Фильтрация твердых частиц

Дисковый микросетчатый фильтр
Дисковый микросетчатый фильтр

Повышенное внимание к очистке водного потока должно, прежде всего, касаться решения проблем с высоким уровнем взвешенных твердых частиц, высокой концентрацией осаждаемых частиц, общего фосфора, высокими биохимическими потребностями кислорода. Это достигается удалением фекалий и несъеденных остатков корма.

В данной статье представлен обзор технологий фильтрации твердых частиц, освещенный в докладе инженера-исследователя Джеймса Эбелинга (James М. Ebeling) из компании Aquaculture Systems Technologies, Новый Орлеан, и Брайана Винчи (Brian Vinci) из института Пресных вод, Шепердстаун, США.

Захват твердых частиц

Взвешенные твердые частицы повреждают жабры рыб, содержат патогены, ухудшают качество воды. Они забивают биофильтры, аэрационные колоны, решетчатые экраны, отверстия и распылители.

Таким образом, взвесь пагубно влияет на все аспекты системы культивирования, поэтому первым этапом очистки является удаление твердых частиц. Взвесь образуется из несъеденных остатков корма, мертвых и живых бактерий, фекалий. Размер частиц, входящих в её состав, сильно варьирует от сантиметра до микрометров.

Нельзя недооценивать важность быстрого и полного удаления твердых частиц из емкостей культивирования. Все остальные типовые процессы будут нарушены, если этот первый этап пройдет плохо.

По своим размерам твердые частицы можно отнести к нескольким группам. Понятие «тонкодисперсные» используется для частиц, которые полностью не оседают. Важно знать, что фильтр предварительной очистки удаляет частицы диаметром более 200 мкм.

Характеристика частиц по размеру
Характеристика частиц по размеру

С практической точки зрения эти крупные частицы всегда должны удаляться в первую очередь. В противном случае, они становятся более мелкими и с трудом поддаются фильтрации.

УЗВ включает, по большей части, частицы размером менее 100 мкм, а при интенсивной работе установки — 30 мкм и менее. Механическая фильтрация в данном случае оказывается неэффективной. Загрязнения любого размера должны обрабатываться и удаляться. Крупная фракция должна удаляться путем осаждения и пропускания через экраны, а более мелкие — путем пенообразования или обработки озоном. Фильтры с гранулированным наполнителем часто используются для извлечения частиц различного диаметра. Они эффективно удаляют загрязнения размером до 20 мкм, поэтому предпочтительны для систем с высокой степенью вторичного использования воды и повышенными требованиями к чистоте.


Общий уровень взвешенных твердых частиц определяется как масса частиц диаметром более 1 мкм в известном объеме воды. Часть взвеси неудаляются стекловолоконными фильтрами (GF/C), остается в толще воды через час осаждения. В свою очередь, осаждаемые твердые частицы выпадают в осадок через час осаждения.


Взвесь включает органические и неорганические компоненты. Органическая часть, известная как изменчивая доля взвешенных частиц, способствует быстрому расходу кислорода и пагубно влияет на биообрастание. Неорганическая компонента участвует в формировании осадка. Физически, взвешенные частицы могут с течением времени разделиться на осаждаемую фракцию, размером более 100 мкм, и неосаждаемую, размером менее 100 мкм. Тонкодисперсные неосаждаемые частицы сложно поддаются фильтрации и представляют наибольшую проблему при обслуживании систем замкнутого водоснабжения. Они вредят здоровью рыб.

Однако эксперты в области рыбоводства неоднозначны в вопросе допустимого уровня взвешенных частиц и, соответственно, эффективности систем, способных удалять взвесь. Например, Alabaster и Lloyd (1982) сходятся на том, что для рыбоводства во внутренних водоёмах концентрация взвешенных частиц до 25 мг/л не опасна для рыб. Данные FIFAC (1980) свидетельствуют о том, что концентрация взвеси в установках замкнутого водоснабжения должна поддерживаться на уровне ниже 15 мг/л. С другой стороны, Muir (1982) в качестве допустимых пределов в УЗВ рекомендует 20-40 мг/л.

Некоторые производители тиляпий имеют в своих хозяйствах концентрацию взвеси более 100 мг/л. При отсутствии других стрессорных факторов для рыб они добиваются хороших результатов. Следует принять во внимание тот факт, что восприимчивость рыб к различному уровню взвешенных твердых частиц варьирует от вида к виду.

Баланс твердых частиц

Необходимы системы с организацией отводящего потока низкой силы и высокой степенью концентрации осаждаемых частиц.


Эмпирическое правило: Двойная дренажная система (донный и боковой дренаж) 10-кратно повышает отток осадка.


