Методические указания по расчету водоподачи в рыбоводные бассейны по кислородному и азотному балансу

Министерство рыбного хозяйства РСФСР

Государственный научно-исследовательский институт озерного и речного рыбного хозяйства ГОСНИОРХ

Научно-производственного объединения по промышленному и тепла водному рыбоводству

( НПО «Промрыбвод» )

Ленинград — 1983

Составил: Н.М. Белковский

Интенсификация рыбоводства является одним из основных направлений его развития. Всё более полное распространение получают тепловодные и морские бассейновые хозяйства, промышленные системы оборотного водоснабжения, бассейновые зимовальные комплексы, растут производственные мощности хозяйств.

Повышение плотности посадки — основной элемент интенсификации. В современных рыбоводных хозяйствах нагрузка ихтиомассы при выращивании форели, карпа, канального сомика достигает 100-200 кг/м³ и более. Выращивание рыбы в таких условиях возможно лишь при условии достаточно высоких расходов воды. Поступающая в бассейны с рыбой вода должна обеспечивать потребности в кислороде, удалять продукты метаболизма, экскременты и др. Недостаточный водообмен вызывает резкое ухудшение условий выращивания, гипоксию, заморы, повышенное загрязнение бассейнов. Излишней высокий расход воды приводит к её нерациональному использованию, увеличивает энергетические затраты рыб. Оптимальный расход воды — важнейшее условие успешного выращивания и содержания рыбы.

Наиболее просты и надежны расчёты водоподачи по кислородному балансу. Но хотя этот способ неоднократно описан в литературе (Черфас 1958; Лавровский, 1974; Willoughby, 1968, и др), он редко используются в производстве. Одной из причин этого является недостаточная изученность фактической интенсивности потребления кислорода рыбой при производственном выращивании.

Необходимо отметить, что расчёт водоподачи по кислородному балансу не всегда гарантирует оптимальный водообмен в бассейнах. Так, при использовании в рыбоводстве чистого кислорода, что получает в настоящее время всё большее распространение, возникает ситуация при которой лимитирующим фактором становится накопление аммиака, а не содержание кислорода.

При составлении настоящих «Методических указаний» использовались результаты собственных исследований, полученные при изучении интенсивности обменных процессов форели в условиях производственного выращивания, а также литературные материалы. «Методические указания» предназначены в основном для форелевых хозяйств, однако они могут быть использованы и для ориентировочных расчётов водоподачи в тепловых бассейновых хозяйствах, в зимовальных бассейновых комплексах.

1. Расчет водоподачи по кислородному балансу

1.1. Приводимый ниже метод расчёта водоподачи может применяться в тех случаях, когда нагрузка ихтиомассы достаточно велика (более 20-30 кг/м³), а конструкция бассейна и система водоподачи обеспечивают необходимое перемешивание воды и отсутствие обширных застойных зон.

1.2. Масса кислорода, вносимого в бассейн, зависит от объёма поступающей воды и концентрации растворённого кислорода. Концентрация кислорода на вытоке из бассейна не должна быть ниже определенного уровня: для лососевых 5-6 мг/л, или 50-60 % нормального насыщения, для карповых 3-4 мг/л, или 40-50 % насыщения (Лавровский, 1980; Кляшторин, 1982). Равновесные концентрации кислорода в зависимости от температуры воды приведены в табл. 1.

1.3. Из каждого литра воды рыба может использовать количество кислорода, равное разнице между его концентрацией на втоке и допустимым содержанием на вытоке, т.е. C_вт — C_выт. Масса кислорода M₁, поступающего в бассейн и обеспечивающего нормальную жизнедеятельность рыб, рассчитывается по формуле:

M₁ = Y (C_вт — C_выт) ,

где Y — водоподача (л/с); C_вт и C_выт — концентрация кислорода на втоке и вытоке из бассейна.

1.4. Содержание кислорода на втоке определяется по методу Винклера (Унифицированные методы анализа вод СССР, вып. 1, 1978) или с помощью выверенного оксиметра.

1.5. Интенсивность потребления кислорода одной рыбой может быть рассчитана по формуле:
Q = A*W^k,
где Q — количество кислорода, потребляемого одной рыбой в условиях относительного покоя ( мг/(екз*час) ); W — масса рыбы (г); A и k — постоянные коэффициенты. Значения этих коэффициентов, найденные нами для молоди форели, а также определенные Г. Г. Винбергом (1956, 1961) для различных видов рыб, приведены в табл. 2. Для ориентировочных расчётов на рис. 1 и 2 представлены графики, построенные на основании данных уравнений.

1.6. Полученные значения Q, выраженные в мгO₂/(экз*час) соответствуют температуре воды 20 °C. Для приведения их к реальной температуре воды следует воспользоваться таблицей температурных поправок (см. табл 2), при этом найденную по уравнениям или графикам величину нужно разделить на коэффициент, соответствующий фактической температуре воды.

