Prozess- und Parameterdesign für landbasierte industrielle recirkulierende Aquakultur (RAS) (Teil 3): Wasserqualitätsparameter

Wasserqualitätsparameter für recirculierendes Wasser

Wasserqualitätsparameter und Designstandards bilden die Grundlage für die Planung von recirculierenden Wasseraufbereitungssystemen und deren Betriebsmanagement. Im Folgenden finden Sie Referenzdiagramme und Parameter, die von der  Ingenieurteam :

1. Design des Feststoffentfernungssystems

Gesamtschwebstoffe (TSS) werden häufig als Parameter zur Messung von festen Schwebeteilchen in recirkulierenden Aquakultursystemen (RAS) verwendet. Sie beziehen sich hauptsächlich auf die Gesamtmenge an Teilchen mit einer Partikelgröße größer als 1 Mikron pro Wassereinheit. In einem Kreislaufwassersystem umfassen TSS Fischkot, übrig gebliebene Futterpartikel, biologische Flokke (tote und lebende Bakterien) usw. Die Größe dieser schwebenden Partikel variiert stark von der Mikrometer- bis zur Zentimeter-Ebene. Schwebende Teilchen können direkt die Gesundheit und das Wachstum von Fischen (insbesondere von kalten Wassern) beeinträchtigen und auch den Druck auf Biofilter erhöhen. Daher ist es notwendig, die Konzentration der schwebenden Partikel im Kreislaufwasser innerhalb eines vernünftigen Rahmens zu halten.

In einigen EU-Ländern werden in den Systemen der recirkulierenden Aquakultur (RAS) die Grenzwerte für schwebende Partikel relativ streng eingehalten. Zum Beispiel sollte bei Gewässern, die für recirkulierende Aquakultur-Systeme (RAS) verwendet werden, die Konzentration an schwebenden Partikeln (gemessen als gesamte schwebende Stoffe TSS) normalerweise unter 15 mg/L gehalten werden, um eine gute Wasserqualität und einen ökologischen Gleichgewicht zu gewährleisten.

Auch in den Vereinigten Staaten gibt es relevante Wasserqualitätsvorschriften im Bereich der Aquakultur und Wasseraufbereitung. In den Systemen der recirkulierenden Aquakultur (RAS) gibt es ebenfalls bestimmte Begrenzungen für den Gehalt an schwebenden Partikeln (umgerechnet über Trübheit und andere verwandte Indikatoren). Der ideale Bereich für die Konzentration an schwebenden Partikeln liegt bei etwa 8-12 mg/L und dient dazu, das Überleben und die Fortpflanzung von Wasserorganismen zu sichern.

Bei der tatsächlichen Betriebsweise des auf Fabrikbasis installierten Systems für recirkulierende Aquakultur (RAS) in China wird im Allgemeinen verlangt, dass die Konzentration an geschwommenen Teilchen (SS - suspended solids) unter 10 mg/L gehalten wird. Bei einigen wertvollen Arten, die eine hohe Wasserqualität benötigen, wie Lachs, wird sogar verlangt, dass sie unter 5 mg/L gehalten wird.

2. Parameter zur Entfernung von gelösten Verunreinigungen

Die Wasserteilbarkeit umfasst lösliche anorganische Stoffe und lösliche organische Stoffe. Dabei sind die in Wasser löslichen schädlichen Substanzen hauptsächlich Ammoniak-Nitrogen (NH3-N) und Nitrit-Nitrogen (NO2--N). Ammoniak-Nitrogen kann über Kiemen und Haut der Fische in den Blutkreislauf eindringen, stört deren normale Citronensäurezyklus, verändert ihren Osmotischen Druck und verringert ihre Fähigkeit, Sauerstoff aus dem Wasser aufzunehmen, was sich negativ auf ihr normales Wachstum und Überleben auswirkt.

