УЗВ. Часть 6 – (проектирование – биофильтр)

УЗВ. Часть 6 – (проектирование – биофильтр)

Биофильтр УЗВ как комплекс биологической очистки в классическом виде состоит из трёх элементов:

1. Фильтр грубой очистки.
2. Биофильтр.
3. Фильтр тонкой очистки.

Фильтр грубой очистки предназначен для очистки технологической воды УЗВ после бассейнов от экскрементов рыб и остатков корма с целью максимально возможного облегчения работы биофильтра.

Фильтры бывают в виде гидроциклонов, песочных фильтров с обратной промывкой и барабанных фильтров.

Гидроциклоны надёжны, долговечны, не требуют частой очистки и наличия электроэнергии, не имеют движущихся частей, но качество очистки не самое высокое. Применение возможно в качестве первой ступени грубой очистки на УЗВ с большими объёмами.

Песочные фильтры с обратной принудительной промывкой, имеют высокие очистные характеристики (≥ 25 микрон), но они громоздки и требуют много площадей для фильтра и системы его промывки. При отсутствии финансов для приобретения более технологического фильтра применяют песочный фильтр, который простой в изготовлении и надёжный в эксплуатации.

Барабанные фильтры получили наибольшее распространение в УЗВ. Они очищают технологическую воду УЗВ от грязевых частиц с диаметром ≥ 30 микрон (при концентрации грязевых частиц ≤ 25 мг/л). Это весьма приемлемый показатель, поэтому его ставят в ≥ 90 % случаев.

Биофильтр УЗВ является самым простым, но в тоже время самым сложным элементом УЗВ. От того как будет рассчитан, изготовлен и как будет эксплуатироваться биофильтр зависит:

• Плотность содержания рыб в бассейнах (10÷200 кг/м²).
• Здоровье рыб.
• Скорость роста рыб (от потери веса до роста ≥ 0,5 % массы тела в сутки).

Биофильтры УЗВ могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, которые основаны на конструктивных особенностях загрузочного материала.

По виду загрузочного материала биофильтры УЗВ подразделяются на два типа.

Биофильтры с объемной загрузкой (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.):

• капельные, имеющие крупность фракций загрузочного материала 20÷30 мм и высоту слоя загрузки I—2 м;
• капельные, высоконагружаемые (аэрофильтры), имеющие крупность загрузочного материала 40÷60 мм и высоту слоя загрузки ≤ 4 м. Объемный загрузочный материал имеет плотность 500—1500 кг/м³ и пористость 40÷50 %.
• биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60÷80 мм и высоту слоя загрузки ≥ 4 м;

Биофильтры с плоскостной загрузкой  подразделяются на следующие виды:

• с жесткой засыпной загрузкой с использованием керамики, пластмассы и металла при их плотности 100÷600 кг/м³, пористости 70÷90 %, высоты слоя загрузки ≤ 2 м;
• с жесткой блочной загрузкой из пластмассы (гофрированные и плоские листы или пространственные элементы) с плотность пластмассовой загрузки 40÷100 кг/м³, пористость 90÷97 %, высота слоя загрузки 2÷16 м;
• с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов; плотность такой загрузки 5÷60 кг/ м³, пористость 94÷99 %, высота слоя загрузки ≤ 4 м.

Пропускная способность биофильтров зависит от конструктивных особенностей и определяется содержанием активной биомассы на единицу объема сооружения.

Для осознанного выбора вами типа будущего биофильтра давайте их вкратце рассмотрим..

Биофильтры с объёмной загрузкой

Капельные биофильтры. В капельном биофильтре отработанная технологическая вода УЗВ после бассейнов и фильтра грубой очистки подаётся в виде капель или мелких струй на загрузку. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Эти биофильтры имеют низкую нагрузку (≤ 2 м³ воды на 1 м³ объёма загрузочного материала в сутки) и предназначаются для полной биологической очистки воды УЗВ.

