Данная статья посвящена описанию таблицы, в основе которой лежат уравнения баланса масс, разработанная Losordo и Westers в статье «Aquaculture Water Reuse Systems: Engineering Design and Management. Developments in Aquaculture and Fisheries Sciences», 27 : 9–60, 1994. Эта электронная технологическая карта предназначена для оценки размера емкости и необходимой скорости потоков в рециркуляционной системе. Она может использоваться для расчета скорости рециркуляции водного потока, необходимого для поддержания специфического, заданного пользователем, качества воды.

При этом факторами, переменными выступают количество вносимого корма и характеристики системы фильтрации. Качество воды включает такие параметры, как количество взвешенных твердых частиц, общий аммонийный азот, концентрация растворенного кислорода. Таблица позволяет оценить объем подпиточной свежей воды, необходимой для поддержания заданной пользователем концентрации нитрата. Кроме того, можно оценить объем биофильтра и его поперечную площадь на основе заданных формы биофильтра, глубины и специфической удельной поверхности субстрата. Уравнения, использованные в таблице, основаны на ежедневном количестве образующихся загрязнений и потреблении кислорода по отношению к количеству вносимого корма.

Введение

Интерес к аквакультуре в рециркуляционных системах растет по всему миру. Одними из причин этому являются ограниченность естественных источников воды, желание увеличить плотность посадки, снизить потери тепла и уровень загрязнений, выбрасываемых в среду. В прошлом, многие инженеры строили УЗВ, не обладая достаточными знаниями, методом проб и ошибок, опытом прошлых ошибок. Успех создания системы с рециркуляцией зависит от точной оценки скорости рециркуляции воды и подходящим размером биологического фильтра.

Государственный университет Северной Каролины с 1989 года активно исследует, оценивает и демонстрирует технологии в области рециркуляционных систем. В этом плане, с целью анализа и проектирования установок созданы инженерные и экономические электронные таблицы (технологические карты).

В своей работе, Losordo и Westers (1994) разработали метод проектирования на основе анализа баланса масс. Используя его, они оценили скорость водного потока из культуральных бассейнов до узла обработки, где происходит захват твердых загрязнений, аммония, нитратов, и водного потока, необходимого для поддержания адекватной концентрации растворенного кислорода.

Использованные данные для построения технологической карты (важно)

Входные данные, использованные в электронной таблице в качестве примера, относятся к системе для подращивания рыбы проекта «Carolina Power and Light Company (CP&L) Fish Barn» (Hobbs et al., 1997). Некоторые входные данные, описывающие показатели удаления твердых частиц и скорость нитрификации, получены из более мелкой, но похожей системы «North Carolina Fish Barn», описанного Twarowska et al. (1997).

Моделирование ведется с учетом следующих условий:
1. Цилиндрические культуральные бассейны (т.е. полное перемешивание),
2. Твердые частицы удаляются через центральный донный дренаж и барабанный фильтр.
3. Имеется капельный биологический фильтр. Происходит орошение субстрата, нитрификация не требует кислорода из воды (пояснение далее)
4. Имеется колонна оксигенатор с нисходящим водным потоком.

Согласно исследованиям Twarowska et al. (1997), барабанный фильтр и донный дренаж фильтруют эквивалентное количество твердых загрязнений (примерно по 50% каждый), образованных тиляпией. Фактический водный поток через очистную систему «CP&L Fish Barn» составляет 795 л/мин (210 галлона в минуту) для каждого бассейна объемом 60м³.

Описание электронной таблицы

Электронную таблицу в формате excel можно скачать по следующей ссылке –

https://aquavitro.org/wp-content/uploads/2016/01/Spreadsheets-Losordo-Hobbs-2000.xlsx
при копировании к ссылке прицепится хвост: подробнее на… (его удалить)

Формулы вписаны в ячейки. Расчет происходит автоматически на основе вводимых пользователем данных. Некоторая информация требует знаний, полученных из опыта работы со схожими системами, компонентами, видами рыб и типами кормов. Данные для ввода находятся в столбце B и выделены жирным. Области таблицы разделены на соответствующие группы.

Размер бассейна и расчет биомассы

Качество воды в УЗВ, по большей части, есть результирующая от таких переменных, как размер бассейна, биомасса в бассейне, количество вносимого корма, эффективность удаления загрязнений и фильтрации. Перед использованием таблицы пользователь должен знать размеры бассейна и плотность посадки. В приведенном примере глубина емкости 2 метра (B6), а радиус – 3.1 метра (B7). Объем бассейна рассчитывается в ячейке B8. Пользователь указывает максимальную плотность посадки в ячейке B9 (60 кг/м³ в примере). Затем он задает количество особей (B11), которые достигнут рыночного размера, указанного в ячейке B12. Количество вносимого корма в процентах от массы тела рыб зависит от вида рыб и её размеров, и может быть найдено в специальной литературе, у поставщиков корма. Важно отметить, что таблица предусматривает равномерное внесение корма в течение 24 часов. Нагрузка на узел очистки происходит в короткие промежутки времени при кормлении, поэтому таблица недооценивает пиковые моменты, когда вносится корм. Ежедневное количество вносимого корма вычисляется в ячейке B14 и используется во всех последующих расчетах.

