Расчет биофильтра в узв клариевого сома по корму

Эффективная эксплуатация УЗВ возможна при условии биологической очистки воды. В её основе лежит способность микроорганизмов разлагать органические и неорганические вещества, скапливающиеся в воде при выращивании рыбы: соединений азота и фосфора, являющихся основными источниками загрязнений.
В данной статье мы рассмотрим особенности процесса нитрификации, зависимость концентрации аммиака от pH воды, значение биофильтра, параметры биозагрузки и его составляющие.

Биохимия процесса нитрификации

В процессе жизнедеятельности рыба, потребляя корм, выделяет в воду различные загрязнения, также выделяются растворенные примеси (главным образом с мочой), основная из которых – азот.

Эффективная эксплуатация УЗВ возможна при условии биологической очистки воды, в её основе лежит способность микроорганизмов разлагать органические и неорганические вещества, скапливающиеся в воде при выращивании рыбы: соединений азота и фосфора. Микроорганизмы естественным образом выделяются из пищеварительной системы рыбы и находятся во взвешенном состоянии в воде, однако количества бактерий недостаточно.

В системах УЗВ организовывается узел биологической очистки, в котором бактерии, оседая и закрепляясь в виде биопленки на специальной полимерной загрузке, образуют многочисленные скопления, что позволяет:
1) В десятки и даже сотни раз нарастить количество бактерий, обеспечивающих очистку воды, в системе УЗВ, тем самым увеличить окислительную способность биофильтра
2) Закрепить все бактерии в одном локальном участке, предотвратив их циркуляцию по всей системе УЗВ. Повысить контроль над работой биологической очистки
3) Предотвратить гибель бактерий от устройств обеззараживания, используемых в системе УЗВ (главным образом УФ-обеззараживателей)

Загрузка имеет развитую площадь поверхности и выполняет одну функцию – является субстратом для закрепления бактерий. Чем большую площадь поверхности имеет биозагрузка, тем большее количество бактерий может на ней закрепиться. Соответственно, тем большую окислительную мощность набирает биофильтр одних и тех же внешних габаритов.

Биофильтры в системе УЗВ, в отличие от биофильтров очистки коммунальных стоков имеют узкую направленность: осуществляют нитрификацию азотной группы.
Очистка воды от азота в биофильтрах производится в 2 стадии. Каждую из стадий осуществляет своя группа бактерий:
1) Окисление общего аммонийного азота (NH3+ NH4) в нитриты (NO2) осуществляется бактериями группы Nitrosomonas

2) Окисление нитритов (NO2) в нитраты (NO3) осуществляется бактериями группы Nitrobacter

Основная цель нитрификации – окислить токсичный аммиак NH3 в условно нетоксичные нитраты NO3.
Денитрификация – процесс, позволяющий очистить нитриты и перевести их в газообразный азот, сбросив в атмосферу, он применяется в отдельных случаях.

Бактериям для осуществления процессов нитрификации в обязательном порядке необходим кислород. Причем окислительная мощность биофильтра максимальна при содержании растворенного кислорода в воде не менее 80%. При отсутствии или низком содержании кислорода в воде биопленка начинает отмирать. Именно поэтому биофильтр зачастую принудительно аэрируют атмосферным воздухом.

Зависимость концентрации аммиака от pH воды

Аммонийный азот, выделяемый рыбой в процессе жизнедеятельности, состоит из 2 частей:

1) Аммоний (NH4). Не является токсичным для рыб

2) Аммиак (NH3). Является токсичным для рыб

Вместе аммоний и аммиак образуют общий аммонийный азот (TAN, total ammonia nitrogen).
Соотношение между аммиаком и аммонийным азотом в воде не является постоянным и зависит от рН и температуры воды. Необходимо корректно учитывать предельно допустимые концентрации общего аммонийного азота в воде: чем выше рН и температура воды, тем больше процент содержания аммиака в воде по отношению к общему аммонийному азоту.

Эффективность работы биофильтра

Окислительная мощность биофильтра – параметр, характеризующий производительность биофильтра, представляет собой количество общего аммонийного азота, которое биофильтр способен переработать в единицу времени (килограмм в сутки).

