Перегляд одного допису
Старий 03.01.2010, 18:24   #3
Doc-tor
Живу на форумі
 
Аватар для Doc-tor
Varpalota-Ungvar, Hungary
 

Реєстрація: 19.04.2009
Дописи: 2.977
Подякував(ла): 2.996
Подякували 11.277 разів в 2.411 дописах
Репутація: 6407

Акваріуміст року Активність Меценат Акваріуміст року 

Типово Re: Мартин Сандер "Техническое оснащение аквариума"

Окислительно-восстановительный потенциал в биологическом анаэробном фильтре

Окислительно-восстановительный потенциал - Состояние
свыше 50 мВ - не происходит денитрификация
0–50 мВ - не хватает источника углерода
–50 – –200 мВ - оптимальная денитрификация
ниже 300 мВ - образование сероводорода

Процесс останавливается на нитритах, так что теперь вместо небольшого количества относительно безвредных нитратов получаем ядовитые нитриты. Если метанол будет передозирован, это может привести к гибели рыб или беспозвоночных. Могут также активизироваться восстанавливающие сульфаты нежелательные культуры бактерий, которые необходимый им кислород берут из сульфатов (SO42–) и при этом производят вредный H2S. Соотношение углерода и азота должно находиться в постоянных узких границах, что возможно для содержания рыб и в домашних, и в больших аквариумах. На практике до настоящего времени денитрификация не используется. Если все-таки поставить цель ее применить, нужно поступать очень осторожно. В любом случае следует обращать внимание на окислительно-восстановительный потенциал. Так как положительные окислительно-восстановительные потенциалы приводят к преобладанию окислительных реакций, необходимо окислительно-восстановительный потенциал сдвигать в отрицательную область. В таблице на с. 96 приведены исходные данные. Важно, что это не происходит, если через фильтр медленно пропускать небольшое количество воды так, чтобы кислород потреблялся в фильтре, а анаэробные условия приводили бы к денитрификации, но в этом случае отсутствует источник углерода. Необходимо считаться с неконтролируемыми бактериальными реакциями, которые регенерируют токсичные вещества, которые мы с таким трудом удаляем. Уравнения денитрификации приведены в частности в «Биологических основах». Речь идет о двух фазах, которые должны полностью заканчиваться, во-первых, восстановлением нитрата до нитрита и, во-вторых, восстановлением нитрита до газообразного азота. Для обеих фаз необходима дозировка метанола. Метанол окисляется в этом процессе восстановления до СО2 и воды, в то время как процесс восстановления заканчивается газообразным азотом. Оба газа выделяются в виде пузырьков газа из воды. Ученые на основе опытов с вспененным стеклом на ядерной исследовательской установке «Julick» предлагают использование другой реакции. Органические вещества, такие, как белки, жиры и углеводы, вначале гидролизуются с помощью ферментных бактерий. Продукты гидролиза: аминокислоты, жирные кислоты и многоатомные спирты – с помощью ацетогенных бактерий превращаются далее в уксусную кислоту, водород и оксид углерода, прежде чем они в лучшем случае метаболизируются метаногенными бактериями до метана и оксида углерода, Если также будет гарантироваться отношения сосуществования между всеми тремя группами микроорганизмов, для того чтобы экологическая система функционировала безупречно, то у ацетогенных и метаногенных «участников» возникает совершенно особенный симбиотический аспект. Продукт обмена веществ – водород – вызывает термодинамическую задержку микробного разложения жирных кислот, если его парциальное давление в системе превысит критическую границу (104 бар). Если при использовании метановых бактерий не позаботиться о быстром потреблении продуктов, то происходит накопление масляной и в особенности пропионовой кислоты («Закисание реакторов для сточных вод»). В действительности процессы очень сложны, и только имея определенный состав микроорганизмов, можно избежать недостатка субстратов и накопления промежуточных продуктов. Наряду с метанолом, донорами углерода могут быть другие вещества. Для гетеротрофных денитрификаторов можно добавлять вещества, приведенные в таблице на стр. 98 вверху, которые могут служить источником органического углерода. Одновременно они восстанавливают растворенный в воде кислород и сдвигают окислительно-восстановительный потенциал в отрицательную область. Другие реакции происходят при использовании автотрофных бактерий. Они получают энергию при окислении водорода или серы, в то время как источником углерода служит находящийся в воде природный органический углерод.
Такое течение реакции было бы оптимальным для аквариумистики, так как исключается дозировка органических веществ, которые при неполном превращении будут сильно загрязнять воду. Точное дозирование водорода можно также исключить из аквариумистики. При обоих реакциях необходимый кислород потребляется для окисления органической субстанции, а азот восстанавливается в виде газа.
Строение анаэробного фильтра

Следующий рисунок показывает, каким образом анаэробный фильтр может подключаться в фильтровальную систему. Основной поток воды проводится через аэробный фильтр. Небольшой поток воды отсюда разветвляется и отводится на анаэробную бактериальную ступень. Течение в биофильтре должно быть очень медленным. Это означает, что время выдержки здесь существенно больше.
Если в аэробном фильтре мы исходим примерно от 3 до 8 минут, то промежутки времени в анаэробном фильтре должны были бы быть до нескольких часов. На входе в анаэробный фильтр добавляется в небольшом количестве метанол. Количество метанола управляется с помощью прибора, измеряющего окислительно-восстановительный потенциал. Этот прибор должен как измерять, так и регулировать окислительно-восстановительный потенциал в отрицательной области. Дозирование происходит с помощью насоса или электромагнитного вентиля. Выход из анаэробного фильтра должен быть связан с аэробным фильтром, так как в аквариуме не удается создать полностью бескислородный поток. Кроме того, подобным образом аквариум защищается от возможных непредвиденных обстоятельств. Для практического применения используются различные системы. Представляется важным в любом случае измерение окислительно-восстановительного потенциала проводить вместе с измерением нитрита. Рисунок на с. 99 показывает принципиальное изменение состава некоторых растворенных веществ в воде. В области денитрификации должен прежде всего присутствовать доступный кислород. Вследствие этого окислительно-восстановительный потенциал снижается до нуля. Из-за дальнейшей добавки органических источников углерода, в качестве доноров электронов, окислительно-восстановительный потенциал снижается далее в отрицательную область. Этот процесс сопровождается убылью аэробных бактерий и увеличением анаэробных или факультативно анаэробных бактерий. Они не используют более растворенный в воде кислород, а перерабатывают кислород, содержащийся в ионах нитратов, фосфатов, нитритов. Процесс происходит примерно в следующей последовательности.
При окислительно-восстановительном потенциале примерно до 300 мВ вначале нитраты лишаются только одного атома кислорода. Вследствие этого из нитратов возникают токсичные нитриты. Они являются первой ядовитой фазой в начале денитрификационного фильтра. Нужно ограничивать циркуляцию воды на фильтре так долго, пока полностью не пройдет нитритная фаза. Только если нитраты почти полностью разложились (NO3– меньше, чем 2,5 мг/л), начинают восстанавливаться нитриты. Полное разложение нитратов и нитритов будет заметно по образованию пузырьков азота. Очень важно сконструировать нитратный фильтр так, чтобы азот можно было легко удалить. В случае, если это не наблюдается, то это может привести к замедлению обмена веществ. Для практики можно рекомендовать постоянное наблюдение за фильтром с помощью измерения концентраций нитритов.
Если значения окислительно-восстановительного потенциала равно приблизительно –300 мВ, а концентрация нитритов –0,1 мг/л, то нитраты полностью восстанавливаются, и биофильтр работает оптимально. Теперь важно следить за тем, чтобы окислительно-восстановительный потенциал не снижался далее. Если это все же происходит, то бактерии переключаются на другие источники кислорода. Вначале разлагаются фосфаты, затем в возрастающем количестве сульфаты, причем образуется токсичный сероводород. Между оптимальными рабочими точками для разложения нитратов и начала образования сероводорода разница окислительно-восстановительного потенциала составляет только 100 мВ. Опасная область начинается примерно при 400 мВ. Значение окислительно-восстановительного потенциала представлено здесь только для исходных данных. Они могут отличаться в зависимости от системы (для этого смотри также таблицу на стр. 96 внизу). В любом случае никогда не нужно отказываться от комбинированного постоянного контроля за окислительно-восстановительным потенциалом и концентрацией нитрита. В заключение этой темы можно подчеркнуть, что для успешного восстановления нитратов в аквариуме необходимо создавать условия, далекие от природных, чтобы этот процесс мог действительно надежно управляться. Дело в том, что концентрация нитратов, которые мы находим в море (см. распределение нитратов «Биологические основы»), значительно отличаются от таковых в большей части наших аквариумов.
Система, производящая пузырьки

