Удаление твердых частиц из холодноводной УЗВ. Сравнение гидроциклона с отстойником радиального типа

В данной статье приводятся результаты исследования, в котором оценивалась эффективность удаления твердых частиц гидроциклоном и отстойником радиального типа. Каждое устройство устанавливалось в систему замкнутого водоснабжения для выращивания Арктического гольца и радужной форели до товарного размера. Объем бассейна культивирования составлял 150 м3, скорость водообмена 4500-4800 л/мин. Примерно 92-93% потока проходило через пристеночный дренаж Cornell-типа. Оставшиеся 7-8% потока, т.е. 340 л/мин, покидали бассейн через донный дренаж и внешний стояк, а затем направлялись в отстойник.

Удельная нагрузка на оба отстойника составляла 0.0031 м3/сек на м2 площади осаждения. Гидроциклон и отстойник радиального типа сравнивались в условиях различной нагрузки кормом. Оценивалась концентрация поступающих твердых частиц (TSS) и эффективность их удаления. Были получены статистически значимые различия в эффективности удаления твердых частиц гидроциклоном и отстойником радиального типа (p<0.001). Эффективность этих устройств составила 37.1±3.3% и 77.9±1.6%, соответственно. Кроме того, эффективность отстойника радиального типа показала более высокую стабильность, чем гидроциклона. Тенденция механической фильтрации твердых частиц была постоянной на протяжении широкого диапазона концентраций поступающих в сепаратор загрязнений. Баланс масс показал, что гидроциклон удаляет примерно 23% всех твердых частиц из УЗВ. С другой стороны, отстойник радиального типа в тех же условиях удаляет 48% твердых частиц ежедневно.

Баланс масс также указывает на то, что с любым типом отстойника микросетчатый барабанный фильтр удаляет 40-45% твердых частиц ежедневно. В любом случае, результаты показывают, что барабанный фильтр обрабатывает весь водный поток и играет важную роль в недопущении накопления твердых частиц в рециркуляционной системе.

  Введение

Быстрое и эффективное удаление твердых загрязнений положительно сказывается на здоровье Лососевых в УЗВ. Накопление загрязнений в емкости культивирования и системе способствует развитию патогенной микрофлоры. Кроме того, длительное сохранение твердых частиц в системе приводит к их разложению на мелкие частицы, утечке нутриентов, ухудшению качества воды, возрастанию потребностей в кислороде и возрастанию концентрации углекислого газа. Мелкие взвешенные частицы травмируют жабры, снижают иммунитет и провоцируют вспышку инфекции. Неэффективное удаление твердых частиц из системы аквакультивирования также вредит её компонентам. Например, излишки загрязнений могут забить колонны аэрации, решетчатые экраны и флейты для разбрызгивания.

Многие современные системы с рециркуляцией воды, используемые для культивирования Арктического гольца, радужной форели или смолта Лососевых в Северной Америке, включают бассейны с двойным дренажем. Этот дренаж, расположенный на дне емкости, позволяет быстро отделить и удалить подавляющую долю осаждаемых частиц из бассейна. Обычно через него проходит небольшая часть водного потока, 5-20%. Затем, для захвата осаждаемых частиц, которые сконцентрировались при прохождении через дренаж, применяются относительно небольшие диаметры.

Центробежные сепараторы или гидроциклоны работают за счет придания частицам загрязнения центробежного ускорения. Вода направляется тангенциально к внешнему радиусу конической емкости, что приводит к её вращению вокруг центральной оси. Первичное вращение внутри емкости порождает вторичный радиальный поток, направленный к центру, и, таким образом, улучшается захват загрязнений. Гидроциклоны традиционно применяются в областях, где необходимо отделить частицы со специфической высокой плотностью. Так песок в 2.65 раза тяжелее воды. Так как твердые загрязнения в аквакультуре имеют плотность 1.005-1.20, т.е. ненамного больше, чем вода, их осаждение не всегда гарантируется. Отделения таких частиц можно добиться лишь поддержанием соответствующей гидравлической нагрузки. Удаление твердых загрязнений в аквакультуре при помощи гидроциклона преимущественно зависит от плотности и относительно независимо от сил инерции. Одним из наиболее важных параметров, характеризующих производительность гидроциклона и его размер при заданной скорости водного потока, является удельная нагрузка на него. Захват частиц можно улучшить, при низких скоростях поступающей воды (низкой скорости вращения), когда смещают выходной патрубок от центра гидроциклона и увеличивают его диаметр (снижают скорость оттока).

