Накопичення CO2 і дегазація в УЗВ

Звідки береться вуглекислий газ в УЗВ, які концентрації джерела вважають шкідливими, як його видаляють дегазаційні колони та аератори і як CO2 пов’язаний із pH.

Видалення вуглекислого газу — один із п’яти основних процесів установки замкненого водопостачання (УЗВ) поряд із циркуляцією, видаленням завислих речовин, біофільтрацією та аерацією (публікація SRAC 453). На відміну від аміаку, CO₂ не переробляється біофільтром: його треба фізично витіснити з води або змістити хімічно. У цьому посібнику розглядаються його джерела, опубліковані пороги переносимості, пристрої для видалення та зв’язок із pH.

Джерела CO₂ у замкненому контурі

CO₂ утворюється під час дихання риби та бактерій у системі (SRAC 452; посібник FAO). Eshchar, Mozes і Fediuk (2003) наводять виділення близько 15 молів, або 660 г, CO₂ на кілограм корму, спожитого золотистим спаром (Sparus aurata), залежно від маси риби та температури. Нітрифікація додає ще: стехіометрія, зведена в огляді навчальної програми з рибальства Університету ООН, дає 5,85 г CO₂ на грам окисненого амонійного азоту. SRAC 453 зазначає, що поверхнева вода зазвичай містить близько 0,5 мг/л CO₂, тоді як у погано спроєктованій УЗВ його рівень може сягати 50–100 мг/л.

Чи стане це проблемою, вирішує стратегія оксигенації. Оскільки градієнт парціального тиску для CO₂ набагато крутіший, ніж для кисню, аерація атмосферним повітрям, що покриває потребу в кисні, як правило, покриває й потребу у видаленні CO₂ (Eshchar зі співавт.). Системи на чистому кисні зменшують площу контакту повітря з водою, доступну для газообміну, тому CO₂ може накопичуватися до токсичних рівнів; SRAC 453 зазначає, що схему з чистим киснем слід доповнювати вузлом дегазації CO₂. У надінтенсивній морській системі в Ейлаті подальшу інтенсифікацію при 94 кг/м³ обмежив високий CO₂.

Вплив і опубліковані пороги

Згідно з SRAC 452, ознаки стресу в риби з’являються вище 20 мг/л, оскільки CO₂ заважає поглинанню кисню; уражені риби збираються біля поверхні поряд з аераторами, стають млявими та різко зменшують споживання корму. SRAC 453 додає, що високий CO₂ знижує pH і може зупинити роботу нітрифікувальних бактерій, через що зростають аміак або нітрит. Опубліковані пороги залежать від виду, розміру та хімії води:

Посібник FAO: норма 10–15 мг/л, несприятливо вище 15 мг/л.
Eshchar зі співавт. (2003) з посиланням на попередні роботи: загальна рекомендація — нижче 10 мг/л; дорослі лососеві, за повідомленнями, переносять 10–20 мг/л, соми й тиляпія — значно більше.
Mota зі співавт. (2018), постсмолти атлантичного лосося (Salmo salar) у солонуватоводній УЗВ за 12 ‰, шість рівнів від 5 до 40 мг/л упродовж 12 тижнів: ріст був значуще нижчим за 12 мг/л і вище, а дерма шкіри — тоншою за 40 мг/л; максимальний ріст зафіксовано нижче 12 мг/л.
Summerfelt зі співавт. (2018), постсмолти атлантичного лосося в прісноводній УЗВ упродовж 384 днів за 14,1 °C і лужності 237 мг/л у перерахунку на CaCO₃: 20 мг/л проти 8 мг/л не дали значущої різниці в масі під час вилову, кормовому коефіцієнті та виживаності.

Дегазаційні башти та каскадні колони

SRAC 453 називає широко вживаним пристроєм дегазації безнапірну насадкову колону, або розпилювальну башту. Вода падає крізь насадку, а повітродувка жене назустріч їй повітря, зазвичай забране ззовні будівлі. Установки проєктують на максимальне співвідношення газ/рідина — як правило, 0,67–1,33 кубічного фута повітря за хвилину на кожен галон води за хвилину, що в перерахунку становить приблизно 5–10 об’ємів повітря на об’єм води. У посібнику FAO ту саму функцію виконує краплинний фільтр, або дегазатор: вода надходить через перфоровану розподільну плиту й падає крізь укладене пластикове завантаження, що максимізує турбулентність і контакт. FAO також зазначає, що дегазація видаляє не лише CO₂, а й вільний азот.

Moran (2010) дослідив каскадну колону заввишки 1,7 м з блочною пластиковою насадкою за 15 °C і концентрації CO₂ на вході 10–60 мг/л. За один прохід видалялося 67–89 % CO₂, причому ефективність зростала зі зростанням вхідної концентрації. Примусовий протитік повітря в цій колоні не покращив дегазацію — імовірно, тому що пасивного припливу повітря вже було достатньо. У солоній воді за однакової вхідної концентрації ефективність була нижчою, і автор доходить висновку, що видалення CO₂ у морських системах складніше.

Аератори, ерліфти та повітродувки

Подавання повітря повітродувкою: виробники тиляпії цінують супутню дегазацію CO₂. Внесок роблять і біофільтри з рухомим завантаженням — завдяки повітрю, що рухає завантаження (SRAC 453).
Аераційні колодязі: вони одночасно переміщують воду та видаляють гази, але видаляють гази менш ефективно, ніж краплинний дегазатор (посібник FAO).
Ерліфти: Moran (2010) встановив, що масоперенесення в них нижче, ніж у каскадній колоні; збільшення висоти підйому підвищувало співвідношення газ/рідина та час контакту. Eshchar зі співавт. наводять ефективність дегазації ерліфтними насосами 20–130 г CO₂ на кВт·год.
Лопатеве колесо проти зануреного аератора в морському басейні 100 м³: коефіцієнт перенесення CO₂ становив 1,55 і 0,76 за годину відповідно; лопатеве колесо видаляло до 1200 г CO₂ за годину з ефективністю близько 1,2 кг на кВт·год (Eshchar зі співавт.).

Важливе джерело повітря. SRAC 453 повідомляє, що більшість проблем із CO₂ у системах із повітродувками виникає взимку, коли повітродувки переносять у приміщення й обмежують вентиляцію задля економії тепла: повітря в будівлі збагачується CO₂, той дифундує у воду, і в результаті pH падає, а аміак і нітрит зростають. Розміщення повітродувок назовні або їх розподіл між приміщенням і вулицею обмежує цей ефект.

Зв’язок із pH і лужністю

CO₂ реагує з водою з утворенням вугільної кислоти та знижує pH (SRAC 452). За заданого загального вмісту карбонатного вуглецю вищий pH означає менше вільного CO₂, тому CO₂ можна контролювати дегазацією, коригуванням pH або обома способами (Eshchar зі співавт.). SRAC 452 наводить діаграму керування pH для 25 °C, де pH зіставлено з лужністю: за низького pH і достатньої лужності потрібно посилити аерацію, а за низького pH і низької лужності — вносити гідрокарбонат натрію разом з аерацією. Дегазація також локально підвищує pH, тому на повітряних розпилювачах утворюється накип карбонату кальцію (SRAC 453).

Ефект не лише негативний. Нижчий pH зменшує частку токсичного нейонізованого аміаку в загальному амонійному азоті, і респіраторний CO₂ описано як спосіб утримувати NH₃ на безпечному рівні, хоча низький pH водночас знижує нітрифікацію (Eshchar зі співавт.). Тому проєкт дегазації слід розглядати разом з обраним для біофільтра цільовим значенням pH.