Насыщение аквариумной воды кислородом всегда было центральной проблемой аквариумистики. Классическим методом насыщения воды воздухом в виде мелких пузырьков является применение распылителя (аэратора) с использованием древесины. К этому нужно добавить различные инжекторные системы и диспергатор. Хороший старый распылитель через древесину и в настоящее время используется в аквариумистике, даже если время от времени испытываются новые материалы.
Флотатор (аэратор, вспениватель)

Область применения флотатора – насыщение кислородом, получение мелких пузырьков с целью вспенивания и получение воздушных пузырьков для водного движения (водяные вальцы, насос-«мамонт»). В то время как для инициирования движения воды подходят относительно большие пузырьки воздуха, то насыщение кислородом и вспенивание функционируют тем лучше, чем меньше пузырьки. Поэтому необходимо приложить большие усилия для того, чтобы выбрать материал, который позволяет получить оптимальный размер воздушных пузырьков.
Имеются различные материалы для применения. Наряду с флотаторами из древесины, используются флотаторы из стекла, керамики и камня. Все материалы предлагают приемлемые размеры пузырьков, причем самые мелкие получаются при распылении через древесину.
При сравнении различных типов распылителя нужно обращать внимание не только на размер пузырьков, но и на используемое давление. При этом и простая аппаратура безотказна. Она состоит из насоса для воздуха, который связан через вентиль с расходомером для воздуха. Из расходомера воздух поступает в распылитель, который находится в мерном цилиндре. Манометр постоянно измеряет давление. При одинаковых количествах воздуха и одинаковом водяном слое (столбе) в мерном цилиндре используются различные распылители. Поэтому, наряду с количеством воздуха, измеряются давление и расстояние до водной поверхности. Обоснование этого измерения заключается в следующем: большие пузырьки имеют высокую скорость подъема, маленькие пузырьки – маленькую. Если в водяном столбе остается некоторый рой маленьких пузырьков, то при расходе воздуха примерно 100 л/час получается увеличение объема примерно на 130 мл, и это делает заметным подъем водной поверхности. Пузырьки большего размера с удвоенной скоростью подъема обладают только половинным увеличением объема и поэтому также половиной подъема водной поверхности. Таким простым способом можно рассчитать относительный размер диаметра пузырьков. Если проводить испытания различных распылителей, то получается, что распылитель через древесину производит самые мелкие пузырьки и одновременно показывает самую небольшую потерю давления. Эти факторы предопределяют его использование для обогащения кислородом в качестве флотатора малой мощности. Конечно, следует подчеркнуть и то, что древесный распылитель является природным продуктом и поэтому изменяется в воде. Длительность его использования составляет от 4 до 8 недель. Кроме того, распылители из камня и керамики также должны меняться через некоторое время, так как их поры загрязняются и трудно очищаются.
Незначительная потеря давления у «распылителя через древесину» представляет интерес для любителей, так как для него достаточно доступного по цене небольшого насоса с незначительным потреблением энергии. Для образования мелких пузырьков самое главное найти нужную пористую структуру древесины. Особенность распылителя через древесину состоит в том, что древесина исключительно гидрофильна.
Внутри действует давление газа, которое создается компрессором, снаружи – поверхностное натяжение в трехфазной системе вода/воздух/распылитель, поверхностное натяжение в двухфазной системе вода/воздух на поверхности воздушных пузырьков и гидростатическое давление в форме результирующей подъемной силы. Что касается граничной поверхности вода/воздух, для распылителя прежде всего важно, какие свойства проявляет материал распылителя – гидрофильные (сродство к воде) или гидрофобные (нет сродства к воде). Если имеется гидрофильное вещество, например такое, как древесина, то вода позволяет воздушным пузырькам как можно быстрее отрываться от поверхности.
В гидрофильных веществах, напротив, вода позволяет пузырькам, как можно дольше задерживаться на распылителе. Чем больше время сцепления их с поверхностью, тем сильнее пузырьки «надуваются» и тем больше они становятся. Относительно пограничной поверхности вода/воздух легко представить, что при высокой вязкости и вследствие высокого поверхностного натяжения образуются пузырьки большого объема. Увеличивающимися вязкостью и поверхностным натяжением часто можно объяснить образование мелких пузырьков в морской воде. В соленой воде пузырьки воздуха достигают размера примерно 0,5 мм в диаметре, в то время как в пресной воде – до 5 мм. Мелкие пузырьки, гарантирующие достаточное вспенивание, образуются уже в малосоленых водах Балтийского моря. Таким образом, можно было в 1972 г. с успехом взяться за водоподготовку воды Балтийского моря для аквариума в Киле. Конечно, можно сделать неверный вывод о том, что способ образования пузырьков нужно списывать только на вязкость или поверхностное натяжение. Если рассмотреть соответствующий рисунок (см. диаграмму на стр.21) , то видно, что между 20 и 25 °C имеется различие по вязкости примерно на 0,1. Подобное смещение происходит при изменении содержания соли от 0 до 30%. Так как смещение температуры тоже практически не влияет на процесс, можно с большой вероятностью сказать, что ни поверхностное натяжение, ни вязкость не отвечают за образование мелких пузырьков в морской воде.
Единственное значение, которое заметно зависит от содержания соли, – проводимость. Можно предположить, что в соленой воде электрические заряды на поверхности пузырьков предотвращают образование слишком больших пузырьков. Но это только гипотеза. Может быть, эта гипотеза вскоре будет научно и практически обоснована.
Гидростатическое давление рассматривается здесь в связи с тем, что оно должно преодолеваться при образовании пузырей компрессором.
Это естественный фактор, на который, к сожалению, не обращают внимания при покупке и подключении установки аэрации.
Инжектор

Функция инжектора, который также часто называют насадкой для подачи воздуха, для многих аквариумистов не совсем понятна. Прежде всего, отметим очевидное противоречие: для использования инжектора нужно очень высокое давление, чтобы получить вакуум. Очень трудно спланировать инжектор так, чтобы он при самой небольшой подаче воды и по возможности незначительной потере напора засасывал достаточно большое количество воздуха, давал мелкопузырьковую смесь в условиях противодавления от одного до нескольких метров водного столба. Лучше всего функция инжектора разъясняется при рассмотрении затраты энергии. При этом следует рассматривать три формы энергии: энергию потери на трение, энергию скорости (кинетическую энергию) и энергию давления. Для дальнейшего рассмотрения необходимо знать, что общая энергия системы остается одинаковой, но значения различных форм энергии могут варьировать и переходить друг в друга.
На входе инжектора мы имеем определенную энергию скорости, которая зависит прежде всего от поперечного сечения трубопровода и количества воды. Чтобы пропустить это количество воды через инжектор, нужна определенная энергия. На входе инжектора находится относительно короткая насадка. Отверстие для протекающей воды внутри этой насадки сведено к минимуму. Так как количество воды в каждой точке инжектора одинаково, то соответственно простому уравнению V=Q/A скорость потока должна увеличиваться пропорционально уменьшению поперечного сечения. Чем выше скорость, тем выше, конечно, потеря энергии на трение. Итак, эти обе формы энергии должны экстремально возрастать в узком месте насадки. Так как общая энергия остается одинаковой, в то время как две известные нам энергии стремительно возрастают, должна быть энергия, которая значительно снижается. Это энергия давления. Целью конструкции является определение параметров инжектора таким образом, чтобы абсолютное давление в насадке было столь малым, что он смог бы использовать окружающую атмосферу. Если это достигается, возникает разность давлений, которая выравнивается поступлением большого количества воздуха в инжектор. На выходе инжектора получается смесь воздух-вода, которая имеет энергию скорости подобную энергии в трубе, но меньшую энергию давления. Эта смесь фаз, – так называемая неньютоновская жидкость. Ее нельзя рассчитать по относительно простым стандартным формулам гидродинамики. Но из-за турбулентных процессов обмена в такой газовой смеси происходят более значительные потери на трение, чем в нормальной жидкости. К этому можно добавить, что газовые пузырьки в трубопроводах проявляют тенденцию собираться в слишком большие пузыри. По этим причинам следует держать трубопровод за инжектором по возможности близко. Практический опыт показывает, что потребление энергии в инжекторе не намного выше, чем у распылителя, и что размер пузырьков сравним. Значительное преимущество, которое важно для больших установок с инжектором, состоит в том, что он практически не подлежит износу и равномерно образует мелкие пузырьки, и по сравнению с распылителем затраты на обслуживание снижаются.
Диспергатор

