Перегляд одного допису
Старий 03.01.2010, 18:17   #2
Doc-tor
Живу на форумі
 
Аватар для Doc-tor
Varpalota-Ungvar, Hungary
 

Реєстрація: 19.04.2009
Дописи: 2.977
Подякував(ла): 2.996
Подякували 11.278 разів в 2.411 дописах
Репутація: 6408

Акваріуміст року Активність Меценат Акваріуміст року 

Типово Re: Мартин Сандер "Техническое оснащение аквариума"

Биологические основы

Круговорот веществ

Вероятно, читатель не раз наблюдал, как стакан воды, даже закрытый, без дальнейшего внешнего воздействия со временем становился зеленым. Из минеральных веществ, двуокиси углерода и воды водоросли и более развитые водные растения создают органические вещества, в том числе зеленый хлорофилл. Этот процесс становится возможным благодаря Солнцу. Органическая субстанция растений – основа существования для всех живых существ. Растения могут аккумулировать энергию солнечного света в органической субстанции. Эта субстанция служит затем в качестве донора энергии живым существам, которые не могут непосредственно использовать свет. Так растения стоят вначале едва обозримой пищевой цепи. Растения поедаются растительноядными животными и преобразуются в живую животную субстанцию.
Вещества растительного и животного происхождения отмирая, возвращаются в окружающую среду. Эта мертвая органическая субстанция является источником энергии для потребителей падали и экскрементов, а также для бактерий.
Таким образом, органические вещества ступенчато трансформируются живой бактериальной субстанцией в питательные вещества отложения, такие, как ил и торф. Первичное образование веществ ограничено в воде верхними слоями, которые достаточно хорошо освещены. Только здесь в изобилии могут обитать водные растения, в особенности водоросли. Образованные органические вещества оседают вниз; те, которые ближе к берегу, – доступны для дальнейшего круговорота. Этим можно объяснить то, что во многих случаях в прибрежных зонах морских и пресных вод гораздо выше плотность заселения и большее разнообразие жизни. Следует учитывать и массы воды у берега, в которые через горизонтальное перемещение (потоки, волнения, боковые течения) попадают вредные вещества, а со свежей водой поступают питательные вещества. Это огромное пространственное взаимодействие и вместе с тем взаимосвязанный обмен масс полностью отсутствует в аквариуме. До сих пор большой круговорот органического вещества представлялся «жизнью и смертью». На самом деле он сплетен из огромного количества частных круговоротов, которые важны для аквариума.
Питание микроорганизмов

Микроорганизмы подразделяются на гетеротрофные и автотрофные. Под автотрофными организмами понимают зеленые растения, водоросли и микроорганизмы, которые могут питаться неорганическими веществами: минеральными солями, двуокисью углерода. Дальнейшая классификация микроорганизмов ориентирована на виды источника углерода, получения энергии, отдаче электронов. Важнейшая подгруппа литотрофные организмы, которые используют неорганические доноры электронов, такие, как водород, аммиак, сероводород, сера, монооксид углерода или железо (Fe2+). В качестве источника углерода используется неорганический оксид углерода, большей частью в форме двуокиси углерода. Энергию, необходимую для фиксации углерода, может поставлять свет. Этот процесс называется также фотоавтотрофией. Другим источником энергии являются окислительно-восстановительные реакции. Такое питание называется хемоавтотрофией, или хемолитотрофией. Таким образом питаются важные группы бактерий нитрификации и денитрификации. В противоположность автотрофным, гетеротрофные организмы получают углерод из органических соединений. Большая часть бактерий принадлежит к этой группе. Так же как и при автотрофии, для гетеротрофии важен способ получения энергии и характер передачи электронов. Большая часть гетеротрофных бактерий получает энергию из органических соединений; некоторые, однако, – из света или посредством окисления неорганических соединений. Важнейшая гетеротрофная группа бактерий – денитрифицирующие бактерии, которые получают углерод из таких органических соединений, как метанол, этанол, целлюлоза, меласса или уксусная кислота. Миксотрофами называют микроорганизмы, у которых снабжение энергией происходит путем окисления неорганических веществ, а углеродом – из органических веществ.

Минерализация

Под минерализацией понимают разрушение органической субстанции до неорганических веществ. Это разложение осуществляется в основном микроорганизмами.
Минерализации подвержены животные и растения, а также их части, экскременты, продукты обмена веществ, такие, как белковые соединения, аминокислоты, мочевина и мочевая кислота. В процессе минерализации образуются неорганические вещества, такие как фосфор, углерод, азот, а также соединения на их основе.

Цикл кислород-углерод

Растения используют углерод из двуокиси углерода для того, чтобы из него построить органическую субстанцию. При этом они не используют избыточный кислород, который поступает в окружающую среду. Поэтому вода сильно заросших прибрежных зон содержит много кислорода. Все водные существа используют этот кислород. Рыбы вдыхают его через жабры и выдыхают двуокись углерода. При аэробном разложении бактериями расходуется кислород и выделяется углекислый газ. Кислород и углекислый газ не остаются только в этом цикле, так как они принимают участие в обмене с атмосферой. При аэробном окислении кислород может быть связан в нитраты, а также в сульфаты, в то время как углекислый газ поглощается карбонатной системой. Растворимость углекислого газа повышается с увеличением давления, поэтому его содержание увеличивается с глубиной. Вблизи поверхности воды угольная кислота находится в дефиците. Это приводит к тому, что карбонат кальция, используемый кораллами, содержится в большом количестве. Одновременно вблизи водной поверхности повышается содержание кислорода. С глубиной запас он быстро истощается. Поступление кислорода в эти слои воды происходит только с глубокими течениями. На большой глубине нельзя получить кислород, так как из-за недостаточного освещения не может осуществляться фотосинтез. Как уже упоминалось выше, растения поглощают углерод из двуокиси углерода и строят органическое вещество, прежде всего углеводы. Из углерода растения создают целлюлозный каркас, а животные нуждаются в этих веществах, чтобы получить жиры. Жир используется как источник энергии при сжигании или превращается в двуокись углерода, которая выделяется в результате дыхания или перерабатывается бактериями в метан (CH4), который снова другими бактериями окисляется до двуокиси углерода. В присутствии метана преобладает сильно восстанавливающая среда, малопригодная для жизни. Образование метана происходит в определенных условиях (восстановлении) и может быть полностью исключено в аквариуме.

