Фильтрация и многократное использование воды рыбоводными хозяйствами. Часть 3. Биологическая фильтрация

Часть отходов от рыбы и корма растворяется и требует разложения или преобразования в безопасные вещества. Опять же, необходимо обратить внимание на органический загрязнения и азотосодержащие вещества. (фосфор является инертным веществом и не обладает токсическими свойствами). Расчет размеров биологических фильтров должен основываться на ожидаемой нагрузке по органическим и азотным соединениям.

Органические загрязнения

Термин БПК включает в себя большинство биоразлагаемых материалов, таких как белки, жиры и углеводы. Разложение осуществляется гетеротрофными бактериями в обогащенной кислородом среде. Ниже приводится упрощенная запись происходящей реакции: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + E (глюкоза) (углекислый газ) (энергия) Бактерия размножается многократным делением, это называется «прирост», и он довольно велик – 0,6 кг / кг БПК. Эта биопленка или, скорее, ил в конечном итоге превращается в малые частицы (как было описано выше), и при правильном контроле его можно вымыть из загрузки биофильтра. Бактериологические реакции очень чувствительны к температуре и уровню pH. На угревом хозяйстве с рециркуляцией воды при температуре 25ºС разложение органического вещества в биофильтрах составит приблизительно 10-15 г. БПК / м2 в день. Органические загрязнения могут разлагаться без присутствия кислорода посредством ферментации. При расчете биофильтров эти реакции обычно не очень учитываются, но при неправильном проектировании возможны проблемы и ухудшение качества воды. На практике наблюдались проблемы с погружными фильтрами, даже при наличии кислорода в выпускном канале, возможно ухудшение проточности из-за скопления ила в загрузке биофильтра и, следовательно, образование зон без кислорода.

Процесс ферментации:

Органические загрязнения → H2, CO2, спирт, уксусная кислота → метан (CH4) и прочие органические кислоты. Эта реакция состоит из нескольких этапов, и она очень чувствительна к изменениям среды, особенно второй этап; даже незначительное изменение pH может существенно повлиять на преобразование спиртов, органических кислот и т.д., что приводит к скоплению легко-разлагаемого материала в загрузке биофильтров. При резком изменении физических свойств возможен выброс накопившейся органики. При контакте с кислородом в бассейнах с рыбой она очень быстро разложится гетеротрофными потребляющими кислород бактериями – иногда настолько быстро, что подаваемого с водой кислорода не хватает для потребления рыбой. Этот процесс можно назвать «органической бомбой», и его следует избегать. Для предотвращения такой ситуации необходимо правильно выбирать и контролировать фильтры. 

Эти нитрифицирующие бактерии называются автотрофными, так как в качестве источника энергии они используют неорганический компонент – аммиак. Этот процесс дает намного меньший прирост (рост бактерий), чем гетеротрофные бактерии, приблизительно 10%. Для протекания процесса требуется кислород (аэробный) и выделается H+ (кислота), что приводит к снижению pH.

Как видно из нижеприведенных данных, кинетика реакции очень сильно зависит от факторов внешней среды:

Данные приведены для оптимальных условий при заданной температуре.

В борьбе за свободное место в биофильтрах нитрифицирующие бактерии уступают гетеротрофным из-за медленного роста. 

Необходимо контролировать поступление кислорода к бактериям. Вода на выходе из погружных фильтров должна содержать, как минимум, 3-4 мг О2/л.

Рекомендуется использовать фильтры, как «нитрифицирующие» фильтры, т.е. обеспечить оптимальные условия для нитрификации. Для этого необходимо учесть вышеназванные факторы: низкая нагрузка по органическим соединениям и достаточная подача кислорода. Величина pH также очень важна, но опыт показывает, что процесс протекает стабильно в диапазоне pH 6,5 – 8,0. 

Резкие изменения факторов внешней среды намного опасней постепенных, так как бактерия способна адаптироваться в определенном диапазоне условий. 

Расчет площади поверхности в биофильтрах:

Вышеназванные процессы должны учитывать:

• Биоразложение органического материала
• Нитрификацию

Согласно расчетам, максимальная нагрузка по органическим соединениям составляет 237 г БПК на кг корма, попадающего в систему. Эффективность микрофильтрации оценивается в 50% удаление органических частиц. Полученная величина для нагрузки по БПК на биофильтры составляет максимум 119 г на кг корма.

Из уравнения (1) при кормовом коэффициенте 1,0 становится видно, что соответствующее выделение суммарного азота будет 50 г.

