiffer 2006). В системах взвешенного роста нитрифицирующие бактериальные сообщества свободно растут в воде, образуя бактериальные флоки, которые также содержат богатые экосистемы, где присутствуют простейшие, реснички, нематоды и водоросли (Manan et al. 2017). При надлежащем перемешивании и аэрации водоросли, бактерии, зоопланктон, кормовые частицы и фекальные вещества остаются взвешенными в водной толще и естественным образом стекаются вместе, образуя частицы, которые дают биофлоковым культурам свое название (Browdy et al. 2012). Основным недостатком подвесных систем роста является их тенденция к утрате бактериальной биомассы по мере того, как технологическая вода вытекает из реактора, что требует средств для улавливания и возврата ее в систему. В присоединенных системах роста твердые формы (песок, камни, пластмассовые элементы) используются в качестве субстратов для удержания бактерий внутри реактора и, таким образом, не нуждаются в этапе улавливания твердых частиц после обработки. Как правило, прицепные системы роста обеспечивают большую площадь поверхности для бактериального прикрепления, чем подвесные системы роста, и не производят значительных твердых веществ в их оттоке, что является одной из основных причин, почему приклеенные биофильтры роста так часто используются в РАС.

   

   Рис. 3.4 Нитрифицирующие бактерии Nitrosomonas (слева) и Nitrobacter (справа). (Фото слева: Bock et al. 1983. Справа фото: Мюррей и Уотсон 1965)

   Предпринимаются усилия по классификации биофильтров и документированию их характеристик, с тем чтобы помочь фермерам и разработчикам определить системы с более высокой степенью надежности (Drennan et al. 2006; Gutierres-Wing and Malone 2006). В последние годы индустрия аквакультуры выбрала конструкции биофильтра, которые были широко изучены и, таким образом, могут предложить предсказуемую производительность. Биореактор с подвижным слоем (Rusten et al. 2006), биореактор с кипящим песком фильтром (Summerfelt 2006) и биореактор с фиксированным слоем (Emparanza 2009; Zhu and Chen 2002) являются примерами конструкций биофильтров, которые стали стандартными в современных коммерческих РАС. Еще одна популярная конструкция фильтров Trickling (Díaz et al. 2012), их популярность снижается из-за относительно высоких требований к перекачке и относительно больших размеров.

   3.2.3 Биотвердые вещества

   Биотвердые вещества в РАС происходят из кормов для рыб, фекалии и биопленки (Timmons and Ebeling 2010) и являются одним из наиболее важных и сложных параметров качества воды для контроля. Поскольку биотвердые вещества служат субстратом для гетеротрофного роста бактерий, увеличение их концентрации может в конечном итоге привести к увеличению потребления кислорода, снижению производительности биофильтра (Michaud et al. 2006), увеличению мутности воды и даже механическому блокированию частей системы (Becke et al. 2016; Chen и др., 1994 год; Кутюрье и др., 2009 год).

   В РАС биотвердые вещества, как правило, классифицируются как по размеру, так и по способности к удалению с помощью определенных методов. Из общей фракции твердых веществ, образующихся в RAS, осаждаемые твердые вещества обычно превышают 100 мкм и могут быть удалены путем гравитационного разделения. Подвесные твердые вещества, размеры которых варьируются от 100 мкм до 30 мкм, являются те, которые не оседают из суспензии, но которые могут быть удалены механическими (т.е. просеиванием) средствами. Мелкодисперсные твердые вещества размером менее 30 мкм обычно не могут быть удалены путем просеивания и должны контролироваться другими средствами, такими как физико-химические процессы, процессы мембранной фильтрации, разбавление или биоосветление (Chen et al. 1994; Lee 2014; Summerfelt and Hochheimer 1997; Timmons и Ebeling 1997; 2010; Wold et al. 2014). Методы контроля улаживаемых и взвешенных твердых веществ хорошо известны и развиты, и по этому вопросу имеется обширная литература. Например, использование двухдренажных резервуаров, вихревых сепараторов, радиальных сепараторов потока и отстойных бассейнов является популярным средством борьбы с улавливаемыми твердыми веществами (Couturier et al. 2009; Davidson and Summerfelt 2004; De Carvalho et al. 2013; Ebeling et al. 2006; Veerapen et al. 2005). Микроэкранные фильтры являются наиболее популярным методом контроля взвешенных твердых частиц (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) и часто используются в промышленности для контроля как осаждаемых, так и взвешенных твердых частиц с помощью одного метода. Другие популярные устройства улавливания твердых частиц — это фильтры глубины, такие как фильтры буса (Cripps and Bergheim 2000) и фильтры быстрого песка, которые также популярны в бассейнах. Кроме того, в литературе также имеются руководящие принципы по проектированию для предотвращения накопления твердых веществ в резервуарах, трубопроводах, отстойниках и других компонентах системы (Davidson and Summerfelt 2004; Lekang 2013; Wong and Piedrahita 2000). Наконец, мелкодисперсные твердые вещества в РАС обычно обрабатываются озонированием, биоосветлением, фракционированием пены или сочетанием этих методов. Последние несколько лет развития РАН были сосредоточены на более глубоком понимании того, как контролировать фракцию тонкодисперсных твердых веществ и понять ее влияние на благосостояние рыб и эффективность системы.

   3.2.4 Диоксид углерода (COSub2/sub)

   В РАН контроль за растворенными газами не прекращается с подачей кислорода в рыбу. Другие газы, растворенные в пищей воде, могут влиять на благосостояние рыб, если они не контролируются. Высокие концентрации растворенного углекислого газа (COSub2/Sub) в воде препятствуют диффузии COSub2/Sub из крови рыб. У рыб, увеличение COSub2/sub в крови снижает рН крови и, в свою очередь, сродство гемоглобина для кислорода (Noga 2010). Высокие концентрации COSub2/sub также связаны с нефрокальцинозом, системными гранулемами и меловыми отложениями в органах лососевых (Noga 2010). COSub2/sub в РАН происходит как продукт гетеротрофного дыхания рыбой и бактериями. Будучи высокорастворимым газом, углекислый газ не достигает атмосферного равновесия так легко, как кислород или азот, и поэтому он должен находиться в контакте с большими объемами воздуха с низкой концентрацией COSub2/Sub для обеспечения переноса из воды (Summerfelt 2003). Как правило, RAS, которые поставляются чистым кислородом, потребует определенной формы очистки углекислого газа, в то время как RAS, которые поставляются с аэрацией для кислородной добавки, не потребует активной очистки COSub2/Sub (Eshchar et al. 2003; Loyless and Malone 1998).

   Теоретически любое устройство для передачи газа или аэрации, открытое для атмосферы, будет предлагать некоторую форму COSub2/Sub зачистки. Однако специализированные устройства для зачистки углекислого газа требуют, чтобы большие объемы воздуха соприкасались с технологической водой. Конструкции COSub2/Sub stripper в основном ориентированы на устройства каскадного типа, такие как каскадные аэраторы, каскадные биофильтры и, что более важно, аэратор заполненных колонн (Colt and Bouck 1984; Moran 2010; Summerfelt 2003), который стал стандартным оборудованием в коммерческих RAS, работающих с чистым кислородом. Хотя за последние годы разработка технологии аэрации упакованных колонн продвинулась вперед, большинство исследований, проведенных на этом устройстве, было сосредоточено на понимании его характеристик в различных условиях (например, пресная вода и морская вода) и конструктивных вариациях, таких как высота, типы упаковки и скорость вентиляции . Как известно, влияние скорости гидравлической нагрузки (удельный расход на единицу площади дегазатора) оказывает на эффективность дегазатора, однако для лучшего понимания этого расчетного параметра необходимы дальнейшие исследования.

   3.2.5 Общее давление газа (TGP)

   Общее давление газа (TGP) определяется как сумма парциальных давлений всех газов, растворенных в водном растворе. Чем менее растворим газ, тем больше «пространства» он занимает в водном растворе и, таким образом, тем больше давления он оказывает в нем. Из основных атмосферных газов (азот, кислород и двуокись углерода) азот является наименее растворимым (например, в 2,3 раза менее растворимым, чем кислород, и более чем в 90 раз менее растворимым, чем диоксид углерода). Таким образом, азот способствует общему давлению газа больше, чем любой другой газ, но не потребляется рыбой или гетеротрофными бактериями, поэтому он будет накапливаться в воде, если не будет разделен. Важно также отметить, что кислород также будет способствовать высокому TGP, если процесс передачи газа не позволит вытеснить лишние газы из раствора. Классическим примером этого являются пруды с фотоавтотрофической активностью в них. Фотоавтотрофы (как правило, растительные организмы, осуществляющие фотосинтез) выделяют кислород в воду, в то время как тихая поверхность воды может не обеспечить достаточного газообмена для выхода избыточного газа в атмосферу и, таким образом, может произойти пересыщение.

   Для рыб требуется общее давление газа, равное атмосферному давлению. Если рыба дышит водой с высоким общим давлением газа, избыток газа (обычно азота) выходит из кровотока и образует пузырьки, что часто оказывает серьезное воздействие на здоровье рыб (Noga 2010). В аквакультуре это известно как болезнь пузырьков газа.

