Очистка морской воды водорослями при содержании рыб в циркуляционной установке

Процесс создания публичных океанариумов в мегаполисах, удаленных от морского побережья имеет определенные особенности, вызванные главной причиной — полным отсутствием естественной морской воды, что вынуждает их владельцев прибегать к применению циркуляционных систем водоиспользования с искусственной морской водой.

В силу специфики работы подобных рекреационных систем возникает необходимость регулярной подмены этой воды до 10% в неделю (в частности, из-за сверхнормативного накопления в ней нитратов и фосфатов), что связано с большими финансовыми затратами.
Одним из перспективных способов изъятия из оборотной воды нитратов, фосфатов, а также других биогенных элементов является применение водорослей.
Вместе с тем данное направление в мировой аквакультуре развивается сравнительно недавно, исследования в этой области достаточно разобщены и фрагментарны, особенно если речь идет не о пресной, а о морской воде. Остро стоит проблема и о техническом воплощении результатов исследований в рассматриваемой сфере, обеспечивающем не только технологическую, но и экономическую эффективность данного метода очистки морской воды. Стоит отметить малое количество работ по этому направлению в нашей стране, хотя во всем мире оно считается перспективным.



Цель проведенных исследований — разработать биотехнические параметры применения водорослей для подготовки морской воды в установках с замкнутым водоиспользованием (УЗВ). В соответствии с этой целью ставились следующие задачи:
1. Осуществить подбор оптимального для использования в составе альгофильтра вида водорослей.
2. Определить количество потребляемых водорослями биогенных веществ и выделяемого ими растворенного кислорода.
3. Подобрать оптимальныепараметры источника освещения для эффективного осуществления очистки воды с использованием водорослей.
4. Дать оценку экономической эффективности применения водорослей для очистки оборотной морской воды в демонстрационных системах аквакультуры.
Материалы и методы исследований. Экспериментальные исследования проведены в период с 2012 по 2015 гг. на базе аквариальной ООО «Океанариум № 1» торгово-развлекательного комплекса «РИО» в г. Москве.
Подбор водорослей для очистки оборотной морской воды осуществляли путем сравнительного содержания четырех доступных нам видов: Ulvalactuca (Linnaeus, 1753), Caulerparacemosa (Fors-skal), (J. Adardh, 1873), Caulerpaprolifera (Forsskal), (J.V. Lamouroux, 1809), Chae-tomorphacrassa (C. Agardh), (Kutzing, 1854). Их размещали в одинаковых емкостях объемом по 6 л каждая, оснащенных системой циркуляции морской воды и биологическим фильтром. Контролем служила аналогичная циркуляционная система без водорослей. Емкости с водорослями освещали люминесцентными лампами GLO (FloraGlo, 40W, 2800 лк у поверхности воды) в режиме 12 ч. свет — 12 ч. темнота. В качестве источника метаболитов в системах использовали аквариумы объемом 80 л каждый с молодью красной тиляпии. Температуру воды поддерживали на уровне 25°С, кормление рыбы осуществляли 4 раза в сутки. Исследования проводили 154 дня одновременно в двух повторностях. В процессе опыта контролировали динамику основныхгидрохимических показателей, прирост массы рыбы и водорослей, осуществляли визуальный контроль общего состояния гидробионтов.
Исследовали динамику pH, окислительно-восстановительного потенциала, температуры, солёности (мульти-метр Ultrameter 2, MYRONL, 6FCE); освещённости (люксометр MilwakeeMW 700); концентрации кислорода (Оксиметр НасКН^-30ф; общего аммонийного азота (метод Сэджи-Солорзано); нитритного (метод Бендшнайдера и Робинсона) и нитратного азота (метод восстановления нитрата до нитрита в кадмиевых колонках); фосфатов (метод Морфи-Райли) (Руководство по химическому анализу морских и пресных вод, 2003).
При разработке оптимального источника освещения для определения свето-поглощающей способности водорослей использовали спиртовую вытяжку фотосин-тезирующих пигментов (Синицына и др., 2008). Исследованию подвергалась лишь Саи1етрартоЩета, показавшая наилучшие предварительные результаты при выращивании в альгофильтре, и цианобактерии, чтобы учесть их спектр поглощения при подборе светодиодов для снижения нежелательных обрастаний. Полученные спиртовые вытяжки подвергались спектрофо-тометрии (спектрофотометр ПЭ-5400) при пятикратной повторности, на°Сновании полученных данных спектров поглощения света произвели выбор длин волн светоди-одов освещения.
Полученные данные проходили опытную проверку. Одна группа водорослей освещалась экспериментальным светильником (опыт), контрольная — серийным светодиодным светильником, спектр которого приближен к солнечному. Показателем эффективности светоисточни-ка являлась интенсивность фотосинтеза, определяемая через увеличение концентрации кислорода в воде (мг 02/л в час). При определении оптимальной интенсивности освещения ёмкости с подобранным видом водоросли освещали диодными светильниками с интенсивность 3, 5, 9, 11, 15, 22 тыс. лк. Процесс фотосинтеза контролировали по скорости выделения кислорода. После двухмесячной эксплуатации экспериментальной и контрольной систем получены данные о потреблении водорослью биогенных веществ в пересчёте на 1 кг сырой массы.
Результаты исследований обработаны статистически с помощью пакета прикладных программ MicrosoftOffice, 2010.
Результаты исследований. Из четырех исследованных водорослей наиболее устойчивыми к специфическим условиям УЗВ (в том числе к высокому уровню органического загрязнения) показала себя Саи1еграргоЩега, которая оказалась более приспособленной к искусственным условиям содержания в составе альгофильтра, что и определило ее использование в последующих опытах.
На первом этапе изучалась работа системы с очисткой воды исключительно силами водорослевого фильтра, контролем служила система с нитрифицирующим фильтром. Обобщённые результаты гидрохимических исследований (табл. 1) показали, что в опытной системе с водорослями уровни кислорода и рН были достоверно выше, чем в контрольной системе циркуляции, а содержание аммонийного азота, нитритов, нитратов и фосфатов — достоверно ниже, что говорит о положительном влиянии водорослевой очистки на значение данных показателей.
Средняя концентрация кислорода в опыте (30 сут.) составила 7,27 мг/л, а в контроле — 5,8 мг/л. Каулерпа успешно выполняла функцию насыщения воды кислородом с интенсивностью 9,6 мг на 100 г сырой массы в час.
Уровень аммонийного и нитрит-ного азота в опытной системе оставался на минимальном уровне. В контрольной системе отмечен постепенный рост данных показателей к концу эксперимента до 0,4 и 0,6 мг/л соответственно. Уровень нитратов в контрольной системе закономерно вырос до 88 мг/л, тогда как в опытной системе содержание нитратов и их рост фиксировались только в последние 3 сут. опыта (до 20 мг/л), что, по-видимому, связано с заметно возросшей ихтиомассой в системе.