Принцип действия диспергатора основывается на тех же законах, что и инжектора. Поток воды ускоряется так сильно, что в определенном месте возникает вакуум и вследствие этого пузырьки воздуха засасываются в воду. В диспергаторе соединены в одном агрегате функциональные элементы водяного насоса и инжектора. Ротор, который специально создан для диспергатора, приводится в действие непосредственно мотором, так же как у центробежного насоса. Когда колесо ротора вращается, в непосредственной близости от оси возникает пониженное давление. Вода всасывается перегородками колеса и с повышенным давлением и высокой скоростью устремляется наружу. Благодаря высокой скорости воды, между вращающимся колесом и всасывающей тарелкой возникает, так же как в инжекторе, пониженное давление, воздух по круговому каналу всасывается в воду, и образуется мелкопузырьковая смесь. Это только один из примеров диспергатора, в настоящее время разработано множество подобных конструкций. Самым известным и самым простым является непосредственное введение воздуха в засасывающее устройство центробежного насоса. Принцип действия подобных диспергаторов в большинстве случаев очень хорош и убедителен. Но тем не менее возникает проблема, которая до сих пор технически недостаточно проработана. Мы уже упоминали выше, что смесь из воздуха и воды – «неньютоновская жидкость». В корпусе ротора возникают неопределенные состояния давления, которые из-за бегущего колеса производят колебания, которые через вал передаются на торцевое уплотнение или на подшипниковый вал магнита. Эти колебания часто приводят к повреждениям на уплотнении или на подшипниковой системе.

Насыщение кислородом

Целью аэрации, все равно, каким способом она достигается, является почти всегда обогащение кислородом. Часто аэрация и обогащение кислородом означает одно и то же. Но есть большое различие, так как воздух содержит только 21 % кислорода. Если мы аэрируем наш аквариум со скоростью 200 л/час, то кислород подается со скоростью только 40 л/час. Но это относительно небольшое количество кислорода не приводит к проблемам в аквариуме. По сравнению с канализационными установками для воды в аквариуме необходимо меньшее количество кислорода. Ситуация меняется при содержании рыбы для пищевых целей. Системы для промысловой рыбы как для разведения, так и для содержания большей частью значительно мощнее; там выпадает гораздо больше органического вещества, остатков пищи и экскрементов. Корм подается также в гораздо больших количествах, так как рыба не содержится, а откармливается. Чем меньше рыба съедает корма, тем больше органического вещества падает на дно и разлагается, потребляя кислород. В то время как в плотно заселенных аквариумах содержание органики очень велико, можно большей частью пренебречь ею в декоративных аквариумах с рыбками. Тем не менее, и в них происходит значительное отложение органического вещества как на основании грунта, так и в фильтре прежде всего, если речь идет о механическом фильтре. Эта органика требует значительного потребления кислорода. Следовательно, обогащение воды кислородом необходимо не только для снабжения им животных, но и для того, чтобы пополнять кислород, потраченный на окисление органического вещества. Если биологический фильтр находится в фильтровальной системе, то снабжение кислородом имеет дополнительное значение. Биологический фильтр функционирует при аэробных условиях, следовательно, при условиях, обогащенных кислородом. Если для нитрификации не хватает кислорода, процесс протекает неудовлетворительно, и фильтр может «опрокинуться» в анаэробную среду.
Итак, если для рыбы подается, как минимум, 4 мг/л кислорода, то это значение следует понимать как предельную величину, необходимую для дыхания. Если она будет ниже, то рыбы задыхаются. Эта предельная величина недостаточна для того, чтобы вся биологическая система аквариума функционировала правильно. Цель вентиляции – по возможности достигать границ насыщения кислородом. Чтобы внесенный кислород равномерно распределялся по объему аквариума, необходим интенсивный оборот воды. Прежде всего, движение воды должно быть таким, чтобы избегать «мертвые углы».
Какие факторы влияют на насыщение кислородом?

Размер пузырьков значительно влияет на обогащение воды кислородом. Чем мельче пузырьки, тем лучше кислород переходит в воду. Испытания показали, что при аэрации мелкими пузырьками (диаметр пор около 0,1 мм) достигается обогащение кислородом примерно 10 г на кубический метр воздуха при глубине погружения 1 м, в то время как аэрация крупными пузырьками (размер пузырька 2 мм) уменьшает эту величину наполовину . Конечно, размер пузырьков сложно контролировать. Если размышлять о пузырьке в воде, можно себе представить, что сначала кислород диффундирует из пузырька в водную пленку. Если кислород не удаляется из пленки, то его концентрация в ней будет расти до тех пор, пока не установится состояние равновесия. Диффузия в этом случае прекращается. Если кислород отводится достаточно равномерно, то он будет постоянно диффундировать. Пузырьки воздуха, которые поднимаются в некотором рое, постоянно забирают с собой приграничную воду. В результате этого возникает восходящий вверх поток воды. Направленный вверх поток пузырьков обладает достаточной скоростью. Между водой и пузырьками воздуха имеется очень небольшая разница скоростей. Пузырек движется в очень равномерном потоке. Чем сильнее будет выражена турбулентность, тем лучше снимется поверхностный слой на пузырьке, который уже насыщен кислородом. Вода, обедненная кислородом, быстро подводится к поверхности пузырька и обогащается кислородом. При возможности следует подводить воду сверху вниз, то есть противотоком. Вследствие этого достигается оптимальный объем в пленке.
С увеличением давления, которому подвергается пузырек все время, пока находится в воде, больше кислорода переходит в раствор. Чем глубже погружается распылитель в воду и чем выше реакционная колонка, тем лучше происходит обогащение кислородом, эффективность передачи кислорода пропорциональна высоте водяной колонки.
Этот эффект можно усилить, если использовать реакционную трубу с избыточным давлением, такие кислородные реакторы вполне можно приобрести в торговой сети. Разумеется, придется понести новые расходы. Используется водяной насос, который транспортирует воду с повышенным давлением в кислородный реактор. Воздух также должен поступать в реактор с соответствующим избыточным давлением. Так как обычный аквариумный насос создает давление от 2 до 3 м водного столба, можно рекомендовать небольшой компрессор. В качестве кислородных реакторов могут использоваться колонки как пузырьковые, так и с наполнителем. Вместо реактора может подсоединяться кислородный баллон под давлением, с помощью этого достигается значительное повышение производительности. В этом случае в литре газа теперь находится пятикратное количество кислорода, который к тому же быстрее диффундирует в воду. Этот способ относится к дорогостоящим, так как баллоны весьма тяжелые и не дешевы. При этом, однако, исключаются расходы на компрессор. Если используется кислород, реактор следует использовать в качестве наполнителя. При хорошей регулировке кислород можно дозировать так, что он весь растворяется. Это значит, что вода будет без пузырьков и не произойдет потери поднимающегося кислорода. Если работают с чистым кислородом, есть, конечно, вероятность, что вода перенасытится. Следовательно, с чистым кислородом нужно работать очень осторожно.

Температура воды и степень насыщения кислородом

Чем ниже температура воды, тем выше граница насыщения кислородом.
Чем выше будет разница уровней между имеющимся кислородом и границей насыщения, тем лучше происходит передача кислорода. Следовательно, аквариумы с холодной водой существенно легче обеспечить кислородом, чем аквариумы с теплой водой.

