Вермифильтрационный способ биологической очистки воды в рециркуляционных установках

Полный текст

Введение Переход к высокопродуктивному и экологически чистому аквахозяйству с использованием инновационных технологий - одно из приоритетных направлений государственной программы научно-технологического развития Российской Федерации[6]. Рециркуляционные аквакультурные системы (РАС) - это прогрессивный интенсивный способ получения рыбопродукции в контролируемых условиях с многократным повторным использованием воды [1]. Успешное применение технологии обеспечивается системами очистки воды и зависит от качества кормов. Используемые технологии очистки воды экологически и экономически недостаточно эффективны. Основной белковый компонент кормов - рыбная мука - из-за сократившихся выловов рыбы и перехода к органической аквакультуре требует альтернативной замены. Обе проблемы актуальны и обусловливают устойчивое развитие аквакультуры[7]. В этой связи вызывает интерес инновационная технология вермифильтрации, основанная на способности компостных червей поглощать и трансформировать в безопасные продукты органические поллютанты, содержащиеся в сточных водах. Технология экологически безопасна, обеспечивает полную регенерацию воды, получение кормовой биомассы компостных червей и натурального органического удобрения вермикомпост. Применяется во многих странах для очистки сточных вод, содержащих органические отходы [2-5]. В аквакультуре вермифильтрация практически не используется. Области применения ограничиваются использованием вермикомпоста для удобрения рыбоводных водоемов [6] или употребления компостных червей в составе кормовых смесей [7]. Одиночные работы посвящены использованию отходов жизнедеятельности рыб для производства вермикомпоста[8] [8]. АНО «ДонНИИ экотехнологий» предложена конструкция вермибиофильтрационного модуля для очистки оборотной воды РАС. Цель исследования - экспериментальная оценка опытного образца вермибиофильтра комплексной очистки воды в рециркуляционной системе аквакультуры. Материалы и методы Прототипом вермибиофильтра послужила пилотная установка для очистки сточных вод способом вермифильтрации с использованием еврокубов - пластиковых контейнеров кубической формы объемом один куб. м[9][10]. В нашей рециркуляционной установке для монтажа вермибиофильтрационного модуля еврокуб предварительно разрезали в поперечном сечении на две части в соотношении 3 : 1. Нижнюю часть высотой 0,75 м, установленную на поддоне, загружали наполнителем для развития микрофлоры и использовали в роли биологического фильтра. Верхнюю часть - собственно вермифильтр - высотой 0,25 м помещали поверх биофильтра, заполняли субстратом с вермикультурой и применяли для механической фильтрации и влажного вермикомпостирования. Исследовали адаптацию вермикультуры к питательному субстрату на основе отходов аквакультуры, которые представляли собой отсепарированную в эрлифтном сепараторе суспензию, содержащую остатки корма, рыбные фекалии, взвешенные частицы и детрит. Отходы наносили однородным слоем поверх субстрата, поддерживая относительную влажность в пределах 75 %. Исходным субстратом служил грунт «Универсальный» (производитель ООО «Terra Vita»), в который заселяли колонию взрослых компостных червей Eisenia foetida (гибрид «Старатель») из расчета 500 экз./м2. Для обогащения субстрата углеводами и микроэлементами и нормального развития вермикультуры субстрат инокулировали суспензией микроводоросли Chlorella vulgaris. Продолжительность эксперимента - 90 сут. По общепринятым методикам оценивали качество очищенной воды [9], визуально подсчитывали количество компостных червей. Статистическую обработку результатов проводили с использованием прикладной программы Microsoft Office Excel 2003. Результаты и обсуждение Принцип работы вермибиофильтра схематически показан на рис. 1. Вода из рыбоводного бассейна 1 через верхний боковой 1а и центральный придонный 1б сливы поступает в эрлифтный сепаратор 2. В нижней части сепаратора 2а скапливаются твердые отходы аквакультуры, которые по трубе 2б эрлифта под действием воздуха, нагнетаемого по воздуховоду 2в, в виде суспензии по трубе 2г подаются в вермифильтр 3 через систему распределительных желобов 3а. На дно вермифильтра послойно уложен керамзит 3б и мелкий гравий 3в, поверх которых на полимерной сетке 3г насыпан слой субстрата с вермикультурой 3д. Через отверстия в днище вермифильтра 3 обогащенная органогенными веществами вода стекает в биофильтр 4, в нижней части которого установлено перфорированное фальшдно 4а с двумя слоями крупного 4б и мелкого 4в гравия. Над гравием - плавающая пластиковая биозагрузка 4г. Водный раствор после вермибиофильтра переливом поступает в альгофильтр и далее - в модули с кормовыми гидробионтами мультитрофной РАС. Осветленные бассейновые стоки 5 после эрлифтного сепаратора проходят очистку в отдельном биофильтре и подаются насосом в гидропонный модуль РАС для доочистки и получения дополнительно растительной продукции. Известные системы очистки сточных вод, основанные на технологии вермифильтрации, имеют различия в конструкции, но общий принцип построения. Вермифильтр состоит из двух частей. Нижняя часть является биологическим фильтром и заполнена твердым наполнителем. Поверх наполнителя размещается слой органического субстрата с популяцией компостных червей [10]. В нашем варианте установки используется пространственное разделение вермибиофильтра на две отдельные функциональные единицы, связанные общим потоком воды. Такое разделение позволяет, с одной стороны, количественно оценить отдельные физические, химические и биологические процессы, протекающие в субстрате под воздействием почвенных организмов и компостных червей, с другой стороны, определить эффективность тех же процессов в экосистеме биофильтра под воздействием биопленочной микрофлоры. Разделение операций - влажное вермикомпостирование и биофильтрация - позволяет независимо оптимизировать протекающие в них процессы, максимизируя производительность каждого компонента системы. Рис. 1. вермибиофильтрационный модуль очистки оборотной воды в РАС: 1.