Лужність і керування pH в УЗВ

Як нітрифікація та CO2 знижують pH в УЗВ, скільки лужності втрачається, як її поповнюють гідрокарбонатом натрію та іншими основами і які цільові діапазони дають джерела.

Чому pH в УЗВ знижується

Публікація SRAC 452 називає дві причини: нітрифікувальні бактерії утворюють кислоту й витрачають лужність, а риби та мікроорганізми виділяють діоксид вуглецю (CO2), який, реагуючи з водою, утворює вугільну кислоту. Посібник FAO з рециркуляційної аквакультури наводить ту саму пару — CO2 від риб і діяльності біофільтра та кислоту, що виділяється під час нітрифікації, — як два головні чинники зміни pH. Без цілеспрямованого додавання основи pH в установці замкненого водопостачання (УЗВ) тому поступово знижується.

Скільки лужності витрачає нітрифікація

Лужність — здатність води нейтралізувати кислоту; її виражають у мг/л у перерахунку на карбонат кальцію (CaCO3). У матеріалі для Global Seafood Alliance К. Е. Бойд (Обернський університет) пояснює, що нітрифікація вивільняє два іони водню на кожен іон амонію, окиснений до нітрату, і що нітрифікація 1 мг/л амонійного азоту може знизити лужність на 7,14 мг/л. За його словами, в УЗВ та інших інтенсивних системах з малим водообміном за високої швидкості нітрифікації помітна втрата лужності можлива протягом однієї доби.

У журналі World Aquaculture Д. Е. Брюн зіставляє два практичні правила. Теоретична величина 7,14 г лужності (як CaCO3) на 1 г нітрифікованого амонійного азоту відповідає 2,0 мг-екв лужності на 1 мг-екв окисненого загального амонійного азоту (TAN). Польове правило — близько 0,25 кг гідрокарбонату натрію (NaHCO3) на 1 кг корму — відповідає приблизно 1,0 мг-екв на мг-екв. Брюн пояснює розбіжність аміаком, який виділяють самі тварини: під час гідролізу NH3 до NH4+ вивільняється гідроксид, що додає близько одного еквівалента лужності на еквівалент азоту. Він також повідомляє, що системам, які поєднують нітрифікацію з денітрифікацією, додавання лужності не потрібне взагалі.

Цільові діапазони за джерелами

• Лужність: SRAC 452 радить підтримувати 50–100 мг/л як CaCO3 або вище, жорсткість — на подібному рівні.
• Лужність: посібник FAO вважає нормою 1–5 ммоль/л, а значення нижче 1 ммоль/л — несприятливими.
• pH для біофільтра: SRAC 452 вказує оптимум 7–8 для нітрифікувальних бактерій; нижче pH 6 вони пригнічені й перестають видаляти азотисті відходи.
• Уставка pH: FAO рекомендує регулювати pH у межах 7,0–7,5, нормою вважає 6,5–7,5, несприятливими — значення нижче 6,2 і вище 8,0.
• Діоксид вуглецю: FAO вважає нормою 10–15 мг/л, несприятливим — понад 15 мг/л.

Уставка — це компроміс. За даними FAO, pH вище 7 підтримує ефективну нітрифікацію, але вищий pH зміщує загальний амоній у бік токсичного неіонізованого аміаку (NH3), який посібник вважає шкідливим для риб за концентрації понад 0,02 мг/л. Тому підвищення pH знижує допустиму для системи концентрацію TAN.

Вибір і дозування основи

Згідно з SRAC 452, найчастіше використовують буфери гідрокарбонат натрію та карбонат кальцію; застосовували також гідроксид кальцію, оксид кальцію та гідроксид натрію. Карбонат кальцію може розчинятися надто повільно, щоб нейтралізувати швидке накопичення кислоти. Той самий бюлетень повідомляє, що додавання гідрокарбонату натрію в кількості 17–20 % від добового раціону корму зазвичай утримує pH і лужність у потрібних межах; у прикладі це близько 2 фунтів гідрокарбонату на басейн, що отримує 10 фунтів корму на добу. Як масове співвідношення це дорівнює 0,17–0,20 кг гідрокарбонату натрію на 1 кг корму (перерахунок одиниць, а не окреме вимірювання). Буфери, що містять кальцій, також підвищують жорсткість.

Для корекції виміряного дефіциту Бойд наводить стехіометричний коефіцієнт: близько 1,68 мг/л гідрокарбонату натрію відновлюють 1 мг/л лужності. Він додає, що звичайні сільськогосподарські вапнувальні матеріали розчиняються надто повільно, щоб бути практичними для рециркуляційних систем.

Посібник FAO описує два автоматизовані підходи: станцію приготування вапняного розчину, що краплинно подає вапняну воду в контур, або дозувальний насос під керуванням pH-контролера. Для варіанта з контролером він віддає перевагу гідроксиду натрію (NaOH), оскільки з ним легко поводитися і систему простіше обслуговувати.

Зв'язок CO2, pH і лужності

Публікація SRAC 464 показує, як CO2 знижує pH: CO2 реагує з водою, утворюючи вугільну кислоту (H2CO3), яка дисоціює на H+ і гідрокарбонат. Бюлетень, написаний для ставків, наводить таблицю коефіцієнтів, які множать на загальну лужність, щоб оцінити вміст вільного CO2 за даних pH і температури. У розібраному прикладі за pH 7,2, 25 °C і лужності 103 мг/л виходить близько 12,8 мг/л CO2; там же зазначено, що вище pH 8,4 вміст CO2 нехтовно малий. За тією ж таблицею за 25 °C і лужності 100 мг/л pH 7,0 відповідає приблизно 20 мг/л CO2, а pH 7,4 — приблизно 8 мг/л (розраховано за таблицею SRAC 464). Отже, за сталої лужності меншій концентрації CO2 відповідає вищий pH. SRAC 464 рекомендує вимірювати pH не пізніше ніж через 30 хвилин після відбору проби й віддає перевагу прямому вимірюванню CO2, оскільки табличний метод має кілька джерел похибок.

SRAC 453 додає, що в погано спроєктованій УЗВ дихання риб і бактерій може підняти CO2 до 50–100 мг/л; це знижує pH і зупиняє роботу нітрифікувальних бактерій, тож зростають нітрит або аміак. Якщо взимку повітродувки переносять усередину будівлі й скорочують вентиляцію, повітря приміщення збагачується CO2, газ дифундує назад у воду, і в підсумку pH низький, а аміак і нітрит високі. Обладнання для віддування описане в окремому посібнику з дегазації CO2 в УЗВ.

Контроль дрейфу pH

• SRAC 452 рекомендує вимірювати pH щодня й коригувати за потреби; там наведено діаграму керування pH для 25 °C, де кожному поєднанню pH і лужності відповідає дія: додати гідрокарбонат натрію, посилити аерацію, зробити і те, і те або зменшити добову дозу гідрокарбонату.
• Нітрифікувальні бактерії чутливі до низької лужності, крайніх значень pH і високого CO2; SRAC 452 наголошує, що біофільтри погано переносять різкі зміни.
• Таблиця несправностей FAO пов'язує зростання лужності, зниження нітрату й запах сірководню — кожне окремо — з анаеробною активністю; рекомендований захід — посилити аерацію та очистити біофільтр.
• Як працює нітрифікація, описано в посібниках з мікробіології нітрифікації та з розрахунку біофільтра.