قسمت پنجم:
مقدمه
در این مقاله که توسط شرکتی که پیشرو در تکنیک های تصفیه آب در انواع دستگاه تصفیه آب می باشد تالیف شده است. می خواهیم به ادامه ی موضوع تصفیه آب و استفاده مجدد از آب در پرورش ماهی به وسیله دستگاه تصفیه آب بپردازیم.
فهرست مطالب در این مقاله:
1. تعریف رسرکولاسیون (DEFINITION OF RECIRCULATION)
2. اجزای سیستم های بازچرخشی (COMPONENTS OF RECIRCULATED SYSTEMS)
3. ضایعات حاصل از پرورش ماهی (WASTE FROM FISH FARMING)
4. فیلتراسیون ذره ای در دستگاه تصفیه آب (PARTICLE FILTRATION)
5. فیلتراسیون بیولوژیکی در دستگاه تصفیه آب (BIOLOGICAL FILTRATION)
6. بحث (DISCUSSION)
5. فیلتراسیون بیولوژیکی در دستگاه تصفیه آب (BIOLOGICAL FILTRATION)
برخی از ضایعات حاصل از ماهی و غذای حل شده در آب باید تجزیه شود و یا به ترکیبات بدون ضرر تغییر شکل دهند. که در این مرحله نیز مجددا باید ترکیبات حاوی مواد آلی و نیتروژن در نظر گرفته شوند. (فسفر، ترکیبی بی اثر بدون اثر سمی می باشد)
برآورد فیلترهای بیولوژیکی باید بر اساس بار مورد انتظار ماده آلی و ترکیبات نیتروژن باشد.
مواد آلی
اصطلاح BOD شامل اغلب مواد قابل تجزیه زیستی به صورت پروتئین ها، چربی و کربوهیدرات ها می باشد، تجزیه توسط باکتری های هتروتروف در محیط غنی از اکسیژن، تحت واکنش ساده رخ خواهد داد:
باکتری ها از طریق تقسیم های متعدد رشد خواهند کرد که "به بار آمدن" نامیده می شود و دارای تقریبا 0.6 kg/kg BOD می باشد. این "بیوفیلم" یا لجن، به صورت ذرات کوچک در خواهد آمد (همان طور که در بالا ذکر شد) و با مدیریت مناسب، می توان آن را از برج های زیستی بک واش کرد.
واکنش های بیولوژیکی، بسیار حساس به دما و pH می باشند، در یک محل پرورش مارماهی باز چرخشی در 25 درجه سانتی گراد، تجزیه مواد آلی در بیوفیلترها تقریبا 15-10 کیلوگرم خواهد بود.
ماده آلی ممکن است بدون وجود اکسیژن تجزیه شود( تخمیر) .
در برآورد بیوفیلترها این واکنش ها به طور نرمال تاکید نمی شوند، اما در صورت سوءمدیریت ممکن است مشکلاتی ایجاد شده و کیفیت آب تخریب شود. مشکلاتی در فیلترهای مستغرق وجود داشته است، حتی اگر اکسیژن در خروجی وجود داشته باشد، مدارهای کوتاه ممکن است به دلیل تجمع لجن ظاهر شده و در نتیجه کیسه هایی بدون اکسیژن ایجاد شود.
فرایند تخمیر:
این یک واکنش چند مرحله ای و بسیار حساس می باشد، به ویژه مرحله دوم، تغییر کوچک در pH ممکن است به شدت تغییر شکل الکل ها، اسیدهای آلی و غیره را کاهش دهد که این منجر به تجمع مواد با قابلیت تجزیه زیستی آسان در برج های زیستی می شود. تغییر ناگهانی در ویژگی های فیزیکی ممکن است مواد آلی تجمع یافته را آزاد ساخته و با تماس با اکسیژن در مخازن ماهی، در زمانی بسیار کوتاه توسط باکتری های هتروتروف مصرف کننده اکسیژن تجزیه می شود- گاهی اوقات آن قدر سریع که منبع اکسیژن قادر به تامین اکسیژن نمی باشد. این، تقریبا یک بمب آلی است. از این موقعیت باید اجتناب شود. برآورد و مدیریت فیزیکی مناسب فیلترها این اقدام را انجام داده و از این تجمع جلوگیری می کند.
شکل 10. سیکل نیتروژن
این باکتری های نیتریفیه کننده، باکتری های اتوتروف نامیده می شوند، چون آنها دارای ترکیب معدنی، آمونیاک به عنوان منبع انرژی می باشند. فرایند دارای بازده بسیار پایین تر (رشد باکتری ها) نسبت به باکتری های هتروتروف، تقریبا 10% می باشد. این فرایند نیازمند اکسیژن بوده (هوازی) و H+ (اسید) تولید کرده و pH را کاهش می دهد.