   Для того чтобы избежать высоких TGP, необходимо тщательно изучить все участки в РСБУ, где может произойти перенос газа. Впрыск кислорода под высоким давлением без газообразования (что позволяет вытеснять избыточный азот из воды) также может способствовать высокому TGP. В системах с рыбой, которые очень чувствительны к TGP, одним из вариантов является использование вакуумных дегазаторов (Colt and Bouck 1984). Тем не менее, поддержание РСБУ без зон неконтролируемого давления газа, использование стриптизеров углекислого газа (которые также будут удалять азот) и дозирование технического кислорода с осторожностью, достаточно для поддержания ТГП на безопасном уровне в коммерческих РСБУ.

   3.2.6 Нитрат

   Нитрат (NOSub3/Sub) является конечным продуктом нитрификации и обычно последним параметром, подлежащим контролю в РАС, из-за относительно низкой токсичности (Davidson et al. 2014; Schroeder et al. 2011; van Rijn 2013). Это в основном связано с низкой проницаемостью на жаберной мембране рыбы (Camargo and Alonso 2006). Токсическое действие нитрата аналогично действию нитрита, влияя на емкость молекул, несущих кислород. Контроль концентраций нитратов в РАС традиционно обеспечивается путем разбавления путем эффективного контроля времени удержания гидравлической системы или ежедневного обменного курса. Однако биологический контроль нитратов с помощью денитрификационных реакторов является растущей областью исследований и разработок в РАН.

   Толерантность к нитратам может варьироваться в зависимости от водных видов и стадии жизни, при этом соленость оказывает смягчающее воздействие на его токсичность. Важно, чтобы операторы РАС понимали хронические последствия воздействия нитратов, а не острые последствия, поскольку при нормальном функционировании РАС, вероятно, не будут достигнуты острые концентрации.

   3.2.7 Щелочность

   Щелочность в широком смысле определяется как рН буферизации воды (Timmons and Ebeling 2010). Контроль щелочности в РАС имеет важное значение, так как нитрификация представляет собой кислотообразующий процесс, который разрушает его. Кроме того, нитрифицирующие бактерии требуют постоянного запаса щелочности. Низкая щелочность в РАС приведет к падению рН и неисправности нитрифицирующего биофильтра (Summerfelt et al. 2015; Colt 2006). Добавление щелочности в РАС будет определяться нитрификационной активностью в системах, которая, в свою очередь, связана с добавлением кормов, содержанием щелочности в подпитывающей (суточной) воде и наличием денитрифицирующей активности, которая восстанавливает щелочность (van Rijn et al. 2006).

3. 3.3 Изменения в РСБУ

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

   За последние несколько лет наблюдалось увеличение числа и размеров рециркулирующих рыбохозяйственных хозяйств, особенно в Европе. С ростом признания технологии появляются улучшения по сравнению с традиционными инженерными подходами, инновациями и новыми техническими проблемами. В следующем разделе описываются основные тенденции проектирования и проектирования, а также новые проблемы, с которыми сталкивается рециркулирующая технология аквакультуры.

   3.3.1 Основной поток оксигенации

   Контроль растворенного кислорода в современных РАС направлен на повышение эффективности переноса кислорода и снижение энергетических потребностей этого процесса. Повышение эффективности передачи кислорода может быть достигнуто путем разработки систем, которые дольше удерживают кислородный газ в контакте с водой, в то время как снижение потребностей в энергии может быть достигнуто за счет использования систем переноса кислорода с низкой головкой или использования систем, которые вообще не используют электричество, таких как жидкий кислород системы, подключенные к кислородным диффузорам, работающие только под давлением. Определяющим фактором для оксигенаторов с низкой головкой является относительно низкая концентрация растворенного раствора, которая может быть достигнута по сравнению с системами высокого давления. Чтобы преодолеть это ограничение, кислородные устройства с низким уровнем головы стратегически расположены для обработки полного рециркулирующего потока вместо использования меньшего объездного шунтирования сильно пересыщенной воды, обеспечивая тем самым достаточный массовый перенос кислорода. Использование устройств оксигенации, установленных в основном рециркуляционном потоке, обеспечивает экономию потребления электроэнергии, так как избежать использования энергоемких систем высокого давления, необходимых для достижения высоких концентраций DO в небольших потоках. Системы оксигенации с низким уровнем головы могут также уменьшить количество необходимых насосных систем, поскольку системы кислородающих под высоким давлением обычно размещаются на байпасе в трубопроводах, направляющихся в резервуары для рыбы. Напротив, кислородные устройства с низким уровнем головы, как правило, сравнительно крупнее, поскольку они нуждаются в обработке больших потоков, и, таким образом, их первоначальная стоимость может быть выше. Примерами устройств, которые могут обрабатывать весь поток, являются низкоголовый оксигенатор (LHO) (Wagner et al. 1995), управляемый методом гравитации, поскольку вода сначала закачивается в биофильтр и упакованную колонну (Summerfelt et al. 2004), низкоголовые кислородные конусы, варианты конуса Списа (Ashley et al. 2008; Timmons и др. Losordo 1994) работал при низком давлении, глубоких шахтных конусов (Kruger Kaldnes, Норвегия), также вариант конуса Speeece, предназначенный для достижения более высокого рабочего давления за счет повышения гидростатического давления в результате размещения устройств ниже, чем резервуары для рыбы и насосные отстойники, U-трубчатый оксигенатор и его конструктивные варианты, такие как трубка Farrell или запатентованная система кислорода (AquaMaOF, Израиль) и использование диффузного оксигенации в емкостях для глубоких рыб (рис. 3.5).

   

   Рис. 3.5 Альтернативы газопередачи для рециркуляции воды, возвращающейся в резервуары для рыбы. Если газоконтактный сосуд допускает давление, кислород может передаваться в высоких концентрациях в относительно небольших потоках высокого давления (a, b). Однако кислород при более низких концентрациях может передаваться в основной цикл рециркуляции, но для этого устройство для переноса кислорода должно быть намного больше, чтобы справиться с полным потоком системы (c)

   3.3.2 Альтернативы нитрифицирующей биофильтрации

   Хотя нитрифицирующие биофильтры по-прежнему являются основным коммерчески принятым методом удаления аммиака в коммерческих РАС, в последние годы были разработаны новые технологии удаления азота. Некоторые из этих технологий предусматривают альтернативные биологические пути удаления аммиака из культурной воды, в то время как другие нацелены на замену нитрифицирующих биофильтров или параллельную работу с ними, с тем чтобы уменьшить присущие им ограничения. К ним относятся большие размеры реакторов, устойчивость к сбоям, длительное время запуска и более низкая производительность как в холодной воде, так и в морских системах.

   Процессы на основе Anammox

   Альтернативным методом биологического удаления аммиака, рассматриваемым для РАС, является анаммокс (Tal et al. 2006), который происходит в анаэробных условиях. Анаэробное окисление аммиака представляет собой процесс, который устраняет азот путем сочетания аммиака и нитрита для производства азотного газа (van Rijn et al. 2006). Анаммокс-процесс представляет интерес для РАН, поскольку он позволяет полностью удалить автотрофный азот, в отличие от традиционных комбинаций нитрифицирующих биофильтров с гетеротрофическими денитрификационными системами, требующими добавления органического углерода (van Rijn et al. 2006). Кроме того, в анаммоксе только половина аммиака, выделяемого рыбой, аэробно окисляется до нитрита (требующего кислорода), а другая половина анаэробно преобразуется в азотный газ вместе с произведенным нитритом. Это может обеспечить экономию кислорода и энергии в РАС (van Rijn et al. 2006).

   Прототипы реакторов анаммокс были успешно продемонстрированы (Tal et al. 2006, 2009), в то время как в морских денитрификационных системах наблюдалась активность анаммокса (Klas et al. 2006). Европейский проект FP7 DEAMNRECIRC также успешно создал прототипы анаммокса реактора для применения в аквакультуре холодной воды и морской воды. Вместе с тем авторы пока не выявили коммерческого применения этой технологии.

   Химическое удаление аммиа

   В качестве альтернативы нитрифицирующим биофильтрам предлагаются системы удаления аммиака, основанные на ионообменных и электрохимических процессах окисления. Ионообменные процессы основаны на использовании адсорбционных материалов, таких как цеолиты или ионоселективные смолы, для извлечения растворенного аммиака из воды (Lekang 2013), в то время как процессы электрохимического окисления преобразуют аммиак в газ азота через ряд сложных реакций окисления (Lahav et al. 2015). Для сравнения, ионообменные процессы подходят для вод с низкой концентрацией ионов (например, пресноводных), в то время как процессы электрохимического окисления используют присутствующие в воде хлоридные ионы для получения активных видов хлора, которые легко реагируют с аммиаком (Lahav et al. 2015) и, таким образом, подходит для вод с более высокой концентрацией ионов хлорида (например, солоноватых и морских вод).

   Хотя ионообменные процессы не новы, их применение в РАС ограничено их способностью поддерживать производительность с течением времени: фильтрующий материал в конечном итоге становится «насыщенным», теряя адсорбционную способность и, следовательно, должен быть регенерирован. Гендель и Лахав (2013) предложил новый подход к ионообменному процессу аммиака в тандеме с инновационным процессом регенерации адсорбента с использованием электрохимического окисления. Электрохимическое окисление аммиака является процессом, которому в последние годы уделяется повышенное внимание, и было исследовано несколько концепций, которые были запущены на коммерческой основе, например, Eloxiras в Испании.