БПК: 5 г / м2 х день, г БПК / кг корма ----------- 24 м2 

Аммиак: 0,7 г / м2 х день, 50 г NH3/NH4 –N -------- 71 м2 

При такой низкой нагрузке по органическим соединениями будет достаточно площади для нитрификации: Общая площадь поверхности в биофильтрах ---------- = 95 м

Денитрификация 

В результате нитрификации в системе скапливаются нитраты. Концентрация нитрата не должна превышать 90 мг NO3-N/л. Такая высокая концентрация влияет на рост и усвоение корма. Она считалась довольно безобидной, но практика показывает, что слишком высокая концентрация влияет на некоторые виды рыб. Процесс редукции нитрата до атмосферного азота называется денитрификацией. Этот процесс требует наличие органического источника и протекает в бескислородных средах. Преобладающими денитрификационными бактериями являются псевдомонады.

5 CH 3OH + 6 NO 3 -> 5 CO 2 + 3 N2 + 6 OH + 7 H2O (метанол)

На практике вам понадобится около 2,5 кг CH3OH на каждый килограмм NO3-N. Ил из микрофильтра использовался в качестве органического источника, но опыт показывает, что происходит избыточное скопление ила, которое создает проблемы с промывкой. В погружных фильтрах будет происходить избыточная денитрификация, несмотря на то, что фильтры работают в режиме аэробных фильтров. Это происходит из-за того, что нижние слои биопленки будут в бескислородных условиях. Но невозможно рекомендовать попытаться отслеживать все процессы в режиме реального времени, т.е. окисление органического материала, нитрификацию и денитрификацию. Денитрификация должна протекать в режиме «обхода», чтобы не допустить скопления органического материала в фильтрах, предназначенных для нитрификации.

Типичная конструкция бака для нитрификации: Бак с загрузкой фильтра (100 кв.м/куб.м). Время задержки приблизительно 2-4 часа. Поток необходимо контролировать таким образом, чтобы на выходе поддерживалась концентрация кислорода 2-3 мг/л или нитрата около 30 мг/л. Если весь кислород полностью будет израсходован, произойдет избыточное производство сероводорода H2S, который является токсичным и издает неприятный запах. Для функционирования необходимы постоянные условия внешней среды и правильное соотношение C/N.

Производство ила при этом будет достаточно высоким и установку придется промывать, обычно раз в неделю. Опыт показывает, что для системы, в которую подается 200 кг корма в день достаточно емкости объемом 10 куб. м. Часто встречающаяся проблема – избыточная концентрация нитрита на выпуске. Рекомендуется использовать меньшие установки.

Проектирование биофильтров

Биологические фильтры основаны на адсорбции и биодеградации загрязнения в воде. Микроорганизмы могут жить свободно-взвешенными в воде - активном иле или расти на поверхности. В муниципальных системах очистки сточных вод преобладают системы с активным илом. Они дают более высокую производительность при заданном объеме, чем другие виды, и, следовательно, экономически более выгодны. Эта технология не может применяться в рыбоводстве, так как содержание питательных веществ на выходе слишком низка. Из-за малой нагрузки время деления бактерий будет слишком длительным и они будут вымываться из системы. Бактерии не смогут образовывать колонии достаточной плотности для отложения и, в конечном итоге, вернутся в биореактор через насос. Данная особенность является обязательным требованием для активированного ила.

Это оставляет нам технологии неподвижного слоя или псевдоожиженного слоя, когда бактерии и иные микроорганизмы растут на загрузке.

Погружные фильтры 

Фильтрующий материал, погруженный в бак, может получать воду, поступающую для очистки, со следующих направлений: восходящие потоки, нисходящие потоки или даже горизонтальные. Все структуры потока характеризуются очень малой потерей напора. Стандартная высота подъема: 1-5 м. Иногда для обеспечения правильного функционирования необходимо добавить дополнительный кислород. Гидравлическая нагрузка на поверхность должна быть выше 0,3 м/мин.

Капельные фильтры 

Очень экономичная «кабинная» конструкция, не требует бака. Необходимо обеспечить равномерное распределение воды в верхней части. Гидравлическая нагрузка должна быть не менее 0,8 м/час. Этот вид фильтра наиболее эффективен для газообмена, т.е. поступления кислорода в воду и удаления CO2 из воды. Эффект тяги обычно вентилирует фильтр, воздушный поток направлен вверх или вниз в зависимости от разницы температур между воздухом внутри фильтра и окружающей средой.

