Введение
Любому рыбоводу в повседневной работе на УЗВ требуется иметь полную
картину происходящих процессов, а также прогнозировать события,
принимать управленческие решения. Вполне естественно возникает вопрос об
объективности восприятии происходящих процессов, точности прогноза и
оптимальности принимаемого решения. В повседневной рутине просто нет
времени на такие "возвышенные" вопросы. С другой стороны, большинство
простых ежедневных решений и не требуют своего обоснования и привлечения
средств и методов современной науки.
Однако рано или поздно по воле обстоятельств или инвесторов,
требующих прибыли (чем больше, тем лучше) перед любым руководителем
встанет проблема оптимизации производства рыбы. Чтобы ответить на этот и
другие сакраментальные вопросы, заметим, что широкий круг управленческих
решений принимается в ситуациях, которые можно разобрать на
составляющие, "разложить по полочкам", проследить и установить некоторые
связи или зависимости между этими составляющими, и вследствие этого
описать формальную ситуацию. Если эти формальности можно записать в
математической форме, то получим математическую модель ситуации. Имея
математическую модель, в зависимости от природы этой модели, к ней можно
применить достаточно большой арсенал математических методов для того,
чтобы "выжать" из нее нужную информацию. Итак, решение математической
модели получено. Ну и что с ним дальше делать - бегом бежать внедрять в
жизнь? Нет, бежать пока рано. Надо вспомнить, что мы получили решение
только для модели реальной проблемы. В процессе построения модели были
сделаны различные допущения, упрощающие реальную ситуацию, в результате
чего мы смогли ее формализовать. Зависимости, зафиксированные в модели,
только приближенно отображают реальные зависимости между факторами,
переменными решения и целью. Наши знания факторов, влияющих на цель,
зияют пробелами - значения многих параметров модели мы знаем только
приближенно. В том случае если реальные значения параметров хотя бы
немного отличаются от тех, которые заложены в модели, то насколько может
измениться решение и изменится ли вообще? Вот на такие и подобные
вопросы должен дать ответы анализ полученного решения. На научном языке
этот анализ называется анализом "чувствительности решения". Этот анализ
дает важную информацию, которую можно и нужно использовать при принятии
решения в реальной ситуации.
А так как всем процессом выращивания рыб управляет компьютер
(надежный, промышленный контроллер), имея в своем арсенале набор
запрограммированных математических моделей, он может в режиме реального
времени точно отвечать на многие вопросы. Это значительно
облегчит жизнь и даст возможность получать сверхприбыль.
Итак, наша работа разбивается на три части:
1. Процесс формализации и "математизации" вполне реальных жизненных
ситуаций, т.е. уход от реальности к компьютерным фантазиям.
2. Процесс решения математических моделей (с помощью математических
методов).
3. Процесс анализа и интерпретации результатов решения математических
моделей (т.е. "обратный" процесс перехода от математической модели к
реальной жизненной ситуации).
Все это является искусством, требующим серьезных знаний в разных
областях науки, а не простым техническим "действом", которому можно
научиться, прочитав несколько умных книг. К сожалению, как у нас
зачастую бывает, человек без специального высшего образования, прочитав
пару книг и что-то построив, уже считает себя Великим проектировщиком
УЗВ.
В 2007 году была введена в эксплуатацию первая в мире (из известных
нам УЗВ, а мы знаем много рыбных ферм в мире) автоматическая рыбоводная
установка для выращивания рыб, производительностью 5 тонн рыбы в год
(площадь помещения 120 м2). Хочется еще заметить, что это единственная
рыбная ферма, размещенная в Риге, все остальные размещаются в районе.
Всем процессом выращивания руководит промышленный контроллер
Siemens повышенной надежности. Он может не
только контролировать параметры воды в установке, но и их самостоятельно
их менять. Для этого у него есть специальные "рычаги" воздействия на
воду. Также контроллер осуществляет контроль за кормлением рыб, точно
следуя по программе, введенной рыбоводом. Это очень важно, т.к. корм в
себестоимости рыбы составляет 50-60%. Сотрудники нашей фирмы принимали
непосредственное участие в написании программы управления для
контроллера, также были приглашены лучшие два программиста Латвии,
специализирующиеся на промышленных контроллерах. Написание программы
заняло 6 месяцев, и 6 месяцев занял поиск и исправление ошибок при
применении программы в действующей установке по выращиванию рыб (УЗВ).
Сама наша УЗВ рассчитана на обслуживание одним человеком 30 минут через
день. Функция обслуживания состоит в засыпке корма в кормушки и
визуальном осмотре рыбной фермы.
Контроллер имеет средства коммуникации: WEB
сайт, на котором реализован контроль и управление (пока находится в
стадии создания), FTP сервер, е-майл,
SMS модем, который в случае аварии рассылает
сообщения на мобильные телефоны согласно введенного списка, а также
может принимать команды посредством SMS
модема. Контроллер по команде обратно высылает запрашиваемую информацию
в виде SMS сообщения или выполняет указанные
действия.
Для безопасности, а также для повышения надежности работы
контроллера, для коммуникации через интернет задействован
самостоятельный интернет-модуль, подключенный к контроллеру. В случае
поломки интернет-модуля или его "зависания" от многочисленных обращений
через интернет (стандартная хакерская процедура), интернет-модуль
отключается, что никак не сказывается на работе контроллера.
Описание команд SMS модема:
- Команда 11, запрос состояния основных узлов (это насосы,
генераторы и т.п.) УЗВ.
- Команда 12, запрос состояния второстепенных узлов (это
вентиляторы, свет и т.п.) УЗВ.
- Команда 13, запрос параметров воды.
- Команда 14, запрос текущей биомассы рыб в каждом бассейне.
- Команда 21, включить свет на 5 минут. Это сделано для того,
чтобы ночью если произошла авария, можно посредством веб-камер
оценить ситуацию на ферме.
- Команда 31÷3N,
включить кормушку №1÷№N.
- Команда 41÷4N,
выключить кормушку №1÷№N.
- Команда 4*, выключить все кормушки.
Про программу контроля очень подробно написано здесь:
Строительство автоматической, маленькой рыбной установки (УЗВ) для выращивания рыб. Раздел Автоматика
- панель оператора УЗВ. Располагается непосредственно в помещении рыбной фермы.
Описание панели управления рыбной фермы на русском языке. Размер инструкции
21 страница. Ниже приводится примеры 4 страниц из инструкции.
- первая страница инструкции
- третья страница, главное меню программы управления УЗВ
- страница управления главными циркуляционными насосами. Один насос рабочий,
второй резервный. Контроллер проверяет силу тока, убеждается, что насос работает;
проверяет давление в трубопроводе. Всегда работает один насос.
- окно архивации сообщений ошибок и аварий на УЗВ. Можно просмотреть список
сообщений и установить, что когда произошло.
До нового года программа к
контроллеру будет предоставляется бесплатно всем, кто заключит с нами
договор о строительстве осетровника для выращивание на мясо или на
черную осетровую икру. Спешите! После нового года программа будет
продаваться за деньги. Чтобы сделать подобную систему автоматики у себя
на рыбной ферме, Вам надо будет просто обратиться в Ваше
представительство Siemens,
купить контроллер с модулями расширения, согласно спецификации,
предоставляемой с программой.Василием Краснобородько написана серия
программ для удобства работы на дому или на отдыхе при помощи домашнего
или переносного компьютера. Эти программы сделаны на основе шаблонов
демо-программ, поставляемых с программным обеспечением контроллера.
Управление рыбной фермой можно осуществлять тремя способами:
- При помощи программ, написанных в Microsoft Office Excel 2003.
Для этого требуется компьютер, подключенный к интернету, и сама
программа. Сейчас учеными нашей фирмы разработаны две программы:
Shem и AkvaDataLog.
- При помощи своего мобильного телефона путем посылки и приема
SMS сообщений.
- При помощи интернет-сайта размещенного на интернет-модуле,
который напрямую подключен к контроллеру. Для этого требуется просто
подключенный к интернету компьютер, который можно найти в любом в
интернет-кафе.
Далее описываются более подробно программы для Excel и интернет-сайт
контроллера.
- Картинка программы не доступна, так как отражает нашу уникальную компоновку
УЗВ.