Однако, их рекомендуется применять для очистки технологической воды в объёмах ≤ 1000 м³/сутки. Учитывая ранее начатые расчёты площади бассейнов в УЗВ Часть 5 (проектирование – бассейны) , смотри: http://fishindustry.com.ua/uzv-chast-5-proektirovanie-bassejny/, объём очищаемой воды для 100 м²/сутки составит 2400 м³/сутки (100 м² бассейнов х 24 часа х 1 м высоты бассейнов = 2400 м³/сутки). Ясно, что такие биофильтры можно строить для УЗВ, имеющих бассейновую площадь ≤ 40 м².  

Отработанная вода после бассейнов, осветленная в первичном фильтре, поступает в биофильтр. Вода проходит через толщу загрузки и дренажную систему. Далее стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых отмершая биологическая плёнка отделяется от очищенной воды. В таких биофильтрах загрузочный материал быстро заиливается, поэтому необходима дополнительная промывка. Подобные биофильтры строились на заре эры УЗВ и хотя до сих пор они работают на многих предприятиях, это не самый лучший вариант.

Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры). Они имеют более высокую по сравнению с капельными биофильтрами окислительную способность, легче удаляют активный ил и имеют лучший водообмен.

Высокая скорость движения сточной воды в биофильтре и принудительная вентиляция обеспечивает постоянный вынос нерастворенных примесей и отмирающей биопленки.

Башенные биофильтры в УЗВ практически не применяются.

Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют плотность плоскостных загрузочных материалов (≤ 80 кг/м³). Это значительно меньше, чем гравия или керамики (≈ 1500 кг/м³).

Плоскостные загрузочные материалы

Пористость плоскостных загрузочных материалов (90÷98 %). У обычных загрузок  (40÷50 %).

Активная поверхность плоскостных загрузочных материалов значительно больше чем у биофильтров с объёмной загрузкой за счет отсутствия мертвых зон, образующихся при соприкосновении фракций засыпного загрузочного материала.

На производительность биофильтра большое влияние оказывает конфигурация загрузочного материала. В биофильтрах с засыпным материалом (одинаковой конфигурации) технологическая вода УЗВ движется строго вертикально по гладкой поверхности. Гидравлический режим ламинарный спокойный, но с вероятностью образования застойных анаэробных (без кислорода) зон.

В биофильтре же с плоскостной загрузкой из-за сложности форм загрузочного материала движения воды становится турбулентным. Застойных зон при этом нет.

Пропускная способность биофильтров с плоскостной загрузкой превышает соответствующие показатели биофильтров с объемной загрузкой в несколько раз при одинаковом качестве очистки воды.

Биофильтры с плавающей крошкой из полипропилена или другого инертного синтетического материала. В верхнюю часть биофильтра подаётся вода из бассейнов. Вода равномерно омывает и перемешивает плавающую крошку. Нарастающая бактериальная масса, отлипая от крошки, оседает на дно биофильтра, или отстойника, где накапливается и затем удаляется.

Скорость движения воды через биофильтр должна быть ниже скорости оседания активного ила. Именно по этому показателю идут расчёты в данных биофильтрах.

В естественных водоёмах на поверхности воды плавают водные и прибрежные растения, листья, семена, перья, тела водных животных и прочее.

Благодаря разложению белковых тел, продуцируется аммонийный азот, который окисляется нитрифицирующими бактериями. Сами бактерии находят благоприятные условия для своего роста на частицах песка, гравия битой ракушки на берегу водоёма.

Именно на этом природном принципе построены самопромывающиеся биофильтры с гравийно-песчано-ракушечной загрузкой. Они сложны в изготовлении и требуют качественных материалов, так как в них движется износостойкий песок. В таких фильтрах промывка принудительная. Застойных зон нет.

К её достоинствам можно отнести также то, что гравийно-песчано-ракушечная смесь (загрузка) является природным материалом берегов водоёмов, который миллионы лет служит природным биофильтром, поэтому рыбы в УЗВ с таким фильтром чувствуют себя хорошо.

