Накопление CO2 и дегазация в УЗВ

Откуда берётся углекислый газ в УЗВ, какие концентрации источники считают вредными, как его удаляют дегазационные колонны и аэраторы и как CO2 связан с pH.

Удаление углекислого газа — один из пяти основных процессов установки замкнутого водоснабжения (УЗВ) наряду с циркуляцией, удалением взвеси, биофильтрацией и аэрацией (публикация SRAC 453). В отличие от аммиака, CO₂ не перерабатывается биофильтром: его нужно физически вытеснить из воды или сместить химически. В этом руководстве рассматриваются его источники, опубликованные пороги переносимости, устройства для удаления и связь с pH.

Источники CO₂ в замкнутом контуре

CO₂ образуется при дыхании рыбы и бактерий в системе (SRAC 452; руководство FAO). Eshchar, Mozes и Fediuk (2003) приводят выделение около 15 молей, или 660 г, CO₂ на килограмм корма, потреблённого золотистым спаром (Sparus aurata), в зависимости от массы рыбы и температуры. Нитрификация добавляет ещё: стехиометрия, сведённая в обзоре учебной программы по рыболовству Университета ООН, даёт 5,85 г CO₂ на грамм окисленного аммонийного азота. SRAC 453 отмечает, что поверхностная вода обычно содержит около 0,5 мг/л CO₂, тогда как в плохо спроектированной УЗВ его уровень может достигать 50–100 мг/л.

Станет ли это проблемой, решает стратегия оксигенации. Поскольку градиент парциального давления для CO₂ намного круче, чем для кислорода, аэрация атмосферным воздухом, покрывающая потребность в кислороде, как правило, покрывает и потребность в удалении CO₂ (Eshchar и соавт.). Системы на чистом кислороде уменьшают площадь контакта воздуха с водой, доступную для газообмена, поэтому CO₂ может накапливаться до токсичных уровней; SRAC 453 указывает, что схема с чистым кислородом должна дополняться узлом дегазации CO₂. В сверхинтенсивной морской системе в Эйлате дальнейшую интенсификацию при 94 кг/м³ ограничил высокий CO₂.

Воздействие и опубликованные пороги

Согласно SRAC 452, признаки стресса у рыбы появляются выше 20 мг/л, поскольку CO₂ мешает поглощению кислорода; поражённые рыбы собираются у поверхности возле аэраторов, становятся вялыми и резко снижают потребление корма. SRAC 453 добавляет, что высокий CO₂ снижает pH и может остановить работу нитрифицирующих бактерий, из-за чего растут аммиак или нитрит. Опубликованные пороги зависят от вида, размера и химии воды:

Руководство FAO: норма 10–15 мг/л, неблагоприятно выше 15 мг/л.
Eshchar и соавт. (2003) со ссылкой на более ранние работы: общая рекомендация — ниже 10 мг/л; взрослые лососёвые, по сообщениям, переносят 10–20 мг/л, сомы и тиляпия — значительно больше.
Mota и соавт. (2018), постсмолты атлантического лосося (Salmo salar) в солоноватоводной УЗВ при 12 ‰, шесть уровней от 5 до 40 мг/л в течение 12 недель: рост был значимо ниже при 12 мг/л и выше, а дерма кожи — тоньше при 40 мг/л; максимальный рост отмечен ниже 12 мг/л.
Summerfelt и соавт. (2018), постсмолты атлантического лосося в пресноводной УЗВ в течение 384 дней при 14,1 °C и щёлочности 237 мг/л в пересчёте на CaCO₃: 20 мг/л против 8 мг/л не дали значимой разницы в массе при выгрузке, кормовом коэффициенте и выживаемости.

Дегазационные башни и каскадные колонны

SRAC 453 называет широко применяемым устройством дегазации безнапорную насадочную колонну, или распылительную башню. Вода падает через насадку, а воздуходувка гонит навстречу ей воздух, обычно забираемый снаружи здания. Установки проектируют на максимальное соотношение газ/жидкость — как правило, 0,67–1,33 кубического фута воздуха в минуту на каждый галлон воды в минуту, что в пересчёте составляет примерно 5–10 объёмов воздуха на объём воды. В руководстве FAO ту же функцию выполняет капельный фильтр, или дегазатор: вода поступает через перфорированную распределительную плиту и падает сквозь уложенную пластиковую загрузку, что максимизирует турбулентность и контакт. FAO также отмечает, что дегазация удаляет не только CO₂, но и свободный азот.

Moran (2010) исследовал каскадную колонну высотой 1,7 м с блочной пластиковой насадкой при 15 °C и концентрации CO₂ на входе 10–60 мг/л. За один проход удалялось 67–89 % CO₂, причём эффективность росла с ростом входной концентрации. Принудительный противоток воздуха в этой колонне не улучшил дегазацию — вероятно, потому что пассивного притока воздуха было уже достаточно. В солёной воде при равной входной концентрации эффективность была ниже, и автор заключает, что удаление CO₂ в морских системах проблематичнее.

Аэраторы, эрлифты и воздуходувки

Подача воздуха воздуходувкой: производители тиляпии ценят попутную дегазацию CO₂. Вклад вносят и биофильтры с подвижной загрузкой — за счёт воздуха, приводящего загрузку в движение (SRAC 453).
Аэрационные колодцы: они одновременно перемещают воду и удаляют газы, но удаляют газы менее эффективно, чем капельный дегазатор (руководство FAO).
Эрлифты: Moran (2010) установил, что массоперенос у них ниже, чем в каскадной колонне; увеличение высоты подъёма повышало соотношение газ/жидкость и время контакта. Eshchar и соавт. приводят эффективность дегазации эрлифтными насосами 20–130 г CO₂ на кВт·ч.
Лопастное колесо против погружного аэратора в морском бассейне 100 м³: коэффициент переноса CO₂ составил 1,55 и 0,76 в час соответственно; лопастное колесо удаляло до 1200 г CO₂ в час при эффективности около 1,2 кг на кВт·ч (Eshchar и соавт.).

Важен источник воздуха. SRAC 453 сообщает, что большинство проблем с CO₂ в системах с воздуходувками возникает зимой, когда воздуходувки переносят в помещение и ограничивают вентиляцию ради экономии тепла: воздух в здании обогащается CO₂, тот диффундирует в воду, и в итоге pH падает, а аммиак и нитрит растут. Размещение воздуходувок снаружи или их разделение между помещением и улицей ограничивает этот эффект.

Связь с pH и щёлочностью

CO₂ реагирует с водой с образованием угольной кислоты и снижает pH (SRAC 452). При заданном общем содержании карбонатного углерода более высокий pH означает меньше свободного CO₂, поэтому CO₂ можно контролировать дегазацией, корректировкой pH или обоими способами (Eshchar и соавт.). SRAC 452 приводит диаграмму управления pH для 25 °C, где pH сопоставлен со щёлочностью: при низком pH и достаточной щёлочности требуется усилить аэрацию, а при низком pH и низкой щёлочности — вносить гидрокарбонат натрия вместе с аэрацией. Дегазация также локально повышает pH, поэтому на воздушных распылителях образуется накипь карбоната кальция (SRAC 453).

Эффект не только отрицательный. Более низкий pH уменьшает долю токсичного неионизированного аммиака в общем аммонийном азоте, и респираторный CO₂ описан как способ удерживать NH₃ на безопасном уровне, хотя низкий pH одновременно снижает нитрификацию (Eshchar и соавт.). Поэтому проект дегазации нужно рассматривать вместе с выбранной для биофильтра целевой величиной pH.