   Факторы, ограничивающие применение этих технологий в коммерческих РСБУ, включают в себя, в случае ионообменных процессов, низкие экономические показатели, сложность регенерации большого количества адсорбентных материалов по требованию (Lekang 2013), сложность системы, требующая добавления химических реагентов, высокий потребление электроэнергии и высокая степень удаления взвешенных твердых частиц (Lahav et al. 2015), что зачастую нецелесообразно в крупномасштабных РАС. В случае процессов электроокисления аммиака производство токсичных реактивных видов, требующих активного удаления, является их наиболее важным ограничением, хотя требования к контролю над твердыми веществами, которые часто возможны только с механическими фильтрами под давлением, также представляют собой проблему в РСО, работающих с большими потоками. и низкое давление.

   3.3.3 Управление тонкими твердыми веществами

   Мелкодисперсные твердые вещества являются доминирующей фракцией в RAS с частицами\ 30 мкм, образующими более 90% от общего количества взвешенных твердых веществ в воде культуры. Недавние исследования показали, что более 94% твердых веществ, присутствующих в культурной воде РАС, имеют размер\ <20 мкм или «мелкий» (Fernandes et al. 2015). Накопление мелкодисперсных твердых веществ происходит главным образом по мере того, как крупные твердые частицы обходят механические фильтры (которые не являются 100% эффективными) и в конечном итоге разрушаются насосами, трением с поверхностями и бактериальной активностью. Как только размеры твердых частиц уменьшаются, традиционные методы механической фильтрации оказываются бесполезными.

   В последние годы продолжается изучение воздействия на производство, контроль, благосостояние рыбы и эффективность системы мелкодисперсных твердых веществ. Воздействие мелкодисперсных твердых веществ на благосостояние рыб первоначально изучалось в рамках рыбопромысловых исследований (Chen et al. 1994). Вместе с тем до недавнего времени не было тщательно изучено прямое воздействие мелкодисперсных твердых веществ в РАС на благосостояние рыб. Удивительно, что отдельные работы по радужной форели, проведенные Becke et al. (2016) и Fernandes et al. (2015), не показали негативного воздействия на благосостояние систем с концентрацией взвешенных твердых веществ до 30 мг/л в испытаниях воздействия продолжительностью 4 и 6 недель, соответственно. Несмотря на эти выводы, косвенные эффекты накопления тонкодисперсных твердых веществ в РАС известны (Pedersen et al. 2017) и, как сообщается, связаны главным образом с распространением оппортунистических микроорганизмов (Vadstein et al. 2004; Attramadal et al. 2014; Pedersen et al. 2017), поскольку мелкие твердые вещества обеспечивают высокую поверхность область субстрата для бактерий, чтобы колонизировать. Другим важным негативным эффектом накопления мелкодисперсных твердых веществ является увеличение мутности, что затрудняет визуальный осмотр рыбы и может препятствовать осуществлению стратегий контроля фотопериода, которые требуют проникновения света в толщу воды. Стратегии борьбы с тонкими твердыми веществами, используемые в современных РАС, включают озонирование, обезживание белка, флоацию, фильтрацию картриджей и мембранную фильтрацию (Couturier et al. 2009; Cripps and Bergheim 2000; Summerfelt and Hochheimer 1997; Wold et al. 2014). Белковые скиммеры, также известные как фракционирующие пены, также являются относительно популярными устройствами контроля тонких твердых частиц, особенно в морских системах (Badiola et al. 2012).

   3.3.4 Озонирование

   Знания о применении озона (O<sub3/sub) в РАС существуют с 1970-х и 1980-х годов (Summerfelt and Hochheimer 1997). Однако его применение не столь широко распространено, как другие процессы, такие как нитрифицирующие биофильтры или механические фильтры (Badiola et al. 2012). Помимо обработки тонкодисперсных твердых веществ, озон в качестве мощного окислителя может использоваться в РАС для устранения микроорганизмов, нитритов и гуминовых веществ (Gonçalves and Gagnon 2011). В последние годы наблюдается расширение знаний о потенциалах и ограничениях озона, применяемых как в пресноводных, так и в морских РСБУ. Важно отметить, что дозы озона, которые можно безопасно достичь для улучшения качества воды как в пресноводных, так и в системах морской воды, были подтверждены в нескольких публикациях (Li et al. 2015; Park et al. 2013, 2015; Schroeder et al. 2011; Summerfelt 2003; Timmons and Ebeling 2010) с выводом о том, что дозы озона выше рекомендованных предельных значений (1) не улучшают качество воды и (2) могут привести к негативному воздействию на благосостояние, особенно в системах морской воды, где чрезмерное озонирование приведет к образованию токсичных остаточных оксидантов. В холодной воде РСО определены требования к озонированию для достижения полной дезинфекции технологического потока (Summerfelt et al. 2009).

   Озонирование улучшает работу микрофильтра и минимизирует накопление растворенного вещества, влияющего на цвет воды (Summerfelt et al. 2009).

   Однако чрезмерное озонирование может серьезно сказаться на выращиваемых рыбах, вызвав неблагоприятные последствия, включая гистопатологическое повреждение тканей (Richardson et al. 1983; Reiser et al. 2010) и изменения в питании (Reiser et al. 2010), а также окислительный стресс (Ritola et al. 2000, 2002; Livingstone 2003). Кроме того, побочные продукты озонирования могут быть вредными. Бромат является одним из них и потенциально токсичен. Tango and Gagnon (2003) показали, что в озонированных морских РАС концентрации бромата, которые могут ухудшить здоровье рыб. Reiser et al. (2011) исследовала хроническую токсичность сублетальных окислителей (ОПО) у ювенильного турбота, в то время как здоровье и благосостояние радужной форели были оценены в озонированных и неозонированных РАС методом Good et al. (2011). Выращивание радужной форели до размера рынка в озонированных РАС улучшило рыбу, не оказав существенного влияния на ее здоровье и благосостояние, в то время как высокие дозы ОПО влияют на благосостояние ювенильного турбота.

   3.3.5 денитрификация

   В большинстве рециркулирующих систем аквакультуры, как правило, накапливается нитрат, конечный продукт нитрификации. Такое накопление обычно контролируется путем разбавления (введения в систему новой воды). Контроль содержания нитратов путем разбавления может быть одним из факторов, ограничивающих операции РСО, в силу экологических норм, низкой доступности новой воды, затрат на очистку поступающей и сточной воды или расходов, связанных с охлаждением или нагревом новой воды.

   Биологическое удаление нитратов в РАС может быть достигнуто с помощью факультативных анаэробных бактерий с использованием диссходного пути преобразования нитратов в газ азота в присутствии углерода и нитратов в качестве электронных доноров (van Rijn et al. 2006). Таким образом, денитрификационные реакторы представляют собой биологические реакторы, которые обычно эксплуатируются в анаэробных условиях и, как правило, дозируются с помощью некоторых источников углерода, таких как этанол, метанол, глюкоза, меласса и т.д. Технология денитрификации разрабатывается с 1990-х годов (ван Рейн и Ривьера 1990), но его популярность среди рециркулирующей аквакультуры за последние годы только возросла, предлагая инновационные решения денитрификации реакторов.

   Одним из наиболее заметных видов применения систем денитрификации в аквакультуре является «нулевой обмен» РАН (Yogev et al. 2016), в которых используется анаэробное сбраживание биотвердых веществ, производимых в системе, для получения летучих жирных кислот (VFA), которые затем используются денитрификаторами в качестве источника углерода. Компания Klas at al. (2006) разработала «синглслойную» денитрификационную систему, где производство VFA из биотвердых веществ и денитрификация происходит в одном смешанном реакторе. Suhr et al. (2014) дополнительно разработали концепцию singlesludge, адаптировав ее к очистке сточных вод в конце производственного цикла и добавив дополнительный шаг, отделяющий производство VFA от денитрификационного реактора в гидролизном резервуаре. Эти работы позволили получить ценную информацию о возможностях использования аквакультурных биотвердых веществ вместо дорогостоящих источников неорганического углерода для денитрификации. Кроме того, Christianson et al. (2015) изучили эффективность автотрофных денитрификационных реакторов на основе серы в качестве альтернативы традиционным гетеротрофным денитрификационным реакторам. Автотрофические реакторы производят меньше биомассы (твердых веществ) и могут поставляться частицами серы, которые дешевле обычных неорганических источников углерода.

   УФАС также являются прекурсором в производстве биополимеров, таких как полигидроалканоаты (ПИ), которые используются для производства биоразлагаемых пластмасс (Pittmann and Steinmetz 2013). Это может позволить рыбным хозяйствам, использующим анаэробные активированные процессы ила, стать частью концепции «биоперерабатывающего завода», применяемой к очистным сооружениям сточных вод.

   3.3.6 Микробное управление

   Микробные сообщества являются важными составляющими водной экосистемы. В системах производства аквакультуры они играют важную роль в рециркуляции питательных веществ, деградации органического вещества и лечении и борьбе с болезнями (Zeng et al. 2017). Разработка эффективных, продуктивных, биологически безопасных и безболезненных РАС требует глубокого понимания всех процессов жизнеобеспечения, начиная с физических и химических процессов (газоперенос, термическая обработка, озонирование, УФ-облучение, pH и соленость) и заканчивая биологическими процессами (нитрификация, денитрификация и аэробной гетеротрофической активности). В то время как физические и химические процессы могут контролироваться, системы биологической фильтрации зависят от взаимодействия микробных сообществ друг с другом и их окружающей средой в результате поступления питательных веществ (выход рыбных отходов) и, как таковые, контролируются не так легко (Schreier et al. 2010). Недавние исследования с использованием молекулярных инструментов не только позволили оценить микробное разнообразие в РАС, но и дали некоторое представление об их деятельности, что должно привести к лучшему пониманию взаимодействия микробных сообществ. Эти подходы, несомненно, обеспечат новые процедуры РСБУ, а также понимание новых процессов и инструментов для совершенствования и мониторинга этих систем (Schreier et al. 2010). Современное понимание разнообразия микробных биофильтров RAS как в пресноводных, так и морских системах основано на исследованиях с использованием 16S рРНК и функциональных генноспецифических зондов или 16S брНК генов, а не культурных методов (табл. 3.1).

