Kontynentowy przemysłowy system recyklującego wodnego rolnictwa morskiego (RAS) Proces i projekt parametrów (Część 3): Parametry jakości wody

Parametry jakości wody w systemie recyklującym

Parametry jakości wody i standardy projektowe stanowią podstawę do projektowania i zarządzania systemem oczyszczania wody w systemie recyklującym. Poniżej znajdują się diagramy i parametry często używane przez  Zespół inżynieryjny :

1. Projekt systemu usuwania cząsteczek stałych

Całkowita zawartość zawiesin (TSS) jest powszechnie używana jako parametr do mierzenia cząsteczek stałych w systemie recyklacji hodowlanym (RAS). Odnosi się przede wszystkim do łącznej ilości cząstek stałych o rozmiarze większym niż 1 mikron w jednostce wody. W systemie cyrkulującego wodociągu, TSS obejmuje odchody ryb, resztki karmy, biologiczne floki (martwe i żywe bakterie) itp. Rozmiar tych zawieszonych cząstek zmienia się znacznie, od poziomu mikrometrowego do centymetrowego. Zawiesiny mogą bezpośrednio wpływać na zdrowie i rozwój ryb (szczególnie ryb wód zimnych), a także zwiększać obciążenie biofiltrów. Dlatego konieczne jest utrzymanie stężenia zawieszonych cząstek w cyrkulującym układzie wodnym w rozsądnym zakresie.

W niektórych krajach UE systemy akwakultury z recyklingiem (RAS) mają stosunkowo surowe wymagania dotyczące kontroli zawiesin cząsteczkowych. Na przykład, wód używanych w systemach Akwakultury z Recyklingiem (RAS), stężenie zawiesin cząsteczkowych (mierzone jako łączne zawiesiny stałe TSS) powinno być zwykle kontrolowane poniżej 15 mg/L, aby utrzymać dobrej jakości wodę i środowisko ekologiczne.

Stany Zjednoczone mają również odpowiednie przepisy dotyczące jakości wody w obszarach akwakultury i oczyszczania wody. W systemie Akwakultury z Recyklingiem (RAS), odpowiednia zawartość zawiesin cząsteczkowych (określana przez mętność i inne pokrewne wskaźniki) ma również pewne ograniczenia. Idealny zakres stężenia zawiesin cząsteczkowych wynosi około 8-12 mg/L, co służy zapewnieniu przetrwania i rozmnażania się organizmów wodnych.

W rzeczywistym działaniu fabryki opartej na systemie Recirculating Aquaculture System (RAS) w Chinach wymaga się ogólnie utrzymania stężenia zawiesin cząsteczkowych (zawiesina stała SS) poniżej 10 mg/L. Dla niektórych drogocennych gatunków, które wymagają wysokiej jakości wody, takich jak łosoś, wymaga się nawet utrzymania tego poziomu poniżej 5 mg/L.

2. Parametry usuwania rozpuszczonych zanieczyszczeń

Rozpuszczalność wodna obejmuje rozpuszczalne substancje nieorganiczne i organiczne. Spośród nich, szkodliwe dla wody są głównie azotek amonowy (NH3-N) i azotan(II) (NO2--N). Azotek amonowy może przenikać do krwi przez żабki i skórę ryb, zaburzając ich normalny cykl tricarboxylowego, zmieniając ciśnienie osmotyczne i obniżając zdolność do pobierania tlenku z wody, co wpływa na ich normalne wzrost i przetrwanie.

Często stosowany stały membranowy biologiczny filtr nitrifikacyjny w systemach recyklujących (RAS) to społeczność bakterii przekształcających azotek amonowy, która rośnie na powierzchni określonego materiału biologicznego. Azotek amonowy przenika do stałej biologicznej osłony przez dyfuzję i jest tam przekształcany. Głównym celem projektowania procesu filtra biologicznego jest zapewnienie, że filtr ma wystarczającą liczbę bakterii nitrifikujących, aby usuwać azotek amonowy wydzielany przez ryby, utrzymywać stężenie azotku amonowego w systemie hodowlanym w zakresie przedustalonym oraz gwarantować bezpieczeństwo i skuteczne wzrost ryb.

