Условия среды рециркуляционных аквакультурых систем страдают от загрязнений, вследствие накопления фекалий и других загрязнителей в воде. Важно, чтобы их уровень сохранялся в допустимых пределах. Поддержание хорошего качества воды залог успешного культивирования рыб. Популярным решением в вопросе удаления взвешенных частиц являются микросетчатые барабанные фильтры, функциональность которых зависит от размера ячеек сетки (мкм). Пренебрежение этим вопросом пагубно скажется на скорости роста рыб и продуктивности системы. Характеристики механического фильтра зависят от многих переменных, которые обычно вызывают затруднения при выборе оборудования. Чаще всего, поставщики упрощают критерии выбора фильтров, приводя данные о скорости водного потока при специфическом уровне TSS (взвешенных частиц), без отсылки к культивируемому виду. Эта статья приводит методы выбора барабанного фильтра для определенного места и вида гидробионта, с использованием простого оборудования. Она поможет определить оптимальное решение для процесса фильтрации, с позиции затрат и продуктивности. Более того, оценен потенциал формирования кека с точки зрения повышения эффективности фильтрации; оценка касается влияния фильтрации кека на скорость водного потока в фильтре и эффективность механической фильтрации. Показано, что формирование кека существенно не повышает эффективность механической фильтрации.

Факторы, влияющие на оптимальный выбор микросетчатого барабанного фильтра для УЗВ

Введение

Популяция людей продолжает увеличиваться, поэтому возрастает потребность в белке водных животных. Снижение запасов дикой рыбы, в совокупности с возрастанием популяции, порождает неустойчивую ситуацию на рынке. Для сохранения диких популяций животных и удовлетворения спроса на продукты питания необходимо расширение и развитие аквакультуры.

Одним из путей развития является использование рециркуляционных систем. Эффективность работы УЗВ ферм связана с оптимальным выбором узла обработки воды. Он должен непрерывно и эффективно удалять загрязнения, образуемые гидробионтами, до ухудшения ими качества воды.

На переднем плане в вопросе оптимизации систем обработки воды стоит эффективное удаление твердых загрязнений. Её решение, сопровождаемое снижением операционных и капитальных затрат, поможет развитию УЗВ ферм. Показано, что высокие уровень TSS вредит здоровью животных, вызывает у них стресс. Если оставить взвешенные частицы в системе, они повлияют на эффективность других этапов очистки воды, повысят уровень BOD (биологически окисляемые соединения) и способствуют пролиферации патогенных микроорганизмов. Контролировать уровень твердых частиц необходимо для сохранения высокого качества воды. Эту задачу в УЗВ часто выполняет микросетчатый барабанный фильтр.

Выбор оптимальной конфигурации барабанного фильтра должен основываться на размере ячеек микросита (мкм), распределении взвешенных частиц по размеру и допустимого качества воды УЗВ. Характер и плотность частиц в рециркуляционной системе также имеет первостепенное значение при выборе фильтра, хотя этот аспект плохо изучен.

1. Описание барабанного фильтра

Барабанные фильтры имеют различную конфигурацию, включая закрытые, монтируемые в каналах, полностью или частично погружаемые. Во всех конфигурациях фильтрация поступающей воды происходит путем радиального прохождения воды через микросито; в области аквакультуры размер его ячеек составляет 60-200 мкм.

1.1.1. Работа барабанного фильтра

Взвешенные частицы, размер которых больше, чем размер ячеек фильтра, задерживаются. Накапливаясь внутри экрана, они засоряют его и делают непроницаемой для воды. Возрастание сопротивления водному потоку через экран приводит к повышению уровня воды внутри барабана. Это продолжается до момента, когда достигается максимально допустимый уровень. Затем, для недопущения перелива через барабан, происходит обратная промывка фильтра.

Обратная промывка проходит непрерывно или короткими периодами в процессе работы фильтра. Обычно, непрерывная промывка ведется, когда аппарат прогоняет через себя максимальный водный поток. Она обеспечивает очистку ячеек и сохранение постоянство водного потока. Работа обратной промывки короткими промежутками допустима, когда аппарат обладает резервом пропускной способности. Промежуток времени между его промывками определяют степенью возрастания водного потока через фильтр. В эти промежутки времени на экране формируется кек. Он может благотворно влиять на процесс фильтрации, однако, если становится слишком плотным, напротив, затрудняет фильтрацию.

