Окислительная способность загрузки.

Отслеживая ситуацию с ценами на различные загрузки для биофильтров, можно четко увидеть тенденцию постепенного наращивания производителем удельной площади своих изделий. Вернее, производитель указывает какие-то данные, которые клиент не может проверить, и которые являются полуправдой о качестве биозагрузки.

Если бы эффективность работы биофильтра (далее – БФ) была завязана исключительно на удельную площадь поверхности субстрата, самой востребованной загрузкой стал бы простой активированный уголь. Специальные сорта этого абсорбента имеют удельную площадь 800-1000 м2 в грамме. Сравните это с 750 м2 в кубометре датской пластиковой гранулы RK Bioelements. Соответственно 1 кг активированного угля теоретически мог бы заменить БФ на 1000 м3 биозагрузки. К сожалению, некоторые физические законы нашей Вселенной не позволяют этому произойти и о них мы поведём речь далее.

У квадратного метра удельной площади биологической загрузки есть ключевая характеристика, о которой недобросовестные продавцы в лучшем случае умалчивают, в худшем – не знают – это скорость окисления общего аммонийного азота за сутки. В описании качественной биозагрузки её указывают через такую размерность – гtan/м2/сутки (gtan/m2/day).

Если удельная площадь поверхности зависит только от объёма и количества внутренних полостей или коэффициента пустотности загрузки, окислительная способность имеет связь с большим числом ограничивающих факторов.

На первом месте – способность загрузки самоочищаться. Чем легче и быстрее удаляется старая биоплёнка, тем больше грамм TAN окислит квадратный метр площади в день. У пластиковых гранул этот параметр зависит от доступности её полостей для промывки водой. Для биоблоков и ершей он ограничивается гидравлической нагрузкой на фильтр и равномерным распределением потока воды по перфорированной пластине или через форсунки. Песок самоочищается правильно сформированным потоком внутри сосуда БФ.

Второй важный фактор для быстрого окисления – снабжения биоплёнки кислородом. Это так же зависит от доступности полостей для омывания и от гидравлической нагрузки на БФ. Не стоит забывать, что на входе БФ должно быть растворено 4 мг О2 на литр воды или больше, а на выходе – не менее 2 мг/л.

Возвращаясь к рассмотрению активированного угля как биозагрузки. Он не будет работать в этом качестве из-за того, что не может быть выполнено главное условие – самоочистка загрузки. Полости угольных гранул забиваются мертвыми бактериями и просто становятся недоступными для промывания. Если же гранулы активированного угля поместить в водовоздушную смесь – они просто разрушаться под действием кинетических ударов от пузырьков воздуха и соударений со стенками и дном сосуда БФ.

Окислительная способной так же зависит от гидрохимических параметров воды. На первом месте стоит концентрация TAN на литр воды. Дело в том, что чем выше концентрация общего аммонийного азота в воде, тем он доступнее для усвоения микроорганизмами – нитрификаторами, гетеротрофами и археями. Например, при концентрации TAN 2 мг/л (предел для содержания осетровых или лососёвых в УЗВ), скорость окисления гранулы при 20 °C будет около 0.8-1 гtan/м2/сутки. Если же повысить TAN до 8 мг/л (предел для клариевого сома), скорость окисления может возрасти до 2.5-3 гtan/м2/сутки .

Другие гидрохимические параметры, влияющие на окисление – это pH и щелочность.

Постоянное продуцирование CO2 в УЗВ подкисляет воду и поэтому pH в системе стремится в кислую сторону. Это может быть скомпенсировано, если вода подсвежки является щелочной либо добавлением в систему щелочи. Оптимальный уровень кислотности для развития биоплёнки находится в довольно широком диапазоне от 5 до 9 pH.

Величина связанная с pH – щелочность. Щелочность – это свойство воды связывать кислоты или же, другими словами, подразумевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов (ОН) и анионов слабых кислот (карбонатов, гидрокарбонатов, силикатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов), которые в свою очередь, гидролизуясь, образуют гидроксильные ионы. Для примера того, как щелочность влияет на скорость окисления –  355 грамм щелочности в эквиваленте CaCO3 потребляется БФ при окислении 1 кг корма с протеином 35%. При этом на образование клеточной массы из 355 грамм уходит только 6%. Остальная щелочность конвертируется в углерод и становится углекислым газом, который закисляет воду и угнетает работу БФ.

Температура влияет на скорость окисления двумя путями.

Первый – чем ниже температура, тем больше кислорода растворяется в воде и тем он доступнее для микроорганизмов.

Второй – чем выше температура, тем быстрее происходит метаболизм у бактерий – скорость окисления от этого возрастает, но здесь существует предел. При достижении 40-42 °C белки микроорганизмов начинаю денатурировать (сворачиваться) и БФ просто прекращает работать. Некоторые источники утверждают, что 28 °C являются наиболее комфортной температурой для организмов, осуществляющих биофильтрацию. Другие же декларируют 36 °C, как оптимальный параметр. Возможно, микробиом БФ через какое-то время может приспособится к любой температуре в пределах 0-40 °C.

Как уже было упомянуто, рядовой рыбовод не может сосчитать квадратные метры удельной площади в кубометре биозагрузки. Для этого необходимы навыки и специализированное оборудование, которое вряд ли найдётся на рыбной хозяйстве. Поэтому даже если производитель указывает окислительную способность квадратного метра своего изделия, всегда неизвестно точное количество этих метров в кубометре загрузки.

В начале 2000-х годов Майклом Тиммонсом был предложен простой и понятный подход в описании биозагрузки. Он состоит в том, что вместо окислительной способности квадратного метра изучается окислительная способность единицы объёма биозагрузки – литра или кубического метра. Тогда размерность гtan/м2/сутки (gtan/m2/day) при выборе биозагрузки меняется на гtan/м3/сутки (gtan/m3/day). Объём биозагрузки легко находится любой мерной ёмкостью и отпадает необходимость при расчёте БФ каждый раз перемножать скорость окисления на квадраты и потом полученное значение перемножать на кубы биозагрузки. Пример, как это выглядит на практике – сравним некоторые данные по квадратным метрам разных биозагрузок:

Тип биозагрузки Удельная площадь поверхности м2/м3
Гравий 5 мм 100
Керамзит 5 мм 250
Биоблок 300 300
Гранула RK Bioelements 750
BioChip 5500
Песок D10 ~0.8 мм >5000
Песок D10 <0.1 мм ~40 000

Цифры у песка и биочипов выглядят довольно впечатляюще, но они абсолютно бесполезны до тех пор, пока будет не введена другая важная переменная – скорость окисления TAN на квадратном метре субстрата биозагрузки:

Тип биозагрузки Удельная площадь поверхности м2/м3 Скорость окисления гtan/м2/сутки Скорость окисления гtan/м3/сутки
Гравий 5 мм 100 0,5* 50
Керамзит 5 мм 250 0,5 125
Биоблок 300 300 1 300
Гранула RK Bioelements 750 0,8 600
BioChip* 5 500 нет данных** нет данных
Песок D10 ~0.6-0.8 мм ~5 000 0,2*** 1000
Песок D10 ~0.17-0.25 мм ~11 500 0,06**** 690

* – скорость окисления приведена для температур 20 °С, если не указанно другое.

** – производитель не предоставляет данные, так как отсутствует практика применения биочипов в промышленных УЗВ-системах.

*** – при работе в воде выше 22 °C.

**** – при работе в воде ниже 16 °C.

Из второй таблицы становится очевидным, что у субстратов с большой площадью скорость окисления не возрастает выше 600-1000 гtan/м3/сутки, как бы высоко не была задрана планка с квадратными метрами. Разница в площади между гранулой RK и крупным песком D10 0.6-0.8 мм является шестикратной. При этом по скорости окисления они различаются всего в два раза в пользу песка. У этого феномена две причины. Первая – гранула лучше самоочищается, так как её полости специально сформированы для вымывания из них загрязнений водой. Песок же имеет другой принцип самоочистки – абразивное трение, которое снижается за счёт скользкой биоплёнки. Вторая – бактерии в БФ типа MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) могут забирать кислород из водовоздушной смеси при его дефиците в поступающей воде, что облегчает окисление. Бактерии на песке лишены данной возможности в принципе – песочную постель нельзя аэрировать, иначе будет вынос флокул с песком из сосуда фильтра.

Может показаться, что окислительная способность орошаемого биоблока – 1 гtan/м2/сутки – может быть экстраполирована на любую загрузку в орошаемом БФ, но это не так. Данная скорость окисления достигается за счёт двух факторов – снабжения бактерий в биоплёнках биоблока напрямую кислородом из воздуха и правильно подобранных потоков воды, которые удаляют старую биоплёнку. Если начать наращивать материал субстрата в орошаемом БФ, редуцируя долю пустот – снизится газообмен и расход воды через биоблоки и скорость окисления так же останется на прежнем уровне или упадёт.

Выбирая биозагрузку обязательно запрашивайте у продавца данные о её производительности в зависимости от гидрохимии воды. Если продавец не предоставляет такие данные – его изделие не является биозагрузкой.