Окислительная способность биофильтра зависит от ряда факторов:
1) Удельная защищенная площадь поверхности загрузки.
Данная площадь не подвержена трению между гранулами и не зарастает, обеспечивая нормальную толщину пленки.
2) Температура воды
Чем она выше, тем быстрее протекает метаболизм бактерий и выше окислительная мощность биофильтра
3) Концентрация аммонийного азота в воде
С увеличением концентрация аммонийного азота в воде, повышается окислительная способность биофильтра.
4) Соленость воды
При проектировании важно учитывать, что в соленой воде окислительная мощность биофильтра примерно на 30% ниже, чем в пресной.
5) Концентрация взвешенных веществ в воде
Отсутствие в системе УЗВ качественной механической очистки (или выход её из строя) способствует нарастанию колоний гетеротрофных бактерий, не участвующих в процессе нитрификации, поэтому часть загрузки не будет работать на нитрификацию, и окислительная мощность биофильтра упадет.

Биозагрузка

Биозагрузка – это субстрат для закрепления бактерий. Как правило, представляет собой пластиковые гранулы или блоки с максимально разветвленной структурой и высокой площадью поверхности для закрепления бактерий.

Параметры, характеризующие производительность биозагрузки:
• Общая площадь поверхности загрузки (удельная) – площадь всей поверхности, содержащаяся в 1 м3 загрузки, измеряется в м2/м3.
• Защищенная площадь поверхности загрузки (удельная) – самый основной параметр – это площадь защищенной части поверхности, которая не подвержена истиранию и зарастанию в процессе работы биофильтра, содержащаяся в 1 м3 загрузки, измеряется в м2/м3.

Типы биозагрузки:
Загрузка типа «кипящий слой» (random media) – пластиковая гранула диаметром 10-30мм с развитой площадью поверхности. В зависимости от плотности сырья может быть плавающей, нейтральной плавучести и тонущей.

Блочная загрузка – статичные блоки (фактически кубы), также выполненные из пластика, которые устанавливаются один на другой, формируя общий объем загрузки биофильтра

Иные типы получили менее широкое распространение в УЗВ (маты, ерши, полистирольная гранула и иные типы загрузки).

Типы биофильтров

Биофильтры, используемые при проектировании рыбоводных комплексов УЗВ, все основаны на закреплении бактерий на загрузке.

1) Биофильтр с «кипящим слоем» (Moving bed bio reactor)
Принцип работы основан на работе загрузки в погруженном состоянии при постоянном барботаже (аэрации). Представляет собой резервуар, заполненный водой, работающий по принципу вытеснения.

Плюсы:
· Не требует больших площадей и высот для установки (в отличие от капельных биофильтров)
· Стабильно и предсказуемо работает
· Не имеет мертвых и застойных зон (при правильном проектировании)
· Не требует обслуживания
· Дополнительно насыщает воду кислородом (за счет аэрации)
· Дополнительно обеспечивает дегазацию воды (за счет аэрации)
Минусы:
· Ограничен в глубине
· Относительно высокие энергозатраты на постоянную аэрацию

2) Биофильтр со «статичным слоем»
Принцип основан на нитрификации воды в слое статичной загрузки, находящейся без движения. Данный биофильтр идентичен по всем параметрам биофильтру с «кипящим» слоем за исключением следующего: в биофильтре использована тонущая гранула (плотность >1 г/см3); загрузка находится в статичном состоянии, отсутствует постоянная аэрация; на дне вместо диффузоров расположены перфорированные трубы для прочистки биофильтра; биофильтр требует периодической регенерации

Плюсы:
· Практически нулевое энергопотребление за счет отсутствия постоянной аэрации
· Компактность за счет возможности более «плотного» наполнения загрузкой по сравнению с кипящим слоем
· Дополнительно осуществляет механическую очистку воды
Минусы:
· Отсутствует способность насыщать воду кислородом. Особенно это критично там, где в воде, приходящей в биофильтр, изначально отсутствует кислород (например, УЗВ на африканского сома)
· Отсутствует способность обеспечивать дегазацию воды. При использовании фильтра как единственного узла биологической очистки в любом УЗВ независимо от рыбы и плотности посадки в обязательном порядке необходимо ставить отдельный узел дегазации
· Требует периодического обслуживания (цикл регенерации, как правило 1 раз в сутки)

3) Комбинированный биофильтр
Сочетание двух вышеперечисленных биофильтров. Работает следующим образом: очищаемая вода сперва попадает в отсек с плавающей загрузкой, где помимо биологической очистки происходит насыщение воды кислородом и дегазация от углекислого газа. Далее вода попадает в камеру с тонущей загрузкой, где помимо биологической очистки дополнительно удаляется мелкая механическая взвесь, которая проскочила барабанный фильтр, а также отмершая биопленка из камеры с плавающей загрузкой.