1.1.2. Пропускная способность микросит

Хотя частота обратной промывки является основным фактором, влияющим на пропускную способность фильтра, на неё влияют и другие факторы:

— размер ячеек микросит

— площадь барабана, погруженная под воду (или дифференциальный уровень воды)

— концентрация TSS в воде

— распределение взвешенных частиц по размеру (PSD)

1.1.3. Эффективность механической фильтрации и качество воды

Эффективность барабанного фильтра для оценки возможностей узла очистки. Механическая эффективность является мерой отношения количества материала, удаленного фильтром, к количеству материала, поступившего в фильтр.

Ранее уже проводились исследования, касающиеся эффективности механической фильтрации микросетчатым фильтром в области аквакультуры (Kelly et al., 1997). В секции 4.2 приведены сравнительные результаты эффективности механической фильтрации.

Многие параметры, такие как форма и целостность частиц, влияют на эффективность механической фильтрации барабанного аппарата. Однако ключевым фактором выступает отношение распределения, поступающих с водой, частиц по размеру к диаметру ячеек микросита.

1.1.4. Распределение частиц по размеру

На аквакультурных предприятиях твердые частицы преимущественно состоят из несъеденного корма, фекалий и биопленок (взвешенные бактериальные колонии). Размер этих частиц различен:

— Осаждаемые (>100 мкм)

— Тонкодисперсные (1 < мкм <100)

— Коллоидные (0.001 < мкм <1)

— Растворенные (<0.001 мкм)

В отношении механической фильтрации, осаждаемые частицы легко удаляются. Тонкодисперсные частицы требуют большего внимания, вследствие более высоких затрат на удаление. Для их удаление необходимо уменьшать диаметр ячеек микросита, что ведет к выраженным изменениям пропускной способности барабанного фильтра.

1.2. Фильтрация через кек

Как только экран загрязняется, на нём формируется слой кека, который потенциально может повысить эффективность фильтрации. Однако нарастание кека ведет к повышению сопротивления водному потоку, отсюда снижается пропускная способность экрана.

Метод, выбранный для изучения фильтрации в присутствии кека, предполагает постоянное давление, т.е. водный поток снижают для неизменного давления на экран. Барабанный фильтр работает в неизменных условиях, т.е. при отложении кека происходит увеличение уровня воды (давления). Два метода комплементарны, эксперименты, выполненные по одному методу, имеют аналогичные данные в альтернативном методе. Поэтому, эксперименты с фильтрацией в присутствии кека под постоянным давлением подходят для воспроизведения характеристик неизменного уровня фильтрации.

Проведенная работа изучает, улучшает ли механическую фильтрацию кек, и выигрывает ли процесс механической фильтрации от нарастания слоя загрязнений и, соответственно, снижения водного потока.

Материалы и методы

2.1. Локализация эксперимента

Эксперименты проведены в традиционных земляных прудах с форелью на ферме в Ирландии. Образцы воды брали на выходе из пруда на месте.

2.2. Рекомендованные эксперименты с барабанным фильтром

Оптимальный проект УЗВ включает фильтр, выбранный для культивируемого вида и системы, в которой устанавливается. Он должен обеспечивать адекватную производительность при минимальных затратах. Эксперимент с работой симулятора микросетчатого трубчатого фильтра показан схематично на рисунке 2. Он позволяет получить потенциальные характеристики более крупного фильтра при масштабировании полученных результатов.

Аппарат имеет общую высоту 1000 мм, состоит из области фильтрации диаметром 240 мм, которая способна принять 10 литров фильтрата, выходного отверстия с внутренним диаметром 50 мм, позволяющего выравнивать давление с атмосферным. Аппарат снабжается экраном с микроситом с диаметром ячеек 100, 60, 40, 30, 25, 18 и 10 мкм, которые имеют 44, 35, 31, 20, 19, 14 и 2% открытой площади, соответственно, и диаметр 75 мм. Эти типы экранов отражают диапазон доступных на рынке моделей. Следующие процедуры рекомендованы производителями барабанных фильтров.

Аппарат требует минимальный уровень воды 700 мм, отражающий нефильтрованную воду УЗВ (обычно культурального бассейна), и повторяет функции барабанного фильтра:

— содержит герметичные отверстия микросита, которые погружены на 200 мм под воду. Таким образом, воспроизводят нормальное давление на экран барабанного фильтра.

— погружение трубки на эту глубину в течение 10 секунд воспроизводит нормальную скорость вращения барабанного фильтра 3 оборота в минуту (RPM).

