Глава 10 Аэробные и анаэробные процедуры для восстановления и минерализации аквапонного ила

Борис Делайд, Хендрик Монсес, Амит Гросс и Саймон Годдек

Абстракт Рециркулирующие системы аквакультуры, как часть аквапонных установок, эффективны в производстве водных животных с минимальным расходом воды за счет эффективных этапов обработки. Тем не менее, концентрированный шлам, образующийся после этапа фильтрации твердых частиц, в состав которого входят органические вещества и ценные питательные вещества, чаще всего выбрасывается. Одно из последних разработок в области аквапоники направлено на снижение потенциального негативного воздействия на окружающую среду и увеличение переработки питательных веществ путем обработки осадка на месте. С этой целью микробная аэробная и анаэробная обработка, рассматриваемая как индивидуально, так и в рамках комбинированного подхода, предоставляет весьма перспективные возможности для одновременного сокращения органических отходов, а также для восстановления ценных питательных веществ, таких как фосфор. Кроме того, анаэробная обработка осадка обеспечивает возможность производства энергии, поскольку побочным продуктом этого процесса является биогаз, т.е. в основном метан. Благодаря применению этих дополнительных этапов обработки в аквапонных установках повышается эффективность рециркуляции воды и питательных веществ и уменьшается зависимость от внешнего удобрения, тем самым повышается устойчивость системы с точки зрения использования ресурсов. В целом это может проложить путь к экономическому совершенствованию аквапонных систем, поскольку затраты на утилизацию отходов и приобретение удобрений снижаются.

Ключевые слова Переработка ила · Фосфор · Преобразование микробного ила · Баланс массы · Переработка питательных веществ

Содержимое

• 10.1 Введение
• 10.2 Осуществление очистки сточных вод в аквапонике
• 10.3 Аэробические процедуры
• 10.4 Баланс массы: Что происходит с питательными веществами, когда они попадают в аквапоническую систему?
• 10.5 Методология количественной оценки эффективности снижения осадка и минерализации
• 10.6 Заключение
• Ссылки

—

Б. Делайд

Developonics asbl, Брюссель, Бельгия

H. Monsees

Лейбниц - Институт экологии пресноводных ресурсов и рыболовства во внутренних районах, Берлин, Германия

A. Брутто

Кафедра экологической гидрологии и микробиологии, Институт водных ресурсов Цукерберга

Исследования, Институт исследований пустыни Блауштайна, Университет Бен-Гуриона в Негеве, Беэр-Шева, Израиль

С. Годдек

Математические и статистические методы (биометрис), Вагенингенский университет, Вагенинген, Нидерланды

© Автор (ы) 2019 247

С. Годдек и др. (ред.), Системы производства продуктов питания Aquaponics, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_10

—

Ссылки

An Y, Yang F, Wong FS, Chua HC (2009) Влияние коэффициента рециркуляции на одновременный метаногенез и удаление азота с помощью комбинированного восходящего анаэробного илового одеяла — мембранного биореактора. Энвирон, англ. наук 26:1047 —1053. https://doi.org/10.1089/ees.2007.0317

Appels L, Baeyens J, Degrève J, Dewil R (2008) Принципы и потенциал анаэробного сбраживания отработанного ила. Энергия Prog Combust Sci 34:755. https://doi.org/10.1016/j.pecs. 2008.06.002

Arbiv R, van Rijn J (1995) Эффективность системы очистки для удаления неорганического азота в системах интенсивной аквакультуры. Аквак Энг 14:189. https://doi.org/10.1016/0144-8609(94) Р4435-Е

Ayre JM, Moheimani NR, Borowitzka MA (2017) Рост микроводорослей на неразбавленном анаэробном дигестате свинарных стоков с высокими концентрациями аммония. Алгал Рес 24:218 —226. https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.03.023

Brod E, Oppen J, Kristoffersen AØ, Haraldsen TK, Krogstad T (2017) Сушка или анаэробное сбраживание рыбного ила: эффект азотного удобрения и логистика. Амбио 46:852. https://doi. орг/10.1007/s13280-017-0927-5