Эта программка может
запускаться с любого компьютера, подключенного к интернету.В этой
программе Василию Краснобородько впервые предложил новый метод, согласно
которому весь диапазон задач измерения, управления и регулирования работой УЗВ
реализуется средствами популярного программного пакета
Microsoft Office. Хотя это сегодня звучит не обычно, с помощью приложения
Excel можно получить прямой доступ к узлам УЗВ, что
делает этот подход универсальным и простым в использовании инструментами. При
этом даже базовые познания в области программирования макросов позволяют достичь
значительного сокращения трудовых и временных затрат. Для использования
Excel в сферах измерения, управления и регулирования
работой УЗВ, разработано Василием Краснобородько специальное ядро программы.
Дальнейшее усовершенствование программы Вы читать можете делать самостоятельно,
используя стандартные знания Excel.
Программа
Shem2, рисует всю схему УЗВ и отображает все параметры воды, биомассу
рыб в каждом бассейне, а также показывает какие устройства работают
(зеленый квадратик), а какие нет (светло-серый квадратик). Также
показывается режим работы оборудования: в автоматическом режиме или в
ручном. Работающие трубопроводы окрашены в синий цвет, неработающие в
светло-серый.
Для того, чтобы эта программка у Вас заработала надо указать ip адрес
контроллера. Это программа осуществляет стандартный обмен данными между
контролером и программами Microsoft Office. При хорошем знании программы
Excel, Вы можете самостоятельно написать свою версию управления
контроллером. Программа предоставляется с исходниками.
Реализована система звуковой аварии.
Formats:
.xls (119 k).
Last updated: 23.11.2007.
28 января 2008 года вышла
в свет новая версия программы, которая называется Shem3. В старой
версии все блок-схемы всех узлов и трубопроводы каждый раз
перерисовывались заново, в независимости от того, были ли изменения на
рыбной ферме, т.е. переключались ли насосы, или выключался ли какой-то
узел. Новая программа Василия запоминает текущее состояние УЗВ и
перерисовывает все только в случае изменений. Это повысило
быстродействие компьютера, на котором запущена эта программка. Новую
версию программы наши клиенты могут получить у Василия бесплатно.
Formats:
.xls (124 k).
Last updated: 28.01.2008.
27 февраля 2008 года вышла в свет новая версия
программы Василия Краснобородько, которая называется Shem5. Изменили
визуализацию, чтобы программа выглядела более профессионально, сделали ее
универсальной - запуск из нашего офиса или из любой другой точки земли.
- Вступительная часть.
- Выбор своего места подключения к интернету. У нас применена специальная
система защиты от несанкционированного доступа через интернет. При нажатии
выбранной Вами кнопочки, Вы увидите схему работы нашей УЗВ в реальном времени,
т.е. что работает, а что находиться в резерве, параметры воды и информация по
рыбе и корму. Все на одной страничке Вашего компьютера. Все просто и понятно.
Formats:
.xls (676 k).
Last updated: 27.02.2008.
28 мая 2008 года Василия Краснобородько написал
новую версию программы, которая называется Shem6. Были найдены и
справлены некоторые ошибки, добавлена визуализация по работе бензинового
электрогенератора.
Formats:
.xls (690 k).
Last updated: 28.05.2008.
Предоставляется бесплатно с программой для контроля и слежения за УЗВ.
Автор программы: Василий Краснобородько.
- страница управлением записи параметров воды в базу данных. Вывод графиков
параметров воды.
Программа AkvaDataLog,
которая может опрашивать контроллер посредством интернета, но при этом
сохраняет данные параметров воды в Exel и в
базе данных Access. Вы сами можете указать ip адрес контроллера,
интервал опроса (сейчас установлено 5 секунд) и т.п. Эту программу
удобно запустить дома и писать базу данных параметров воды. Потом можно
в деталях посмотреть изменение выбранного параметра воды во времени.
Запись ведется по следующим параметрам:
- Столбец А: Время записи.
- Столбец B по F:
Кислород с 1 по 5 бассейны.
- Столбец G: рН воды
- Столбец H: Температура воды.
- Столбец I:
Электропроводность воды.
- Столбец J: ОВП.
- Столбец K: Общий аммоний.
- Столбец L: Нитриты.
- Столбец M: Нитраты.
- страница отображения параметров воды, а также параметров автоматических
кормушек. Просматривать эту картинку надо с максимальным увеличением, так будет
красивее.
На другом листе этой же
программки "Бассейны", реализована программа контроля параметров воды в
бассейнах с визуализацией, а также изменения параметров кормушек в
каждом бассейне. Т.е. эта программа не только считывает информацию с
контроллера, но и ее изменяет так, как требуется рыбоводу. Ведется учет
прироста биомассы и расход комбикорма. Как она работает можно посмотреть
на копии экрана.Столбцы с
A по F визуализируют
параметры воды в УЗВ. Столбец H показывает
текущую биомассу рыб в каждом бассейне, статус кормушки, общее
количество скормленного корма, время включения кормушки, время
выключения, первоначальная биомасса рыбы в бассейне, количество
скармливаемого корма в день в % от массы рыбы, кормовой коэффициент,
количество кормлений в сутки. Столбец K
отображает расширенную информацию о кормлении: скорость дозирования
корма, требуемое количество корма в сутки, количество корма, высыпаемого
за один раз, время (в 100 мс или в минутах) работы кормушки в день и за
одно кормление, время работы кормушки всего в день, количество
скармливаемого корма в день.
Столбец О-P реализует запись новых
параметров кормушек в память контроллера. Столбец I:
здесь отображены три командные кнопки: переключение кормушки в
автоматический режим или в ручной, принятие введенных новых значений
параметров кормушки и "ресет" (обнуление) общего количества скормленного
корма в данном бассейне.
Автор программы: Василий Краснобородько.
Formats:
.xls (265 k).
Last updated: 23.11.2007.
Предоставляется бесплатно с программой для контроля и слежения за УЗВ.
Эти две программы
позволяют наблюдать и немножко участвовать в работе УЗВ, сидя дома или
отдыхая на природе, на море. При хорошем знании Exel
можно самостоятельно сделать свою версию управления. Программу передаю в
открытом коде. Нам контроллер Siemens позволяет одновременно
подключаться посредством интернета к 8 пользователям, но мы пока никому
не даем возможность подключаться к нашему контроллеру.Сейчас
готовится интернет версия программы управления контроллером.
2.1. Программа AkvaDataLog4
После выхода в свет нашей программы кормления рыб, к нам поступили
предложения по модернизации этой программы. Идя на поводу трудящихся
масс, мы выпустили новую версию программы. Основные надписи выполнены на
русском языке. Наши друзья рыбоводы из Украины посоветовали считывать
расписание кормления рыб по каждому бассейну и отображать на странице
ближайшее время кормления (ячейка K12 и т.д.),
чтобы посмотреть на поведение рыб при кормлении по видеокамерам через
интернет.
Эта программу мы задумывали для рыбовода, который следит за
состоянием рыб, кормит рыб (дистанционно), ведет учет потраченных кормов
и прирост биомассы, соблюдает технологию выращивания данного
гидробионта.
- модернизированная версия (№4) программы кормления рыб
Автор программы: Василий Краснобородько.
Formats:
.xls (245 k).
Last updated: 12.12.2007.
Предоставляется бесплатно с программой для контроля и слежения за УЗВ.
2.2. Программа AkvaDataLog5
Выпустили улучшенную версию этой программы. Оптимизировали код программы для
быстрой связи с контролером и отображения полученной информации, а также по
просьбе рыбоводов добавили две новые ячейки к каждому бассейну: прогноз
прироста биомассы рыб за 30 суток, а также прогноз затрат корма за будущие 30
суток, чтобы рыбовод мог уточнить наличие корма на складе и при его отсутствии
заказать у нас новую партию корма. Инвестору эти дополнения тоже будут полезны,
т.к. он сможет прогнозировать будущий приход и уход денежных средств. Нам многие
пишут, что такая система автоматизации не интересна для маленькой УЗВ. Хотим
пояснить. А кто сказал, что наша система предназначена только для маленьких
УЗВ? Контроллеру все равно какую нашу УЗВ контролировать и сколько считать рыбы,
добавиться просто больше цифр, т.е. производство 5 тонн в год или 500 тонн в
год.
- модернизированная программа.
Автор программы: Василий Краснобородько.
Formats:
.xls (239 k).
Last updated: 27.12.2007.
2.3. Программа AkvaDataLog7
13 февраля 2008 года. Программа перегружена числами. Лишнее убрали,
реорганизовали представление информации на экране рыбовода. Добавили
сервисные функции:
- Потребление кислорода рыбами в данный момент по каждому
бассейну, мг О2/мин.
- Прогноз концентрации кислорода в каждом бассейне через 60 минут.
