Удаление взвесей в УЗВ: отстойники, сита, гранульные фильтры и флотация

Классы взвесей в УЗВ, принцип работы отстойников, вихревых и радиальных сепараторов, микросит, гранульных фильтров и флотаторов, и почему осветление идёт перед биофильтром.

Осветление — один из пяти базовых процессов установки замкнутого водоснабжения (УЗВ). По данным публикации SRAC 453, около половины съеденного рыбой корма выводится в виде твёрдых частиц, которые быстро распадаются на более мелкие. SRAC 451 поясняет, что при бактериальном разложении фекалии и несъеденный корм потребляют растворённый кислород и выделяют аммиак, поэтому их нужно выводить из системы как можно быстрее.

Классы взвесей

• Оседающие частицы — обычно оседают в стоячей воде в течение часа (SRAC 451); SRAC 453 относит к ним частицы крупнее примерно 100 мкм. Это самый легко удаляемый класс.
• Взвешенные частицы — примерно 1–100 мкм (SRAC 453). Они не оседают ни в бассейне, ни в обычных отстойниках, могут ограничивать количество рыбы в системе и раздражают жабры (SRAC 451).
• Тонкие и коллоидные частицы — коллоиды имеют размер 0,1–1 мкм (SRAC 453). SRAC 451 сообщает, что тонкие взвеси менее 30 мкм могут составлять более половины общего количества взвешенных веществ и увеличивают потребность в кислороде.
• Растворённые вещества — растворённая органика, например белок, повышает потребление кислорода и становится проблемой в системах с очень малым водообменом (SRAC 451).

Органическая часть взвесей, измеряемая как летучие взвешенные вещества (VSS), стимулирует рост бактерий, связанный с ухудшением качества воды и запахом (SRAC 453).

Почему удаление взвесей идёт перед биофильтром

SRAC 453 объясняет, что осветлитель традиционно ставят перед биофильтром, чтобы удалить богатые органикой VSS: это снижает органическую нагрузку и позволяет сформироваться биоплёнке с преобладанием нитрификаторов. Руководство FAO перечисляет преимущества процеживания стока из бассейнов: меньшая органическая нагрузка на биофильтр, более прозрачная вода, лучшая нитрификация благодаря отсутствию заиливания и в целом более стабильная биофильтрация. FAO также советует ставить насосы после механической фильтрации, чтобы взвеси из бассейнов не дробились на более мелкие, трудноулавливаемые частицы.

Гравитационное осаждение

Отстойники используют разницу плотности частиц и воды. SRAC 453 рекомендует минимальную глубину около 1,2 м, время гидравлического пребывания 15–30 минут и для прямоугольных отстойников соотношение длины к ширине от 4:1 до 8:1; время осаждения для конкретного объекта можно оценить тестом в конусе Имгоффа. Отстойники рассчитывают по гидравлической нагрузке на поверхность (площадь относительно расхода), поэтому при высокой рециркуляции нужны большие отапливаемые площади, а тонкие частицы они удаляют плохо. Поэтому они лучше подходят для слабо загруженных систем и очистки сбросной воды, чем для основного рециркуляционного потока. SRAC 451 отмечает, что наклонные трубчатые модули улучшают осаждение, снижая турбулентность и выравнивая поток.

Вихревые сепараторы и радиальные отстойники

В бассейнах с двойным дренажом оседающие частицы концентрируются в небольшом донном потоке и направляются в компактный отстойник. В вихревом сепараторе вода входит в конический корпус по касательной и вращается вокруг центра; улавливание всё равно определяется в основном гравитацией, а фекалии и мелкие частицы корма оседают медленно, поскольку их удельный вес лишь немного выше, чем у воды. В радиальном отстойнике вода подаётся в центральный цилиндр-успокоитель, откуда растекается к периферийным переливным лоткам с постепенно падающей скоростью.

Davidson и Summerfelt (Aquacultural Engineering, 2005) сравнили оба устройства на бассейне Корнелльского типа с двойным дренажом объёмом 150 м³, где 7–8% расхода уходило через донный слив, при гидравлической нагрузке на поверхность 0,0031 м³/с на м². Средняя эффективность удаления взвешенных веществ (TSS) составила 37,1% у вихревого сепаратора и 77,9% у радиального отстойника, причём у отстойника она менее колебалась. На вихревой сепаратор приходилось около 23% массы взвесей, удаляемой за сутки, на радиальный отстойник — около 48%, а барабанное микросито на всём рециркуляционном потоке в обоих вариантах удаляло около 40–45%.

Сетчатые фильтры (микросита)

FAO описывает микросито как практический стандарт для стока из бассейнов, обычно с фильтровальной тканью 40–100 мкм; SRAC 453 называет типичным размер ячеи 20–60 мкм — достаточно, чтобы задержать все оседающие частицы и крупные взвешенные. В вращающемся барабанном микросите вода входит внутрь барабана и проходит через сетчатые панели под действием разницы уровней внутри и снаружи. Задержанные частицы при вращении поднимаются в зону промывки, форсунки снаружи смывают их с панелей в шламовый лоток, и шлам самотёком уходит на внешнюю очистку. Барабанные микросита занимают мало места и работают при очень малом напоре, но ограниченно улавливают тонкие частицы и могут давать значительный объём промывной воды; чтобы удлинить интервалы промывки, применяют бассейны с двойным дренажом, вихревые сепараторы и флотаторы (SRAC 453).

Зернистые и плавающие гранульные фильтры

SRAC 451 называет зернистую загрузку (песок или пластиковые гранулы) наряду с ситами основными механическими средствами против взвешенных частиц. В плавающем гранульном фильтре вода проходит через слой пластиковых гранул толщиной 30–90 см; когда слой забивается, его промывают механически (пропеллером) или пневматически (воздухом), дают взвеси осесть и отбирают концентрированный шлам. SRAC 453 сообщает об улавливании частиц до примерно 30 мкм за один проход и практически полном удалении взвешенных частиц за несколько проходов. Гранульные фильтры также поддерживают нитрификацию и широко применяются там, где вода используется повторно 30–100 суток.

Пенная флотация

Пенная флотация (протеиновое скимирование) — подача пузырьков воздуха в нижнюю часть закрытой водяной колонны; поверхностно-активные вещества и тонкие частицы прилипают к пузырькам и образуют пену, которая отводится в отходы (SRAC 451). Метод удаляет тонкие взвеси и часть растворённой органики, недоступные для осаждения и процеживания. SRAC 453 отмечает, что в морской воде он работает надёжно, а в пресной эффективность часто нестабильна, поскольку поверхностно-активных веществ мало, а рыбий жир в кормах подавляет пенообразование. Руководство FAO добавляет, что озон вызывает флокуляцию микроскопических частиц в более крупные, которые затем улавливаются фильтрами.