Рыбоводные комплексы с замкнутым циклом водообеспечения (Филатов В.И., Киселев А.Ю. и Слепнев В.А., ВНПО по рыбоводству) (УДК 639.3, 639.3:628.1)

Известные ныне системы культивирования можно разделить на две большие группы - открытые и закрытые.

К первой группе относятся хозяйства, построенные на базе освоения естественных водных экосистем (озер, водохранилищ, прудов и др.). Для нормального их функционирования требуется большое количество воды, земельных ресурсов. Технологический процесс находится под слабым контролем человека и зависит от внешних климатических условий. Рыбопродукция формируется в основном за счет естественных кормовых запасов водоема, а также дополнительно применяемых комбикормов и удобрений. К этой группе принадлежат прудовое рыбоводство, товарное выращивание рыбы в озерах, водохранилищах, садковое и бассейновое рыбоводство.

Вторая группа объединяет методы культивирования рыб и других объектов в искусственно создаваемых условиях в системах с замкнутым циклом водообеспечения. Оптимизация условий содержания позволяет добиться повышения продуктивности вида до максимальных значений при рациональном использовании применяемых кормов. Процесс выращивания полностью контролируется человеком и практически не зависит от внешних климатических условий.

Выбор системы культивирования, как объекта исследований и дальнейшей работы, производился на основе данных об эффективности утилизации потока в тех или иных формах аквакультуры. При этом исходили из положения, что эффективность данного процесса, в свою очередь зависящего от сбалансированности трофических цепей в системе, определяет полноту использования энергии на рост рыб, количество получаемой продукции и отходов, соотношение между ними, возможность дальнейшей переработки последних.

В качестве примера выбраны: пастбищное выращивание рыбы в водохранилищах при расчетном годовом выходе продукции 10-10² кг/га, прудовое рыбоводство-экстенсивная (10³ кг/га) и интенсивная (0,5-1·10⁴ кг/га) формы, индустриальная аквакультура в комплексах с замкнутым циклом водоснабжения производительностью 0,5-1·10⁶ кг/га.

В расчетах принято содержание энергии в 1 кг сырой массы рыбы 1000 ккал (Винберг, 1956), в 1кг комбикормов - 4000 ккал. Значения первичной продукции для водоемов, отличающихся различной степенью эвтрофикации, приняты согласно классификации Бульона (1983). Расход земельной площади, воды, кормов, электроэнергии определены на основе существующих нормативных документов и материалов работ индустриальных предприятий.

Расчеты показали, что в системах, отличающихся относительной простотой пищевой цепи корм - рыба (пастбищное выращивание растительноядных рыб, индустриальная аквакультура), утилизация поступающей энергии может достигать 10 %, то есть отвечать критерию сбалансированных экосистем. При этом, если при пастбищном рыбоводстве выход рыбопродукции может составлять 0,01 кг/м² (100 кг/га) в год, то в индустриальной аквакультуре производительность в зависимости от технического и технологического совершенства установки может достигать 100 кг/м² (1000т/га) в год и более.

Потери энергии в количестве 9 ·10³ ккал/кг выращенной рыбы в обоих случаях практически не представляют серьезной опасности для загрязнения окружающей среды. При пастбищном выращивании распределение неутилизированной части энергии происходит на площади до 100 м². Ее составляющими, помимо тепла, являются легкоминерализуемые компоненты - жидкие и твердые экскременты рыб, остатки фито- и зоопланктона, которые легко вовлекаются в кругооборот веществ в водоеме.

В индустриальной аквакультуре, напротив, концентрация отходов происходит на небольшой площади - до 9·10⁵ ккал/м². Это создает благоприятные условия для включения в систему блока утилизации с дальнейшей переработкой отходов. Таким образом, в указанных системах выращивания рыбы обеспечиваются условия для экологически чистого технологического процесса.

При выращивании рыбы в прудах вследствие усложнения трофических взаимодействий, применения дополнительного кормления усвоение поступающей энергии снижается в несколько раз относительно рассмотренных систем. Соответственно увеличивается количество неиспользованной энергии. Причем часть отходов имеет более инертную форму - остатки несъеденных и непереваренных рыбами комбикормов, которые медленно разлагаются и вовлекаются в кругооборот веществ. Это приводит к постепенному накоплению балластных веществ, увеличению иловых отложений в водоеме, что способствует разбалансированию данной системы. Перечисленные причины ограничивают дальнейший рост выхода продукции в прудовом рыбоводстве (для которого 10 т/га являются предельной или близкой к ней величиной), требуют значительных затрат энергии и водных ресурсов на поддержание пруда в равновесном состоянии и, в конечном итоге, приводят к получению нестабильных результатов и загрязнению окружающей среды.

