Grondgebonden geïndustrialiseerd Recirculerend Aquaculturesysteem (RAS) Proces- en parameterontwerp (Deel 3): Waterkwaliteitsparameters

Parameters voor waterkwaliteit bij hergebruik

Waterkwaliteitsparameters en ontwerpnormen vormen de basis voor het ontwerp en de operationele management van waterbehandelingsystemen voor recirculatie. Hieronder staan referentiediagrammen en parameters die veelvoorkomen worden gebruikt door de  Ingenieurs team :

1. Ontwerp van het Stofdeeltjesverwijderingssysteem

Totale Opgehangen Vaste Stoffen (TSS) wordt vaak gebruikt als parameter om vaste deeltjes in een Circulerend Aquaculturesysteem (RAS) te meten. Het verwijst voornamelijk naar het totale aantal vaste deeltjes met een deeltjesgrootte groter dan 1 micron in een eenheid water. In het circulerende watersysteem omvat TSS visontlasting, resterend voer, biologische floccules (dode en levende bacteriën), enzovoort. De grootte van deze opgehangen deeltjes varieert sterk, van micrometer tot centimeter niveau. Opgehangen deeltjesstoffen kunnen rechtstreeks invloed hebben op de gezondheid en groei van vissen (vooral koudbloedige vissen) en ook de belasting op biofilters verhogen. Daarom is het noodzakelijk om de concentratie van opgehangen deeltjes in het circulerende water binnen een redelijke grens te houden.

In sommige EU-landen zijn de normen voor het beheersen van opgeschorste deeltjes in Recirculerende Aquacultuursystemen (RAS) relatief streng. Bijvoorbeeld, voor waterlichamen die worden gebruikt in Recirculerende Aquacultuursystemen (RAS), wordt de concentratie van opgeschorste deeltjes (gemeten door totaal opgeschorste stoffen TSS) doorgaans gehouden onder de 15 mg/L om een goede waterkwaliteit en ecologische omgeving te behouden.

De Verenigde Staten hebben ook relevante waterkwaliteitsregels in de aquacultuur- en waterzuiveringssectoren. In het Recirculerende Aquacultuursysteem (RAS) zijn er ook bepaalde beperkingen voor de concentratie van opgeschorste deeltjes (omgerekend via troebeling en andere gerelateerde indicatoren). Het ideale bereik voor de concentratie van opgeschorste deeltjes ligt rond de 8-12 mg/L, wat wordt gebruikt om het overleven en voortplanten van waterorganismen te waarborgen.

Bij de werkelijke bedrijfsvoering van het op fabriek gebaseerde Recirculerende Aquacultuursysteem (RAS) in China wordt er doorgaans vereist om de concentratie van opgeschorste deeltjes (opgeschorste stoffen SS) onder de 10 mg/L te houden. Voor sommige waardevolle soorten die hoge waterkwaliteit vereisen, zoals zalm, wordt zelfs vereist dat deze onder de 5 mg/L wordt gehouden.

2. Verwijderingsparameters voor opgeloste verontreinigingen

Wateroplosbaarheid omvat oplosbare anorganische stoffen en oplosbare organische stoffen. Daaronder zijn vooral oplosbare schadelijke stoffen zoals ammoniak-nitrogen (NH3-N) en nitriet-nitrogen (NO2--N). Ammoniak-nitrogen kan via de kieuwen en huid van vissen in het bloed terechtkomen, hun normale citroenzuurcyclus verstoren, hun osmotische druk veranderen en hun vermogen om zuurstof uit het water op te nemen verlagen, waardoor hun normale groei en overleving worden beïnvloed.