Так как загрязнения в аквакультуре имеют низкую специфическую плотность, они могут оставаться во взвешенном состоянии в уходящем из двойного донного дренажа и гидроциклона потоке. Поэтому данный поток часто подвергают вторичной очистке, например, с помощью барабанного фильтра.

Отстойники радиального типа также именуются отстойниками с круговой центральной подачей. Это самые распространенные аппараты для очистки городских сточных вод. Они очень похожи на гидроциклоны, потому что имеют цилиндрическую форму, часто с конусовидной нижней частью, и отток воды также происходит через верх. Однако гидравлика этих аппаратов совершенно отличается. В отстойниках радиального типа вода поступает в центр сосуда, внутрь ослабляющего турбуленцию цилиндра (далее потексту — демпфер цилиндр). Затем поток выходит из емкости в радиальном направлении (равномерно по окружности), а загрязнения задерживаются по периметру. Радиальный поток ослабляет скорость воды и улучшает осаждение частиц. Кроме того, окружность цилиндрического сосуда обеспечивает большую длину водослива, которая снижает нагрузку на него загрязнениями. Центральное расположение входного патрубка важно для подавления турбуленции, порождаемой поступающим потоком. Поэтому демпфер цилиндр в центре отстойника должен иметь минимальный диаметр 25% от диаметра самого отстойника. Для недопущения взмучивания он располагается значительно выше предполагаемой высоты ила.

Данная статья основана на результатах исследования John Davidson, Steven T. Summerfelt «Solids removal from a coldwater recirculating system—comparison of a swirl separator and a radial-flow settler», Aquacultural Engineering 33: 47–61. 2005. В работе показано, что гидравлика отстойника радиального типа лучше осаждает твердые загрязнения, чем гидроциклона. Предметом исследования была оценка эффективности удаления твердых частиц в условиях коммерческой УЗВ для выращивания Лососевых. Измерялось изменение общего уровня взвешенных частиц (TSS) при прохождении потоком барабанного фильтра, а также гидроциклона или отстойника радиального типа.

В идеале, аппарат для очистки загрязненной части стока, поступающего от донного дренажа бассейна, должен захватывать большинство твердых частиц.

Материалы и методы

Исследование проводилось на полномасштабной коммерческой УЗВ для выращивания Арктического гольца (1.3 кг при отлове), а затем радужной форели (0.7 кг при отлове). Не смотря на простоту эксперимента, он позволил избежать сложностей при экстраполировании результатов на практике, полученных на мелких модельных системах. Так как он оценивал эффективность захвата твердых загрязнений непосредственно после их прохождения через донный дренаж, исчезла необходимость экстраполяции данных, полученных с искусственными загрязнениями, которые воспроизводят размер и скорость оседания рыбьих фекалий.

Рисунок 1. Система с рециркуляцией воды института Пресных вод (Шепердстаун, Западная Виргиния)

  Аппараты отстойники для осаждения загрязнений

Отделение твердых частиц из дренажного стока оценивалось в условиях полностью работающей, эксплуатируемой системы, с включением гидроциклона, либо отстойника радиального типа в петлю механической очистки. Для обеих схем была модифицирована емкость отстойник. Она имела цилиндрическую форму, диаметр 1.52 метра, длину 2.1 метра, имела цилиндрический водослив с V-образной зубчатой кромкой. Нижняя часть емкости была конусовидной с углом 60 градусов, длиной 1.30 метра и дренажом у основания диаметром 7.5 см. V-образная зубчатая кромка устанавливала уровень воды в отстойнике на значении 1.77 метра выше основания конуса.

