Ефективність нітрифікації в біофільтрах за різних способів біозавантаження для установок замкнутого циклу водопостачання
Анотація
Анотація. Стрімкий розвиток аквакультури потребує розвитку сучасних технологічних рішень для підтримання стабільної якості води в промислових аквакультурних системах. Однією з найефективніших технологій є установки замкнутого водопостачання (УЗВ), що дозволяють суттєво знизити витрати на природні та енергетичні ресурси на кожен кілограм вирощеної продукції та забезпечити повний контроль хімічних та фізичних параметрів води. Одним із найважливіших елементів системи УЗВ є біологічний фільтр.
Наведено результати досліджень функціонування різних типів конструкцій біологічних фільтрів, що застосовується в системах УЗВ, а саме: біофільтрів з фіксованим біозавантаженням, біофільтрів з рухомим біозавантаженням та крапельних біофільтрів. Дослідили вплив гідравлічного навантаження, температури води, площі біологічного завантаження та вплив часу контакту на ефективність процесу нітрифікації в УЗВ.
Концентрацію аміаку штучно піднімали від 1 до 5 мг/л. Одночасно гідравлічне навантаження підвищували від 10 до 80 л/хв на 1 м2 площі поверхні біозавантаження. Результати дослідження показали, що біологічні фільтри з рухомим біозавантаженням мали найвищу ефективність фільтрації води – 95% за мінімальної швидкості руху води та концентрації аміаку. Було встановлено, що збільшення площі поверхні біологічного завантаження та оптимізація гідравлічного навантаження можуть суттєво покращити якість біологічної фільтрації. Інтегральний коефіцієнт ефективності (ІКЕ) нітрифікації у біофільтрі з рухомим біозавантаженням був 91,25, що на 6,43 % вище ІКЕ біофільтру з нерухомим біозавантаженням та на 11,91% – ІКЕ крапельного біофільтру. Отримані результати наукових досліджень можуть використовуватися в господарствах з аквакультури для удосконалення процесу нітрифікації в системі УЗВ.
Завантаження
Посилання
Abdissa, B., Gete, M., & Muluneh, E. (2025). Evaluation of nutrient flow through and media – bed aquaponic systems. Aquaculture, Fish and Fisheries 5(5): e70122. https://doi.org/10.1002/aff2.70122
Ahmad, A. L., Chin, J. Y., Mohd Harun, M. H. Z., & Low S. C. (2022). Environmental impacts and imperative technologies towards sustainable treatment of aquaculture wastewater: a review. Journal of Water Process Engineering, 46: 102553. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102553
Almeida, D. B., Magalhães, C., Sousa, Z., Borges, M. T., Silva, E., Blanquet, I., & Mucha, A. P. (2021). Microbial community dynamics in a hatchery recirculating aquaculture system (RAS) of sole (Solea senegalensis). Aquaculture, 539: 736592. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2021.736592
Bagchi, S., Vlaeminck, S. E., Sauder, L. A., Mosquera, M., Neufeld, J. D., & Boon, N. (2014). Temporal and spatial stability of ammonia-oxidizing archaea and bacteria in aquarium biofilters. PLoS ONE 9: e113515. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0113515
Bartelme, R. P., McLellan, S. L., & Newton, R. J. (2017). Freshwater recirculating aquaculture system operations drive biofilter bacterial community shifts around a stable nitrifying consortium of ammonia-oxidizing archaea and Comammox Nitrospira. Frontiers in Microbiology, 8: 101. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.00101
Burut-Archanai, S., Ubertino, D., Chumtong, P., Mhuantong, W., Powtongsook, S., & Piyapattanakorn, S. (2021). Dynamics of microbial community during nitrification biofilter acclimation with low and high ammonia. Marine Biotechnology, 23, 671–681. https://doi.org/10.1007/s10126-021-10056-1
Chen, Z., Chang, Z., Zhang, L., Jiang, Y., Ge, H., Song, X., Chen, S., Zhao, F., & Li, J. (2019). Effects of water recirculation rate on the microbial community and water quality in relation to the growth and survival of white shrimp (Litopenaeus vannamei). BMC Microbiology, 19, 192. https://doi.org/10.1186/s12866-019-1564-x
Deng, M., Dai, Z., Senbati, Y., Li L., Song, K., & He, X. (2020). Aerobic denitrification microbial community and function in zero-discharge recirculating aquaculture system using a single biofloc-based suspended growth reactor: influence of the carbon-to-nitrogen ratio. Frontiers in Microbiology, 11: 1760. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01760
Ding, F., He, T., Qi, X., Zhang, H., An, L., Xu, S., & Zhang, X. (2024). Comammox Nitrospira dominates the nitrification in artificial coniferous forest soils of the Qilian mountains. Science of The Total Environment, 906: 167653. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167653