- Василий предложил оригинальный алгоритм вычисления аппетита у
рыб - насколько хорошо они едят предложенный корм. Метод примерный,
имеет только три градации: плохой, хороший и отличный. Добавили
параметр аппетита по всем бассейнам, контроллер вычисляет и
отображает его в реальном времени.
Автор программы: Василий Краснобородько.
Formats:
.xls (300 k).
Last updated: 13.02.2008.
Предоставляется бесплатно с программой для контроля и слежения за УЗВ.
Мы подключили к контроллеру независимый интернет-модуль. Применили
специальную защиту от взлома и "зависания". В случае его "зависания",
это никак не повлияет на работу контроллера. Интернет-модуль имеет
фиксированный адрес, доступ к нему из интернета дополнительно защищен
роутером и он работает независимо от
контроллера (только считывает данные). Общий объем памяти на модуле 8
мегабайт, это наложило ограничения на размер сайта. Надо было сделать
его функциональным и в тоже время маленьким. С помощью этого сайта можно
получать полную информацию о параметрах воды, режимах работы
оборудования, кормлении рыб и их количестве. ip
адрес, естественно, не для всех, поэтому он закрашен черным
прямоугольником.
- главная страничка
На этой страничке надо выбрать, откуда Вы подключаетесь к контроллеру: из
интернета или Вы находитесь во внутренней сетке с контроллером. От этого
зависит вид подключения к интернет модулю.
- После выбора начинается загрузка Java программы
визуализации.
После загрузки программы, запустится первая страничка и Вас попросят набрать
логин и пароль для подключения.
При правильном наборе логина и пароля начнется считывание данных с
контроллера.
Как видно на картинке,
здесь отображаются параметры воды в каждом бассейне, уровень воды,
количество рыбы и скармливаемого корма в сутки. Зеленым цветом показаны
работающие в данный момент насосы, имитация восхода и заката солнца (3
канала светильников), генераторы кислорода и озона и другое
электрооборудование. Приставка слева "Руч" означает, что контроллер не
управляет сейчас этим узлом (например, насосом), а "Авт" означает, что
управляет. Например, у нас все насосы дублируются, и контроллер сам их
включает или выключает. Это обеспечивает надежность водоснабжения
бассейнов и работы системы фильтрации. На каждом трубопроводе
дополнительно установлены датчики давления, даже на магистральном
трубопроводе кислорода их 2. Как Вы можете заметить, у нас в данный
момент не работают генераторы кислорода и озона, т.к. рыбы мало
(параметры воды в норме), и контроллер решил, что нет необходимости в их
включении. Это значительно экономит электроэнергию и ресурс узлов.
Механический фильтр сейчас тоже выключен, т.к. он включается только
когда микросетка забьется. Это происходит примерно раз в 20 минут на
несколько секунд.Слева внизу находится меню выбора окон
визуализации: "Общая" - это первое окно (которое Вы уже видели), далее
"Кормушки" - параметры кормушек в каждом бассейне и прогноз роста рыб и
затрат корма на 30 суток, далее окно электрогенератора, но оно еще не
готово. Если Вы нажмете на окно кормушки, то увидите следующее:
Параметры кормушек:
- Биомасса находящейся в данном бассейне рыбы.
- Количество скармливаемого корма в сутки.
- Сколько уже сегодня было скормлено корма.
- Сколько раз в сутки осуществляется кормление.
- Скорость дозирования кормушек. У нас все кормушки высокоточные,
т.к. в себестоимости рыбы корм составляет 50-60%
- Статус кормушки - включена или выключена. Контроллер
самостоятельно отключает кормушки, если остановились насосы, или
параметры воды плохие, или по команде рыбовода (через интернет,
панель оператора или мобильного телефона).
- Кормовой коэффициент.
- Время начала кормления.
- Время конца кормления.
- Доза корма в сутки в зависимости от массы тела рыб.
- Прогноз новой биомассы рыб через 30 суток выращивания.
- Прогноз расхода корма за 30 суток.
И так по всем бассейнам. К каждой рыбе индивидуальный подход - разный
корм и т.п. Все продумано для того, чтобы максимально полно
удовлетворить потребности рыбы, с целью создания максимально комфортных
условий существования, а значит и гарантировать ее быстрый рост.
Справа внизу находится прямоугольник "Время опроса". В этом окошке
можно выбрать интервал считывания информации с контроллера, от 1 секунды
и до 60 секунд:
Чтобы не загружать интернет, ручное считывание, когда Вам надо:
Автор web сайта и Java программы:
Василий Краснобородько.
Formats: web (2
M).
Last updated: 28.12.2007.
3.1. Интернет-сайт контролера
13 февраля 2008 года.
Произвели новую модернизацию сайта. Добавили в Java
приложение на главной странице:
- По каждому бассейну потребление кислорода рыбами в данный
момент, мг О2/мин.
- Василий предложил оригинальный алгоритм вычисления аппетита у
рыб, насколько хорошо они едят предложенный корм. Метод примерный,
имеет только три градации: плохой, хороший и отличный. Добавили
аппетит по всем бассейнам, контролер вычисляет его в реальном
времени.
- Добавили дополнительную табличку "Итоги". Сюда включено: общее
количество рыбы кг, количество скармливаемого корма в сутки,
потребление воды в сутки м3, потребление кислорода в сутки кг,
текущее потребление электричества кВт.
Formats: web (2
M).
Last updated: 13.02.2008.
3.2. Интернет-сайт контролера
28 мая 2008 года.
Василий выпустил новую версию интернет сайта контролера. Была добавлена
новая страничка визуализации работы бензинового электрогенератора. Слева
изображается напряжение в сети ЛатвЭнерго, справа параметры и напряжение
генератора. Также показывается от какой линии сейчас питается УЗВ: от ЛатвЭнерго
или Генератора.
- визуализация энергоснабжения рыбной фермы.
Formats: web (2
M).
Last updated: 13.02.2008.
Автор web сайта и Java программы:
Василий Краснобородько.
Предоставляется бесплатно с программой для контроля и слежения за УЗВ.
4.1 Мы рады сообщить, что
ученые нашей фирмы написали дифференциальное уравнение концентрации
кислорода в бассейне с рыбой и получили его точное решение. На самом
деле это уравнение представляет из себя закон сохранения массы для
кислорода. Известно много вариантов математических моделей концентрации
кислорода в бассейнах с рыбой и все они базируются на
программах-монстрах, таких как MathCAD и т.п.
Но такие дорогие (стоят от 10000 евро) и большие программы
(установочный диск DVD) невозможно впихнуть в
контроллер, который управляет УЗВ.
Теперь это нам открывается возможность устанавливать данное
достижение в управляющий контроллер, и он сможет в реальном времени
делать предсказания поведения концентрации кислорода в бассейнах с рыбой
с точностью до минуты. Контроллер сам вычисляет текущее потребление
кислорода (мг/мин) в каждом бассейне с биомассой рыбы, сравнивает с
притоком кислорода (мг/мин) по подающим трубопроводам, и на основании
этих данных вычисляет будущую концентрацию кислорода в бассейнах через
заданный промежуток времени. Точность будет зависеть от точности
измерения концентрации кислорода датчиками. Если хотите иметь точные
прогнозы, то чаще проверяйте и калибруйте датчики кислорода в системе.
Далее расскажем об интересных выводах.
1. Например, возьмем необычный случай: в бассейне концентрация
кислорода равна 0 мг/л. Включили УЗВ. Система оксигенации обеспечивает
концентрацию кислорода в подающем трубопроводе 20 мг/л. Как себя будет
вести концентрация кислорода? Здесь рассматривается случай присутствия
рыб, допустим, что они существуют при низкой концентрации кислорода.
2. Например, концентрация кислорода в бассейне с рыбой была 5 мг/л.
Возобновили подачу воды в бассейн. Что будет?
3. Идем дальше. У нас УЗВ работает. Плотность посадки рыбы рабочая, т.е.
большая, рыба активно питается, концентрация О2 = 8 мг/л и тут произошла
остановка главного насоса, который подает воду в бассейн. Сразу возникает
вопрос: за какое время кислород в бассейне с рыбой упадет до критического
значения равного 5 мг/л? Ответ: 8 минут.
4. Еще один интересный случай. Мы работаем, все хорошо. О2= 8 мг/л. Вдруг
ломается генератор кислорода. В таком случае вода подается в бассейн с
концентрацией 9 мг/л, т.к. у нас орошаемый биофильтр и он эффективно насыщает
воду кислородом с помощью воздуха. Что будет происходить?
