Расчет биофильтра для УЗВ: объем загрузки и площадь поверхности

Расчет биофильтра для УЗВ идет в два перехода: сначала от суточного корма к нужному объему биозагрузки, потом от объема к площади поверхности конкретного материала. Оба перехода описаны формулами в статьях про принцип работы биофильтра и про выбор загрузки, здесь мы доводим их до трех числовых примеров с разными видами рыбы и разным типом загрузки, чтобы расчет можно было повторить на своих цифрах.

Разбор пригодится и на этапе проектирования новой системы, и при пересчете уже работающей УЗВ под увеличенную плотность посадки или под смену вида рыбы: методика одна и та же, меняются только исходные цифры корма, протеина и типа загрузки.

Откуда берутся сами формулы и на чем они держатся физически, объяснено в статье биофильтр: принцип работы. Здесь этот разбор не повторяем, а сразу переходим к расчету.

Два перехода расчета: от корма к объему, от объема к площади

Третий переход в статье про принцип работы биофильтра только упомянут, а в расчете он не менее важен, чем первые два: два фильтра одинакового объема, но с разной загрузкой, дадут совершенно разную рабочую площадь и, соответственно, разную реальную производительность.

Шаг 1. Суточный TAN от корма

Корм это единственный вход азота в систему, поэтому весь расчет начинается с суточной раздачи корма и доли протеина в нем. Коэффициенты формулы: 0,5 это доля азота, теряемого рыбой в воду в виде TAN, 0,16 г азота на грамм протеина, 1,2 г TAN на грамм азота, чтобы перевести чистый азот в общий аммонийный азот.

Шаг 2. Объем загрузки по VTR

VTR, объемная скорость снятия TAN, это паспортная или отраслевая характеристика конкретного типа загрузки при определенных условиях: температуре, pH, щелочности и целевой концентрации TAN в воде. Отраслевые ориентиры: капельная загрузка около 90 г TAN на м3 в сутки, подвижная MBBR около 350. Если ваша система работает на более холодной воде или держит более низкий целевой TAN, чем указано в условиях получения этих цифр, скорость окисления ниже, и в объем нужно закладывать запас.

Шаг 3. От объема к площади поверхности

Объем загрузки в кубометрах ничего не говорит о рабочей площади без указания удельной площади конкретного материала. Разные материалы дают разную площадь на тот же объем, и подробное сравнение с диапазонами приведено в статье биозагрузка: выбор. Для расчета на этом шаге достаточно взять удельную площадь конкретной модели загрузки из паспорта поставщика и умножить на объем из шага 2.

Пошагово: три числовых примера

Возьмем три системы с разным видом рыбы, разным суточным кормом и разной загрузкой, чтобы показать, как одна и та же формула дает разный итоговый объем и разную конечную площадь.

1. Форель, холодная вода. Корм 20 кг/сутки, протеин 45%, загрузка MBBR (VTR около 350). Суточный TAN: 20 × 0,45 × 0,5 × 0,16 × 1,2, около 0,86 кг, то есть 860 г в сутки. Объем загрузки: 860 ÷ 350, около 2,5 м3. При удельной площади MBBR 680 м2/м3 (защищенная площадь конкретной модели меньше, берем ее, а не общую геометрическую) это около 1700 м2 рабочей поверхности.
2. Осетр, средняя температура. Корм 40 кг/сутки, протеин 42%, та же MBBR-загрузка. Суточный TAN: 40 × 0,42 × 0,5 × 0,16 × 1,2, около 1,6 кг, то есть 1610 г в сутки. Объем загрузки: 1610 ÷ 350, около 4,6 м3, площадь при той же удельной площади около 3100 м2.
3. Тиляпия, теплая вода, капельная загрузка. Корм 30 кг/сутки, протеин 32%, капельная загрузка (VTR около 90). Суточный TAN: 30 × 0,32 × 0,5 × 0,16 × 1,2, около 0,46 кг, то есть 460 г в сутки. Объем загрузки: 460 ÷ 90, около 5,1 м3, заметно больше по объему, чем в первых двух примерах на MBBR, при удельной площади капельной загрузки около 200 м2/м3 итоговая площадь около 1020 м2.

Механическая очистка перед биофильтром: как она меняет расчет

Формула объема загрузки считает TAN, который дает корм, а не взвешенные частицы в воде, поэтому напрямую в формулу качество механической очистки не входит. Но косвенно оно влияет сильно: неубранный органический осадок на загрузке разлагается и дает дополнительный аммиак сверх того, что посчитан по корму, а также забивает поры загрузки и снижает реальную рабочую площадь относительно паспортной. Система с хорошей механической ступенью перед биофильтром работает ближе к расчетным цифрам, а система без нормальной механики или с редко чистящимся механическим фильтром нагружает биофильтр сверх расчета, и в этом случае формальный запас по объему быстро съедается фактической грязью.

