Накопление нитрата и денитрификация в УЗВ

Почему нитрат накапливается в УЗВ с малым водообменом, какие уровни источники связывают с вредом для рыб, как его ограничивает водообмен и как работают денитрификационные реакторы.

Почему накапливается нитрат

Нитрификация в биофильтре превращает аммиак, выделяемый рыбами, в нитрит, а затем в нитрат — конечный продукт процесса. Исследование 2018 года в журнале ACS Omega обобщает азотные балансы аквакультурных систем с нитрифицирующим биофильтром: выращиваемые объекты усваивают лишь 25–40 % азота, поступающего с кормом, 30–40 % остаётся в виде органического азота в фекалиях и несъеденном корме, а около 30 % выделяется как аммоний и превращается в нитрат. Там же отмечено, что при малом водообмене нитрат в установке замкнутого водоснабжения (УЗВ) может накапливаться до 500 мг/л нитратного азота (NO3-N).

Действие на рыб по данным источников

Нитрат — наименее токсичное из азотистых соединений в УЗВ. Википедия со ссылкой на учебник по УЗВ Тиммонса и Винчи приводит значения LC50 за 96 часов (концентрация, убивающая половину подопытных рыб за 96 часов) выше 1000 мг/л в пресной воде. Хронические эффекты проявляются при гораздо меньших уровнях:

• Руководство FAO по рециркуляционной аквакультуре указывает, что нитрат выше 100 мг/л, по-видимому, снижает рост и эффективность использования корма; в его таблице качества воды нормой считается 100–200 мг/л NO3-, а неблагоприятным — более 300 мг/л.
• Публикация SRAC 452 характеризует нитрат как относительно нетоксичный, кроме очень высоких концентраций — свыше 300 ppm (мг/л).
• Статья в ACS Omega приводит концентрации выше 125 мг/л NO3-N как потенциально вредные для роста некоторых видов, например тюрбо и креветок, особенно на ранних стадиях развития, и ссылается на австралийско-новозеландские руководства по качеству воды, предлагающие держать нитрат ниже 50 мг/л для пресноводных и 100 мг/л для морских видов.
• В трёхмесячном контролируемом исследовании молоди радужной форели (Oncorhynchus mykiss) в шести одинаковых УЗВ Дэвидсон и соавторы сравнили средние 30 и 91 мг/л NO3-N. Рост достоверно не различался, но выживаемость при высоком уровне была ниже (на грани статистической значимости), итоговая биомасса — достоверно ниже, а рыб, плавающих на боку, было достоверно больше. Авторы заключили, что 80–100 мг/л NO3-N были связаны с хроническими нарушениями здоровья и благополучия в условиях исследования.

Более раннее исследование той же группы выявило более быстрое плавание и больше рыб, плавающих на боку, у форели в УЗВ с малым водообменом (гидравлическое время удерживания 6,7 суток), а также больше деформаций и смертности при почти нулевом водообмене; среди параметров, потенциально связанных с этим, назывались нитратный азот и растворённый калий, но единственная причина доказана не была.

Водообмен и его цена

Разбавление — самый простой способ контроля. SRAC 452 отмечает, что большинство систем рассчитано на замену 5–10 % объёма в сутки, что предотвращает накопление нитрата и растворённой органики, и рекомендует полную смену воды после каждого производственного цикла. Там же замечено, что во многих системах, по-видимому, идёт некоторая денитрификация, помогающая держать нитрат ниже токсичных уровней. Руководство FAO даёт порог: в обычных условиях более 300 л свежей воды на 1 кг корма достаточно для разбавления нитрата; при меньшем расходе стоит рассмотреть ступень денитрификации.

Проблема в том, что смысл рециркуляции — экономия воды. Другие ступени очистки задачу не решают: в одинаковых форелевых УЗВ озонирование улучшило ряд показателей воды, но не предотвратило накопление нитрата (см. отдельное руководство по озону и ОВП). В четырёхмесячном опыте УЗВ с мембранными биореакторами с активным илом заменяли 1,2 % объёма системы в сутки против 7,8 % в контрольных системах, при этом рост, конверсия корма и выживаемость форели не изменились; нитратный азот в системах с малым водообменом был, однако, достоверно выше.

Как работает денитрификация

Денитрификация — микробное восстановление нитрата через нитрит, оксид азота и закись азота до газообразного азота, который уходит в атмосферу. По данным Википедии, её осуществляют в основном факультативно анаэробные гетеротрофные бактерии, в том числе псевдомонады, которые используют нитрат вместо кислорода при окислении донора электронов, например органического вещества; известны и автотрофные денитрификаторы, такие как Thiobacillus denitrificans. Руководство FAO называет Pseudomonas преобладающим денитрифицирующим родом в УЗВ и описывает процесс как анаэробный.

Денитрификационные реакторы и источники углерода

Руководство FAO описывает денитрификационную камеру, заполненную загрузкой биофильтра и рассчитанную на время пребывания 2–4 часа. Процессу нужен источник органического углерода; при использовании метанола требуется около 2,5 кг на 1 кг удалённого нитратного азота. Поток регулируют так, чтобы на выходе оставалось около 1 мг/л кислорода. Образуется много осадка, и установку обычно промывают обратным током раз в неделю.

Статья в ACS Omega перечисляет основные варианты. В гетеротрофные реакторы добавляют источник углерода, например метанол, чтобы обеспечить достаточное соотношение углерода и азота. Без метанола можно обойтись, используя эндогенный углерод, что может потребовать предварительного сбраживания органического материала, например осадка самой фермы. Автотрофные реакторы используют диоксид углерода как источник углерода и газообразный водород как источник энергии; водород подают из баллона или получают на катоде электролитической ячейки (биоэлектрохимическая денитрификация). В опыте с мембранными биореакторами периодическое добавление углерода также было названо способом улучшить денитрификацию и восстановление щёлочности.

Денитрификация также возвращает щёлочность. Д. Э. Брюн в журнале World Aquaculture сообщает, что системам, сочетающим нитрификацию и денитрификацию, добавление щёлочности не требуется (см. руководство по щёлочности и pH в УЗВ).

Как читать динамику нитрата

Таблица неисправностей FAO связывает снижение уровня нитрата с анаэробной активностью и относит к той же причине образование сероводорода; в обоих случаях рекомендуется усилить аэрацию и очистить биофильтр. Регулярный контрольный список FAO включает тесты на аммиак, нитрит, нитрат и pH.