Накопичення нітрату й денітрифікація в УЗВ
Чому нітрат накопичується в УЗВ з малим водообміном, які рівні джерела пов'язують зі шкодою для риб, як його обмежує водообмін і як працюють денітрифікаційні реактори.
Чому накопичується нітрат
Нітрифікація в біофільтрі перетворює аміак, що його виділяють риби, на нітрит, а потім на нітрат — кінцевий продукт процесу. Дослідження 2018 року в журналі ACS Omega узагальнює азотні баланси аквакультурних систем з нітрифікувальним біофільтром: вирощувані об'єкти засвоюють лише 25–40 % азоту, що надходить з кормом, 30–40 % залишається у вигляді органічного азоту у фекаліях і незʼїденому кормі, а близько 30 % виділяється як амоній і перетворюється на нітрат. Там само зазначено, що за малого водообміну нітрат в установці замкненого водопостачання (УЗВ) може накопичуватися до 500 мг/л нітратного азоту (NO3-N).
Вплив на риб за даними джерел
Нітрат — найменш токсична з азотистих сполук в УЗВ. Вікіпедія з посиланням на підручник з УЗВ Тіммонса і Вінчі наводить значення LC50 за 96 годин (концентрація, що вбиває половину піддослідних риб за 96 годин) понад 1000 мг/л у прісній воді. Хронічні ефекти виявляються за значно нижчих рівнів:
- Посібник FAO з рециркуляційної аквакультури вказує, що нітрат понад 100 мг/л, імовірно, знижує ріст і ефективність використання корму; у його таблиці якості води нормою вважається 100–200 мг/л NO3-, а несприятливим — понад 300 мг/л.
- Публікація SRAC 452 характеризує нітрат як відносно нетоксичний, окрім дуже високих концентрацій — понад 300 ppm (мг/л).
- Стаття в ACS Omega наводить концентрації понад 125 мг/л NO3-N як потенційно шкідливі для росту деяких видів, наприклад тюрбо та креветок, особливо на ранніх стадіях розвитку, і посилається на австралійсько-новозеландські настанови щодо якості води, які пропонують тримати нітрат нижче 50 мг/л для прісноводних і 100 мг/л для морських видів.
- У тримісячному контрольованому дослідженні молоді райдужного пструга (Oncorhynchus mykiss) у шести однакових УЗВ Девідсон і співавтори порівняли середні 30 і 91 мг/л NO3-N. Ріст достовірно не відрізнявся, але виживаність за високого рівня була нижчою (на межі статистичної значущості), підсумкова біомаса — достовірно нижчою, а риб, що плавали на боці, було достовірно більше. Автори дійшли висновку, що 80–100 мг/л NO3-N були пов'язані з хронічними порушеннями здоров'я та добробуту в умовах дослідження.
Раніше дослідження тієї самої групи виявило швидше плавання й більше риб, що плавали на боці, у пструга в УЗВ з малим водообміном (гідравлічний час утримання 6,7 доби), а також більше деформацій і смертності за майже нульового водообміну; серед параметрів, потенційно пов'язаних із цим, називали нітратний азот і розчинений калій, але єдину причину доведено не було.
Водообмін і його ціна
Розбавлення — найпростіший спосіб контролю. SRAC 452 зазначає, що більшість систем розраховано на заміну 5–10 % об'єму на добу, що запобігає накопиченню нітрату й розчиненої органіки, і рекомендує повну заміну води після кожного виробничого циклу. Там само помічено, що в багатьох системах, імовірно, відбувається певна денітрифікація, яка допомагає тримати нітрат нижче токсичних рівнів. Посібник FAO дає поріг: за звичайних умов понад 300 л свіжої води на 1 кг корму достатньо для розбавлення нітрату; за меншої витрати варто розглянути ступінь денітрифікації.
Проблема в тому, що сенс рециркуляції — економія води. Інші ступені очищення завдання не вирішують: в однакових пстругових УЗВ озонування поліпшило низку показників води, але не запобігло накопиченню нітрату (див. окремий посібник з озону та ОВП). У чотиримісячному досліді УЗВ з мембранними біореакторами з активним мулом замінювали 1,2 % об'єму системи на добу проти 7,8 % у контрольних системах, при цьому ріст, конверсія корму й виживаність пструга не змінилися; нітратний азот у системах з малим водообміном був, однак, достовірно вищим.
Як працює денітрифікація
Денітрифікація — мікробне відновлення нітрату через нітрит, оксид азоту та закис азоту до газоподібного азоту, який іде в атмосферу. За даними Вікіпедії, її здійснюють переважно факультативно анаеробні гетеротрофні бактерії, зокрема псевдомонади, які використовують нітрат замість кисню під час окиснення донора електронів, наприклад органічної речовини; відомі й автотрофні денітрифікатори, як-от Thiobacillus denitrificans. Посібник FAO називає Pseudomonas переважним денітрифікувальним родом в УЗВ і описує процес як анаеробний.
Денітрифікаційні реактори та джерела вуглецю
Посібник FAO описує денітрифікаційну камеру, заповнену завантаженням біофільтра й розраховану на час перебування 2–4 години. Процесу потрібне джерело органічного вуглецю; у разі метанолу потрібно близько 2,5 кг на 1 кг видаленого нітратного азоту. Потік регулюють так, щоб на виході залишалося близько 1 мг/л кисню. Утворюється багато осаду, і установку зазвичай промивають зворотним током раз на тиждень.
Стаття в ACS Omega перелічує основні варіанти. До гетеротрофних реакторів додають джерело вуглецю, наприклад метанол, щоб забезпечити достатнє співвідношення вуглецю й азоту. Без метанолу можна обійтися, використовуючи ендогенний вуглець, що може потребувати попереднього зброджування органічного матеріалу, наприклад осаду самої ферми. Автотрофні реактори використовують діоксид вуглецю як джерело вуглецю і газоподібний водень як джерело енергії; водень подають з балона або отримують на катоді електролітичної комірки (біоелектрохімічна денітрифікація). У досліді з мембранними біореакторами періодичне додавання вуглецю також назвали способом поліпшити денітрифікацію та відновлення лужності.
Денітрифікація також повертає лужність. Д. Е. Брюн у журналі World Aquaculture повідомляє, що системам, які поєднують нітрифікацію й денітрифікацію, додавання лужності не потрібне (див. посібник з лужності та pH в УЗВ).
Як читати динаміку нітрату
Таблиця несправностей FAO пов'язує зниження рівня нітрату з анаеробною активністю й відносить до тієї самої причини утворення сірководню; в обох випадках рекомендовано посилити аерацію та очистити біофільтр. Регулярний контрольний перелік FAO містить тести на аміак, нітрит, нітрат і pH.