Биофильтр «разгоняется» (выходит на проектную мощность) на порядок быстрее, чем биофильтры с пластмассовой загрузкой.

По сравнению с биофильтрами  с гравийно-песчано-ракушечной смесью биофильтрам с пластмассовой загрузкой необходимо намного больше времени для формирования биоплёнки на субстрате, иначе рыбы погибнут от отравления нитритом.

В УЗВ в малом объёме воды создаётся очень большая плотность рыб. Выделения рыб, а также остатки корма, способствуют бурному росту различных бактерий. Колонии бактерий образуют целые маты, закупоривающие поры биофильтра. Бактерии сужают просвет труб  По этой причине обычные гравийно-песчаные фильтры оказываются малопроизводительными. Если через них пропускать сбросную воду непосредственно из бассейнов с рыбой, фильтры быстро засоряются. А вот самопромывающиеся  биофильтры с гравийно-песчано-ракушечной загрузкой этим недостатком не страдают. Недостаток у них один – высокая стоимость (хотя стоимость самой гравийно-песчано-ракушечной смеси не высока).

Вообще надо сказать, что не только некачественный корм и условия обитания рыбы при плотных посадках отрицательно сказываются  на росте рыб. Некачественные пластики бассейнов и субстрата биофильтра на которые заселяются колонии бактерий, угнетает осетров и других рыб (больше всего страдают камбалы на ранних стадиях развитии – ≥ 95 % отхода).

Микробы на таких поверхностях под действием химических элементов пластмасс модифицируются и, обладая антигенной и антиимунной активностью, оказывают негативное влияние на рыб. У рыб при этом усиливается процесс поглощения токсичного аммиака (катион NH4+).

При плотности посадки рыб более ≥ 10 кг/м², в УЗВ с плохим биофильтром, происходит потемнение воды, которое сопровождается повышенным содержанием аммонийного азота ≥ 10 мг/л.

Добавление извести в воду при высоких концентрациях аммонийного азота опасно для рыб!!! Это всё сложно, поэтому необходим на хозяйстве лаборант, отслеживающий отклонения от норм.

Повышение рН среды сопровождается переходом аммонийного азота NH₄⁺ в  токсичную форму – аммиак (NH₃).

Надо помнить, что пороговые концентрации аммиака (0,1 мг/л) в 100 раз меньше чем у аммонийного азота.

Природные биофильтры береговых линий водоёмов, состоящие из гравия, песка и раковин моллюсков эффективно справляются с очисткой воды от органических отходов, придуманных самой природой. Это совершенный биофильтр, лучше которого придумать нельзя.

Вас пичкают рекламой синтетических субстратов для биофильтров не для того, чтобы вашим рыбам было хорошо, а для того, чтобы содрать с вас уйму денег!

Научные учреждения западных стран, изучающих рыб, давно уже не используют синтетику. Не зря ведь!

Осетровые рыбы обладают мощным иммунитетом ко многим опасным микробам. Но в условиях высокой скученности в рыбоводных установках при плохо работающих биофильтрах бактериальную инфекцию осетровых рыб могут вызывать миксобактерии, псевдомонады, аэромонады и условно-патогенные бактерии группы кишечной палочки. Поэтому в рыбоводных установках необходимо использовать конструкционные материалы, содержащие безопасные вещества, способные нейтрализовывать токсины.

Существует четкая зависимость между вспышками эпизоотий рыб и уровнем загрязнения воды. Повреждения кожи и плавников, поверхностные язвы, заражение условно патогенными возбудителями заболевания.

Всё это результат ухудшения качества воды, обусловленного  хроническим воздействием низких уровней таких загрязняющих веществ, как металлы (Hg, Cu, Zn, Cd, Fe, Mn и другие).

 Нормально переносимые рыбами концентрации тяжелых металлов, в сочетании с органическим загрязнением воды и повышенной температурой понижают их сопротивляемость инфекции.

