Расчет биологических фильтров. Методика Лиао и Майо

Данная методики расчета биологических фильтров раз­работана Лиао и Майо (Liao and Mayo) с использованием результатов работ других исследователей и собственных данных. Метод базируется на небольшом количестве данных, относящихся главным образом к работам с форелью и лососем (холодолюби­вые пресноводные виды), и может иметь лишь ограниченное при­менение.

Имеется ряд уравнений, широко используемых для расчета погружных и капельных нитрифицирующих фильтров для город­ских станций очистки воды. Однако мнения о том, какое из них является наилучшим, расходятся. По­скольку основным назначением биологического (или нитрифици­рующего) фильтра является превращение аммиака в нитрат, важ­ное значение имеет концентрация аммиака в поступающей на фильтрацию воде. Городские стоки характеризуются концентраци­ями аммиака 10 мг на литр воды и выше. Для рыбоводных целей допустимы значительно более низкие концентрации аммиака — 1 мг на литр или менее для лосося и форели, хотя другие виды (например, сомик) могут переносить и более высокие концентра­ции. В литературе не содержится сведений о том, зависит ли ско­рость нитрификации от концентрации аммиака в поступающей на фильтр воде. Есть основания полагать, что эта зависимость про­является при низких концентрациях, но не заметна при более вы­соких.

Параметры биологических фильтров.

На основании работ с форелью иследователи вывели следующую систему:

N_a = 0,0289*F1   (№1)

Nn = 0,024*F1   (№2)

Р = 0,0162*F1   (№3)

SS= 0,52*F1   (№4)

БПК, = 0,60*F1   (№5)

ХПК = 1,89*F1   (№6)

где

N_а — скорость выделения аммиака (NH₄) при температуре 10—15°С, кг/на 100 кг рыбы в сутки;

N_n — скорость образования нитрата (NO₃) при температуре 10—15 °С, кг/на 100 кг рыбы в сутки;

Р — скорость образования фос­фата (Р0₄) при температуре 10—15 °С, кг/на 100 кг рыбы в сутки;

SS — скорость образования взвешенного твердого вещества при температуре 10— 15 °С, кг взвешенного вещества/ на 100 кг рыбы в сутки;

БПК— биохимическое потребление кислорода при температуре 10—15 °С, кг БПК/ на 100 кг рыбы, в сутки;

ХПК— химическое потребление кислорода при температуре 10—15°С„. кг ХПК/ на 100 кг рыбы в сутки;

F₁ — интенсивность кормления, кг корма / на 100 кг рыбы в сутки.

Хотя согласно соотношениям (№1) — (№6) при нулевой ин­тенсивности кормления продукты обмена не образуются, это не так, поскольку продукты обмена являются результатом катабо­лизма тканей тела. Следовательно, эти уравнения неприменимы при низкой интенсивности кормления, когда рыбы начинают фак­тически голодать. Во всяком случае в промышленном рыбоводст­ве такой низкой интенсивности кормления быть не должно.

Уравнения (№1-№6) дают оценку скорости образования продуктов обмена для форели в системах с рециркуляцией до 90 % воды. Они были выведены в результате работ по выращива­нию форели при температуре 10—15 °С и плотности посадки до 28,4 кг на 1 м3 воды в бассейне, не считая воду в других частях системы. Лиао и Майо не претендуют на достоверность этих уравнений для других условий.

Вторым важным параметром, который необходим при расчете фильтра, является интенсивность потребления кислорода рыбой. Для вычисле­ния интенсивности потребления кислорода лососевыми существует следующее уравнение:

Q_с =К₂*T^a*W^b (№7)

тде Q_с — интенсивность потребления кислорода, фунты O₂ / на 100 фунтов рыбы в сутки; К₂ — постоянная скорости; T — температура, °F; а, b — наклоны кри­вых; W — вес рыбы, фунт.

Постоянные К₂, а и b приведены в таблице 1. Следует отме­тить, что они действительны только для лосося и форели. Вели­чины, входящие в уравнение (№7), выражены в фунтах, таккак имеющихся данных недостаточно для пересчета постоянных в единицы международной системы СИ.

Таблица 1. Значения коэффициентов K2, a, b из уравнения (№7)

Концентрацию растворенного кислорода в воде, поступающей в систему аквакультуры, можно рассчитать по следующему урав­нению:

C_i=(132*S/T^0,625)*(760/(760+E_i/32,8))  (№8)

тде С_i — концентрация кислорода при температуре воды T (в °F) и высоте над уровнем моря E_i (в футах), мг/л; S — коэффициент насыщения, обычно он не превышает 0,95.

Пропускная способность системы:

L_c=0,14*(C_e-C_m)/O_c  (№9)

где L_c — пропускная способность, кг рыбы/(л*мин); С_е — концентрация раство­ренного кислорода при температуре Т и высоте над уровнем моря Е₁ мг/л; С_m— минимальная допустимая концентрация кислорода в пруду, мг/л; О_с — интенсивность потребления кислорода, кг О₂ на 100 кг рыбы.

Выражение для расчета пропуск­ной способности системы, основанное на длине и весе рыбы.

Выражение для расчета пропуск­ной способности системы, основанное на длине и весе рыбы:

L₀=21,2*W/L*I (№10)

где L₀ — плотность посадки; L — длина рыбы, см; I— расход, л/мин; W—задан­ный допустимый вес рыбы, кг.

При расчете плотности посадки учитываются следующие предположения:

• пропускная способность системы ограничена потреблением кислорода и накоплением продуктов обмена;
• коли­чество потребляемого кислорода и количество продуктов обмена пропорциональны количеству потребляемого корма.

Следователь­но, определив плотность посадки для рыб любой длины, можно с помощью уравнения (№10) рассчитать вес рыбы данной длины, который может выдержать система, перестроив уравнение так, чтобы W оказался в левой его части:

W=L₀*L*I/21,2   (№11)

Уравнение (№10) применимо к лососю и форели.

Следует также отметить, что уравнения (№9) - (№11) не учитывают влияния накопления продуктов обмена веществ в замкнутой системе.

Уравнение для определения концентрации продуктов обмена в воде, выходящей из системы с частичной циркуляцией воды, оборудованной био­фильтром.

Уравнение для определения концентрации продуктов обмена в воде, выходящей из системы с частичной циркуляцией воды, оборудованной био­фильтром:

C=1/(1-R+R*E) (№12)

где R — количество циркулируемой воды, %; Е — количество продуктов об­мена, задерживаемых при одном проходе через фильтр, %; С — концентрация продуктов обмена в воде, выходящей из системы, отнесенная к их концентрации в воде, прошедшей через фильтр.

Таким образом, С=1,0 при одном проходе через фильтр. Ре­зультаты решения уравнения для С при различных значениях R для системы без фильтра (т. е. E=0) приведены в таблице 2.

Таблица 2. Концентрация продуктов обмена (С) в системах с частичной рециркуляцией воды без фильтра

Из таблицы видно, что стабилизированная концентрация про­дуктов обмена в системе с рециркуляцией без фильтрации ре­циркулируемой воды логарифмически возрастает с увеличением количества рециркулируемой воды. С увеличением эффективности фильтрации (т. е. количества продуктов обмена, удаляемых при рециркуляции) стабилизированная концентрация снижается.

На­пример, при 100 %-ной рециркуляции и 50 %-ной эффективности фильтра С=2,0. Следовательно, для поддержания заданной кон­центрации продукта обмена (например, аммиака) эффективность фильтрации должна возрастать с увеличением количества рецир­кулируемой воды!!!

Зависимость количества об­разующегося аммиака от потребления кислорода.

Зависимость количества об­разующегося аммиака N_a от потребления кислорода О_с:

Na = 0,0071 + 0,0455*О_с;                         (№13)

N'_a = — 0,00042 + 0,0545*O'_с,                  (№14)

где N'_a — количество аммиака, выделяющееся при температуре 10—15 °С, кг аммиака (NH+) на 1 кг корма в сутки; О'_c—количество потребляемого кислорода при температуре 10—15°С, кг O₂ на 1 кг корма в сутки.

Уравнения (№13) и (№14) выведены при следующих услови­ях:

• длина форели 7,6—27,9 см;
• температура воды 10—15 °С;
• ско­рость воды 15—30 см/с.

Окисление аммиака в фильтре зависит от:

• содержания органических и питательных ве­ществ,
• гидравлической нагрузки,
• температуры,
• pH,
• концентрации кислорода,
• времени удерживания.

Следовательно, для расчетных целей необходимо установить зависимость между этими перемен­ными.

Ниже приведены зависимости между окислением аммиака и его концентрацией для капельного фильтра и двух восходящих биологически фильтров при разном времени удерживания.

Капельный фильтр

при времени удерживания в среде, равном 0,46 ч,

N_ar = 0,489*A_L        (№15)

при времени удерживания в среде, равном 0,294 ч,

N_ar = 0,258*A_L       (№16)

Восходящий фильтр № 1

при времени удерживания в среде 0,33 ч

N_ar = 0,2533*А_L,     (№17)

при времени удерживания в среде 0,294 ч

N_ar = 0,2227*A_L      (№18)

Восходящий фильтр № 2

при времени удерживания в среде 0,206 ч

N_ar = 0,1811*A_L     (№19)

где N_ar — скорость окисления аммиака в фильтре при указанном времени удер­живания, кг аммиака/(м²*сут)*10^-5; A_L— концентрация аммиака, кг аммиака/(м²*сут)*10^-5.

                            Время удерживания =  [объем среды (м³)]*(доля пор) / [скорость потока (м³/ч)]            (№20)

Доля пустот = (объем пор в фильтрующем слое) / (общий объем фильтрующего слоя)                  (№21)

Уравнения (№15-№19) выведены при следующих усло­виях: температурный диапазон 10—15 °С; гидравлическая нагруз­ка 1,0—1,7 л/с на 1 м² горизонтальной поверхности фильтра; pH 7,5—8,0; наполнитель фильтра — пластмассовые кольца Коха размером 8,75 см.

Кроме того, максимальная концентрация аммиака в воде не должна превышать 97,6*10^-5 кг. При более высоких концентрациях органи­ческие вещества, содержащиеся в воде, снижают нитрификационную способность фильтра.

Эффективность окисления аммиака.

Было показано, что гидравлическая нагрузка в пределах от 1,0 до 1,7 л/с на 1 м² поверхности фильтра не влияет на скорость окисления аммиака в фильтре. Следовательно, основным параметром, влияющим на интенсивность удаления аммиака, является время удерживания. Этого и следовало ожи­дать, так как нитрифицирующие бактерии характеризуются более продолжительным временем генерации по сравнению с большин­ством гетеротрофных бактерий.

Зависимость между интенсивностью окисления аммиака и вре­менем удерживания при разной концентрации аммиака имеет сле­дующий вид:

N_ar = 0,96*A_L*t_m,                                 (№22)

где

• N_ar — скорость окисления аммиака в фильтре при температуре 10—15 °С, кг NH₄/(м²-cyт);
• A_L — концентрация аммиака, кг NH₄/(м²-cyт);
• t_m — время удерживания, ч.

Перестроив уравнение (№22), получим

N_ar/A_L = Е_A = 0,96 t_m,                           (№23)

где Е_A—эффективность окисления аммиака при температуре 10—15°С.

Уравнение (№23) выведено при следующих условиях:

• время удерживания 0,206—0,46 ч;
• гидравлическая нагрузка менее 101 л/(мин*м²);
• температура воды 10—15 °С;
• концентрация ам­миака около 1 мг NH₄/л и менее;
• интенсивность поступления аммиака менее 97,6 кг NH₄/(м²*cyт).

Весьма желательно было бы расширить диапазон температур уравнения (№23). Для этого необходимо установить зависимость между константой скорости нитрификации К и температурой. Это выражение можно было бы подставить в уравнение (№23) вмес­то существующей константы скорости (т. е. 0,96).

Зависимость между скоростью нитрификации и температурой.

