4. Биологические и энергетические основы технологии естественной биологической очистки свиноводческих стоков в гидроэкосистемах

Энергетической основой естественной биологической очистки навозных и пометных стоков в гидроэкосистемах, как в системах продуктивных, являются два энергетических потока, поступающих в нее извне: энергия навозных стоков животноводческих комплексов и солнечная энергия. Эти два потока обеспечивают энергетическую базу для работы в системе одновременно детритной и пастбищной цепей, что позволяет эффективно использовать питательные вещества и энергию при переходе с одного трофического уровня на последующий, как внутри каждой пищевой цепи, так и между ними.

Наиболее полное использование энергии навозных стоков обеспечивается в системе рыбоводно-биологических прудов. Выдерживание строго определенного объема стоков в течение заданного времени под воздействием плюсовых температур и солнечной радиации способствует обильному развитию биомассы гидробионтов в каждой ступени каскада рыбоводно-биологических прудов, максимуму обмена веществ и энергии отдельными видами ценоза.

Основными объектами системы рыбоводно-биологических прудов, в которых протекают процессы потребления, использования и трансформации веществ и энергии навозных стоков являются: пруд-накопитель, водорослевой, рачковый и рыбоводный пруды.

Высокое качество очистки сточных вод в биологических прудах обеспечивается воздействием на них сложного биоценоза водных организмов. В природных условиях этот процесс называется самоочищающей способностью водоемов. Мертвое органическое вещество сточных вод, проходя ряд трофических уровней, в конечном счете аккумулируется в организме консумента, находящегося на верхней ступени пищевой цепи (Винберг и др., 1966; Колтыпин, 1979; Елин, 1985).

Первая ступень рыбоводно-биологческих прудов – пруд-накопитель. Стоки, находящиеся в нем, являются высококонцентрированными питательными растворами с набором разнообразных органических соединений (белков, аминокислот, углеводов, жиров, витаминов), имеющих пищевое значение для разнообразных видов бактериопланктона, усиленно наращивающих биомассу на этом субстрате. В результате жизнедеятельности бактериопланктона примерно 30 – 40% органических веществ, содержащихся в пруде-накопителе, переходят в биомассу бактерий (Елин, 1985). При этом органические соединения дестругируются до стадии возможного их потребления другими группами гидробионтов, в частности, водорослями, простейшими и коловратками, последние обитают в пруде-накопителе в больших количествах. Под воздействием разнообразных бактерий анаэробов происходит распад органических соединений навозных стоков с выделением минеральных форм азота, фосфора, железа, калия и других элементов. Бактерии-деструкторы не только минерализуют значительную часть органических навозных стоков и преобразуют большое количество биогенных веществ и элементов в биомассусвоих организмов, но и обогащают стоки такими необходимыми для дальнейшего развития водорослей веществами, как углекислый газ (СО₂) и аммиак (NH₃).

Простейшие также участвуют в деструкции органического вещества и ассимиляции растворенных биогенных элементов. В процессе питания бактериопланктоном простейшие способствуют поддержанию оптимальной плотности популяции различных видов бактерий, активизации их жизнедеятельности, таким образом, повышают надежность и стабильность процессов деструкции органического вещества, преобразования их в живую биомассу для дальнейшей трансформации на высшие трофические уровни. Являясь пищевым звеном для различных гидробионтов, простейшие участвуют в дальнейшем энергетическом движении веществ в экосистеме.

Второй ступенью каскада рыбоводно-биологических прудов водорослевой пруд. В результате биологических процессов, протекающих в пруде-накопителе, в водорослевой пруд поступают навозные стоки, обогащенные биогенными элементами, насыщенные аммиаком и углекислым газом, содержащие значительное количество живой массы бактерий и простейших. Эта среда обусловливает появление в водорослевом пруду новых видов гидробионтов, в первую очередь – водорослей.

Здесь, кроме уже работающей и развивающейся дестритной цепи, возникает и получает главенствующее значение пастбищная пищевая цепь. Водоросли, используюя биогенные элементы и утилизируя солнечную энергию в процессе фотосинтеза, активно перерабатывают и развивают свою биомассу. Биомасса водорослей, производимая в водорослевом пруду, превышает биомассу любого другого вида обитающих здесь гидробионтов.

Если перед поступлением в водорослевые пруды навозные стоки подвергались воздействию анаэробных микроорганизмов, несущих основную нагрузку по первичной деструкции органического вещества, то на последующих этапах очистки стоков, с появлением кислорода в процессе фотосинтеза водорослей, ведущая роль в утилизации органического вещества переходит к аэробным формам микроорганизмов, главным образом, различным видам водорослей и зоопланктона (Колтыпин, 1979; Доливо-Добровольский, 1981; Осокин, Попов, Потоцкий, 1988).

Следующей ступенью каскада рыбоводно-биологических прудов является рачковый пруд. Зоопланктон в таких прудах развивается в массовом количестве. В рачковом пруду продукционные процессы передачи и утилизации веществ и энергии по детритной и пастбищной пищевой цепи получают свое дальнейшее развитие благодаря существенному приросту биомассы фильтраторов, хищных ракообразных и личинок насекомых за счет потребления ими биомассы гидробионтов предшествующих уровней (простейших, бактерий и водорослей), предотвращая тем самым вторичное загрязнение от разложения избыточной массы фитопланктона.

В результате интенсивных энергообменных пищевых процессов продукция беспозвоночных животных в рачковом пруду достигает таких объемов, что становится надежной кормовой базой для рыб в рыбоводном пруду.

Последней ступенью каскада рыбоводно-биологических прудов является рыбоводный пруд. В рыбоводном пруду трофические отношения биоэнергообмена получают свое естественное завершение в продукции молоди рыб.

В биологических прудах особая роль принадлежит различным видам рыб. Некоторые из них питаются детритом, водорослями, высшей водной растительностью, другие – зоопланктоном и зообентосом. При аккумулировании аллохтонной органики рыбой она может быть изъята в виде урожая рыбы.

Продукционные возможности системы рыбоводно-биологи-ческих прудов представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Продукционные возможности рыбоводно-биологических прудов.

Группа гидробионтов-биотопов	Годовая продукция
	г/м3	ц/га	к/кал, м2	к/кал, га	протеин	жир, %	БЭВ, %
Бактериопланктон	100,0	10,0	500,0	5000000	—	—	—
Водоросли	114,0	11,4	570,0	5700000	50	12	19
Растения – гидрофиты	100,0	10,0	500,0	5000000	19,0	1,5	—
Простейшие и коловратки	30,3	3,02	150,0	1500000	49,0	7,0	14,0
Ракообразные	20,2	2,02	11,3	113120	50,0	21,0	10,0
Личинки насекомых	12,6	1,33	70,6	706000	60,0	5,0	28,0

Высокий выход биомассы обусловлен интенсивностью совокупного эффекта работы детритной и пищевой цепи экосистемы и быстрым воспроизводством генераций многих видов гидробионтов, обитающих в прудах.

Так, для воспроизводства одной генерации бактериопланктона необходимо 2-4 часа, простейших – 2,5-12 часов, коловраток – 1-2 суток, представителей фитопланктона 12-24 часа, ракообразных 4-9 суток. Поэтому за теплое время года возможно многократное воспроизводство различных гидробионтов.

По выходу питательных веществ, например, протеина, гидроэкосистема биологических прудов эффективнее сельскохозяйственной агроэкосистемы. При уровне 50 ц/га зерновые культуры дают порядка 5 ц протеина. Система рыбоводно-биологических прудов, как следует из таблицы 3, дает более 10 ц протеина.