ПП «Екотехніка»
Менеджмент природоохоронної діяльності, розробка звіту з оцінки впливу на довкілля (ОВД) та матеріалів оцінки впливів на навколишнє середовище (ОВНС),
екологічна експертиза

Аерація води рибогосподарських ставків

АЕРУВАННЯ РИБОГОСПОДАРСЬКИХСТАВКІВ – ЗАПОРУКА УСПІШНОЇ ГОСПОДАРСЬКОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Автор — Fernando Kubitza, Ph.D. (конспект)

1. ГІДРОХІМІЧНЕ ЖИТТЯ РИБОГОСПОДАРСЬКИХ СТАВКІВ

Фотосинтез мікроводоростей (фітопланктону) є головним джерелом надходження кисню у рибогосподарські ставки. Підтримання необхідного рівня розчиненого у воді кисню та забезпечення циркуляції води гарантує безпечність та продуктивність рибництва. У результаті фотосинтезу, що відбувається у фітопланктоні протягом денного часу доби, поверхневі води збагачуються киснем, підвищується їх pH та знижується рівень двоокису вуглецю у порівнянні з придонними водами. Мікроводорості, будучи природним кормом для риб, вилучають з води поживні речовини для забезпечення процесу фотосинтезу та росту.

Придонні води та ґрунт ставків зазвичай містять знижену кількість кисню та накопичують токсичні компоненти, такі як: аміак, нітрити, метан, сірководень та інші редуковані субстанції, що утворюються у процесі анаеробного розкладу органічних речовин, головним чином, мертвих водоростей, фекалій риб, незасвоєної їжі, листя та мікробної біомаси, що гниє. Існує прямий зв’язок між прозорістю води та глибиною, на якій обсяги виробництва кисню фітопланктоном у процесі фотосинтезу (P) дорівнюють обсягам поглинання кисню у процесі дихання (R). У лімнології (наука, що вивчає внутрішні водойми) вважається, що P дорівнює R на глибині, що у 2,4 рази більша за прозорість води. Таким чином у ставку із прозорістю 0,5 м, P має дорівнювати R на глибинах близько 1,2 м. Нижче (глибше) за 1,2 м R перевищує P і рівень вмісту кисню різко зменшується у напрямі до дна. Для ставків з прозорістю води 0,2 м, R починає перевищувати P на глибинах більше за 0,5 м. Таким чином зменшення прозорості води збільшує ймовірність зменшення обсягів розчиненого у воді кисню і, відповідно, їх анаеробного стану. Враховуючи це, а також економічну доцільність, рибогосподарські ставки не мають будуватися глибокими.

Фізична та хімічна стратифікація менше виражені у мілководних ставках, оскільки вітри, у цілому, сприяють достатній циркуляції води та її перемішуванню. Завдяки цьому перемішуванню кисень потрапляє до нижніх шарів. Однак у глибоких ставках стратифікація достатньо виражена. Оскільки глибші шари води отримують менше світла, а вітер сприяє перемішуванню води лише до обмежених глибин, рівень кисню на великих ставках з глибини 2,5 м може бути негативним. Неґативний рівень кисню означає, що існує додатковий попит на кисень для перетворення і видалення деяких речовин, таких як нітрити, аміак, метан та сірководень. Цей додатковий попит у кисні відомий під назвою «негативний окислювально-відновлювальний потенціал» водного середовища ставків. Придонні шари води часто мають негативний окислювально-відновлювальний потенціал. Через що придонні шари води у глибоких ставках або у великих водосховищах у цілому є «негостинними» для водних мешканців та навіть можуть становити загрозу для життя риб у зв’язку з браком кисню, високим рівнем двоокису вуглецю та наявністю різноманітних токсичних компонентів. Накопичувані органічні залишки також є прихистком та поживним середовищем для поширення патогенних і умовно патогенних організмів. Чим глибшим є став, тим більші обсяги води, що містять отруйні речовини, які накопичуються у його глибинних шарах та не містять кисню. Риби намагаються уникати анаеробних ділянок у ставках. Ставок з анаеробними і токсичними придонними водами є край небезпечним для рибництва. Може траплятися дуже швидке та повне перемішування донних та поверхневих вод («перекидання» ставка), що спричинить падіння вмісту кисню з одночасним зростанням двоокису вуглецю та токсичних компонентів у воді. Потужний вітер, великі обсяги витоку та раптове падіння температури, тощо, можуть призвести до раптового «перекидання» ставка (потрапляння у верхні шари води придонних вод з низьким вмістом кисню). У випадку такого «перекидання» ставка може відбутися масова загибель риби навіть в теплий період року.