Это поясняет также верхний рисунок. Возьмем два экстремальных примера. Аквариум с холодной пресной водой при температуре 16 °C имеет границу насыщения кислородом приблизительно 10 мг/л. Теплый аквариум с морской водой при температуре 24 °C имеет предельную границу насыщения около 7 мг/л. Тем не менее оба должны иметь содержание кислорода 7 мг/л. Для бассейна с пресной водой это означает, что должна достигаться степень насыщения приблизительно 60%, в то время как для бассейна с теплой морской водой достигается уже степень насыщения 85%. Если предположить, что наш аквариум имеет такую же хорошую степень обогащения кислородом, как быстротекущие водоемы, то окажется, что холодная пресная вода поглощает примерно 6 г кислорода на квадратный метр в день, в то время как морская вода – 1,5 г. Итак, становится ясным, что в теплых аквариумах не только предельная граница насыщения ниже, но и подача кислорода значительно труднее. Далее, с повышением температуры увеличивается активность живых существ, и, соответственно, потребность их в кислороде. Также повышается обмен веществ у микроорганизмов, и они также используют больше кислорода.
Итак, мы констатируем две противоположные тенденции: снижение границы насыщения и повышение потребности в кислороде. Чем выше температура, тем более важным для биологической системы в аквариуме становится снабжение кислородом. Критические ситуации могут появиться, если в теплые летние дни температура в аквариумах с теплой водой еще более повысится.
Концентрация кислорода и парциальное давление

Состав воздуха

Азот - 78%
Кислород - 21%
Инертные газы - 1%
Двуокись углерода - 0,03%

Таблица вверху еще раз поясняет пропорциональное содержание газов в окружающем нас воздухе. Ясно, что одного азота в воздухе содержится 78%, а азот вместе с кислородом составляют уже 99%.
Если вообразить левую колонку как сосуд с газами, в котором газы расположены слоями, то можно представить, что молекулы на основе броуновского движения регулярно с большой скоростью ударяются о стенки сосуда.
Вследствие этого в сосуде возникает давление. Удалим из этой смеси все газы, за исключением только кислорода. Молекулы кислорода занимают теперь значительно больше места. Они не так часто ударяются в стенки сосуда, давление снижается. Давление, которое производит один кислород, называется парциальным. Оно составляет примерно пятую часть общего давления газов. Теперь мысленно заполним колонку полностью кислородом. Теперь в сосуде столько же молекул, сколько их было вначале нашего теоретического эксперимента. Ударяется столько же молекул в стенки сосуда, но теперь это только молекулы кислорода. Давление кислорода поднимается пятикратно! Теперь представим сосуд, который полностью заполнен кислородом, погрузим его в воду и откроем на нижней стороне. Так как давление со всех сторон действует одинаково, то теперь молекулы кислорода с пятикратным по сравнению с обычным воздухом давлением сталкиваются с поверхностью воды. В противоположность стенке сосуда водное зеркало не является твердой поверхностью. Из-за этого пятикратного (парциального) давления скорость растворения кислорода значительно увеличивается. Насыщение воды производится чистым кислородом, следовательно, значительно быстрее, как мы это видели в главе об осмотическом давлении, процессы диффузии происходят до тех пор, пока не будет достигнуто состояния равновесия.
Теперь на одной стороне весов – чистый кислород, на другой – бедная кислородом вода. Так как мы сильно повысили парциальное давление кислорода по отношению к воздуху, то повышается и скорость обогащения кислородом. Этот процесс протекает до максимального содержания кислорода, который мы можем растворить в воде.
Азот

Хотя до сих пор мы рассматривали обогащение воды кислородом, нельзя забывать об азоте. Этот газ в наибольших количествах (78%) содержится в воздухе. Следует помнить, что при аэрации всегда вносится также азот. В том, что азот – нереакционноспособный газ и что он практически не оказывает влияния на химические реакции в воде, нет ни недостатка, ни преимущества. Поэтому азот называют инертным газом. Инертные газы – газы, которые в данной химической системе не принимают участия в реакциях. Прежде всего это благородные газы, такие, как гелий, неон, аргон. Но все же азот может принести неприятные неожиданности. Когда воздух при избыточном давлении растворяется в воде, азот достигает в растворе очень высокой концентрации и поглощается рыбами при дыхании. В кровеносной системе рыб возникают пузырьки азота, которые могут привести к эмболии.
Двуокись углерода

Значение двуокиси углерода для круговорота веществ описано в различных главах. Диоксид углерода является очень важным для химии и биологии воды газом, особенно если учесть, что его доля в воздухе составляет только 0,03%, то есть примерно 1/700 часть от содержания кислорода. Соответственно низким предполагается и содержание двуокиси углерода в воде. В пресных водах это соответствовало бы примерно 0,01 мг/л при 20 °C. В действительности граница насыщения для диоксида углерода в теплой воде при 20 °C равна 0,5 мг/л, то есть в пятьдесят раз выше, чем ожидалось. Из этого следует, что диоксид углерода существенно лучше, чем кислород, растворяется в воде.
Как ни парадоксально, диоксид углерода также быстро и освобождается, если воду турбулентно мешать или аэрировать. Следовательно, двуокись углерода можно относительно легко смещать как в водную фазу, так и в газообразную.
Как и для кислорода, так и для углекислого газа считается, что при повышении температуры растворимость снижается. Очевидно, что пресные воды могут поглощать диоксида углерода больше, чем морские. Двуокись углерода будет в дефиците в сильно заросшем растения-ми аквариуме. В природе только небольшая часть водной поверхности заселена растениями, так что имеется весьма благоприятное соотношение общей водной поверхности, которая может поглощать диоксид углерода, и поверхности с растениями, на которой диоксид углерода используется. Аквариумы с пресной водой, сильно заросшие растениями, нуждаются в большем количестве диоксида углерода, чем его может поглотиться через аэрацию или водную поверхность. Следовательно, необходимо дополнительное дозирование двуокиси углерода.
Дозирование двуокиси углерода