Основные характеристики барабанного фильтра, пропускная способность и эффективность фильтрации, определяют с использованием экспериментального аппарата. Измеряют объем фильтрата, собранного этим аппаратом за 10 секунд времени фильтрации. Затем рассчитывают скорость водного потока (л/сек) через экран микросита. Пропускная способность (л/сек/м2) экрана и необходимый размер барабанного фильтра легко можно вычислить, используя уравнение 3.4, когда известен диаметр погружаемой экспериментального экрана. Для определения эффективности механической фильтрации для каждого экрана микросита, в ходе экспериментов с пропускной способностью собирали образцы воды. Эти образцы включали фильтрат от каждого микросита и образцы с каждого пруда, где проводились тесты. Уровень TSS определяли для каждого из этих образцов. Затем для каждого микросита вычисляли эффективность механической фильтрации (уравнения 3.1, 3.5, рисунок 5).

2.3. Метод фильтрации через кек

В ходе процедуры требовалось оценить влияние фильтрации через кек на эффективность механической фильтрации и скорость водного потока.
Измеряли объем фильтрата, собранного в тестовой трубе в течение 10 секунд, затем рассчитывали пропускную способность микросетчатого фильтра (л/сек).

• • Собирали фильтрат и затем оценивали уровень TSS. Это позволило определить эффективность механической фильтрации экрана после прохождения определенного количества фильтрата.
  • Этапы 1 и 2 повторяли без очистки фильтра. Таким образом, воспроизводили условия формирования кека.
  • Эксперименты с фильтрацией через кек выполнены с использованием решеток с микроситами, которые позволили установить допустимый уровень (для опытов с TSS) формирования кека.

3. Теория

At — площадь тестового экрана (м2)
Ap — площадь, необходимая для обработки потока воды (м2)
Qp — проходящий водный поток (л/мин)
Qt — максимальная пропускная способность экрана (л/мин)

3.1. Определение уровня TSS

Определение уровня TSS в поступающем потоке и фильтрате дало ряд значений для оценки эффективности механической фильтрации для каждого микросита, а также PSD в поступающей воде. Процедура проверки TSS проведена согласно стандартной методике (ISO, 1997). Этот метод для определения характеристик механической фильтрации ранее использовался в ряде экспериментов (Johnson and Chen, 2006; Chen et al., 1993; Inoue et al., 2009). Уровень TSS можно рассчитать по уравнению (3.1):

TSS концентрация (мг/л) = (окончательная масса фильтровальной бумаги – исходная масса фильтровальной бумаги)/объем образца (3.1)

TSS концентрация.

3.2. Определение PSD

Результаты с уровнями TSS для множества микросит позволили измерить массу материала, размер частиц которого больше заданного диаметра ячеек микросит. Для этого использовали уравнение (3.2). «TSS фильтрата@номинальный» связан с уровнем TSS в фильтрате, полученного в экспериментах с различными микроситами.

(TSS в поступающей воде — TSS фильтрата@номинальный)*100/ TSS в поступающей воде (3.2)

Совокупный массовый процент частиц.

Результаты экспериментов с TSS также позволили определить массу материала, размер частиц которого находится в определенном диапазоне. Как процент от общей массы материала по уравнению (3.3).

(TSS фильтрата@верхняя граница — TSS фильтрата@нижняя граница)*100/ TSS в поступающей воде (3.3)

Фракционный массовый процент частиц.

3.3. Определение необходимой площади фильтра и эффективность механической фильтрации

Первичной переменной в расчете площади фильтра является пропускная способность экрана с микроситом. Она максимальна непосредственно после обратной промывки, когда отсутствует прилипший к экрану материал. Кроме того, с уменьшением просвета ячеек микросита, снижается пропускная способность экрана.

Для расчета площади экрана с микроситом и, соответственно, управления скоростью водного потока, использовали уравнение (3.4).

Ap = (Qp/Qt)*At (3.4)

Расчет площади микросит.

Отмечено, что эта минимальная площадь, необходимая для обработки водного потока. Как только фильтр загрязняется, поток через него снижается, либо в фильтре поднимается уровень воды, что, в конечном счете, приводит к прохождению потока в обход фильтра.

Эффективность механической фильтрации экрана с микроситом рассчитывали по уравнению (3.5).

Эффективность механической фильтрации = (TSS в поступающей воде – TSS фильтрата)*100/ TSS в поступающей воде (3.5)

Эффективность механической фильтрации экрана.

Степень удаления загрязнений оценивали как массу материала, удаленного за секунду из поступающей через экран с микроситом воды (уравнение 3.6).

Степень удаления загрязнений (мг/сек) = TSS в поступающей воде (мг/л)*скорость водного потока (л/сек)*эффективность механической фильтрации (3.6)

Степень удаления загрязнений фильтром.