   Информации о временной и пространственной динамике микробиоты в РАС также по-прежнему ограничены (Schreier et al. 2010), и отсутствуют потенциальные решения для поддержания или восстановления полезных микробных сообществ в РАС (Rurangwa and Verdegem 2015). Помимо микробного сообщества, которое очищает воду, микробиота в РАС может также содержать патогенные микроорганизмы или вырабатывать неароматизированные соединения (Guttman and van Rijn 2008). Учитывая сложность лечения болезни во время операции без негативного воздействия на полезную микробиоту, управление микробными препаратами в РАС является скорее необходимостью от запуска до всего производственного процесса. Микроорганизмы вводятся в РАС различными путями: вода для макияжа, воздух, переносчики животных, корма, рыбные запасы, грязное оборудование, а также через персонал или посетителей (Sharrer et al. 2005; Blancheton et al. 2013). С другой стороны, специфические микробы могут также применяться намеренно, чтобы направить микробную колонизацию в целях улучшения функционирования системы или здоровья животных (Rurangwa and Verdegem 2015).

   ** Таблица 3.1** Основные виды деятельности, связанные с установками биофильтрации РАС и участвующими микроорганизмами. (Из Шрайера и др. 2010 года)

   стол тхед tr class="заголовок» Тепроцесс/г Трёхдействия/ч th colspan="2"Микроорганизм/г /tr tr td/td td/td TDпресная вода/TD TDMarine/TD /tr /thead tbody tr class="даже» TDnitrification/TD td/td td/td td/td /tr tr class="нечетный» Окисление Tdammoniam/td td NHSub4/Subsup+/SUP + 1.5OSub2/Sub → νOSub2/Sub + 2HSUP+/SUP + HSub2/субо /td TDinitrosomonas олиготрофа/i/td ТДИНИТРОСОМОНАС sp. /i/td /tr tr class="даже» td/td td/td td/td TDinitrosomonas криотолеранты/i/td /tr tr class="нечетный» td/td td/td td/td TDinitrosomonas Европая/i/td /tr tr class="даже» td/td td/td td/td TDinitrosomonas циннибус/нитроза/i/td /tr tr class="нечетный» td/td td/td td/td TDinitrosococcus mobilis/i/td /tr tr class="даже» Окисление TdNitrit/td td νO2sup-/SUP + H2O → No3sup-/SUP + 2HSUP+/SUP + 2ESUP -/sup

   /td ТДинитроспира spp. /i/td td/td /tr tr class="нечетный» td/td td/td TДинитроспира марина/исупа/суп/td TДинитроспира марина/исупа/суп/td /tr tr class="даже» td/td td/td ТДИНИТРОСПИРА МОСКВАЕНСИ/ИСУПА/СУП/ТД ТДИНИТРОСПИРА МОСКВАЕНСИ/ИСУПА/СУП/ТД /tr tr class="нечетный» ТДденитрификация/ТД td/td td/td td/td /tr tr class="даже» Tdautotrophic/TD td SSub2/Subsup-/SUP + 1.6NoSub3/Subsup-/SUP + 1.6Hsup +/sup

   → /td td/td Тдитиомикроспория денитрификации/i/td /tr tr class="нечетный» td (зависящий от сульфида) /td td SOSub4/Subsup2-/SUP + 0.8NSub2/Sub (г) + 0.8Hsub2/субо /td td/td Тдитиотрикс ученик/исупа/суп/td /tr tr class="даже» td/td td/td td/td TdirhodoBacter литоралис/исупа/суп/td /tr tr class="нечетный» td/td td/td td/td Тдигидрогенофага sp. /i/td /tr tr class="даже» TDHeterotrophic/TD td 5ЧСуб3/Подкуп-/SUP + 8NOSub3/Субсуп-/SUP + 3Hsup +/sup

   → /td td/td TDipseudomonas флуоресцены/i/td /tr tr class="нечетный» td/td td 10HCOSub3/субсуп-/SUP + 4NSub2/суб (г) + 4Hsub2/субо /td ТДИПСЕВДОМОНАС sp. /i/td TDipseudomonas стутцери/i/td /tr tr class="даже» td/td td/td ТДИКОМАМОНАС sp. /i/td ТДИПСЕВДОМОНАС sp. /i/td /tr tr class="нечетный» td/td td/td td/td TDiparaCobs денитрификации/i/td /tr tr class="даже» TDDissabilatory нитрат/td td NoSub3/субсуп-/SUP + 2HSUP+/SUP + 4Hsub2/Sub → NHSub4/субсуп+/SUP + 3Hsub2/субо /td td/td TDiРазличные Протеобактерии и Фирмикуты/I/TD /tr tr class="нечетный» TdReduction в аммиак (DNRA) /td td/td td/td td/td /tr tr class="даже» Тданаэробный аммий/td td NHSub4/Subsup+/SUP + NoSub2/Subsup-/SUP → NSub2/sub (g) + 2Hsub2/субо /td td/td TDiplanctomycetes spp. /i/td /tr tr class="нечетный» tdoxidation (анаммокс) /td td/td td/td ТДиброкадия sp. /isupa/sup/td /tr tr class="даже» Уменьшение TDсульфата/td td SO4sup2-/SUP + ЧSub3/SubCoosup-/SUP + 3HSUP+/SUP → /td td/td ТдидесульфоВибрио sp. , /i/td /tr tr class="нечетный» td/td TDHSSUP-/SUP + 2HCOSub3/субсуп-/SUP + 3HSUP+/Sup/TD td/td ТдидетиосульфоВибрио sp. , /i/td /tr tr class="даже» td/td td/td td/td TДифузибактер/I sp., Ibacteroides sp. /i/td /tr tr class="нечетный» Окисление TDсульфида/td td HSSUP-/SUP + 2OSub2/Sub → SOSub4/Subsup2-/SUP + HSUP+/SUP /td td/td Тдитиомикроспира sp. /i/td /tr tr class="даже» TDметаногенези/TD td 4Hsub2/Sub + HSUP+/SUP + HCOSub3/Subsup-/SUP → CHSub4/sub (г) + 3Hsub2/субо /td td/td TDМетаногенная архея [Мирзоян и Гросс, не опубликовано] /td /tr /tbody /таблица

   Супмикроорганизмы, идентифицированные исключительно на основе частичного гена 16S РРНК или функциональных генов

   Одним из подходов к ингибированию колонизации патогенов является использование пробиотических бактерий, которые могут конкурировать за питательные вещества, вырабатывать ингибиторы роста, или, успокаивая связь клеточка-клетки (зондирование кворума), позволяющая оседать в биопленках (Defoirdt et al. 2007, 2008; Kesarcodi-Watson et al. 2008). Пробиотические бактерии включают Bacillus, Pseudomonas (Kesarcodi-Watson et al. 2008) и Roseobacter spp. (Bruhn et al. 2005), и связанные с ними бактерии также были выявлены в биофильтрах RAS (Schreier et al. 2010) (таблица 3.1). Для получения информации, необходимой для управления микробной стабильностью в РАН, Rojas-Tirado et al. (2017) определили факторы, влияющие на изменение динамики бактерий с точки зрения их обилия и активности. Их исследования показывают, что активность бактерий не была простым предсказуемым параметром в водной фазе, так как уровни нитрата-N в одинаковых РАС показали неожиданные внезапные изменения/колебания в одной из систем. Подвесные частицы в RAS обеспечивают площадь поверхности, которая может быть колонизирована бактериями. Больше частиц накапливается по мере увеличения интенсивности рециркуляции, тем самым потенциально увеличивая бактериальную способность систем. Pedersen et al. (2017) исследовали взаимосвязь между общей площадью поверхности частиц (TSA) и бактериальной активностью в пресноводных РАС. Они указывают на сильную, положительную, линейную корреляцию между ТСА и бактериальной активностью во всех системах с низкой и умеренной интенсивностью рециркуляции. Однако связь, видимо, перестала существовать в системах с самой высокой интенсивностью рециркуляции. Это, вероятно, связано с накоплением растворенных питательных веществ, поддерживающих свободноживущие бактериальные популяции, и/или накоплением взвешенных коллоидов и мелких частиц диаметром менее 5 мкм, которые не были охарактеризованы в их исследовании, но могут обеспечить значительную площадь поверхности.