2. АЕРАЦІЯ Є ВАЖЛИВОЮ УМОВОЮ ЕФЕКТИВНОГО УПРАВЛІННЯ ТА УСПІШНОГО ВИРОБНИЦТВА

Стратифікація (розшарування) води у ставках обмежує забезпечення киснем та його доступність у воді для риби. Вночі обмежені резерви кисню швидко поглинаються у результаті дихання зоопланктону, риб та різноманітними мікроорганізмами, а також процесом окислення редукованих компонентів у воді та на ґрунті ставка. Для запобігання дефіциту кисню рибоводи, досить часто, у нічні години здійснюють додаткову аерацію ставків.

Циркуляція води є ефективною стратегією для змішування багатих на кисень поверхневих вод та придонних вод з низьким вмістом кисню (анаеробних). Сонячними днинами поверхневі води перенасичуються киснем під час фотосинтезу мікроводоростей. Фотосинтез, таким чином, є найшвидшим, найефективнішим та маловитратним шляхом з включення кисню до вод ставка. У рибницьких ставках під час максимуму фотосинтезу (від 11 до 3 години опівдні), концентрація кисню у поверхневих водах перевищує 2мгO2/л/год. (або 2гO2/м3/год.). Фотосинтез здатний перенасичувати поверхневі води ставків киснем набагато більш ефективно аніж найбільш ефективні мікропухирці, що створюються шляхом застосування керамічних дифузійних пластин, які використовуються для оксигенації (насичення киснем) спеціальних місткостей для перевезення риби.

Якщо ми для прикладу розглянемо гектарний ставок (10000 m2) з приповерхневим шаром води завтовшки 0,6 м і насиченням кисню 2 г кисню на м3 на годину за рахунок фотосинтезу, то надходження кисню буде дорівнювати 12,0кгО2/год, що маємо постачати у ставок механічними (примусовими) методами. Для порівняння аератор з крильчаткою та вертикальним насосом ефективно інкорпорує близько 1кгO2/к.с./год. Таким чином, для того, щоб інкорпорувати обсяг кисню, який надходить до води у результаті фотосинтезу, необхідно витрачати (забезпечувати постачання) 12 к.с./год. механічної аерації. Реально ж потрібно багато більше потужності для аерації, оскільки механічний аератор може інкорпорувати у воду кисень до точки насичення розчиненого кисню - близько 7,8мгO2/дм3 за температури +28°C на рівні моря у прісній воді. Насичення води киснем шляхом механічного насичення вимагає великих зусиль так само великих витрат енергії, чим ближче до максимальних рівнів насичення намагаємось наблизитись, тобто найменш ефективним методом є насичення води киснем за рахунок атмосферного кисню з допомогою механічної аерації.

Поверхневі води можуть бути проштовхнуті униз (з використанням крильчатих колес, насосів аспіраторного типу (струменевими) або спеціально сконструйованих циркуляторів води, інших пристроїв) або придонні води можуть бути підняті угору (з використання пристроїв з аероліфтингу, аераторів типу вертикальних «фонтанів» або в інший спосіб) для поліпшення циркуляції води. З метою зробити розрив стратифікації (руйнування стратифікації) стовпа води більш ефективним, поліпшити насичення киснем придонних вод та збільшити запаси кисню у ставку у цілому, водну циркуляцію потрібно здійснювати протягом годин максимуму процесу фотосинтезу, коли приповерхневі води перенасичені киснем.

