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

Большинство систем сегодня способны поддерживать качество воды, соответствующее требованиям рыбоводства (см. приложение 2, где приведена типичная рециркуляционная установка). Необходимо уделить особое внимание управлению системам; с биофильтрами следует обращаться, как с живыми организмами.

Таблица 1. Качество воды

Уровни токсичности непостоянны, существуют различия между разными видами, а некоторые химические вещества имеют синергический эффект. Вышеприведенные данные могут использоваться только для общего руководства, для обозначения диапазон допустимых условий. Эти измерения необходимо проводить регулярно. Существует огромная разница между замкнутыми и проточными системами. В последнем случае рыбоводные хозяйства уделяют мало внимания к контролю качества воды. Необходимо внедрить стандартные процедуры и графики проверок, так как система очистки должна всегда работать в оптимальном режиме.

При проектировании системы очистки воды для замкнутой системы особое снимание следует обратить на следующее: 

• фильтрация твердых частиц
• аэробные условия
• как избежать скопления ила

Основные процессы в биореакторах, вызывающие рост бактерий – это разложение биологического материала и нитрификация:

Определение роста бактерий

Биомасса: Х (г.)

Рост: Δ Х (г.) 

Время: Δ t (дни)

Прирост

Y (прирост) = Δ биомассы / Δ загрузки = ΔХ / ΔS (г/г)

Скорость роста µ (скорость роста) = Δ биомассы / Δ загрузки = ΔХ / ΔS (г/г).

Y можно использовать для расчетов производства ила

Подложкой для гетеротрофных бактерий является органический материал (БПК), а для нитрифицирующих бактерий – аммиак. Как следует из Таблицы 1, приведенной выше, интенсивность роста относительно подложки намного выше для гетеротрофных бактерий.

Необходимо предусмотреть возможность использования биофильтров в качестве нитрифицирующих фильтров.

При концентрации БПК менее 5 частей на млн. рост гетеротрофных бактерий будет ограничен отсутствием загрузки и условия будут более благоприятными для нитрификации, т.е. темп роста никтросомонос и никтробактер будет выше. Этого можно добиться, только применив контролирование кормежки, расчет площади поверхности и использование микрофильтрации до биофильтров. 
Из литературы по биохимии следует вывод, что отношение концентраций БПК / О2 должно быть менее 5, т.е. если БПК на входе равно 20 мг/л, то концентрация О2 должна быть выше 4 мг/л. Если отношение концентраций NH4 / O2 ниже 0,3-0,4, аммиак будет ограничителем и кинетика реакции, как показывает опыт, будет близка к реакциям 1-го порядка; т.е. окисление будет происходить пропорционально концентрации аммиака. Такая ситуация наблюдается в большинстве рециркуляционных систем, поскольку концентрация аммиака довольно низка. На практике это означает, что при правильном выборе биофильтров суточные колебания выделения аммиака можно сгладить без существенного увеличения количества аммония в системе. Обычно для расчета биофильтров берется фиксированная кинетическая величина, т.е. 0,7 г. NH4 / m2, кинетика порядка О. Но, как уже говорилось, это верно только для ограниченного диапазона условий.

При проектировании необходимо учесть эти взаимоотношения – использовать меньшие установки и постоянные гидравлические нагрузки. Биопленка должна постоянно расти и обновляться. Обмен питательными веществами и газами происходит только через конвекцию и диффузию в слое микроорганизмов, образующем биопленку. Диффузия эффективна только в при толщине биопленки толщиной 0,5 – 1,0 мм.

В фильтрах с подвижной загрузкой постоянно поддерживается «свежее» состояние. В погружных фильтрах необходимо правильно применять процесс промывки противотоком. В погружных фильтрах происходит некоторое накопление ила, который следует удалять из системы посредством промывки. В системах с подвижной загрузкой происходит образование пленок из бактерии. 
Комбинация небольших установок, погружных фильтров и капельных фильтров (2/3 площади поверхности погружено под воду и 1/3 в капельных фильтрах), доказала свою эффективность. 
Фильтры с подвижной загрузкой эффективны с точки зрения кинетики биопленки, но они более чувствительны к перебоям с энергоснабжением и т.п. Комбинация фильтров с вихревыми слоями, погружных и капельных может объединить преимущества каждого вида, но такая схема себя еще не доказала. В любом случае, крайне важно внедрить эффективную процедуру устранения нагрузки по органическим соединениям.