   В РАС различные химические соединения (в основном нитраты и органический углерод) накапливаются в подпитывающей воде. Эти химические субстраты регулируют экофизиологию бактериальных сообществ на биофильтре и влияют на его эффективность и надежность нитрификации. Michaud et al. (2014) исследовали смещение структуры бактериального сообщества и относительное изобилие основных таксонов в двух различных биологических фильтрах и пришли к выводу, что динамика и гибкость бактериального сообщества для адаптации к влиятельным изменениям воды, по-видимому, связаны с характеристиками биофильтра. Одним из ключевых аспектов повышения надежности и устойчивости РАС является надлежащее управление бактериальными популяциями биофильтра, что напрямую связано с наличием C (углерода) (Avnimelech 1999). Следует отметить, что РАС обладают свойствами, которые могут реально способствовать стабилизации микробов, включая длительное время удержания воды и большую площадь поверхности биофильтров для роста бактерий, что потенциально может ограничить вероятность распространения оппортунистических микробов в подпитывающей воде ( Аттрамадаль и др. 2012а).

   Attramadal et al. (2012a) сравнили развитие микробного сообщества в РАС с умеренным озонированием (до 350 мВ) с развитием обычной проточной системы (ФСТ) для той же группы атлантической трески Gadus morhua. Они обнаружили меньшую изменчивость бактериального состава между репликационными аквариумами РАН, чем между танками ФТС. В РАН была более ровная микробная структура сообщества с более высоким видовым разнообразием и периодически более низкой долей оппортунистов. Рыба в РАС работала лучше, чем контроль в ФСТ, несмотря на то, что подверглась явному низкому физико-химическому качеству воды. Изучая влияние умеренного озонирования или высокоинтенсивного ультрафиолетового облучения на микробную среду в РАС для личинок морских рыб, Attramadal et al. (2012b) подчеркнули, что РАС для таких личинок, вероятно, не должен включать сильную дезинфекцию, поскольку это приводит к снижению бактериальных показателей, что может привести к дестабилизации микробного сообщества. Кроме того, их результаты подтверждают гипотезу РАН как стратегии микробного контроля при первом кормлении личинок рыб.

   RAS и микробное созревание как инструменты K-отбора микробных сообществ были предметом исследования Attramadal et al. (2014), в котором они предположили, что личинки рыб, выращенные в воде, где доминируют K-стратеги (зрелые микробные сообщества), будут работать лучше, потому что они менее вероятны для обнаружения оппортунистических (R-выбранных) микробов и развития пагубных взаимодействий между хостом и микробами. Результаты их эксперимента показали высокий потенциал повышения выживаемости рыб с помощью К-селекции бактерий, что является дешевым и легким методом, который может быть использован во всех видах новых или существующих аквакультурных систем. Небольшие изменения в управлении (органическая нагрузка и созревание воды) водоочистки дают значительно разную микробиоту в емкостях для рыб (Attramadal et al. 2016). С другой стороны, гуминовые вещества (HS) являются натуральными органическими соединениями, состоящими из широкого спектра пигментированных полимеров с высоким органическим весом. Они являются конечными продуктами при разложении сложных органических соединений и, при изобилии, образуют типичный коричнево-темно-бурый цвет почвы и воды (Stevenson 1994). В системе аквакультуры с нулевым выбросом вещества, подобные HS-образным веществам, были обнаружены в культурной воде, а также в крови рыб (Yamin et al. 2017a). Сообщалось о защитном воздействии ГС на рыбу, подверженную воздействию токсичных металлов (Peuranen et al. 1994; Hammock et al. 2003) и токсичных концентраций аммиака и нитритов (Meinelt et al. 2010). Кроме того, были представлены доказательства их фунгистатического воздействия на возбудитель рыбы, Saprolengia parasitica (Meinelt et al. 2007). У карпа (Cyprinus carpio), подверженного воздействию а) насыщенной влажностью воды и ила из рециркулирующей системы, b) синтетической гуминовой кислоты и с) гуминового экстракта леонардита, уровень инфицирования снижен до 14,9%, 17,0% и 18,8% соответственно по сравнению с 46,8% инфекцией в системе контроля лечение (Ямин и др. 2017b). Аналогичным образом, воздействие гуппи-рыбы (Poecilia reticulata), зараженной моногеной Gyrodactylus turnbulli и Dactylogyrus sp., на богатую гумическими культурами воду и корм, снизило как распространенность инфекции (% зараженной рыбы), так и интенсивность инфекции (паразитов на одну рыбу на рыбу) двух паразитов (Yamin et сол. 2017c).

   Считается, что фундаментальные исследования в области микробной экологии реакторных систем нитрификации/денитрификации в РАН могут привести к инновациям, которые могут кардинально изменить и/или улучшить характеристики реактора в РАН. До сих пор микробное сообщество в реакторах по-прежнему трудно контролировать (Leonard et al. 2000, 2002; Michaud et al. 2006, 2009; Schreier et al. 2010; Rojas-Tirado et al. 2017), и многие недостатки системы проистекают из этого (Martins et al. 2010b).

   3.7 Энергоэффективность

   Экономическая жизнеспособность рыбного производства в рециркулирующей системе аквакультуры частично зависит от минимизации энергетических потребностей эксплуатируемых объектов. RAS требует более высокой технической инфраструктуры, чем открытые системы, поэтому затраты на энергию в RAS уже были оценены в качестве основных ограничений, которые могут помешать этой технологии широко применять (Singh and Marsh 1996). Из всех расходов, связанных с использованием электроэнергии в РАУ, наиболее важными являются вентиляция и водяное охлаждение. В помещениях RAS вентиляция зданий имеет важное значение для контроля влажности и уровня углекислого газа. Низкий контроль влажности может привести к быстрому ухудшению строительных конструкций, а накопление углекислого газа в атмосфере повлияет на процессы очистки углекислого газа, действующие в РСО, и вызвать головокружение рабочих. Для поддержания приемлемой атмосферы внутри объектов широко используются установки вентиляции или кондиционирования воздуха (Gehlert et al. 2018). Эти вентиляционные системы могут быть оснащены мерами по сокращению потребления энергии. Кроме того, для разработки экологически устойчивой РСБУ одним из ключевых движущих параметров может считаться энергия, и, в частности, энергия может рассматриваться в качестве важного показателя. Анализ энергетической эффективности РАН был проведен Kucuk et al. (2010) с целью внесения вклада в энергетическое управление РАН. В целях повышения энергетических характеристик РСУ было рекомендовано оптимизировать и улучшить условия работы компонентов, в частности, насосы с учетом рыбопромысловой мощности системы.

   Для повышения эффективности менеджерам RAS необходимы руководящие принципы и инструменты для оптимизации производства. Энергоаудит может предоставить реальные данные, которые могут быть использованы для принятия решений. Badiola et al. (2014) исследовали общее потребление энергии (кВтч) системы RAS трески непрерывно в течение 14 месяцев и определили, что тепловой насос является основным потребителем энергии для выращивания рыбы, требующей термической обработки с высокой температурой воды. Gehlert et al. (2018) пришли к выводу, что вентиляционные установки обладают значительным потенциалом для экономии энергии в РАН. В большинстве случаев, когда климатические параметры объекта остаются в пределах желаемого диапазона, расход воздуха может поддерживаться на низких уровнях для экономии энергии. Кроме того, энергосберегающие меры в РСБУ могут включать: программное обеспечение с данными об энергетической эффективности, альтернативные источники энергии для нагрева воды и использование частотных преобразователей (Badiola et al. 2014).

4. 3.4 Вопросы защиты животных

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

   3.4.1 Введение

   В течение последнего десятилетия благосостояние рыбы привлекло большое внимание, и это привело к тому, что аквакультура внедрила ряд методов и технологий в области животноводства, специально разработанных для улучшения этого аспекта. Неокортекс, который у человека является важной частью нейронного механизма, порождающего субъективный опыт страданий, отсутствует у рыб и немлекопитающих животных, и утверждалось, что его отсутствие в рыбе указывает на то, что рыба не может страдать. Однако сильная альтернативная точка зрения заключается в том, что сложные животные со сложным поведением, такие, как рыба, вероятно, обладают способностью к страданиям, хотя это может отличаться по степени и виду от человеческого опыта этого штата (Huntingford et al. 2006).

   Комитет по защите сельского хозяйства и животных правительства Великобритании (FAWC) основывал свои руководящие принципы на системе «Пять свобод», которая определяет идеальные государства, а не конкретные уровни приемлемого благосостояния (FAWC 2014). Свобода от голода и жажды, дискомфорта, боли, травм, болезней, страха и страданий, а также свобода выражать нормальное поведение обеспечивают нам определенные рамки для оценки вопросов благосостояния. Физическое здоровье является наиболее общепризнанной мерой благосостояния и, несомненно, необходимым условием хорошего благосостояния. В конкурентоспособной, расширяющейся и развивающейся отрасли аквакультуры, которые учитывают соображения благосостояния в своей повседневной практике земледелия, могут получить конкурентное преимущество и надбавку к цене (Olesen et al. 2010) за счет улучшения восприятия потребителями своей продукции и уверенности в ней. Grimsrud et al. (2013) представили доказательства того, что среди всех норвежских домашних хозяйств существует высокая готовность платить за улучшение благосостояния выращиваемого атлантического лосося за счет повышения устойчивости к болезням и лососевым вшей, что может означать меньшее использование лекарственных средств и химических веществ в производственном процессе.