Круговорот азота

Важным питательным соединением солью являются нитраты, поглощаемые растениями из воды. Таким образом азот участвует в круговороте веществ. Азот, поступающий с кормом, всегда находится в составе сложных химических структур, – в молекулах белков, пептидах, аминокислотах, в хлорофилле, в рибонуклеиновых кислотах (РНК), дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК) и отчасти также в витаминах. Азот необходим в различных ключевых аспектах жизни, например, фотосинтез, образование белка, воспроизведение рода. Например, образование хлорофилла прекращается при отсутствии доступного азота. Планктон с большим трудом получает необходимое количество азота, концентрируя азот, содержащийся в воде, в 30 – 50 тысяч раз, в то время как углерод концентрирует в 2000 раз. С экскрементами или погибшими животными в воду поступают готовые органические соединения, прежде всего белок. Bacterium coli, Bacterium proteus, Bacterium subtilis переводят белки в пептиды и аминокислоты. Ученые различают два разных вида аминокислот. Группа аминокислот, содержащих серу, обладает сильными восстанавливающими свойствами и может при больших количествах значительно снижать окислительно-восстановительный потенциал. При анаэробных условиях в этом случае может образовываться сероводород (H2S), чему способствует очень толстый слой мелкозернистого грунта на дне аквариума. Ароматические аминокислоты имеют слабые восстановительные свойства, но легко окисляются. В качестве промежуточных продуктов образуются фенолы и крезолы, из которых первые весьма ядовиты. Фенолы, однако, легко окисляются до неопасных меланинсодержащих красителей.
Бактерии переводят аминокислоты в амины, которые бактериями опять превращаются в органические кислоты и аммиак. Если накапливаются органические кислоты в высоких концентрациях, то может временно понизиться значение pH до такой степени, что бактерии относительно быстро трансформируют органические кислоты в угольную кислоту и воду. На следующем этапе в круговороте участвует аммоний или, в зависимости от значения pH, аммиак. В частности, у морских животных выделения сильно сконцентрированы и содержат до 80 мг азота на 100 мл. Основным компонентом в выделениях, от 20% до 50%, является аммоний. Аммоний (NH4+) может существовать и как аммиак, но следует знать, что в этой форме он высоко токсичен. Будет ли присутствовать аммоний, или аммиак, или обе формы в воде аквариума, как правило, зависит от значения pH. Рисунок вверху показывает, что соотношение между двумя формами смещает значение pH. В области значений pH, которая пригодна для аквариума (в морской воде примерно pH 9), токсичный аммиак содержится в небольших количествах, примерно 20%. Конечно, следует учитывать, что аммиак действует уже в малых концентрациях. Лососи особенно чувствительны к нему и реагируют уже при содержании 0,006 мг на литр. Чем ниже значение pH, тем меньше содержания аммония. Уже при pH 7 его содержится только примерно 0,5%. Повышенная температура может увеличить содержание аммиака. Таким образом, понятно, почему в аквариумах с теплой морской водой таится опасность. При температуре 250 °C и при значении pH 8,4 содержится уже 10% аммиака. По этой же причине опасны жесткие пресные воды, которые могут показывать аналогичные концентрации аммиака. Особенно нужно обратить внимание на то, что кривые на диаграмме изображены в логарифмическом масштабе. В то время как смещение значения pH с 6 до 6,3 не влияет на концентрацию аммиака, смещение pH с 8 до 8,3 повышает его содержание с 5% до 10%. То есть оно удваивается! Смещение значений pH такого же порядка в аквариумах, густо населенных растениями, из-за ассимиляции может происходить в течение дня без последствий. Подобное происходит в аквариумах, которые заняты преимущественно беспозвоночными. Трансформация аммония/аммиака посредством бактериального окисления приводит к образованию нитритов. Этот процесс осуществляют аэробные бактерии Nitrosomonas. Для того чтобы существовать и окислять аммоний и аммиак в нитриты, им необходима вода, богатая кислородом:
Nitrosomonas
NH4+ + 1,5O2 => NO2– + 2H+ + H2O + Энергия
Это уравнение показывает потребность в кислороде. Это уникальное окисление возможно только с помощью бактерий.
Растворенный в воде кислород самостоятельно не может окислять аммоний и аммиак. Гораздо более активный озон только при высоких значениях pH в состоянии это делать. Но из этого уравнения также ясно, что бактерии окисляют аммиак не без пользы для себя. Они живут за счет освобождающейся энергии. Подобно им действуют аэробные бактерии Nitrobacter, которые нитриты перерабатывают далее в нитраты. Такое простое условие, как «вода, богатая кислородом», к сожалению, часто не учитывается при конструировании фильтров всех видов. Даже если приведенные уравнения реакций для дилетанта не очень наглядны, для понимания процесса в биологическом фильтре они очень важны.
NO2– + 0,5O2 => NO3–
Вместе с тем можно представить некоторые расчеты. Ионная масса аммония NH4+ равна 18. Чтобы окислить эту массу бактериям нужно 1,5 молекулы кислорода с общей массой 48. Итак, чтобы один миллиграмм аммония окислить до нитритов необходимо 2,6 мг кислорода! Если провести подобные расчеты для окисления нитритов в нитраты, то можно установить, что требуется только 0,35 мг кислорода для 1 мг нитритов. Для проведения этой реакции необходима гораздо меньшая потребность в кислороде, и на практике она протекает значительно легче. Связь между потребностью в кислороде и скоростью нитрификации изображена на верхнем рисунке. Если нитрификаторы получают кислорода меньше, чем им это необходимо, они ограничивают свою деятельность. Итак, установлено, что обе реакции притекают только в среде, обогащенной кислородом! Если мы еще раз посмотрим на верхнее уравнение, то увидим, что одним из продуктов реакции являются свободные ионы водорода! Не бойтесь, наш биологический фильтр не взорвется, но, как указывалось ранее, повышение концентрации ионов водорода снижает значение pH. Ион водорода не остается в свободном состоянии, а реагирует по следующему уравнению с бикарбонатом, в результате чего получается оксид углерода и вода:
H+ + HCO3– => CO2 + H2O
Следовательно, хорошо работающий биофильтр может лишь незначительно понижать значение pH. Это не должно нас беспокоить, так как этот эффект в морской воде и в жесткой пресной воде может легко устраняться с помощью фильтровального материала, содержащего известь.