Рыбки поживут чуть
побольше, а именно 10 минут. Вот поэтому мы особое внимание уделяем
надежности нашей установки замкнутого водоснабжения, все основные
системы жизнеобеспечения дублируются. Контроллер без команды оператора
УЗВ сам переключается на дублирующие узлы при возникновении неполадок в
основном узле. На мобильные телефоны сразу же высылается
SMS с описанием возникшей проблемы.
Еще наш контроллер запрограммирован на прекращение кормления рыб при
аварийных ситуациях, при плохих параметрах воды и при резких изменениях
параметров воды (резкие изменения приводят к стрессу у рыб, корм они не
берут, он уходит в канализацию). Это сделано для того, чтобы еще сильнее
не усугубить ситуацию в бассейне с рыбой. Когда рыба ест, то она больше
потребляет кислорода и, соответственно, больше гадит. Очень важно чтобы
вся система управления УЗВ была в одних руках. В данном случае - в руках
контроллера, который владеет всей ситуацией на рыбной ферме. Обычно на
рыбных фермах ставят разные контроллеры на аварии и на кормушки. Это
приводит к тому, что пока устраняют аварию, забывают про то, что рыбе
продолжает даваться корм.
Теперь как Вы видите, наши дорогие читатели, мы можем не только
сказать справится ли наша система оксигенации воды или нет, но и если не
справится (т.е. концентрация О2 упадет до критической отметки), то когда
это произойдет. Этой программой мы ставим точку в вопросе применять
кислород или нет. Если не применять генератор кислорода, то тогда в
каких рамках мы можем работать или до какого времени можем работать. Это
стало возможным благодаря объединению усилий наших программистов,
инженеров, математиков и физиков.
Сейчас ведутся работы по программированию контроллера, чтобы он мог
делать прогнозы в реальном времени на 60 минут вперед. Контроллер будет
за каждый цикл программы считывать текущие состояние дел и заново
пересчитывать прогноз на 60 минут вперед.
4.2 27 октября 2008 года ученые нашей фирмы написали и внедрили
программу предсказания концентрации аммония. Компьютер считывает концентрацию
аммония до биофильтра и после. На основании этих данных вычисляет:
- Нагрузку на биофильтр, NH4-N,
г/сутки.
- Текущую окислительную способность биофильтра, NH4-N
г/(м2*сутки).
- Эффективность биофильтра, %.
Так как компьютер знает количество рыбы и корма скармливаемого в сутки, то он
строит прогноз изменения концентраций аммония до и после биофильтра в воде на
720 минут вперед.
пример графика, показывающий изменения концентрации аммония в воде во времени.
Далее, зная текущею температуру воды и рН воды, вычисляет концентрацию
аммиака в воде, чтобы рыбовод мог оперативно следить за концентрацией токсичного
аммиака в воде и не тратил время на пересчет аммония в аммиак. Также компьютер
анализирует окислительную способность биофильтра по методики
E. H. Eding, Aquaculture and Fisheries Group,
at Wageningen University (Голландия), чьи лекции
Василий Краснобородько прослушал в 2006 году. Согласно данной методики
определяет что является лимитирующим фактором окислительной способности
биофильтра. На основании этой информации рыбовод получает полную информацию по
работе биофильтра.
Данная программа прогнозирования особенно нужна на УЗВ при проведении
лечебных мероприятий с рыбой и применения антибиотиков или антибактериальных
средств, так как позволяет в реальном времени оценивать окислительную
способность биофильтра и если бактерии находятся в подавленном состоянии, не
дожидаясь, когда концентрация аммония возрастет до критического уровня. Также
важно знать в каком режиме сейчас у Вас работает биофильтр, насколько он
нагружен или перегружен.
Хотелось бы поблагодарить ученых и инженеров нашей фирмы за простую и
надежную конструкцию биофильтра. За год эксплуатации биофильтра с ним не разу не
было проблем, его ни разу не разбирали и не чистили, так как он само очищаемый.
Наша установка замкнутого водоснабжения для выращивания рыбы, дополненная
вычислением потребления кислорода рыбами и прогнозированием концентрации аммония
в воде, является единственной автоматической УЗВ с интеллектуальным управлением.
Аналогов в мире пока нет.
Нашим сотрудником
Краснобородько В.В. разрабатываются две программы, которые написаны в
Microsoft Excel в 2004 году. Благодаря этим программам, пользователи
могут видеть сами формулы, которые использовались. Могут их
корректировать, что делает работу с программами удобной для
профессионалов в этой области. Новичкам эти программы также будут
полезны, т.к. в них понятно, что откуда берется, даны ссылки на
источники информации и воедино собран материал из разных областей науки:
ихтиология, теплотехника (расчет потерь тепла, вентиляция,
энергоносители, расчет энергии выделяемые рыбами и бактериями),
термодинамика газов, экономика, гидродинамика, гидропоника, экология
(симбиоз разных форм жизни, проектирование очистных сооружений),
маркетинг (расчет объема продаж, бизнес план), гидрохимия, геометрия
(расчет объемов и площадей разных тел).
На написание программы Akva, Василий потратил
примерно 2 года, неисчислимое количество часов работы в Московской
Сельскохозяйственной библиотеке, несчетное количество денег на покупку самых
последних иностранных книг (по темам Aquaculture, Aquaponic, Horticulture,
WasteWater engineering, Heating and Hydraulics) и выписывание периодических
изданий.
На странице Download выложено
несколько маленьких, бесплатных программ, которые можно скачать.
1. Akva
Данная программа позволяет рассчитать ферму для выращивания рыбы (по
выбору: осетр, сом, тиляпия), построенную по принципу замкнутой системы.
Очистка воды осуществляется или системой механических и биологических
фильтров, или салатом, растущим на гидропонике в теплице. Все, что вам
нужно - это выбрать вид рыбы и требуемую производительность рыбы в год.
Все остальное сделает программа - сама нарисует план фермы с указанием
размеров, рассчитает несколько вариантов фильтров (механическая
фильтрация; биологическая: аммонификация или минерализация органики,
нитрификация, денитрификация), необходимый водообмен, расход чистого
кислорода для оксигенаторов (расчет разных оксигенаторов в эту программу
не включены, есть на отдельной программе), площадь теплицы, урожай
салатов, оптимальные диаметры всех труб (вычисляются скорости потока,
начальные напоры воды и потери на трение), теплопотери с реальной
привязкой к климату в вашем районе на основе данных гидромецента,
себестоимость продукта (переменные расходы: электричество, корм, вода,
мальки, химия, кислород, проценты по кредиту, дополнительные расходы;
постоянные расходы: аренда помещений, амортизация, зарплата, отопление),
бизнес план с маркетингом, строит диаграммы для гидрохимии воды и т.д.
На 70% программа переведена на английский язык. В будущем эту
программу планируется продавать через интернет-магазин иностранным
студентам и узкому кругу специалистов. Предполагаемый объем возможных
продаж составляет 5-10 тысяч копий. Предложения по вопросам будущих
продаж этой программы скидывайте на наш е-мэйл!
Осуществляем расчет установок оборотного водоснабжения рыбоводных
ферм. Также можем рассчитывать для зоомагазинов систему биофильтров
(морских, пресноводных) для централизованной очистки воды после
аквариумов.
Обращайтесь!
Краткое описание возможностей программы для расчета коммерческих
замкнутых систем. Пишите, какую рыбу вам надо выращивать (осетр, тиляпия,
сом), сколько тонн в год, все остальное она сделает сама.
Что вычисляет и использует программа "Akva":
1. Программа
занимает 2,3 МБ, написана в Microsoft Exel
2000.
2. Технические
(know-how):
2.1. Компоновочная
схема установки. Максимально упрощена, в результате этого минимум
эксплуатационных затрат, вероятность поломок минимальна.
2.2. Выбор
оптимального типа биофильтра.
2.3. Выбор
пластиковой загрузки для биофильтра.
2.4. Выбор размера
ячейки микросетки, для самопромывного механического фильтра. Расчет
Ламерра сепаратора, гидроциклона, конусного отстойника.
3. Методики
расчета (know-how):
3.1. Методика расчета
водообмена в бассейнах (м3/час) по общему азоту (TAN),
кислороду (O2), взвешенным частицам (TSS),
углекислому газу (CO2). В итоге берется
максимальная из этих четырех.
3.1.1. Исходные
данные:
3.1.1.1.
температура воды, ºС;
3.1.1.2.
высота над уровнем моря, м;
3.1.1.3.