Chang S (2014) Анаэробные мембранные биореакторы (AnMBR) для очистки сточных вод. Адв Хим Энг. наук 4:56. https://doi.org/10.4236/aces.2014.41008

Chen SL, Coffin DE, Malone RF (1997) Производство и управление осадком для рециркулирующих аквакультурных систем. J World Aquac Soc 28:303 —315. https://doi.org/10.1111/j.1749-7345. 1997.tb00278.x

Чоудхури П., Вирарагаван Т, Сринивасан А (2010) Биологические процессы очистки сточных вод для переработки рыбы — обзор. Биоресурс Технол 101:439 —449. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.08.065

Конрой J, Cuturier M (2010) Растворение минералов при гидролизе твердых отходов рыб. Аквакультура 298:220 —225. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2009.11.013

Cui ZF, Chang S, Fane AG (2003) Использование пузырьков газа для улучшения мембранных процессов. Дж. Мемб Sci https://doi.org/10.1016/S0376-7388(03)00246-1

Delaide B, Годдек S, Готт J, Суйерт H, Джиджакли MH (2016) Салат (Lactuca sativa L. var. Сукрин) производительность роста в дополненном растворе аквапоники превосходит гидропонику. Вода (Швейцария) 8. https://doi.org/10.3390/w8100467

Delaide B, Goddek S, Keesman KJ, Jijakli MH (2018) Методология количественной оценки эффективности аэробного и анаэробного сбраживания ила для переработки питательных веществ в аквапонике. Биотехнол Агрон Сок Энвирон 22

Deublein D, Steinhauser A (2010) Биогаз из отходов и возобновляемых ресурсов: введение. В: Биогаз из отходов и возобновляемых ресурсов: введение, 2-е изд. https://doi.org/10.1002/ 9783527632794

Ebeling JM, Timmons MB, Bisogni JJ (2006) Инженерный анализ стехиометрии фотоавтотрофного, автотрофного и гетеротрофного удаления аммиазота в системах аквакультуры. Аквакультура 257:346. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.03.019

Endut A, Jusoh A, Ali N, Wan Nik WB, Hassan A (2010) Исследование оптимальной скорости гидравлической нагрузки и коэффициентов установки в рециркуляционной аквапонной системе. Биоресурс Технол 101:1511 —1517. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.09.040

Gander M, Je B, Judd S (2000) Аэробические MBR для очистки бытовых сточных вод: обзор с учетом затрат. Сен Пуриф Технол 18:119 —130

Garcia J-L, Patel BKC, Ollivier B (2000) Таксономическое, филогенетическое и экологическое разнообразие метаногенных архей. Анаэроб 6:205. https://doi.org/10.1006/anae.2000.0345

Гебауэр Р, Эйкеброкк Б (2006) Мезофильная анаэробная обработка осадка от смольтового вылупа. Биоресурс Технол 97:2389 —2401. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2005.10.008

Goddek S, Keesman KJ (2018) Необходимость технологии опреснения для проектирования и калибровки многоконтурных систем аквапоники. Опреснение 428:76 —85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024

Goddek S, Körner O (2019) Полностью интегрированная имитационная модель многоконтурной аквапоники: пример определения размеров системы в различных средах. Агрик Сыст 171:143

Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Проблемы устойчивой и коммерческой аквапоники. Устойчивость 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199

Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Навигация в сторону развязанных аквапонных систем: подход к проектированию системной динамики. Вода (Швейцария) 8. https://doi.org/10.3390/W8070303

Goddek S, Delaide B, Oyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Eding EH, Bläser I, Keizer LCP, Моргенштерн R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Производительность минерализации питательных веществ и снижения органических веществ осадка на основе RASB-EGSB в последовательных веществ в реакторах. Аквак Энг 83:10. https://doi.org/10.1016/J.AQUAENG.2018.07.003

Graber A, Junge R (2009) Системы Aquaponic: переработка питательных веществ из рыбных сточных вод путем производства овощей. Опреснение 246:147 —156

Huang X, Xiao K, Shen Y (2010) Последние достижения в области технологии мембранного биореактора для очистки сточных вод в Китае. Фронт Энвирон Си Энг Китай 4:245. https://doi.org/10.1007/ s11783-010-0240-z

