Свойства биозагрузки

Кратко рассмотрим ключевые характеристики биозагрузки для классического погружного биофильтра на псевдосжиженном слое.

Основной и самый популярный характеристика загрузки, это конечно же площадь поверхности.

Синонимы термина: удельная площадь поверхности, площадь поверхности субстрата, площадь заселения.

Важно провести различие между общей площадью поверхности и площадь поверхности, которая доступна в качестве субстрата для биологического роста. Первая характеристика (общая площадь) не несёт никакой полезной информации для рыбовода или инженера, проектирующего биофильтр.

Заблуждением является то, что чем выше этот показатель, тем с большей производительностью будет работать загрузка. С наращиванием площади неуклонно растёт количество пор в субстрате загрузки, а значит размер полостей самих пор должен уменьшаться. Площадь, которая содержится в очень тонких трещинах или порах, не всегда может быть доступна для заселения живыми организмами. При созревании биофильтра биомасса бактерий неуклонно возрастает, и слой бактерий, который охватывает все доступные поверхности, становится толще. Так как организмы внутри слоя могут получать кислород и питательные вещества только путем диффузии, им достаётся всё меньше и меньше пищи и кислорода по мере утолщения слоя биоплёнки. 

Отметим, что термин «защищённая площадь поверхности» используется только в рекламных брошюрах на территории СНГ и не несёт никакой смысловой нагрузки при описании работы биофильтров. В специализированной литературе рассматривается исключительно удельная площадь в единице объёма биозагрузки, которая заселяется микроорганизмами и никакая другая.

В настоящий момент считается, что площадь в 650-900 м2/м3 является оптимальной для гранул биозагрузки.

Коэффициент пустотности – процент свободного пространства или объема в загрузке. 

Синонимы: войд, порозность слоя; пористость.

Войд, выражаясь иначе, пространство, заполняемое воздухом и не занятое самой загрузкой. Доля незанятого объёма варьирует от 15% до 98% в разных видах биозагрузок. Пустоты позволяют свободно и неограниченно проходить потоку воздуха или водовоздушной смеси сквозь слой биозагрузки, принося кислород и питательные вещества и унося углекислый газ и продукты метаболизма микроорганизмов. Современная загрузка для аквакультуры для псевдосжиженного слоя должна иметь 90% или более доли пустот. В рыбоводстве данный параметр обычно не изучается, он важен при проектировании систем очистки канализационного хозяйства.

Вместе с пористостью так же стоит рассмотреть диаметр прохода – наибольшее сквозное отверстие в элементе загрузки. Малоиспользуемый в аквакультуре термин и показатель. Характеризует сопротивление массива загрузки засорению или забиванию пор. Этот параметр очень важен, но трудно поддаётся количественной оценке. Засорение фильтра может произойти в результате механического захвата частиц, роста биомассы и наведение мостовых переходов в матриксе биоплёнки через пространство внутри загрузки. Тенденции к засорению различных загрузок и их требование к очистке можно предсказать при сравнении фракций гранул и их свободных диаметров прохода. Свободный диаметр прохода является более важной из этих двух переменных.

Засорение является очень серьезной проблемой для биофильтров. В лучшем случае это постоянная проблема обслуживания, в худшем – оно полностью останавливает способность фильтра к окислению органики. 

Еще одной причиной засорения, помимо недостаточного диаметра сквозного прохода, является неравномерная плотности загрузки. Если некоторые участки постели лежат плотнее, чем другие, это может привести к частичному или полному загрязнению биозагрузки или сосуда биофильтра. Зоны высокой плотности фильтрующего слоя могут засориться и быть неработающими в то время, как остальная часть постели дрейфует или локализована в области восходящего потока водовоздушной смеси. Это всегда приводит к снижению производительности фильтра.

Некоторые биофильтрационные системы специально предназначены для сбора твердых загрязнений и засорения, но они не относятся к категории псевдосжиженных самоочищающихся биофильтров. Такой фильтр работает до тех пор, пока его производительность не снизится до минимальных уровней окисления, а затем слой биозагрузки и сосуд очищается. Это может привести к циклическим проблемам качества воды с результирующей нагрузкой на рыб. Наилучшее решением является использование консервативного дизайна с загрузкой, которая устойчива к засорению для всего срока эксплуатации фильтра.

Пространство рыбоводной фермы ограничено, и владелец старается выбирать загрузку, которая имеет очень высокую удельную площадь поверхности. В этом случае можно выиграть в объёме для размещения биозагрузки, но надо помнить, что с ростом площади поверхности неизбежно растёт и пористость субстрата и возникает проблема засорения гранул.  В этом случае было бы целесообразно использовать загрузку, которая будет устойчива к загрязнению, по крайней мере какое-то время, которое требуется, чтобы довести урожай до товарного размера. Загрузка должна быть такого типа, который может быть легко удален из сосуда, очищенным и заменен с минимумом усилий и труда.

Другой вариант предполагает использование загрузки, которая может быть удалена секциями. Небольшая часть загрузки может быть удалена и заменена на запасную секцию в то время, как удалённая загрузка очищается. Если удаляется только небольшая часть от общего объёма загрузки, разрушительное воздействие на всю систему будет незначительным. Съемная загрузка также удобна, если кто-то желает очистить и стерилизовать систему между циклами культивирования.

Некоторые пластиковые загрузки восприимчивы к воздействию ультрафиолетового излучения. Незащищенные пластмассы, которые подвергаются воздействию солнечных лучей быстро становятся хрупкими.  Эта проблема полностью предотвратить за счет применения ингибиторов УФ, которые могут быть включены в пластик при изготовлении загрузки для биофильтрации.

Пока биофильтр не потребляют энергию непосредственно, их общий дизайн определяет напором и расходом насоса, необходимым для перемещения воды через сосуд устройства. Для жизни бактерий нужен кислород, перенос которого также требует энергии.  Биофильтры становятся все более изощренными и аквакультура становится все более конкурентной, снижение затрат на энергию будет основным фактором в общей рентабельности производств в ближайшем будущем. Биофильтр, который требует минимума труда и потребления энергии, в конечном итоге станет отраслевым стандартом.

Нитрифицирующие бактерии чувствительны к свету. Загрузка и сосуд фильтра должны быть непрозрачными, и их форма должна препятствовать проникновению света внутрь загрузки.

Для того, чтобы бактерии заселяли и росли на поверхности загрузки, поверхность должна быть смачиваемой или гидрофильной. Восковые, масляные или гладкие поверхности, которые являются гидрофобными или водоотталкивающими не желательны.               

«Идеальная» загрузка обеспечивает лучшее решение для рыбоводных потребностей в биофильтрации, потому что она:

– имеет достаточно площади поверхности за низкую цену;

– малый вес, высокую механическую прочность и способность заполнять любую форму сосуда;

– не требует затрат на техническое обслуживание низкой из – за устойчивости к засорению;

– не требует от насоса сверх- напоров и расходов для её  перемещения.