атмосферное давление, мм Hg;
3.1.1.4.
масса рыбы, кг;
3.1.1.5.
количество корма потребляемого в сутки рыбами, % от массы тела;
3.1.1.6.
количество протеина в комбикорме, %;
3.1.1.7.
max допустимая концентрация TSS, мг/литр;
3.1.1.8.
max допустимая концентрация TAN, мг/литр;
3.1.1.9.
min допустимая концентрация O2, мг/литр;
3.1.1.10.
max допустимая концентрация CO2, мг/литр;
3.1.1.11.
необходимо знать эффективность компонентов установки по таким
показателям, как:
3.1.1.11.1.
TSS, %,
3.1.1.11.2.
TAN, %,
3.1.1.11.3.
O2, %,
3.1.1.11.4.
CO2, %
3.2. Методика расчета
ежедневной смены воды по нитратам (без учета растений, например, в
зимний период), в % от общего объема воды. При наличии растений эта вода
используется как питательный раствор для них.
3.2.1. Исходные
данные:
3.2.1.1.
масса рыбы, кг;
3.2.1.2.
количество корма потребляемого в сутки рыбами, % от массы тела;
3.2.1.3.
количество протеина в комбикорме, %;
3.2.1.4.
максимальное содержание нитратов в бассейнах max NO3,
мг/литр.
3.3. Методика
расчетов биофильтров:
3.3.1. Орошаемый
биофильтр. Исходные данные:
3.3.1.1.
масса рыбы, кг;
3.3.1.2.
количество корма, потребляемого в сутки рыбами, % от массы тела;
3.3.1.3.
количество протеина в комбикорме, %;
3.3.1.4.
водообмен, м3/час;
3.3.1.5.
скорость «поедания» общего азота бактериями, г/м2*день;
3.3.1.6.
площадь загрузки биофильтра, доступная бактериям, м2/м3;
3.3.1.7.
гидравлическая нагрузка, м3/м2*день.
3.3.1.8.
температура воды.
3.3.2. Вращающийся
биофильтр.
3.3.3. Биофильтр с
движущейся загрузкой.
3.4. Методика
расчетов оптимального гидроциклона (для более лучшего удаления
взвешенных частиц в воде): диаметр, м, высота, м, геометрия конуса:
3.4.1. Исходные
данные: водообмен, м3/час.
3.5. Формула расчетов
необходимой площади теплицы для выращивания салатов, м2:
3.5.1. Исходные
данные:
3.5.1.1.
масса рыбы, кг;
3.5.1.2.
количество корма, потребляемого в сутки рыбами, % от массы тела.
3.6. Расчет геометрии бассейнов для оптимального удаления и
самоочистки от взвеси.
3.7. Расчет бокового и нижнего слива из бассейна, для превращения
бассейна с рыбой в сепаратор для более оптимального удаления взвеси.
3.8. Расчет пеноотделительной колонки.
3.9. Расчет колонки для удаление избыточного углекислого газа.
4. Гидрохимия
воды (know-how):
4.1. рН воды меняется
быстро в системе, причем в сторону уменьшения, если нет растений. Если
есть растения, то рН меняется медленней. Таким образом, рН необходимо
корректировать.
4.1.1. Замкнутая
система для рыбы без растений:
4.1.1.1.
повышение рН при помощи вещества, которое есть на кухне почти у всех
домохозяек. Довольно быстро повышает рН, хорошо растворяется в воде и
оказывает меньшее влияние на щелочность воды, в отличии от других
веществ;
4.1.1.2.
методика расчета количества данного вещества (кг) в зависимости от
количества корма (кг), скормленного рыбам.
4.1.2. Замкнутая
система для рыбы с растениями:
4.1.2.1.
повышение рН при помощи двух веществ. Применяются в зависимости от
анализа воды, как питательный раствор для растений.
4.1.3. Построение
диаграммы: рН от щелочности воды, учитывается максимальное содержание
СО2 и аммиака в воде при заданной температуре. Расчет области, в которой
надо удерживать рН и щелочность воды, чтобы СО2 и аммиак не достигли
критических значений.
4.2. Методика борьбы
с повышенным содержанием не ионизированного аммония (NH3),
путем изменения рН.
4.3. Методика борьбы
с повышенным содержанием нитрита NO2 (не
путать с нитратами NO3!), путем добавление в
воду вещества, которое используется в кулинарии.
4.3.1. Методика
расчета количества этого вещества (кг) в зависимости от содержания
нитрита в воде, мгр/литр.
4.4. Для борьбы с
нитратами (NO3), предполагается использовать
растения, а при их отсутствии делать подмену воды (см. п. 3.2).
5. Методика выращивания салатов на плавающем пенопласте:
1.1.1. 35 дней
растить до 150 г от семечка, каждый день сеять и собирать урожай;
1.1.2. экономия
места и как следствие - минимум затрат на искусственное освещение и
отопление.
Известные методики,
которые используются, для достижения максимальной рентабельности
производства, "know-how" не являются
Методики расчетов:
- Оптимальной
геометрии бассейнов.
- Диаметров труб.
- Напоров воды в
трубах.
- Потери напора воды
в трубах:
- На трение.
- В кранах,
поворотах, тройниках и т.д.
- Расчет вентиляции
воздуха в помещении, где выращивается рыба (берется максимальный
воздухообмен из этих четырех значений):
- по предельной
влажности;
- по потреблению
кислорода;
- по выделению
углекислого газа;
- проникновение
воздуха с улицы через стены здания.
- Теплопотери (с
учетом реальной температуры в г. Риге по данным гидрометеослужбы в
течение всего года и по каждому дню):
- через стены;
- через потолок;
- через пол;
- нагрев свежей
воды;
- нагрев воздуха
для вентиляции;
- потери на
испарение воды;
- то же самое
для теплицы.
- Расчет выделения
тепловой энергии:
- рыбами;
- бактериями,
живущими в биофильтре.
- Отопление.
- Выбор энергоресурсов (сжиженный газ,
природный газ, дерево, торф, дизель, электроэнергия).
Определение стоимости теплоты сгорания: $/МДж с учетом
эффективности сгорания. Для Риги самая низкая стоимость тепла
оказалась для торфа!
- Экономический эффект при объединении
вентиляции рыбной фермы и теплицы.
- Расчет максимально
возможной концентрации кислорода в воде при данных
гидрометерологических условиях. Используется в методике п. 3.1.
- Расчет экономики.
- Расчет
переменной себестоимости продукции: электричество, корм, вода,
мальки, химия, кислород, проценты по кредиту, дополнительные
расходы,
- Расчет
фиксированной себестоимости продукции: аренда помещений,
амортизация, зарплата, отопление,
-
«Break-even» - анализ,
- Сравнение
традиционной гидропоники с аквапоникой с точки зрения экономики.
- Сравнение
традиционного метода выращивания рыб с замкнутой системой с
точки зрения оборотных средств.
- Маркетинг
производимой продукции.
- Расчет объема
продаж рыбы и салата по странам: Польша, Латвия, Литва, Эстония,
Финляндия, Швеция,
- Пишет краткий
бизнес план,
- Рисует схему установки. Разные элементы, разными цветами. Рисует
конкретно для заданного вида рыб и для требуемой производительности.
(если изменяете производительность: например, с 50 тонн в год рыбы
на 100 тонн рыбы в год, программа заново все перерисовывает и
пересчитывает)
- Вид сверху с
размера в метрах,
- Вид сбоку +
проставляет все диаметры труб (в дюймах) и пишет расчетную
пропускную способность труб(м3/час),
- Вид сбоку +
проставляет начальный напор воды в трубах (в метрах) и потери
напора на трение (метрах) с учетом поворотов труб. После такого
анализа легко понять где больше всего теряется энергии и что
надо сделать для минимизации этого.
- Рассматриваются процессы:
- Аммонификации. Превращение органики в
аммонийную форму азота.
i.
Оптимальные условия протекания.
ii.
Потребление кислорода.
-
Нитрификации.
Аммонийный азот – Нитридный – Нитратный.
i.
Оптимальные условия протекания.
ii.
Потребление кислорода.
iii.
Потребление щелочности воды и сдвиг в сторону уменьшения
pH воды.
iv.
Расчет количества основания, которое нужно добавить для
возвращения pH в исходное состояние.
-
Денитрификация.
Переход нитрата в газ азот.
i.
Оптимальные условия.
ii.
Количество выделившегося кислорода и щелочности при этой реакции.
iii.
Расчет количества метанола, необходимого для ускорения этой
реакции.
- Растворенные в воде газы. Исходные параметры:
соленость, температура, высота над уровнем моря.
-
Кислород.
i.
Максимальное насыщение воды воздухом.
ii.
Максимальное насыщение чистым кислородом.
iii.
Парциальные давления газа.
-
CO2.
i.
Максимальное насыщение воды воздухом.
ii.
Парциальные давления газа.
-
Азот.
i.
Максимальное насыщение воды воздухом.
ii.
Парциальные давления газа.
-
Аргон.
i.
Максимальное насыщение воды воздухом.
ii.
Парциальные давления газа.
-
Расчет
мелкопузырькового распылителя воздуха для насыщения воды
кислородом.
- Калькуляторы для расчета:
- Щелочности, pH и
CO2. Построение pH
диаграммы.
- Аммиака (NH3),
от температуры, общего аммония и солености.
- При известной pH,
концентрации ионов солей, вычисляет жесткость воды, щелочность.
Автор программы: Краснобородько Василий.
Formats:
.xls
(2,37
M).
Last updated: 08.05.2004.
Эта программа предназначена для широкого круга посетителей нашего
сайта. Поэтому хотелось бы немного остановиться на азах вышеуказанных
процессов. Эксперты в этой области могут пропустить эти разделы и
перейти к описанию самой программы.
Вначале мы остановимся на работе бактерий, т.к. сердце любой УЗВ -
это биофильтры.
Жизнь
1. Для всего живого нужны следующие вещества: H,
O, C, N, P, S и другие второстепенные элементы.
2. Требуется энергия. Разные бактерии используют разные источники
энергии.
- Солнечная: Фотосинтетические Автотрофы (Autotrophy).
- Органика: Гетеротрофы (Heterotrophy).
- Неорганика: Хемотрофы (Chemoautotroph).
Фотосинтетические Автотрофы
1. Берут энергию от солнца.
2. Получают элементы Н и О из Н2О; С из СО2
3. N, P, S, и т.д. получают из растворенных солей: NH4+,
NO3-, PO43-, ...
- N, P - очень важные вещества (Eutrophic).
4. Производят высоко энергичную органику (Н,
С, О) и производят Кислород.
Растения: СО2 + солнце → О2,
Аэробы: Органика + О2 → СО2 + Н2О,
Анаэробы: Органика → СО2 + CH4 +
NH3
Гетеротрофы
1. Берут энергию из окисления органики. Есть несколько эмпирических
формул органики, которые встречаются в литературе: C5H7O2NP0,2
; C5H9O2,5NP0,2
; C60H87O23N12P
.
2. Используют высокоэнергичную органику и формируют более сложную
биомассу, включая протеины.
3. Энергия тратится на:
- производство массы клеток,
- свободная энергия,
- потери на тепло.
4. Когда органическая энергия заканчивается, то гетеротрофическая жизнь
прекращается.
5. Производят пену на поверхности воды.
6. В биофильтрах присутствуют и хищники, такие как:
Protozoa и Rotifer , они питаются
бактериями и от общей биомассы могут составлять 5%.
Хемотрофы
1. Получают энергию от окисления неорганики.
2. Нитрифицирующие бактерии (аэробы).
2 NH3 + 3O2 → 2 NO2- +
2H+ + 2H2O
2 NO2- + O2 → 2 NO3-
–Итоговая реакция:
NH3 + 2O2 → NO3- + H+ +
H2O
Отсюда легко подсчитать, что для окисления 1 г
N, нужно потратить = 4 * 16 / 14 =
4,57 грамм О2.
А полная реакция окисления аммонийного азота до нитрата, выглядит
так:
NH4(+)+1,86O2+1.98HCO3(-) =
0,02206C5H7NO2+0,980NO3(-)+1,041H2O+1,88H2CO3 (U.S. Environmental
Protection Agency 1975)
3. Денитрифицирующие бактерии
NO2- , NO3- →
N2 + N2O
Эти бактерии специализируются на утилизации нитратов и нитритов.
Система очистки воды состоит из:
1. Удаление взвешенных веществ, фекалий и не съеденного корма.
2. Разложение растворенной органики (БПК), аммонификация.
3. Окисление аммония до нитратов, нитрификация.
4. Превращение нитратов в газообразный азот, денитрификация.
5. Удаление фосфора, дефосфация.
6. Удаление СО2.
7. Добавление О2.
Механизм удаления фосфора
Если в вашей замкнутой системе используется денитрификатор, то у вас
могут возникнуть проблемы с фосфором.
Эта теория опирается на
удаление фосфора путем синтеза биомассы бактерий в результате окисления
БПК (BOD). Фосфор требуется для
внутриклеточной энергии переноса, это является основным клеточным
компонентом. Поэтому фосфор необходим для биосинтеза. Обычно он
содержится в биомассе микробов в концентрациях 1,5-2% от сухого веса.
Если сначала создать в биофильтре зону анаэробную, а потом аэробную, то
в бактериях концентрация фосфора возрастет до 4-12%. Эту биомассу можно
уже будет удалить при помощи фильтров механической очистки (отстойников
или микросетчатых фильтров). В отходах будет содержаться в 2,5-4 раза
больше фосфора, чем при обычной системе очистки. Свойства таких
микроорганизмов ассоциируется с геном Acinetobacter (Lotter
et al., 1986), но исследования продолжаются.
Работу этих
микроорганизмов мы изучали в Голландии на предприятии,
специализирующемся на очистке коммунальных вод.
Рассмотрим вопросы удаления азота:
Аммонификация
Загрязнения от рыб состоят из общего аммония + аммиак (NH4++NH3),
растворенного в воде, и азота, еще пока зафиксированного в органических
веществах. В нашей программе вы можете это посмотреть в количественном
соотношении на странице "Диаграммы".
Косвенно можно узнать, сколько в воде находится органических веществ,
замерив БПК5.
Основная задача аммонификации - удалить органику, т.е. БПК5.
Эту задачу выполняют - гетеротрофы, развиваются быстрее хемотрофов
(нитрифицирующих бактерий) и могут существовать в более большом
диапазоне внешних факторов. Они являются конкурентами нитрифицирующих
бактерий в биофильтре за жизненное пространство. Если БПК5
(взвешенных частиц) не опустится ниже 15 мг/л, то процесс нитрификации
будет невозможен из-за заселения биологического фильтра гетеротрофами.
В биологическом фильтре они заселяют примерно 10-15% объема в начале
фильтра.
Процесс аммонификации не потребляет щелочности воды, но может
уменьшать pH воды в результате накопления СО2.
Скорость аммонификации в основном зависит от температуры и содержания
кислорода в воде.
pH воды должна лежать в пределах от 5 до 9.
Бактерии очищают среду от органических загрязнений, но одновременно
являются причиной возникновения неблагополучной эпизоотической
обстановки. Наибольшую опасность представляют аэромонады и
энтеробактерии. При увеличении органического загрязнения, в структуре
общего микробного фона УЗВ их доля растет. Энтеробактерии входят в
состав микробных ассоциаций, формирующихся в кишечном тракте
гидробионтов, вырабатывают энтеротоксины и являются причиной их
заболеваний и гибели. Нужен контроль за бактериями!
Этот график как и все последующие, рисуются нашей программой для
расчетов кинематики процессов, которая написана в
Excel.
- зависимость от температуры
- зависимость от содержания кислорода в воде
Нам много присылают писем и просят давать ссылки на используемую литературу.
Восполняем этот недостаток.
Существует много математических моделей, описывающих этот процесс, которые мы
настоятельно рекомендуем изучить:
1. Ю.А.Феофанова, 1986,
2. Тваркиладце, 1989,
3. Уитон, 1985,
4. National Research Council Formula (NRC), 1946,
5. Velz Formula, 1948,
6. Kinematic Wave-Velz Model, 1963,
7. Kincannon and Stover Model, 1982,
8. Logan Model. The computer model, 1987, 1990.
Авторы 4-8 рассказывают о математических моделях для орошаемых фильтров. Мы
являемся фанатами этих типов фильтров из-за хорошей их изученности и надежности
в работе.
Нитрификация
Этот процесс известен любому аквариумисту. Он двухэтапный: окисление
аммония (NH4++NH3)
до нитрита NO2-, а
нитритов до нитрата NO3-.
Хемотрофы более капризны, чем гетеротрофы.
На скорость нитрификации в биофильтре влияют следующие параметры
воды:
1. БПК,
2. Концентрация общего аммония,
- На единицу площади,
- На единицу объема.