Judd S, Judd C (2008) Книга MBR: принципы и применение мембранных биореакторов в очистке воды и сточных вод. Эльсевье. https://doi.org/10.1016/B978-185617481-7/50005-2

Jung IS, Lovitt RW (2011) Методы выщелачивания для удаления металлов и потенциально опасных питательных веществ из шлама форели. Вода Res 45:5977 —5986. https://doi.org/10.1016/j.watres. 2011.08.062

Халид А, Аршад М, Анжум М, Махмуд Т, Доусон Л (2011) Анаэробное сбраживание твердых органических отходов. Манаг отходов 31:1737. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2011.03.021

Klas S, Mozes N, Lahav O (2006) Разработка метода денитрификации с одним шламом для удаления нитратов из сточных вод РАН: результаты лабораторного масштаба и прогнозирование моделей. Аквакультура 259:342. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2006.05.049

Kumar V, Sinha AK, Makkar HPS, De Boeck G, Becker K (2012) Фитат и фитаза в питании рыб. Джей Аним Физиол Аним Нутр (Берл) 96:335. https://doi.org/10.1111/j.1439-0396.2011. 01169.x

Lanari D, Franci C (1998) Производство биогаза из твердых отходов, удаляемых из сточных вод рыбохозяйственных хозяйств. Акват Живая Ресур 11:289 —295. https://doi.org/10.1016/S0990-7440(98)80014-4

Производство биомассы и динамика питательных веществ в системе аквапоники. Аризонский университет

Marchaim U (1992) Биогазовые процессы для устойчивого развития. Бюллетень ФАО по сельскохозяйственным услугам Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций

McDermott BL, Chalmers AD, Goodwin JAS (2001) Ультразвука как метод предварительной обработки для улучшения психофильного анаэробного сбраживания сточных вод аквакультуры. Энвирон Технол (Соединенное Королевство) 22:823. https://doi.org/10.1080/095933322086180317

Макгилл С.М. (2012) 'Пик' фосфор? Последствия дефицита фосфатов для устойчивых инвесторов. J Sustain Финанс Инвест. https://doi.org/10.1080/20430795.2012.742635

Использование реакторов УАСБ для переваривания солоноватого осадка аквакультуры в различных условиях. Вода рез 47:2843 —2850. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.02.050

Мирзоян Н, Парнес С, Сингер А, Тал У, Сеялки К, Гросс А (2008) Качество солоноватого ила аквакультуры и его пригодность для анаэробного сбраживания и производства метана в восходящем анаэробном иловом реакторе (УАСБ). Аквакультура 279:35 —41. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture. 2008.04.008

Мирзоян Н, Тал Ю, Гросс А (2010) Анаэробное сбраживание ила из интенсивных рециркулирующих систем аквакультуры: обзор. Аквакультура 306:1 —6. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2010. 05.028

Monsees H, Keitel J, Paul M, Kloas W, Wuertz S (2017) Потенциал аквакультурной обработки ила для аквапоники: оценка мобилизации питательных веществ в аэробных и анаэробных условиях. Аквак Энвирон Взаимодействие 9:9 —18. https://doi.org/10.3354/aei00205

Naylor SJ, Moccia RD, Durant GM (1999) Химический состав утилизированных твердых рыбных отходов (навоза) коммерческих ферм радужной форели в Онтарио, Канада. Норт-Ам-Дж Аквак 61:21 —26

Оценка питательной нагрузки в отходах Nile Tilapia Oreochromisniloticus (L.), выращенных в клетках в тропических климатических условиях. Аквак Рес 46:1309 —1322. https://doi.org/10.1111/are.12280

Николс М.А., Савидов Н.А. (2012) Аквапоника: система эффективного производства питательных веществ и воды. Акта Хортика:129—132

Peng L, Dai H, Wu Y, Peng Y, Lu X (2018) Всеобъемлющий обзор процесса извлечения фосфора из сточных вод с помощью процессов кристаллизации. Хемосфера 197:768. https://doi.org/10.1016/j. хемосфере.2018.01.098