Рис. 1. Зависимость между количеством потребляемого кислорода (Q) и массой рыбы (W) при температуре t = 20 ° (молодь до 30 г):
1 — молодь форели (20 тыс.экз/м³); 2 — молодь форели (30 тыс.экз/м³); 3 — сеголетки карпа

Рис. 2. Зависимость между количеством потребляемого кислорода (Q) и массой рыбы (W) при температуре t = 20 ° (рыба свыше 30 г):
1 — осетровые; 2 — лососевые; 3 — карп

Таблица 1
Равновесные концентрации кислорода для вычисления насыщения кислородом (Унифицированные методы анализа вод СССР, 1, 1978)

Таблица 2
Зависимость между количеством потребляемого кислорода Q, мг/экз.час и массой рыбы (W, г) при температуре 20 °C (по Винбергу, 1956, 1961)

1.7. В развёрнутом виде балансовое равенство имеет следующий вид:

Q×n×1,2
Y×(C_вт — C_выт) = ———————— ,
K_t×3600

Q×n×1,2
Y = ———————————— ,
K_t×(C_вт — C_выт)×3600

где Y — водоподача (л/с), Q — количество кислорода (мг), потребляемое одной рыбой определенной массы за 1 час при температуре воды 20 °C; n — число рыб в бассейне; 1,2 — поправочный коэффициент на активность рыбы в условиях производственного выращивания; K_t температурная поправка; C_вт и C_выт — концентрации кислорода на втоке и вытоке; 3600 -коэффициент для пересчета Q из мгO₂/(экз×час) в мгO₂/(экз×с).

1.8. Пример расчёта водоподачи по кислородному балансу. Требуется определить, какое количество воды должно подаваться в бассейн молодью форели средней массой 3 г. Температура воды 15 °C, содержание кислорода в поступающей в бассейн в воде 9,0 мг/л, плотность посадки 30 тыс.экз/м³, объём бассейна 1 м³.

Порядок расчёта следующий.

1. Выбираем нижнюю границу содержания кислорода на вытоке из бассейна. для Молоди реле времени её равной 6 мг/л.

2. По табл. 3 подбираем формулу, подходящую для данного случая. Затем по логарифмическим таблицам или иным способом находим десятичный логарифм массы рыбы (lg W) и, подставляя полученную величину в логарифмическое уравнение (см. табл. 3), вычисляем логарифм Q. Интересующее нас значение Q определяем затем по таблицам антилогарифмов. Ориентировочно величину Q можно найти с помощью графика, приведенного на рис. 1. Проведя соответствующие вычисления, получаем: Q = 1,456 мгO₂/(экз×час)

Таблица 3
Температурные поправки (K_t), для приведения значений обмена к 20 °C по «нормальной кривой» Крога (Винберг, 1956)

3. По табл. 2 определяем величину температурной поправки для температуры 15 °C: K_t = 1,57.

4. Находим число рыб в бассейне:
30 тыс.экз/м³×1 м³ = 30 тыс.экз.

Рис. 3. Относительное содержание аммиака (NH₃—N) в процентах от общего количества аммонийного азота и азота аммиака в зависимости от pH и температуры
1 — осетровые; 2 — лососевые; 3 — карп

5. Подставляя найденные значения в формулу, получаем:

30 тыс.экз×1,456 мг/(экз×час)×1,2
Y = —————————————————————— =3,09 ≈ 3,1 л/с
(9 мг/л — 6 мг/л)×3600×1,57

6. После установки требуемого расхода воды в бассейне следует определить содержание кислорода на вытоке, и в случае большого расхождения между фактическим и ожидаемым уровнем растворенного кислорода необходимо изменить расход воды и выявить причины расхождения. В процессе выращивания требуется регулярно контролировать содержание кислорода на втоке и вытоке из бассейна и вносить соответствующие поправки по мере роста рыбы. Рекомендуется устанавливать на водоподаче простейшие расходомеры, например щелевые, представляющие собой цилиндр с вертикальной щелью, через которую вытекает поступающая в расходомер вода. Чем больше подача воды, тем выше уровень в расходомере. Откалибровав расходомер, по уровню воды в нём можно легко и с достаточной точностью определить количество подаваемой в бассейн воды.

2. Расчет водоподачи по азотному балансу

2.1. Основным конечным продуктом азотного обмена у рыб является аммиак, в свободном состоянии (NH₃) весьма токсичный для рыб. Предельно допустимая концентрация аммиака для рыбохозяйственных водоемов принята равной 0,05 мг/л. В то же время в в ионизированной форме (NH₄⁺) аммиак гораздо менее опасен. Содержание свободного аммиака зависит от общей концентрации аммонийного азота, pH воды, её температуры (рис. 3, табл. 4).