A. دما
ارقام در شرایط بهینه در دمای معین می باشند.
B. بار آلی.
رقابت بر سر فضای موجود در بیوفیلترها به نفع باکتری های نیتریفیه کننده به دلیل رشد آهسته، در مقایسه با باکتری های هتروتروف نمی باشد.
c. غلظت اکسیژن.
شکل 12. غلظت اکسیژن.
انتقال اکسیژن به باکتری ها باید کنترل شود. آب خروجی فیلترهای مستغرق شده باید دارای غلظت حداقل 3-4 mg O2/L باشد.
توصیه می شود که فیلترها به صورت فیلترهای "نیتریفیکاسیون"، به عبارت دیگر شرایط بهینه ایمن برای نیتریفیکاسیون به کار برده شوند. فاکتورهای بالا را باید در نظر گرفت: بار پایین مواد آلی و منبع اکسیژن فراوان. pH نیز بسیار مهم است، اما به نظر می رسد که فرایند در محدوده pH 6.5-8.0 کاملا پایدار می باشد. برای تمام فاکتورهای محیطی، تغییر ناگهانی نسبت به تغییر آهسته بسیار نامناسب تر است، چون باکتری ها می توانند در محدوده ای خاص انطباق یابند.
محاسبه ناحیه سطحی در بیوفیلترها:
فرایندهای ذکر شده در بالا را باید در نظر گرفت:
- تجزیه زیستی مواد آلی.
- نیتریفیکاسیون.
بار آلی، ماکزیمم 237 g BOD به ازای هر کیلوگرم غذای به کار برده شده برای سیستم محاسبه شده است. کارایی میکروفیلتراسیون را می توان تا 50% کاهش ذرات آلی برآورد ساخت. بنابراین، برآورد حاصل از بار BOD بر روی فیلترهای بیولوژیکی ماکزیمم 119 گرم به ازای هر کیلوگرم غذا می باشد.
با توجه به معادله (1)، در تبدیل غذای 1، می توان مشاهده کرد که تولید متناظر نیتروژن توتال 50 گرم N خواهد بود.
در این بار پایین مواد آلی، فضای کافی برای نیتریفیکاسیون موجود خواهد بود: ناحیه سطحی ویژه توتال در بیوفیلترها....................= 95m2 (برای هر کیلوگرم غذای استفاده شده در سیستم به ازای هر روز)
دنیتریفیکاسیون
به دلیل نیتریفیکاسیون، نیترات در سیستم تجمع خواهد یافت. سطوح نیترات نباید از تقریبا 90 mg NO3-N/L تجاوز کند. به نظر می رسد که چنین سطوح بالایی دارای تاثیر بر رشد و تبدیل غذا باشد. این، کاملا بی ضرر در نظر گرفته شده است، اما به نظر می رسد که برخی گونه های ماهی تحت تاثیر غلظت های بسیار بالا قرار می گیرند.
فرایند کاهش نیترات به نیتروژن اتمسفری، دنیتریفیکاسیون نامیده می شود. این فرایند نیازمند یک منبع آلی بوده و در محیط های آنوکسیک رخ می دهد (بدون اکسیژن). باکتری دنیتریفیه کننده غالب، پسودوموناس می باشد.
در شرایط عملی، به تقریبا 2.5 kg CH OH برای هر کیلوگرم NO-N نیاز دارید. لجن حاصل از میکروغربال ها به عنوان منبع آبی استفاده شده است، اما به نظر می رسد که تجمع اضافه لجن رخ می دهد که منجر به مشکلات بک واشینگ می شود. در فیلترهای مستغرق، دنیتریفیکاسیون گسترده رخ خواهد داد، حتی اگرچه فیلترها به صورت فیلترهای هوازی به کار می روند، این به دلیل این حقیقت است که "بیوفیلم" در وضعیت شرایط آنوکسیک در لایه های عمیق تر خواهد بود. اما نمی توان نظارت بر تمام فرایندهای مورد کاربرد، به عبارت دیگر اکسیداسیون مواد آلی، نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون را توصیه کرد. دنیتریفیکسیون باید در "بای پس" جهت جلوگیری از تجمع مواد آلی در فیلترهای طراحی شده برای نیتریفیکاسیون به کار برود. طرح معمول مخزن دنیتریفیکاسیون: مخزنی با مدیای فیلتری (100m/m). زمان اقامت تقریبا 4-2 ساعت. جریان باید جهت نگه داری غلظت اکسیژن خروجی در 2-3 mg/L یا نیترات در تقریبا 30 mg/L در نظر گرفته شود. اگر اکسیژن کاملا تخلیه شود، تولید H2S رخ خواهد داد که هم سمی بوده و هم دارای بوی بد است. شرایط زیست محیطی پایدار و C/N صحیح، برای عملکرد مهم هستند.
