L’acquacoltura commerciale richiede un trasferimento continuo di ossigeno perché pesci e gamberetti consumano ossigeno disciolto mentre anche la filtrazione biologica, la decomposizione organica e altri processi consumano ossigeno. La domanda di ossigeno cambia con la biomassa, la densità di allevamento, la temperatura dell'acqua, l'attività di alimentazione e le condizioni notturne. UNSistema di ossigeno PSAsoddisfa questo requisito separando l'ossigeno dall'aria compressa e fornendo gas arricchito di ossigeno a stagni, serbatoi, coni di ossigeno o sistemi di acquacoltura a ricircolo.
PSA ossigenogenerazione utilizza recipienti di adsorbimento riempiti con setaccio molecolare. Un compressore fornisce aria filtrata ed essiccata ai letti di adsorbimento, dove il setaccio molecolare adsorbe preferenzialmente l'azoto. Il gas ricco di ossigeno passa a un ricevitore di ossigeno e quindi entra nel sistema di ossigenazione lato acqua. I letti di adsorbimento alternano pressurizzazione e rigenerazione per mantenere la produzione di gas.
La generazione di ossigeno in loco modifica la struttura della fornitura
Un'azienda agricola commerciale che utilizza bombole di ossigeno o ossigeno liquido dipende da una catena di approvvigionamento esterna: produzione di gas, trasporto, stoccaggio e consegna all'azienda agricola. Un'installazione PSA sposta il processo di generazione dell'ossigeno nell'azienda agricola.
Il processo di base è:
Aria ambiente → compressore → trattamento aria → adsorbimento PSA → ricevitore di ossigeno → distribuzione di ossigeno → ossigenazione dell'acqua
Il sistema richiede quindi più di un'unità di adsorbimento. Il compressore deve fornire il flusso d'aria di alimentazione richiesto, i filtri e gli essiccatori devono rimuovere contaminanti e umidità e il ricevitore di ossigeno deve tamponare il gas prima che raggiunga la rete di distribuzione.
Per gli allevamenti che operano in aree remote o che richiedono una fornitura continua di ossigeno, il calcolo dell’approvvigionamento dovrebbe includere il consumo di elettricità, la manutenzione, i pezzi di ricambio e il costo del trasporto dell’ossigeno fornito esternamente.
Una maggiore concentrazione di ossigeno riduce il volume di gas richiesto per il trasferimento di ossigeno
L'aria atmosferica contiene circa il 21% di ossigeno. Le apparecchiature di aerazione convenzionali devono spostare un grande volume d'aria attraverso l'acqua per trasferire la quantità di ossigeno richiesta.
Un generatore PSA separa l'azoto dall'aria compressa e produce gas arricchito di ossigeno. Le configurazioni di acquacoltura pubblicate da NEWTEK includono intervalli di purezza dell'ossigeno compresi tra circa il 90% e il 99,5%, a seconda della configurazione, con standardPSA ossigenosistemi comunemente specificati intorno al 93% ± 3%.
La maggiore concentrazione di ossigeno modifica il processo di trasferimento lato acqua. Invece di trasferire l'ossigeno da una grande quantità di aria atmosferica, il diffusore o cono di ossigeno riceve un flusso di gas con una maggiore concentrazione di ossigeno.
Il trasferimento effettivo dipende da:
- Portata del gas
- Profondità dell'acqua
- Diametro della bolla
- Temperatura dell'acqua
- Orario di contatto
- Pressione di esercizio
- Struttura del diffusore o del cono di ossigeno
Pertanto, il rendimento del PSA dovrebbe essere valutato insieme all'apparecchiatura per il trasferimento dell'ossigeno piuttosto che come specifica di un gas isolato.
L'ossigeno PSA può fornire sistemi di acquacoltura ad alta densità
Con l’aumento della densità di allevamento, anche il fabbisogno di ossigeno per unità di volume d’acqua diventa un parametro di progettazione critico. Pesci e gamberetti consumano ossigeno continuamente, mentre la disponibilità di ossigeno può diminuire rapidamente quando la capacità di aerazione non corrisponde alla domanda biologica.