В то время как обогащение кислородом можно производить обычным воздухом и озоном с помощью озонатора, то обогащение воды диоксидом углерода сопряжено с трудностями, так как необходим источник этого газа. Это достигается различными путями, которые в дальнейшем будут представлены.
Брожение с дрожжами. Этот способ получения двуокиси углерода известен из технологии получения спирта. Готовят раствор сахара и добавляют немного дрожжей, на один литр воды добавляют 100 г сахара и 10 г дрожжей. Спустя некоторое время раствор начинает бродить, причем наряду со спиртом образуется двуокись углерода. Возникающее при этом давление достаточно, чтобы угольная кислота из реакционного сосуда поступала в аквариум. Недостаток этого метода состоит в том, что не получается непрерывного снабжения углекислым газом.
Когда брожение заканчивается, раствор приготавливают снова. Подача газа также плохо регулируется, т. к., конечно, изменять обмен веществ у дрожжей непросто.
Описанный выше процесс протекает очень медленно. Конечно, температура существенно влияет на брожение. Чем больше температура, тем быстрее происходит брожение, и тем быстрее необходимо готовить новый раствор. Этот метод уже описан в специальной литературе. Процесс может проводиться таким образом, чтобы через воздушное пространство бродильного сосуда постоянно с помощью насоса закачивать воздух, который отводит углекислый газ и подает его в аквариум.
Реакция известняка с соляной кислотой. Двуокись углерода химически связана с известью, но ее можно освободить:
CaCO3+ 2HCl => СО2+ CaCl2 + H2O
Когда мы приливаем соляную кислоту к известняку, возникает бурная реакция. Кальций (Ca2+) связывается двумя ионами хлорида (Cl–) с образованием хлорида кальция. Водород соляной кислоты реагирует с атомами кислорода известняка (CaCO3) с образованием воды. Двуокись углерода образуется в результате этой реакции с характерным бульканьем. Если ориентироваться на уравнение реакции. то получается, что необходимо приблизительно 100 г чистой извести, чтобы получить около 2 л двуокиси углерода. При этом возникает 111 г хлорида кальция. Чтобы привести реакцию в действие необходимо 73 г чистой соляной/кислоты. Так как концентрированная соляная кислота очень опасна, необходимо работать с 25%-ной соляной кислотой, так что раствора получается соответственно больше.
В продаже есть доступные реакционные сосуды, в которых протекает реакция. При действии соляной кислоты на известь возникает диоксид углерода, который выделяется из зоны реакции и повышает давление. Это давление вытесняет в реакционный сосуд соляную кислоту, и дальнейшее образование двуокиси углерода замедляется. Если двуокись углерода израсходована в аквариуме, давление в реакционном сосуде снижается. Соляная кислота опять поднимается к извести, и реакция продолжается. Таким образом возникает определенный эффект автоматического регулирования. Но регулирование возможно только после того, как начинается реакция в сосуде, а не после того, как возникает потребность в двуокиси углерода в аквариуме. Целесообразно было бы также управлять системой через электромагнитный вентиль. Но это затрудняется тем, что электромагнитные вентили надежно работают при высоком управляющем давлении. Описанный способ химического получения двуокиси углерода весьма прост и экономически целесообразен. Конечно, общение с соляной кислотой опасно. Регулировка, зависящая от потребности, возможна только условно. Представленные выше возможности дозировки предоставляют простые и несложные способы дозирования. В настоящее время предлагаются устройства, в которых двуокись углерода не только производится, но и может отводиться из резервного баллона. Для этого имеются следующие возможности:
Двуокись углерода с дозировкой при впрыскивании. При этом способе двуокись углерода подводится из аэрозольного баллона. Аэрозольный баллон заполнен под давлением от 8 до 10 бар. Объем этого баллона составляет 0,5 – 0,6 литра, что соответствует объему газа 5 литров или около 10 г двуокиси углерода.
Обслуживание аэрозольного баллона с двуокисью углерода очень простое. СО2-реакционный сосуд устанавливается в аквариуме и связывается с помощью микрошланга с аэрозольным баллоном. Теперь просто нажимают на вентиль аэрозольного баллона так, чтобы двуокись углерода вводилась в реакционный сосуд. В этом случае имеют простое дозирование двуокиси углерода без потерь. Недостаток состоит в том, что применение ограничивается небольшими аквариумами объемом от 100 до 200 л. Дозирование не может осуществляться автоматически. Подключение к регуляторам невозможно. Если реакционный сосуд с двуокисью углерода пуст, то дозировка происходит вручную. Баллон, к сожалению, нельзя заполнить заново, и он выбрасывается.
Двуокись углерода в газовой капсуле под давлением. Для домашнего хозяйства разработан маленький патрон с двуокисью углерода, который гораздо меньше, чем баллон с аэрозолем, и содержит 16 г CO2, но, конечно, гораздо больший полезный объем, так как газ находится под высоким давлением. Основная проблема здесь – сконструировать недорогой, но очень точный регулирующий клапан. При ненадежном управлении это приводит к значительным потерям двуокиси углерода. Для домашних аквариумов капсула с двуокисью углерода – это хорошее решение. Однако проблемы с вентилем все-таки остаются.
Двуокись углерода в баллоне для сжатого газа. Двуокись углерода используется во многих областях техники и при производстве напитков. Поэтому в промышленности используются баллоны под давлением самых разных размеров, которые также пригодны для применения в аквариумной технике. По сравнению с другими газами двуокись углерода может сжижаться при относительно низком повышенном давлении. Итак, уже при температуре окружающей среды 20 °C и при давлении 55 бар двуокись углерода можно сжижать в баллонах высокого давления и отправлять в торговлю.
Вследствие того, что газ находится в баллоне в жидком виде, из довольно-таки маленького баллона может получиться значительный полезный объем. Выход газа производится через вентиль пониженного давления (редуктора), который располагается на головке баллона. Редуктор привинчивается накидной гайкой к головке баллона.
Крепление редуктора должно производиться очень тщательно гаечным ключом, при этом создается такое уплотнение, что накидная гайка не нуждается в сильном затягивании. Сначала выходное давление нужно выставить на ноль, что достигается вращением его влево до отметки, т.е. выходной вентиль закрывают. Затем следует осторожно открывать закрывающий вентиль баллона. Если подключение редуктора ненадежно, то это заметно по отчетливому шипению. В этом случае вентиль баллона нужно еще раз закрыть и закрепить редуктор. На новом баллоне первый манометр должен показывать давление от 55 до 60 бар, второй манометр – 0. Теперь производится соответствующая регулировка выходного давления вращением вправо. Давление считывается на втором манометре. Необходимое давление зависит от включенных приборов. Если включен простой СО2-реактор, будет достаточным давление выхода 0,2 бар. Если подключается магнитный вентиль, то необходимо от 2 до 4 бар, так как большая часть магнитных вентилей использует давление для управления, чтобы была возможность надежно открывать и закрывать. Если применяются такие высокие давления, необходимо обращать внимание на то, что должны применяться и шланги высокого давления.
Вентиль на оборудовании пониженного давления регулирует не давление выхода, а количество двуокиси углерода. Такое оборудование для пониженного давления оборудовано двумя вентилями. С помощью одного грубо устанавливается расход, а с помощью второго – точное количество. У некоторых пользователей такое оборудование вызывает опасения из-за высокого давления, которое подается на вентиль. Но оборудование работает так, что гарантируется повышенная безопасность и поэтому может обслуживаться и неспециалистами Само собой разумеется, баллоны под давлением никогда не должны обслуживаться без установок понижения давления.
Баллоны высокого давления для двуокиси углерода. Баллоны с углекислым газом высокого давления выпускаются в различных вариантах. Они имеются в любых пунктах торговли техническим газом. Существуют и специализированные баллоны для аквариумов, причем имеются на выбор два или три размера баллонов. Можно рекомендовать закупку баллона в зоомагазине, так как торговля техническими газами имеет другие критерии качества. В зоомагазине можно также во многих случаях получить детальные советы специалистов. Чтобы исключить проникновение других газов или сырости в баллон, газовые баллоны под давлением никогда не должны оставаться полностью пустыми. Баллоны могут транспортироваться только в том случае, если завинчена крышка и отсоединено дополнительное оборудование. Баллон должен прочно устанавливаться на месте, чтобы исключить его возможное падение. Баллон нельзя также переворачивать во время отбора газа. Двуокись углерода находится в баллоне в виде жидкости. Если баллон перевернут и эксплуатируется, из него вытекает жидкая угольная кислота, и возможно образование углекислотного снега. Это может привести к засорению и разрушению вентилей.
Дозирование двуокиси углерода. Из-за большой растворимости в воде и очень хороших диффузионных свойств чистая двуокись углерода может очень быстро поступать в воду. При оптимальных технических условиях можно растворить 1700 мг CO2 в теплой воде при 20 °C. Конечно, это в аквариуме невозможно. Но данные показывают, что с помощью простых средств мы можем получить хорошие результаты по насыщению воды газами. Существует очевидная разница между обогащением воды чистой двуокисью углерода и воздухом. Доказано, что с помощью аэрации не происходит дальнейшего обогащения воды двуокисью углерода. Конечно, также нереально во всем аквариуме установить дозаторы двуокиси углерода для того, чтобы достичь желаемых более высоких значений. Уже упоминалось о недостатках аэрации двуокисью углерода, но фактически этот газ подается в воду через распылитель. Вследствие этого получается большая потеря, так как время подъема пузырьков невелико, от I до 5 сек (пузырьки имеют скорость подъема от 15 до 30 см/с, следовательно, в аквариуме высотой 60 см время нахождения пузырька в воде составляет 2 – 4 секунды). Не весь газ может диффундировать в воду. Значительная часть вместе с пузырьками выносится на поверхность. Он, по возможности, остается на водной поверхности. Здесь двуокись углерода вскоре смешивается с воздухом, так что концентрация ее быстро уменьшается, однако это может привести дышащих воздухом рыб (лабиринтные рыбы, сомы) к затрудненному дыханию, что должно безусловно исключаться. Следовательно, должны выбираться такие методы внесения двуокиси углерода, которые по возможности исключали бы поступление ее на поверхность.:
Это лучше всего достигается тем, что применяются чисто диффузионные приборы. Они имеют большое преимущество в том, что занимают небольшую площадь водной поверхности под чистую двуокись углерода и вследствие этого достигают высокого обогащения. Хорошо зарекомендовали себя два варианта.
Диффузионная установка для внесения двуокиси углерода

Рисунок внизу показывает диффузионное устройство, которое выполнено в виде трубы. Эта труба с одной стороны закрыта крышкой, которая имеет маленькое отверстие.
На другой стороне труба снабжена полупроницаемой мембраной. Эта мембрана устроена таким образом, что не может пропускать молекулы воды, а молекулы углекислого газа очень хорошо через нее проходят. По сравнению с содержанием углекислого газа внутри трубы вода имеет незначительную концентрацию этого газа, и молекулам углекислого газа удается быстро проходить через мембрану в воду. Так как число молекул в объеме газа становится меньше, вода через отверстие в основании медленно поднимается внутрь трубы. По водяному столбу в трубе можно также узнавать, когда следует дозировать двуокись углерода.
В связи с тем, что около мембраны содержание двуокиси углерода со временем увеличивается, важно, чтобы создавалось движение для отвода воды, обогащенной двуокисью углерода.
Чем больше снижение концентрации двуокиси углерода, тем быстрее происходит процесс диффузии. Рисунок на стр. 118 внизу показывает устройство для диффузии без мембраны. Двуокись углерода подается сверху; в противном случае верхняя сторона устройства закроется. С нижней стороны труба закрыта. При введении трубы шланг для двуокиси углерода снимается, так что во время погружения он полностью деаэрирован.
Если труба погружена и полностью заполнена водой, подключается подача двуокиси углерода. При этом вытесняется вода. Труба содержит теперь двуокись углерода, возникает поверхность раздела двух фаз – двуокиси углерода и воды. Можно представить, что в этом случае происходит еще более быстрая диффузия, так как полупроницаемая мембрана создает значительное сопротивление, которое при этой конструкции полностью отсутствует. Мембраны также загрязняются, что при данной конструкции исключается. Конечно, мембраны создают препятствие для животных, которые могут попасть непосредственно в колокол с двуокисью углерода. Но на практике это никогда не происходит. Оба метода имеют преимущество в том, что дозирование двуокиси углерода происходит абсолютно без потерь. Это экономит средства и не позволяет на поверхности воды образовываться слою из двуокиси углерода. Наряду с этими чисто диффузионными устройствами, имеется ряд других систем, которые в основном осуществляют газообмен с потерями газов. Для всех газопузырьковых систем известно, что с помощью распыления двуокиси углерода через распылитель получаются однозначные результаты. Было исследовано, что пузырьки на пути к водной поверхности встречают множество помех. Двуокись углерода подводится через трубу с различными наполнителями. При подъеме пузырьки прикрепляются к наполнителю, и это увеличивает время их задержки в воде. При этом нужно проводить очень тонкую настройку дозирующего вентиля.
Проточные реакторы. Существенные преимущества и прежде всего повышенную производительность дают реакционные системы двуокиси углерода, через которые протекает вода. Их можно использовать как для установления в аквариуме так и для больших установок, для помещения снаружи корпуса. При этом речь идет о трубе, которая содержит наполнитель и которая служит для того, чтобы гарантировать оптимальный контакт между двуокисью углерода и водой.
Небольшой поток цикла фильтрации подводится сверху через реакционную трубу. Выход из трубы ведет в аквариум. Двуокись углерода вводится также с верхнего конца. Она поступает вместе С Водой в реакционную трубу. Верхним часть трубы заполняется двуокисью углерода, так что вода орошает практически чистую двуокись углерода, расположенную над наполнителем. При этом вода очень быстро насыщается газом. С помощью точного регулирующего вентиля на редукторе расход двуокиси углерода устанавливается так, что труба заполняется газом максимум на две трети. В нижней части должна быть вода без пузырьков. Для того чтобы это можно было контролировать, реакционные баллоны должны быть изготовлены из прозрачного материала. Регулировка системы может быть такой точной, что потери двуокиси углерода исключаются.
Контроль дозирования двуокиси углерода