Вращающийся биореактор (ВБР) 

Загрузка биологического фильтра постоянно вращается и обладает теми же преимуществами, что и капельные фильтры. Но конструкция 1 куб. м фильтровального материала стоит очень дорого, поэтому данный тип фильтров больше подходит для существенных нагрузок. Многие малые рыбоводные хозяйства пробовали применять ВБР, но с сомнительным успехом:

Фильтр с подвижной загрузкой

Фильтровальная среда находится во взвешенном состоянии, для использования доступна большая площадь поверхности, т.е. установка очень компактна. Система обладает малой потерей напора насоса, но для подачи воздуха используется электроэнергия. Такие установки широко применялись в Северной Америке. В качестве загрузки обычно используется песок. Эти системы очень эффективны в качестве нитрифицирующих биофильтров, но гидравлическая конструкция описана недостаточно. Необходимо знать связь между гидравлической нагрузкой, расширением слоя и падением давления, поскольку эти параметры критичны для проектирования фильтров с подвижной загрузкой и меняются в соответствии с характеристиками гранулированной загрузки (плотность, размер и форма, пористость и т.п.), а также плотностью и вязкостью воды. Здесь нет какого-либо эмпирического правила. Проектирование основывается на испытаниях уменьшенного масштаба, проведенных поставщиком системы. Существуют новые виды систем с несущей загрузкой разных уровней пластичности и очень большой площадью поверхности, 400 – 2000 кв.м/куб.м.

Поскольку плотность слоев очень близка к 1, флюидизация не так критична, как для песчаных фильтров.

При малых скоростях они использовались в качестве фильтра твердых частиц. Однако с накоплением ила интенсивность нитрификации падает. В результате происходит снижение гидравлической проницаемости, так как удержанные твердые вещества и биологические осадки забивают поры слоя. Поэтому рекомендуется использовать эти фильтры с более высокими скоростями поверхностных потоков, предотвращающими скопление ила. Микрофильтры, расположенные до этих фильтров, позволят снизить нагрузку по частицам на всю систему.

При работе с высокими гидравлическими нагрузками (т.е. подача воздуха) эти пластиковая загрузка покроется мертвыми бактериями, поддерживая «свежую» био-пленку на внешних поверхностях. Некоторые гранулы сделаны в виде небольших шариков с внутренней площадью сечения приблизительно 1 см х 0,5 см. Опыт показал, что их эффективность на кв. м была выше, чем у традиционных фильтров, до 40 кв. м на каждый килограмм корма, попадающего в систему. Это говорит о том, что эти гранулы частично работают, как передающая поверхность для активированного ила, производя больше живой биомассы на куб. м объема биофильтров.

Эта технология должна быть адаптирована для разводимой рыбы. 
Первая часть связана с экономическими характеристиками РСА, Необходимо правильно подобрать систему, чтобы создать оптимальную среду обитания для требуемого вида рыб или ракообразных.

Таблица 1. Характеристики воды

* Микрофильтры обычно являются интегрированной частью систем с подвижной загрузкой. Фильтровальная ткань с отверстиями 60-80 µм до биофильтра и 20 µм после него.

Биофильтры в комбинации с механическими фильтрами являются неотъемлемой частью любой  системы очистки. Существует множество различных комбинаций. Если в таблице выше приводится «переменная», это означает, что в системе имеют место флуктуации и она не подходит для коммерческого рыбоводства. Низкая, средняя и высокая являются относительными названиями, но они указывают на характеристики воды, которые могут быть критическими для определенных видов рыб. Например, если у вас имеется хозяйство для выращивания тилапии, вам не нужно волноваться о высокой концентрации взвешенных частиц, если БПК, содержание аммиака и нитритов низки. Для управляющего форелевым хозяйством или питомником концентрация взвешенных частиц крайне важна, и ему придется выбирать комбинацию биологических и механических фильтров, обеспечивающих малую мутность.

Как видно из вышеприведенной таблицы, все системы характеризуются довольно высокими концентрациями нитрата.

На нитрат приходится существенная часть суммарного азота, и он может оказаться ограничивающим фактором для выращивания определенных видов рыб. Поэтому стандартная практика – использовать денитрифицирующую установку в составе системы, снижающую содержание нитрата до приемлемого уровня.

Фильтрация и многократное использование воды рыбоводными хозяйствами. Часть 4. Обсуждение