تولید لجن بسیار بالا بوده و واحد باید، به طور معمول یک بار در هفته بک واش شود. به نظر می رسد که مخزن تقریبا 10m3، سیستم را برای 200 کیلوگرم غذا در روز مدیریت کند. غلظت خروجی بسیار بالای نیترات اغلب یک مشکل می باشد. واحدهای کوچک توصیه می شوند.
تصویر 12. برج دنیتریفیکاسیون، با پمپ برای تامین متانول.
طراحی بیوفیلترها
فیلترهای بیولوژیکی بر اساس جذب سطحی و تجزیه زیستی ناخالصی های موجود در آب می باشند. میکروارگانیسم می تواند زندگی آزاد معلق در سیستم های لجن فعال شده با آب داشته باشد، یا می تواند بر روی محیط سطحی رشد کند. در فاضلاب شهری، سیستم های لجن فعال شده، وسیع ترین شکل می باشند. آنها دارای نوآرایی بالاتر در حجمی معین نسبت به سایر اشکال بوده و بنابراین دارای هزینه هایی پایین تر هستند. این تکنیک را نمی توان در پرورش ماهی استفاده کرد، چون آب خروجی دارای مواد مغذی بسیار پایین است. به دلیل بار اندک، زمان تقسیم برای باکتری ها بسیار طولانی بوده و آنها به بیرون از سیستم شستشو می شوند. باکتری ها قادر به ایجاد توده ها با دانسیته های به حد کافی بالا جهت امکان پذیر ساختن ایجاد رسوب و بازگشت نهایی از طریق پمپ به بیوراکتور نیستند. این ویژگی، نیاز اساسی برای لجن فعال شده می باشد.
این، تکنولوژی های بستر سیال یا بستر ثابت را ارائه می دهد؛ باکتری ها و سایر میکروارگانیسم ها به سوبسترا (بستر) متصل می شوند.
تصویر 13. عناصر فیلتر بیونت (150 m2/m3)
فیلترهای مستغرق:
ماده فیلتر مستغرق در مخزن می تواند آب درون ریز را به شیوه های زیر دریافت کند: جریان رو به بالا، جریان رو به پایین یا حتی افقی. تمام الگوهای جریان نیازمند افت بار بسیار اندک می باشند. ارتفاعات باربرداری نرمال: 5-1 متر. گاهی اوقات، اکسیژن اضافه باید جهت اطمینان از عملکرد مناسب افزوده شود. پس بار سطح هیدرولیک باید بیشتر از 0.3m/min باشد.
شکل 13. جریان رو به بالای عمودی
شکل 14. جریان افقی
فیلترهای چکنده:
ساختار "کابینی" بسیار مقرون به صرفه، نه ساختار مخزنی، مورد نیاز می باشد. حتی توزیع آب در راس باید تضمین شود. بار هیدرولیک نباید کمتر از 0.8m/h باشد. این نوع فیلتر، برای تبادل گازهایی همانند اکسیژن به آب و دی اکسیدکربن به بیرون از آب موثرترین مورد می باشد. اثر "دودکشی" به طور نرمال فیلتر را تمیز کرده، هوا به بالا یا پایین، بسته به تفاوت های دمایی هوای درون فیلتر و بیرون محیط حرکت خواهد کرد.
شکل 15. فیلترهای چکنده
کنتاکتورهای بیولوژیکی دوار (RBC):
ماده فیلتر بیولوژیکی به طور پیوسته می چرخد و دارای مزایای یکسان با فیلترهای چکنده می باشد. اما ساختار یک متر مکعبی ماده فیلتر بسیار گران است، بنابراین این نوع فیلتر بیشتر برای آب بسیار باردار مناسب می باشد. بسیاری از شرکت های آبزی پروری کوچک، RBC را با موفقیت بسیار اندک به کار بردند:
فیلترهای تصفیه آب با بستر سیال:
محیط فیلتر در حالت سوسپانسیون است، نواحی سطحی بسیار ویژه، یعنی واحدهای بسیار فشرده، افت بار اندک، اما مصرف انرژی برای ورود هوا موجود می باشد. این واحدها دارای استفاده ای گسترده در آمریکا بوده اند. به طور نرمال همراه با ماسه به عنوان مدیای حامل می باشد. این کارایی به عنوان بیوفیلترهای نیتریفیه کننده موثر بوده است، اما طرح هیدرولیک تا حد زیادی نامشخص است. فرد باید از ارتباط بین بار هیدرولیک، انبساط بستر و افت فشار اطلاع داشته باشد، چون آنها برای طراحی راکتور سیال بسیار مهم می باشند و مطابق با ویژگی های محیط گرانولار (دانسیته، اندازه و شکل، تخلخل و غیره) و از طریق دانسیته و ویسکوزیته آب تغییر می کنند. هیچ قاعده آسانی را نمی توان در این جا ارائه داد. طراحی باید بر اساس تست نیمه مقیاسی انجام شده توسط کارپرداز سیستم باشد. انواع جدید با محیط های حامل از انواع مختلف پلاستیک ها با نواحی سطحی بسیار بالای 400-2000m/m وجود دارند. از آنجایی که دانسیته های دانه ها بسیار نزدیک به یک می باشد، سیالیت به اندازه ای که برای فیلترهای شنی مهم می باشد دارای اهمیت نیست.