Дозированием двуокиси углерода мы активно вмешиваемся в жизнь аквариума, и поэтому важно, чтобы вода регулярно контролировалась.
Лучше всего это делать через значение pH. Контроль должен проводиться один раз в сутки, а лучше, если он проводится непрерывно. Непрерывные измерения рационально проводить только с помощью электрических приборов. Затем измеренную величину необходимо еще осмыслить и на основе расчета сделать правильное заключение. Для мощных установок можно рекомендовать прежде всего автоматические измерительные и управляющие системы. Рисунок показывает автоматическую установку для точного дозирования.
Двуокись углерода отбирается с помощью специального приспособления на баллоне со сжатым газом. Регулирующий вентиль устанавливает расход газа. Двуокись углерода проходит через магнитный вентиль, который регулируется прибором, управляющим pH. От магнитного вентиля газ поступает в реактор двуокиси углерода, где он смешивается с водой. Непосредственно сзади реактора находится электрод, измеряющий pH, который регистрирует изменения, связанные с подачей углекислого газа. Измененная величина оценивается измерительным прибором, который должен снабжаться переключателями. При этом на приборе выставляется желаемое значение pH в качестве заданной величины, и теперь измерительный прибор сравнивает текущее значение с заданным. Если заданное значение достаточно, измерительный прибор замыкает контакт, магнитный вентиль закрывается, и дозировка двуокиси углерода прерывается. Спустя некоторое время величина pH будет опять регистрироваться pH-электродами. Если это значение увеличится по сравнению с заданной величиной, магнитный вентиль опять открывается и освобождает двуокись углерода. Таким способом гарантируется достаточное снабжение двуокисью углерода без опасности передозировки. Так как у водных растений ассимиляция и поглощение CO2 происходит только ночью, на это время суток дозирование можно отключать. Это можно сделать вручную или с помощью таймера.
Озон

«Озон» – слово, которое сейчас встречается почти ежедневно в газетах. Путаница состоит в том, что, с одной стороны, он изображается как жизненно необходимое соединение, если речь идет об озоновом слое, который улавливает опасное ультрафиолетовое излучение и таким образом защищает нас. С другой стороны, он считается опасным, когда летом в связи с фотоокислением выхлопных газов машин и дымовых труб накапливается в опасной концентрации. В положительном качестве озон действует как средство окисления в бассейнах или в водоочистке. Там он может заменять целиком или частично хлор или хлористые соединения, которые частично образуют в воде опасные с точки зрения гигиены вещества. В охране окружающей среды, например, в очистке воздуха и сточных вод, озон также успешно применяется. Сегодня озон встречается и в аквариумистике. Озон – особая форма кислорода. Обычно два атома кислорода связываются в одну молекулу.
Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Когда эта молекула распадается, отдельные атомы стремятся к реакциям окисления. Все воздействия, которые озон оказывает на ход биохимических реакций, основаны на этом сильном окисляющем действии. Озон – сильнейшее технически доступное средство окисления. Одновременно он не оказывает неблагоприятного воздействия на окружающую среду, т. к. состоит только из трех атомов кислорода и не вносит никаких химикатов в воду аквариума.
Области применения озона в аквариумистике

Несмотря на хорошие фильтровальные установки, которые оснащены механическими и биологическими фильтрами или, если это касается морской воды, флотатором, в аквариуме могут возникнуть ситуации, при которых используется озон, например:
  • появление внезапных пиковых концентраций аммония и нитрита;
  • накопление биологически неразлагаемых веществ;
  • эпидемические болезни;
  • мутная вода;
  • слишком низкий окислительно-восстановительный потенциал.
Для решения этих проблем предлагается применение приготовленных растворов озона, которые будут описаны далее.
Как получается озон?

Так же как и в природе при грозовом разряде в виде молнии, озон получается с помощью электрического разряда на озоновых электродах. Рисунок справа вверху предоставляет нам возможность взглянуть на озоновые электроды во время разряда. Этот процесс, так же как и в природе, происходит при очень высоком напряжении, которое вырабатывается в озонаторе от трансформатора высокого напряжения. Озоновый электрод представляет собой конструкцию в виде трубки, выполненной из стекла и заполненной электропроводящим материалом, который подключается к высокому напряжению. В качестве противоположного электрода служит расположенный снаружи кожух. Между стеклянной трубкой и кожухом есть зазор, через который проходит воздух.
Непрерывный поток электронов между трубками образует из молекул кислорода молекулы озона.
Содержание озона в воздухе, который проходит через озонатор, и температура тем выше, чем больше напряжение на электроде. Если изменять с помощью потенциометра используемое озонатором напряжение, то таким простым способом можно регулировать количество озона. К сожалению, в озонаторе не только кислород превращается в озон. Водяной пар, который всегда в небольших количествах содержится в воздухе, в таких условиях также разлагается. При этом он вступает в реакцию с азотом, так что после некоторого времени использования на стеклянных электродах может появиться азотная кислота, которая приводит к явному снижению производительности. Следовательно, электроды следует регулярно очищать. Как правило, достаточно одной очистки в неделю.

Как подключается устройство, производящее озон?

Так как озонатор работает под высоким напряжением, следует обращать внимание на то, чтобы вода из аквариума не могла попасть в прибор. Здесь имеются две возможности.
Прибор может устанавливаться на стене над водной поверхностью. Если это невозможно, то прибор помещается в шкаф под аквариумом и поэтому должен снабжаться шлангом. Озонатор нельзя ставить на крышку аквариума. Он имеет два присоединения для воздушных шлангов. Левое подсоединение шланга для воздуха связано с воздушным насосом, правое также с помощью воздушного шланга связано с распылителем воздуха, который находится в воде. В лучшем случае озон подводят в морскую воду через флотатор, а в пресную воду – через маленький воздушный фильтр. Если шланги присоединены, можно включить сетевой штекер и... прибор уже в пользовании (каждый озонатор оснащен реостатом, так, что мощность озонирования можно плавно регулировать по потребности.) Контролирующий осветительный прибор говорит о правильном использовании озонатора.
Влияния озона на цикл (круговорот) азота