Таким образом, анализ различных систем выращивания рыбы показал, что условия практически неограниченного увеличения продуктивности разводимых видов рыб при одновременном создании экологически безвредной технологии удовлетворяют индустриальные методы аквакультуры в комплексах с замкнутым циклом водообеспечения.

Использование индустриальных комплексов для выращивания позволяет, используя биологическую особенность организма рыб производить больше протеина на единицу затраченного корма, более успешно конкурировать с другими видами животноводства. Так, с учетом площадей сельхозугодий, необходимых для производства нужного количества комбикормов для 1000 т рыбы в индустриальной аквакультуре будет достаточно примерно 400 га (1 га - собственно комплекс, 399 га - площадь сельхозугодий), в то же время в птицеводстве эта площадь возрастает в 2-2,5 раза, свиноводстве - в 7-10, скотоводстве - в 50 раз, в основном за счет увеличения кормовых сельхозугодий.

С целью обоснования выбора тех или иных методов очистки оборотной воды были разработаны нормы органических и азотистых загрязнений, выделяемых рыбой.

Для этого, применительно к молоди и производителям карпа, была проведена математическая обработка результатов химических анализов проб воды, экскрементов, корма и рыбы, полученных балансовыми опытами, выполненными в установках с замкнутым циклом водообеспечения (УЗВ).

Были апробированы две математические модели, обычно используемых для выполнения физиологических экспериментов. Наиболее надежным и представительным оказалось использование степенных уравнений с применением регрессивного анализа. Получены уравнения удельного загрязнения, выделяемого карпом в зависимости от массы тела и температуры воды для следующих показателей: аммонийный азот, азот растворенных веществ, азот экскрементов, суммарный азот, ХПК растворенных веществ, ХПК экскрементов, суммарный ХПК, имеющие вид:

R=M·К·mⁿ·2,25^{0,1(t°-27°)}, где

R = удельное загрязнение, г·кг^-1Хсут^-1

М - общая масса рыб в системе, кг;

m - индивидуальная масса рыб, г^-1;

t° - температура, °С;

К, n - эмпирические коэффициенты.

Более подробное описание уравнений и прогностической модели дано в другой работе (Филатов и др., 1990)^*.

^* (В. И. Филатов и др. Состояние и перспектива рыбоводства в замкнутых системах в СССР.- Сб. научн. тр.: Водные биоресурсы и экология гидробионтов. М./ВНИИПРХ, 1990, в. 59, С. 46-56.)

Полученные уравнения использованы в общей математической модели УЗВ. Аналогичные материалы получены также и на форели.

Известно, что управление и поддержание таких факторов среды, как освещенность, температура, концентрация кислорода в воде, легко реализуются технико-конструктивными решениями, однако даже простой прогноз и элементы управления химическим составом циркуляционной воды являются наиболее сложной и трудно поддающейся проблемой в практике УЗВ. В связи с этим основной задачей математической модели рыбоводной системы оборотного водоснабжения являлась разработка модели прогнозтической ситуации гидрохимических показателей оборотной воды в рыбоводных УЗВ.

Базисная концепция разрабатываемой модели использует балансовый подход к функционированию УЗВ. Изменение концентрации гидрохимических показателей в любой точке (блоке) УЗВ можно рассчитать, зная химический состав воды на входе в этот блок и кинетику превращения веществ в нем. Настоящая модель составлена на основе кинетических уравнений каждого блока системы, объединенных балансовым равенством и рассматриваемая как единый массовый поток по всем точкам УЗВ. Пока применимость этой модели ограничивается прогнозом таких наиболее важных показателей качества воды, как аммонийный азот и химическое потребление кислорода в любой точке системы и в любой момент времени в УЗВ. Приведенное ниже математическое описание модели рыбоводной УЗВ было реализовано программой на алгоритмическом языке БЕЙСИК.

Для проверки работоспособности прогностической модели сравнивали реальные данные по ХПК и N-NH₄ на установке - УЗВ-10 (10т/г.) и предсказанные на основе модели. Концентрации этих веществ, рассчитанные на ЭВМ, были близки к наблюдаемым величинам на установке, что характеризует адекватность предложенной модели.

Полученные данные были использованы для анализа систем биологической очистки оборотной воды.

В основу проводимой оценки ставились следующие требования, диктуемые спецификой рыбоводных установок с оборотным водообеспечением: методы очистки должны быть достаточно интенсивными и эффективными, обеспечивающими требуемое качество при минимальных потерях оборотной воды; в процессе очистки вода должна сохранять свои природные свойства; простота в устройстве и эксплуатации.

Анализ состава загрязнений оборотной воды показывает, что узел ее очистки и обработки должен предусматривать удаление нерастворимых примесей, очистку от растворенных органических загрязнений, удаление аммонийных солей и окисных форм азота, стабилизацию газового состава (удаление СО₂, N₂, насыщение воды О₂), терморегуляцию, обеззараживание воды и обработку осадка.

Учитывая изложенные требования, наиболее приемлемым является биологический метод очистки в сочетании с механическим. К преимуществам биологического метода можно отнести его универсальность, достижение высокой степени очистки воды от различных органических веществ и азотистых соединений при сохранении природных свойств воды с меньшими затратами по сравнению с другими методами, например, физико-химическим.

Сооружения биологической очистки можно разделить на три основные группы систем - с применением биологических прудов; с аэротенками и их модификациями; а также с использованием биофильтров.

Анализ работы ряда действующих рыбоводных установок с оборотным водоснабжением позволил провести их сравнение по соотношению объемов рыбоводных емкостей к объему очистных сооружений и плотности посадки рыбы в бассейнах (К₀), по соотношению масс рыбы и воды в процентах.

В системе биологических прудов, работа которых основана на использовании естественных биохимических процессов, соотношение объемов очистных сооружений и рыбоводных емкостей составляет:

при подпитке свежей водой 20 % в сутки к общему объему системы. Использование такого типа очистки для круглогодичного выращивания рыбы в регулируемых параметрах среды вне сомнения экономически нецелесообразно.

Более широкое распространение получили системы с блоками очистки типа аэротенков и биофильтров.

При использовании аэротенков Ко составляет от 5 до 10, аэротенков-отстойников - 3-5. Однако, несмотря на большую интенсификацию процессов очистки, качество оборотной воды не всегда удовлетворительно.

Исходя из опыта работы рыбоводных систем с аэротенками необходимый объем блоков очистки должен составлять не менее 5-10 объемов при плотности посадки карпа 1:10 (Феофанов и др., 1985).

С этих позиций для очистки оборотной воды более перспективно применение закрепленных биоценозов в биофильтрах различной модификации. В этих сооружениях обеспечивается высокая концентрация биомассы.

Среди рассмотренных видов биофильтров наиболее перспективными являются биофильтры с плоскостной и плавающей загрузкой, лишенные недостатков биофильтров с объемной загрузкой (инертный объем, периодическая промывка и остановка) и вращающихся биофильтров (ограниченный объем, применение подвижных узлов).

Поэтому дальнейшие расчеты были проведены для первых двух типов биофильтров.

Результаты исследований позволили разработать методику расчета узлов механической (скорость фильтрования, м/г; высоту загрузки; интенсивность воздушной промывки фильтра, л·с/м²; крупность фракций загрузки, мм; коэффициент ошибки, %) и биологической очистки воды для рыбоводных УЗВ.

Расчеты блока биологической очистки позволяют определить окислительную мощность биофильтра (м²/сут), удельную поверхность загрузки (м²/м³), гидравлическую нагрузку на биофильтр (м³/м²·сут), объем затопленного биофильтра-нитрификатора, высоту загрузки в м, удельную производительность по NH⁺₄ (г/м³·сут) или NH⁺₄ (г/м²·сут).

Полученная математическая модель позволяет проектировать линии автоматизированного контроля управления параметрами работы УЗВ.

На базе полученных данных разработаны реальные проекты УЗВ, созданы и испытаны установки по производству посадочного материала и товарного карпа мощностью соответственно 10 и 40 т в год, разработана технология полицикличного производства форели, карпа, канального сома, тиляпии. Отрабатывается технология комбинированного ведения хозяйства, сочетающая индустриальные и традиционные методы рыбоводства в прудах и естественных водоемах.