-.бассейн.для.рыб;.1а -.верхний.слив;.1б - донный.слив;.2 - эрлифтный.сепаратор;. 2а -.нижняя.часть.сепаратора;.2б - подъемная.труба.эрлифта;.2в - воздуховод;.2г -.отводная.труба. эрлифта;.3 - вермифильтр;.3а -.распределительные.желоба;.3б -.керамзит;.3в -.гравий;.3г - сетка;. 3д - субстрат.с.вермикультурой;.4 - биофильтр;.4а - фальшдно;.4б.-.крупный.гравий;. 4в -.мелкий.гравий;.4г - пластиковая.биозагрузка;.5 -.сточная.труба. Источник:.составлено.В.С..Федоровой,.С.С..Швыдченко,.А.В..Власенко,.И.А..Дубовик. Figure 1..vermibiofiltration module for treatment of recycled water in RAs 1.-.fish.pool;.1a.-.upper.drain;.1б.-.bottom.drain;.2.-.airlift.separator;.2a.-.the.lower.part.of.the.separator;. 2б.-.lift.pipe;.2в.-.air.feed;.2г.-.discharge.pipe;.3.-.vermifilter;.3a.-.distribution.troughs;. 3б.-.expanded.clay;.3в.-.gravel;.3г.-.mesh;.3д.-.substrate.with.vermiculture;.4.-.biofilter;.4a.-.false.bottom;. 4б -.coarse.gravel;.4в.-.fine.gravel;.4г.-.plastic.bio-loading;.5.-.sewage.pipe Source:.compiled.by.V.S..Fedorovа,.S.S..Shvydchenko,.A.V..Vlasenko,.I.A..Dubovik. Вермикультура. За время эксперимента численность популяции взрослых червей Eisenia foetida увеличилась более чем в 9 раз. К концу эксперимента культура дала второе поколение червей. В ходе исследований получена популяция червей, адаптированная к питанию отходами аквакультуры (рис. 2). Рис. 2. Колония компостного червя Eisenia foetida на субстрате из отходов аквакультуры Источник:.составлено.В.С..Федоровой,.С.С..Швыдченко,.А.В..Власенко,.И.А..Дубовик. Figure 2. A colony of the compost worm Eisenia foetida on a substrate of aquaculture waste Source:.compiled.by.V.S..Fedorovа,.S.S..Shvydchenko,.A.V..Vlasenko,.I.A..Dubovik. Показатели качества очистки воды. В таблице приведены гидрохимические показатели воды после рыбоводного бассейна и после прохождения через вермибиофильтр. Вермибиофильтрация существенно снижала содержание в воде неблагоприятных для рыб продуктов азотного и фосфорного обмена. Снижение уровня кислорода и повышение содержания СО2 обусловлены протекающими в вермибиофильтре биохимическими процессами. Показатели восстанавливались до технологической нормы после прохождения воды через альгофильтр. Основные показатели качества воды в рециркуляционной системе аквакультуры и их нормы для бассейновых хозяйств Показатели значения ОСТ 15.372- 87 на входе в бассейн Техноло- гическая норма Кратко- временно допустимые значения бассейн с рыбой n = 12 вермибиофильтр n = 12 1 2 3 4 5 6 t,.°С 21.±.1 21.±.1 - 19-23 ˂.26 рН 6,8.±.0,1 6,8.±.0,1 7,0-8,0 6,8-7,2 6,8-8,5 dKH,.Н° 6,2.±.0,2 6,2.±.0,3 - - - Окончание табл. 1 2 3 4 5 6 dGH,.Н° 19,4.+.1,1 18,8.+.1,4 3-4 5-8 20-25 O2,.мг/л 6,4.+.0,2* 2,8.+.0,4* - 5-12 4-8 CO2,.мг/л 22,5.+.2,4* 30,2.+.1,1* 10 25 30 NH3/NH4,.мг/л 4,2.+.0,4* 0,8.+.0,1* 1 2-4 10 NO2,.мг/л ..0,10.+.0,08* 0,01.+.0,0* 0,02 0,20 1,00 NO3,.мг/л 84.+.6* 42.+.4* 2-3 60 100 PO4,.мг/л 0,50.+.0,07* ...0,32.+.0,05* 0,3 0,2-0,5 2,0 Cl2,.мг/л 0 0 0 0 0 *.p.<.0,05 Источник:.составлено.В.С..Федоровой,.С.С..Швыдченко,.А.В..Власенко,.И.А..Дубовик. main indicators of water quality in a recirculating aquaculture system and their standards for pool farms Indicators Values Industry standard 15.372- 87 at the entrance to the pool Technological norm shortterm acceptable values Fish pool n.= 12 vermibio filter n.= 12 1 2 3 4 5 6 t,.°С 21.±.1 21.±.1 - 19-23 ˂.26 рН 6.8.±.0.1 6.8.±.0.1 7.0-8.0 6.8-7,2 6.8-8.5 dKH,.Н° 6.2.±.0.2 6.2.±.0.3 - - - dGH,.Н° 19.4.±.1.1 18.8.±.1.4 3-4 5-8 20-25 O2,.mg/l 6.4.±.0.2* 2.8.±.0.4* - 5-12 4-8 CO2,.mg/l 22.5.±.2.4* 30.2.±.1.1* 10 25 30 NH3/NH4,.mg/l 4.2.±.0.4* 0.8.±.0.1* 1 2-4 10 NO2,.mg/l. ..0.10.±.0.08* 0.01.±.0.0* 0.02 0.20 1.00 NO3,.mg/l 84.±.6* 42.±.4* 2-3 60 100 PO4,.mg/l 0.50.±.0.07* ...0.32.±.0.05* 0.3 0.2-0,5 2.0 Cl2,.mg/l 0 0 0 0 0 *.p.<.0.05 Source:.compiled.by.V.S..Fedorovа,.S.S..Shvydchenko,.A.V..Vlasenko,.I.A..Dubovik. заключение Согласно полученным данным, можно сделать вывод, что технология вермибиофильтрации является перспективным методом очистки воды и утилизации отходов в РАС. Данная методика обеспечивает улучшение качества воды для рыб, получение дополнительной органической продукции (биомассы червей и вермикомпоста), возможность интеграции в мультитрофные системы аквакультуры, повышающие эффективность и экономическую привлекательность производства. Дальнейшие исследования направлены на оптимизацию параметров вермибиофильтрации, разработку более эффективных конструкций фильтров и исследование потенциала технологии для очистки сточных вод различного происхождения. Внедрение предложенного способа очистки воды в аквакультуру повышает экологичность и устойчивость отрасли, обеспечивая производство здоровой и качественной рыбной продукции, а также дополнительных органических продуктов.