Озон оказывает сильное влияние на круговорот азота. Он окисляет токсичный аммоний через нитриты до нитратов при значении pH выше 7, т.е. прежде всего в морской воде при значении pH 8,2. При значении pH около 7 в пресной воде аммоний/аммиак не окисляется озоном. Окисление в этих условиях возможно только бактериальным путем.
Особенно токсичные нитриты окисляются озоном до нитратов, причем эта реакция не зависит от значений pH, следовательно, в морской воде протекает так же как и в пресной. Это особенно важно, так как нитриты уже в следовых количествах имеют смертельное действие на рыбу. Разложение нитрита аммония происходит тем быстрее, чем выше мощность озонирования. Рисунок проясняет эту связь на примере установки аквариума в городе Киль. На этой установке последовательно включены два флотатора. Первый флотатор используется только с воздухом, в то время как ко второму подводится также озон.
На рисунке отчетливо показано, что концентрация нитритов позади этого флотатора наименьшая. Разница в значениях перед вспенивателем представляет количество поступления нитратов от животных. Так как вода оборачивается за час, то можно исходить из того, что это вклад за час. В течение 48 часов в воду вносится 0,48 мг/л. В описанном здесь цикле речь идет о воде Балтийского моря, с температурой примерно 15 °C, поэтому разложение нитритов озоном особенно важно, т. к. биологический фильтр при этом работает неудовлетворительно и плохо реагирует на изменения. При окислении нитритов озоном нужно иметь в виду, что это может быть только вспомогательным средством в подготовке аквариумной воды. При внезапном повышении концентрации нитритов необходимо не только установить озонатор на полную мощность, а прежде всего искать причину. Если все дело в незамеченном погибшем животном, то не происходят ли на дне неконтролируемые процессы гниения или не лежит ли оно в самом фильтре, который не снабжается кислородом и в котором поэтому не могут поселиться нитрификационные бактерии. Часто, особенно быстрые фильтры, вначале хорошо работают аэробно. Чем больше загрязнений отфильтровывается на фильтре, тем больше используется кислорода внутри фильтра. Затем аэробные бактерии медленно отмирают и фильтр «опрокидывается». Следствием этого могут быть очень высокие концентрации нитритов в воде, т.е. фильтр больше не разлагает, а, наоборот, образует нитриты. Можно рекомендовать в этом случае регулярную чистку фильтра или лучше применение большого аэрируемого фильтра.
Влияние озона на органические вещества

Общую нагрузку воды органическими загрязнениями можно, не описывая отдельных соединений, оценить при помощи биологической потребности в кислороде.
Как уже упоминалось выше, в аквариуме накапливаются вещества, не доступные для биологического окисления. Причем речь идет, прежде всего, о молекулах с длинными цепями, которые отчасти придают воде неприятное желтое окрашивание. Желтые вещества по своим оптическим свойствам сходны с гуминовыми веществами. Они постоянно накапливаются в аквариумных установках, т. к. не могут разлагаться в обычных условиях. Они возникают в основном из корма и экскрементов рыб. Желтые вещества называются так из-за того, что они придают воде желтый оттенок. Их концентрацию измеряют по ослаблению интенсивности светлого луча, который проходит через пробу воды. Эта потеря интенсивности называется экстинкцией1. Разложение желтых веществ с помощью озона не только устраняет нежелательные органические вещества, но имеет еще эстетическое значение.
Желтые вещества приводятся здесь в качестве примера веществ, которые не разлагаются биологически и поэтому не включаются в значения биологической потребности в кислороде. Когда бактерии не в состоянии разрушать желтые вещества, это осуществляется с помощью озона. Рисунок внизу приблизительно показывает увеличение разложения органических веществ озоном. В связи с этим экстинкция света при введении озона отчетливо уменьшается, в то время как без обработки озоном опять повышается:
Данные по циклам указывают длительность обработки. Следовательно, разложение желтых веществ тем интенсивнее, чем длительней производится обработка озоном. Поэтому очень важно наряду с биологической потребностью в кислороде рассматривать также химическую потребность, которая связана с трудноразлагаемыми веществами. Рисунок на стр. 126 показывает очень важную взаимосвязь применения озона со снижением органической нагрузки. Озон окисляет молекулы с длинной цепью, значение химической потребности вначале снижается медленно, затем с продолжением окисления все быстрее. Окисление проводится не сразу же до конечной стадии (CO2). Вначале на промежуточной стадии получаются молекулы с более короткой цепью, и это приводит к поразительному эффекту – при этих условиях повышается биологическая потребность, неперерабатываемые до сих пор органические вещества из-за применения озона трансформируются так, что могут далее перерабатываться бактериями. Окисление озоном в этом случае не следует продолжать, так что используется относительно небольшое количество озона.
1Экстинкция – величина для опенки спектрального поглощения log(10/I), интенсивность поглощенного (отраженного) водой светового потока, который водой поглотился (отразился). Чем больше экстинкция, тем больше света отражается от воды и тем меньше света получают обитатели аквариума.
Влияние озона на содержание микроорганизмов

Очень важное свойство озона – его антимикробное действие. Озон даже в очень небольших количествах оказывает бактерицидное действие на вирусы, бактерии, а также на других возбудителей болезней. Конечно, целью применения озона не является получение стерильной воды, т. к. для рыб и беспозвоночных это было бы неприемлемым. Доступные для аквариумной техники озонаторы выполнены таким образом, что сильно размножившиеся культуры болезнетворных микробов погибают без достижения общей стерильности, как это показывает рисунок вверху слева. Таким образом, рыба живет в здоровой и, с точки зрения биологии, живой воде. С остаточным содержанием бактерий от 2 до 15% и животные, и люди, конечно, могут справляться.

Взаимосвязь озона с окислительно-восстановительным потенциалом

Окислительно-восстановительный потенциал – измеряемая величина, которая дает информацию об окислительном или соответственно восстановительном поведении воды.
Восстанавливающие – это вещества, принимающие кислород. К ним принадлежат все органические соединения: белки, экскременты, корм и кровь. Эти вещества очень быстро приводят к образованию таких ядовитых соединений, как нитриты и аммиак, и интенсивно загнивают. Восстанавливающие вещества снижают окислительно-восстановительный потенциал, и качество воды значительно ухудшается.
Окисляющие вещества – кислород и еще в большей степени озон. Чем больше восстанавливающих веществ содержится в воде, тем ниже опускается окислительно-восстановительный потенциал. Чем больше имеется окисляющих веществ, тем выше значение окислительно-восстановительного потенциала. Следовательно, мы имеем возможность противодействовать негативному действию восстанавливающих веществ через повышение окислительно-восстановительного потенциала. Но этого большей частью не происходит. На рисунке стр. 127 вверху справа отражены три типичных кривые протекания процесса. Вначале рассмотрим первую А. Эта кривая описывает процесс в относительно чистой воде. Сначала окислительно-восстановительный потенциал остается почти постоянным или очень слабо повышается, и только лишь после значительного времени от начала процесса он поднимается, но потом достаточно быстро достигает стабильного уровня, который при увеличении дозировки озона больше не повышается. Кривая B в начале показывает подобное течение процесса. Спустя значительное время окислительно-восстановительный потенциал снижается. Только лишь после продолжительной дозировки озона он опять повышается и достигает наконец уровня, изображенного на кривой А. Как можно объяснить такой вид кривой? Когда идет описание кривой А, мы имеем дело с чистой водой, в случае с кривой B – это уже вода с определенными загрязнениями. Вещества загрязнений окисляются озоном, когда вода уже достигла определенного значения окислительно-восстановительного потенциала. Дальнейший подъем окислительно-восстановительного потенциала возможен, если они окислились. Кривая С показывает совсем другое течение процесса. Здесь имеются существенные органические загрязнения воды. Часто содержащиеся в воде вещества этого вида не разлагаются биологически. Если такую воду обработать озоном, то эти вещества достаточно быстро разлагаются на более короткие молекулярные цепи, которые разрушаются легче. Теперь за короткое время большое число органических веществ доступно для биологических ре-акций, которые действуют так, что окислительно-восстановительный потенциал снова заметно снижается.
Только если вся органическая субстанция окислится, окислительно-восстановительный потенциал может снова возрасти. Если вначале падение окислительно-восстановительного потенциала представляется странным, на самом деле это важный этап, г. к. устраняется органическая субстанция, которая в против ном случае еще долго держала бы в напряжении биологическую систему в аквариуме. Представленные здесь кривые показывают только типичные варианты. Конечно, именно так большей частью не происходит. Но, как правило, мы имеем дело с тремя подобными процессами.
Окислительно-восстановительный потенциал и стерилизация