Разложение нитратов анаэробными бактериями

Как следует из рисунка на стр. 55, нитраты, относящиеся к круговороту азота, вовсе не являются конечной стадией разложения вещества. Наряду с использованием растениями, нитраты используются в качестве поставщика кислорода для так называемых анаэробных реакций, которые происходят при отсутствии кислорода или при крайне незначительном его содержании. Существуют бактерии, которые в зависимости от содержания в среде кислорода могут нитрифицировать или соответственно денитрифицировать. Другие могут функционировать только в однозначных ситуациях: чисто аэробные или чисто анаэробные. В целом можно исходить из того, что кислород препятствует денитрификации. Окисление органических соединений служит аэробным бактериям источником энергии. Использованный кислород переходит в нитраты, в то время как органический углерод в лучшем случае поглощается из воды в растворенной форме. При этом нитраты не сразу трансформируются в газообразный азот, а прежде образуются токсичные нитриты.
Это происходит согласно представленным ниже формулам.
Первую ступень нужно рассматривать особенно внимательно, так как нитрит более токсичен чем нитрат, следовательно, необходима уверенность в том, что следующая ступень безотлагательно выполняется. Фактически только лишь на второй ступени азот удаляется из цикла путем образования газообразного азота. Денитрификация происходит в природе в основном в грунтовых осадках, разумеется, не непосредственно на поверхности, а на глубине нескольких сантиметров. В железосодержащем грунте автотрофные бактерии (например Thiobacillus denitrificans) могут окислять железо и добывать необходимый для этого кислород из нитратов (см. нижеследующие формулы). Другие автотрофные бактерии используют кислород, полученный из нитратов, чтобы атомарный водород окислить до воды. Это может происходить по следующему уравнению:
2NO3–+ 12H+ => N2 + 6H2O
В аквариуме этими процессами управлять очень трудно. В частности, органический углерод, который в приведенных уравнениях представлен в виде метанола CH3OH, едва ли может образовываться в аквариумной технике. Водород в аквариумной технике также известен как нежелательное вещество. В то время как нитрификацию мы можем легко наблюдать в природе, наблюдать денитрификацию гораздо труднее. В природе, даже еcли незначительные количества нитрита накапливаются в среде, этот процесс проходит вне активного жизненного пространства для большинства водных живых существ, тогда как нитрит, образующийся в аквариуме, тотчас оказывает неблагоприятное воздействие на всех животных (см. также главу «Фильтрационная техника» стр. 77).
Находящимся рядом рисунок показывает нам вертикальное распределение нитратов в различных океанах мира. Мы видим, что концентрация нитратов 40 мкг/л или соответственно 0,04 мг/л в Индийском океане уже относительно велика для морской воды. Это высокое значение достигается на больших глубинах. Следует отметить, что сильно заселенные зоны вблизи водной поверхности практически свободны от нитратов. Денитрификация протекает или непосредственно вместе с нитрификацией в анаэробных условиях, или существует значительный перенос нитрата в глубокие слои водоема. Для нашего аквариума, к сожалению, это несущественно. В то время как удаление нитратов из воды аквариума является для нас желательным микробным процессом, анаэробные бактерии образуют другие вещества, которые для нас очень нежелательны. Некоторые из них потребность в кислороде могут удовлетворять за счет сульфатов (SO4). В этом процессе, который называется десульфурикация, возникает ядовитый газ (сероводород), который известен запахом тухлых яиц. Другие бактерии используют кислород из СО2 и образуют ядовитый газ метан. Этими бактериальными восстановительными процессами, которые также происходят в природе, очень трудно управлять в аквариуме.