4. Результаты

4.1. Экономика барабанного фильтра

В статье рассмотрены рабочие характеристики барабанного фильтра. Для выбора и использования в коммерческих системах осталось проанализировать капитальные и операционные затраты этих фильтров. Предполагается, что снизить операционные затраты удастся выбрав аппарат с большей площадью фильтрации, чем нужно для обработки имеющегося водного потока. Эта гипотеза подкреплена изучением капитальных и операционных расходов на ряд фильтров с различной площадью решеток микросит, работающих в идеальных условиях. Её можно подтвердить, сравнив экономические параметры работы более маленьких фильтров с непрерывной обратной промывкой и более крупных аппаратов с прерывистой промывкой.

В таблице 1 приведены расчеты капитальных расходов и затрат на обратную промывку для каждого фильтра, работающего с максимальной пропускной способностью. Можно видеть, что, как и ожидалось, затраты на обратную промывку больше для более крупных аппаратов, как и капитальные затраты. Однако, важно отметить допущение, что обратная промывка возвращает микроситу прежнюю максимальную пропускную способность. В реальности, жиры из рыбьих фекалий и бактериальные колонии с трудом поддаются обычной обратной промывке и постепенно снижают пропускную способность фильтра. Поэтому периодически требуются вмешательства оператора, который вручную очищает экран. В этой связи, важно выбрать аппарат, площадь фильтрации которого больше и не нуждается в частой работе оператора.

Таблица 1. Максимальная пропускная способность барабанного фильтра с экраном 40 мкм. Нормализованные капитальные затраты и расходы на обратную промывку

Барабанный фильтр	Пропускная способность (л/сек)	Нормализованные капитальные затраты	Нормализованные расходы на обратную промывку
A	36	1	1
B	72	1.18	1.31
C	108	1.29	1.67
D	144	1.47	2.29

Таблица 2. Частота обратной промывки и энергопотребление каждого барабанного фильтра, работающего в водном потоке 36 л/сек, с экраном 40 мкм

Барабанный фильтр	Водный поток (л/сек)	Частота обратной промывки (%)	Нормализованное энергопотребление
A	36	100	1
B	36	50	0.66
C	36	33	0.56
D	36	25	0.57

Данные нормализованы для упрощения сравнения барабанных фильтров различного размера и для защиты информации производителей. Нормализация данных проведена с установкой наименьшей переменной в качестве значения «1», когда остальные значения рассчитаны относительно неё. В данном случае данные нормализованы по отношению к барабанному фильтру A.

Для нормализованных данных сделаны следующие допущения:

— Пропускная способность каждого фильтра заявлена местными поставщиками фильтров.

— Нормализованные капитальные затраты основаны на котировках местных поставщиков.

— Нормализованные операционные затраты рассчитывались на основе мощности мотора и насоса, данные о которых получены от местных поставщиков.

— Капитальные затраты связаны только со стоимостью приобретения фильтра.

— Затраты на обратную промывку связаны с затратами энергии насоса на обратную промывку и энергии мотора на вращение барабана.

— Диаметр и скорость вращения всех аппаратов одинаковы.

— Данные нормализованы по наименьшему значению.

В таблице 1 можно видеть, что аппараты B,C и D имеют более высокую пропускную способность, чем аппарат A (36 л/сек). Это позволяет им работать с потоком 36 л/сек более длительное время без обратной промывки. Как результат, снижаются затраты на обратную промывку (Таблица 2). Частота автоматической промывки рассчитана как соотношение пропускной способности «Фильтра A» по отношению к пропускной способности рассматриваемого фильтра.

Так как более крупный фильтр необязательно имеет пропорционально более крупный мотор, 50% снижение частоты промывки необязательно означает 50% снижение энергозатрат двигателя. Эти данные экстраполированы за 15 лет и приведены на рисунке 3. Экстраполяция проведена на основе общих расходов и не учитывает чистую приведенную стоимость с процентной ставкой. Ось ординаты показывает общее количество денег, расходуемые на операцию для каждого фильтра до отмеченного момента времени. Например, после 6 лет операционные затраты от наименьших до наибольших распределяются в ряду фильтров A,B,C и D; однако, после 14 лет затраты от наименьших до наибольших распределяются в ряду B,C,A и D. Этот график отражает снижение общих операционных расходов при использовании более крупного фильтра B или C, а также наибольшие затраты на самый крупный фильтр D в любой промежуток времени. Данные также не учитывают затраты на обслуживание и замену частей.

4.2. Максимальная пропускная способность микросетчатого фильтра

Используя трубчатый аппарат для симуляции барабанного фильтра и чистую дистиллированную воду, удалось определить пропускную способность доступных на рынке микросетчатых фильтров (Рисунок 4). Показано, что, как и ожидалось, пропускная способность экрана с микроситом напрямую зависит от размера ячейки. Пропускная способность экрана снижается с уменьшением диаметра его ячеек. Это означает, что для заданной скорости водного потока экраны с мелкой ячейкой требуют большей площади поверхности, чем экраны с более крупным микроситом.

4.3. Эффективность механической фильтрации

Во всех экспериментах использовали одинаковую концентрацию TSS в поступающей воде 17.22 мг/л (n = 15). Результаты показали возрастание эффективности механической фильтрации со снижением размера ячеек микросит. Данные указывают на нелинейную взаимосвязь, переход от ячейки 60 мкм к 40 мкм приносит 24.22% возрастание эффективности, тогда как переход от ячейки 30 мкм к 10 мкм повышает эффективность лишь на 4.07%.

4.4. Распределение частиц по размеру

Используя результаты экспериментов с TSS для каждого микросита и уравнение (3.3), рассчитали распределение частиц по размеру. Данные приведены на рисунке 6. Они показывают, что почти половина всех частиц имеет диаметр более 100 мкм и значительная доля (24.24%) находится в диапазоне 40-60 мкм. Очень небольшая часть TSS имеет диаметр менее 30 мкм.

4.5. Эксперименты с симуляцией формирования кека

Результаты фильтрации через кек приведены на рисунке 7-10. Они получены в опытах с теми микроситами, где удалось собрать достаточный объем TSS в фильтрате, т.е. 30-100 мкм. Загрязнения крепко прилипают к поверхности экрана вплоть до их удаления, поэтому не потребовалось прибегать к специальным средствам повышения адгезии частиц. Микросита с ячейкой менее 30 мкм забились преждевременно, поэтому оценить влияние кека на фильтрацию через них не удалось. Данные нормализованы относительно экрана с наибольшей пропускной способностью, в данном случае относительно экрана с микроситом 100 мкм.

5. Обсуждение

5.1. Выбор фильтра

Обычно решение о выборе фильтра является компромиссом между капитальной стоимостью, размером и, соответственно, пропускной способностью экрана, эффективностью удаления загрязнений. Эти аспекты были учтены, согласно рекомендованному методу экономической оценки.

Первый этап заключается в определении размера фильтра под конкретную задачу. Выбор проводится с использованием параметров пропускной способности фильтра, таблицы 3, в совокупности с необходимыми для системы значениями скорости водного потока. Данные пропускной способности аппарата рассчитывались на основе максимальной пропускной способности, измеренной и представленной на рисунке 4, и площадью поверхности микросита барабанного фильтра, погруженного под воду. Можно видеть, что существует прямая линейная зависимость пропускной способности для каждого микросита, между фильтрами различного размера. Также существует линейное возрастание размера в ряду фильтров A,B,C и D. Максимальная пропускная способность не следует общей тенденции в ряду микросит для каждого конкретного фильтра. Тем не менее, она возрастает с увеличением диаметра ячеек микросит. Важно отметить, что эти значения скорости водного потока применимы только для экспериментов с TSS и PSD, но также служат подходящей методологией для дополнительных экспериментов.

Таблица 3. Максимальная пропускная способность микросит и фильтров

	Пропускная способность (л/сек)
Размер ячейки микросита (мкм)	Фильтр A	Фильтр B	Фильтр C	Фильтр D
10	6	12	18	24
18	18	36	54	72
25	23	45	68	91
30	30	60	90	120
40	36	72	108	144
60	45	90	135	180
100	54	108	162	216

Когда скорость водного потока специфическая, например 24 л/сек, можно определить, какой фильтр удовлетворяет такому водному потоку (таблица 4). В таблице значение «1» или более указывает на то, что фильтр может работать с указанной пропускной способностью (24 л/сек). Любые значения более 1 говорят о более высокой пропускной способности аппарата, чем требуется. Например, значение 2.25 для фильтра C с экраном 18 мкм свидетельствует о том, что он имеет 125% избыток пропускной способности, и потенциально можно сэкономить на снижении частоты обратных промывок.