Насколько возможно, необходимо концентрировать осаждаемую фракцию в небольшом объеме воды. Для этого можно использовать двойной дренаж, через который проходит 10-20% всего водного потока и основная часть осадка.

Параметры цилиндрического бассейна

Цилиндрические бассейны функционируют по принципу самоочищающихся емкостей, если соотношение диаметр/глубина соответствуют рекомендованным значениям. Они должны проектироваться, исходя из следующих критериев:
1. Используйте бассейн с соотношением диаметр/глубина — 3/10 или 3/6.
2. Используйте двойной дренаж, через который проходит 5-20% всего водного потока и основная часть осаждаемых частиц. Остальная часть водного потока (85-90%) может проходить через вывод в верхней половине стенки бассейна.
3. Поддерживайте скорость водного потока на уровне, по крайней мере, 15-30 см/сек. Она обеспечит перемещение осадка к центральному дренажу.

Подробнее об особенностях работы цилиндрических бассейнов в аквакультуре в статье.

После удаления из системы крупных частиц, перед поступлением воды обратно в емкость для культивирования, следует отфильтровать взвешенные частицы.

Образование твердых частиц

Фактически все загрязнения в системе культивирования образуются из корма, а точнее, несъеденного корма и фекалий рыб в форме твердых частиц, жидкости и газов. Из всего съеденного корма 80-90% выделяются в той или иной форме. В качестве эмпирического правила можно принять, что из 25% всего корма для рыб образуются взвешенные твердые частицы. Как правило, основная доля приходится на фекалии.

Для контроля за загрязнениями важно знать физические характеристики взвеси, специфический удельный вес частиц и распределение их по размеру.

Удельный вес определяется источником, тогда как распределение по размеру обусловлено рядом факторов, включающих особенности удаления твердых частиц, источник частиц, температуру воды и турбулентность в системе.

Поведение взвешенных частиц в воде зависит от их удельного веса. Специфический удельный вес определяется как отношение плотности влажной частицы к плотности воды (APHA, 1989). Фекалии рыб не намного «тяжелее» воды и поэтому оседают не так быстро, как агрегаты аналогичного размера.

Фекалии являются основным источником взвеси, хотя значительный вклад также вносит несъеденный корм. В отличие от относительно гомогенных фекалий, его остатки включают частицы различного размера. Несъеденные агрегаты корма постепенно распадаются в толще воды. Но даже через несколько часов и повторное прохождение через помпу 97% частиц имеют размер более 60 мкм, а 73% — крупнее 500 мкм. Осаждаемая фракция, образующаяся из корма и фекалий, существенно отличаются по размеру и удельному весу, поэтому механизм её фильтрации специфичен. В воде УЗВ преобладают тонкодисперсная фракция (менее 30 мкм).

Из-за низких скоростей осаждения её нельзя удалить с помощью осаждения. Например, для оседания на глубину 0.5 метра тонкодисперсной частице (менее 30 мкм) необходимо несколько часов. Поэтому емкости для седиментации оказываются неэффективными.

Механизмы очистки

Планирование очистки должно, в первую очередь, быть направлено на скорое удаление твердых частиц перед тем, как они начали разлагаться. Этот процесс следует проводить с минимальной турбулентностью, перемешиванием и возможностями для микробного разложения.

Существует три способа удаления взвешенных частиц из емкости культивирования.
1. Отделение под воздействием гравитации
2. Фильтрация
3. Флотация

Данная классификация основывается на механизмах удаления частиц. Флотация иногда рассматривается в качестве типа гравитационного осаждения, однако она базируется на иных принципах, поэтому выделена отдельно. Крупная фракция (более 100 мкм) эффективно отделяется в отстойнике или при прохождении через механический сетчатый фильтр. Однако тонкодисперсные частицы этими путями не фильтруются. Фильтры с гранулированным наполнителем эффективны лишь для частиц размером более 20 мкм.

Осаждение под воздействием гравитации работает на принципе седиментации и скоростях осаждения. В типовом процессе используются бассейны отстойники, трубы-отстойники и гидроциклоны.

Фильтрация. Частицы могут удаляться из воды под влиянием нескольких процессов фильтрации (осаждение, Броуновская диффузия, захват, просеивание). В качестве средств фильтрации используются сетчатые фильтры или аппараты с гранулированным или пористым наполнителем.

Флотация используется принцип притяжения загрязнений к пузырькам воздуха с дальнейшим отделением их от воды. Флотация вовлекает все механизмы фильтрации, за исключением просеивания.