Подготовка водопроводной воды


Рыбы приспособились к составу своих «разных» вод через отбор во многих поколениях. Свойства воды определяются как протекающими в ее пространстве процессам, так и условиями в этом пространстве. Жизненное пространство нашего аквариума – это сам аквариум. Если не учитывать некоторые редкие исключения, когда можно использовать оптимальные региональные условия или даже чистую морскую воду, то почти во всех случаях источником воды является водопровод. Водопроводная вода – часто обсуждаемая тема, так как ее качество вызывает живой интерес людей. Но живые существа, которых мы содержим в наших аквариумах, гораздо чувствительнее к составу воды, чем человек, и часто очень остро реагируют на плохую воду. Следует учесть то, что на многих животных воздействуют такие незначительные количества вредных веществ, которые трудно измерить современными приборами с достаточной точностью. В связи с этим в аквариумах с рыбами должен быть налажен контроль качества воды. Это также наглядно демонстрируют следующие данные. Многие вещества содержатся в воде в концентрациях от 10 до 0,0001 мг/л, например: кислород, двуокись углерода, хлорофилл и адреналин. Но только в тысячу раз более низкие концентрации вредных веществ допустимы для нормального течения жизни водных животных. Такие сильнодействующие вещества, как гормоны, стероиды, вещества для приманок, а также вещества с запахом и прежде всего токсины, оказывают влияние, как показали испытания, в концентрациях до 0,0000001 мг/л, то есть рыбы и беспозвоночные реагируют на изменения гораздо чувствительнее и быстрее, чем имеющаяся измерительная техника. Тем не менее, в развитых индустриальных странах водоподготовка достигла очень высокого уровня. В частности, имеющиеся нормы и стандарты качества воды предъявляют очень жесткие требования, которые, к сожалению, не всегда достигаются. Все же следует сказать, что не совсем качественная для человека вода может быть рискованной или даже опасной для рыб и беспозвоночных, так как у животных совсем другая сенсорика по сравнению с человеком. Так, например, в водосборном бассейне гидротехнического сооружения произошел чрезвычайно большой мор рыбы. Исследования с использованием приборов показали, что в воде в повышенной концентрации оказался пестицид атразин. Этот пестицид долгое время применялся в сельском хозяйстве для борьбы с сорняками на полях до тех пор, пока его применение сильно не ограничили. Гидротехнические сооружения оборудовали лучшей фильтрационной техникой, и эта критическая ситуация постепенно была устранена. Но законодательные органы могут идти и на уступки. Так, федеральным землям Германии предоставлено право в особенных ситуациях, таких, как «условия и структура географической области» или «чрезвычайные погодные условия», отклоняться от предельно допустимых значений, приведенных в списке, расположенном рядом.
Раздел 2 §2 пункт 1. Предписание о питьевой воде от декабря 1990 г. Предельно допустимые концентрации химических веществ (при периодическом исследовании образцов воды)

Обозначения
Предельно допустимая
Рассчитывается как
Мышьяк 0,01 As
Свинец 0,04 Pb
Кадмий 0,005 Cd
Хром 0,05 Cr
Цианид 0,05 CN–
Фторид 1,5 F
Никель 0,05 Ni
Нитрат 50 NO3–
Нитрит 0,1 NO2–
Ртуть 0,001 Hg
Полициклические ароматические углеводороды в общем 0,0002 С
  • Флуоранты
  • Бензо(b) флуоранты
  • Бензо(k) флуоранты
  • Бензо(a) пирин
  • Бензо(g, h, i) перилен
  • Индено(1,2,3-cd) пирен


Хлороорганические соединения
в общем 0,01

  • 1,1,1-трихлорметан
  • Тетрахлорэтан
  • Дихлорметан
  • Тетрахлорметан
0,003 CCl4–
Особые исследования
а) Химические органические вещества для обработки растений и борьбы с вредителями и главные продукты их разложения
б) Полихлорированные, полибромированные бифенолы, трифенолы
Отдельные представители 0,0001, в общем 0,0005

Сурьма 0,01 Sb
Селен 0,01 Se
Раздел 4 §3 пункт 1. Предписание о питьевой воде от декабря 1990 г. Предельно допустимые концентрации для химических веществ

Обозначение
Граничное значение
Рассчитывается как
Температура 258 °C

Значение pH 6,5–9,5.

Проводимость 2000 мкСм/см

Окисляемость

Проба на перманганат калия 5 мг/л O2
Алюминий 0,2 Al
Аммоний 0,5 NH4
Барий 1 Ba
Кальций 400 Ca
Железо 0,2 Fe
Калий 12 K
Азот по Кьельдалю 1 N
Магний 50 Mg
Марганец 0,05 Mn
Натрий 150 Na
Фенол 0,0005 фенол C6H5OH
Фосфор 6,7 PO43–
Серебро 0,01 Ag
Сульфат 240 SO42–
Растворенные или эмульгированные углеводороды, минеральные масла 0,01

Вещества, экстрагированные хлороформом 1 остаток после выпаривания
Поверхностно-активные вещества

а) анионные 0,2
а) метиленовый синий
б) не ионные
б) Висмут-активная субстанция
Не будем утверждать, однако, что наша питьевая вода некачественна. Необходимо, чтобы стало ясно, что живые существа «водного жизненного пространства» имеют значительно более высокую чувствительность, чем мы, и реагируют даже на следовые количества определенных веществ. Возможно, следует использовать в первую очередь стерилизованную воду. При отборе воды в месте, удаленном от водопровода, она должна хлорироваться даже тогда, когда проведена стерилизация ее озоном. Хлор подается в воду для того, чтобы на пути к потребителю гарантировать длительное бактерицидное действие. Для хлора и его соединений после водоподготовки установлена допустимая концентрация: для хлора – 0,3 мг/л, для диоксида хлора – 0,2 мг/л. На пути к потребителю эти концентрации снижаются. Несмотря на это, целесообразно удалять остатки хлора из воды при содержании восприимчивых животных.
Смягчение воды

Большую проблему для аквариума представляет жесткость воды. Она интересует большую часть потребителей, так как оказывает существенное влияние на функции и продолжительность срока действия многих технических приборов и, конечно, на биологические процессы в аквариуме; но в водоподготовке, как правило, не учитывается влияние жесткости воды. Жесткость воды не является гигиеническим параметром. Определенная жесткость воды делает воду даже «вкусной». В Германии значение жесткости воды сильно варьирует, так как по существу сохраняется природная ее жесткость. В рамках законодательства Европейского союза установлены очень похожие предельные концентрации вредных веществ в воде. Хотя используемая вода соответствует всем нормам законодательства по воде, при другом использовании она может не соответствовать требованиям или даже быть непригодной.
К сожалению, следует исходить из того, что принятые нормы не всегда оптимальны, в особенности из-за специфических отклонении в некоторых странах. С точки зрения аквариумиста могут встречаться следующие ситуации.
  • Вода содержит (в следовых количествах) токсичные для рыб вещества, такие, как пестициды, тяжелые металлы, хлор, двуокись хлора.
  • Вода содержит нетоксичные вещества в концентрациях, которые угнетают рыбу, такие, как нитраты, вещества, определяющие жесткость воды, ионы водорода (pH), соли (проводимость).
  • В воду были добавлены, например, для стерилизации определенные окислительные средства, такие, как хлор, диоксид хлора, гипохлорит, которые негативно действуют на рыб и всех беспозвоночных, а также на биологическое фильтрование.
  • В воде отсутствуют определенные вещества, которых нет в природе (водозаборные бассейны сооружений водоподготовки), или они были удалены интенсивной очисткой, например, витамины, вещества, придающие жесткость воде, ионы водорода, соли.
В таких случаях аквариумист, прежде всего, видит для себя задачу отфильтровать вещества, которые содержатся в «хорошей питьевой воде» для того, чтобы создать оптимальные условия для питомцев. Возможны различные пути, которые должны быть взаимозаменяемыми в зависимости от качества воды и поставленной цели. К примеру, могут быть применены ионообменники, обратный осмос, адсорбция на активированном угле и химические методы.
Ионообменник