Un sistema PSA può fornire ossigeno a:
- Stagni di pesci intensivi
- Stagni di gamberetti
- Serbatoi di incubazione
- Sistemi di acquacoltura a ricircolo
- Vasche di coltura indoor
- Vasche di contenimento del pesce vivo
In un'installazione RAS, ad esempio, l'acqua passa attraverso la filtrazione meccanica e il trattamento biologico prima di ritornare nella vasca di coltura. L'ossigeno può essere iniettato a valle attraverso un cono o un diffusore di ossigeno prima che l'acqua trattata ritorni negli acquari.
Il generatore di ossigeno entra quindi a far parte del circuito di trattamento dell’acqua:
Serbatoio di coltura → filtrazione → trattamento biologico → ossigenazione → serbatoio di coltura
La produzione di ossigeno può essere adattata alla domanda effettiva dell’azienda agricola
La capacità PSA dovrebbe essere calcolata in base alla domanda di ossigeno piuttosto che in base alla sola area dello stagno.
Gli input principali includono:
| Parametro di progettazione | Funzione di ingegneria |
|---|---|
| Biomassa | Determina il consumo biologico di ossigeno |
| Densità di stoccaggio | Determina la domanda di ossigeno per unità di volume d'acqua |
| Temperatura dell'acqua | Modifica la solubilità dell'ossigeno e la domanda metabolica |
| Obiettivo FARE | Definisce la condizione di ossigeno disciolto richiesta |
| Picco della domanda | Determina la capacità massima del generatore |
| Efficienza nel trasferimento dell'ossigeno | Determina la quantità di ossigeno generato che entra nell'acqua |
| Orari di funzionamento | Determina la produzione giornaliera di ossigeno |
| Biomassa del futuro | Determina i requisiti di espansione |
Ad esempio, se un allevamento richiede 30 Nm³/h di ossigeno in ingresso nell'acqua ma il sistema di trasferimento dell'ossigeno trasferisce solo il 75% dell'ossigeno fornito, il generatore deve fornire più di 30 Nm³/h.
Una relazione di progettazione semplificata è:
Produzione di ossigeno richiesta=trasferimento di ossigeno richiesto ÷ efficienza di trasferimento
Il calcolo dovrebbe utilizzare le prestazioni di trasferimento misurate o specificate dal fornitore anziché presupporre che tutto l'ossigeno in uscita dal generatore PSA entri nell'acqua.
I sensori di ossigeno disciolto possono controllare la fornitura di ossigeno
PSA ossigenola produzione diventa più utile quando è collegata al monitoraggio dell'ossigeno disciolto.
Un sensore di ossigeno disciolto misura il livello effettivo di DO nell'acqua di coltura. Il segnale può entrare in un PLC, che controlla una valvola dell'ossigeno, la portata dell'ossigeno o la capacità PSA aggiuntiva in base ai limiti operativi predefiniti.
Il ciclo di controllo può essere strutturato come:
Sensore DO → PLC → controllo del flusso di ossigeno → diffusore/cono di ossigeno → acqua di coltura
Quando il DO scende al di sotto dell'intervallo configurato, il sistema di controllo può aumentare l'erogazione di ossigeno. Quando il DO ritorna nell'intervallo richiesto, il sistema può ridurre il flusso di ossigeno.
I sistemi PSA di NEWTEK includono sensori di ossigeno, sensori di pressione, controllo automatico e interfacce di comunicazione industriale come Modbus, Profibus ed Ethernet.
Questa disposizione consente al sistema di ossigeno di rispondere alle condizioni misurabili dell'acqua invece di far funzionare il generatore alla massima potenza durante l'intero ciclo di produzione.