Осаждение

Осаждение происходит вследствие различий плотности загрязнений и воды. Твердые частицы тяжелее воды, поэтому под действием силы тяжести оседают на дно. Движение каждой частицы подчиняется уравнению осаждения.

Уравнение Стокса. Скорость осаждения (Vs), g - ускорение свободного падения; pp и p - плотность частицы и воды; Dp - диаметр частицы; m - вязкостсь воды.
Уравнение Стокса. Скорость осаждения (Vs), g — ускорение свободного падения; pp и p — плотность частицы и воды; Dp — диаметр частицы; m — вязкостсь воды.

Для мелких частиц, имеющих низкое значение числа Рейнольдса, выполняется закон Стокса, и скорости осаждения могут быть описаны следующим уравнением. Оно указывает на то, что крупные и плотные частицы оседают быстрее, чем более мелкие и менее плотные. Это верно для любых процессов седиментации, поэтому необходимо стремиться поддерживать размер частиц как можно крупнее. При этом наилучшим решением является их скорейшее удаление, перед поступлением воды в помпу. Кроме того, до прохождения первичной фильтрации твердых частиц следует избегать сильной турбуленции.

Отстойник

В правильном исполнении ёмкости-отстойники очень эффективны. Осаждение является самым простым процессом в цикле очистки воды. Отстойники требуют мало энергии для работы, просты в эксплуатации и обслуживании и легко встраиваются в любую систему культивирования.

Недостатком седиментации является низкая гидравлическая нагрузка и низкая эффективность удаления мелких частиц (< 100 мкм). Они также нуждаются в дополнительной площадке для их соединения с микросетчатым фильтром.
Другой серьезной проблемой данного метода является тот факт, что осадок остается в системе вплоть до очистки отстойника. Растворенные питательные вещества и взмучивание осадка существенно снижает его эффективность (Cripps and Kelly, 1996). Henderson and Bromage (1988) отметили, что в отсутствии взмучивания отстойник способен удалить из системы до 97% твердых частиц. Однако он оказывается неэффективным при концентрации частиц на входе < 10 мг/л и выходе < 6 мг/л. В большинстве моделей невозможно добиться устранения взмучивания, поэтому требуется дополнительная фильтрация твердых частиц.

Схема бассейна отстойника
Схема бассейна отстойника

Все отстойники с продольным током воды имеют четыре функциональные зоны. Зона поступления воды обеспечивает равномерное осаждение по всей поверхности бассейна. Осаждение происходит в средней зоне, под которой располагается зона с осадком. Очищенная вода собирается по всему поперечному сечению бассейна и уходит из отстойника. В идеальных условиях (без перемешивания или турбуленции) необходимо время удержания, включающее продолжительность поступления частиц до их оседания. Ключевым параметром отстойника является объем разлива на единицу площади емкости (Vo).
Любые частицы со скоростью осаждения (Vs) больше скорости разлива (Vo) оседают на дно. Другие частицы (Vs< Vo) будут удаляться в соотношении Vs/ Vo, в зависимости от их вертикального расположения в емкости по отношению к входному отверстию. Конструкция емкости-отстойника базируется на объеме разлива, который проходит через эффективную площадь осаждения. Эта область имеет длину, в несколько раз большую, чем ширину.

Stechey and Trudell (1990) рекомендовали величину разлива (со скоростью Vo) для отстойника при выращивании лососевых – 40-80 м32 в день. Данный объем проходящего потока приводит к оседанию нерастворимых частиц со скоростью (Vs) – 0,046-0,092 см/сек. Говоря понятным языком, на каждые 3-6 литра воды, проходящей через отстойник, требуется 0,06-0,12 м2 поверхности для осаждения. Mudrak (1981) обнаружил, что когда объем разлива составляет 60 м32 в день, удаление осаждаемых частиц достигает 90-95%, хотя удаление всех взвешенных частиц было на 10% меньше. Также нет существенных преимуществ в эффективности очистки, когда скорость прохождения воды снижается. То есть значительная часть взвеси не оседает в отстойнике. Необходимо принимать во внимание, что, если вы наблюдаете течение в отстойнике, он не будет удалять взвешенные частицы, за исключением крупных (>500 мкм). Даже увеличение поверхности осаждения вдвое не компенсирует плохую конструкцию емкости, где присутствуют турбуленция и перемешивание.

В рыбоводстве существует три типа отстойников: полно-поточные (full-flow), с зоной тихой воды (quiescent) и автономные.

Полно-поточные отстойники

обрабатывают весь объем поступающей воды и могут использоваться в присутствии или отсутствии зоны тихой воды или автономных отстойников. Данный тип чаще все используется в системах с низкой протокой, обычно менее 0,28 м3/сек. Вода обрабатывается не индивидуально для каждой емкости культивирования, а объединяется для прохождения отстойника.