Принцип действий ионообменника не является современной технологией. Процессы ионного обмена происходят прежде всего в природе. Они играют ключевую роль при поглощении питательных веществ корнями растений.
В природе ионообмен происходит в минералах, органическом веществе и свободных металлооксидах. Основой ионообменных материалов, используемых в технике, являются, как правило, полистирол или полиакрил. Материалы не содержат пластификаторов и других добавок, которые могли бы загрязнять воду. На эти основные искусственные материалы наносятся необходимые для ионообменного процесса вещества. Ионообменный материал имеет, как правило, форму зерна или жемчужины с диаметром несколько миллиметров. Имеющимися в настоящее время ионообменниками можно снизить или устранить общую жесткость, карбонатную жесткость, общее содержание солей, нитраты, сульфаты, органические вещества и следы тяжелых металлов. Ионы – это носители положительного или отрицательного заряда. Все ионообменники изготовлены таким образом, что они могут обмениваться с одинаково заряженными ионами. Ионообменник, который обменивает положительно заряженные ионы, называют катионитом. Ионообменник, который обменивает отрицательно заряженные ионы, называют соответственно анионитом.
Катионит. Важнейшая функция катионита – удаление жесткости.
Другие возможные области применения – удаление из воды тяжелых металлов и декарбонизация. Допустим, что у вас имеется жесткая вода. Жесткость воды создают щелочноземельные металлы, и прежде всего кальций (катион кальция Ca2+) и магний (катион магния Mg2+). Цель смягчения воды – замена ионов щелочноземельных металлов на другие ионы. Именно так и происходит в ионообменнике. Для устранения жесткости выбирают обменный материал, который насыщен, например, ионами натрия. Если ионы гидрокарбоната кальция Ca(HCO3)2 попадают в ионообменник, то получается игра «свободно растущее дерево».
Материал обменника притягивает из воды ион кальция (Ca2+) и отдает в нее два иона натрия 2Na+. Ион натрия поступает в воду вместо иона кальция и образует с анионом HCO3– гидрокарбонат натрия. Так как ион кальция является двухвалентным, а ион натрия только одновалентным, ионообменник освобождает за каждый поглощенный ион кальция два иона натрия, и соответственно образуется две молекулы гидрокарбоната натрия. Гидрокарбонат натрия, конечно, подщелачивает воду. Значение pH после удаления жесткости устанавливается в области от 8 до 9, что не подходит для большей части аквариумов. Следовательно, значение pH необходимо довести до 7 добавлением разбавленной соляной кислоты. Если жесткость невелика, то добавление кислоты после ионного обмена вообще не требуется. Подобные реакции происходят и с веществами, вызывающими жесткость. Если материал ионообменников обозначить в химических уравнениях за R, то процесс обмена при смягчении воды можно изобразить следующим образом (см. стр. 64). Итак, при смягчении воды с помощью ионообменника обмениваются друг с другом положительно заряженные ионы кальция и натрия.
Рисунки и уравнения поясняют, что процесс обмена ионами не может протекать непрерывно. В какой-то момент обменный материал израсходует все ионы натрия и насытится кальцием. Поэтому он должен регенерироваться соответствующими мероприятиями, В случае обменников, насыщенных натрием это происходит посредством обработки поваренной солью определенной концентрации. Это относительно легко может проделать даже дилетант. Раствор поваренной соли вытесняет из обменника ионы, придающие жесткость воде, и насыщает его снова ионами натрия. Связывание тяжелых металлов. Другая область применения катионообменника – связывание тяжелых металлов. Тяжелых металлов нет в воде, которая поступает из гидротехнического завода. Однако вода, особенно мягкая, может экстрагировать соединения металлов из трубопроводов и фитингов. Это могут быть медные или в редких случаях свинцовые трубопроводы, которые, возможно, еще имеются в очень старых домах. Свинец может также высвобождаться из некоторых полимерных соединений. Следовательно, водопроводная вода на пути от места очистки к потребителю может обогащаться тяжелыми металлами. Основным источником может быть трубопровод потребителя, и такие металлы, как медь (Си) и свинец (Pb), поступают в воду в виде катионов и могут задерживаться катионитом.
Сульфат меди:
R = 2Na+ + CuSO4 => R = Cu2+ + Na2SO4
Анионообменник. Анионообменник применяется для обмена отрицательно заряженных ионов. Основная область применения анионообменника в аквариумистике – удаление нитратов. Так как только 50 мг/л – ПДК (предельно допустимая концентрация) допускается в питьевой воде, то значение нитрата более 100 мг/л вообще недопустимо. Но для аквариума и 50 мг/л нитратов может быть слишком много.
Обмен нитратов. Ионообмен в анионообменнике в основном происходит по такому же принципу, как и в катионообменнике, но только с противоположным знаком. Рисунок на стр. 65 показывает нитрат-ион вместе с ионом натрия. Оба находятся в растворе в диссоциированном виде. Нитратная группа связывается в этом случае с материалом ионообменника, одновременно освобождается хлорид-ион (Cl). В водном растворе тогда вместе окажутся оставшийся там ион натрия и перешедший в раствор хлорид натрия. Нитрат является солью азотной кислоты, хлорид натрия – солью соляной кислоты. При нитратном обмене соли обмениваются анионами и, соответственно, изменяются. Общее содержание солей не должно изменяться, варьирует только их состав.
Регенерация нитратообменника. Так как нитратообменник это такой же обменник, насыщенный натрием, его также можно регенерировать поваренной солью. Описание регенерации должно прилагаться в инструкции по применению.
Опреснение. Во многих случаях желательно полное удаление или снижение содержания солей. Это касается всех живых существ, которые нуждаются в особо чистой воде. И тогда недостаточно применения одной колонки с ионообменником. В этом случае включаются последовательно, друг за другом, две колонки. Сначала вода протекает через катионообменник, который в отличие от процесса смягчения воды заряжен не ионами натрия, а ионами водорода. Второй фильтр – анионообменник, который заряжен ионами ОН". Реакцию можно изобразить с помощью следующего упрощенного уравнения:
R – H+ + Na+Cl– => R – Na + H+Cl–
На этом первом этапе в катионообменнике катион соли, диссоциированной в воде, в нашем примере катион натрия, связывается ионообменной смолой и за счет этого освобождается катион водорода. Последний в нашем примере возвращается на место катиона соли и образует соляную кислоту HCl). Вода, которая вытекает из первой колонки, имеет кислую реакцию. Затем эта вода направляется во вторую колонку, наполненную анионообменником, который насыщен ионами ОН–. Обменную реакцию можно представить следующим образом:
R – OH– + H+Cl– => R – Cl + H2O
Кислотный остаток Cl– связывается с ионообменной смолой, а освобожденные ОН–-группы связываются с остающимися в растворе ионами водорода в молекулу воды. С помощью этого уникального метода удается достичь качества воды, которое сравнимо с качеством дистиллированной воды. Возможно, вода, вытекающая из второго ионообменника, окажется кислой из-за поглощаемого углекислого газа, который может затем удаляться с помощью интенсивной аэрации.
Регенерация ионообменников при удалении солей. Описанные материалы ионообменника насыщены не ионами натрия, а ионами водорода и гидроксида. В соответствии с этим применяются другие средства регенерации. Первый обменник в H+-форме (Lewatit S100G1) может регенерироваться 6% раствором соляной кислоты. Вторую колонку в OH–-форме нужно зарядить ОН– ионами, следовательно, использовать основание. В этом случае (Lewatit MP62) можно использовать 3% раствор гидроокиси натрия. После процесса регенерации колонны промываются деминерализованной водой, чтобы предотвратить попадание кислоты или щелочи в обрабатываемую воду. Используемые растворы кислоты или щелочи имеют невысокую концентрацию, однако работать с ними необходимо с осторожностью. По возможности регенерацию лучше проводить специалисту. Даже при единичном использовании следует обращать внимание на инструкции изготовителя, особенно в отношении мер безопасности.
Обратный осмос