Принцип работы комбинированного биологического фильтра

Плюсы:
· Обеспечивает насыщение воды кислородом
· Обеспечивает дегазацию воды от углекислого газа
· Обеспечивает дополнительное задержание механической взвеси, чем повышает качество воды в УЗВ
· Снижает на 50% энергозатраты на аэрацию биофильтра (за счет того, что только половина биофильтра непрерывно аэрируется)
Минусы:
· В связи с тем, что объем подаваемого на аэрацию воздуха в 2 раза ниже, чем на биофильтре с кипящим слоем, то качество дегазации также будет ниже
· Несколько сложнее в проектировании
· Требует остановки для регенерации камеры с тонущей загрузкой

4) Капельный биофильтр
Широко использовался при проектировании рыбоводных ферм в 80е-90е годы. Принцип работы основан на капельном орошении статичной загрузки, таким образом загрузка не погружена в воду, а находится в атмосфере. Представляет собой емкость, внутри которой находятся блоки биозагрузки.

Плюсы:
· Дополнительно обеспечивает эффективную дегазацию воды
Минусы:
· За счет низкой площади поверхности блоков биозагрузки имеет большие габариты, чем другие типы биофильтров. Требует больших пространств
· Как правило, требует высоких потолков в помещении
· Как правило, требует отдельных насосов для подъема воды в верхнюю часть сооружения (капитальные затраты + электроэнергия)
· Процессы биологической очистки менее стабильны, более «капризный»
· Является рассадником насекомых (мухи, комары и пр.)

5) Бусеничный фильтр
Принцип работы основан на очистке воды при помощи бактерий, закрепленных на статичной полистирольной грануле, особенности заключаются в следующем: полистирольная гранула более мелкая и выполнена из иного материала, нежели тонущая загрузка; гранула имеет более высокую площадь поверхности (1200-1500 м2/м3), чем тонущая гранула; вода через полистирольную гранулу пропускается снизу вверх, в отличие от тонущей гранулы, где вода пропускается сверху вниз

Плюсы:
· Высокая площадь поверхности, большая окислительная мощность в сравнении с другими биофильтрами
Минусы:
· Не обеспечивает дегазацию воды. Требует наличие в обязательном порядке вне зависимости от вида рыб и плотности посадки отдельного узла дегазации
· Отсутствует способность насыщать воду кислородом. Особенно это критично там, где в воде, приходящей в биофильтр, изначально отсутствует кислород (например, УЗВ на африканского сома)
· Коммерчески доступны только для малых объемов биофильтров
· Сравнительно мало опыта проектирования таких фильтров в целом по миру

6) Песчаный биофильтр
Был популярен в 80х-90х годах, сейчас практически вытеснен биореактором с кипящим слоем. До сих пор используется некоторыми проектировщиками, особенно в США. Представляет собой биофильтр с «кипящим» (псевдоожиженным) слоем, в котором вместо пластиковой гранулы используется песок определенной фракции. Песок непрерывно поддерживается во взвешенном состоянии восходящим потоком воды. Бактерии, закрепленные на частицах песка, осуществляют биологическую очистку воды.

Плюсы:
· Не требует промывки и прочистки
· Песок имеет самую высокую площадь поверхности среди всей загрузки, соответственно фильтр может быть в несколько раз более компактным, чем другие типы
Минусы:
· Очень капризен в проектировании, запуске и эксплуатации. Не терпит ошибок при проектировании, запускается долго (3-5 месяцев), в процессе работы могут быть сбои, не любит остановок системы УЗВ
· Песок является расходным материалом и требует регулярного пополнения
· В процессе работы песок выносится в систему УЗВ, загрязняет воду, истирает любые вращающиеся узлы, чем уменьшает ресурс работы узлов
· Требует наличие отдельного узла дегазации
· Отсутствует способность насыщать воду кислородом. Особенно это критично там, где в воде, приходящей в биофильтр, изначально отсутствует кислород (например, УЗВ на африканского сома)

Параметры, характеризующие биозагрузку для биофильтров с кипящим и статичным слоем

1) Плотность гранулы
В зависимости от использованных материалов при производстве загрузка может как плавать на поверхности, так и держаться в толще воды либо тонуть. Меняют плотность на заводе-производителе в зависимости от задачи, добавляя при производстве различные присадки: плотность плавающей загрузки 0,95-0,96 г/см3, тонущей 1,05-1,1 г/см3
2) Материал изготовления
На характеристики загрузки материал практически не оказывает никакого влияния, чаще всего встречается полиэтилен HPDE, также применяют полипропилен и другие типы полиэтилена.
3) Тип сырья
Для производства биозагрузки, как правило, может использоваться 2 типа сырья:
· Первичное сырье
Означает, что гранула произведена из материала, никогда не бывшего в употреблении. Считается сырьем высокого качества и рекомендуется к применению
· Вторичное сырье
Означает, что сырье, использованное при производстве гранулы, ранее было в употреблении и является продуктом переработки. Как правило, стоит дешевле первичного, но может содержать подводные камни, а именно: раскалибр (разные размеры в связи с низким качеством сырья), разные плотности (сложно достичь однородной плотности загрузки, гранулы могут двигаться в биофильтре непредсказуемо), проблемы с обрастанием.
Рекомендуется использовать с осторожностью и только от проверенных поставщиков.
4) Размер гранулы
Основное правило: чем меньше фракция гранулы, тем больше ее площадь поверхности.