Углекислый газ

CO2 вырабатывается в результате потребления кислорода рыбой и разложения органического материала фильтрами. При дыхательном коэффициенте (ДК), равном 1 (производство CO2 / потребление О2), приблизительно 700 г О2 (потребление с 1 кг корма) преобразуется в 1000 г CO2. Если не вывести его из системы, начнет уменьшаться величина pH:

H2CO3 <-> CO2 + H2O

Содержание углекислого газа в природной воде низка и, часто, практически нулевая. CO2 очень хорошо растворяется в воде, и диффузия протекает намного быстрее, чем у кислорода. Большая часть CO2 превращается в H2CO3 (угольная кислота) или находится в виде карбонатов или бикарбонатов.

При увеличении концентрации CO2 в рециркуляционной системе величина pH начнет быстро уменьшаться. Системы вывода CO2 должна быть предусмотрена конструкцией: 

• Аэрация в капельных фильтрах, поскольку эти фильтры обычно проектируются, как нитрификационные фильтры, в них очень эффективно проходит газообмен.
• Подача воздуха, в атмосферном воздухе содержится всего 0,03% CO2. На практике, на каждый килограмм корма необходимо закачать 80 – 100 куб. м воздуха.

Токсический эффект от углекислого газа связан как со снижением pH, так и с респирацией, поскольку он повлияет на форму кривой диссоциации кислорода в крови, тем самым снижая поступление кислорода. В зданиях необходима вентиляция для снижения уровня CO2.

Контроль pH

Производство кислот:

1. Угольная кислота, «отгонка» как описывалось ранее.
2. Нитрификация,  NH4 + 2O2 <-> NO3 + 2H + + 2H2O

На каждый килограмм корма (коэффициент = 1) необходимо окислять 50 г. N, что дает эквивалент 7,1 г. кислот.

Денитрификация позволяет избавиться от кислот:

4NO3 + 4H+ <-> 5O2 + 2H2O

Через денитрификацию эквивалентного количества азота удаляется 50% произведенных кислот.

Потребление зависит от уровня денитрификации и щелочности воды.

Нейтрализация при помощи Ca(OH)2:

Исходя из вышеприведенных расчетов видно, что для полной нейтрализации и поддержания pH в систему достаточно добавить максимум 284 г. основания (на каждый кг корма). Этого никогда не происходит, поскольку происходит денитрификация и через обмен воды добавляется защитная полоса. В среднем добавляется 25% от вышеуказанного количества.

Нейтрализация при помощи NaHCO3:

Необходимо использовать в два раза больше по весу, чем с гидроокисью кальция. Бикарбонат является более слабым основанием, но он более безопасен в использовании. pH насыщенного раствора равен 9,5, в то время, как соответствующий уровень pH гидроокиси кальция равен 11,5. В меньших системах рекомендуется использовать бикарбонат. Гидроокись используется в больших системах, поскольку она стоит намного дешевле.

Расход воды и насыщение кислородом

У циркулирующей воды есть две функции: 

• удаление отходов из бассейнов с рыбой
• транспортировка кислорода

Кислород:

Обычно решающим фактором, определяющим расчет расхода воды, является транспортировка кислорода в бассейны с рыбой. Расход кислорода меняется в зависимости от режима кормления. Стандартный верхний предел потребления принимается равным 400 мг О2 / кг рыбы в час.

Пример: 1000 кг рыбы

Потребление О2: 400 мг х 1000 кг = 400 г. О2 / час

Поступающая вода, сверхнасыщенная: 12 мг/л

Вода на выходе, должна быть не менее 7 мг/л.

Расход воды: 400 г/час/(12/7) = 80 куб. м/час

Плотность посадки в интенсивных системах типично составляет 50 – 100 кг рыбы/м3. При расчете подачи воды берется немного перенасыщенная вода, время пребывания 7-8 мин. Этого времени более чем достаточно для удержания отходов на допустимом уровне. Следующим ограничивающим фактором, наверное, является БПК, так как он служит основой для размножения бактерий, которые должны присутствовать только внутри биофильтров.

БПК:

Если норма кормления составляет 3%/день, для располагаемой массы рыбы: 1000 кг х 0,03 = 30 кг корма/день.

Соответствующее максимальное выделение БПК в бассейнах будет: (см. стр. 12 и 13)

30 кг х 0,338 кг = 10,1 кг БПК.

При заданном расходе в 80 куб. м/час: Δ БПК – 10100 г./80 х 24 = 5,3 мг/л.

Во избежание роста бактерий в бассейнах время пребывания не должно превышать 30 минут. Поскольку время деления некоторых микроорганизмов еще меньше, и они не будут вымываться из бассейнов, а могут, теоретически, размножаться в бассейнах, создавая дискомфортную среду обитания для рыб.

Как видно из вышеприведенных примеров, расчет водообмена в бассейнах должен основываться на требуемых уровнях кислорода.  Время пребывания менее 30 минут позволит удерживать негативный эффект от отходов на приемлемом уровне.