Проблемы регенерации, которая проводится в аквариумистике иначе, чем в промышленной технике, а именно большей частью без автоматизации, вручную, вызвали необходимость использовать другую технику для очистки воды. Так как химические методы особенно нежелательны, стали применять физический метод, который основан на законах осмоса. В физических основах мы уже упоминали об осмосе. Молекулы воды проходят через полупроницаемую мембрану для того, чтобы выровнять разницу концентраций растворов по обеим сторонам мембраны. При этом из-за перемещения молекул в ограниченном пространстве возникало избыточное давление, которое, возрастая, противодействует осмосу и приводит наконец к состоянию равновесия.
Степень очистки при использовании обратного осмоса

Алюминий 97-98%
Марганец 97-98%
Аммоний 85-95%
Натрий 94 -98%
Мышьяк 94-96%
Никель 97-99%
Барий 96-98%
Нитраты 92-97%
Бикарбонат" 90-95%
Пестициды 85-99%
Свинец 96-98%
Гербициды 85-99%
Бромиды 93-96%
Фосфаты 98-99%
Кадмий 95-98%
Ртуть 95-97%
Кальций 95-98%
Селен 94-96%
Хлориды 90-95%
Серебро 95-97%
Хром 96-98%
Силикаты 94-96%
Хроматы 90-97%
Стронций 98-99%
Цианиды 90-95%
Сульфаты 97-98%
Железо 97-98%
Сульфиты 96-98%
Фториды 93-95%
Тиосульфаты 97-98%
Калий 94-97%
Цинк 97-99%
Медь 97-98%
Соединения придающие жесткость воде 95-98%
Магний 95-98%
Бактерии >0,99%

