Биофильтр считают не от объема бассейна и не от количества рыбы напрямую, а от суточного корма. Разбираем расчет на трех примерах с разной загрузкой.
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.
| Переход | Вход | Формула | Выход |
|---|---|---|---|
| 1 | Суточный корм, доля протеина | TAN (кг/сутки) = корм × доля протеина × 0,5 × 0,16 × 1,2 | Суточный TAN, кг |
| 2 | Суточный TAN, VTR загрузки | Объем (м3) = TAN (г/сутки) ÷ VTR (г/м3/сутки) | Объем загрузки, м3 |
| 3 | Объем загрузки, удельная площадь материала | Площадь (м2) = объем (м3) × удельная площадь (м2/м3) | Площадь поверхности, м2 |
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.
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.
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.
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.
| Тип загрузки | Удельная площадь, м2/м3 | Что это значит для объема фильтра |
|---|---|---|
| Капельная, стационарная | 100-300 | тот же объем дает меньше площади, компенсируется более низким VTR на м3, но это заранее учтено в формуле шага 2 |
| Плавающая MBBR | 500-900 | значительно компактнее по объему при том же расчете, самая частая загрузка в современных УЗВ |
| Тонущая MBBR | около 850 | близко к плавающей по площади, не требует верхней удерживающей сетки |
| Бисерная | 1150-1475 | самая компактная классическая загрузка, требует обратной промывки |
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.
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.
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.
| Источник погрешности | Направление ошибки без запаса | Практический запас |
|---|---|---|
| Температура ниже, чем условия получения VTR | объем занижен | для форелевой системы на 12-15 градусах закладывать объем с запасом, VTR при такой температуре ниже паспортного |
| Целевой TAN ниже 2 мг/л | объем занижен | для более чистой целевой воды увеличивать объем, а не оставлять по паспортному VTR |
| Неравномерный поток по загрузке | рабочая площадь меньше расчетной | проверять равномерность распределения воды по всей загрузке, а не только общий расход насоса |
| Рост биомассы за цикл выращивания | расчет по стартовому корму занижает пиковую нагрузку | считать по максимальному корму в конце цикла, а не по среднему за весь цикл |
Формулу можно развернуть. Так считают, когда загрузка уже куплена или бак стоит, и нужно узнать, до какого суточного корма система дотянет. Сначала берем, сколько TAN дает один килограмм корма. Для протеина 40% это 1000 × 0,40 × 0,5 × 0,16 × 1,2, то есть 38,4 г TAN на килограмм. Дальше мощность фильтра: объем загрузки, умноженный на VTR, в граммах TAN в сутки. И делим одно на другое.
| Загрузка | Объем, м3 | VTR | Мощность, г TAN/сутки | Предельный корм, кг/сутки | С запасом 20%, кг/сутки |
|---|---|---|---|---|---|
| MBBR | 1 | 350 | 350 | 9,1 | 7,3 |
| MBBR | 3 | 350 | 1050 | 27,3 | 21,9 |
| Капельная | 3 | 90 | 270 | 7,0 | 5,6 |
Корм в таблице посчитан для протеина 40%. Те же три кубометра на капельной загрузке держат корма почти в четыре раза меньше, чем на MBBR: 350 ÷ 90, около 3,9. Запас 20% это допущение автора, а не паспортная цифра: фильтр держат на 80% от расчетной мощности, чтобы жара, сбой аэрации или лишний килограмм корма не вывели аммоний за целевой уровень. Грубо говоря, предельный корм это граница, а работать нужно с отступом от нее.
Возьмем пример. Куплено 3 м3 MBBR под осетра, корм с протеином 42%, план 30 кг в сутки. TAN на килограмм корма: 1000 × 0,42 × 0,5 × 0,16 × 1,2, около 40,3 г. На 30 кг это 1210 г в сутки. Мощность фильтра 3 × 350 = 1050 г. Нагрузка 1210 ÷ 1050, около 1,15, то есть на 15% выше предела. Выходов два. Урезать корм до 1050 ÷ 40,3, около 26 кг в сутки, и это без запаса. Или добавить загрузку: 1210 ÷ 350, около 3,5 м3 до предела и около 4,3 м3, если держать запас 20%. Пиковый корм для такого расчета берите по концу цикла, как в таблице запаса выше.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
По формуле это доля нагрузки: суточный TAN, деленный на объем загрузки и на VTR. При принятом выше запасе выше 0,8 пора думать о докупке. В воде картина такая: аммоний растет при неизменной раздаче корма, следом может вырасти нитрит. Ждать этого не надо, пересчитайте раздачу сразу, как корм пошел вверх.
Можно, если в баке есть свободный объем. MBBR доливают порциями, но новые носители обрастают биопленкой не сразу, поэтому докупать нужно заранее, а не после скачка аммония. Срок запуска смотрите в разделе про запуск нового биофильтра выше.
В таблице стоят отраслевые ориентиры VTR: 350 для MBBR и 90 для капельной загрузки. Паспортный VTR конкретной модели важнее, подставляйте его в ту же формулу. Если у поставщика цифра вдвое выше, проверьте, при какой температуре и каком целевом TAN она получена: для холодной воды она может не подойти.
В Аквастраже проверен канал температуры. Контроль питания, насоса и аэрации обсуждаем отдельно: сначала выбираем датчик и проверяем канал на площадке. Опишите один бассейн или узел, предложим состав бета-комплекта и смету.
Обсудить бета-комплект
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.
Обратный расчет допустимого корма для готовой загрузки: собственный расчет по формулам шагов 1 и 2, коэффициенты и VTR те же. Запас 20% это допущение автора, а не паспортная цифра, для своей модели загрузки берите данные поставщика.