Рисунок вверху поясняет объем дозирования озона в аквариуме. При стерилизации бутылок работают с окислительно-восстановительным потенциалом 900 мВ, при подготовке питьевой воды – 700 мВ, а в аквариумистике достаточно 350 мВ, так же как и при подавлении микробов. В то время как при окислительно-восстановительном потенциале до 200 мВ сохраняется 100%-ная микробная нагрузка, при повышении окислительно-восстановительного потенциала с 200 до 300 мВ она снижается на 90% и составляет 10% от первоначальной. Если окислительно-восстановительный потенциал достигает 400 мВ, то остается только один процент от начального содержания микробов. Абсолютная стерильность достигается при значении 700 мВ. Но такие высокие значения не достигаются с помощью аквариумных озонаторов. Из всего изложенного становится ясно, что в акватехнике не применяются значения ОВП выше 400 мВ. Можно рекомендовать значение ОВП около 350 мВ для рыб и 300 мВ – для беспозвоночных. Диаграмма показывает, что в аквариуме можно получить хорошие результаты при самых незначительных количествах растворенного озона (примерно 0,05 мг/л).
Если дозирование озона должно осуществляться непрерывно, то прежде всего для больших озонаторов лучше применять автоматическое регулирование посредством прибора, измеряющего окислительно-восстановительный потенциал, который производит дозирование озона непрерывно, в зависимости от нагрузки воды, и исключает передозировку.
Влияние на бактерии и вирусы. Бактерии и вирусы очень восприимчивы к окисляющему воздействию озона. Можно описать действие озона следующим образом. Бактериальное тело, несмотря на свою часто маловыразительную структуру, состоит из очень сложных различных веществ, которые способны участвовать в разных химических реакциях. Основа стенки клетки является тонкой защитной мембраной, состоящей главным образом из специальных белков, а последующие слои состоят из липополисахаридов и липопротеинов. Часто имеется еще оболочка, которая состоит из различных, связанных между собой полисахаридов и полипептидов.
Цитоплазма в клетке в целом не структурирована и содержит, наряду с не очень резко ограниченным материалом ядра, по большей части рибосомы и резервные вещества. Жизненный процесс в бактериальной клетке управляется специальной энзимной системой, в которой распределены высокомолекулярные органические вещества, содержащие серу или фосфат, которые очень легко реагируют с окислителями. Озон или другое окисляющее средство при обмене веществ воздействует на бактерию, в которой, вероятно, или изменяется структура стенки клетки, или блокируется энзимная управляющая система. С другой стороны, сообщается, что озон инактивирует бактериальные клетки посредством окисления входящей в белок протоплазмы. Озон убивает бактерии существенно быстрее, чем хлор или соединения хлора, как это наглядно показывает рис. на стр. 129. Озон не привносит посторонних веществ в воду.
Продукт его разложения – кислород. Другие окислители, прежде всего соединения хлора, частично оставляют после обработки продукты хлорирования, которые снижают качество воды или стерилизацию. Не в последнюю очередь дезинфекция и стерилизация озоном проводится из-за его экологичности. По этой же причине мы можем использовать озон в наших аквариумах. Вирусы также эффективно убиваются озоном. На основе исследований аминокислот таких, как цистин и цистеин, имеется предположение, что быстрая инактивация вирусов основана на химическом превращении, которое приводит к быстрому окислению функциональных групп, содержащих серу. Содержание озона 0,4 мг/л при времени контакта примерно 4 минуты гарантирует безопасность при инактивации вирусов Polio. Недавние исследования подтверждают в основном эти величины, но дают более короткое время реакции.
Известно, что при содержании озона свыше 1 мг/л уже спустя одну секунду 99% вирусов Polio инактивированы. Но даже очень незначительные его концентрации, которые достигаются с помощью аквариумного озонатора имеют уже выраженное угнетающее действие на вирусы. По этому рисунку становится ясной разница между действием хлора и озона. При одинаковых дозировках озон достигает 10-кратной эффективности по сравнению с хлором. Экстремально короткое время реакции в этих исследованиях дает хорошее представление о ходе инактивирования вирусов. В аквариумах на помощь нам приходит то обстоятельство, что мы, имея закрытую систему, сможем уже при втором цикле полностью убить попавших туда вирусов.
Целительное действие озона. То, что озон оказывает непосредственное целительное действие на животных, можно доказать только в некоторых случаях. Небольшие концентрации озона (примерно 0,5 мг/л), в течение нескольких дней постоянно подводимые в воду, показали сдерживание гниения плавников у животных, пораженных во время ловли. У животных, не обработанных озоном, состояние гниющих плавников не улучшилось, а приводило часто к смерти рыб. Как видно из приведенных высказываний, незначительное количество озона при заболеваниях нужно использовать тотчас. Тем не менее ОВП при введенном озоне благоприятен, благодаря образованию пероксидов и окисленных веществ. Это поможет с успехом бороться с патогенными микробами. И хотя и не убивает полностью микробов, но достаточно для того, чтобы снизить степень размножения. Наблюдения за губановыми рыбами, содержащимися в кильском аквариуме, подтверждают описанное действие постоянного, слабого озонирования. Большое количество привезенных из Швеции губановых рыб имели более или менее сильные повреждения от ловли, так что можно было рассчитывать на большую восприимчивость к инфекции. При содержании животных вода очищалась центральными установками по озонированию и флотации, и оказалось, что только у животных, имеющих очень сильные последствия от ран, появилась инфекция. Хотя никаких химикалий или медикаментов не применялось, последствия ловли зажили примерно за 20 дней. Исчезли также вызванные инфекцией нарывы на ранах, и процесс выздоровления протекал успешно. Из группы, которые можно называть выздоровевшими, рыбы пошли в два аквариума, которые работали без озона. Там животные вскоре заболели, в то время как в Киле животные полностью выздоровели. Принципиально важны для выздоровления животных от ран общее состояние воды и животных. Но с помощью озона можно, конечно, значительно улучшить общее состояние воды, и, таким образом, у животных появляется возможность активизировать собственную защиту. В этом случае, речь идет о рыбах с поверхностными ранами, к которым озон имеет непосредственный доступ. Внутренние болезни озоном не вылечиваются.
Озон может снять нагрузки с животных, так как воду, в которой они живут, он оздоровляет. Если для лечения болезни нужно вводить медикаменты, то на это время дозирование озона следует прекратить, так как озонирование может привести к окислению медикаментов и поэтому к неконтролируемым реакциям.
Озон в пресной и морской воде

В аквариуме с морской водой озонирование является перспективным методом, в то время как в пресной воде его применение не всегда оправдано. При этом можно сказать, что озон применяется в пресной воде, так же как и в морской. В основном имеется одно расхождение, которое относится к окислению аммония. К сожалению, при озонировании оно возможно только в морской воде, так как реакция протекает с участием присутствующего в морской воде брома. Все другие свойства озона, такие, как обеззараживание, окисление нитрита, удаление желтых веществ и прочее, действуют также и в пресной воде. Исходя из этого реакции озона, в частности их скорости, зависимы от pH. При высоких значениях pH озон разлагается относительно быстро и очень быстро вступает в реакцию. При низких значениях pH озон относительно долго стабилен, и в этом случае реакции не скоротечны. При низких значениях pH окислительно-восстановительный потенциал поднимается явно быстрее.
Влияние озона на людей

Типичный способ применения озонатора такой, при котором озон, содержащий воздух, пропускается через флотатор в воду. Для морской воды предлагается то же самое. Озон в воде растворим в гораздо большем объеме, чем обычный кислород. При этом можно исходить из того, что примерно 90 – 95% озона может оставаться в воде. Не следует, конечно, искать озон в окружающей среде.
Человеческий нос по отношению к озону необычайно чувствителен, он ощущает примерно 0,1-ю часть озона от предельно допустимой концентрации при ежедневной экспозиции 8 часов или 40 часов в неделю. Если озон попадает в помещение, то озонатор следует поставить на меньшую ступень нагрузки, чтобы предотвратить нежелательную передозировку. Можно управлять озонатором с помощью прибора, измеряющего окислительно-восстановительный потенциал, или прибора с часовым механизмом. Если озонатор управляется автоматически с помощью прибора измеряющего окислительно-восстановительный потенциал, то согласно опыту он работает только несколько минут за час. Следовательно, длительная работа не требуется. Озон не насыщает воздух помещения, так как он быстро разлагается. Верхняя таблица показывает расчетные данные для типичного применения. Озонатор находится в жилом помещении с площадью пола 4 x 5 м, следовательно, помещение имеет объем 50 м3. Озон поглощается водой на 95%, а 5% остатка поступает в помещение, и концентрация составляет примерно 0,05 мг/м3. Это четверть от предельно допустимой концентрации. Разумеется, на практике устанавливаются более низкие значения. Естественными концентрациями озона могут считаться концентрации примерно 0,08 мг/м3. Использование озонатора, следовательно, не наносит никакого вреда человеческому организму, но все же нужно всегда осторожно работать с озонатором.
__________________
Если тебе плюют в спину, то ТЫ идешь вперед...
Doc-tor зараз поза форумом   Відповісти з цитуванням
Реклама