Der häufig verwendete feste Membran-Nitrifikationsbiofilter in Recirculating Aquaculture System (RAS)-Systemen ist die Ammoniak-Stoffwechselbakterien-Gemeinschaft, die auf der Oberfläche eines bestimmten biologischen Füllkörpers wächst, und Ammoniak-Stoffwechsel wird durch Diffusion zur festen Biofilm-Schicht transportiert und umgewandelt. Das Hauptziel der Prozessgestaltung des biologischen Filters ist es sicherzustellen, dass der Filter genügend Nitrifizierer enthält, um das von Fischen ausgeschiedene Ammoniak zu entfernen, die Ammoniak-Konzentration im Aquakultur-System innerhalb des vorgegebenen Bereichs zu halten und die Sicherheit sowie das wirksame Wachstum der Fische zu gewährleisten.

2.1 Ammoniak-Stoffwechsel (NH₃-N) Kontrolle

Ammoniak-Nitrogen ist einer der Hauptverunreiniger, die im Wasser von Kreislaufaquakultur-Systemen (RAS) gelöst sind. Es stammt hauptsächlich aus dem Kot und den verbleibenden Futterresten der gezüchteten Organismen. Hohe Konzentrationen an Ammoniak-Nitrogen können giftig für die gezüchteten Organismen sein und beeinträchtigen ihr Wachstum, ihre Immunabwehr und ihre Fortpflanzungsfähigkeit. In Biofiltern erfolgt die Entfernung des Ammoniak-Nitrogens hauptsächlich durch die Nitritierung von Mikroorganismen wie Nitritbakterien, die Ammoniak-Nitrogen in Nitrit und Nitrat umwandeln.

Beim Entwerfen eines Biofilters sollte ausreichende Oberfläche und Volumen des Filtermaterials berücksichtigt werden, um genügend Platz für das Wachstum und die Fortpflanzung von nitrifizierenden Bakterien zu bieten. Gleichzeitig ist es notwendig, die Ammoniak-Nitrogenbelastung im Einfluss zu kontrollieren und eine zu hohe Ammoniak-Konzentration, die den biologischen Filter beeinträchtigen könnte, zu vermeiden. Zum Beispiel kann die Ammoniak-Konzentration im Einfluss durch die Verwendung einer automatischen Füttermaschine und die Anwendung einer Fütterungsstrategie mit kleinen Mengen und mehreren Mahlzeiten reduziert werden. Bestimmen Sie die zulässige Ammoniak-Konzentration für den Biofilter auf Basis der Ammoniak-Toleranz und der Haltedichte der gezüchteten Organismen. Im Allgemeinen sollte bei den meisten Süßwasserzucht-Fischen die Gesamtammoniakkonzentration unter 1 mg/L gehalten werden, und ammoniakfreies Ammoniak sollte nicht über 0,025 mg/L liegen.

2.2 Nitrit (NO₂⁻-N) Kontrolle

Nitrit ist ebenfalls ein Wasserqualitätsparameter, der im Recirculating Aquaculture System (RAS) sorgfältig überwacht werden muss. Es handelt sich um ein Zwischenprodukt im Ammoniak-Nitrifikationsprozess und ist ebenfalls toxisch für aquakulturelle Organismen. Nitrit kann den Sauerstofftransport im Blut der gezüchteten Organismen beeinträchtigen und zu Hypoxie-Symptomen wie Atemnot, Kopffluten und sogar Todesfällen führen.

Im Design ist es notwendig, sicherzustellen, dass der Biofilter Nitrit effektiv weiter in Nitrat umwandelt. Dazu ist es erforderlich, die Aktivität von Denitrifikationsbakterien im Biofilter aufrechtzuerhalten und ihnen geeignete Umweltbedingungen wie ausreichend gelöster Sauerstoff bereitzustellen. Im Allgemeinen sollte die Konzentration von Nitrit unter 0,5 mg/L gehalten werden.