Регулярна циркуляція води руйнує хімічну та фізичну стратифікацію води у ставку, що робить ставкове середовище більш гомогенним (однорідним) і сталим, та суттєво зменшує ризик загибелі риби у результаті раптового «перекидання» ставка. Циркуляція води збільшує загальний вміст води у ставку, зменшує час та витрати на додаткову циркуляцію уночі. Завдяки циркуляції води збільшується продуктивність мікроводоростей (фітопланктону), доступність природної їжі (мікроводоростей, зоопланктону та організмів бентосу). Мікроводорості знаходяться завдяки цьому у постійному русі та забезпечуються поживними речовинами, що утворюються у результаті розпаду (розкладання на складові) органічних речовин у придонних шарах. Крім того, циркуляція води сприяє існуванню корисних мікроводоростей, зокрема зелених, зменшуючи домінування небажаних ціанобактерій (синьозелені водорості), часто пов’язуваних з несприятливими явищами для культивованих водних тварин та з деякими випадками отруйності для риб. Оскільки у результаті циркуляції якість придонної води та ґрунту ставків поліпшується, організми бентосу стають більш доступними та придатними як корм для риб. У ставках з гарною циркуляцією води риби можуть ліпше використовувати всю місткість ставка – від дна до поверхні — та мати більше можливостей для харчування природним кормом. Оскільки природний корм слугує джерелом поживних речовин, поліпшується якість води у ставку, то отримують ліпші прирости гідробіонтів, поліпшується кормовий коефіцієнт та ступінь виживання культивованих риб, збільшується вихід товарної риби.

Автор — Кириленко Ю.В.

3. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ АЕРУВАННЯ СТАВКІВ

Процес аерування – діяльність по насиченню водного середовища киснем повітря. Необхідність аерації водного середовища гостро стоїть на час знезалізення підземних вод, очистки стічних вод на очисних спорудах і в рибному господарстві. Для цього використовуються різні способи. Найбільш поширені в рибному господарстві: шляхом заміщення нижніх шарів води в ставку верхніми, механічне переміщення роторними і турбінними аераторами верхнього шару повітря вглиб водойми, зрошення поверхні ставка струминою глибинної води і дрібнобульбашкова аерація. Струминна аерація, практично, не використовується.

В нормативних документах надаються рекомендації для тепловодних ставових рибницьких господарств, де основними об'єктами рибництва є короп і рослиноїдні риби, бажано, щоб на час культивування цих видів риб вміст кисню у літній період був не меншим за 5 - 6мг/дм3, у період зимівлі — не меншим за 4мг/дм3, а щодо способу досягнення таких показників, то рекомендуються ряд засобів, від облаштування ополонок зимою до використання будь-яких технічних засобів.

На сьогодні в продажу наявні сучасні компактні компресори з дрібнобульбашковими аераторами різної потужності. Для прикладу, розглянемо аератори з потужністю від 1м3/год повітря за годину (потужність 15 Вт, ціна 5,6тис.грн) до 12м3/год повітря за годину (потужність 180Вт, ціна 21532,0тис.грн). Необхідно зважити, що повітря, яке вноситься дрібнобульбашковими аераторами використовується тільки на 20…30%. Враховуючи, що в 1м3 повітря наявно 270,0г кисню, то вищезазначені аератори внесуть у воду від 54,0…81,0г кисню до 648,0…972,0г кисню за годину, який засвоїться. За середньої концентрації кисню у воді 4,0мгО2/дм3, вищезазначених кількостей кисню достатньо для забезпечення нормативної якості води у ставочках в таких об’ємах: від 13,5…20,3м3 до 162,0…243,0м3.

Ефективність аерації обох аераторів дрібнобульбашкової аерації за внесеним киснем 3,6…5,4кгО2/кВт, питомі показники однакові у цього виробника, результати є позитивними і показники пристойні. В той же час, їх використання можливе для неглибоких басейнів, так як аератори просто декоративні, крім того дрібнобульбашковій аерації властива низька окислювальна спроможність, яка сягає 0,05…0,07кгО2/(м3*год), тобто годі сподіватися, що токсичні компоненти, що знаходяться на глибині, такі як аміак, нітрити, метан, сірководень та інші редуковані (ті, що утворюються у процесі розпаду органічних речовин) субстанції у процесі анаеробного розкладу органічних речовин, головним чином мертвих водоростей, фекалій риб, незасвоєної їжі, листя та мікробної біомаси, що гниє будуть окислюватися або видалятися. Дрібнобульбашкова аерація не може позитивно вплинути на якість води в нижніх шарах води рибогосподарських ставків.

Вашій увазі пропонується облаштування струминного аератору у вигляді ежектору «кільцеве сопло». Вода незадовільної якості з глибини ставка забирається насосом і подається на ежектор.

