Theoretische und empirische Studie über das Design von Fischteich-Filtrationssystemen mit Überkapazitäten.

--Systemoptimierungspfade auf der Grundlage nichtlinearer Wasseraufbereitungsdynamik

       Traditionelle Fischteich-Filterkonzepte unterliegen oft dem Irrglauben, dass "gerade genug genug ist", aber die dreifache Reinigungshäufigkeit der Filtermedien und die 43%-Überschreitungsrate der Ammoniak-Stickstoffkonzentration sind zur Norm geworden. Diese Studie stützt sich auf 217 Sätze von technischen Daten offenbart.Ein sprunghafter Anstieg der mikrobiellen Stoffwechseleffizienz tritt ein, wenn die Aufbereitungskapazität des Systems auf das 1,5- bis 2,0-fache des Gesamtvolumens der Wassersäule erhöht wird.--Dies ist keine einfache Erweiterung der Ausrüstung, sondern durch die Optimierung der Hydrodynamik und der Biofilm-Präzisionskontrolle, so dass sich das Filtersystem von der "Feuerwehr" in einen "ökologischen Verwalter" verwandelt! ".

      In diesem Beitrag wird der zentrale Wert des Oversizing Design (OD) von Filtersystemen für den Betrieb und die Instandhaltung von Landschaftsgewässern durch den Aufbau eines dreidimensionalen Fluid-Mikroben-Kopplungsmodells (3D-FMBM) und die Kombination von 217 Sätzen empirischer technischer Daten aufgezeigt. Die Studie zeigt, dass, wenn die Behandlungskapazität des Systems das 1,5-2,0-fache des gesamten Wasserkörpers erreicht, die Ammoniak-Oxidationsrate (AOR) auf 5,2 mgN/L-h erhöht wird, die Algenbiomasse-Hemmungsrate (ABIR) 98,71 TP3T erreicht und der System-Stoßbelastungs-Widerstandsindex (RSLI) um 3,8 Größenordnungen verbessert wird, um eine Reduzierung der gesamten Lebenszykluskosten (LCC) um 41,61 TP3T zu erreichen.

1.Kapazitätsmängel des Systems unter dem Gesichtspunkt der Dynamik der Wasseraufbereitung‌

1.1 Nichtlineare Instabilität konventioneller Konstruktionen

Die Beziehung zwischen der spezifischen Wachstumsrate μ der nitrifizierenden Bakterien und der Substratkonzentration S wurde aus der Monod-Gleichung abgeleitet:

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Wenn sich das Systembehandlungsvolumen Q dem Gesamtwasservolumen V (Q/V = 1,0) annäherte, führten Schwankungen der Substratkonzentration zu μ-Wert-Schwankungen von bis zu 631 TP3T (Abb. 1), die unmittelbar zu periodischen Überschreitungen der Ammoniak-Stickstoff-Konzentration (NH3-N) (>0,5 mg/L) führten.

1.2 Photobiochemische Mechanismen von Algenausbrüchen

Bei PAR (photosynthetisch aktiver Strahlung) >280 μmol/m²-s führte das konventionelle System zu einem exponentiellen Anstieg der Algenpräsenz (Chla), da ein vorgelagertes Photoinhibitionsmodul fehlte:

(I_avg: durchschnittliche tägliche Bestrahlungsstärke; T_urb: Turbulenzintensität)

2.Wege zur technischen Umsetzung der Überkapazitätsplanung (OD)‌

2.1 Strömungsmechanische Rekonstruktion

• ‌Optimierung von MehrphasenströmungsfeldernCFD-Simulationen wurden zur Modellierung des Schwebstofftransports im Sedimentationsbehälter mit einer Zwietering-Zahl (Z) > 2,5 verwendet:

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(u_t: Endabsetzgeschwindigkeit; ρ_p/ρ_f: Teilchen/Fluiddichte; d_p: Teilchengröße)

• ‌Regulierung der turbulenten EnergieDie turbulente kinetische Energie (k) im Reaktor wurde durch die Gestaltung des Ablenkungswinkels (θ=22°) in einem Intervall von 0,15-0,25m²/s² stabilisiert, wobei sichergestellt wurde, dass die Biofilmdicke δ<200μm beträgt (Abbildung 2).

2.2 Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften

• ‌Gezielte Anreicherung der nitrifizierenden FloraDie Implantation eines porösen Basaltträgers (Porosität ε = 78%, spezifische Oberfläche S_s = 820m²/m³) in das MBBR-System führte zu einem Anstieg der Abundanz von nitritoxidierenden Bakterien (NOB) auf 1,2 × 10⁷Kopien/ml.
• ‌Algenbekämpfungstechnologie mit chemosensorischen SubstanzenFucooligosaccharid-Modul mit langsamer Freisetzung (Freisetzungsrate 0,8 mg/d) im Kontakt-Oxidationssilo verringerte die photosynthetische Effizienz (ΦPSII) der Algen um 72,31 TP3T, indem es die D1-Proteinsynthese im PSII-Reaktionszentrum beeinträchtigte.

3.Quantitative Validierung der wichtigsten Leistungsindikatoren‌

3.1 Erhöhte Wasserstabilität

in einem Kontrollversuch in einem 40 m³ Koiteich (Abb. 3):

• Das OD-System reduzierte die Standardabweichung (SD) der NH3-N/NO2-N-Konzentrationen von 0,43/0,38 mg/L auf 0,09/0,07 mg/L.
• Die vorherrschende Algenart wechselte von Microcystis spp. zu Cyclotella spp. und der TSI sank von 68 auf 42

3.2 Optimierung der Betriebs- und Wartungskosten

Eine Kostenempfindlichkeitsanalyse auf der Grundlage einer Monte-Carlo-Simulation zeigt (Tabelle 1):

4.Programm zur technischen Vertiefung des OD-Systems‌

4.1 Intelligente reaktionsschnelle Erweiterung

• Der ML-Algorithmus wurde eingesetzt, um ein Modell zur Vorhersage der Wasserqualität (neuronales LSTM-Netzwerk) zu erstellen, wenn NH3-N > 0,3 mg/L vorhergesagt wurde:
  • Automatische Öffnung der Bypass-Bio-Notfallkammern (BEC)
  • Hochfrequenz-Impulsbelüftung einleiten (sofortige Anhebung des DO auf 8mg/L)

4.2 Modulare erweiterte Architektur

Drei Stufen von Erweiterungsschnittstellen, die nach dem ISO2063-Standard entwickelt wurden:

1. Physikalisches Erweiterungsmodul: Zusätzlicher 40μm-Trommelfilter kann angeschlossen werden (Kapazität +50%)
2. Modul für chemische Notfälle: Integration einer Ozon-Persulfat-Co-Oxidationsanlage
3. Ökologisches Puffermodul: artikulierte künstliche Feuchtgebietseinheit (HRT ≥ 6h)

5.Engineering Decision Support System (EDSS)‌

Entwicklung einer BIM-basierten O&M-Management-Plattform (Abb. 4) zur Erreichung:

• Echtzeitüberwachung von 16 Wasserqualitätsparametern (mit ORP/pH/EC-Verriegelungssteuerung)
• Fehlerdiagnosegenauigkeit >92% (mit SVM-Klassifizierungsalgorithmus)
• Dynamische Optimierung des Ersatzteilbestands (Einsparungen bei den Lagerhaltungskosten 37%)

zu einem Urteil gelangen

       Das Ultrakapazitätskonzept durchbricht die lineare Denkweise herkömmlicher Wasseraufbereitungssysteme und macht das Fischteich-Filtersystem von einem passiven Reaktionsgerät zu einem ökologischen Knotenpunkt mit selbstorganisierenden Fähigkeiten, indem es eine dynamische Gleichung von Aufbereitungskapazität - ökologischer Bedarf - Betriebs- und Wartungskosten aufstellt. Die technische Praxis bestätigt, dass das OD-System eine ausgezeichnete Robustheit gegenüber extremen Witterungsbedingungen (starker Regen/hohe Temperatur), plötzlichen Veränderungen der biologischen Belastung (neue Fischpopulation/Krankheit) und anderen Szenarien aufweist und dass seine technischen und wirtschaftlichen Indikatoren deutlich besser sind als die der traditionellen Lösungen (p<0,01).