Тяжёлые металлы являются неотъемлемой составной частью многих ферментных систем организмов. Поэтому при выращивании рыб их можно добавлять в качестве микроэлементов, что способствует повышению рыбопродуктивности.

В УЗВ, где с самого начала их существования были созданы благоприятные условия для рыб, можно надеяться на то, что микродобавки окажут стимулирующее воздействие на рыб и тормозящее воздействие на возбудителей заболеваний.

Создание благоприятных условий для роста осетровых рыб в УЗВ определяется в первую очередь работой биофильтра. Важнейшей характеристикой биофильтра является эффективная площадь поверхности, служащей субстратом для бактерий нитрификантов, окисляющих продукты азотистого обмена.

Внимание!!! Расчёт биофильтра для  УЗВ с 10 000 кг одновременного содержания взрослых осетровых рыб при температуре 22 °С. Для упрощения расчётов по биофильтру привожу эмпирические данные, выявленные из практики расчётов и эксплуатации УЗВ.

Нагрузка на биофильтр, при температуре 22 °С (температура выращивания осетровых рыб), ≈ 0,8 г N/m^2/сутки или 20 г/м² корма/сутки..

Объём ежедневно вносимого корма (по инструкции корма с 46 % протеина) вычисляется по формуле 10 000 кг осетров х 0, 5 % веса рыб – норма кормления в сутки : 100 (процент) = 50 кг/сутки.

Рабочая площадь поверхности биофильтра (t=22 °C) должна в этом случае быть: 50 000 грамм корма : 20 г/м² = 2 500 м².

Это не паспортная площадь для пластиковой загрузки – это площадь рабочей поверхности.

Реальная площадь всегда в разы меньшая из-за загрязнения субстрата  активным илом и плохой его промывкой (несовершенство биофильтра).

Объём загрузки биофильтра может быть вычислен к примеру по формуле 2 500 м² : S (площадь пластиковых шестерёнок на 1 м³ ≈ 500 м²)  = 5 м³ субстрата.  

С учётом реальной площади в результате эксплуатации биофильтра объём субстрата должен быть как минимум в 3 раза выше, то есть 15 м³.

Сам биофильтр должен быть как минимум тоже в 2 раза больше.≈ 30 м³ (15м³ х 2). То есть на 100 м² бассейнов необходимо 30 м³ биофильтров (≈ 1:3). Это минимальные нормы, если хотите нагружать ваше УЗВ по полной программе с хорошими экономическими результатами.

Иначе – вы перейдёте в разряд экономических аутсайдеров. УЗВ – это экономика, прежде всего! Минимум затрат – максимум денег!!!

Эффективность окисления аммонийного азота биофильтром с наполнителем, состоящим из кальциевых соединений выше, чем с синтетическим наполнителем.

И ходя поры биофильтра могут быстро заполняться органическим материалом, такой биофильтр всё равно лучше. В не омываемых водой зонах, с пониженным содержанием растворённого кислорода, нитратный азот может восстанавливаться до нейтральных молекул газообразного азота, с выделением кислорода на окисление органики.

При этом предотвращается развитие анаэробных процессов. Кроме того, образующиеся в биофильтре растворимые соли нитрата и бикарбоната кальция, поступая в бассейн с рыбой, превращаются в тонкую взвесь карбоната кальция.

 Аморфная взвесь карбоната кальция способствует осаждению токсичных  для рыб и  вредных для нитрификации тяжелых элементов.

Для работы биофильтра необходим кислород воздуха. Поэтому надо предусмотреть специальную воздуходувку.

В биофильтре будут образовываться разные химические соединения, в том числе и токсичные, поэтому необходимо предусмотреть вентиляцию паров биофильтра за пределы цеха.

Фильтр тонкой очистки технологической воды УЗВ устанавливается со своей запорной арматурой после биофильтра. Его назначение –фильтрация мелких частиц активного ила биофильтра. Его необходимо сделать с устройством для периодической обратной промывки.

Продолжение следует…