Rakocy JE, Bailey DS, Shultz RC, Danaher JJ (2007) Предварительная оценка органических отходов двух систем аквакультуры как источника неорганических питательных веществ для гидропоники. Акта Хортик 742:201 —208

Ru D, Liu J, Hu Z, Zou Y, Jiang L, Cheng X, Lv Z (2017) Повышение эффективности аквапоники за счет добавления микро- и макро-питательных веществ. Энвирон Sci загрязняет Res 24:16328. https://doi.org/ 10.1007/s11356-017-9273-1

Saha S, Monroe A, Day MR (2016) Рост, урожайность, качество растений и питание базилика (Ocimumbasilicum L.) в безпочных сельскохозяйственных системах. Энн Агрик Sci 61:181 —186. https://doi.org/10.1016/j.aoas.2016.10.001

Schneider O, Sereti V, Eding EH, Verreth JAJ (2005) Анализ потоков питательных веществ в интегрированных системах интенсивной аквакультуры. Аквак Энг 32:379-401. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2004. 09.001

Seo KW, Choi YS, Gu MB, Kwon EE, Tsang YF, Rinklebe J, Park C (2017) Экспериментальное исследование снижения осадка в системе аэробного сбраживания с эндоспорообразующими бактериями. Хемосфера 186:202 —208. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.07.150

Stewart NT, Boardman GD, Helfrich LA (2006) Характеристика скорости выщелачивания питательных веществ из осадок радужной форели (Oncorhynchus mykiss). Аквак Энг 35:191 —198. https://doi.org/10. 1016/j.aquaeng.2006.01.004

Tal Y, Schreier HJ, Sowers KR, Stubblefield JD, Place AR, Zohar Y (2009) Экологически устойчивая морская аквакультура на суше. Аквакультура 286:28 —35. https://doi.org/10.1016/j. аквакультуры.2008.08.043

Techobanoglous G, Burton FL, Stensel HD (2014) Инжиниринг сточных вод: очистка и повторное использование, 5-е издание. Меткалф и Эдди. https://doi.org/10.1016/0309-1708(80)90067-6

Turcios AE, Papenbrock J (2014) Устойчивая очистка сточных вод аквакультуры — чему мы можем научиться из прошлого на будущее? Сустинг 6:836 —856

Van Lier JB, Махмуд N, Zeeman G (2008) Анаэробная очистка сточных вод, биологическая очистка сточных вод: принципы, моделирование и проектирование. https://doi.org/10.1021/es00154a002

Van Rijn J (2013) Обработка отходов в рециркулирующих системах аквакультуры. Аквак ENG 53:49 —56. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2012.11.010

van Rijn J, Fonarev N, Berkowitz B (1995) Анаэробная обработка интенсивных рыбокультурных сточных вод: переваривание кормов для рыб и выделение летучих жирных кислот. Аквакультура 133:9 —20. https://doi.org/ 10.1016/0044-8486 (94) 00385-2

Йогев У, Барнс А, Гросс А (2016) Анализ питательных веществ и энергетического баланса для концептуальной модели трех петель вне сетки, Аквапоника. Вода 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

Yogev U, Сеятели KR, Mozes N, Gross A (2017) Азот и углеродный баланс в новой почти нулевой водообменной системе рециркулирующей аквакультуры. Аквакультура 467:118 —126. https://doi. орг/10.1016/j.аквакультуры.2016.04.029

Zhang X, Hu J, Spanjers H, van Lier JB (2016) Кристаллизация струвита в морской/солоноватой аквакультуре. Биоресурс Технол 218:1151. https://doi.org/10.1016/j.biortech. 2016.07.088

Open Access Данная глава лицензирована в соответствии с условиями международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или формате, при условии, что вы даете соответствующий кредит первоначальному автору (авторам) и источнику, предоставите ссылку на лицензии Creative Commons и указать, были ли внесены изменения.

Изображения или другие материалы третьих лиц, содержащиеся в этой главе, включены в лицензию Creative Commons главы, если иное не указано в кредитной линии материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons главы и ваше предполагаемое использование не разрешено законом или превышает разрешенное использование, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя.

! изображение-20200929112107029