FAO. The State of World Fisheries and Aquaculture 2024—Blue Transformation in Action; FAO: Rome, Italy, 2024; ISBN 978-92-5-138763-4. https://doi.org/10.4060/cd0683en
Godzieba, M., Hliwa, P., & Ciesielski, S. (2024). Network of nitrifying bacteria in aquarium biofilters: an unfaltering cooperation between Comammox Nitrospira and ammonia-oxidizing archaea. Water, 17(1), 52. https://doi.org/10.3390/w17010052
Hüpeden, J., Wemheuer, B., Indenbirken, D., Schulz, C., & Spieck, E. (2020). Taxonomic and functional profiling of nitrifying biofilms in freshwater, brackish and marine RAS biofilters. Aquacultural Engineering, 90: 102094. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2020.102094
Jamal, A., Nasser, A., & van Rijn, J. (2024). Real-time ammonia estimation in recirculating aquaculture systems: a data assimilation approach. Aquacultural Engineering, 106: 102432. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2024.102432
Kunhiraman, S., Singh, B., Sarasan, M., & Puthumana, J. (2024). Immobilized microbial consortia: an eco-friendly and sustainable solution for aquaculture waste management. The Microbe, 4(3): 100100. https://doi.org/10.1016/j.microb.2024.100100
Li, H., Cui, Z., Cui, H., Bai, Y., Yin, Z., & Qu, K. (2023). A review of influencing factors on a recirculating aquaculture system: environmental conditions, feeding strategies, and disinfection methods. Journal of the World Aquaculture Society, 54, 566–602. https://doi.org/10.1111/jwas.12976
Li, h., He, Z., & Li, C. (2024). Lichtfouse E. Nitrogen removal by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification bacteria: a review. Desalination and Water Treatment 317: 100227. https://doi.org/10.1016/j.dwt.2024.100227
Li, Q., Hasezawa, R., Saito, R., Okano, K., Shimizu, K., & Utsumi, M. (2022). Abundance and diversity of nitrifying microorganisms in marine recirculating aquaculture systems. Water 14: 2744. https://doi.org/10.3390/w14172744
Lin, W., Luo, H., Wu, J., Hung, T.-C., Cao, B., Liu, X., Yang, J., & Yang, P. (2022). A review of the emerging risks of acute ammonia nitrogen toxicity to aquatic decapod crustaceans. Water, 15: 27. https://doi.org/10.3390/w15010027
Lu, J., Hong, Y., Wei, Y., & Gu, J.-D. (2021). Nitrification mainly driven by ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria in an anammox-inoculated wastewater treatment system. AMB Express, 11(1): 158. https://doi.org/10.1186/s13568-021-01321-6
Lu, S., Li, Y., Liu, X., & Cheng, G. (2023). Influence of light irradiation on nitrification in microalgal–bacterial systems for treating wastewater. Processes, 11(12): 3453. https://doi.org/10.3390/pr11123453
Martens-Habbena, W., Berube, P. M., Urakawa, H., de la Torre, J. R., & Stahl, D. A. (2009). ammonia oxidation kinetics determine niche separation of nitrifying archaea and bacteria. Nature, 461: 976–979. https://www.nature.com/articles/nature08465
Navada, S., Knutsen, M. F., Bakke, I., & Vadstein, O. (2020). Nitrifying biofilms deprived of organic carbon show higher functional resilience to increases in carbon supply. Scientific Reports, 10: 7121. DOI:10.1038/s41598-020-64027-y
Neissi, A., Rafiee, G., Rahimi, S., Farahmand, H., Pandit, S., & Mijakovic, I. (2022). Enriched microbial communities for ammonium and nitrite removal from recirculating aquaculture systems. Chemosphere 295: 133811. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133811
Parvathy, A. J., Bini, C. D., Jifiriya, M. J., & Varghese, T. (2022). Ammonia induced toxico-physiological responses in fish and management interventions. Reviews in Aquaculture, 15(1). https://doi.org/10.1038/s41598-020-64027-y
Pasmionka, I. B., Bulski, K., Herbut, P., Boliglova, E., Vieira, F. M. C., Bonassa, G., Bortoli, M., & de Pra, M. C. (2021). Toxic effect of ammonium nitrogen on the nitrification process and acclimatisation of nitrifying bacteria to high concentrations of NH4-N in wastewater. Energies, 14(17): 532. https://doi.org/10.3390/en14175329
Roalkvam, I., Drønen, K., Dahle, H., & Wergeland, H. I. (2021). A case study of biofilter activation and microbial nitrification in a marine recirculation aquaculture system for rearing atlantic salmon (Salmo salar L.). Aquaculture Research, 52, 94–104. https://doi.org/10.1111/are.14872
Ruiz, P., Vidal, J.M., Sepúlveda, D., & Torres, C. (2019). Overview and future perspectives of nitrifying bacteria on biofilters for recirculating aquaculture systems. Reviews in Aquaculture, 12(3). https://doi.org/10.1111/raq.12392.