Резервуары биофильтра

Материалы изготовления резервуаров:
· Бетон
· Пластик (полипропилен, полиэтилен)
· Иное (стеклопластик, мягкая мембрана и пр.)

Варианты высотной схемы:
· Размещение на полу
· Размещение в заглубленном варианте (ниже уровня пола)

Форма резервуара:
· Цилиндрический
· Прямоугольный

Расчет биофильтра включает:
1) Расчет выделения общего аммонийного азота
2) Расчет требуемой площади биозагрузки
3) Расчет количества биозагрузки
4) Расчет резервуара биофильтра
5) Расчет аэрации
6) Расчет площади удерживающей сетки
7) Деление биофильтра на камеры
8) Расчет количества мембраны для обработки бетонного резервуара биофильтра

Встраивание биофильтра в технологическую схему

· Биофильтр встраивается в технологическую схему после узлов механической очистки и до оксигенации
· Проектировщику необходимо руководствоваться высотной схемой для встраивания биофильтра в технологическую схему
· Подача воды в биофильтр может быть организована как в самотечном режиме, так и насосами
· Потери уровня в каждой камере биофильтра 5-10 см – чем больше камер, тем больше потери уровня
· Если глубина воды в биофильтре больше 2 метров, то в системе УЗВ в обязательном порядке должна быть установлена система дегазации
· Сухой запас нужен как буфер для дополнительного объема воды на случай аварийной ситуации (засорения выхода из биофильтра или остановки системы УЗВ со сливом части объема воды рыбоводных бассейнов в биофильтр).
· Аварийный перелив должен присутствовать в каждой камере биофильтра и соединен с системой канализации.

Запуск биофильтра

Основные пути запуска биофильтра:
1) Запуск на искусственном стоке
В системе УЗВ вода искусственно подготавливается при помощи различных реагентов: нашатырный спирт, нитрит натрия, корм (опционально), сода.
2) Запуск на рыбе
Биофильтр запускается естественным образом на загрязнениях, выделяемых рыбой в процессе жизнедеятельности, а также на тех бактериях, которые выделяет рыба.

Типичные ошибки при проектировании биофильтра:
· Слишком мелкий / слишком глубокий резервуар биофильтра
· Не обеспечен достаточный сухой запас для приема воды, сливающейся из рыбоводных бассейнов в случае остановки системы УЗВ
· Неверно рассчитана или не рассчитана площадь удерживающей сетки
· Неверно подобраны пропорции биофильтра (слишком узкий / слишком широкий)
· Биофильтр не разделен на камеры должным образом

Резюмируя вышесказанное, представим эксплуатацию биофильтра в тезисах

· Наиболее эффективно бактерии-нитрификаторы работают в темноте. Рекомендуется обеспечить полумрак в зоне расположения биофильтра
· Биофильтр для эффективной работы нуждается в стабильности. Следует избегать резкого колебания температуры, рН воды, освещенности, кормовых нагрузок
· Прежде, чем использовать любой химикат, лекарство или антисептик для лечения или профилактики рыб, проверить, как это влияет на бактерий в биофильтре
· В случае использования водопроводной воды обеспечить эффективную и надежную очистку от хлора, вызывающего гибель бактерий биофильтра

В предыдущих статьях Вы сможете найти полезную информацию о рыбоводстве: преимущества и ключевые моменты выращивания рыбы в УЗВ, с чего нужно начать запуск собственной аквафермы и многое другое. Подписывайтесь на наш канал Аквафермер.рф!

Хотите открыть собственную акваферму?

Мы предоставляем все инструменты для успешного старта бизнеса:
– Технология выращивания рыбы с пошаговой инструкцией
– Пошаговая инструкция по подготовке помещения
– Готовая технология продаж рыбы
– Поставка посадочного материала
– Обслуживание установки
– Поставка кормов

Свяжитесь с нами:
www.aquafarmer.ru/promo
+7 (495) 984-46-17
Павелецкая набережная 2, Москва