   В интенсивных РАС благосостояние животных тесно связано с производительностью систем. В течение последних нескольких лет благосостояние животных в РАС изучалось в основном с точки зрения влияния качества воды и толпы рыб на показатели роста, стрессовых биоиндикаторов или развития расстройств здоровья. Основной целью исследований в области охраны здоровья животных в РАН является создание и эксплуатация систем, которые максимизируют производительность и минимизируют стресс и смертность. Темами, представляющими интерес, являются предельные значения плотности запаса (Calabrese et al. 2017), предельные значения концентрации азотных соединений в подпитывающей воде (Davidson et al. 2014), предельные значения концентрации растворенного углекислого газа (Good et al. 2018), последствия озонирования (Good et al. 2011; Reiser et al. 2011) и др. в меньшей степени, накопление несильнодействующих соединений в РАС (ван Рейн и Нуссинович 1997) с ограниченными водными обменами и шумом (Martins et al. 2012; Davidson et al. 2017).

   

   Рис. 3.6 Физические, химические и другие воспринимаемые факторы стресса могут влиять на рыбу и вызывать первичную, вторичную и/или реакцию всего организма. (После Бартона 2002)

   3.4.2 Напряжение

   Реакция на стресс у рыб является адаптивной функцией перед лицом воспринимаемой угрозы гомеостазу, а физиология стресса не обязательно равнозначна страданиям и снижению благосостояния (Эшли 2007) (Рис. 3.6). Стрессовые реакции служат очень важной функцией для сохранения личности. Таким образом, меры социального обеспечения в аквакультуре в значительной степени связаны с третичным воздействием стресса, которое, как правило, свидетельствует о длительном, повторяющемся или неизбежном стрессе (Conte 2004).

   Плотность залегания является ключевым фактором, влияющим на благосостояние рыб в аквакультуре, особенно в РАС, где высокая плотность в замкнутых средах направлена на высокую продуктивность. Хотя плотность выпаса редко определяется, обычно используется для обозначения веса рыбы на единицу объема или на единицу объема в единицу времени потока воды через удерживающую среду (Ellis et al. 2001). Концепция минимального пространства для рыбы является более сложной, чем для наземных видов, поскольку рыбы используют трехмерную среду (Conte 2004).

   Помимо обеспечения физиологических потребностей, FAWC (2014) рекомендует, чтобы рыба «нуждалась в достаточном пространстве, чтобы показать нормальное поведение с минимальными болями, стрессом и страхом». Таким образом, плотность залов является районом, который иллюстрирует как значение видовых различий, так и наличие сложной сети взаимодействующих факторов, влияющих на благосостояние рыб. Calabrese et al. (2017) исследовали предельные значения плотности запаса для постсмолтового атлантического лосося (Salmosalar L.) с акцентом на производительность и благосостояние производства, при которых при плотности запаса 100 кг мсуп-3/суп и выше наблюдались повреждения плавников и катаракты. Однако влияние плотности залегания на показатели благосостояния варьируется в зависимости от вида. Например, сибас (Dicentrarchus labrax) показал более высокий уровень стресса при высокой плотности, о чем свидетельствуют кортизол, врожденный иммунный ответ и экспрессия генов, связанных со стрессом (Vazzana et al. 2002; Gornati et al. 2004). Высокая плотность чулок у ювенильного морского леща (* S. aurata*) также порождает хроническую стрессовую ситуацию, отраженную высоким уровнем кортизола, иммуносупрессией и измененным метаболизмом (Montero et al. 1999). В отличие от этого, арктический чарр (Salvelinus alpinus) хорошо питается и растет, когда запасы имеют высокую плотность, при этом наблюдается подавление потребления пищи и темпов роста при низких плотностях (Jorgensen et al. 1993).

   Диета также может играть важную роль в чувствительности к стрессу. Африканский сом (Clarias gariepinus), получающий диету с высокой добавкой аскорбиновой кислоты (витамин С) на раннем этапе развития, показал более низкую стрессовую чувствительность (Merchie et al. 1997). С другой стороны, карп обыкновенный (Cyprinus carpio), питаемый большими дозами витамина С, показал более выраженный кортизол (стероидный гормон, высвобождаемый при стрессе) увеличение в ответ на стресс по сравнению с рекомендуемыми уровнями витамина для рыб (Dabrowska et al. 1991). Cort et al. (2004) показали, что модифицированная диета, обеспечивающая дополнительную дозировку витаминов и микроминералов, помогающих иммунной системе, может помочь уменьшить некоторые последствия синдрома зимней болезни. Другие распространенные заболевания аквакультуры, касающиеся благополучия животных и стресса, рассматриваются в Ashley (2007).

   3.4.3 Накопление веществ в технологической воде

   Интенсивная и «нулевая разрядка» РСБУ обеспечивают значительные экологические преимущества. Однако при выращивании рыбы в постоянно рециркулируемой воде возникает вопрос о том, могут ли вещества, выделяемые рыбой в воду, накапливаться, что приводит к снижению темпов роста и ухудшению благосостояния. Martins et al. (2010a) исследовали существование замедления роста при тилапии Нила (Oreochromis niloticus) путем сравнения роста, кормления и стрессовой реакции рыб, выращиваемых в РАС, с различными уровнями накопленных веществ (TAN, NOSub2/Subn и NOSub3/Subn, ортофосфат-P) . Результаты показали, что у крупных особей наблюдалась тенденция к замедлению роста в наибольшем накоплении РАС, в то время как мелкие особи, напротив, выглядят лучше в таких системах, исходя из высокого уровня глюкозы в крови в качестве стрессового показателя. Аналогичное исследование, проведенное тем же автором по эмбрионам и личинкам карпа (Martins et al. 2011), показало, что концентрация веществ (ортофосфат-Р, нитрат, мышьяк и медь) может повлиять на развитие. Несмотря на эти выводы, авторы утверждают, что в целом процентная доля смертей и деформаций, зарегистрированных в исследовании, была относительно низкой по сравнению с другими исследованиями. В обоих исследованиях авторы использовали системы с очень ограниченным обменным курсом воды с помощью денитрификационных реакторов (30 литров новой воды на кг корма в сутки). Аналогичным образом, накопление гормонов в холодной воде лососевых РАН исследовано Good et al. 2014, 2017). Их исследования в 2014 году не выявили взаимосвязи между обменным курсом воды и накоплением гормонов (за исключением тестостерона) и связи между накоплением гормонов и преждевременным созреванием атлантического лосося, но было предложено продолжить исследование. Их исследование в 2017 году было сосредоточено на использовании озонирования для восстановления гормонов в тех же РАС, с неубедительными результатами относительно накопления стероидных гормонов, но с положительным снижением эстрадиола озоном.

   С другой стороны, накопление гуминовых веществ в «нулевом обмене» РАН показало, что оказывает защитное действие против бактериальных инфекций (Yamin et al. 2017a) и эктопаразитов (Yamin et al. 2017b). Было также показано, что гуминовые кислоты снижают токсичность аммиака и нитритов (Meinelt et al. 2010). Это имеет последствия для RAS, эксплуатируемых с озонированием, поскольку озон может улучшить качество воды, жертвуя, по-видимому, благотворным воздействием гуминовых веществ.

   3.4.4 Здоровье и поведение

   Основополагающими характеристиками хорошего благосостояния являются хорошее здоровье и отсутствие болезней, а в аквакультуре - высокая производительность (Turnbull and Kadri 2007; Volpato et al. 2007). Хотя физическое здоровье животного имеет основополагающее значение для хорошего благосостояния (Ashley 2007; Duncan 2005), тот факт, что животное является здоровым, не обязательно означает, что его благосостояние является адекватным. Таким образом, благосостояние является более широкой и всеобъемлющей концепцией, чем концепция здоровья. Физиологические и поведенческие меры неразрывно связаны между собой и зависят друг от друга в плане правильного толкования вопросов благосостояния (Dawkins 1998).

   Поведение животных, и в нашем случае рыбы, представляет собой реакцию на окружающую среду, поскольку рыба воспринимает ее, и поэтому поведение является ключевым элементом благосостояния рыб. Изменения в кормовом поведении, активности жаберной вентиляции, агрессивности, индивидуальном и групповом плавании, стереотипном и аномальном поведении связаны с острыми и хроническими стрессами в аквакультуре и поэтому могут рассматриваться как вероятные показатели низкого благосостояния (Martins et al. 2011). Поведенческие показатели благосостояния имеют преимущество в том, что они быстры и легко наблюдаются и поэтому являются хорошими кандидатами для использования «на ферме». Примерами поведения, которое обычно используется в качестве показателя благосостояния, являются изменения в предвкусительном поведении пищи, потреблении кормов, активности плавания и интенсивности вентиляции (Huntingford et al. 2006). Тем не менее, Barreto and Volpato (2004) предостерегают использование частоты вентиляции в качестве показателя стресса у рыб, поскольку, хотя частота вентиляции является очень чувствительной реакцией на нарушение, она имеет ограниченное применение, поскольку не отражает тяжесть стимула.

   3.4.5 Шум

   Рыба выращивается в течение длительных периодов времени в одних и тех же резервуарах одного цвета и той же формы и подвергается одинаковым, потенциально вредным фоновым шумам (Martins et al. 2012). Интенсивные системы аквакультуры и особенно рециркуляционные системы используют такое оборудование, как аэраторы, воздушные и водяные насосы, воздуходувки и системы фильтрации, которые непреднамеренно повышают уровень шума в резервуарах для рыбной культуры. Уровни звука и частоты, измеряемые в интенсивных системах аквакультуры, находятся в диапазоне слуха рыб, однако специфические виды воздействия шума, производимого аквакультурой, четко не определены (Davidson et al. 2009).