Thandar, S. M., Ushiki, N., Fujitani, H., Sekiguchi, Y., & Tsuneda, S. (2016). Ecophysiology and comparative genomics of Nitrosomonas mobilis Ms1 isolated from autotrophic nitrifying granules of wastewater treatment bioreactor. Frontiers in Microbiology, 7: 1869. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01869
Tuyet, D. T. A., Hiep, L. M., Binh, H. T., Huyen, L. T., Tang, S. L., Chiang, P. W., & Hao, D. M. (2022). A multi-step nitrifying microbial enrichment to remove ammonia and nitrite in brackish aquaculture systems. Biodegradation, 33(4), 373-388. https://doi.org/10.1007/s10532-022-09988-9
Vaage, B., & Myrick, C. (2021). The effects of acute and chronic exposure of ammonia on juvenile burbot (Lota lota) growth and survival. Aquaculture, 542, 736891. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2021.736891
van der Meeren, T., & Mangor-Jensen, A. (2020). Tolerance of Atlantic Cod (Gadus morhua L.) Larvae to Acute Ammonia Exposure. Aquac. Int. 28: 1753–1769. https://doi.org/10.1007/s10499-020-00555-8
Vera, L., Aguilar Galarza, B., Reinoso S., Bohórquez-Cruz, M., Sonnenholzner, S., & Argüello-Guevara, W. (2023). Determination of acute toxicity of unionized ammonia in juvenile longfin yellowtail (Seriola rivoliana). Journal of the World Aquaculture Society, 54: 1110–1120. https://doi.org/10.1111/jwas.12971
Wu, J., Xu, W., Xu, Y., & Su, H. (2024). Impact of organic carbons addition on the enrichment culture of nitrifying biofloc from aquaculture water: process, efficiency, and microbial community. Microorganisms, 12(4): 703. https://doi.org/10.3390/microorganisms12040703
Yang, J., Jia, L., Guo, Z., Shen, Y., Li, X., Mou, Z., Yu, K., & Lin, J.C.-W. (2023). Prediction and control of water quality in recirculating aquaculture system based on hybrid neural network. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 121: 106002. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2023.106002
Yang, Y., Pan, J., Zhou, Z., Wu, J., Liu, Y., Lin, J.-G., Hong, Y., Li, X., Li, M., & Gu, J.-D. (2020). Complex microbial nitrogen-cycling networks in three distinct Anammox-inoculated wastewater treatment systems. Water Research. 168: 115142. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115142
Zhang, J.-F., Lai, C.-Y., Cao, X.-X., Hartmann, E. M., & Zhao, H.-Ping (2024). High ammonia loading rate and biofilm reattachment initiated partial nitrification and anammox in a membrane aerated biofilm reactor. Journal of Water Process Engineering, 58: 104829. doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.104829
Zhang, T.-X., Li, M.-R., Liu, C., Wang, S.-P., & Yan, Z.-G. (2023). A Review of the toxic effects of ammonia on invertebrates in aquatic environments. Environmental Pollution, 336: 122374. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122374
Zou, J., Zhang, K., Wang, S., & Li, M. (2023). The elevation of salinity above 1% deteriorated nitrification performance and reshaped nitrifier community of an MBR: An often-overlooked factor in the treatment of high-strength ammonium wastewater. Chemosphere, 335 (9), 139072. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.139072
Переглядів анотації: 24 Завантажень PDF: 6