Денитрификация и накопление нитрата: что расчет объема загрузки не решает

Расчет объема загрузки по TAN и VTR закрывает только две ступени нитрификации, превращение аммиака в нитрит и нитрита в нитрат. Нитрат при этом в замкнутой системе продолжает копиться, и классический аэробный биофильтр его не убирает: снижают нитрат либо подменой воды, либо отдельным узлом денитрификации, который считается по другой методике. Планируя объем аэробного биофильтра, не стоит закладывать в него функцию снижения нитрата, для этого нужен отдельный расчет и часто отдельная емкость.

Пошагово: что делать при запуске нового биофильтра рассчитанного объема

1. Заполнить фильтр рассчитанным объемом загрузки и запустить циркуляцию воды без рыбы или с минимальной пробной посадкой.
2. Внести источник бактерий, стартовую культуру или зрелую загрузку из уже работающей системы, чтобы не ждать долгого самостоятельного созревания колонии с нуля.
3. Первые одна две недели контролировать аммиак и нитрит чаще обычного: на старте, пока колония бактерий не набрала полную мощность, именно они будут ограничивающим фактором, а не объем загрузки.
4. Наращивать плотность посадки и суточный корм постепенно, а не сразу до расчетного максимума: колония бактерий адаптируется к нагрузке не мгновенно.
5. Только после выхода на плановую суточную дачу корма и стабильно низких показателей аммиака и нитрита считать фильтр вышедшим на рабочий режим.

Куда закладывать запас и сколько

Проверка расчета через уже посчитанный биофильтр из бочки

Если сомневаетесь, что расчетный объем реалистичен, полезно сверить порядок величины с уже разобранным примером: сколько рыбы вытянет самодельный биофильтр из бочки на 200 литров, разобрано в статье биофильтр: принцип работы. Если ваш расчетный объем в разы больше или меньше, чем можно было бы ожидать по этому ориентиру для сопоставимой биомассы, стоит перепроверить исходные цифры корма и протеина, прежде чем заказывать загрузку.

Как использовать результат при выборе конкретной модели загрузки

Получив требуемый объем и требуемую площадь, финальный выбор все равно упирается в конкретную модель у конкретного поставщика: паспортная удельная площадь модели может отличаться от отраслевого диапазона, и часть производителей указывает отдельно общую и защищенную площадь. Как читать эти цифры и на какую из них ориентироваться в расчете, разобрано в статье биозагрузка: выбор.

Как меняется расчет при переходе на другой корм в течение цикла

Хозяйства обычно кормят молодь стартовым кормом с высоким протеином, 45-50%, а товарную рыбу ближе к отгрузке переводят на финишный корм с более низким протеином, 32-38%, часто с добавлением жира вместо части белка ради экономии и снижения нагрузки на фильтр. Формально при переходе на финишный корм суточный TAN на килограмм корма снижается, но к этому моменту суточная дача корма в килограммах обычно выше, потому что рыба крупнее и ест больше в абсолютных цифрах. Итог зависит от конкретных цифр хозяйства, и универсального правила, растет TAN или падает при смене корма, нет: считать нужно оба состояния отдельно и брать больший объем как расчетный.

Что делать, если посчитанный объем не помещается в имеющуюся емкость

Если геометрический объем под загрузку ограничен корпусом фильтра или помещением, а расчет требует больше, есть три рабочих направления, и их можно комбинировать. Первое: перейти на загрузку с более высоким VTR при сопоставимых условиях, обычно с капельной на подвижную MBBR. Второе: снизить плотность посадки или темп кормления, то есть уменьшить сам суточный TAN, который нужно снимать. Третье: разделить биофильтрацию на две последовательные ступени в разных емкостях, что часто проще технически, чем искать одну емкость увеличенного объема под уже выбранный тип загрузки.

Как температура воды меняет весь расчет, а не только VTR

Температура влияет на расчет сразу с двух сторон, и это легко упустить, если смотреть только на строку VTR в таблице. С одной стороны, при более низкой температуре скорость нитрификации падает, и загрузка того же объема снимает меньше TAN в сутки, это как раз то, что учитывает поправка к VTR. С другой стороны, аппетит и темп роста рыбы при низкой температуре тоже ниже, суточная дача корма для той же биомассы обычно меньше, чем в теплой воде, и суточный TAN на входе тоже падает. В форелевой холодноводной системе оба эффекта отчасти компенсируют друг друга, но не полностью и не всегда пропорционально, поэтому расчет по формуле шаг за шагом, с реальными цифрами корма и с реальным VTR под свою температуру, надежнее, чем попытка одной общей поправкой на температуру пересчитать готовый пример для другого вида рыбы.