Таблица 1

Результаты гидрохимических исследований при эксплуатации системы с альгофильтром и без него

Результаты гидрохимических исследований при эксплуатации системы с альгофильтром и без него

Примечание. Различия достоверны при уровне надежности: *99,9%; ** 99%; *** 95%.
Увеличение концентрации фосфатов происходило достаточно медленно, как в опытной с водорослями (до 0,1 мг/л), так и в контрольной (до 0,25 мг/л) системах.
В целом стабильная работа опытной системы продолжалась при увеличении количества вносимого корма (в пересчете на протеин) до 2,7 г в сутки при соотношении массы рыб к массе водорослей 1:8. Дальнейшее увеличение нормы кормления ухудшало стабильность допустимого гидрохимического режима по°Сновным изучаемым показателям.
При эксплуатации системы, сочетающей водорослевый и нитрифицирующий фильтры, уровень кислорода, рН и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) был достоверно выше, а содержание нитратов и фосфатов — достоверно ниже, чем в контрольной системе циркуляции, что вновь говорит о положительном влиянии водорослевой очистки на параметры водной среды (табл. 2). Аммонийный и нитритный азот ни в одной из систем не обнаруживался, что свидетельствует о нормальном режиме работы в их составе нитрифицирующих биофильтров, полностью преобразующих аммонийные и нитритные соединения в слаботоксичные нитраты. При этом в течение месяца рН: контрольной системы постепенно снижался с 7,61 до 7,28. Опытная система с альгофильтром демонстрировала достаточно динамичный рост значения рН с 7,53 до 8,01 - уровня, характерного для естественной морской воды.
ОВП на протяжении эксперимента (30 сут.) отличался значительными колебаниями в обеих системах, однако среднее значение оказалось достоверно выше в опытной системе по сравнению с контрольной, что указывает на меньшее органическое заряз-нение воды.
Концентрация нитратов в опытной системе постепенно росла, а затем стабилизировалась на уровне 75-80 мг/л с тенденцией постепенного снижения. В контрольной системе без альгофиль-тра отмечен закономерный интенсивный рост концентрации нитратов, указывающий на стабильное протекание процесса нитрификации в биологическом фильтре. В результате в конце эксперимента их концентрация достигла 200 мг/л и была достоверно выше таковой в опытной системе циркуляции.