Рисунок 2. Схема отстойника радиального типа (слева) и гидроциклона (справа) в институте Пресных вод (Шепердстаун, Западная Виргиния)

 

В первом эксперименте емкость отстойника оборудовалась как гидроциклон. Поток воды поступал в неё через патрубок диаметром 10 см, расположенный тангенциально к стенке. Патрубок входил в емкость примерно посередине его продольной линии и на 0.38 см ниже зубчатой кромки водослива. Для отстойника радиального типа тангенциальный входной патрубок убирался, и в центре емкости располагалась входная труба диаметром 10 см. Она изгибалась под прямым углом, чуть ниже уровня воды. Кроме того, вокруг она заключалась в стекловолоконный демпфер цилиндр диаметром 0.61 метра. Этот цилиндр глушил турбуленцию в точке поступления воды. Благодаря ему, вода сначала направлялась вниз, вдоль стенок цилиндра, а затем, подымалась до зубчатого водослива, образуя радиальный поток.

В процессе экспериментов с гидроциклоном и отстойником радиального типа осадок не сливался из конуса. Один или два раза в день осадок вручную удалялся из отстойников. Один раз в неделю отстойники полностью осушались и ополаскивались. Скорость потока измерялась с помощью ультразвукового расходомера Transport Model PT868.

Анализ твердых частиц

Для того, чтобы оценить эффективность удаления твердых частиц, образцы воды собирались один или два раза в неделю:

— из поступающего в емкость культивирования потока

— из выходящего из пристеночного дренажа потока, донного дренажа, а также на выходе из барабанного фильтра, отстойников

— образцы свежей воды.

За несколько лет было собрано 53 набора образцов, когда в систему вносилось высокое и низкое количество корма. Анализ концентрации TSS проводился по методу 2540 D (APHA, 1998). Согласно ему, загрязнения фильтровались стандартным стекловолоконным фильтром, высушивались при температуре 103-105° и взвешивались.

Эффективность удаления TSS через микросетчатый барабанный фильтр и через отстойники рассчитывалась на основе ежедневных данных о концентрации загрязнений на входе и на выходе аппаратов. Затем рассчитывалась средняя эффективность (± ошибка средней).

Для определения различий в концентрации TSS, поступающих в аппараты отстойники между двумя обработками, концентрация TSS на входе в отстойники использовалась в качестве коварианты (регрессор – независимая переменная) в анализе ANCOVA. Использовались данные параллельных измерений эффективности удаления TSS и концентрации TSS, поступающих в отстойники.

Таблица 1. Средняя (ошибка средней) TSS концентрации, эффективности удаления TSS, поток воды и потоки масс, количество корма

Концентрация TSS в различных частях системы	+ гидроциклон	+ отстойник радиального типа
TSS потока в культуральный бассейн, мг/л	2.4±0.5	2.7±0.3
TSS потока подпиточной воды, мг/л	0.4±0.1	0.4±0.1
TSS потока, выходящего из донного дренажа = вход в отстойник, мг/л	16.5±1.3	27.7±2.6
TSS потока, выходящего из пристеночного дренажа = вход в барабанный фильтр, мг/л	3.2±0.3	4.5±0.6
TSS потока, выходящего из гидроциклона (отстойника радиального типа), мг/л	9.6±0.5	6.4±0.4
TSS потока, выходящего из барабанного фильтра, мг/л	2.2±0.2	3.1±0.4
Число измерений данных	24	22
Средняя эффективность удаления твердых частиц или фракционирование (средняя эффективность рассчитывалась от всех значений ежедневной эффективности удаления)
Соотношение TSS фракционирования между дном культурального бассейна и пристеночным дренажем	6.2±0.7	7.3±0.8
Эффективность удаления TSS барабанным фильтром, %	28.6±3.7	31.9±3.4
Эффективность удаления гидроциклона (отстойника радиального типа), %	37.1±3.3	77.9±1.6
Средний поток воды
Поток подпиточной воды, л/мин	337±15	278±31
Поток подпиточной воды, % от всего объема циркулирующей воды	7.0±0.3	6.2±0.7
Поток через барабанный фильтр, л/мин	4497±32	4333±58
Общий поток к культуральному бассейну, л/мин	4726±36	4514±14
Поток через донный дренаж, л/мин	340±28	340±28
TSS баланс масс
Средняя ежедневная подача корма, кг/сутки	63.5±5.1	100.4±8.6
Масса TSS, поступающая в культуральный бассейн, кг\сутки	16.2	17.6
Масса TSS, покидающая донный дренаж, кг/сутки	8.1	13.6
Масса TSS, покидающая пристеночный дренаж, кг/сутки	20.8	28.1
Масса TSS, поступающая с подпиточной водой в УЗВ, кг\сутки	0.2	0.2
Масса TSS, удаляемая из УЗВ через дно гидроциклона (отстойника радиального типа), кг\сутки	3.4	10.4
Масса TSS, из УЗВ через водослив, кг\сутки	4.6	2.6
Масса TSS, удаляемая из УЗВ на обратную промывку барабанного фильтра, кг/сутки	6.5	8.7
Общая масса TSS, удаляемая из УЗВ, кг/сутки	14.4	21.7
Общая масса TSS, удаляемая из УЗВ на единицу корма, %	22.7	21.6
TSS, удаляемая гидроциклоном (отстойником радиального типа), % от всей удаляемой массы	23.4	48.0
TSS, удаляемая через водослив системы, % от всей удаляемой массы	31.7	11.8
TSS, удаляемая барабанным фильтром, % от всей удаляемой массы	44.9	40.2