   В исследовании Bart et al. (2001) установлено, что средние уровни широкополосного звукового давления (SPL) различаются в различных системах интенсивной аквакультуры. В его исследовании уровень звука 135 дБ ре 1 мкПа измерялся в земляном пруде вблизи действующего аэратора, в то время как в больших емкостях из стекловолокна (диаметр 14 м) в рамках рециркулирующей системы наибольшее количество SPL составляет 153 дБ ре 1 мкПа.

   Полевые и лабораторные исследования показали, что интенсивный звук может негативно сказаться на поведении и физиологии рыб. Terhune et al. (1990) наблюдали снижение темпов роста и смолтификации атлантического лосося, Salmo salar, в емкостях из стекловолокна, уровень шума которых под водой на 2—10 дБ re на 1 мкПа выше на 100—500 Гц, чем в бетонных резервуарах. Поэтому хроническое воздействие шума, производимого аквакультурой, может привести к усилению стресса, снижению темпов роста и эффективности конверсии кормов и снижению выживаемости. Тем не менее, Davidson et al. (2009) обнаружили, что после 5 месяцев воздействия шума не было выявлено существенных различий между обработками средней массы, длины, удельных темпов роста, фактора состояния, конверсии корма или выживаемости радужной форели, Oncorhynchus mykiss. Аналогичные выводы описаны в Wvysocki et al. (2007). Однако эти выводы не следует обобщать по всем культивированным видам рыб, поскольку многие виды, включая сома и карповые, обладают гораздо большей чувствительностью к слуху, чем радужная форель, и на них может поразному влиять шум. Например, Papoutsoglou et al. (2008) представили первоначальные доказательства того, что передача музыки в конкретных условиях выращивания может оказывать усиливающее воздействие на показатели роста S. aurata, по крайней мере, на конкретные размеры рыб. Кроме того, наблюдаемое музыкальное воздействие на некоторые аспекты физиологии рыб (например, пищеварительные ферменты, состав жирных кислот и нейротрансмиттеры мозга) предполагает, что определенная музыка может обеспечить еще большее повышение роста, качества, благосостояния и производства.

5. 3.5 Проблемы масштабируемости в RAS

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

   РСБУ — это капиталоемкие операции, требующие высоких финансовых затрат на оборудование, инфраструктуру, системы очистки сточных вод, проектирование, строительство и управление. После строительства фермы RAS требуется также оборотный капитал, пока не будут достигнуты урожаи и успешные продажи. Оперативные расходы также являются значительными и в основном состоят из постоянных расходов, таких как арендная плата, проценты по кредитам, амортизация и переменные издержки, такие как корма для рыбы, семена (мальчики или яйца), рабочая сила, электроэнергия, технический кислород, рН буферы, электроэнергия, продажа/маркетинг, эксплуатационные расходы и т.д.

   При сравнении производительности и экономики РСБУ неизменно будет конкурировать с другими формами рыбного производства и даже с другими источниками производства белка для потребления человеком. Такая конкуренция, скорее всего, окажет понижательное давление на цену продажи рыбы, которая, в свою очередь, должна быть достаточно высокой, чтобы сделать бизнес РСБУ прибыльным. Как и в других формах производства аквакультуры, достижение более высокой экономии за счет масштаба, как правило, является способом снижения себестоимости продукции и, таким образом, получения доступа на рынки. Ниже приводятся некоторые примеры сокращения производственных издержек, которые могут быть достигнуты с помощью более крупных предприятий:

   1. Снижение транспортных расходов на сыпучие заказы кормов, химикатов, кислорода.

   2. Скидки на покупку большего количества оборудования.

   3. Доступ к промышленным тарифам на электроэнергию

   4. Автоматизация сельскохозяйственных процессов, таких как мониторинг и контроль процессов, кормление, сбор урожая, убой и переработка.

   5. Максимизация использования рабочей силы: для ухода за 10 тоннами рыбы необходима такая же рабочая сила, как и для ухода за 100 тоннами рыбы.

   После увеличения экономии за счет эффекта масштаба в секторе чистой аквакультуры в настоящее время разрабатываются более крупные РСБУ по масштабам, которые не рассматривались десять лет назад. В последнее десятилетие строились объекты с производственными мощностями тысяч тонн в год, и такое увеличение размеров объектов РСБУ несет с собой новые технические задачи, которые рассматриваются в следующем разделе.

   3.5.1 Гидродинамика и водный транспорт

   Надлежащий контроль за гидродинамическими условиями в емкостях для рыбы имеет важное значение для обеспечения равномерного качества воды и адекватного перемещения твердых веществ к выходам резервуаров (Masaló 2008; Oca and Masalo 2012). Резервуары, которые не способны достаточно быстро промывать метаболиты, будут иметь меньшую грузоподъемность. Обеспечение надлежащих гидродинамических характеристик в емкостях для рыб является важной темой исследований в области аквакультуры, которая помогла промышленности проектировать и эксплуатировать резервуары различной формы и размеров. Однако увеличение размеров резервуаров, используемых в коммерческих РСБУ, ставит перед проектировщиками и операторами новые инженерные задачи. В настоящее время проводятся исследования по оптимизации гидродинамических характеристик больших восьмиугольных резервуаров, используемых для производства смольта лосося (Gorle et al. 2018), путем изучения влияния биомассы рыбы, геометрии и входных и выходных структур в крупных резервуарах, используемых на норвежских смольтовых установках. Аналогичным образом, Summerfelt et al. (2016) выявила тенденцию к снижению скорости загрузки кормов на единицу расхода в современных резервуарах по сравнению с резервуарами, построенными более десяти лет назад на норвежских смольтовых установках. Снижение нагрузки подачи эффективно приводит к улучшению качества воды в резервуарах, поскольку рециркулирующая вода обрабатывается более быстрыми темпами, предотвращая накопление метаболитов и истощение кислорода в резервуаре еще больше по сравнению с более старыми резервуарами, работающими при более высокой нагрузке на подачу. Будущая работа, вероятно, позволит получить больше информации о гидродинамике резервуаров объемом более 1000 мсуп3/суп. Другими примерами огромных цистерн, которые в настоящее время используются, являются танки, используемые в системах RAS 2020 (Крюгер, Дания) или концепция Niri (Нири, Норвегия). Принятие этих новых концепций с использованием более крупных резервуаров будет играть жизненно важную роль в их рентабельности до тех пор, пока будут достигнуты надлежащие гидродинамические условия.

   3.5.2 Риск потери акций

   В РСБУ интенсивные условия выращивания могут привести к внезапной и катастрофической потере рыбы, если система выйдет из строя. Источниками отказа системы могут быть механические неисправности насосных систем и оборудования RAS, перебои в электроснабжении, потеря кислородных/аэрационных систем, накопление и высвобождение сероводорода, эксплуатационные аварии и многое другое. Эти риски и связанные с ними решения должны быть определены и включены в оперативные процедуры.

   Увеличение масштабов операций РСБУ может также означать повышение риска финансовых потерь в случае катастрофической потери рыбы. С другой стороны, меры по снижению рисков и резервирование систем могут также привести к увеличению стоимости проекта РСБУ и, таким образом, проектировщики и инженеры должны найти баланс между этими элементами.

   Помимо сообщений промышленности и средств массовой информации, было проведено мало научных исследований по рискам коммерческих предприятий РСБУ. Badiola et al. (2012) обследовали фермы РАС и проанализировали основные технические проблемы, установив, что основными элементами риска, влияющими на жизнеспособность РСО, являются плохое проектирование систем, проблемы качества воды и механические проблемы.

   3.5.3 Экономика

   Дебаты об экономической жизнеспособности РСБУ сосредоточены главным образом на высоких капитальных начальных затратах рециркулирующих рыбохозяйственных хозяйств и длительном сроке, прежде чем рыба будет готова к продаже, а также на мнении о том, что фермы РСБУ имеют высокие эксплуатационные расходы. De Ionno et al. (2007) изучили коммерческие показатели фермерских хозяйств РАН, сделав вывод о том, что экономическая жизнеспособность возрастает с увеличением масштабов деятельности. Согласно этому исследованию, фермы мощностью менее 100 тонн в год являются лишь незначительными прибыльными в австралийском контексте, где проводилось исследование. Timmons and Ebeling (2010) также дают основания для достижения значительной экономии за счет эффекта масштаба (порядка тысяч тонн продукции в год), что позволяет сократить производственные издержки за счет проектов вертикальной интеграции, таких как включение перерабатывающих предприятий, инкубаторов или кормов мельниц. Liu et al. (2016) изучили экономические показатели теоретической фермы РАН мощностью 3300 тонн в год по сравнению с традиционной сетчатой фермой такой же мощности. В этом масштабе операции по РСБУ достигают аналогичных производственных затрат по сравнению с фермой чистого пера, однако более высокие капитальные вложения удваивают срок окупаемости по сравнению с периодом окупаемости, даже если рыба с фермы РСБУ продается по премиальной цене. В будущем дорогостоящее и строгое лицензирование, требующее хороших экологических показателей, может повысить жизнеспособность РСБУ как конкурентоспособного варианта для производства атлантического лосося.

   3.5.4 Обработка рыбы

   На сухопутных фермах обработка рыбы часто требуется по различным причинам: разделять рыбу на весовые категории, уменьшать плотность залов, транспортировать рыбу через растущие отделы (т.е. из питомника в производственный отдел) или собирать рыбу, когда она готова к рынку. Согласно Lekang (2013), рыба наиболее эффективно обрабатывается с помощью активных методов, таких как рыбные насосы, а также с помощью пассивных методов, таких как использование визуальных или химических сигналов, которые позволяют рыбе перемещаться из одного места на ферме в другое.