Давление в состоянии равновесия системы называется осмотическим. Если из-за внешнего воздействия с повышением концентрации увеличивается давление в камере, то начинается обратное движение молекул воды через мембрану. Чем выше становится давление, тем больше молекул проходит через мембрану. Вследствие этого повышается концентрация соли. Если движение молекул через мембрану продолжается, то повышается давление. Мембрана построена таким образом, что могут проходить только молекулы воды, молекулы соли будут оставаться таким образом; в зависимости от качества мембраны можно получить очень чистую воду. Этот процесс противоположен осмосу и называется обратным осмосом. В обоих приведенных рисунках процесс осмоса или обратного осмоса должен через короткое время перейти в состояние равновесия, так как давление постоянно повышается до определенного значения.
Энергозатраты для установки обратного осмоса. Осмотическое давление поднимается с увеличением содержания соли. Итак, сеть существенная разница в очистке относительно бедной солями питьевой воды и соленой воды для получения питьевой. Чем выше содержание солей, тем выше давление, которое должно применяться. Осмотическое давление воды Красного моря равно тридцати барам. Чтобы молекулы воды в большем количестве и за короткое время проходили через мембрану, необходимое давление для установки по опреснению морской воды должно удваиваться, т.е. быть равным 60 бар. Такие давления, конечно, недостижимы, для домашних аквариумистов, да и вообще не нужны. Им необходимо очищать не соленую воду, а удалять из нашей питьевой воды остаточное количество солей. В то время как морская вода имеет проводимость 60 мСм/см (60000 мкСм/см), наша питьевая вода имеет проводимость от 200 до 600 мкСм/см. К сожалению, дождевые воды также не совсем чистые и имеют проводимость от 50 до 100 мкСм/см, что отличается от дистиллированной воды. Для установки обратного осмоса или соответствующего устройства для очистки питьевой воды используется предварительное давление от 3 до 5 бар (от 30 до 50 метров водного столба). Это соответствует давлению в водопроводе, из которого вода, как правило, подается для домашнего хозяйства.
Таким образом, в установке обратного осмоса без особых проблем может использоваться давление воды в трубопроводе. Это очень важно, так как водные насосы высокого давления для небольших количеств воды почти не используются и требуют значительного потребления энергии. Таким образом, установка обратного осмоса для аквариума проста в эксплуатации и экономична.
Устройство приборов и установки обратного осмоса. Мембрана на практике – очень сложное, структурированное тело. Чтобы по возможности использовать большие поверхности в маленьких объемах, мембраны, как правило, упаковываются в связанные волокнистые пучки или в рулоны. Достаточно одной упаковки на три подсоединения. Одно подсоединение нужно для входящей воды, второе – для выходящей воды и третье – для стока концентратов.
Давление входящей воды в мембране почти полностью расходуется, так что вода из установки выходит без давления. Перепад давления и количество мембранных тел определяет также объемы очищенной воды и стока концентратов. Давление в системе ограничено возможностями водопровода, а количество мембранных тел – финансовыми возможностями. При использовании одного мембранного тела получается неудовлетворительное соотношение чистой воды и концентратов. При этом понятие «концентрат» некорректно, так как соотношение чистой воды и концентрата равно 90 к 10. Так как количество используемой воды невелико, то такое соотношение можно оправдать. Выход концентрата присоединяется к отработанной воде. Для чистой воды необходимо использовать достаточно большой резервуар. Чистота воды определяется, наряду с качеством мембраны, соотношением количества концентрата и чистой воды. Чем больше количество концентрата, тем быстрее отводится общее содержание солей от мембраны. Свежая вода подходит к мембране и проходит через нее. Если в определенной мере повышается количество концентрата, то не происходит дальнейшего улучшения очистки воды. Отношение количества концентрата к количеству чистой воды должно постоянно проверяться. Как правило, для этого достаточно измерять оба потока мерным стаканом или ведром по часам. Гораздо удобнее, прежде всего на больших установках, контролировать оба потока расходомером, тогда можно регулярно без больших затрат производить нужную настройку. Чтобы была возможность при необходимости производить коррекцию, оба водопровода снабжаются ручным вентилем.
Предварительная фильтрация. Мембраны предназначены для того, чтобы отделять растворенные соли от воды. Следовательно, они имеют размеры пор в молекулярной области. Ясно, что эти поры легко засоряются грубыми частицами. Если даже вода поступает из гидротехнического сооружения без загрязнений, на длинном пути к потребителю вода часто загрязняется в трубопроводе, например, такими веществами, как отложения железа, продукты коррозии. Поэтому перед каждой установкой обратного осмоса рекомендуется поставить фильтр тонкой очистки, который задержит грубые частицы и защитит мембраны. Предварительный фильтр из активированного угля служит прежде всего как катализатор, с помощью которого предотвращается возможное разрушение мембраны хлором. Предварительный фильтр можно легко очистить или заменить. Он доступен по цене и его можно применять в больших количествах. Целесообразно также установить манометры перед предварительными фильтрами и перед мембраной.
Техническое оснащение. Установка обратного осмоса может быть оснащена собственным насосом высокого давления (см. рисунок на стр. 70), если вода из сборного резервуара должна изыматься или давление в водопроводе недостаточно для установки. Установки меньшего размера (рис. вверху) присоединяются непосредственно к водопроводу, который должен давать давление от 2 до 6 бар. Рисунок на стр. 72 показывает очень дорогое техническое оснащение установки обратного осмоса. Для большей части случаев затраты могут быть меньшими, но здесь изображены все устройства, и становятся понятными их функции. Установка присоединяется с помощью ручного вентиля к водопроводной сети. Таким же способом ее можно отсоединить для очистки и технического обслуживания без давления.
Манометр показывает рабочее давление установки. Следующий клапан с электромагнитным переключением управляется регулятором уровня. Если сборный резервуар для чистой воды заполнен, магнитный вентиль закрывается, и процесс автоматически останавливается. Два фильтра грубой очистки необходимы для того, чтобы отфильтровать крупные частицы. Манометр между предварительным фильтром и модулем обратного осмоса показывает степень загрязнения фильтра грубой очистки. Если зарегистрируется падение давления по отношению к первому манометру, то предварительный фильтр следует очистить или заменить. На выходе модуля присоединяется трубопровод для чистой воды, а концентраты с помощью двух ручных вентилей и расходомера могут точно направляться в локальные потоки. Часто для небольших установок рекомендуется подключение вентилей. В этом случае можно отказаться от расходомеров.
Тем не менее, следует контролировать количественные отношения чистой воды и концентрата с помощью часов и мерного стакана. Вытекающий концентрат отводится непосредственно в сток. Он может еще использоваться в домашнем хозяйстве для других целей. Чистую воду можно непосредственно заливать либо в аквариум, либо в резервуар для чистой воды. В обоих случаях следует предусмотреть неприятные неожиданности с помощью измерителя уровня. Прибор для измерения проводимости показывает фактическую остаточную проводимость и, таким образом, постоянно контролирует качество воды. Устройство это необязательно, но рекомендуется для больших установок. Любое качество воды можно непосредственно контролировать с помощью измерения проводимости. Поломки, такие, как разрыв модуля, могут тотчас же устраняться.
Обработка воды с помощью специальных фильтровальных средств

