Využití recirkulačních systémů v akvakulturách

Akvakultury už jsou v našich končinách běžné několik set let, jen je asi známe pod pro nás obvyklejším označením – rybníky. Nebýt akvakultur, asi bychom si na Vánoce kapra tak hojně nedopřáli, protože produkce ryb a dalších vodních živočichů se v tak velkém množství bez zásahů člověka jen těžko obejde.

V posledních letech ale začíná i v naší kotlině narůstat počet akvakultur situovaných do umělých nádržích a založených na recirkulačních systémech. Ty jsou zajímavé zejména z hlediska úspory vody, která je v době dnešních klimatických změn velmi žádoucí.

• Co je akvakultura?
• Využití akvakulturních systémů s recirkulací vody
• Jak recirkulační akvakulturní systémy fungují?
• Čištění vody v recirkulačních akvakulturních systémech
• Typy biofiltrů
• Odstraňování dusičnanů v recirkulačních systémech
• Kalové hospodářství
• Další důležité aspekty
• Propojení chovu ryb a hydroponie
• Závěr

Co je akvakultura?

Akvakultura označuje chov ryb, měkkýšů či pěstování vodních rostlin nebo řas,. Netýká se jen člověkem vybudovaných vodních ploch, jako jsou rybníky, ale zahrnuje i moře (například chov slávek na laně) a řeky, a samozřejmě i recirkulační akvakulturní systémy, kterým se budeme věnovat v tomto článku.

Využití akvakulturních systémů s recirkulací vody

Akvakulturní systémy s recirkulací vody jsou suchozemské systémy, v nichž je voda po mechanickém pročištění a chemických a biologických úpravách používána opakovaně. Začaly být vyvíjeny 50. a 60. letech minulého století v Japonsku a jejich hlavním cílem byla spíše ochrana ryb před periodickým vysycháním vod. Pro intenzivní chovy ryb se o recirkulačních systémech začalo uvažovat o něco později, tj. v 70. letech minulého století.

Jejich hlavní výhodou je úspora vody, která teoreticky nemusí být vyměňována, protože je zajištěno její čištění, a u zastřešených systémů je také výrazně snížen odpar vody. Je minimalizován dopad intenzivního chovu ryb na životní prostředí, snižuje se riziko přenosu nemocí a ztrát způsobených predátory.

Výhodou je také možnost zvýšení produkce ryb, protože díky technologii čištění, provzdušňování nádrží, řízenému krmení a celkově větší kontrolou nad systémem je možný chov většího množství ryb na menší ploše. Možné je i využití kalů, které při chovu vznikají.

Recirkulační systémy jsou dnes považovány za efektivní nástroj průmyslové produkce ryb a dalších vodních organismů. Vody bohaté na živiny lze navíc využít k pěstování rostlin pomocí tzv. hydroponie. Investiční náklady a též požadavky na odbornou úroveň personálu jsou ovšem v případě recirkulační systémy vyšší a je nutné také počítat s energií nutnou k provozu celého systému.

Jak recirkulační akvakulturní systémy fungují?

Tyto akvakulturní systémy obsahují část určenou k chovu ryb a část pro čistění vody. Voda v celém systému cirkuluje, tedy znečištěná voda od ryb odtéká na vyčištění a vyčištěná voda teče zpět k rybám. Nutností je dostatečné provzdušnění chovných nádrží. Vstup znečišťujících látek do systému je téměř výhradně skrze krmení ryb. Důležitou součástí těchto systémů je také odkalování nádrží a kalové hospodářství.

Hlavní výhodou recirkulačního systému je minimální spotřeba čerstvé vody. Dá se říct, že čerstvou vodu je do recirkulačních systémů tohoto typu nutno dodávat jen na pokrytí toho, co se odpaří a co se spotřebuje na čištění (zejména odtok společně s odkalováním). Odpar se snižuje při použití zastřešených systémů.

Čištění vody v recirkulačních akvakulturních systémech

První technologie čištění byly přebírány z technologických linek ČOV, zejména mechanická filtrace vody a nitrifikace.