Полно-поточная система включает два отстойника, один из которых работает, а другой очищается.

Как правило, в данном случае размер поступающих частиц крупнее, чем в автономных отстойниках, потому что отсутствуют турбуленция, мелкие трубы и помпы. Однако загрязнения подвергаются действию турбулентных потоков при прохождении перепадов воды через серии бассейнов (каналов) до поступления в полно-поточную систему. Поэтому размер частиц все-таки меньше, чем для отстойников с зоной тихой воды. Идеальная скорость разлива (Vo) для этого типа сепараторов составляет 0.004 м/сек и менее.

В бассейнах с зоной тихой воды отстойник огражден от зоны культивирования экраном, и уровень воды устанавливается с помощью плотины. Во избежание взмучивания, твердые частицы в отстойнике должны регулярно отсасываться вакуумным насосом.

Автономные отстойники спроектированы для сбора, уплотнения и хранения осадка. Эти емкости обычно получают грязную воду из зоны тихой воды, обратной промывки фильтра или прочистки системы.

Институт Пресных вод (Шепердстаун, США) успешно применяет данный метод для концентрации отводящих загрязнений от барабанного фильтра. Они используют три автономных отстойника для захвата и осаждения твердых частиц при периодической промывке трех барабанных фильтров. Богатый загрязнениями поток подается в верхнюю часть перевернутого конуса, спускается вниз, а затем постепенно поднимается, оставляя осадок на дне. Этот осадок регулярно откачивается.


При проектировании отстойника должны приниматься во внимание следующие факторы:
1. Входящий поток должен равномерно проходить через всю поверхность зоны осаждения;
2. Поток через зону осаждения должен быть ламинарным, а его скорость достаточно низкой во избежание турбуленции и перемешивания.


Со стороны поступления воды необходимо установить подводный водослив, который отделяет зону осаждения от зоны, куда поступает вода. Он располагается на всю ширину отстойника и погружен на 15% от высоты отстойника. Гребень водослива имеет толщину 20-30 см и скругленные края для равномерного поступления водного потока в зону осаждения. В случае цилиндрических отстойников поступление воды осуществляется через центр емкости. Экран, окружающий входную трубу, снижает турбуленцию и возмущение потока в радиальном направлении на всю глубину емкости.

Прямоугольная система осаждения более эффективна, чем цилиндрическая, однако она требует значительно больше пространства. Прямоугольный отстойник легко делиться на несколько функциональных зон: зону поступления воды, зону осаждения и зону оттока.

Водослив со стороны оттока отделяет зону осаждения от зоны оттока, т.е. дает выход чистой воде с поверхности зоны осаждения. Отток должен проектироваться так, чтобы распределение воды, покидающей зону осаждения, было равномерным по глубине и скорости по всей ширине. Необходимо избегать турбуленции в зоне осаждения. Зона оттока имеет такую же ширину, как и зона осаждения, а её длина должна быть не менее 1.5 от глубины зоны осаждения. Например, если зона осаждения имеет ширину 2.4 метра, длину 9 метров и глубину 1.2 метра, зона оттока должна иметь ширину 2.4 метра, глубину 1.2 метра и длину более 1.8 метра.

Очень важно, чтобы кромка водослива обеспечивала ламинарный поток через всю его ширину. Величина оттока через водослив (объем оттока к единице ширины за единицу времени) определяет его ширину. Для водослива, имеющего большую ширину по отношению к величине потока, т.е. имеющего низкую величину оттока, требуется остроконечная или V-образная кромка. Величина оттока должна составлять 400-600 м3/день/метр ширины водослива.

Общая длина бассейна для осаждения включает фактическую длину зоны осаждения и длины зон поступления и оттока воды. Часто общую площадь бассейна игнорируют, поэтому отстойник не выполняет своих функций.

Пластинчатые или трубчатые отстойники

Основным препятствием к использованию бассейнов отстойников является большая занимаемая площадь. Эта проблема решается установкой перегородок в емкость сепаратора. В случае пластинчатого отстойника поток воды проходит через стопку труб или пластинок. При этом загрязнения оседают на дне конуса.

Пластинчатый сепаратор
Пластинчатый сепаратор (илл. evro.oka42.ru/pages/35.html)

Расстояния для осаждения между наклонными пластинами обычно составляет 5 см, а общая длина пластин 0.9-1.8 метра. Как правило, наполнением данного типа отстойника являются серии наклонных пластиковых пластин или труб различного сечения. Угол наклона 45-60 градусов к горизонтальной поверхности обеспечивает наилучшее осаждение частиц.

