Системы очистки водного технологического потока в гидротехнических системах марикультуры

СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВОДНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОТОКА В ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ МАРИКУЛЬТУРЫ

Молотков В.Е., Хмельницкий В.К.

Институт проблем морских  технологий Дальневосточного отделения  РАН, Владивосток, Россия

 

Введение.

Качество воды в первую очередь зависит от степени чистоты того источника, из которого она поступает. Чистоту источника сейчас классифицируют по различным критериям, например, в странах Европейского экономического сообщества (ЕЭС) такие критерии устанавливаются специальными директивами. Для каждого класса воды предусмотрены процедуры обработки, включая фильтрацию, коагуляцию, флокуляцию (добавление веществ, для превращения коллоидных частиц в рыхлые хлопьевидные агрегаты), абсорбцию на активированном угле, дезинфекцию и т. д. Требования к качеству воды, потребляемой промышленными предприятиями, в первую очередь зависят от типа производимой продукции. Вода же, используемая в производстве пищевых продуктов должна отвечать как требованиям, которые предъявляются к питьевой воде, так и некоторым дополнительным качествам. Воды, используемые в технологических процессах, анализируются как в ходе производственного цикла, так и по его завершению, чтобы контролировать и оптимизировать производственный процесс. Известно, что в некоторых регионах мира как основной источник для питьевой воды используется морская вода, разумеется, после её очистки. К качеству сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, в том числе море, предъявляются, как правило, требования, установленные для рыбохозяйственных водоёмов, т.е. обеспечивающие жизнедеятельность различных гидробионтов.

Экологическая коррекция  водного потока.

Опыт искусственного культивирования  морских гидробионтов в России, в  частности в дальневосточных  морях, в промышленных масштабах  находится в стадии становления. Индустриализация морской аквакультуры определяет развитие новых инженерно- технических решений для создания заводов, цехов, различных подводных технических систем, искусственных рифов и модульных установок для культивирования биообъектов на берегу и акваториях. Залогом успешного развития хозяйств марикультуры на береговых территориях является правильно организованный баланс между биотической и абиотической нагрузкой на биотехнические системы, обеспечивающие жизнедеятельность культивируемых морских организмов, и экологическое состояние прибрежных акваторий. Индустриализация марикультуры предполагает использование гидротехнических систем полузамкнутого или замкнутого циклов с применением модульных систем коррекции водного технологического потока с заданными параметрами водной среды. Такие системы имеют широкий спектр автоматизированного контроля и управления по экологическим параметрам водного потока (температура, соленость, содержание в воде кислорода, освещенность, скорость водообмена, содержание аммиака, рН и др.), обеспечивающих выращивание гидробионтов по имеющимся биотехнологиям [1,2]. Кроме того, встают проблемы очистки, используемой в гидротехнических установках культивирования гидробионтов, морской воды при заборе и сбросе ее после использования в прибрежные морские экосистемы.

Существуют экстенсивный и интенсивный пути решения этой задачи. Экстенсивный путь предполагает проточность необходимого объема чистой морской воды для культивирования  морских организмов в гидротехнических системах без предварительной водоподготовки. Такой подход самый примитивный и самый не эффективный в реализации, особенно при неблагоприятном экологическом состоянии водных объектов. В Приморском крае нет системы предотвращения загрязнения прибрежных территорий (территорий речных водосборов, береговых водных объектов, морских акваторий). Прибрежные воды залива Петра Великого (Японское море, Амурский и Уссурийский заливы) считаются неблагоприятными по экологической обстановке (загрязнение промышленными и коммунальными стоками, нефтепродуктами и т. д.). В таких условиях выращивание марикультуры на берегу может быть экономически и экологически более выгодным. Интенсивный путь - организация технологического процесса регенерации воды в замкнутом цикле. Обеспечить этот процесс позволяет система фильтрации. Фильтры, наполняющие систему фильтрации, функционально специализированы и в целом в ограниченном объеме позволяют смоделировать преобразования вещества в природе. При этом фильтры автономны как самостоятельные системы (модули) и при необходимости могут быть исключены из общей цепочки регенерации воды или работать без нее. В приближенном виде технология регенерации осуществляется с помощью систем очистки с использованием различной системы фильтрации.

Механическая очистка. Фильтры механической очистки предназначены для удаления взвешенного вещества из воды поданной на фильтрацию. Они используются при заборе воды из акватории в гидротехнические системы марикультуры, расположенные на берегу, реже при очистке водного технологического потока. Извлечение примесей обеспечивается прохождением воды через статичный фильтрующий массив. Эффективность работы таких фильтров задается фракцией фильтрующего материала и скоростью проходящей через тело фильтра воды. Обслуживание таких фильтров сводится к регулярной промывке или смене фильтрующего материала. При определении конфигурации механического фильтра нужно исходить из параметров оседания в его теле отфильтровываемых частиц. Чем мельче поры механического фильтра, тем меньший путь и с большей скоростью в его теле пройдет частица до оседания. Однако уменьшать поры фильтра можно до определенного предела - чем мельче поры, тем большее сопротивление водному потоку они оказывают. Кроме того, фильтр с мелкими порами требует более частого промывания.

Наиболее часто применяются:

1.Сетчатые фильтры.  К ним относятся, наверное, самые  распространенные в практике  синтетические губки и перлоновая  вата. Они сравнительно дешевы  и просты, как в изготовлении, так и в эксплуатации.

2. Гравийно-песчаные фильтры.  Издавна применяются в технологии очистки в биотехнологиях марикультуры. Дешевы и надежны. Простота конструкции позволяет создавать разнообразнейшие конфигурации.

3. Диатомовые фильтры.  Конструкции дорогие, но позволяют  добиться очень высокой степени  механической очистки воды. Фильтрация ведется за счет оседания на всасывающем сетчатом рукаве массы из раковин диатомовых водорослей. Применение возможно в фильтрующих системах инкубационных аппаратов. 

4. Гравитационные фильтры.  Работают на основании того, что  частицы взвешенных примесей имеют большую плотность, нежели вода и под действием гравитационных или центробежных сил отделяются от движущегося водного потока. Используются в аквакультуре крайне редко из-за громоздкости. 

Биологическая очистка. Биологическая фильтрация в практике регенерации воды обычно устанавливается следующей ступенью после механической очистки. Предварительная механическая очистка позволяет удалить из водного потока взвешенное вещество, которое забивает тело биологического фильтра и тем самым препятствует его эффективной работе. Функция биологического фильтра преобразование и вывод из оборота растворенных биологических веществ и продуктов жизнедеятельности культивируемых объектов из технологического потока. Если ступень механической фильтрации предусматривается в гравийно-песчаном исполнении, а биологический фильтр запроектирован на статичную загрузку, как правило, ступени механической и биологической очистки совмещаются, по причине относительно малой механической нагрузки на фильтр. За определяющий здесь берется расчет биологического фильтра.  

Адсорбция. Физико-химическая очистка организуется следующей  ступенью после биологической. После  прохождения тел механического  и биологического фильтров, вода уже  достаточно свободна от многих примесей, которые могли бы довольно быстро заилить адсорбционные материалы и тем самым воспрепятствовать процессу физической очистки. Также на ступень адсорбции возлагается нагрузка вывода из оборота продуктов жизнедеятельности организмов и биофильтра (например: нитратов и аммиака), что является важным в биотехнологическом процессе выращивания морских гидробионтов, особенно в период инкубации икры и выращивания личинок беспозвоночных или рыб.

Используются при адсорбции:

1.Активированный уголь  наиболее распространенный метод адсорбционной очистки воды в практике аквакультуры. Относительно трудно контролировать активное состояние адсорбента, следовательно, приходится производить обслуживание загрузки сорбента, опираясь на косвенные данные.

2.Ионообменные колонны  позволяют достичь очень высокого уровня очистки воды. Просты в изготовлении и эксплуатации.

3.Пеноотделительные колонны.  Растворенное вещество концентрируется  на поверхности пены, образованной  пузырьками воздуха, вдуваемого  в нижнюю часть колонны. Пена  собирается и удаляется. Пенное фракционирование дает хорошие результаты с использованием солоноватых и морских вод для выращивания морских беспозвоночных и рыб в гидротехнических системах.

Замена воды. Замена воды относится  к мероприятиям, обеспечивающим качество воды в гидротехнической системе. Избежать регулярной замены части воды без потери параметров исходно заданных зачастую невозможно. По приведенной причине замену воды следует считать неотъемлемым звеном в технологии регенерации воды в гидротехнических системах культивирования морских организмов. Режим замены воды устанавливается в привязке к биотехнологиям и физиологии выращиваемых видов гидробионтов. Замены могут быть ежедневные от 80 до 100%, а могут быть и более редкие с небольшим процентом подменяемой воды (от10 до30% от общего объема воды в гидротехнической системе). Как вариант замены воды можно рассматривать устройство проточной гидротехнической системы. Здесь необходимо задаться предварительно объемом воды, который желательно сменить (например: 30% за сутки) и, исходя из него, установить величину расхода воды. Конфигурация систем замены (поступление воды из морской акватории) должна включать фильтры первичной водоподготовки, которые входят в единый цикл регенерации воды и сами по себе могут быть автономны, что дает возможность конфигурировать систему водоподготовки произвольно. Каждый из фильтров регенерации воды в биотехнической установке культивирования морских биообъектов с замкнутой циркуляцией имеет собственные допустимые эксплуатационные характеристики, которые можно максимально активизировать, грамотно сконфигурировав систему регенерации водного потока.

В практике использования модульных  систем очистки водного технологического потока воды в установках культивирования  морских организмов с циркуляционным водообеспечением в основном используются три основные схемы.

Последовательная схема. Здесь лимитирующим фактором является биофильтр. Создаются наиболее корректные условия эксплуатации фильтрующих ступеней. Для того чтобы усилить в целом оборотную мощность фильтрации, необходимо наращивать биофильтр. Параллельно-последовательная схема. Позволяет снять проблемы лимитирующего фактора биофильтра и максимально активизировать параметры фильтрующих ступеней системы. 

Параллельная схема. Фильтрующие ступени работают независимо друг от друга, эффективность их работы определяется качеством воды в рабочей емкости культивирования организмов.

Рис. 1. Функциональная схема экологической  очистки водного технологического потока в установках выращивания  морских гидробионтов с оборотным водообеспечением:

1 - станция управления; 2 - модуль  механической фильтрационной очистки; 3 – запорный клапан; 4 – насос  забора морской воды; 5 - манометр  давления; 6 – емкость с флакулянтом; 7- насос дозатор подачи флакулянта; 8 - импульсный водомер; 9 - узел впрыскивания флакулянта; 10 - емкость водоподготовки (смеситель); 11 - емкость культивирования (инкубирования или выращивания) морских организмов; 12 - датчик содержания растворенного кислорода; 13 - датчик содержания аммиака; 14 – механический фильтр; 15 – компрессор; 16 - распылитель воздуха; 17 - циркуляционный насос; 18 - биофильтр; 19 - колонна с распределительной трубой и сорбентом (цеолит); 20 - клапан управления потоками в колонне; направление технологического потока

; ------- каналы управления.

 

Общая схема очистки водного  технологического потока в установке  культивирования морских гидробионтов представлена на рис.1. Регулирование  содержания в водном технологическом  потоке растворенного кислорода  осуществляется с помощью компрессора (15) и распылителя воздуха (16), для контроля используется датчик (12).

В качестве фильтрующего материала  растворенной органики, нитратов и  растворенного аммиака рекомендуется  последовательно использовать фильтр биологической очистки (модуль 18) и колонну (модуль 19) наполненную цеолитом (фракцией 1-1.5мм).

Объем фильтроматериала составляет 34л. и занимает 60% емкости фильтрующей  колонны. Флакулянты на основе гидрохлорида хитозана и оксихлорида алюминия рекомендуется использовать в виде 0.5 – 1 % геля (по хитозану) для отбора тяжелых металлов (Co, Cd, I, Cr, Pb, Mn) при заборе воды из морской экосистемы (модуль в составе конструкций 6, 7, 8, 9, 10). Опытно-исследовательские эксперименты показали, что схема корректировки водного технологического потока в гидротехнической системе культивирования морских организмов (смотри рис.1), включающая: первичную водоподготовку для очистки подаваемой в установку морской воды из акватории, флакуляцию микрочастиц биогенных осадков с помощью адсорбционного и биологического фильтров, с последующей фильтрацией нитратов и растворенного аммиака через цеолитовую загрузку, является перспективной.

Осадки и отходы жизнедеятельности  гидробионтов, после промывки и замены фильтров, легко утилизируются и  могут использоваться в качестве удобрений.

Энергообеспечение процесса. Условия  климата Дальневосточного региона (прибрежье Японского и юга  Охотского морей) определяют ряд  проблем развития марикультуры, важнейшей  из которых является энергообеспечение  современных технологий (высоко энергоёмких) воспроизводства и выращивание морских организмов в технических сооружениях расположенных на берегу.