Расход воды:

Оптимальная конструкция предусматривает две подающих трубы на бассейн: одна с сверхнасыщенной водой, вторая с стандартной водой. Это обеспечит необходимую кратность водообмена и подачу кислорода, независимо от плотности посада в каждом бассейне. В однотрубных системах сверхнасыщение в бассейнах наблюдается при минимальной плотности посада, так как мощность рассчитывается для максимальной биомассы.

Пример:

В бассейне объемом 10 куб. м плотность посада составляет 100 кг/куб. м, суммарное максимальное потребление кислорода составляет 400 г/час. Суммарный максимальный расход воды 30 куб. м/час (время пребывания около 20 минут), минимальная концентрация О2 на выходе 7 мг/л:

Подача кислорода:

Насыщенная вода: (100% насыщение при 20 єС = 9 мг/л)

50% расхода воды = 15 м3/час, (9 мг/л – 7 мг/л) = 2 х 15 = 30 г/час.

Сверхнасыщенная вода: (350% насыщение при 20 єС = 32 мг/л)

50% расход воды = 15 м3/час, (32 мг/л – 7 мг/л) = 25 х 15 = 375 г/час.

Суммарная подача кислорода:    400 г/час

Расход кислорода в биологических фильтрах на нитрификацию и разложение органического материала соответствует расходу кислорода в бассейнах. Подача кислорода зависит от конструкции системы – фильтры с подвижной загрузкой и капельные фильтры требуют повышенной аэрации, погружные фильтры обычно работают, как первый шаг фильтрации без дополнительной подачи кислорода; концентрация кислорода на выходе из рыбоводных бассейнов должна составлять около 7 мг/л.

Системы насыщения кислородом

Подача кислорода должна быть доступна всегда, основная и резервная. При высокой плотности посадки прерывание подачи кислорода приведет к гибели рыб уже через несколько минут. Содержание кислорода в воздухе приблизительно в 20 раз превышает его концентрацию в насыщенной воде. Для повышения транспортной емкости вода должна быть перенасыщена. Используется чистый кислород, повышают парциальное давление с 0,21 атмосфер (21% кислорода в атмосферном воздухе) до 1,0 атмосфер. Растворимость пропорциональна давлению, т.е. при 20 єС 100% насыщенность соответствует 9 мг/л (см. таблицу). При использовании чистого кислорода уровень насыщения будет 5 х 9 = 45 мг/л. Это вызвано пятикратным увеличением парциального давления. Давление системы насыщения кислородом также можно увеличить.

Одна из наиболее распространенных систем – кислородный конус:

Принцип работы:

Вода подается в конус сверху, прокачивается через него, добавляется чистый кислород. Использовать можно только чистый кислород, так как азот, из которого на 78% состоит атмосферный воздух, при перенасыщении всего в 3 – 5% нанесет серьезный вред рыбе.

Кислород удерживается внутри конуса, так как скорость потока на впуске выше, чем скорость подъема пузырьков кислорода. Скорость потом на дне ниже, чем скорость подъема пузырьков, что и не дает кислороды выйти. Кислородные конусы работают под давлением, на 1 атмосферу превышающим нормальное. Эффективность насыщения кислородом в правильно сконструированном конусе достигает 80-85%. Эффективность сильно зависит от расхода воды, подачи кислорода и дополнительного давления. Чистый кислород обычно стоит довольно дорого, поэтому системы насыщения кислородом проектируются на максимальную эффективность. В конусной системе оптимальная эффективность добавления кислорода находится на уровне, соответствующем приблизительно 40% насыщения при заданном давлении. При рассчитанных выше значениях в 9 мг/л (атмосферное насыщение при 20,4 С, см. Приложение 3) можно рассчитать уровень насыщения для 100% кислорода, так как растворимость газа пропорциональна парциальному давлению, которое при использовании чистого кислорода будет в пять раз выше: 5 х 9 = 45. Давление в конусе составляет 2 атмосферы: 2 х 45 = 90 мг/л, концентрация на выходе из конуса 0,4 х 90 = 36 мг/л. Конус представляет собой гибкую систему. Концентрация кислорода измеряется в бассейнах и подача кислорода в конус соответственно регулируется. Эксплуатационные расходы данной системы соответствуют стоимости электроэнергии, потребляемой насосом: 3-4 кВт на каждый килограмм растворенного кислорода плюс стоимость кислорода. Каждый бассейн должен быть оборудован резервной системой, подающей кислород напрямую через диффузоры. Резервная система подачи кислорода должна иметь независимое электропитание. 

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