De algemeen gebruikte vaste membranenitrificatiebiofilter in Recirculerende Aquacultuur Systemen (RAS) is de ammoniak-nitrogencominiteit van bacteriën die groeit op het oppervlak van een bepaald biologisch materiaal, waarbij ammoniak-nitrogeen door diffusie naar de vaste biofilm wordt overgedragen en omgezet. Het hoofddoel van de biologische filterprocesontwerp is ervoor te zorgen dat de filter voldoende nitrificerende bacteriën heeft om het door vis afgescheiden ammoniak-nitrogeen te verwijderen, de concentratie ammoniak-nitrogeen in het aquacultuursysteem binnen het voorgeschreven bereik te houden en de veiligheid en effectieve groei van de vissen te garanderen.

2.1 Ammoniak Nitrogen (NH₃-N) Beheersing

Ammoniak-nitrogene is een van de belangrijkste verontreinigende stoffen opgelost in het water in Recirculerende Aquaculturesystemen (RAS). Het komt voornamelijk voort uit de uitwerpselen en restanten van de voeding van de gekweekte organismen. Hoge concentraties ammoniak-nitrogene kunnen giftig zijn voor de gekweekte organismen en beïnvloeden hun groei, immuniteit en voortplantingsvermogen. In biofilters wordt de verwijdering van ammoniak-nitrogene voornamelijk veroorzaakt door de nitrificatie van micro-organismen zoals nitrifierende bacteriën, die ammoniak-nitrogene omzetten in nitriet en nitraat.

Bij het ontwerpen van een biofilter moet voldoende oppervlakte en volume van het filtermateriaal worden overwogen om genoeg ruimte te bieden voor de groei en voortplanting van nitrificerende bacteriën. Tegelijkertijd is het nodig om de ammoniak-nitrogelading in het influent te beheersen en te voorkomen dat een te hoge concentratie van ammoniak-nitrogeen de biologische filter beïnvloedt. Bijvoorbeeld, de concentratie van ammoniak-nitrogeen in het influent kan worden verlaagd door gebruik te maken van een automatische voermachine en een voestrategie toe te passen met kleine hoeveelheden en veel maaltijden. Bepaal de toelaatbare ammoniak-nitrogene concentratie voor de biofilter op basis van de ammoniak-tolerantie en de kweekdichtheid van de gekweekte organismen. Algemeen gesproken dient de totale ammoniak-nitrogencentratie bij de meeste zoetwatervissoorten onder 1 mg/L te worden gehouden, en niet-ionisch ammoniak mag niet boven de 0,025 mg/L uitkomen.

2.2 Nitraat (NO₂⁻-N) controle

Nitriet is ook een waterkwaliteitsparameter die nauwkeurig moet worden gevolgd in het Recirculerende Aquaculturesysteem (RAS). Het is een tussenvoortbrengsel in het proces van ammoniak-nitratie en is eveneens giftig voor aquacultuurorganismen. Nitriet kan de zuurstoftransport in het bloed van gekweekte organismen beïnvloeden, wat leidt tot symptomen van hypoxie zoals kortademigheid, zwevende koppen en zelfs de dood.

In de ontwerp fase is het nodig om te zorgen dat de biofilter nitriet effectief verder kan omzetten in nitraat. Dit vereist het onderhouden van de activiteit van denitrificerende bacteriën in de biofilter en het verschaffen van geschikte milieuvoorwaarden, zoals voldoende opgeloste zuurstof. Meestal wordt er gevraagd om de concentratie van nitriet onder 0,5mg/L te houden.