Lo stoccaggio tampone di ossigeno separa la generazione dalla fluttuazione della domanda
Il ciclo di assorbimento del PSA e la richiesta di ossigeno dell'allevamento non cambiano necessariamente alla stessa velocità. Un serbatoio tampone può separare queste due condizioni operative.
Il generatore PSA riempie il ricevitore di ossigeno, mentre il sistema di ossigenazione a valle aspira il gas in base alla domanda del lato acqua. Il ricevitore assorbe quindi le differenze a breve termine tra produzione e consumo di ossigeno.
Il volume del serbatoio richiesto dipende da:
- Produzione di ossigeno PSA
- Domanda di ossigeno
- Pressione di esercizio
- Flusso di picco
- Intervallo di pressione
- Tempo di riserva richiesto
Un ricevitore sottodimensionato può causare rapidi cambiamenti di pressione quando più vasche di coltura richiedono ossigeno contemporaneamente. Un ricevitore sovradimensionato aumenta il volume delle apparecchiature e il costo di capitale senza aumentare la capacità di generazione di ossigeno.
L'ossigeno PSA può funzionare insieme all'aerazione meccanica
L'ossigeno PSA non sostituisce necessariamente gli aeratori meccanici.
Gli aeratori meccanici muovono l'acqua e l'aria atmosferica, mentre le apparecchiature PSA forniscono gas arricchito di ossigeno. I due sistemi possono svolgere funzioni diverse all'interno dello stesso stagno o vasca.
Un accordo combinato può utilizzare:
Aeratore meccanico → circolazione dell'acqua
Ossigeno PSA → fornitura di ossigeno concentrato
Sensore DO → segnale di controllo
Questa configurazione consente all'attrezzatura meccanica di mantenere il movimento dell'acqua mentre il sistema PSA fornisce ossigeno aggiuntivo quando la domanda biologica supera il contributo di ossigeno derivante dalla normale aerazione.
La disposizione appropriata dipende dalla profondità dello stagno, dal modello di circolazione dell'acqua, dalla biomassa, dalla posizione del diffusore e dal DO richiesto.
L'ossigeno PSA supporta l'ossigenazione RAS
Le strutture RAS fanno circolare continuamente l'acqua attraverso la filtrazione e il trattamento biologico. I batteri nitrificanti nei biofiltri consumano ossigeno mentre convertono ammoniaca e nitriti, quindi la richiesta di ossigeno esiste al di fuori degli stessi acquari.
Un tipico processo di ossigenazione RAS può includere:
- L'acqua della coltura lascia il serbatoio.
- La filtrazione meccanica rimuove i solidi sospesi.
- La biofiltrazione converte i composti dell'azoto.
- L'ossigeno viene iniettato attraverso un diffusore o un cono di ossigeno.
- L'acqua ossigenata ritorna alle vasche di coltura.
Il generatore PSA deve quindi fornire ossigeno sufficiente per il consumo di ossigeno sia biologico che acquatico.
Il punto di iniezione dell'ossigeno deve essere selezionato in base alla pressione dell'acqua, alla portata, al tempo di contatto e all'attrezzatura per il trasferimento dell'ossigeno. Il semplice aumento della produzione di gas PSA non garantisce aumenti proporzionali dell'ossigeno disciolto se il dispositivo di trasferimento lato acqua ha raggiunto il limite di trasferimento.
Il monitoraggio automatico può identificare i guasti del sistema di ossigeno
Un sistema di ossigeno per acquacoltura commerciale dovrebbe monitorare sia le condizioni del lato gas che del lato acqua.
| Parametro | Cosa indica |
|---|---|
| Ossigeno disciolto | Condizioni effettive di ossigeno nell'acqua di coltura |
| Purezza dell'ossigeno | Condizione di separazione del PSA |
| Flusso di ossigeno | Consegna del gas all'acqua |
| Pressione del PSA | Condizioni operative del sistema di assorbimento |
| Pressione del compressore | Disponibilità di aria di alimentazione |
| Temperatura dell'acqua | Cambiamenti nella solubilità dell'ossigeno e domanda biologica |
| Stato dell'allarme | Anomalia dell'apparecchiatura o del sensore |
Ad esempio, una diminuzione della purezza dell'ossigeno può indicare contaminazione dei setacci molecolari, problemi di commutazione delle valvole, domanda eccessiva o problemi dell'aria di alimentazione. La diminuzione della pressione dell'ossigeno può indicare limitazioni della capacità del compressore, blocco del filtro, problemi alle valvole o un flusso a valle eccessivo.