2.3 Erwägungen bei der Meereswasseraquakultur

Die Salzkonzentration von Seewasser ist relativ hoch und enthält verschiedene Ionen wie Natriumionen (Na ⁺ ), Chloridionen (Cl ⁻ ) Magnesiumionen (Mg ² ⁺ ) und Calciumionen (Ca ² ⁺ ), usw. Marine Aquakulturorganismen haben während ihrer langfristigen Anpassung an salzhaltige Umgebungen komplexe Ionenregulationssysteme entwickelt. Wenn Nitrit in marine Organismen eindringt, können diese durch Nutzung ihres eigenen Ionenregulationssystems teilweise die physiologischen Auswirkungen des Nitrits mindern. In einem recirculating Aquakultursystem (RAS) können Chloridionen (Cl -) die Toxizität von Nitrit (NO2-) für Aquakulturorganismen durch wettbewerbsmäßige Hemmung reduzieren. Spezifisch benötigen sowohl Chloridionen als auch Nitrit den Einstieg in den Fischkörper über die Chlorzellen auf den Kiemenplatten. Die Präsenz von Chloridionen erhöht die Schwierigkeit für Nitrit, in den Fischkörper einzudringen, und verringert somit seine Toxizität. Im Allgemeinen kann eine Konzentration von Chloridionen im Wasser, die sechsmal so hoch ist wie die von Nitrit, die Toxizität von Nitrit für Aquakulturorganismen effektiv hemmen. Im Vergleich zur Süßwasser-Aquakultur bergen Meereswasseranlagen weniger toxische Gefahren durch Nitrit, was mit der höheren Konzentration von Chloridionen im Meerwasser zusammenhängt. Daher kann man im recirculating Aquakultursystem (RAS) durch sinnvolle Regulation des Salzgehalts die Toxizität von Nitrit wirksam reduzieren und die Gesundheit und Sicherheit der Aquakulturorganismen schützen.

3. Gelöster Sauerstoff (DO)

In einem Rezirkulations-Aquakultur-System (RAS) ist der gelöste Sauerstoff (DO) ein wichtiger Wasserqualitätsparameter. Fische und andere aquatische Organismen nehmen den gelösten Sauerstoff über die Kiemen auf, um ihre metaboliche Aktivität aufrechtzuerhalten. Die für das normale Wachstum der meisten Warmwasserfische benötigte Konzentration an gelöstem Sauerstoff beträgt im Allgemeinen etwa 5-8mg/L. Wenn die Konzentration des gelösten Sauerstoffs unter dem kritischen Niveau liegt, wird die Atmung von aquatischen Organismen behindert, ihr Wachstumsrate verlangsamt sich, ihre Immunabwehr schwächt ab, und sie sind anfällig für Erkrankungen. Zum Beispiel, wenn der gelöste Sauerstoff unter 2mg/L fällt, erleben viele Fische das sogenannte 'Kopfhoch'-Phänomen, und eine längere Belastungsphase mit niedrigem Sauerstoffgehalt kann zu Fischsterben führen.

In einem Rezirkulationsaquakultur-System (RAS) wird empfohlen, den gelösten Sauerstoff auf einen Wert zwischen 8-10 mg/L zu halten. Ein höherer Sauerstoffgehalt ist vorteilhaft, um die Fütterungsmenge zu erhöhen und das Futter-Konversionsverhältnis zu reduzieren.

4. pH-Wert Regelung

In einem Rezirkulationsaquakultur-System (RAS) liegt das geeignete pH-Wert-Bereich für Fische normalerweise zwischen 7,0-8,5. Zum Beispiel wachsen die meisten Süßwasserfische gut in Umgebungen mit einem pH-Wert von 7,2-7,8. Dies liegt daran, dass innerhalb dieses pH-Bereichs die physiologischen Funktionen der Fische, wie Atmung und Osmoregulation, relativ normal ablaufen können. Der Gasaustausch erfolgt über die Kiemen, und eine angemessene Säure oder Basisität im Wasser erleichtert den Austauschprozess von Sauerstoff und Kohlendioxid.

Bei der Garnelenzucht, wie zum Beispiel der Zucht von weißem südamerikanischen Garnelen, beträgt der geeignete pH-Wert ungefähr 7,8-8,6. Dies liegt an der physiologischen Struktur und den Aktivitätseigenschaften von Krebsarten, die sie besser in leicht basischen Umgebungen anpassen können. Ein geeigneter pH-Wert ist vorteilhaft für das Häutungswachstum der Garnelen.

Allerdings nimmt während des Prozesses des recirkulierenden Aquakultur-Systems (RAS) der pH-Wert kontinuierlich mit fortschreitender Zucht ab, und es ist notwendig, den pH-Wert des Wassers anzupassen. Dazu kann automatische pH-Anpassungsgeräte eingesetzt werden. Diese passen den pH-Wert des Wasserbeckens automatisch auf Basis von pH-Sensordaten an.