2.3 Overwegingen bij zeewateraquacultuur

De zoutgehalte van zeewater is relatief hoog, met verschillende ionen zoals natriumionen (Na ⁺ ), chloorionen (Cl ⁻ ), magnesiumionen (Mg ² ⁺ ), calciumionen (Ca ² ⁺ ), enz. Mariene aquacultuurorganismen hebben tijdens hun lange termijn aanpassing aan hoge zoutomgevingen complexe ioneregulatiesystemen ontwikkeld. Wanneer nitriet in mariene organismen terechtkomt, kunnen deze organismen de fyysiologische effecten van nitriet gedeeltelijk verlichten door gebruik te maken van hun eigen ioneregulatiesysteem. In een Recirculerend Aquacultuursysteem (RAS) kunnen chloorionen (Cl -) de toxiciteit van nitriet (NO2-) voor aquacultuurorganismen verminderen door competitief inhibities. Specifiek moeten zowel chloorionen als nitriet via de chloorcellen op de kiemen in het lichaam van de vis komen. De aanwezigheid van chloorionen verhoogt de moeilijkheid voor nitriet om het vishuishouding binnen te dringen, waardoor zijn toxiciteit wordt verlaagd. Algemeen gesproken, wanneer de concentratie van chloorionen in water zes keer zo hoog is als die van nitriet, kan dit effectief de toxiciteit van nitriet voor aquacultuurorganismen inhiberen. In vergelijking met zoetwatervisserij heeft zeewatervisserij minder giftige gevaren van nitriet, wat gerelateerd is aan de hogere concentratie van chloorionen in zeewater. Daarom kan in het Recirculerend Aquacultuursysteem (RAS), door de saliniteit redelijk te regelen, de toxiciteit van nitriet effectief worden verlaagd en de gezondheid en veiligheid van aquacultuurorganismen beschermd.

3. Opgeloste zuurstof (DO)

In een Recirculerend Aquaculturesysteem (RAS) is opgeloste zuurstof (DO) een belangrijke waterkwaliteitsparameter. Vissen en andere waterorganismen nemen opgeloste zuurstof uit het water op via de ademhaling van de kieuwen om hun stofwisseling te onderhouden. De opgeloste zuurstofconcentratie die nodig is voor de normale groei van de meeste warmwater-vissen ligt doorgaans tussen de 5-8 mg/L. Wanneer de concentratie van opgeloste zuurstof onder het kritieke niveau daalt, wordt de ademhaling van waterorganismen belemmerd, vertraagt hun groeisnelheid, neemt hun immuunverdediging af en zijn ze gevoeliger voor infecties met ziektes. Bijvoorbeeld, wanneer de opgeloste zuurstof onder de 2 mg/L komt, ervaren veel vissen het verschijnsel van 'koppen boven water', en langdurige blootstelling aan lage opgeloste zuurstof kan leiden tot vishaal.

In een Recirculerend Aquaculturesysteem (RAS) wordt aanbevolen om het opgeloste zuurstofniveau tussen 8-10 mg/L te houden. Een hoger opgelost zuurstofniveau is voordelig voor het verhogen van de voedingsniveaus en het verlagen van de voeder-efficiëntieverhoudingen.

4. pH-beheersing

In een Recirculerend Aquaculturesysteem (RAS) is het geschikte pH-bereik voor vissen meestal tussen 7.0-8.5. Bijvoorbeeld, de meeste zoetwatervissen groeien goed in omgevingen met een pH van 7.2-7.8. Dit komt omdat binnen dit pH-bereik de fysiologische functies van vissen, zoals ademhaling en osmoregulatie, relatief normaal kunnen plaatsvinden. Gasuitwisseling vindt plaats via de kieuwen, en een gepast zuur of basisch milieu in water bevordert de normale uitwisselingsprocessen van zuurstof en kooldioxide.

Voor garnalenkwekerij, zoals witte Zuid-Amerikaanse garnalen, is het geschikte pH-bereik ongeveer 7,8-8,6. Dit komt doordat de fysele structuur en activiteitskenmerken van kreeftachtigen hen aanpassingsvatbaarder maken aan een iets hogere pH-omgeving. Een geschikte pH is voordelig voor de vermolzende groei van garnalen.

Tijdens het proces van Recirculerende Aquaculturesysteem (RAS) neemt echter de pH-waarde voortdurend af naarmate de aquacultuur vordert, en moet de pH-waarde van het water aangepast worden. Er kan gebruik gemaakt worden van automatisch pH-regelapparatuur. Automatisch de pH-waarde van het waterlichaam aanpassen op basis van pH-sensordata.