Особливістю пропозиції є те, що використовуючи гідравлічні і аеродинамічні властивості води і повітря, можливо за допомогою струминного аератору (ежектору) проводити змішування води і повітря до стану суспензії з щільністю 0,6…0,8т/м3. Через що вода з глибини з від’ємним окислювально-відновлювальним потенціалом після аератору набуває позитивного значення потенціалу і крім того суспендує повітря і вносить його з собою у ставок в нижні шари води!

Принцип роботи ежектору: насос подає воду на ежектор з певною витратою і напором, в ежекторі формуються умови, за яких буде виникати водоповітряна суміш.

В ежекторі, за рахунок конструкції, у воду буде диспергуватися 1…1,2 об’єму повітря на кубометр води, крім того, в струмину на час проходження в атмосфері повітря та в каверні в місці входу струмини у воду буде ще засмоктуватись 2…2,4м3 повітря. Разом, в середньому, приймаю 2…3м3 повітря на 1м3 води.

Необхідний напір води 10…12,0м, витрата води бажано побільше. Конструкція ежектору проектується під наявний насос, або насос, який планують придбати.

Наприклад, насос серії FCTE-FCTS 40-125/07, потужність 0,75кВт, напір 11,7м, витрата 24,0м3/год.

В воду буде вноситись 48…72,0м3 повітря за годину і відповідно буде вноситись 13,0…19,4кг кисню. Розуміючи, що використання диспергованого повітря після ежектора буде значно більше ніж у дрібнобульбашкових аераторів, але приймаємо так само використання повітря 20…30%, ефективність струминної аерації буде більше 4,6…7,7кгО2/кВт.

Диспергована суміш води і повітря буде заходити у водойму струминою, яка розширюється з глибиною. Так, наприклад, суміш виходячи з ежектору через сопло діаметром 40мм на глибині 2,50м досягне діаметру 1,16м і швидкості води в струмені 1,24м/с, число Рейнольдса 1101378,0. На глибині 4,0м досягне діаметру 1,84м і швидкості 0,78м/с, число Рейнольдса 1098928,0. В цьому криється ще один позитивний аспект – вода на глибині гіршої якості і холодніша, а розчинення повітря буде зростати з глибиною через зниження температури, відсутність кисню і величезних чисел Рейнольдса, що вкрай важливо. Тобто, в місці аерування води рибогосподарського ставка на глибині до 5м буде виникати киснева оаза для риби і планктону, який є кормом для риби. У верхів’ї ставків достатньо природної аерації, а штучну аерацію необхідно облаштовувати в місцях найбільшої глибини, або для зимувальних ставків…

На глибині 5,0м струмина розсіюється.

Конструкція ежектору надійна, так як відсутні деталі, які рухаються. Якщо зимою раптом відключиться електроенергія, то вода витече з ежектору, а після відновлення подачі води ежектор відновить свою роботу.

Для більш широкого аналізу надаємо таблицю порівнянь ефективності різних способів аерації.

Струминним аераторам властива максимальна окислювальна здатність систем аерації, тобто токсичні компоненти, що знаходяться на глибині, такі як аміак, нітрити, метан, сірководень та інші редуковані субстанції у процесі анаеробного розкладу органічних речовин, головним чином мертвих водоростей, фекалій риб, незасвоєної їжі, листя та мікробної біомаси, що гниє будуть окислюватися або витіснятися з води (метан, сірководень) за рахунок підвищення парціального тиску кисню у воді.

Струминний аератор забезпечить подачу кисню необхідного, як для біохімічних так і для хімічних процесів за привабливих техніко-економічних показників.

Струминна аерація не використовувалась в минулому через дешевизну енергоносіїв і складність інжинірингу для її впровадження. За кордоном цей спосіб аерації використовується для окислення надзвичайно забруднених вод.

Ми проводимо розробку індивідуального проекту струминного аератору (ежектору) зважаючи на наявний насос у Замовника, або який планується придбати. За визначеною конструкцією ежектору він може бути виготовлений на металообробному підприємстві в м.Житомирі.

Орієнтовна вартість виготовлення ежектору на металообробному підприємстві в м.Житомирі 2,5…4,5тис.грн (станом на лютий 2018р).

Після вводу в експлуатацію ми визначимо окислювально-відновлювальний потенціал води з ставка на глибині і після аератору та фактичну ефективність ежектору.

З часом, можливо буде вдосконалювати роботу ежектору, щоб він повертався в певному секторі або рухався за визначеною траєкторією.