   Summerfeltet al. (2009) изучал несколько способов сбора и сбора лососевых рыб из больших круглых резервуаров с использованием двойных стоков Cornell-типа. Стратегии включают в себя скопление рыбы кошельковыми сенами, краудеры с раковиной и пастбище рыбы между резервуарами, используя их врожденную реакцию на двуокись углерода. Методы сбора включали извлечение рыбы через боковичный порт резервуара типа Cornell с двойным дренажем или использование воздушного транспорта для поднятия переполненной рыбы в обезвоживающий ящик. AquaMaOf (Израиль) использует купальники и резервуары с общей стеной для пассивной передачи рыбы через ферму. Сбор урожая осуществляется с помощью пескалятора (винтовой насос Архимеда) в конце плавательного пути. Концепция RAS2020 от Kruger (Дания) использует барные грейдеры/толпы, постоянно установленные в баке качения в форме пончика или круговой дорожке качения, для перемещения и толпы рыбы без необходимости использования рыбных насосов.

   Несмотря на продолжающиеся разработки в этой области, увеличение размеров фермерских хозяйств по РСБУ заставит проектировщиков и операторов работать с рыбой безопасно, экономично и без стресса. Расширение ассортимента конструкций, видов, находящихся в процессе производства, и интенсивности эксплуатации фермерских хозяйств РАН может привести к появлению различных и новых технологий транспортировки и сбора рыбы.

6. 3.6 РАН и Аквапоника

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

   Системы Aquaponic представляют собой отрасль рециркулирующей технологии аквакультуры, в которую входят растительные культуры, чтобы либо диверсифицировать производство предприятия, обеспечить дополнительную пропускную способность воды, либо комбинацию этих двух культур.

   Будучи филиалом РАН, аквапонные системы связаны с теми же физическими, химическими и биологическими явлениями, которые происходят в РАН. Таким образом, одни и те же основы экологии воды, механики жидкостей, газопереноса, удаления воды и т.д. применяются в более или менее равных условиях к аквапонике, за исключением контроля качества воды, поскольку растения и рыба могут предъявлять особые и разные требования.

   Также связаны фундаментальные экономические реалии РАН и аквапоники. Обе технологии являются капиталоемкими и высокотехническими и зависят от эффекта масштаба, надлежащей конструкции компонентов, зависимости от рыночной конъюнктуры и опыта операторов.

   3.6.1 Социальное обеспечение

   В аквапонных системах необходимо максимально увеличить потребление питательных веществ для здорового производства биомассы растений, но не пренебрегая наилучшими условиями благосостояния рыб с точки зрения качества воды (Yildiz et al. 2017). Важное значение имеют также меры по снижению рисков, связанных с введением или распространением заболеваний или инфекций, а также по повышению биозащищенности аквапоники. Следует также учитывать возможное воздействие аллелохимических веществ, т.е. химических веществ, высвобождаемых растениями. Кроме того, следует тщательно изучить влияние усвояемости рациона, размера частиц фекалий и коэффициента оседания на качество воды. По-прежнему ощущается нехватка знаний о взаимосвязи между соответствующими уровнями минералов, необходимыми растениям, и метаболизмом рыб, здоровьем и благополучием (Yildiz et al. 2017), что требует дальнейших исследований.

   3.6.2 Микробное разнообразие и контроль

   Как упоминалось ранее в этой главе, аквапоника сочетает в себе рециркуляционную систему аквакультуры с гидропонным агрегатом. Одной из его наиболее важных особенностей является зависимость от бактерий и продуктов их обмена. Кроме того, Sect. 3.2.6 обсудили важность микробных сообществ и контроля над ними в РАС. Бактерии служат мостом, который соединяет рыбные экскременты, которые имеют высокую концентрацию аммония, с удобрением растений, которые должны быть комбинацией низкого аммония и высокой нитрата (Somerville et al. 2014). Поскольку аквапонные системы могут иметь различные субъединицы, т.е. резервуары для рыбы, биофильтр, барабанный фильтр, резервуары для отстойников и гидропоники, каждая из которых имеет различные возможные конструкции и различные оптимальные условия, микробные сообщества в этих компонентах могут существенно отличаться. Это представляет собой интересную тему исследования с конечной целью совершенствования процессов управления системой. Schmautz et al. (2017) попытались охарактеризовать микробное сообщество в различных районах аквапонных систем. Они пришли к выводу, что рыбные фекалии содержат отдельное сообщество, в котором доминируют бактерии рода Cetobacterium_, в то время как образцы из корней растений, биофильтра и перифитона были более похожи друг на друга, с более разнообразными бактериальными сообществами. Образцы биофильтра содержали большое количество Nitrospira (3,9% от общего сообщества), которые были обнаружены только в низких количествах в перифитоне или корнях растений. С другой стороны, в одних и тех же образцах были обнаружены лишь небольшие процентные показатели _нитросомонадалов (0,64%) и _нитробактерии (0,11%). Эта вторая группа организмов обычно проверяется на их присутствие в системах аквапоники, поскольку они в основном отвечают за нитрификацию (Rurangwa and Verdegem 2015; Zou et al. 2016); Nitrospira только недавно был описан как общий нитрификатор (Daims et al. 2015), способный напрямую конвертировать аммония к нитрату в системе. Таким образом, доминирование Nitrospira является новизной в таких системах и может быть коррелировано с разницей в базовой настройке (Graber et al. 2014).

   Schmautz et al. (2017) также подчеркнули, что увеличение присутствия Nitrospira не обязательно коррелирует с большей активностью этих организмов в системе, так как его метаболическая активность не измерялась. Кроме того, многие виды бактерий и колиформ по своей сути присутствуют в аквапонных рециркулирующих биофильтрах, проводящих превращения органического вещества и рыбных отходов. Это подразумевает наличие многих микроорганизмов, которые могут быть патогенами для растений и рыб, а также для людей. Для этого некоторые микроорганизмы были признаны показателями безопасности продуктов и качества воды в системе (Fox et al. 2012). Некоторые из этих показателей безопасности являются Escherichia coli и Salmonella spp. Таким образом, недавно были проведены столь необходимые исследования для определения микробной безопасности аквапонных продуктов (Fox et al. 2012; Sirsat and Neal 2013). Одно из будущих направлений анализа микробной активности в аквапонике было определено Munguia-Fragozo et al. (2015), которые рассмотрели технологии Omic для анализа микробных сообществ. Они пришли к выводу, что анализ метагеномики и метаранскриптомики будет иметь решающее значение для будущих исследований микробного разнообразия в аквапонных биосистемах.

   • От периода технологической консолидации до новой эры промышленного внедрения технологии РАС за последние два десятилетия значительно развились. За последние несколько лет наблюдалось увеличение числа и масштабов рециркулирующих рыбохозяйственных хозяйств. С ростом признания технологии появляются улучшения по сравнению с традиционными инженерными подходами, инновациями и новыми техническими проблемами.

   • Aquaponics сочетает в себе рециркуляционную систему аквакультуры с гидропонным блоком. RAS представляют собой сложные водные системы производства, которые включают в себя целый ряд физических, химических и биологических взаимодействий.

   • Растворенный кислород (DO), как правило, является наиболее важным параметром качества воды в интенсивных водных системах. Однако добавление достаточного количества кислорода в подпитывающую воду может быть достигнуто относительно просто, и, таким образом, контроль других параметров воды становится более сложным.

   • Высокие концентрации растворенного углекислого газа (COSub2/Sub) оказывают негативное влияние на рост рыб. Удаление COSub2/sub из воды до концентраций ниже 15 мг/л сопряжено с трудностями из-за высокой растворимости и ограниченной эффективности оборудования для дегазации.

   • Аммиак традиционно обрабатывается в системах рециркуляции нитрифицирующими биофильтрами. В настоящее время изучаются некоторые новые технологии в качестве альтернатив удалению аммиака.

   • Биотвердые вещества в РАС происходят из кормов для рыб, фекалии и биопленки и являются одним из наиболее важных и сложных параметров качества воды для контроля. Наиболее распространенным подходом является многоступенчатая система обработки, в которой твердые частицы разного размера удаляются с помощью различных механизмов.

   • Озон, как мощный окислитель, может использоваться в РАС для устранения микроорганизмов, нитритов и гуминовых веществ. Озонация улучшает производительность микрофильтра и минимизирует накопление растворенного вещества, влияющего на цвет воды.

   • Денитрификационные реакторы представляют собой биологические реакторы, которые, как правило, работают в анаэробных условиях и, как правило, дозируются с использованием определенного типа источников углерода, таких как этанол, метанол, глюкоза и меласса. Одним из наиболее заметных видов применения денитрификационных систем в аквакультуре является «нулевой обмен» РАН.

   • В системах производства аквакультуры микробные сообщества играют важную роль в рециркуляции питательных веществ, деградации органических веществ и лечении заболеваний и борьбе с ними. Роль дезинфекции воды в РАС оспаривается идеей использования микробно-зрелой воды для контроля оппортунистических патогенов.

   • В интенсивных РАС благосостояние животных тесно связано с работой систем. Основной целью исследований в области охраны здоровья животных в РАН было создание и эксплуатация систем, обеспечивающих максимальную производительность и минимизацию стресса и смертности.