Об авторах

Валерия Сергеевна Федорова

Донбасский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: fvs.valeri.f@yandex.ru
кандидат фармацевтических наук, доцент, заведующий кафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности, Донбасский государственный технический университет; ведущий научный сотрудник АНО «Донбасский научно-исследовательский институт экотехнологий» Российская Федерация, 294204, Луганская Народная Республика, г.о. Алчевский, г. Алчевск, пр-т Ленина, д. 16 (главный корпус)

Сергей Степанович Швыдченко

Донбасский научно-исследовательский институт экотехнологий

Email: shvydchenko.1960@mail.ru
кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности, Донбасский государственный технический университет; директор АНО «Донбасский научно-исследовательский институт экотехнологий» Российская Федерация, 294204, Луганская Народная Республика, г.о. Алчевский, г. Алчевск, ул. Набережная, д. 10

Алексей Владимирович Власенко

Донбасский государственный технический университет

Email: fvs.valeri.f@yandex.ru
аспирант кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Российская Федерация, 294204, Луганская Народная Республика, г.о. Алчевский, г. Алчевск, пр-т Ленина, д. 16 (главный корпус)

Ирина Алексеевна Дубовик

Донбасский государственный технический университет

Email: irinna.dubovik.68@bk.ru
аспирант кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Российская Федерация, 294204, Луганская Народная Республика, г.о. Алчевский, г. Алчевск, пр-т Ленина, д. 16 (главный корпус)

Список литературы

Дополнительные файлы