Il sistema di controllo dovrebbe utilizzare questi segnali per generare allarmi e isolare apparecchiature anomale anziché fare affidamento esclusivamente sull'ispezione manuale.
PSA Ossigeno e aerazione convenzionale: differenza strutturale
L'aerazione convenzionale immette l'aria atmosferica direttamente nell'acqua. L'apporto di ossigeno è quindi limitato dalla concentrazione di ossigeno nell'aria atmosferica e dall'efficienza di trasferimento dell'aeratore.
L'ossigeno PSA separa l'ossigeno dall'aria prima che il gas entri nel sistema lato acqua.
| Fattore | Aerazione convenzionale | Sistema di ossigeno PSA |
|---|---|---|
| Gas fornito | Aria atmosferica | Gas arricchito di ossigeno |
| Principali apparecchiature di separazione | Nessuno | Recipienti di adsorbimento a setaccio molecolare |
| Fornitura d'aria | Ventilatore/aeratore | Compressore d'aria |
| Controllo dell'ossigeno | Funzionamento del flusso d'aria e dell'aeratore | Flusso di ossigeno, purezza e controllo del DO |
| Attrezzatura lato acqua | Ruota a pale, ventilatore o diffusore | Diffusore di ossigeno, cono di ossigeno o attrezzatura simile |
| Manutenzione principale | Aeratore, motore, cuscinetti, diffusore | Compressore, filtri, valvole, analizzatore, setaccio molecolare |
| Integrazione del sistema | Miscelazione diretta aria-acqua | PSA + ricevitore + distribuzione ossigeno + ossigenazione dell'acqua |
Per l’acquacoltura ad alta densità, l’ossigeno PSA può integrare l’aerazione meccanica quando il fabbisogno di ossigeno supera quello che l’aerazione dell’aria atmosferica può trasferire. La configurazione appropriata dipende dalla biomassa, dal volume dell'acqua, dalla temperatura, dall'obiettivo DO, dall'efficienza del trasferimento di ossigeno e dal programma operativo.
Informazioni su NEWTEK
NEWTEKsi sviluppa in locoPSA ossigenoe sistemi di generazione di azoto. Il suo processo PSA con ossigeno utilizza l'adsorbimento con setaccio molecolare zeolite, con aria compressa e purificata che entra nei contenitori di adsorbimento, azoto che viene adsorbito preferenzialmente e gas ricco di ossigeno che lascia il letto di adsorbimento.
La configurazione del sistema comprende purificazione dell'aria, recipienti di adsorbimento, sensori di pressione, sensori di ossigeno, controllo automatico, tubazioni del gas e interfacce di comunicazione. Le specifiche dell'ossigeno PSA pubblicate da NEWTEK includono capacità di produzione da 1–300 Nm³/h, purezza dell'ossigeno del 93% ± 3% e pressione di uscita dell'ossigeno di 0,01–0,5 MPa, a seconda della configurazione.
Per l'acquacoltura commerciale, il sistema PSA può essere collegato a ricevitori di ossigeno, coni di ossigeno, diffusori, sensori di ossigeno disciolto e apparecchiature per il trattamento dell'acqua. La capacità finale dovrebbe essere calcolata in base alla biomassa, alla temperatura dell’acqua, al DO target, al picco della domanda di ossigeno, all’efficienza del trasferimento di ossigeno e all’espansione della produzione pianificata piuttosto che dalla sola area dello stagno.