2.1 Kontrola azotku amonowego (NH₃-N)

Azot amonowy jest jednym z głównych zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodzie w systemach akwakultury z recyklingiem (RAS). Pochodzi przede wszystkim z odchodów i nieprzyjętej karmy hodowlanych organizmów. Wysokie stężenia azotu amonowego mogą być toksyczne dla hodowlanych organizmów, wpływając na ich wzrost, odporność i zdolność rozmnażania. W biofiltrach usunięcie azotu amonowego opiera się głównie na nitrifikacji przez mikroorganizmy, takie jak bakterie nitrifikujące, które przekształcają azot amonowy w nitryt i nitrat.

Podczas projektowania biofiltra należy uwzględnić wystarczający obszar powierzchni i objętość materiału filtrującego, aby zapewnić足够的 miejsce dla bakterii nitryfikujących do wzrostu i rozmnażania. W tym samym czasie konieczne jest kontrolowanie obciążenia azotem amonowym w napływie i unikanie zbyt wysokiej stężenia azotu amonowego, które mogłoby wpłynąć na biologiczny filtr. Na przykład, stężenie azotu amonowego w napływie można zmniejszyć za pomocą maszyny do automatycznego karmienia oraz przyjęcia strategii karmienia małymi porcjami, ale częściej. Trzeba określić dopuszczalne stężenie azotu amonowego dla biofiltra na podstawie jego tolerancji wobec azotu amonowego oraz gęstości hodowlanej organizmów. Ogólnie rzecz biorąc, dla większości ryb hodowlanych w słodkiej wodzie stężenie całkowitego azotu amonowego powinno być kontrolowane poniżej 1 mg/L, a azotu amonowego niejonowego nie powinno przekraczać 0,025 mg/L.

2.2 Kontrola nitrytów (NO₂⁻-N)

Nitryt jest również parametrem jakości wody, który musi być ściśle monitorowany w systemie recyklacji hodowli ryb (RAS). Jest to produkt pośredni w procesie nitrifikacji azotanu amoniowego i jest również toksyczny dla organizmów akwakulturowych. Nitryt może wpływać na transport tlenu we krwi hodowlanych organizmów, powodując objawy niedostatku tlenku, takie jak duszność, unoszenie się głowami oraz nawet śmierć.

W projekcie należy zapewnić, aby biofiltr mógł skutecznie dalej przekształcać nitryty w nitraty. Wymaga to utrzymania aktywności bakterii desnitryfikujących w biofiltrze oraz zapewnienia im odpowiednich warunków środowiskowych, takich jak odpowiednia zawartość tlenku rozpuszczalnego. Ogólnie wymaga się kontrolowania stężenia nitrytów poniżej 0,5 mg/L.