3. Концентрация кислорода,
4. Гидравлическая нагрузка,
5. Температура,
6. рН,
7. Щелочность воды,
8. Скорость роста хищников-бактерий.
Поэтому в нашей программе мы приводим поправки на температуру, общий
аммоний, концентрацию кислорода и pH воды. Они
указаны в процентах от максимальной скорости нитрификации.
- зависимость от температуры
- зависимость от кислорода
- зависимость от общего аммония
- зависимость от pH воды
Для вычисления
поправочного коэффициента на температуру, мы используем модифицированное
уравнение (van`t Hoff-Arrhenius equation).В
результате нитрификации уменьшается щелочность воды, которую нужно
восстанавливать, иначе рН воды упадет до критической отметки. Наша
программа вычисляет эти изменения и рассчитывает количество вещества (из
трех наиболее часто используемых препаратов), которое надо добавить для
нейтрализации этого эффекта.
Также программы рассчитывает потребление кислорода, выделение
углекислого газа.
Денитрификация
Денитрификация аналогична нитрификации, как биологический процесс. В
результате денитрификации конечный продукт нитрификации - нитрат
превращается в газообразный азот. Этот процесс имеет место в
безкислородной среде (anoxic condition), и
используется органическое вещество как источник углерода. Обычно в
Европе используют метанол как источник углерода, реже этанол. В Израиле
источником углерода служит отфильтрованная взвесь (не съеденный корм,
фекалии) после микросетчатого фильтра. Часто еще используют метанол если
недостаточно в воде ХПК. Нитраты и ХПК (источник органического вещества)
превращаются бактериями в новые бактерии, в газообразный азот,
углекислый газ, воду и основание. Плюс от этого процесса в том, что
уменьшается замена воды в системе в сутки.
Денитрифицирующие бактерии
являются факультативными анаэробами, использующими в качестве акцепторов
электронов кислород и нитраты.В результате этой реакции повышается рН
воды и поглощается БПК (разрушается
органическое вещество без использования кислорода), а значит экономится
кислород.
- зависимость от температуры
- зависимость от содержания кислорода в воде
Закон сохранения энергии
В УЗВ поступает энергия, которая заключена в комбикорме.
У всех производителей корма в описании есть информация о полной
энергии (Gross Energy) в 1 кг корма и
о усвояемой энергии (Digestible Energy).
Рассмотрим первую группу энергий:
Итак, в систему поступила энергия. Рыба поедает комбикорм. Вначале
энергия теряется в несъеденном корме и в фекалиях. Оставшаяся энергия
называется усвоенной энергией, и она попала в рыбу. Рыба не может
усвоить бесконечное количество энергии, поэтому при увеличении
количества корма, усвоенная энергия не изменяется. Далее энергия
теряется с мочой и в результате работы жабр.
- этот график взят из программы. Для его понимания, лучше сначала
посмотрите копию страницы "Диаграммы".
Теперь рассмотрим вторую
группу энергий:Желтая линия на графике показывает энергию
метаболизма. Все описанные выше энергии зависят от потраченного корма,
поэтому они начинаются с нуля, при нулевой "кормежке".
Если рыба живет, то значит она тратит энергию, которая называется
энергией поддержания жизни. Она состоит из энергии стандартного
метаболизма и энергии, потраченной на движение (активность).
Все внутренние биохимические реакции происходят с выделением тепла.
Тепло - это тоже энергия.
Теперь возьмем разницу между первой группой и второй. Так мы получили
энергию, которая зафиксировалась в мясе рыбы.
Как померить энергию мяса рыбы? Сдать на анализы образец рыбы, и вам
скажут сколько калорий содержится в 100 граммах рыбы.
Из этого графика можно сделать много выводов. Например, сколько корма
надо скармливать рыбе, что бы они не худела. Ответ показан черной
пунктирной линией. Т.е. для данного вида рыбы - это составляет 37% от
оптимального суточного рациона.
Еще один вывод: это зависимость кормового коэффициента от суточного
рациона. График нарисован чисто теоретически, на основании описанной
выше модели, но при этом хорошо согласуется с опытами!
Если сюда добавить закон сохранения массы, то можно нарисовать еще
один график:
Зависимость загрязнения (по массе в %) от скармливаемого корма
При уменьшении кормления до 0, все равно присутствует загрязнение.
Поэтому процентное содержание загрязнение к корму стремиться к
бесконечности.
Закон сохранения массы
Сколько массы пришло, столько массы ушло. Масса приходит с кормом, а
уходит с рыбой и загрязнением. Вот и все!
Критика других математических моделей и
некоторых книг
Перед тем как начать разговор о нашей программе, покритикуем других.
В большинстве американских книг, а также в российских источниках
неправильно вычисляют первичное загрязнение, выделяемое рыбами. Все они
пишут, что первичное загрязнение пропорционально только массе
скармливаемого корма.
Например: азота выделяется примерно 3% от массы корма. Это правильно
только для определенного корма и при определенном кормовом коэффициенте.
Во-первых, азот содержится в протеине корма, поэтому правильно это
учитывать. Протеина может быть 35%, а может быть 55%.
Во-вторых, кормовой коэффициент может быть 0,8, а может быть 1,5.
Т.е. на 1 кг прироста мы расходуем 800 грамм или 1500 грамм комбикорма.
Как вы понимаете, чем меньше кормовой коэффициент, тем больше корма
"оседает" в рыбе, а значит загрязнение меньше. Отсюда и азота выделяется
в воду меньше.
Тоже самое относится и к кислороду. Если в книжке написано, например,
что рыба потребляет кислорода 25% от массы корма, то можете эту книжку
сразу выбросить. Правильно будет если напишут 100-25%! Если вы
используете малоэнергетический корм с высоким кормовым коэффициентом, то
у вас будет 25%. А если вы используете высокоэнергетический корм (5 МКал/кг)
с маленьким кормовым коэффициентом, то следует ожидать потребление до
100% от массы корма!
Если верить этим книгам (пропорционально массе корма), то при
уменьшении питания до 0 потребление кислорода упадет до 0 и будет полное
отсутствие метаболизма! Как вы понимаете, это бред.
Предпринималось несколько попыток написания математических моделей
для оценки продукции метаболизма рыб. Например, очень хорошо известная в
России модель Лиао и Майо и ее несколько модификаций (например Слепнев,
1988). Но при работе с реальной замкнутой установкой, предсказания
оставляют желать лучшего.
Описание нашей программы
Вначале надо ввести исходные данные биофильтра и параметры воды.
Потом параметры рыбы, химический состав мяса, количество протеина, жира,
углеводорода.
После этого программа вычисляет предварительные энергетические
показатели мяса рыбы, количество кислорода, которое потребляет рыба при
съедании нижеуказанного корма.
Под количеством энергии, необходимой на синтез 1 кг мяса рыбы
подразумевается энергия, которую должна усвоить рыба для производства 1
кг своего веса. Этот параметр можно найти в книгах по ихтиологии.
Параметры комбикорма. Здесь мы думаем, все понятно.
Далее вычисляется общая энергия, заключенная в корме, на основании
параметров корма. Задается усвоенная энергия корма. Это все можно
получить у производителя корма.
В пункте а) и б) вычисляется теоретический минимальный кормовой
коэффициент, который можно достичь для этих двух видов рыб (речная
форель, канальный американский сом), используя данный корм.
Последнее что надо задать - параметры фекалий. Это определяет
эффективность переваривания пищи у рыбы.
Далее вычисляем первичную продукцию метаболизма: БПК, БПК5, ХПК,
азот, фосфор.
Вычисляем поправочные коэффициенты на аммонификацию, нитрификацию и
денитрификацию.
Пункт 4. Аммонификация.
Вычисляется скорость аммонификации (г/м2*день), потребление кислорода
(кг/день), максимальное потребление кислорода (кг/час), выделение
углекислого газа (кг/день), объем биофильтра (м3).
Здесь не вычисляется еще один важный параметр биофильтра -
гидравлическая нагрузка (м3/м2*день). Зная этот параметр можно
подсчитать площадь фильтра, а затем и высоту.
Пункт 5. Нитрификация.
Вычисляется тоже самое, только добавляются вычисления щелочности
воды. Дается расчет количества реагентов, необходимых добавить для
компенсации падения рН воды.
Пункт 6. Денитрификация.
Предполагается, что этот процесс идет за счет углерода, заключенного
в фекалиях рыб, т.е. без добавления метанола.