Ошибка в единицах: килограммы против граммов

Формула суточного TAN дает результат в килограммах, если корм в формулу подставлен в килограммах, а формула объема загрузки использует суточный TAN в граммах. Забытое умножение на 1000 при переходе между этими двумя формулами дает объем фильтра в тысячу раз меньше нужного, и внешне такая ошибка не выглядит подозрительно: цифра получается маленькой, но правдоподобной на вид, скажем, несколько литров вместо нескольких кубометров, и легко проходит незамеченной вплоть до первого аммиачного отравления рыбы после запуска.

Иногда под рукой нет данных по суточному корму, а известна только биомасса рыбы, которую планируется держать. В этом случае можно оценить суточный корм через типичную норму кормления, процент от массы тела в сутки, и дальше вести расчет по тем же формулам, что описаны выше. Такой обходной путь и разбор его точности и ограничений вынесен в статью калькулятор объема биозагрузки по биомассе рыбы, поскольку это отдельная методика оценки, а не часть точного расчета по фактическому корму.

Частые вопросы

Можно ли считать биофильтр по объему бассейна, а не по корму

Нет, это тот же порок, что у народных формул подбора компрессора по объему воды: пустой бассейн и тот же бассейн с рыбой на предельной плотности получат одинаковый по этой логике фильтр, хотя нагрузка на азот у них разная в разы.

Что делать, если протеин корма неизвестен точно

Взять значение с этикетки корма, это стандартная характеристика комбикорма, обычно указана в процентах на упаковке или в спецификации производителя. Если корм меняется в течение цикла на более высокобелковый стартовый и более низкобелковый финишный, расчет стоит делать по стартовому корму как по более нагруженному случаю.

Нужно ли увеличивать объем загрузки, если система работает не при 25 градусах

Да, если температура заметно ниже паспортных условий получения VTR, скорость окисления падает, и без увеличения объема или без снижения плотности посадки система рискует не справляться с TAN на пике кормления.

Что если посчитанный объем кажется слишком большим для имеющегося места

Переход на загрузку с более высокой удельной площадью на тот же объем расчета не поможет: формула шага 2 уже завязана на VTR конкретного типа загрузки, а не только на площадь. Реальный способ уменьшить физический объем фильтра, это выбрать материал с более высоким VTR при сопоставимых условиях, обычно подвижную загрузку вместо стационарной, что и показано в примерах выше.

Можно ли взять объем загрузки с большим запасом просто на всякий случай

Небольшой запас, порядка 15-20 процентов сверх расчета, разумен и почти всегда окупается устойчивостью системы к колебаниям температуры и кормления. Кратный запас, вдвое и больше сверх расчета, обычно не оправдан экономически и создает свою проблему: слишком большой объем загрузки относительно расхода воды через него означает слабый поток на единицу площади, вода хуже омывает всю поверхность равномерно, и часть теоретической площади фактически не участвует в очистке так эффективно, как в правильно нагруженном фильтре.

После того как система вышла на плановый суточный корм и колония бактерий полностью сформировалась, контроль расчета сводится к регулярному замеру аммиака и нитрита в воде и к сверке фактических цифр с плановыми при любом заметном изменении корма или биомассы. Рост аммиака или нитрита при неизменном корме обычно означает не ошибку в исходном расчете, а деградацию рабочей площади: заиливание загрузки, снижение равномерности потока или частичную гибель колонии из-за скачка температуры, попадания в воду дезинфектанта или другого стресс-фактора.

Чеклист перед заказом биозагрузки

• Суточный корм и протеин взяты по плановому кормлению на пике цикла, а не по среднему за весь период.
• VTR взят под реальную температуру и целевой TAN вашей системы, а не механически из паспортных условий поставщика.
• Объем переведен в площадь через удельную площадь конкретной модели, а не через общий отраслевой диапазон.
• Заложен запас на неравномерность потока и на рост биомассы за цикл.
• Результат сверен по порядку величины с ориентиром на уже разобранном примере фильтра.
• Проверены единицы на каждом переходе формулы: килограммы корма, граммы TAN, кубометры объема, квадратные метры площади.
• Продуман план постепенного вывода фильтра на плановую нагрузку после запуска, а не посадка рыбы сразу на расчетную плотность.

Источники

Формула суточного TAN от корма и ориентиры VTR (капельная около 90, MBBR около 350 г TAN на м3 в сутки): собственный разбор в статье биофильтр: принцип работы, где также указаны первоисточники расчета.
Удельная площадь материалов загрузки и разница между общей и защищенной площадью: статья биозагрузка: выбор, там же ссылки на паспорта конкретных моделей.
Формула и пример расчета объема биофильтра для РАС-систем: globalseafood.org.

Рядом в разделе