Результаты и обсуждение TSS фракционирование в культуральном бассейне

В ходе всех экспериментов в коммерческой системе сохранялась относительно низкая концентрация TSS в толще воды 150 м3 бассейна. Т.е. средняя концентрация TSS составляла 3.2±0.3 мг/л и 4.5±0.6 мг/л на выходе из пристеночного дренажа — для экспериментов с включением гидроциклона или отстойника радиального типа, соответственно. После обработки в УЗВ и добавлении подпиточной воды, поток возвращался в бассейн и имел концентрацию TSS 2.4±0.5 мг/л и 2.7±0.3 мг/л – для экспериментов с включением гидроциклона или отстойника радиального типа, соответственно.

Предполагается, что такой низкий уровень загрязнений обусловлен эффективным фракционированием осаждаемых частиц через донный дренаж бассейна. Средняя концентрация TSS в потоке, проходящем через донный дренаж, составляет 16.5±1.3 мг/л и 27.7±2.6 мг/л – для экспериментов с включением гидроциклона или отстойника радиального типа, соответственно. Различия в концентрациях TSS, покидающих культуральный бассейн, вероятно, связаны с более высокой подачей корма в экспериментах с отстойником радиального типа (100.4±8.6 мг/сутки против 63.5±5.1 кг/сутки для гидроциклона, соответственно). В среднем, концентрация TSS в воде, покидающей донный дренаж, была в 6.2±0.7 и 7.3±0.8 раз больше, чем в воде, покидающей пристеночный дренаж, в экспериментах с гидроциклоном и отстойником радиального типа, соответственно.

Известно, что гидравлика цилиндрического бассейна диаметром 9.1 метра позволяет вымывать твердые частицы через донный дренаж, спустя всего 3-6 минут после их внесения в емкость. Кроме того, хотя сток через донный дренаж составляет лишь 7-8% от всего водного потока, он содержит примерно 60% TSS загрязнений. Предполагается, что масса TSS, поступающая в бассейн, состоит из тонких твердых частиц, которые разделяются на пути к обоим дренажам. Важно отметить, что эта масса TSS может быть слегка больше или слегка меньше массы TSS, образующейся из корма в самом бассейне (зависит от количества поступающего корма). Это показывает, что дальнейшие улучшения технологий контроля за TSS могут заключаться в снижении концентрации взвешенных частиц в воде, возвращаемой в бассейн.