Пластинчатые отстойники используются при различном уровне гидравлической нагрузки, 1.5, 7.4 и 67 м32 в час. Недостатком данного типа сепараторов выступает низкая степень самоочистки, вследствие чего его приходится периодически очищать.

С обрастанием стенок пластин или трубок снижается просвет канала сепаратора, что приводит к увеличению сопротивления водному потоку и, в конечном счете, прекращению осаждения частиц. По этой причине не рекомендуется использовать пластинчатые отстойники в системе с высокой плотностью культуры.

Центробежный сепаратор (гидроциклон)

работает по принципу центробежного осаждения. Твердые частицы приобретают центробежное ускорение, которое позволяет отделить их от воды за счет увеличения их плотности. На принципе центробежного осаждения работает двойной дренаж цилиндрических бассейнов.

В данной схеме бассейн имеет двойную дренажную систему, включающую донный и боковой дренаж.
В данной схеме бассейн имеет двойную дренажную систему, включающую донный и боковой дренаж. Из донного дренажа поток может направляться в гидроциклон, а из бокового в барабанный микросетчатый фильтр. Показано направление вторичного радиального течения, а также специфические области водной массы (подробнее о течениях http://aquavitro.org/2013/07/27/bassejny-v-rybovodstve/).

Поток воды в гидроциклон, также как и в случае двойной дренажной системы, должен составлять 5-15% от общего потока.

Нисходящий спиральный поток двигается в основном вдоль внешней стенки и создает внутренний спиральный поток в центре сеператора. Между этими двумя спиральными течениями располагается слой, называемый мантией, где отсутствует вертикальная скорость. Отток воды из гидроциклона должен происходить из центра мантии. Её плоскость находится на расстоянии ½-2/3 D ниже поверхности воды (D – диаметр емкости гидроциклона). Стратегически выверенный отток использует преимущества нулевой вертикальной скорости, что минимизирует вымывание осадка из сепаратора. На практике, чтобы добиться правильной работы центробежного сепаратора, следует провести эксперимент с загрязнениями на собственной УЗВ.

Разновидности гидроциклона. Эти сепараторы работают по принципу «чайной чашки», когда твердые частицы при вращении воды смещаются центробежной силой на периферию.
Разновидности гидроциклона. Эти сепараторы работают по принципу «чайной чашки», когда твердые частицы при вращении воды смещаются центробежной силой на периферию.

Труба поступления воды обычно устанавливается на 1/3 диаметра ниже поверхности воды, при этом поток направляется по касательной к стенке сосуда.

Уровень нагрузки для гидроциклона примерно в 4 раза выше по сравнению с нагрузкой для традиционных бассейнов отстойников и составляет 10 м32 в час. Это означает, что площадь, необходимая для установки отстойника, может быть снижена в несколько раз. Некоторые инженеры прибегают к более высоким значениям нагрузки, однако время гидравлического удержания в гидроциклоне всегда должно быть не менее 30 секунд. Если нагрузка повышается, то следует увеличить объем гидроциклона для получения 30 секундного удержания воды.

Гидроциклоны относительно дорогостоящие и, также как и отстойники и барабанные фильтры, они не эффективны для удаления тонкодисперсных частиц диаметром < 50 мкм. Тем не менее, они очень хорошо удаляют твердые частицы; Scott и Allard (1984) говорили, что данный тип сепараторов в качестве префильтра удаляет более 87% твердых частиц диаметром >77 мкм.

В настоящее время распространение получили коммерческие модели центробежных сепараторов Eco-TrapT фирмы SINTEF NHL (Trondheim, Norway). Twarowska с коллегам (1997) указывали на то, что гидроциклон, принимающий 5% загрязненный поток из донного центрального дренажа, удаляет 80% ±16% твердых частиц. Гидравлическая нагрузка на этот сепаратор, принимающий 16 л воды в минуту, составила 5.6 м/час. Это значение ниже, чем для полнопоточных бассейнов отстойников (14.3 м/час), однако больше, чем в случае автономных отстойников (1.66 м/час). Вихревой характер работы сепаратора позволяет увеличить его эффективность в 3.4 раза. Это согласуется с заявлениями о том, что гидравлическая нагрузка может возрасти в 4 раза по сравнению с обычным бассейном отстойником.

Интересен способ использования гидроциклона в условиях 3-х кратного увеличения гидравлической нагрузки (30 м32 в час, что эквивалентно полнопоточному отстойнику), когда удаляются только крупные тяжелые частицы. После предварительной очистки вода устремляется в барабанный фильтр, либо другой тип фильтра механической очистки. Этот метод применяется в современных установках, где используется двойной донный дренаж. Обработка 5-15% концентрированного грязного потока из дренажа предъявляет низкие требования к размеру гидроциклона (может быть уменьшен в 10-20 раз). Гидравлическая нагрузка может быть снижена, если требуется лишь частичное удаление твердых частиц.