2.2. Для расчёта расхода воды по азотного балансу необходимо знать: величину pH, температуру воды, концентрацию азота в воде на втоке в бассейн, а также количество аммонийного азота, выделяемого рыбой.

Рис. 4. Зависимость между количеством выделяемого аммонийного азота (Q_N) и массой форели (W) при t = 20 °C

Для молоди радужной форели интенсивность выделения аммонийного азота может быть рассчитана по следующим формулам (Белковский, 1979):

Q_N = 0,144W^0,75 (при плотности 20 тыс.экз/м³)
Q_N = 0,134W^0,64 (при плотности 30 тыс.экз/м³)

Для упрощения расчётов по данным уравнениям построены графики, приведенные на рис. 4.

Таблица 4
Относительное содержание NH₃ в воде (Унифицированные методы анализа вод СССР, 1, 1978)

2.3. Найденные по формулам или графикам значения Q_N соответствуют температуре воды 20 °C. для того, чтобы привести их к фактической температуры воды в бассейне, следует обратиться к таблице температурных поправок см. табл. 3 и разделить величину Q_N на соответствующую температуру поправку K_t.

2.4. расчёт водоподачи по азотного балансу проводят проводится по следующей формуле:

Q_N×n×b×1,2
Y = —————————————————— ,
K_t×3600×(0,05 — C×b/100)×100

где Y — водоподача (л/с) ; Q_N — количество азота, выделяемого одной рыбой данной массы (мгN/(экз.час)); K_t — температурная поправка; C — концентрация аммонийного азота в воде на втоке в бассейн; b — процентное содержание свободного аммиака в зависимости от величины pH и температуры; 1,2 — поправочный коэффициент на активность рыбы; n — число рыб в бассейне; 0,05 — предельно допустимая концентрация свободного аммиака (мг/л); 3600 — коэффициент для пересчета Q_N из мгN/час в мгN/с.

2.5. Пример расчёта водоподачи по азотному балансу. Требуется определить, какое количество воды должно подаваться в бассейн c молодью форели средней массой 5 г. Температура воды 15 °C, содержание кислорода в поступающей в бассейн воде (pH = 7,8) 18 мг/л, плотность посадки 20 тыс.екз/м³, концентрация аммонийного азота на стоке 2,5 мг/л, объём бассейна 1 м³.

Порядок расчёта следующий.

1. По рис. 4 определяем интенсивность выделения аммонийного азота (Q_N) рыбой массой 5 г при температуре 20 °C и плотности посадки 20 тыс.екз/м³. Для этого, как и при интенсивности потребления кислорода, находим логарифм массы тела (lg W) и вычисляем логарифм интенсивности выделения аммонийного азота (lg Q_N). По таблице антилогарифмов находим Q_N. Ориентировочно интенсивность выделения азота можно определить графически (см. рис. 4).

2. По табл. 3 находим температурную поправку K_t. Для температуры 15 °C K_t = 1,57.

3. Пользуясь табл. 4 или рис. 3, определяем относительное содержание свободного аммиака при температуре 15 °C и pH = 7,8. Три линии на рис. 3 соответствуют содержанию свободного аммиака в процентах от общего количества аммонийного азота при температуре 5, 15 и 25 °C. При промежуточных значениях температуры необходимо провести интерполяцию на глаз. Для нашего примера находим, что b = 1,4 %.

Подставляя найденные величины в формулу, получаем:

0,42 мгN/экз.час×20 тыс.экз×1,2×1,4
Y = —————————————————————————— = 1,66 ≈ 1,7 л/с.
1,57×100×3600×(0,05 — 2,5 мг/л×1,4/100)

2.6. После установки требуемой водоподачи необходимо проверить, соответствует ли концентрация свободного аммиака на вытоке из бассейна ожидаемому уровню, и при необходимости внести соответствующие коррективы. Концентрация аммонийного азота может быть определена колориметрически с реактивом Несслера или с помощью ионоселективных электродов.

2.7. Интенсивность выделения аммонийного азота у рыб ниже, чем интенсивность потребления кислорода, в связи с чем при величине водоподачи, рассчитанной по кислородному балансу, как правило, обеспечивается удаление из бассейна избыточных количеств аммиака. Необходимость определения водоподачи по азотному балансу возникает в тех случаях, когда содержание кислорода в воде достигает 130-150 % нормального насыщения, а также при высоких значениях pH и больших концентрациях аммонийного азота в поступающей в бассейны в воде.

Первоисточник в формате PDF:
Н.М. Белковский, ГосНИОРХ НПО «Промрыбвод». Методические указания по расчету водоподачи в рыбоводные бассейны по кислородному и азотному балансу. — 1983 г.