Mechanický filtr slouží k odstranění zbytků krmiv, rybích výkalů a dalších nerozpuštěných látek. Nejjednodušší je sedimentační filtr. V podstatě je to sedimentační nádrž, která může být doplněná filtrační náplní, takový systém ovšem vyžaduje časté odkalování.

K sedimentaci a odkalování může docházet i přímo v chových nádržích, takže nemusí být samostatná sedimentační nádrž zařazena. V akvakultuře se nejvíce používá bubnový filtr, který odstraní nečistoty, jejichž rozměry nepřesahují 50 µm.

Pro menší systémy, zejména líhně a odchovy násad lze též použít štěrbinový filtr, který zachytí nečistoty do rozměrů 200 µm. Bubnové filtry i další, jsou často také používány na zahuštění kalu v kalovém hospodářství.

Nejdůležitější součástí recirkulačních systémů je biofiltr, ve kterém v provzdušňovaných nádržích dochází k přeměně forem dusíku za pomoci nitrifikace a také k mineralizaci organických látek. Pro představu, hustota ryb se obvykle pohybuje mezi 50-75 kg/m3 a s rostoucím množstvím ryb roste i použité krmivo, kterým se do systému dostává velké množství látek. Po přeměně v rybím organismu jsou vylučovány do vody močí a výkaly, nebo se uvolňují z nespotřebovaného krmiva.

Nitrifikace je hlavním krokem čištění a musí být dostatečně dimenzována, aby zvládala odstranit vysoké koncentrace dusíkatých látek, tedy přeměnu nežádoucích amonných látek na dusičnany, které ryby snášejí v mnohem vyšších koncentracích. Recirkulační systémy tak musí zajistit vhodné podmínky nejen chovaným rybám, ale i bakteriím, které jsou za nitrifikaci zodpovědné.

Typy biofiltrů

Pro akvakultury může být použito několik různých typů biofiltrů, buď s biomasou ve vznosu, nebo častěji s přisedlou biomasou. Bakterie totiž na površích vytváří biofilm, který je velmi vhodný pro potřebné biochemické procesy.

Rozhodující je zejména plocha povrchu pro vytvoření biofilmu a dostatek kyslíku pro průběh přeměny. Za nejúčinnější je považován zkrápěný biofiltr, u kterého je voda rozstřikována na filtrační materiál, jímž protéká.

Dále je obvykle používán filtr s pohyblivým ložem (též se označuje zkratkou MBBR, z anglického moving bed biofilm reactor), který využívá pohyblivou náplň ve vznosu (využíván například u dále zmíněného dánského typu akvakultur).

Pro provozy s menší intenzitou chovu se hodí i ponořený biofiltr, jehož náplň je nepohyblivá. Tento biofiltr se často kombinuje právě s MBBR filtrem. Velmi účinný je i tlakový biofiltr, který ale u nás není příliš rozšířený. U tohoto typu je filtrační materiál umístěn v tlakové nádobě, což umožňuje snadné proplachování filtru a jednoduché automatické ovládání. Energetická náročnost tohoto filtru je ovšem větší než v případě ostatních zmíněných druhů.

Odstraňování dusičnanů v recirkulačních systémech

Pomocí dobře fungující nitrifikace dochází k odstranění amonného dusíku i dusitanů, které jsou přeměňovány na dusičnany. Ty nejsou natolik akutně toxické pro ryby, na rozdíl od amoniaku, který (v závislosti na pH) způsobuje úhyn i v relativně nízkých koncentracích. Vlivem nitrifikace ale dochází k neustálému nárůstu koncentrace dusičnanů, které nejsou dostatečně odstraňovány ani výměnou vody, protože u recirkulačních systémů je žádoucí, aby bylo dopouštění nové vody do systému minimální.

Maximální neškodná koncentrace dusičnanů závisí na chovaném druhu ryb. Obecně však vysoké dusičnany mohou u ryb způsobovat zvýšený výskyt nádorů, morfologické změny (zejména při působení vysokých koncentrací na jikry a potěr), změny chování (např. apatii a sníženou schopnost krmení) a další nežádoucí efekty.

Otázkou tedy zůstává, jak koncentraci dusičnanů v recirkulačních akvakulturách snižovat.

Možností je použití heterotrofní denitrifikace, která je běžně využívána na ČOV. U ní dochází za pomoci denitrifikačních bakterií k přeměně dusičnanů na plynný dusík, který volně uniká do atmosféry.

Protože se však jedná o biochemický děj, jeho účinnost velmi závisí na dodržení vhodných podmínek (teplota, pH, bezkyslíkaté prostředí), doby působení a namnožení vhodných mikroorganismů. Je tedy složitá na provoz i relativně prostorově náročná.

Dalšími možnostmi jsou fyzikální způsoby odstranění dusičnanů, jako je sorpce na speciálních materiálech, nebo iontová výměna. Pro ně je však nutná dostatečná předúprava vody (zejména předfiltrace i velmi jemných částic), která může být nákladná a složitá.

V mnoha provozech je tedy stále nejvýhodnějším a nejjednodušším řešením pravidelná výměna větších objemů vody.

Kalové hospodářství

Důležitou součástí akvakulturních recirkulačních systémů je i zpracování kalu a kalové vody. Ze dna chovných nádrží, ale i ze sedimentačních nádrží, filtrů a nitrifikace je odstraňováno velké množství kalu. Tento kal je velmi vodnatý a jedná se tedy o značné objemy, které je výhodné redukovat. S nadměrnou produkcí kalů totiž rostou náklady na jejich odstranění a také nutnost většího doplňování vody do celého systému.

Kal se zahušťuje, nejčastěji pomocí bubnových filtrů, ale lze využít i dalších technologií. Produkovaná kalová voda má však obvykle nevyhovující parametry pro navrácení do chovného systému, takže je nutné její čištění, nebo alespoň řízené vypouštění do nitrifikace.

Z důvodu vysoké produkce kalu u akvakulturních systémů je vhodné jeho další využití. Produkovaný kal lze dále zpracovat a při vyhovujících parametrech využívat například jako hnojivo.

Další důležité aspekty

Důležitými parametry pro provoz akvakulturních recirkulačních systémů je též zajištění dostatečného obsahu kyslíku v nádržích a vhodného pH.

Kyslík potřebují ryby i bakterie zodpovědné za nitrifikaci. Uvádí se, že optimální nasycení kyslíkem pro chov ryb s vysokou intenzitou je asi 130-140 %. Okysličení vody se provádí buď jako aerace vzduchem přímo v přímo v chovných nádržích a nitrifikaci, nebo účinnějším obohacováním vody přímo samotným kyslíkem. Kyslík může být dodáván buď ze soustavy tlakových láhví, sila s tekutým kyslíkem či z generátoru kyslíku.

Vlivem rozkladu organických látek produkovanými rybami i probíhající nitrifikace dochází ke snižování pH vody. To je ale nežádoucí nejen pro nitrifikaci, ale pro větší zastoupení toxického amoniaku NH3, oproti amonnému iontu NH4+.

Je tedy nutné udržovat dostatečnou pufrační schopnost vody a zásaditější pH. To je obvykle prováděno přídavkem sody Na2CO3. Používání solí na zvýšení pH ale může způsobovat nežádoucí zasolování vody (v případě použití sody zvyšování koncentrace sodíkových iontů). To je možné vyřešit výměnou sody např. za K2CO3, které ale zvyšuje provozní náklady.

Důležitá je také teplota vody v systému, která by měla být vhodná pro chov daného druhu ryb. S rostoucí teplotou ubývá množství kyslíku, rozpuštěného ve vodě a také možná koncentrace toxického amoniaku. Vyšší teplota je ale naopak žádoucí pro rychlejší průběh nitrifikace.

Potřebné je také zajištění mikrobiologické nezávadnosti vody pro chov ryb. Voda by neměla obsahovat choroboplodné zárodky, ani parazity. Z tohoto důvodu je vhodné do recirkulace vody zařadit desinfekci a takto nezávadná voda by měla být i voda dopouštěná do systému.