شکل 16. فیلتر با بستر سیال
در سرعت های پایین، آنها به عنوان فیلترهای احتباس ذرات استفاده شده اند. با این وجود، همان طور که لجن تجمع می یابد، سرعت نیتریفیکاسیون تنزل می یابد. نتیجه: با جذب جامدات، هدایت پذیری هیدرولیک کاهش می یابد و "بیوفلوک" منافذ بستر را پر می کند. بنابراین توصیه می شود که این فیلترها در سرعت های سطحی بالاتر که از تجمع لجن جلوگیری می شود به کار برده شوند. میکروغربال های قرار گرفته قبل از این فیلترها، بار ذره را در سرتاسر سیستم کاهش خواهند داد.
این دانه های پلاستیکی به کار رفته در بارهای هیدرولیک بالا (به عبارت دیگر ورود هوا) باکتری های مرده را جدا کرده و بیوفیلم بسیار "تازه" را در سطوح خارجی حفظ می کنند. برخی دانه ها به صورت قطعات مدور کوچک با بخش مقطعی داخلی تقریبا 1cm x 0.5cm ساخته می شوند. گزارش شده است که کارایی آنها به ازای هر متر مربع، نسبت به فیلترهای سنتی، 40m2 برای هر کیلوگرم خوراک به کار برده شده برای سیستم بالاتر باشد. این نشان می دهد که این دانه ها تا حدی به عنوان حامل-بستر برای نوعی لجن فعال شده، با به دست آوردن وزن های بالاتر از توده زیستی زنده به ازای هر متر مکعب حجم بیوفیلترها عمل کنند.
تکنولوژی هم چنین باید منطبق با گونه های پرورش داده شده باشد:
اولین بخش مرتبط با ویژگی های اقتصادی RAS بوده است، جهت تضمین محیط زیست بهینه برای ماهی یا سخت پوستان معین، انتخاب دقیق سیستم ها باید صورت گیرد:
ویژگی های آب
* میکروغربال ها به طور معمول، بخش جدانشدنی سیستم ها با بیوفلیترهای بستر متحرک می باشند. دهانه های پارچه فیلتر 80-60 میکرومتر قبل از فیلتر بیولوژیکی و 20 میکرومتری پس از آن.
بیوفیلترهای ترکیب شده با فیلتراسیون مکانیکی، بخش های اساسی هر سیستم تصفیه آبی می باشند. تغییرات و ترکیبات بسیاری وجود دارند. اگر علامت "var" در جدول بالا وجود داشته باشد، به معنای نوسانات می باشد که در پرورش ماهی تجاری قابل پذیرش نیست. پایین، متوسط و بالا، ارقام نسبی هستند، اما نشان دهنده ویژگی های آب بوده که ممکن است برای گونه های ماهی خاص اساسی باشند. برای مثال، اگر قصد راه اندازی پرورش تیلاپیا دارید، ممکن است در مورد غلظت بالای جامدات معلق، تا زمانی که BOD، آمونیا و نیتریت پایین است نگران نباشید. متصدی ماهی قزل آلا یا تخم ریزی ماهی در مورد جامدات معلق بسیار نگران بوده و در جستجوی ترکیبی از فیلترهای بیولوژیکی و مکانیکی جهت حفظ کدورت پایین می باشد.
همان طور که می توان از جدول بالا مشاهده کرد، تمام سیستم ها برای ایجاد غلظت های بسیار بالای نیترات طراحی می شوند.
نیترات بخش اصلی نیتروژن توتال را شکل داده و هم چنین ممکن است فاکتور محدود کننده برای عملکرد مناسب گونه های ماهی خاص باشد. بنابراین به جزئی عادی برای دارا بودن واحد دنیتریفیکاسیون به عنوان بخشی از سیستم تبدیل شده است که در نتیجه نیترات را به سطوح قابل قبول کاهش می دهد.