Таблица 4. Оценка скорости водного потока через барабанные фильтры

Размер ячейки микросита (мкм)	Фильтр A	Фильтр B	Фильтр C	Фильтр D
10	0.25	0.50	0.75	1.00
18	0.75	1.50	2.25	3.00
25	0.96	1.88	2.83	3.79
30	1.25	2.50	3.75	5.00
40	1.50	3.00	4.50	6.00
60	1.88	3.75	5.63	7.50
100	2.25	4.50	6.75	9.00

Значение 24 л/сек использовано как образец потому, что оно является минимальным потоком для фильтра D с экраном 10 мкм. Это значение позволяет оценить производительность различных фильтров с различными экранами.

Как показано на рисунке 3, наименее затратным фильтром в кратко- и среднесрочной перспективе для заданной пропускной способности является самый маленький аппарат с непрерывной обратной промывкой. Например, для заданного водного потока 24 л/сек, маленький фильтр удовлетворяет критериям потока при любом размере ячеек микросита (таблица 5).Однако, в долгосрочной перспективе, более крупный аппарат позволит снизить затраты на обратную промывку.

Таблица 5. Выбранный фильтр на основе специфической скорости водного потока и размера ячейки микросита

Размер ячейки микросита (мкм)	Необходимый Фильтр
10	D
18	B
25	B
30	A
40	A
60	A
100	A

Этот выбор аппаратов справедлив только с позиции водного потока. Для правильного выбора фильтра нужно оценить оптимальную эффективность механической фильтрации (рисунок 5). В связи с этим рассчитывали удаление (или удерживание) материала для каждого микросита, использовали установленную эффективность механической фильтрации и измеренные условия поступления воды [TSS — 17.22 мг/л (n = 15); водный поток – 24 л/сек. Таблица 6].

Таблица 6. Удаление «загрязнений» экраном и остаточная доля «загрязнений»

Размер ячейки микросита (мкм)	Удаленный материал (мг/сек)	Остаточный материал (мг/сек)
10	413	0
18	413	0
25	410	4
30	396	17
40	373	40
60	273	140
100	204	209

Из таблицы 6 видно, что эффективность механической фильтрации выбранного экрана может иметь два исхода, когда работает внутри конкретной системы. Первый ведет к снижению TSS в системе. Однако, если оставшегося после фильтрации материала слишком много, становится сложно удалить твердые частицы. Если не фильтруемый материал не удаляется, его общее содержание в системе быстро возрастает до нежелательного уровня.

При выборе экрана с микроситом нужно аккуратно рассчитывать долю остаточного после фильтрации материала. Оптимальный выбор строится на компромиссе необходимого качества воды и затратами на его достижение. В таблице 5 представлены фильтры и предложено оптимальное решение с позиции затрат на обработку специфического водного потока и уровня TSS. В таблице 6 определена взаимосвязь размера ячеек микросит с эффективностью удаления материала.

Эти затраты на каждое сочетание фильтр/микросито из таблицы 5 рассчитаны на основе нормализованной капитальной/операционной стоимости каждого аппарата и степени удаления загрязнений (таблица 6), и представлены на рисунке 11. Данные о стоимости нормализованы по наименьшему значению, которое в данном случае принадлежит фильтру A с микроситом 30 мкм. Рисунок 11 показывает минимальные стоимость, связанную (мг удаленного материала в секунду) с каждым микроситом, которым оборудован самый маленький, но пригодный для заданной скорости водного потока, фильтр.

Значения на рисунке 11 позволяют связать стоимость с удалением материала из поступающей в систему воды. Видно, что фильтр A с микроситом 30 мкм удаляет материал с наименьшей стоимостью на фильтрацию. Однако, количество материала, оставленного после такой очистки, недопустимо, поэтому необходимо выбирать экран с более мелкой ячейкой микросита. Это ведет к повышению стоимости обработки воды (рисунок 11).

С другой стороны, снижается водный поток, что свидетельствует о дополнительном сопротивлении жидкости, вызванном образованием кека на экране. Результаты указывают то, что максимальная степень удаления достигается, когда фильтр свободен от кека. Рисунок 11 показывает нормализованные капитальные/операционные затраты на фильтры, на основе удаления материала.

5.2. Фильтрация через кек

Фильтрация через кек вариант лишь в том случае, когда экран в чистом состоянии пропускает заметную долю загрязнений. Если экран задерживает 99% твердых частиц, польза от формирования кека отсутствует.

Результаты экспериментов с фильтрацией через кек приведены на рисунках 7-10. Они демонстрируют, что в условиях форелевого пруда нет существенной пользы от кека с любым испытанным размером ячеек микросита.

На том же графике также видно существенное снижение скорости водного потока в присутствии кека. Это сопровождается, неуклонным, с увеличением объема фильтрата, возрастанием сопротивления водному потоку.

Таким образом, стратегия вовлечения кека в процесс фильтрации не имеет преимуществ и поэтому не подходит для аквакультуры.

Литературный обзор других сфер приложения фильтрации через кек незначителен (Tien et al., 2001; Iritani et al., 2012; Christensen et al., 2011). Вероятно, это связано с использованием микросит в других процессах фильтрации, которые призваны обеспечить захват всех частиц с определенной заданной эффективностью. Это дорогостоящая процедура обработки воды применяется в сферах, где высокое значение имеет чистый фильтрат или, напротив, захваченные частицы. Он не подходит для аквакультуры.

5.3. Распределение частиц по размеру

Экспериментальный подход, освещенный в статье, помимо определения оптимального решения в вопросе фильтрации, также предлагает простой метод расчета распределения захватываемых фильтром частиц (PSD) по размеру.

PSD твердых частиц в системе наиболее важный фактор, обуславливающий эффективность механической фильтрации различных микросит. Эти данные позволяют выбрать подходящий фильтрующий материал под задачу.

Обычно эту информацию сложно экспериментально получить и найти, или она отсутствует для конкретной системы/вида гидробионта. Экспериментальные методы требуют больших трудозатрат, например, метод с просеиванием (Cripps, 1995; Pfeiffer et al., 2008) или дорогостоящий высокоточный метод с лазерными пробами (Brinker et al., 2005); такие подходы вряд ли оценят в коммерческой аквакультуре.

Представленная здесь, простейшая методология определения PSD минимизирует влияние засорения пор, которое возникает в методе с просеиванием. Засорения пор также потенциально ведет к удержанию экраном более мелких частиц, что искажает результаты PSD (Patterson and Watts, 2003).

5.4. Эффективность механической фильтрации

Результаты определения эффективности механической фильтрации приведены на рисунке 5. Они показывают некоторые значения в диапазоне, где минимальное значение соответствует данным в ходе проведения очистки бассейна (Kelly et al., 1997) и максимальное значение соответствует нормальной работе системы (Kelly et al., 1997). Это свидетельствует о том, что размер частиц загрязнений в работе Kelly et al., 1997 больше во время очистки бассейна и меньше в процессе обычной работы системы по сравнению с загрязнениями, рассмотренными в данной работе (рисунок 5). Эта зависимость обусловлена тем, что эффективность механической фильтрации является прямой функцией PSD.

Заключение

В кратко и среднесрочной перспективе более экономически целесообразно выбирать аппарат с минимальной площадью фильтрации, которые требуют непрерывной обратной промывки без учета фильтрации через кек. Как показано на рисунках 7-10, отсутствие существенного прироста эффективности механической фильтрации через экраны после формирования кека. Более того, кек снижал пропускную способность аппарата.Более низкие операционные затраты на периодическую обратную промывку крупного аппарата в долгосрочной перспективе делают его более экономически выгодным, чем маленького аппарата с непрерывной промывкой. Эта тенденция видна на рисунке 3, который иллюстрирует совокупную стоимость работы каждого фильтра в пересчете на год, при скорости водного потока 36 л/сек и соответствующем энергопотреблении.Поэтому, когда выбираете фильтр и располагаете небольшим бюджетом, выбирайте более маленький аппарат. Большой аппарат, помимо высокой стоимости, потребляет много энергии, что оттягивает срок окупаемости. Однако с его преодолением фильтр становится более выгодным.На рисунках 7-10 отмечается линейное снижение скорости водного потока до точки, где эта тенденция сглаживается. Таким образом, фильтр способен достигнуть точки равновесия, где его засорение не вызывает пропорционального снижения скорости прохождения фильтрата. Однако в этой точке скорость водного потока ничтожна по сравнению с исходной пропускной способностью и находится за пределами рабочего диапазона (рисунок 9 и 10).

Гипотеза, согласно которой кек обеспечивает повышение эффективности механической фильтрации, не получил подтверждения для всех типов микросит. Можно прогнозировать справедливость этой гипотезы для работы шарикового фильтра. Если с шариковым фильтром результаты будут аналогичными, использование фильтрации через кек в аквакультуре становится скорее вредным, чем полезным.

——

Eoin Dolan, Niall Murphy, Michael O’Hehir. Factors influencing optimal micro-screen drum filter selection for recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering 56 (2013) 42– 50

 

Alabaster, J.S., Lloyd, R., 1982. Water Quality Criteria for Freshwater Fish, 2nd ed. Butterworth Scientific, London, England, pp. 127–142.

Boucher, P.L., 1947. A new measure of the filterability of fluids with applications to water engineering. Journal of the Institution of Civil Engineers 27 (4).

Brinker, et al., 2005. A high-resolution technique to size suspended solids in flow through fish farms. Aquacultural Engineering 32, 325–341.

Chapman, et al., 1987. Differentiation of physical from chemical toxicity in solid waste fish bioassay. Water, Air and Soil Pollution 33, 295–308.

Chen, Malone, 1991. Suspended solids control in recirculating aquacultural systems. In: Engineering Aspects of Intensive Aquaculture, Proceedings from the Aquaculture Symposium, Cornell University, Ithaca, NY. Northeast Regional Agricultural Engineering Services, NRAES 49, pp. 170–186.

Chen, et al., 1993. Suspended solids characteristics from recirculating aquacultural systems and design implications. Aquaculture 112, 143–155.

Christensen, et al., 2011. Nonlinear filtration behaviour of soft particles: effect of dynamic cake compression. Powder Technology 207, 428–436.

Cripps, S.J., 1995. Serial particle size fractionation and characterisation of an aquacultural effluent. Aquaculture 133 (3), 323–339.

Cripps, S.J., Liltved, H., 1999. Removal of particle-associated bacteria by prefiltration and ultraviolet irradiation. Aquaculture Research 30 (6), 445–450.

Cripps, S.J., Bergheim, A., 2000. Solids management and removal for intensive landbased aquaculture production systems. Aquacultural Engineering 22, 33–56.

Davidson, J., Summerfelt, S., 2005. Solids removal from a coldwater recirculating system- comparison of a swirl separator and a radial-flow settler. Aquacultural Engineering 33, 47–61.

Delgado, C., Rosegrant, M., Meijer, S., Wada, N., Ahmed, M., 2002. Fish as food: projections to 2020. In: Paper Presented in the IIFET 2002 The Biennial Meetings of the International Institute for Fisheries Economics and Trade, 19th–23rd of August, Wellington, NZ.

Greencorn, Nancy, [Chapter 3.1] 2009. Novel Design Methodology for Rotary Drum Filters. Masters Thesis University of New Brunswick.

Inoue, et al., 2009. In situ removal of contaminated suspended solids from a pond by filtration. Ecological Engineering 35, 1249–1254.

Iritani, E., Katagiri, N., Kanetake, S., 2012. Determination of cake filtration characteristics of dilute suspension of bentonite from various filtration tests. Separation and Purification Technology 92, 143–151. ISO 11923:1997, 1997. Water quality – determination of suspended solids by filtration through glass-fibre filters.

Johnson, W., Chen, S., 2006. Performance evaluation of radial/vertical flow clarification applied to recirculating aquaculture systems. Aquacultural Engineering 34, 47–55.

Kelly, et al., 1997. Particle size distribution of wastes from freshwater fish farms. Aquaculture International 5, 65–78.

Magor, B.J., 1988. Gill histopathology of juvenile Oncorhynchus Kisutch exposed to suspended wood debris. Canadian Journal of Zoology 66, 2164–2169.

Patil, K.D., 2007. Measuring efficiency. In: Mechanical Operations: Fundamental Principles and Applications. Nirali Prakashan (1.9.2).

Patterson, et al., 2003. Micro-particles in recirculating aquaculture systems: determination of particle density by density gradient centrifugation. Aquacultural Engineering 27, 105–115.

Patterson R.N., Watts K.C., 2003. Micro-particles in recirculating aquaculture systems: microscopic examination of particles. Aquacultural Engineering 28 (3), 115–130.

Pfeiffer, et al., 2008. Particle sieve analysis for determining solids removal efficiency of water treatment components in a recirculating aquaculture system. Aquacultural Engineering 39, 24–29.

Richardson, J.F., Harker, J.H., Backhurst, J.R., 2002. Coulsons & Richardson’s Chemical Engineering, vol. 2., 5th ed.

Tien, et al., 2001. Cake filtration analysis – the effect of the relationship between the pore liquid pressure and the cake compressive stress. Chemical Engineering Science 56, 5361–5369.

Timmons, M.B., Ebling, J.M., Wheaton, F.W., Summerfelt, S.T., Vinci, B.J., 2002. Recirculating Aquaculture Systems, 2nd ed. Cayuga Aqua Ventures LLc., Ithaca, NY, pp. 171.

Wong, K.B., Piedrahita, R.H., 2000. Settling velocity characterization of aquacultural solids. Aquacultural Engineering 21, 233–246.