Удаление TSS через отстойники

Отстойник радиального типа оказался лучше, чем гидроциклон. Эффективность удаления TSS составила 37.1±3.3% и 77.9±1.6% для гидроциклона и отстойника радиального типа, соответственно. Тест ANCOVA показал статистически значимые различия (P<0.001) в эффективности удаления, а также концентрации TSS, поступающей в два аппарата. Ковариант (концентрация TSS на входе в аппараты), используемый в тесте ANCOVA, оказался эффективным в контроле различий концентраций TSS, поступающих в отстойники (P=0.0019). Эффективность удаления частиц через отстойник радиального типа оказалась менее вариабельной, чем через гидроциклон, в широком диапазоне концентраций TSS на входе. Эффективность гидроциклона, однако, сильно коррелировала с концентрацией загрязнений на входе. Вариабельность для него составила 50% (коэффициент детерминации, r2). Значимое взаимодействие членов в тесте ANCOVA продемонстрировало, что коварианта важна для эффективности удаления частиц гидроциклоном, но не отстойником радиального типа. Иными словами, неважно сколько загрязнений поступило в отстойник радиального типа, его эффективность останется прежней.

Зависимость эффектвности удаления твердых частиц (TSS) от концентрации TSS в потоке, поступающем в отстойнк радиального типа и гидроциклон

Коэффициент регрессии (0.089) для отстойника радиального типа не был статистически значим (P= 0.39). Коэффициент регрессии для гидроциклона (1.571) был статистически значим (P<0.001).

Нагрузка на единицу поверхности (удельная нагрузка) для обоих аппаратов составила 0.0031 м3/сек потока на квадратный метр. Для сравнения, IDEQ (1998) опубликовал руководство, где рекомендовалась удельная нагрузка:

— 0.00046 м3/сек потока на квадратный метр поверхности для обработки потока промывочной воды в автономных отстойниках

— 0.0040 м3/сек потока на квадратный метр поверхности для обработки стока из системы

— 0.0095 м3/сек потока на квадратный метр поверхности для обработки потока, покидающего канал через его застойную зону.

Удельная нагрузка в эксперименте была чуть меньше (т.е. более консервативной), чем рекомендована для полнопоточных бассейнов отстойников, и в три раза меньше, чем рекомендована для застойной зоны каналов. Она в 6.8 раза больше (т.е. более агрессивна), чем значения, рекомендованные для автономных отстойников. Тем не менее, автономные отстойники сталкиваются с потоками различной силы (высоко-вариабельными) и высокими флюктуациями концентраций, которые не отмечаются в условиях УЗВ. Относительный консерватизм удельной нагрузки в настоящей системе обусловлен стремлением максимизировать удаление TSS из относительно слабого, но концентрированного потока от донного дренажа. Более высокая удельная нагрузка на аппараты отстойники, как ожидается, приведет к некоторому снижению эффективности захвата TSS. Veerapen с коллегами (в прессе) докладывал, что удельная нагрузка на гидроциклон на уровне 0.0015 м3/сек потока на квадратный метр зоны осаждения позволяет поддерживать эффективность удаления модельных загрязнений 42-53%. Eikebrokk и Ulgenes (1993) не акцентировали внимание на удельной нагрузке, но докладывали о том, что гидроциклон в среднем удаляет 71% TSS, когда обрабатывает донный дренаж цилиндрического бассейна. В этой проточной системе выращивалась молодь Атлантического лосося. Стоит отметить, что эффективность удаления TSS в условиях ухода воды через донный дренаж, как ожидается, будет слегка выше в протоке, чем в рециркуляционной системе. Это связано с накоплением тонкодисперсных частиц в УЗВ, которые слишком медленно оседают, чтобы быть удаленными аппаратами отстойниками.

Теоретически, аппараты отстойники в аквакультуре должны быть способны захватывать большинство осаждаемых частиц, поступающих в них. Кроме того, эффективность захвата TSS гидроциклоном может быть улучшена при использовании оптимального патрубка для выходного потока и при более низкой удельной нагрузке.

Гидроциклоны традиционно использовались для удаления из городских и промышленных стоков песка и сыпучих веществ с высокой специфической плотностью. В данной работе гидроциклон захватывал все медленно тонущие загрязнения корма (скорость оседания 14-18 см/сек). Однако фекалии радужной форели имеют специфическую плотность, очень близкую к плотности воды, поэтому в свежем виде они оседают с очень низкой скоростью (0.7-4.3 см/сек), в зависимости от размера и плотности. Медленно оседающие загрязнения образуются, если рыба не образует компактных каловых масс, если каловые массы распадаются при перемещении из бассейна через трубы, либо, если твердые частицы представляют собой обособленные биопленки. В ходе описанного исследования иногда образовывались «диарея-подобные» каловые массы, и некоторые частицы представляли собой плохо оседающие обособленные биопленки. Кроме того, на неадекватных гидравлических режимах осадок может взмучиваться в отстойнике (попавшей туда рыбой, либо газообразованием микробного сообщества на дне конуса). Например, нечастное «пузыряние» наблюдалось в обоих типах аппаратов отстойников и приводило к всплытию твердых загрязнений.

Слабым местом исследования явилось отсутствие данных о размере и плотности частиц, поступающих в отстойники в ходе экспериментов. Анализ размера и плотности помог бы определить, эквивалентные ли частицы поступали в гидроциклон и отстойник радиального типа. Это необходимо для того, чтобы провести справедливое сравнение. Не исключено, что «диарея-подобные» фекалии присутствовали только в экспериментах с гидроциклоном, поэтому он показал худшие результаты. К счастью, регистрировалась относительная осаждаемость TSS, образуемых в ходе двух экспериментов, т.е. фракционирование TSS между дном культурального бассейна и пристеночным дренажем. Таблица 1 демонстрирует, что фракционирование TSS между дном культурального бассейна и пристеночным дренажем примерно эквивалентно в экспериментах с гидроциклоном и отстойником радиального типа, и составляет 6.2±0.7 и 7.3±0.8, соответственно. Поэтому, осаждаемость TSS не сильно отличалась в двух сериях экспериментов, т.е. результаты сравнения справедливы.

Удаление TSS через микросетчатый барабанный фильтр

Концентрация TSS, поступающая в микросетчатый барабанный фильтр составляет 3.2±0.3 мг/л и 4.5±0.6 мг/л в экспериментах с гидроциклоном и отстойником радиального типа, соответственно. Эта относительна низкая концентрация TSS на входе фильтра обуславливала относительно низкую эффективность захвата TSS – 28.6±3.7% и 31.9±3.4% в экспериментах с гидроциклоном и отстойником радиального типа, соответственно.

Сброс TSS из системы

В полностью замкнутой системе имеется три места, где осуществляется сброс загрязнений:

1. Один или два раза в день вручную сливался осадок из конуса отстойников;

2. Непрерывный сброс воды через переполняемый отстойник;

3. Сброс воды после обратной промывки барабанного фильтра.

С целью определения количества TSS, удаляемого из рециркуляционной системы в зависимости от количества вносимого корма, проведены расчеты баланса масса. Кроме того, баланс масс рассчитан в процентах.

В обоих экспериментах примерно 21.6-22.7% корма удалялось из системы как TSS загрязнения. Баланс масс показывает, что гидроциклон удаляет примерно 23%, а отстойник радиального типа 48% от всей массы TSS. Эти результаты указывают на то, что в гидроциклоне основная часть загрязнений находится во взвешенном состоянии и направляется через водослив, а не оседает на дно конуса. Микросетчатый фильтр задерживал примерно 40-45% всей массы TSS. В обоих случаях, результаты показали важную роль барабанного фильтра в очистке воды. Оставшаяся часть TSS сбрасывалась из системы и составляла 32% от общей массы TSS, удаляемой из системы, когда работал гидроциклон, или 12% — когда работал отстойник радиального типа. Стоит отметить, что масса сбрасываемых таким образом загрязнений была выше, когда была относительно высокой концентрация выходящих из отстойников TSS, т.е. 9.6±0.5 мг/л (работал гидроциклон). Сброс загрязнений через перелив отстойников был снижен в три раза, если вода сбрасывалась через самп. В сампе насоса концентрация TSS составила 2.2-3.1 мг/л.

Отстойник радиального типа