Вычисляется скорость денитрификации (г/м2*день); экономия кислорода,
которой можно добиться в результате этого процесса (кг/день); выделение
щелочности (кг, как CaCO3), а значит поднятие рН воды; объем
биофильтра (м3).
Пункт 7. Вычисление накопителя твердых отходов.
Объем пруда, необходимого для хранения твердых отходов в течение 1
года.
Программа состоит из трех страниц: расчет, графики и диаграммы.
Программа состоит из трех страниц: Расчет, Графики и Диаграммы.
Пример №1
-
копия страницы Расчет
-
копия страницы Диаграммы
В этом примере указан идеальный (минимальный) кормовой коэффициент,
которого можно добиться при заданном комбикорме и при заданном виде рыб.
Поэтому программа в Законе Сохранения массы пишет, что не съеденный корм
равен 0. Если мы изменим кормовой коэффициент с 0,8 на 1, то это значит,
что рыба не полностью усвоила корм, а значит она его часть не съела.
Поэтому Закон сохранения массы уже другой, и перераспределение
метаболизмов загрязнения тоже другое:
Пример №2
-
копия страницы Расчет
-
копия страницы Диаграммы
Некоторые интересные
выводы, вытекающие из нашей математической модели:1) В примере №1
потребление кислорода рыбой составляет 56 кг в день (страница
"диаграммы", ХПК дыхания рыбы), т.к. скармливаем 100 кг корма в день, то
потребление кислорода составляет 56% от корма.
В примере №2 кормовой коэффициент больше, значит на прирост рыбы мы
тратим больше корма. Потребление кислорода 45 кг/день, что составляет
45% от корма. Потребление кислорода падает с повышением кормового
коэффициента, что и прослеживается в опытах.
2) В примере №1 выделяется 15 кг взвешенных частиц (Страница
"диаграммы", закон сохранения массы), которые могут быть удалены
механической системой фильтрации, или 15% от корма. В примере №2 - 30
кг. Это итак понятно, т.к. затрачиваем больше корма на прирост рыбы, а
значит больше присутствует несъеденного корма и фекалий.
Тоже самое можно посмотреть и для цикла азота и фосфора.
Угадайте, для какой рыбы сделаны эти расчеты?
Графики со страницы "графики" уже представлены выше.
Автор программы: Краснобородько Василий.
Версия №1
Formats:
.xls ( 135k).
Last updated: 10.06.2004.
01 августа 2004 года началась модернизация этой программы для удобства
работы.
Добавлены макросы и управляющие кнопки для запоминания/загрузки исходных
данных, для разных видов рыб. До этого приходилось на каждый вид рыб иметь свой
файл. Также сделаны небольшие изменения в формулах, добавлены новые расчеты.
-
копия страницы Расчет
Версия №2
Formats:
.xls ( 258k).
Last updated: 02.08.2004.
Не стоим на месте. Это одна из основных наших программ, используемая для
расчета количества метаболизмов рыб. Поэтому мы с ней часто работаем и ее
модернизируем.
Версия №7
Formats:
.xls ( 415k).
Last updated: 20.11.2005.
Эта небольшая с виду программка написанная в Microsoft Excel for
Windows, вычисляет очень важный параметр замкнутой установки -
потери, вызванные силой трения в трубах. Из этих расчетов вам сразу
становится понятно, где вы теряете деньги! Без этих вычислений
невозможно спроектировать экономичную установку.
Изменять можно только ячейки синего цвета. Красные изменять
нельзя.
Предположения:
Труба чистая, гладкая, из PVC.
Исходные данные:
1. Температура воды, ºС.
2. Водообмен, м3/ч.
3. Диаметр трубы, дюймы.
4. Выбираете сколько у вас поворотов трубы (на 90º
или 45º), сколько входов в трубу (например,
из бассейна с рыбой или из биофильтра), сколько выходов из трубы
(например, в насос и т.д.) и т.д., по всем узлам перечисленным в
программе.
5. Общая длина трубы, в метрах.
Вычисляются:
Потери напора, в метрах, для каждого узла, итоговая мощность
электромотора, вращающего насос, в кВт/часах.
Используемые уравнения:
1. Уравнение Darcy-Wesbach.
2. Вычисляется число Re через скорость
потока воды, диаметра трубы и кинематическую вязкость.
3. Для нахождения фактора силы трения (Friction
Factor) через число Re,
использовалось Moody`s diagram.
4. Для вычисления коэффициентов потерь
в поворотах, кранах и т.д. использовались экспериментальные данные
(Crane 1988).
- копия экрана
Хотелось бы остановиться на фирмах, которые специализируются на таких
расчетах.
Цена такого расчета колеблется от 500 до
1000 Евро! И делают они это
примерно за 1-2 недели.
-
Вот что происходит с трубой, при неправильном выборе диаметра!
Автор программы: Краснобородько Василий.
Formats:
.xls
(35 k).
Last updated: 27.05.2004.
Версия 2005
Ни один проект не обходится без расчета трубной арматуры
и правильного выбора насосов для УЗВ.
В этой модификации есть несколько интересных новых
функций, а именно: зная поток воды (м3/ч), напор (м) и КПД
насоса (%), программа вычисляет потребление электричества
насосом.
Также есть обратная функция: если известен поток воды,
напор и потребление электричества, то программа вычисляет
КПД насоса.
- подбор насоса и диаметров труб
Formats:
.xls
(60,5 k).
Last updated: 27.11.2005.
Наши программы были бы не полные, если бы не умели рассчитывать
размеры решеток на сливные трубы. Кто самостоятельно устанавливал
такие решетки в бассейнах, без предварительных расчетов, знают, что
к таким решеткам может "присосать" рыбу, и не одну, и у вас
получится авария. Площадь решетки должна быть достаточно велика,
чтобы скорость воды не могла "присосать" рыбу к ней, и в то же время
не слишком большой, для экономии места.
В данной программе применен интересный алгоритм вычисления
безопасной скорости потока воды для рыб в зависимости от размера.
После этого вычисляются размеры отверстий (щелей перфорации) в
алюминиевом или стальном (из нержавейки) листе. Выбор прорезей, а не
круглых отверстий, обусловлен большим процентом открытой поверхности
по сравнению с отверстиями.
Далее рассчитываются размеры самого листа и количество прорезей.
Пример программы:
Думаем здесь вам все понятно, уважаемые посетителя нашего сайта.
Автор программы: Краснобородько Василий.
Formats:
.xls (19 k).
Last updated: 20.06.2004.
Модернизация программы. Расчет перфорации для разбрызгивания воды в
орошаемом фильтре
К нам обратились за помощью из Украины, с просьбой предложить самую
надежную и недорогую систему разбрызгивания воды для нового орошаемого
(или капельного) биофильтра.
Мы решили предложить две системы:
- Разместить вращающиеся, самоочищающиеся форсунки. Но они стоят
45$/шт.
- Собрать небольшой бассейн (высотой 5 см) с просверленными
отверстиями в дне.
Заказчик захотел второй вариант.
Нам были даны начальные условия:
- Площадь фильтра 3*6 метра.
- Поток воды 110 м3/ч.
- Динамический уровень воды в бассейне не должен превысить 5 см.
- Фильтр должен создавать достаточную скорость потока воды в
отверстиях, препятствующую образованию органических наростов в них.
Надо: Рассчитать диаметры и количество отверстий.
Что такое динамический уровень?
Это когда вы льете 110 м3/ч воды в бассейн с отверстиями в дне. Если
уровень повышается, то повышается напор, значит воды больше уходит через
от приличную скорость потока воды в отверстиях. Таким частицам
не удастся прилипнуть к стенке отверстия для постепенного обрастания.
Конечно мы любим браться за сложные задачи, но, к сожалению, нам
поручают их делать не часто. Поэтому беремся и за такие простые.
Добавляем необходимые вычисления в нашу программу.
Ответ: 5 мм диаметр
отверстий, 2247 шт. отверстий необходимо просверлить.
Для нашего случая динамический уровень будет равен 3,5 см. И не
сантиметра больше или меньше!Теперь, перед тем как отдавать расчеты
нашим украинским друзьям, решили все еще раз проверить на опыте. Вдруг
физика + математика является буржуазной лженаукой. Так в наше время
считают некоторые рыбоводы!
Ну что ж, как истинные ученые, мы решили это проверить, поставив опыт.
- Расчет вентиляции в помещении и вентиляции для биофильтра
- можно посмотреть копию с экрана.
- соотношение между разными формами неорганического углерода.
- распределение углекислого газа, бикарбонатов и карбонатов в воде