Таблица 2

Результаты гидрохимических исследований при эксплуатации системы в сочетании альгофильтра с нитрифицирующим фильтром (опыт) и без альгофильтра (контроль)

Результаты гидрохимических исследований при эксплуатации системы в сочетании альгофильтра с нитрифицирующим фильтром (опыт) и без альгофильтра (контроль)

Примечание. Различия достоверны при уровне значимости: *99,9%; **99%; ***95%.

Аналогичная картина отмечена и в динамике концентрации фосфатов, которая в опытной системе с альгофильтром была достаточно стабильна и не превышала 0,4 мг/л. В контрольной системе она достигла 2 мг/л, при этом скорость накопления фосфатов значительно возрастала. Очевидно, что в опытной системе водоросли альгофильтра активно поглощали фосфаты, тогда как в контрольной происходило их накопление.
Установлено, что в пересчёте на 1 кг сырой массы в системе без нитрифицирующего фильтра Саи1етрартоЩета ежесуточно потребляла 4,9 мг аммонийного, 665 мг нитратного азота, 1,66 мг фосфатов. При использовании нитрифицирующего фильтра (аммонийный азот отсутствует) ежесуточное поглощение фосфатов возрастает до 16,1 мг/кг биомассы водоросли, а нитратного азота - до 1132,4 мг/кг (в 9 и 1,5 раза соответственно).
Средний прирост за неделю биомассы каулерпы на барабанной системе альго-фильтра без нитрифицирующего фильтра составлял39,6%и 44,1% с нитрифицирующим фильтром (достоверность различий 95%).
При опытной эксплуатации циркуляционных систем с очисткой воды исключительно с помощью альгофильтра общая масса рыб постепенно увеличивалась, достигнув к концу месяца около 120 г. Приемлемое качество воды обеспечивалось при удельной ихтиомассе 466 г/м3 бъёма системы. Данный показатель в два раза меньше удельной ихтиомассы, применяемой в публичных морских океанариумах (919 г/м3 объёма системы). Таким образом, оптимальное отношение массы водоросли к массе рыб в данном варианте эксплуатации системы составило 8:1.
При использовании водорослевого фильтра совместно с нитрифицирующим биомасса каулерпы в 617...660 г обеспечивала стабильную работу замкнутой системы при ихтиомассе 160 г (0,988 кг/м3), т.е. позволяла поддерживать требуемое качество оборотной воды при более высокой ихтиомассе, причем в опытной системе концентрация биогенов была практически неизменна, в то время как в контрольной наблюдается ее рост в геометрической прогрессии.
Достигнутая удельная ихтиомасса 988 г/м3 при сохранении требуемого качества воды оказалась даже несколько выше общепринятой в океанариумах - 919 г/м3 объёма системы е! а1., 2009).
При этом соотношение массы водоросли к массе рыб составило 4:1.
Таким образом, применение нитрифицирующего фильтра совместно с водорослевым фильтром позволяет увеличить общую ихтиомассу в системе циркуляции более чем в 2 раза при одновременном сохранении требуемого качества воды по сравнению с применением только системы водорослевой очистки.
В дальнейшем были установлены зависимости коэффициента поглощения света от длины волны излучения образцов водоросли (С. ртоЩета) и цианобак-терий. Их сопоставление позволило выделить ту часть спектра, которая благоприятна для культивируемой водоросли, и в то же время не способствует росту ци-анобактерий. Установлено, что для освещения водорослевого фильтра с макроводорослью С. ртоЩета в идеале необходим источник освещения с тремя пиками излучения: 340 нм, 470 нм и 660 нм в соотношении 4,0:1, 3:1,0. Однако использование диодов ультрафиолетового диапазона (340 нм) причем в количестве, превышающем красные и синие вместе взятые, оказалось по ряду причин проблематичным. Поэтому мы ограничились применением конструкции, включающей в себя 21 красный диод (660 нм) мощностью 3 вт каждый и 21 синий диод (470 нм) мощностью по 3 вт (табл. 3), (соотношение, близкое к расчетному).

Таблица 3

Скорость выделения кислорода в зависимости от типа светильника,

Скорость выделения кислорода в зависимости от типа светильника,

• Различия достоверны при уровне значимости 95%.