Преимуществом гидроциклона является возможность быстрого удаления осадка из него. Это исключает разложение и вторичное загрязнение воды. Кроме того, центробежный сепаратор не занимает много места. К его недостаткам относится удаление лишь твердых частиц с плотностью большей, чем у воды. Для этого необходима высокая скорость потока.

Микросетчатые фильтры

Микросетчатые фильтры очень популярны, потому что просты в эксплуатации и не занимают много места. Как и в случае процесса осаждения, потери тепла в них незначительны. Эти фильтры работают на принципе просеивания или физического разделения частиц, размер которых больше диаметра ячеек сетки.

Самодельный статичный микросетчатый фильтр. Пластины микросита располагаются как соты, но горизонтально. Спереди открывается дверца, и пластины можно извлеч. Сверху вода распределяется равномерно по всей площади пластин (илл. www.aquaponic.com.au/Solids%20filtration.pdf)
Самодельный статичный микросетчатый фильтр. Пластины микросита располагаются как соты, но горизонтально. Спереди открывается дверца, и пластины можно извлеч. Сверху вода распределяется равномерно по всей площади пластин (илл. www.aquaponic.com.au/Solids%20filtration.pdf)

Микросетчатые фильтры выпускаются в различной конфигурации. Как правило, в аквакультуре используются барабанный, дисковый или ленточный фильтры.

Барабанные микросетчатые фильтры
Барабанные микросетчатые фильтры

Все озвученные типы похожи, потому что в ходе обратной помывки образуют загрязненный поток, требующий утилизации. Объем промывочной воды и плотность загрязнений зависит от нескольких факторов. К их числу относятся размер ячеек микросита, схема и частота обратной промывки, степень загрязнения поступающей в фильтр воды. Объем промывочной воды выражается в процентах от всего обрабатываемого потока. Обычно он составляет 0.2-1.5% (Summerfelt, 1999). Загрязненный сток поступает напрямую в пруд отстойник или другой резервуар для утилизации осадка.

Размер ячеек микросита варьирует от 40 до 100 мкм. Более мелкие ячейки удаляют немного больше твердых частиц, а более крупные – требуют меньше площади фильтрации и меньше циклов обратной промывки. Более крупные ячейки также требуют меньше давления в системе обратной промывки. Как правило, в случае крупных ячеек сточная вода несет более концентрированные загрязнения.

Очевидно, размер удаляемых частиц определяется размером ячеек сита. В некоторой степени, даже частицы меньше ячеек могут задерживаться между несколькими мелкими частицами и, соответственно, отфильтровываться. Эта особенность сильно выражена в случае высокой загрязненности поступающей воды. Однако, с практической точки зрения, примем, что размер ячеек микросита определяет минимальный диаметр удерживаемых частиц.

В аквакультуре используются микросита с диаметром ячеек 40-100 мкм. Соответственно, уровень фильтрации твердых частиц составляет 30-80%. Оптимальный размер ячеек составляет 60-100 мкм.

Тип фильтрСтепень удаления твердых частиц 60-100 мкм (%)Стоимость фильтра ($/ед-ца)
БарабанныйВзвешенные частицы на выходе < 5 мг/л: 31–67 15000
Взвешенные частицы на входе > 50 мг/л: 68–94
ДисковыйВзвешенные частицы на выходе < 5 mg/L: 25–68 8600
Взвешенные частицы на входе > 50 mg/L: 74–92
ЛенточныйВзвешенные частицы на выходе < 5 mg/L: 0–62 18000
Взвешенные частицы на входе > 40 mg/L: >89

Стоимость представлена для фильтров, расчитанных на водный поток 10 м3 в минуту при размере ячеек сита 100 мкм.
Сравнение качества очистки трех типов микросетчатых фильтров. Видно, что степень удаления твердых частиц приблизительно одинакова, но в каждом случае колеблется в широком интервале значений.

Дисковый микросетчатый фильтр
Дисковый микросетчатый фильтр (илл. www.tradekorea.com/product/detail/P72442/Micro-Disc-Filter.html)

Преимуществом барабанного фильтра является прерывистая промывка и, соответственно, низкий расход воды. В свою очередь, дисковый фильтр имеет низкую стоимость, но требует больше промывочной воды и крошит крупные частицы загрязнений. Ленточный фильтр объединяет аккуратный захват твердых частиц и низкие затраты на эксплуатацию, однако он самый дорогой и гидравлическая нагрузка очень низкая (< 3-5 м3/мин).

Микросетчатые фильтры обрабатывают большие объемы воды (0.4 – 50 м3/мин) на относительно малой площади. Они практически не снижают давление в системе (< 0.3 м) и отличаются модульностью конструкции, простотой установки. Эти фильтры не удерживают частицы в общем потоке, снижают распад твердых отходов и удаляют большинство частиц диаметром >40 мкм.

Они нуждаются в обратной промывке под давлением 414-690 кПа. Кроме того, требуется обслуживание механики (поломки промывочной системы и замена микросита). Микросетчатые фильтры не удаляют частицы диаметром < 20 мкм, и при высокой концентрации загрязнений поступающая вода может проходить мимо микросита.

Фильтры с гранулированным наполнителем

В фильтрах этого типа вода пропускается через ложе зернистого наполнителя, где и оседают загрязнения. Основными механизмами его работы являются: просеивание, осаждение, уплотнение, захват, адгезия, флокуляция, химическая адсорбция, физическая адсорбция и биологический рост бактерий. Однако просеивание считается ключевым процессом удаления взвешенных частиц во время очистки вторичного потока после биологического фильтра. Часто фильтры с гранулированным слоем используются вместе с другими типами аппаратов. Последние увеличивают эффективность удаления твердых частиц, фосфора, водорослей, помутнения и патогенных организмов.

Наиболее распространен напорный песочный фильтр с нисходящим потоком, потому что он нашел широкое применение в системах водоочистки и его легко купить в готовом виде. Песочные фильтры с нисходящим потоком (или фильтры для плавательного бассейна) не годятся для УЗВ, даже с умеренным уровнем нагрузки. В УЗВ образуется такое количество твердых частиц, что аппарат просто не выйдет из режима обратной промывки. Для особенно упрямых ценителей, либо для систем с очень слабой нагрузкой, рекомендуется гидравлическая нагрузка в песочном фильтре от 12 до 30 м3/час через м2.

Напорный песочный фильтр с нисходящим потоком
Напорный песочный фильтр с нисходящим потоком

Используемый для биологической фильтрации песочный фильтр с восходящим потоком, удерживает твердые частицы в зависимости от гидравлической нагрузки. Он не может использоваться в качестве основного фильтра механической очистки. Но если это происходит, вероятно, он утрачивает свою первоначальную функцию биологической фильтрации. С другой стороны, песочный фильтр с восходящим потоком может использоваться для захвата тонкодисперсных частиц при низкой гидравлической нагрузке.

В установках УЗВ эффективными оказываются, так называемые, шариковые фильтры, в которых используется пластиковый гранулированный наполнитель. На очистку гранул затрачивается значительно меньше промывочной воды, чем на песок.

Шариковые фильтры мультифункциональны и обеспечивают механическую и биологическую очистку

Конструктивно, они могут обладать всеми преимуществами напорных песочных аппаратов, но не затрачивать столь большой объем промывочной воды.

Напорный шариковый фильтр включает пластиковые гранулы, обеспечивающие субстрат для прикрепления нитрифицирующих бактерий. В псевдоожиженном слое фильтра обычно используются полиэтиленовые шарики диаметром 3-5 мм с площадью 1.145 м23.

Напорный шариковый фильтр. Слева режим фильтрациии, а спрваа режим прочистки.
Напорный шариковый фильтр. Слева режим фильтрациии, а спрваа режим прочистки.

Шариковый фильтр с псевдоожиженным слоем относятся к фильтрам с гранулированным наполнителем. Поток воды приводит этот наполнитель к перемешиванию, и твердые частицы загрязнений захватываются им. На практике, насос закачивает воду через дно шарикового фильтра сквозь решетку, удерживающую субстрат. Частицы удерживаются гранулами при прохождении воды вверх через наполнитель. В верхней части фильтра также располагается решетка, предотвращающая утечку гранул. Обычно давление на входе в фильтр (0.32-1.02 атмосферы) возрастает с началом его загрязнения.

Для поддержания потока адекватной силы периодически производится обратная промывка с помощью пропеллера, либо введения пузырьков воздуха. Она включает остановку работы фильтра, создание турбуленции и взмучивание загрязнений. Затем загрязнения удаляются через нижнюю часть фильтра, и нормальное направление потока возобновляется.

Загрязнения остаются в фильтре вплоть до его прочистки. Как правило, она производится каждые 24 часа. В течение времени удержания 30-40% твердых частиц гниют. Это очень нежелательный процесс, потому что отходы начинают растворяться, минерализовать воду, соответственно, насыщать её аммонием и повышать биологические потребление кислорода.

Взаимосвязь между интенсивностью и частотой промывки наполнителя, разложением загрязнений и активность нитрификации запутанна. Фактически, эффективное накопление твердых частиц напорным шариковым фильтром способствует развитию гетеротрофных бактерий.

Эти бактерии становятся проблемой в отсутствии промывки. Они ведут к кислородному голоданию фильтра и образованию аммония из белковых компонентов загрязнения.

Хотя обратная промывка удаляет твердые частицы и нежелательных бактерий, слишком частое её включение ведет к обеднению популяции нитрифицирующих бактерий. Поэтому эксплуатация шарикового фильтра требует опыта и аккуратности.

Шариковые фильтры могут выполнять функции механической и биологической очистки и в последнее время они стали применяться в комбинации с биофильтрами с песочным псевдоожиженным слоем. В данном случае он, прежде всего, необходим для удаления твердых частиц.

К преимуществам напорного шарикового фильтра относятся его способность удалять тонкодисперсные частицы, модульность и простота установки.

Недостатки включают аккумуляцию загрязнений внутри фильтра, где они начинают гнить и забивают фильтр, снижая давление в системе. Кроме того, если он работает в качестве механического и биологического фильтра, его промывка усложняется.

Каждый раз, когда осадок выкачиваются из бассейнов отстойников или система прочищается, наблюдаются высокие колебания загрязнений в сточных водах и объем стока. Это нужно принимать во внимание при создании очистных сооружений. Они должны справляться с возросшим потоком загрязнений.

Сточные воды должны отводиться от УЗВ без возникновения пиков концентрации загрязнений, которые пагубно скажутся на здоровье рыб и работе фильтров.

Удаление твердых частиц зависит от типа рыбоводной системы. В канальных прудах достигается 25-50% удаление твердых частиц. В системах с оборотным водоснабжением эта цифра составляет 80%, а для УЗВ достигает 97% и более.

Канальные пруды или системы с серийным использованием воды обычно характеризуются введением больших объемов воды для снижения концентрации загрязнений. Разбавленные сточные воды с трудом поддаются очистки, потому что снижается эффективность удаления твердых частиц. Кроме того, большие объемы воды требуют массивного очистного оборудования, что ведет к повышению затрат на обработку.

Системы с оборотным водоснабжением очень хорошо удаляют твердые частицы. На примере показана конструкция СОВ, состоящая из трех бассейнов и блока водоподготовки. Цилиндрические бассейны принимают 1000-1900 литров воды в минуту после очистки. Они имеют донный и боковой дренажи. Основная доля твердых частиц фильтруется через донный дренаж, тогда как боковой дренаж совмещен с микросетчатым барабанным фильтром. После прохождения фильтра вода устремляется в самп с насосом, откуда поднимается в низконапорный оксигенатор для удаления CO2 и насыщения O2. Около 180-390 литров в минуту удаляется через донный дренаж и заменяется равной порцией свежей воды, которая поступает непосредственно перед колонкой для оксигенации.

Таким образом, в данной СОВ существует два узла фильтрации: донный дренаж и микросетчатый барабанный фильтр. Если вода из бокового дренажа поступает в барабанный фильтр, то из донного – она направляется в отдельный внешний стояк и выводится из системы.

Результаты исследования, проведенные в институте Пресных вод в городе Шепердстауне (США), продемонстрировали очень высокую концентрацию загрязнений, выходящих через донный дренаж, по сравнению с боковым дренажом. Эта закономерность отмечалась в системе, где выращивались форель (2.5 против 26.2 мг/л) и Арктический голец (1.9 против 13.1 мг/л). После прохождения фильтров вода поступала в бассейны с рыбой и имела концентрацию твердых частиц 1.3 и 1.5 мг/л, соответственно.

Анализ форелевой СОВ показал, что сток через донный дренаж составляет всего 15% всего водного потока, однако в нем концентрируется 78% твердых частиц. Через боковой дренаж проходит 85% воды и лишь 22% твердых частиц, которые затем удаляются барабанным фильтром.

Результаты указывают на высокую эффективность использования двойной дренажной системы вместо одного донного центрального дренажа. Так как относительно низкие объем воды уже содержит около 80% всех твердых частиц, существенно снижаются расходы, включающие занимаемое пространство и стоимость оборудования для утилизации осадка.
——
ag.arizona.edu/azaqua/ista/ISTA7/RecircWorkshop/Workshop%20PP%20%20&%20Misc%20Papers%20Adobe%202006/5%20Solids%20Capture/Solids%20Control.pdf

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *