Целью данного обзора является представление читателю плана, согласно которому он сможет самостоятельно сориентироваться при проектировании замкнутых систем водоснабжения. Особое внимание стоит обратить на мелкие компоненты, на то, каким образом они соединяются друг с другом, учитывая, что это не просто сумма элементов. Хотя обычно дорогостоящие компоненты являются наиболее эффективными, не исключается множество решений по проектированию «операционной единицы». Некоторые из них работают лучше при больших объемах производства, другие при малых, хотя и применимы в любой системе. Выбор всегда остается за владельцем и зависит от инженерного расчета, доступных деталей и географического местонахождения. Не следует забывать ещё одно правило: «все гениальное просто». В слишком запутанных сложных системах могут наблюдаться большие потери рыбы.

Инженеры любят делить сложную систему на мелкие детали, типовые процессы, связанные с осуществлением одного этапа обработки. В свою очередь, они также могут состоять из отдельных систем.

Из центрального резервуара с рыбой вода устремляется в систему, которая удаляет осаждаемые и взвешенные, тонкодисперсные и растворенные частицы, переводит аммоний в нитрат, удаляет углекислый газ и вводит кислород, проводит дезинфекцию воды. Все эти процессы находятся под контролем центральной системы управления, которая проводит непрерывный мониторинг качества воды и в случае его выхода за оптимальные рамки сообщает оператору. Наконец, в целях предотвращения внесения заболеваний извне должны проводиться профилактические мероприятия.

В функционирующих установках индивидуальные типовые акты обычно связаны друг с другом, так как вода последовательно проходит через каждый из них (циркуляция). Как правило, 5-10% воды из емкости культиватора выходит через ту часть центрального дренажа, которая выступает местом отложения осадка. Некоторые формы осаждаемых частиц удаляются в ходе предварительной обработки потока с помощью специального оборудования (отстойник, центробежный сепаратор), через выходной патрубок которых затем выходит 90-95% воды. Оставшиеся взвешенные частицы фильтруются вращающимися барабанными микроситами. После механической очистки вода поступает в биофильтр, состоящий из колонок для капельной фильтрации, шарикового фильтра, песчаного фильтра, и/или биореактора с подвижным слоем наполнителя, где аммоний с помощью бактерий превращается в нитрат. При высокой плотности посадки отгонные колонны удаляют избыток углекислого газа и насыщают воду кислородом. Наконец, производится сверхнасыщение воды чистым кислородом с помощью оборудования для оксигенации. В некоторых случаях монтируется модуль для дезинфекции, в который входит УФ-стерилизатор и озонатор.

Преимущества установок замкнутого водоснабжения:

1. Минимизация использования воды извне. В данный пункт входит контроль температуры (в некоторых хозяйствах нагрев воды может стать проблемой); снижение потребности в воде; снижение загрязнения воды, выпускаемой из системы (отходы концентрируются в малом объеме);

2. Возрастание биологической безопасности. УЗВ базируется на запасах водных ресурсов с минимальным содержанием патогенных организмов; снижение поступления воды извне удешевляет дезинфекцию; снижение потока на выходе облегчает проверку и предотвращение ухода рыбы; появляется возможность вести хозяйство вдали от регионов, изобилующих инфекциями.

Емкость для культивирования

Практически любая герметичная емкость достаточного объема, от бассейна для плавания до бетонных конструкций, может использоваться в рыбоводстве. Подробнее о цилиндрических бассейнах и особенностях их очистки написано в статье.

Полиэтиленовые резервуары

Во многих хозяйствах применяются простые, дешевые и долговечные (до 25 лет) полиэтиленовые емкости. Гладкая поверхность облегчает их очистку, а малый вес – переноску и установку. Они пригодны в большинстве случаев, но, вследствие высокой мягкости и податливости, нуждаются в опоре для дна. Другой проблемой является создание водонепроницаемых соединений через боковую стенку или дно.

Стекловолоконные резервуары

Одно из основных преимуществ стекловолоконных емкостей заключается в разнообразии материалов, форм, размеров, которые они могут принимать. Емкость представляет собой множество боковых панелей, скрепленных вместе, и донную часть из одного большого листа. Гладкие стены делают емкость очень удобной в эксплуатации, однако, когда она начинает течь, это настоящая катастрофа. Справа изображен традиционный стекловолоконный резервуар, устанавливаемый на монолитном, жестком бетонном фундаменте, который используется для выращивания рыбы на открытом воздухе.

Стекловолоконные емкости могут иметь практически любую форму и размеры. Материал, из которого они изготовлены, невероятно гибкий, легко режется, сверлится и соединяется в единую конструкцию. Ремонт повреждений или последующая модификация также относительно легко реализуются.

Крупные резервуары легко транспортировать по частям, которые затем собираются на месте.

Фанерные/деревянные резервуары

Простым и недорогим решениям является использование фанерных панелей для изготовления бассейна. Этот метод практикуется на Гавайях, где деревянные панели скрепляют кругом, а затем внутрь помещают герметичный ПВХ-вкладыш от плавательного бассейна синего цвета, либо более дорогой промышленный из черной пленки. Дно емкости засыпается несколькими сантиметрами песка, а центральная сливная линия захоронена до выходной трубы.

Очень длинный, низкий канал можно сделать из фанерных панелей, закопанных в землю, и вкладыша. На иллюстрации изображен тепличный канал для выращивания теляпии, имеющий 5 метров в ширину и 18 метров в длину.

Стальные резервуары

Для возведения более монументальных резервуаров подойдут листы из оцинкованной или покрытой эпоксидной смолой стали, соединенных болтами. Данный материал позволяет соорудить емкость 32 метра диаметром и высотой 4 метра. Дно обычно представляет собой пористый бетонный дренаж с обогревательным змеевиком, в который встраиваются панели. В целях сохранения тепла и облегчения наблюдения за рыбой резервуар вкапывается в землю.

В качестве варианта металлической конструкции можно привести резервуары из гофрированных алюминиевых и стальных панелей с прокладочным материалом.

Бетонные бассейны и каналы

На иллюстрации слева представлены бетонные бассейны и каналы

На протяжении нескольких лет бетонные пруды используются для выращивания рыбы. Они прекрасно подходят для этих целей, однако перед постройкой необходимо все тщательно спланировать, в противном случае, изменить их форму или расположение будет уже невозможно.

Удаление осаждаемых частиц

Эмпирическое правило: 1 кг корма = 0,3 кг твердых частиц в осадке

Очень важно удалять твердые частицы из УЗВ, так быстро, как это возможно, без лишнего взмучивания. Если оставить осадок в емкости, он начнет разлагаться, что осложнит его удаление и вызовет порчу воды. Значительная часть осаждаемых частиц фильтруется двойной дренажной системой, расположенной на дне в центре емкости культиватора. Данный дренаж работает по принципу центробежного сепаратора и эффективно отделяет не съеденные остатки корма и фекалии. Загрязненный поток воды поступает в отстойник, либо дополнительный гидроциклон. Необходимо создать маленький водный поток через дренаж с высокой концентрацией загрязнений, который можно легко очистить, чем толстую струю с низким содержанием отходов.

На иллюстрации слева изображен донный и боковой дренажи.

Двойная дренажная система использует центральный дренаж на дне, через который проходит 5-20% водного потока, либо высоко расположенный боковой дренаж. Донный сепаратор, представленный на иллюстрации, состоит из мелких отверстий по периметру, в которые затягивается грязь, и большое центральное отверстие по центру, служащее для выхода основного потока относительно чистой воды. Другой способ предусматривает расположение дренажа сбоку. При этом он имеет решетку, препятствующую проникновению рыб, и стояк для контроля водного потока. Боковой дренаж также используется для вылова рыбы.

Отстойник

На иллюстрации слева изображен отстойник.

Отстойники заслужили плохую репутацию, что, по большей части, вызвано их неправильной конструкцией и обслуживанием. Непосредственно из дренажной системы вода поступает в конусообразный отстойник, где в основании конуса происходит осаждение частиц. Затем уровень воды медленно поднимается, без лишнего взмучивания, до водослива. Отстойник легко очищается, спуском воды через его нижнюю часть.

Центробежный сепаратор

Вихревой сепаратор работает по принципу «чайной чашки», когда твердые частицы при вращении воды смещаются центробежной силой на периферию. Эта особенность делает его очень эффективным для удаления крупных, легко осаждаемых частиц. Сепаратор может быть изготовлен практически для емкости любого объема. Если его сделать из прозрачного материала, то можно будет определять количество не съеденного корма и, таким образом, контролировать насыщение рыб.

О сравнении эффективности гидроциклона и отстойника радиального типа в статье.

Удаление взвешенных частиц

Взвесью считается все, что не оседает в течение 30-60 минут. В связи с этим, очистка от неё затруднена и требует механической фильтрации. Чаще всего используются сетчатые, герметичные шариковые либо, если необходима очень чистая вода, то песчаные фильтры.

Барабанные микросетчатые фильтры бывают разных размеров в соответствии с производительностью. Их основным преимуществом является простота установки и эксплуатации.

Практически все микросетчатые аппараты функционируют на принципе захвата частиц сеткой и их удаления. Вода или обрабатываемый поток жидкости подается на внутреннюю часть барабана. Под воздействием сил гравитации вода проходит через фильтровальный экран барабана. Разница уровней воды внутри/снаружи барабана обеспечивает процесс фильтрации. Твердые частицы оседают на стенках фильтровального экрана и поднимаются путем вращения барабана к месту промывки. Вращение может быть прерывистым или постоянным, в зависимости от типа регулирования. Вода из промывочных форсунок под давлением попадает на внешнюю сторону экрана. Весь загрязняющий материал вымывается и попадает на шламовый поддон. Из шламового поддона он вымывается наружу водой под действием сил гравитации.

Горизонтальный сетчатый фильтр включается непосредственно фильтрующий экран и подвижную планку для разбрызгивания воды. Обычно применяется в пищевой промышленности.

Наконец, существуют аппараты с наклоненным экраном. Поток воды проходит через донную часть, тогда как твердые частицы задерживаются в фильтре.

Шариковый фильтр повышенного давления очень популярен для очистки воды от взвеси и токсичных продуктов азотного цикла.

Чрезвычайно высокое качество очистки обеспечивают песчаные фильтры повышенного давления. Их основной недостаток заключается в большом расходе промывочной воды и потере давления при прохождении воды через фильтр.

Тонкодисперсная очистка и фильтрация растворенных веществ

Чрезвычайно мелкие частицы и органический остаток очень тяжело удалить с помощью механической фильтрации. На практике этого удается достичь с использованием пенного фракционирования или протеинового скиммера. Их работа основана на принципе флотации. Флотация представляет собой процесс, при котором происходит разделении мелких твердых частиц на основе различия их смачиваемости водой. Способность жидкости смачивать частицы зависит от её поверхностного натяжения на границе пузырьков воздуха, а также от электростатических сил притяжения твердых частиц и молекул воды. В скиммере через ток воды в вертикальной колонне происходит подача пузырьков воздуха, которые поднимаются вверх и увлекают за собой мелкие частицы, жиры, масла, белки. Часто вместо воздуха пускают озон, который дополнительно проводит дезинфекцию воды.

Удаление отходов

Одной из наиболее современных технологий хранения отходов является использование мешков из геотекстиля. Их пористая поверхность позволяет сдерживать твердые частицы, но пропускать воду. Во многих случаях, для улучшения разделения осадка и воды дополнительно вводится флокуливующий агент. Также вносятся квасцы для коагуляции, которые отделяют растворенный фосфор.

Вакуумный ассенизатор

Простейшим способом утилизации отходов является использование их в качестве почвенных удобрений. В данном случае может возникнуть проблема, когда почва покрыта снегом или недостаточно сухая для тяжелой техники. Таким образом, все равно требуется хранилище, вместимости которого достаточно для отходов, образующихся в течение 9 месяцев.

Отстойники для отходов

Часто используются анаэробные и аэробные отстойники.

Компостная яма

Компостирование является прекрасной альтернативой,когда создается большое количество удобрения.

Биофильтрация/нитрификация

Биофильтрация включает два процесса, в результате которых потенциально опасный аммоний переводится полезными бактериями в относительно безопасный нитрат.

Окисляющие аммоний бактерии переводят его в нитрит:

2NH₄⁺ + OH^— + 3O₂ => 2H⁺ +2NO₂^— + 4H₂O

Окисляющие нитрит бактерии переводят его в нитрат:

2NO₂^— + O₂ => 2NO₃^—

В качестве эмпирического правила можно принять, что из 1 кг корма получается 0,03 кг аммония. В результате его переработки продуцируется нитрат, который обычно не представляет проблем. Однако образуется большое количество углекислого газа. Кроме того, при переработке 1 г аммония биофильтр продуцирует 4,42 г нитрата, 5,93 г углекислого газа и потребляет почти 4,34 г или более кислорода и 7,14 г щелочей.

Существует множество разновидностей биофильтров. В их основе заложен принцип, согласно которому, необходимо создать максимальную площадь для роста полезных бактерий. Бактериям практически вся равно, что представляет из себя субстрат, поэтому его выбор очень разнообразен.

Биофильтр с гравием не функционален. Он работает недолго, потому что бактериальная пленка быстро нарастает, и её невозможно очистить. Гравий слишком тяжелый для работы с ним.

Решением данной проблемы является использование более легкого наполнителя, например, пластиковых биошариков. Хотя это делает конструкцию легче, это не решает ряд других проблем, таких как загрязнение и очистка. В погруженном фильтре быстро образуется анаэробная среда, когда поток останавливается, и прекращает поступать кислород, необходимый полезным бактериям.

Вероятно, более ценным покажется конструкция фильтра с поролоном в качестве наполнителя. Тем не менее, они быстро забиваются и в отличие от своих менее масштабных аквариумных копий чрезвычайно тяжело моются. Сложность очистки связана с тем, что загрязненные модули весят «тонну».

Классические капельный башенный биофильтр

Капельный фильтр является классическим типом биологических фильтров, совмещающих биологическую очистку, аэрацию и дегазацию в одном типовом процессе. Водные каскады орошают субстрат, на котором развиваются бактерии, при этом происходит диффузия кислорода и удаление углекислого газа. Колонны могут иметь диаметр от 3,5 см и более.

Капельная колонна и разбрызгивающая планка

Капельная колонна может не выглядеть как колонна. На иллюстрации сверху капельный фильтр вкопан вместе с водопропускной трубой ниже уровня воды. В последнем случае она называется капельным сампом. Важно отметить, что эффективнее работают системы, в которых разбрызгивание происходит по всей поверхности субстрата.

На иллюстрации справа вкопанный в землю башенный орошаемый фильтр (1,2) и уменьшенная модель капельного фильтра (3,4).

Уменьшенные версии

Уменьшенные копии капельных фильтров обычно выполнены из полиэтиленовых бочек. Коричневый цвет наполнителя свидетельствует о хорошем росте полезных бактерий.

Барабанный биологический фильтр

На иллюстрации слева барабанные фильтр с двигателем (1,2) и без него (3.4).

Данный аппарат состоит из вращающегося барабана, наполовину погруженного в воду, который выступает субстратом для бактерий. Подобно капельному фильтру, здесь также присутствует аэрация и дегазация. Представленные на иллюстрации, барабанные фильтры, в действительности, обладают положительной плавучестью и вращаются за счет пузырьков воздуха или тока воды от помпы.

Основной проблемой барабанных механических фильтров, собственно, и является наличие двигателя. При этом нельзя недооценивать огромную массу бактериальной пленки и агрессивную водную среду, влияющую на механику работы фильтра. Одним из наиболее распространенных решений этой проблемы стало создание плавучего барабана без двигателя.

Справа представлена схема работы биологического фильтра с пропеллерной прочисткой. На рисунке фильтр находится в режиме фильтрации. Во время промывки включается пропеллер, который взмучивает грязь в наполнителе, и грязная вода уходит в канализацию. Осадок удаляется через донный дренаж.

Промываемый с помощью пропеллера биологический фильтр включает герметичную емкость с шариками наполнителями, которые являются субстратом для бактерий, а также выполняют механическую фильтрацию.

Существуют модели, в которых обратная промывка шариков осуществляется не с помощью пропеллера, а с помощью восходящих пузырьков воздуха. Взвесь проходит через узкий перешеек аппарата и скапливается в его верхней части.

В качестве примера такого фильтра можно привести аппараты Polygeyser®, предназначенные для биологической фильтрации и очистки воды от тонкодисперсных взвешенных частиц в едином цикле. Механическая очистка осуществляется, благодаря прохождению воды вверх через матрицу шарикового наполнителя. Стандартный 1/8 дюймовый шариковый наполнитель и New Nitrotech™ Media захватывают 100% частиц диаметром 50 мкм и до 45% частиц диаметром 5-49 мкм. Биологическая фильтрация осуществляется нитрифицирующими бактериям, которые нарастают на поверхности шариков (активная площадь — 120 м²/м³). Каждая промывка воздушным потоком обеспечивает удаление излишек отложений на тонкой бактериальной пленке. Кроме того, прочистка способствует обогащению биологического фильтра кислородом, ключевым компонентом нитрификации [www.ornamentalpondfish.com/equip_polygeyser.html].

Фильтры с псевдоожиженным слоем (узнать подробнее)

Данные аппараты обычно используются для обработки больших объемов воды, при этом псевдоожиженный песчаный слой обеспечивает высокую площадь для развития бактерий в небольшом пространстве. Название «псевдоожиженный слой» получено, вследствие того, что песок поднимается потоками воды и становится взвешенным.

Фильтр с микрошариками и нисходящим потоком

Относительно новая конструкция фильтра использует в качестве наполнителя очень маленькие пластиковые шарики, которые плавают в камере, когда через них проходит ток воды. Высокая активная площадь, низкие потери тепла и небольшие размеры делают данный аппарат конкурентом песочному фильтру с псевдоожиженным слоем.

Фильтр с подвижным слоем

Наполнитель находится во взвешенном состоянии, когда вода походит через биофильтр. При этом фильтр активно аэрируется. Сильное перемешивание и аэрация обеспечивают хороший контакт загрязненных частиц с наполнителем.

Аэрация/Оксигенация

Потребление кислорода рыбами составляет 0,25 кг на каждый килограмм корма и выше. Потребление кислорода биофильтром достигает 0,40 кг на килограмм корма и может быть выше при высокой плотности гетеротрофных бактерий. Таким образом, общий расход кислорода варьирует от 0,65 до 1 кг на 1 кг корма.

Источники кислорода – Регенеративная воздуходувка (вакуумный насос)

Наиболее распространенным источником воздуха являются регенеративные воздуходувки (вакуумный насос). Они относительно тихие и надежные в эксплуатации.

При плотности посадки менее 30 г рыбы на 1 литр воды требуются распылители, механические мешалки или компактные аэрационные колонны.

Для аэрации и перемешивания можно использовать эрлифт.

Аэрационные колонны очень похожи на капельный биофильтр. Принцип работы заключается в прохождении водой очень тонкого пористого слоя, позволяющего газам диффундировать, кислороду в воду, а углекислому газу и азоту в среду.

Баллоны со сжатым воздухом, жидкий кислород, оксигенерация на месте

При высокой плотности посадки, для обеспечения потребностей рыб и биофильтра, необходима подача чистого кислорода. Существует несколько источников, среди которых один будет соответствовать требованиям к количеству кислорода и. в некоторых случаях, условиям размещения. К их числу относится подача воздуха в противоток нисходящему потоку воды, противоточная диффузионная колонна, многостадийный низконапорный оксигенатор.

Для удаленных областей, где необходимо малое количество кислорода, пригодны аппараты для генерации кислорода на месте. Доступно большое количество коммерческих систем для больших и малых объемов производства.

Жидкий кислород является великолепным источником в местах, где имеются его поставщики.

В крайнем случае, используются баллоны со сжатым кислородом. Подача кислорода регулируется электромагнитным клапаном (соленоидом), который при питании электрическим током и открывается в отключенном состоянии.

На иллюстрации слева кислородный конус (simeon-aquabio.ru/oksigenaziya/).

Одним из простейших способов введения кислорода выступает подача воздуха в противоток нисходящему потоку воды. При равной скорости спуска потока и восхождения пузырьков кислорода, последние останавливаются и диффундируют. Скорость воды определяется диаметром труб. Эти аппараты также называются кислородными (оксигенационными) конусами.

Полномасштабные конусы

Кислородные конусы очень эффективны для диффузии кислорода в воду.

Удаление углекислого газа

Как только объемы производства рыбы возрастают, и, соответственно, увеличивается плотность посадки до 130 г рыбы на 1 литр воды, начинает зашкаливать концентрация углекислого газа, приводящая к гибели культивируемого вида. Данный газ чрезвычайно сложно удалить из среды, потому что он очень хорошо растворяется. Для этого специально разработаны компактные противоточные колонны с очень высоким соотношением газа к жидкости.

Дезинфекция

При необходимости можно использовать два способа дезинфекции: УФ-стерилизацию и озонирование.

Системы мониторинга и контроля

Обычно последней устанавливается система мониторинга и контроля, которая определит успех производственного цикла, либо погубит все предприятие. Всего одна ошибка в её работе приведет к гибели целой системы. Рекомендуется непрерывно контролировать основные параметры, такие как уровень воды, температура и давление в системе подачи воздуха. Если у хозяина рыбоводческой фермы хватило средств на покупку кислородной системы, то расход кислорода также следует контролировать. Другие показатели важны, однако их изменение происходит медленно и требует периодической проверки (два раза в неделю, еженедельно). Сигнал тревоги и сообщения должны передаваться через громкую связь обслуживающему персоналу.

Лаборатория контроля качества воды

Для того, чтобы регулярно проверять такие параметры, как уровень аммония, нитрита, нитрата и так далее, необходима лаборатория качества воды. Она должна находиться в отдельном помещении и иметь все необходимые химические реактивы и оборудование.

Биобезопасность

Посещение рыбоводческого хозяйства обязательно сопровождается сменой обуви, одежды, мытьем рук.
Обязательно ведение стандартного протокола операций и протокола чрезвычайных ситуаций.

Все вышеописанные типовые акты следует принимать во внимание при проектировании системы замкнутого водоснабжения. При посещении хозяйства необходимо попытаться идентифицировать каждый типовой акт, отметить связь оборудования друг с другом.

——

James M. Ebeling, Ph.D. Overview of Systems Engineering. Research Engineer Aquaculture Systems Technologies, LLC New Orleans, LA

www.ukkrazykoi.com/viewtopic.php?f=23&t=293

users.vcnet.com/rrenshaw/BubbleBead.html