Зависимость между скоростью нитрификации и температурой выведена несколькими исследователями. Для описа­ния этой зависимости можно воспользоваться либо уравнением (№24), либо уравнением (№25):

К_т = К₂₀*1,143^(T-20) ;                            (№24)

К_т = 0,18*е^0,12*(T-15),                            (№25)

где К_т — постоянная Скорости нитрификации при температуре Т; К₂₀ — посто­янная скорости нитрификации при температуре 20°С; Т — температура, °С.

Другие исследователи, проводившие эксперименты с погруж­ным фильтром и синтетическими стоками, не содержавшими орга­нических веществ, вывели следующее уравнение, связывающее скорость нитрификации К и температуру (в °С):

K_T = 0,11*T — 0,2                              (№26):

Уравнения (№24) и (№26) постулируют соответственно лога­рифмическое и линейное изменение константы нитрификации Кт в зависимости от температуры. Уравнение (№26) было выведена при работе с синтетическими стоками, не содержавшими органи­ческих примесей, тогда как уравнение (№25) относится к стокам, содержавшим как органические вещества, так и аммиак. В обеих системах содержание аммиака значительно превышало допусти­мое при выращивании лососевых. Так, в последнем случае концентрация аммиака на входе в фильтр сос­тавляла в среднем около 10 мг/л. Поскольку на работу нитрификационного фильтра большое влияние оказывает концентрация аммиака в поступаю­щей воде, приведенные выше уравнения не могут быть непосред­ственно применены к фильтрам систем для разведения лососевых.

Лиао и другие использовали свои данные и температуру (1,67 °С), при которой согласно уравнению (№26) постоянная К_т=0, для выведения уравнения (№27). Таким образом, это уравнение выведено, по существу, на основании двух заданных точек (1,67 °С и 12 °С) с использованием результатов двух раз­ных исследований, а также обнаруженной  линейной зависимости между постоянной нитрификации К_т и температурой [см. уравнение (№26)], что позволяет провести прямую линию между двумя заданными точками.

К_т = 0,0977*T —0,215.                       (№27)

Несмотря на принятые при выведении уравнения (№27) допу­щения, оно, по-видимому, дает более правильную оценку констан­ты— скорости нитрификации, чем уравнения (№24) и (№26), так как оно, по крайней мере частично, опирается на данные, по­лученные при рыбоводных работах и концентрации аммиака, имеющие практическое значение для рыбоводных систем. Однако при расчете постоянной скорости нитрификации для систем, в ко­торых содержатся не лососевые, а другие рыбы, например, сомик-кошка, уравнение (№26) может оказаться более пригодным. Кроме того, уравнение (№26) было выведено на основе данных, полученных при температурах от 5 до 25 °С, а уравнение (№27) — 1,67 и 12 °С.

Выбранную зависимость (№26) или (№27) можно подставить в уравнение (№23) для получения оценки эффективности окисле­ния аммиака нитрифицирующими бактериями фильтра при раз­ных значениях температуры и времени удерживания. Поскольку уравнение (№23) было получено при работе с системами для вы­ращивания лососевых, уравнение (№27) использовано здесь для выведения уравнения (№28). Прямая подстановка уравнения (№23) в уравнение (№27) дает коэффициенты, несколько отли­чающиеся от коэффициентов в уравнении (№28). Разница в коэффициентах является результатом округления или различий в самих исходных данных, вводимых в уравнения.

Е_т = (9,8*Т — 21,7)*t_m            (№28)

где Е_т—нитрификационная способность фильтра, %; t_m — время удержива­ния, ч; Т — температура воды, °С.

Приведенные выше уравнения применимы, по-видимому, к расчету нитрифицирующих фильтров для лососевых, хотя выве­дены они были на основании работ главным образом с форелью. Эта методика расчета основана на данных, полученных многими исследователями, но расчетные уравнения выведены в основном Лиао и Майо. Примерно в это же время Спис раз­работал методику расчета нитрифицирующих фильтров для лосо­севых, особенно форели. Методика Списа опирается на графи­ческое представление данных, что позволяет брать соответствую­щие значения из графиков.

По материалам: Уитон Ф. Техническое обеспечение аквакультуры.

Советуем ознакомиться:

КРУГОВОРОТ АЗОТА В ИСКУССТВЕННОМ ВОДОЁМЕ

Испарение воды