Расчет баланса масс по общему аммонийному азоту (TAN)

Эта часть посвящена оценке водного потока из/в биофильтр, необходимого для поддержания заданной концентрации общего аммонийного азота в бассейне, и оценке объема воды, который необходимо заменить, для поддержания нитрата на допустимом уровне. В ячейке B19 электронной таблицы оценено количество TAN, которое образуется в системе, как функция от количества вносимого корма (B14) и содержания белка в корме (B18). Число 0.065 в уравнении в ячейке B19 является константой, использованной для аппроксимации системы, в которой аммонийный азот составляет 2.5% от вносимого корма при заданных условиях. В общем, примерно 2.5-3% вносимого корма по массе становятся общим аммонийным азотом (Liao and Mayo, 1974; Wheaton et al., 1994). Эту часть таблицы можно расширить, включив такие переменные, как усвояемость корма, степень удаления фекалий. Как только определена степень образования TAN (ячейка B19), пользователь вносит желаемую концентрацию TAN в ячейку B21 и оценивает пассивную нитрификацию, которая происходит в системе (B22). Пассивная нитрификация связана с окисление аммония до нитрата бактериями на поверхностях системы, находящихся вне биологического фильтра. Пассивная нитрификация может составлять более 30% от общей нитрификации в УЗВ. Ячейка B23 показывает степень продукции TAN (после вычисления пассивной нитрификации), которую необходимо утилизировать в биофильтре, чтобы поддержать заданную пользователем, допустимую концентрацию TAN.

Вместе с пассивной нитрификацией, в большинстве УЗВ обычно происходит пассивная бактериальная денитрификация. В условиях высоких концентраций нитрата, низких концентраций растворенного кислорода на участках, где скапливаются органические загрязнения, определенный объем системы становится аноксичным. Здесь протекает бактериальная денитрификация (Bovendeur et al., 1987). Пользователь вводит оценочные значения денитрификации в ячейке B24. В большинстве случаев, можно ввести в ячейку 10%, но в особенно чистой системе или, если пользователь хочет консервативно переоценить требуемый объем подпиточной воды, в ячейке ставят 0. В ячейке B25 пользователь вносит желаемую максимальную концентрацию нитрата в бассейне.

Интенсивная рециркуляционная система обычно определяется, как система, в которой ежедневно обновляется менее 10% воды. За исключением случаев, когда используется активная денитрификация, концентрация нитрата в системе является функцией от количества образующихся загрязнений и объема вносимой свежей воды. Объем свежей воды для поддержания заданной концентрации нитрата (согласовано с пассивной денитрификацией) вычисляется в ячейке B26. Эта доля вносимой свежей воды (эквивалентно сброшенной грязной воде) используется для оценки частичного удаления других загрязнений далее в таблице.

Эффективность удаления TAN биофильтром вносится в ячейку B28 и оценивается, как функция от множества переменных. Среди них можно отметить, концентрацию поступающего TAN, температуру, площадь поверхности фильтра, тип фильтра (вращающийся биодиск, псевдоожиженный, капельный), гидравлическая нагрузка и время гидравлического удержания (Losordo and Westers, 1994). Ежедневный водный поток к биофильтру, необходимый для поддержания желаемой концентрации аммонийного азота, вычисляется в ячейке B29 (выражен в B30 — л/мин, B31 – галлон/мин).

Расчет биофильтра для узв

В этой секции таблицы оценивается размер биофильтра, необходимый для обеспечения адекватной нитрификации. Нитрифицирующая емкость биофильтра зависит от использованного субстрата и объема фильтра. Удельная поверхность субстрата обычно измеряется как отношение м² площади фильтра к м³ субстрата и называется специфической удельной поверхностью субстрата. Субстрат с бо’льшим количеством пустот имеет меньшую специфическую удельную поверхность. В общем, степень «воздушной» нитрификации для биофильтра, используемого в аквакультуре (максимальное поступление общего аммонийного азота менее 2 мг TAN/л) варьирует от 0.15 до 1.0 грамма TAN/м²/день. Иными словами, один квадратный метр площади фильтра может окислить 0.15-1.0 грамма общего аммонийного азота до нитрата за один день. Субстрат фильтра с низкой специфической удульной поверхностью, например капельного фильтра и вращающегося (специфическая удельная поверхность 100-400 м²/м³) часто обладает более низкой скоростью «воздушной» нитрификации (0.15-0.5 грамма TAN/м²/день) (Wheaton et al., 1994; Beecher et al., 1997; Greiner and Timmons, 1998).

Примечание: при создании электронной таблицы использовались УЗВ, где работали орошаемые капельные биофильтры, т.е. «воздушная» нитрификация означает, что процесс окисления аммония ведется при орошении субстрата водой.

В ячейках B35 и B37 пользователь задает оценочную степень «воздушной» нитрификации и специфическую площадь поверхности биофильтра, соответственно. Необходимая площадь поверхности затем вычисляется в ячейке B36, общий оценочный объем субстрата в ячейке B38. Оставшиеся вычисления в данной главе представлены для сравнения стоимости и размеров различных типов субстрата.

Вычисление баланса масс твердых частиц

В этой части пользователь должен отметить три атрибута системы и одно желаемое условие. В ячейку B47 необходимо оценить и ввести долю корма, которая станет в итоге твердыми загрязнениями. Она включает не съеденный корм и фекалии. В зависимости от типа системы, качества корма и культивируемого вида рыб, значение B47 варьирует от 25 до 50%. В ячейке B49 пользователь вводит концентрацию взвешенных твердых частиц, которая сохраниться в культуральных бассейнах. Затем необходимо ввести эффективность компонентов удаления твердых частиц в системе. Если УЗВ оборудована двойным дренажем или внутренней трубой для захвата загрязнений, их эффективность в отношении удаления твердых частиц отмечается в ячейке B50. Она оценивается, как процент от общего количества твердых загрязнений, образующихся за один день. В ячейку B53 вносится эффективность фильтрации твердых частиц отстойником, шариковым или сетчатым фильтрами. Она определяется, как процент твердых загрязнений, захваченных при единичном прохождении фильтра. Наконец, в ячейке B54 вычисляется общий водный поток в петле циркуляции, необходимый для поддержания желаемой концентрации взвешенных частиц. Это значение выражается в литрах в минуту (B55) или галлонах в минуту (B56).

Вычисление баланса масс для кислорода

Потребление растворенного кислорода в УЗВ преимущественно является функцией со следующими переменными: культивируемый вид, количество вносимого корма и схема узла очистки. Растворенный кислород расходуется при дыхании рыбы и, в большей степени, автотрофными (нитрифицирующими) и гетеротрофными бактериями (ответственными за распад органической материи). Скорость удаления твердых загрязнений может иметь ключевое значение на расход кислорода. Другим немаловажным фактором является поступление кислорода из воздуха при протекании нитрификации (орошение субстрата) или из воды (погружаемый биофильтр).

Введение данных в этой части начинается с указания типа биофильтра (воздушный или погружаемый). В ячейке B61 отмечается цифра 1 (погружаемый) или 0 (воздушный). Это значение влияет на уравнение в ячейке B67, где рассчитывается расход кислорода нитрифицирующими бактериями. Если растворенный кислород не расходуется, а берется из атмосферы, в ячейке B61 ставят 0.

Затем пользователь вводит данные о потреблении кислорода рыбами, что связано с количеством съеденного корма. Согласно Westers (1979), в бассейне с Лососевыми с каждым килограммом внесенного корма расходуется 200-250 граммов кислорода. Кроме того, Thomas и Piedrahita (1997) указывали на то, что дыхательная активность Белого осетра (средняя масса 550 граммов, вносят 2.5-3% корма от массы тела в день) варьирует от 290 до 385 граммов O2 на килограмм корма. Из этого и других работ можно заключить, что расход варьирует от 200 до 500 граммов O2 на килограмм корма (0.2-0.5 кг O2/кг корма). Это значение вводится в процентном выражении в ячейку B62.

В ячейки B64 и B65 вносятся желаемые концентрации растворенного кислорода в культуральном бассейне и на выходе из оксигенатора, соответственно. Концентрация кислорода в воде, поступающей из оксигенатора в бассейн с рыбой является функцией схемы системы и количества вводимого кислорода.

Оценочное потребление кислорода в системе, включая процесс пассивной нитрификации вычисляется в ячейке B68. Оценочная скорость водного потока, необходимая для удовлетворения условиям концентраций растворенного кислорода, вычисляются в ячейках B69-71.

Обсуждение

Эта электронная таблица не должна рассматриваться как высокоточная модель, которую можно применять без предварительного получения знаний и опыта. Многие проектировщики располагают и активно используют похожие технологические карты в своей работе, однако они не спешат поделиться ими. Представленная таблица обеспечивает фундамент для улучшения и расширения модели, и использования её в аквакультуре. Кроме того, она позволяет ответить на некоторые вопросы типа «что если?», перед тем, как делать систему. Можно оценить параметры УЗВ до начала трат. Авторы рекомендуют адаптировать показанный в статье подход, разработать прототип системы, поработать с ним, и отточить модель до момента использования таблицы в коммерческих целях.
——
Thomas M. Losordo, Alexander O. Hobbs. Using computer spreadsheets for water flow and biofilter sizing in recirculating aquaculture production systems. Aquacultural Engineering, 23 : 95–102. 2000