K odstranění choroboplodných zárodků je využíváno UV záření. To je produkováno UV lampami, které mohou být instalované přímo na potrubí, nebo ponorné, instalované do otevřených kanálů, nebo do speciálních UV komor. UV dezinfekce může být kombinována i s ozonizací.

Horizontální recirkulační akvakulturní systém

Příkladem recirkulačního systému pro chov ryb je tzv. dánský typ využívaný pro intenzivní chov lososovitých ryb. Tento systém byl navržen tak, aby splnil požadavky kladené dánskou legislativou na množství odpadní vody vypouštěné do recipientu. I v České republice ho ale využívá několik rybích farem. Požadavky kladné na množství odpadní vody, jsou v Dánsku regulované množstvím krmiva, které může taková rybí farma ročně spotřebovat.

Jedná se o horizontální recirkulační systém (tedy rozdíl hladin v jednotlivých sekcích systému je malý) a je založen na principu tzv. „airliftů,“ tedy provzdušňovacích zařízení, které pomocí vhánění stlačeného vzduchu pohybují s vodou. V recirkulačním systému je rozmístěno několik typů těchto aerátorů, do nich je potrubím vháněn vzduch pomocí dmychadel. Vzduch zajišťuje pohyb vody, výměny plynů a též pohyb elementů v plovoucí části biofiltru, zajišťuje též čištění biofiltru.

Pohyb vody od biofiltru do nádrží s rybami a zpět k biofiltru zajišťuje aerátor umístěný v hloubce a pohyb vody v chovných žlabech zajišťuje nízkotlaký aerátor umístěný v chovném žlabu naproti přítoku vody. Voda se v chovné části mění 5krát až 10krát za hodinu. Čištění vody je zajištěno biofiltrem s plovoucí náplní, do kterého je vzduch veden perforovaným potrubím. Konečným stupněm je rošt pro odplynění filtrované vody.

Propojení chovu ryb a hydroponie

Stále častěji se využívá také propojení recirkulačních akvakulturních systémů spolu s pěstováním rostlin ve vodném roztoku – hydroponií.

Ústřední myšlenkou této metody je, že chovem ryb dostáváme vody bohaté na živiny, které je potřeba odstraňovat. Rostliny mohou tyto živiny využít pro svůj růst a současně tak množství živin ve vodě snižovat. Tím by teoreticky mohl vzniknout systém s úplnou recirkulací vody.

Výhodou hydroponického způsobu pěstování rostlin je opět úspora vody a možnost celoročního provozu, protože se často jedná o systémy umístěné v krytých halách, s umělým osvětlením.

Tato metoda se ale stále potýká s nedořešenými problémy. Zejména zajištění vhodných parametrů vody pro ryby i rostliny (často je potřebné vodu pro rostliny obohacovat některými biogenními prvky). Využití rostlin pro čištění vody je také velmi závislé na aktuálním počtu a stavu rostlin a je tedy velmi proměnlivé.

Závěr

Recirkulační akvakulturní systémy jsou v ČR stále více rozšířené, jak už systémy s pouhým chovem ryb, nebo doplněné o hydroponické pěstování rostlin. Jejich hlavní výhodou je úspora vody, ale snižuje se i negativní vliv chovu ryb na životní prostředí, riziko přenosu nemocí a ztráty způsobené predátory. Nespornou výhodou je také možnost vyšší produkce ryb na menší ploše díky větší kontrole systému, krmení a aeraci chovných nádrží.

Problematický je nárůst dusičnanů v systému, vyřešení kalového hospodářství a udržování vhodného pH. Spojení chovu ryb s hydroponií také ještě není úplně dořešeno, zejména z hlediska rozdílných požadavků ryb a rostlin na látky obsažené ve vodě. Přesto se však jedná o perspektivní metodu chovu ryb, která ale vyžaduje kvalifikovaný návrh i provoz těchto systémů.

Literatura:
RECIRKULAČNÍ SYSTÉMY „DÁNSKÉHO TYPU“ – SYSTÉM A KONSTRUKCE Mareš, J., Kopp, R., Lang, Š. Mendelova univerzita v Brně, Oddělení rybářství a hydrobiologie, Zemědělská 1, 613 00 Brno