2.3 Uwagi dotyczące hodowli morskiej

Zasolenie wody morskiej jest względnie wysokie, zawiera ona różne jon, takie jak jony sodu (Na ⁺ ), jony chloru (Cl ⁻ ), jony magnezu (Mg ² ⁺ ), jony wapnia (Ca ² ⁺ ), itp. Organizmy akwakultury morskiej wyewoluowały złożone systemy regulacji jonów w trakcie długoterminowej adaptacji do środowisk o wysokim stężeniu soli. Gdy nitryt wpada do organizmów morskich, te organizmy mogą częściowo złagodzić efekty fizjologiczne nitrytu, korzystając ze swojego własnego systemu regulacji jonów. W Systemie Akwakultury z Kołowanym Obiegiem (RAS) jony chlorowankowe (Cl -) mogą zmniejszyć toksyczność nitrytu (NO2-) dla organizmów akwakulturowych poprzez konkurencyjne hamowanie. Specyficznie, zarówno jony chlorowankowe, jak i nitryt muszą wejść do ciała ryb przez komórki chlorowe na blaszkach żabieniowych. Obecność jonów chlorowankowych zwiększa trudność wejścia nitrytu do ciała ryby, co zmniejsza jego toksyczność. Ogólnie rzecz biorąc, gdy stężenie jonów chlorowankowych w wodzie jest sześć razy większe niż stężenie nitrytu, może ono skutecznie hamować toksyczność nitrytu dla organizmów akwakulturowych. W porównaniu do akwakultury słodkowodnej, akwakultura morska ma mniejsze toksyczne zagrożenia ze strony nitrytów, co jest związane z wyższym stężeniem jonów chlorowankowych w wodzie morskiej. Dlatego w systemie Systemu Akwakultury z Kołowanym Obiegiem (RAS), poprzez rozsądną regulację zawartości soli, można skutecznie zmniejszyć toksyczność nitrytu i chronić zdrowie oraz bezpieczeństwo organizmów akwakulturowych.

3. Tlen rozpuszczony (DO)

W systemie recyklacji w hodowli ryb (RAS), tlen rozpuszczony (DO) jest kluczowym parametrem jakości wody. Ryby i inne organizmy akwaryjne pobierają tlen rozpuszczony z wody za pomocą oddychania przez żабry, aby utrzymać swoją działalność metaboliczną. Stężenie tlenu rozpuszczonego potrzebne do normalnego wzrostu większości ryb wód ciepłych wynosi ogólnie około 5-8 mg/L. Gdy stężenie tlenu rozpuszczonego spada poniżej krytycznego poziomu, oddychanie organizmów akwaryjnych zostaje zakłócone, ich tempo wzrostu zwalnia, odporność maleje, a są one podatne na choroby. Na przykład, gdy tlen rozpuszczony spada poniżej 2 mg/L, wiele ryb odczuwa zjawisko unoszenia głowy, a długotrwałe wystawianie na niski poziom tlenu rozpuszczonego może prowadzić do śmierci ryb.

W systemie recyklującego rolnictwa morskiego (RAS) zaleca się utrzymywać poziom tlenku rozpuszczanego między 8-10 mg/L. Wyższy poziom tlenku rozpuszczanego jest korzystny dla zwiększenia poziomu karmienia i zmniejszenia stosunków pokarmowych.

4. Sterowanie pH

W systemie recyklującego rolnictwa morskiego (RAS) odpowiedni zakres pH dla ryb wynosi zazwyczaj od 7.0 do 8.5. Na przykład, większość ryb słodkowodnych dobrze rośnie w środowiskach o pH 7.2-7.8. Jest to spowodowane tym, że w tym zakresie pH funkcje fizjologiczne ryb, takie jak oddychanie i regulacja ciśnienia osmotycznego, mogą być wykonywane względnie normalnie. Gazy wymieniają się przez żабry, a odpowiednia kwaśność lub zasadowość wody ułatwia normalny proces wymiany tlenu i dwutlenku węgla.

Dla hodowli krewetek, takich jak białe krewetki południowoamerykańskie, odpowiedni zakres pH wynosi około 7,8-8,6. Jest to spowodowane strukturą fizjologiczną i cechami działania krustaców, które czynią je bardziej przystosowanymi do środowisk o lekko wyższym pH. Odpowiednie pH jest korzystne dla wzrostu krewetek podczas procesu łuszczenia.

Jednakże, w trakcie procesu recyklującej hodowli wodnej (RAS), wartość pH będzie ciągle maleć w miarę postępu hodowli, a konieczne jest dostosowanie wartości pH wody. Można używać automatycznego sprzętu do regulacji pH. Automatycznie dostosowywuje się wartość pH cieczy na podstawie danych z czujnika pH.