Интенсивность фотосинтеза оценивалась по скорости роста в воде содержания кислорода (Синицина и др., 2008; Janssenetall, 2002), которая на 1 г биомассы водоросли составила 0,214 мг/ч при опытном освещении и 0,156 мг/ч, при стандартном освещении солнечного спектра.
Таким образом, скорость выделения кислорода при использовании экспериментального источника освещения оказалась в 1,4 раза, или на 37% достоверно выше по сравнению с контролем. Одновременно разработанный источник освещения оказывал угнетающее действие на развитие обрастаний цианобактериями, тогда как при обычном освещении отмечено интенсивное обрастание стенок ёмкости альго-фильтра.
При освещении каулерпы диодными светильниками с интенсивностью от 3 до 22 тыс. лк интенсивность фотосинтеза контролировали по скорости выделения кислорода. При 3 тыс. лк она составляла 1,65 мг02/л в 1ч, а при 11 тыс. лк достигла максимума — 2,91 мг02/л в 1ч. Дальнейшее увеличение уровня освещенности не привело к росту скорости выделения кислорода.
Таким образом, оптимальная интенсивность освещенности разработанного светодиодного светильника для водоросли Саи1етрартоЩета составляет 11 тыс. лк, что соответствует излучению 546 вт/м2 на расстоянии 5.. .10 см от поверхности воды и ее глубине 40 см. Что касается продолжительности применения искусственного освещения альгофильтра в течение суток, то наиболее предпочтительно круглосуточное применение. Данная рекомендация достаточно закономерна, поскольку выключение света приводит к прекращению процессов фотосинтеза, соответствующего выделения кислорода и поглощения биогенных соединений.
На основании проведённых исследований нами была разработана экспериментальная замкнутая система с барабанным альгофильтром общим объёмом 162 л, описанная нами ранее (Жигин, Дементьев, 2015).
Экономическая оценка результатов исследований дана на примере океанариума ТРЦ «РИО» путем сопоставления эксплуатационных затрат, связанных с приготовлением и расходом искусственной морской воды и расходом электроэнергии при эксплуатации альгофильтра в системе циркуляции или без его применения (табл. 4).

Таблица 4

Экономическая эффективность применения альгофильтра на 1 м3 системы циркуляции (в ценах 2015 г.)

Экономическая эффективность применения альгофильтра на 1 м3 системы циркуляции (в ценах 2015 г.)

Включение альгофильтра с водорослью Саи1етрартоЩета в систему водоподго-товки экспозиционного морского аквариума позволит сократить ежемесячные расходы денежных средств на 1603 руб./м3 объема системы циркуляции, обеспечивая при этом качество воды даже на более высоком уровне, чем при использовании ее подмены в количестве 12,5% еженедельно. При этом срок окупаемости затрат на его изготовление составляет 6 мес.

Выводы

В целях повышения эффективности очистки оборотной воды морских циркуляционных экспозиционных систем и снижения затрат на их эксплуатацию рекомендуется:

1. Включать в состав системы очистки оборотной воды альгофильтры барабанного типа с использованием зеленых водорослей, в частности каулерпы (Саи1еграргоЩега) в системе без нитри-

фицирующего фильтра из расчета ежесуточного поглощения на 1 кг своей массы до 4,9 мг аммонийного азота, 1,7 мг фосфатов, 665 мг нитратного азота; при использовании нитрифицирующего фильтра - 16,1 мг/кг фосфатов, 1132,4 мг/кг нитратного азота при температуре воды 25°С.
2. Для освещения водоросли Caulerpa-prolifera в альгофильтре и одновременного подавления развития нежелательных циа-нобактерий наиболее эффективно использовать светодиоды трёх типов, с длинами волн 340, 470 и 660 нм в соотношении 4,0:1, 3:1,0. Оптимальная освещенность водорослевого фильтра составляет около 11 тыс. лк в круглосуточном режиме, что соответствует излучению светодиодного светильника мощностью 130 Вт на расстоянии 5...10 см от поверхности воды, при ее глубине 40 см. Указанные выше условия обеспечат источник освещения 546 Вт/м2

Жигин Алексей Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, профессор кафедры аквакультуры и пчеловодства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 127550, г. Москва, Прянишникова ул., д.49; тел. 8-905-773-83-68, е-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..
Дементьев Дмитрий Викторович, аспирант кафедры аквакультуры и пчело-водстваРГАУ-МСХАимениК.А. Тимирязева, 127550, г. Москва, Прянишникова ул., д.49; тел. 8-499-976-33-67, е-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

Поиск по сайту

Переводчик сайта

Мы теперь в ВКонтакте присоединяйтесь!

Showcases

Background Image

Header Color

:

Content Color

: