Estudio teórico y empírico sobre el diseño del sistema de filtración de estanques de peces con exceso de capacidad.

--Vías de optimización del sistema basadas en la dinámica no lineal del tratamiento del agua.

       Los diseños tradicionales de filtración de estanques piscícolas caen a menudo en la idea errónea de que "con lo justo es suficiente", pero la frecuencia de limpieza de los medios filtrantes y la tasa de superación de la concentración de nitrógeno amoniacal 43% se han convertido en la norma. Este estudio se basa en 217 conjuntos de datos de ingeniería revelados.Se produce un salto en la eficiencia metabólica microbiana al aumentar la capacidad de tratamiento del sistema a 1,5-2,0 veces el volumen total de la columna de agua-No se trata de una simple ampliación de los equipos, sino de la optimización de la hidrodinámica y del control de precisión de la biopelícula, de modo que el sistema de filtración de los "bomberos" se metamorfoseó en "¡administrador ecológico! ".

      Este trabajo demuestra el valor fundamental del diseño sobredimensionado (OD) de los sistemas de filtración en el funcionamiento y mantenimiento de masas de agua paisajísticas mediante la construcción de un modelo tridimensional acoplado de fluido-microbio (3D-FMBM) y la combinación de 217 conjuntos de datos empíricos de ingeniería. El estudio muestra que cuando la capacidad de tratamiento del sistema alcanza 1,5-2,0 veces el total de la masa de agua, la tasa de oxidación del amoníaco (AOR) aumenta hasta 5,2 mgN/L-h, la tasa de inhibición de la biomasa de algas (ABIR) alcanza 98,71 TP3T, y el índice de resistencia a la carga de choque del sistema (RSLI) mejora en 3,8 órdenes de magnitud para lograr una reducción del coste total del ciclo de vida (LCC) de 41,61 TP3T.

1.Deficiencias de capacidad del sistema desde la perspectiva de la dinámica del tratamiento del agua‌

1.1 Inestabilidad no lineal de los diseños convencionales

La relación entre la tasa de crecimiento específica μ de las bacterias nitrificantes y la concentración de sustrato S se dedujo a partir de la ecuación de Monod:

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Cuando el volumen de tratamiento del sistema Q se aproximó al volumen total de agua V (Q/V = 1,0), las fluctuaciones en la concentración de sustrato dieron lugar a oscilaciones del valor μ de hasta 631 TP3T (Fig. 1), lo que desencadenó directamente superaciones periódicas de las concentraciones de nitrógeno amoniacal (NH3-N) (>0,5 mg/L).

1.2 Mecanismos fotobioquímicos de los brotes de algas

Bajo PAR (radiación fotosintéticamente activa) >280 μmol/m²-s, el sistema convencional dio lugar a un aumento exponencial de algas presentes (Chla) debido a la falta de un módulo de fotoinhibición de carga frontal:

(I_avg: irradiancia media diaria; T_urb: intensidad de la turbulencia)

2.Vías para la aplicación técnica del diseño sobredimensionado (DO)‌

2.1 Reconstrucción fluidomecánica

• ‌Optimización del campo de flujo multifásicoSimulación CFD: se utilizó la simulación CFD para modelar el transporte de sedimentos en suspensión en el depósito de sedimentación con un número de Zwietering (Z) > 2,5:

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(u_t: velocidad de sedimentación terminal; ρ_p/ρ_f: densidad partícula/fluido; d_p: tamaño de partícula)

• ‌regulación de la energía turbulenta: La energía cinética turbulenta (k) en el reactor se estabilizó en el intervalo de 0,15-0,25m²/s² mediante el diseño del ángulo del deflector (θ=22°), garantizando que el espesor de la biopelícula δ<200μm (Figura 2).

2.2 Ingeniería de comunidades microbianas

• ‌Enriquecimiento selectivo de la flora nitrificanteLa implantación de un soporte poroso de basalto (porosidad ε = 78%, superficie específica S_s = 820m²/m³) en el sistema MBBR consiguió aumentar la abundancia de bacterias oxidantes de nitritos (NOB) hasta 1,2 × 10⁷copias/mL.
• ‌Tecnología de control de algas con sustancias quimiosensorialesLa carga del módulo de liberación lenta de fucooligosacáridos (tasa de liberación 0,8 mg/día) en el silo de oxidación por contacto disminuyó la eficiencia fotosintética de las algas (ΦPSII) en 72,31 TP3T al interferir con la síntesis de proteínas D1 en el centro de reacción PSII.

3.Validación cuantitativa de los indicadores clave de resultados‌

3.1 Mayor estabilidad del agua

en un experimento de control en un estanque koi de 40 m³ (Fig. 3):

• El sistema OD redujo la desviación estándar (SD) de las concentraciones de NH3-N/NO2-N de 0,43/0,38 mg/L a 0,09/0,07 mg/L.
• Las especies de algas dominantes cambiaron de Microcystis spp. a Cyclotella spp. y la ETI disminuyó de 68 a 42

3.2 Optimización de los costes de O&M

Un análisis de sensibilidad de los costes basado en una simulación de Monte Carlo muestra (Cuadro 1):

4.Programa de profundización técnica del sistema de DO‌

4.1 Escalado inteligente con capacidad de respuesta

• El algoritmo ML se implantó para construir un modelo de predicción de la calidad del agua (red neuronal LSTM) cuando se predijo NH3-N > 0,3 mg/L:
  • Apertura automática de los compartimentos de bioemergencia de derivación (BEC)
  • Inicie la aireación pulsante de alta frecuencia (aumento instantáneo del OD a 8 mg/l).

4.2 Arquitectura modular ampliada

Interfaz de expansión de tres niveles diseñada según la norma ISO2063:

1. Módulo de expansión física: se puede conectar un filtro de tambor adicional de 40μm (capacidad +50%).
2. Módulo de emergencia química: integración de la unidad de cooxidación de ozono-persulfato
3. Módulo de amortiguación ecológica: unidad articulada de humedal artificial (HRT ≥ 6h)

5.Sistema de apoyo a las decisiones de ingeniería (EDSS)‌

Desarrollo de una plataforma de gestión de O&M basada en BIM (Fig. 4) para lograr:

• Control en tiempo real de 16 parámetros de calidad del agua (con control de enclavamiento ORP/pH/EC)
• Precisión del diagnóstico de fallos >92% (utilizando el algoritmo de clasificación SVM)
• Optimización dinámica del inventario de piezas de recambio (ahorro en costes de almacenamiento 37%)

llegar a un veredicto

       El diseño ultracapacidad rompe con el pensamiento lineal de los sistemas tradicionales de tratamiento del agua y hace que el sistema de filtración del estanque de peces pase de ser un dispositivo de respuesta pasiva a un centro ecológico con capacidad de autoorganización mediante el establecimiento de una ecuación de equilibrio dinámico de capacidad de tratamiento - demanda ecológica - coste de funcionamiento y mantenimiento. La práctica de ingeniería confirma que el sistema de DO demuestra una excelente robustez en respuesta a condiciones meteorológicas extremas (lluvias torrenciales/temperaturas elevadas), cambios repentinos en la carga biológica (nueva población de peces/enfermedades) y otros escenarios, y sus indicadores técnicos y económicos son significativamente mejores que los de las soluciones tradicionales (p<0,01).