Активированный уголь

Применение активированного угля для предварительной очистки полы является самым старым и самым известным способом. Конечно, он имеет ограниченные возможности. В частности, активированный уголь позволяет удалять только окислители и органические вещества.
Между атомами твердого тела действует сила притяжения во всех направлениях. В твердом теле эти силы поглощаются атомами самого тела. На границах поверхности тел они действуют в свободном пространстве и влияют на атомы и молекулы, находящиеся поблизости. Силы, действующие на границах поверхностей, могут быть так велики, что окружающие поверхность атомы и молекулы прикрепляются к ней. Это процесс называется абсорбцией. Абсорбция действует между всеми телами. Можно представить себе, что сила сцепления будет тем интенсивнее, чем более активна поверхность, которая причастна к процессу абсорбции. Очень ценное свойство активированного угля – экстремально большая поверхность в малом объеме. Его мелкопористая структура возникает, когда вещества с большим содержанием углерода, такие, как уголь, древесина или кость, обрабатываются водяным паром. Для сравнения: в то время как кубик из графита весом 1 грамм имеет площадь поверхности только 4 см2, активированный уголь низкого качества может иметь площадь от 5 до 50 м2 на грамм. Специальные сорта активированного угля имеют площадь поверхности от 800 до 1000 м2 на грамм. Это число свидетельствует о том, что 10 граммов активированного угля имеют площадь футбольного поля (примерно 7500 м2)! К важным свойствам активированного угля следует отнести не только его активную поверхность. Чем больше отдельное его зерно, тем хуже используются внутренние поры и тем интенсивнее используется только часть активной поверхности, непосредственно контактирующей с отложениями. Активированный уголь должен соответствовать своему применению. При относительно небольших потоках воды, используемой для аквариума, рекомендуется угли с меньшим гранулированием. Если активированный уголь непрочно структурирован, он может распыляться из-за взаимного истирания гранул. При этом активированный уголь, хотя и бесполезен, но приводит к образованию активных углеродных участков, которые в биологических процессах приводят к образованию нежелательной восстановительной среды. Этого, безусловно, нужно избегать. Кроме того, порошковый активированный уголь вымывается в воду и в виде взвеси плавает в аквариуме там, где мы его меньше всего хотим видеть. Наряду с описанным абсорбционным действием активированного угля, нужно хотя бы коротко привести два других свойства этого фильтровального материала. Активированный уголь состоит из чистого углерода, следовательно, он может действовать восстанавливающим образом, например, в реакции с таким окислителем, как. озон. Кроме того, известны также каталитические эффекты, которые в аквариуме однако, играют незначительную роль. В дополнение следует упомянуть, что активированный угль из-за своей большой удельной поверхности очень хорошо подходит для биологического фильтра, в качестве грунта для роста растений. На практике описанные здесь процессы неотделимы друг от друга, а протекают в фильтре большей частью одновременно.
Торф
С 1952 г. в литературе по аквариумистике с пресной водой постоянно сообщается о торфе и торфофильтрации. Торф используется прежде всего рыбоводами, которые занимаются рыбами, живущими в бедной солями черной или прозрачной воде. Торф часто добавляют в грунт. Опубликованные в последнее время негативные высказывания не касаются аквариумной практики, а затрагивают сложные химические процессы, которые возникают при применении торфа, причем для аквариума пригоден только «белый торф» из глубоких слоев верховых болот. Тем не менее определенные виды торфа используются в аквариумистике. Химическая структура торфа еще недостаточно известна, и, по-видимому, не скоро будет изучена. Вследствие этого трудно определить критерии качества и гарантировать одинаковые свойства определенных сортов торфа. Было бы хорошо информировать покупателя о происхождении, составе и чистоте торфа.
С другой стороны, в литературе и на упаковках описывается иногда до 20 почти магических свойств торфа. Многие из этих свойств должны быть обусловлены определенными химическими веществами. Из-за сложной химической структуры торфа и содержащихся в нем гуминовых веществ некоторые свойства его крайне трудно предположить. Когда речь идет о торфе или о гуминовых веществах, имеется в виду сложная смесь веществ, практически не разлагаемых биологическими процессами и представленная главным образом остатками болотных растений с молекулярным весом от 700 до 200 тысяч. Некоторые молекулы достаточно велики и имеют длинную цепь. Если смесь экстрагировать щелочью, то получается желтый, коричневый или почти черный раствор фульво- и гуминовых кислот. Если в эти растворы добавить кислоту, то в осадок выпадают гуминовые кислоты. Фульвокислоты, состоящие из молекул меньшего размера, остаются в растворе. Итак, в аквариумной воде могут присутствовать как фульво-, так и гуминовые кислоты (вместе как «гуминовые кислоты»). Они окисляются в воде и вследствие этого получается темная окраска. Наряду с гуминовыми кислотами торф содержит минеральные вещества, смолы и другие органические вещества. Невозможно изменить состав торфа, не потеряв при этом важной для аквариумиста составной части. Если необходимо удалить известь соляной кислотой, то при этом теряются также важные фульвокислоты. Следовательно, торф не должен перерабатываться; он чист и сбалансирован настолько, насколько это возможно.
Ароматическая основа молекулы1 содержит очень много карбокси-, фенольных и аминогрупп. Нерастворимая в воде, состоящая из больших молекул часть торфа может функционировать как катионообменник (см. главу «Ионообменник» стр. 62). Однако для водоподготовки, имея в виду снижение жесткости и pH, более подходят ионообменные смолы, так как известна их производительность, и они могут регенерироваться.
1Под ароматическими соединениями понимают химические соединения, которые имеют структуру бензольного или другого кольца с сопряженными связями. В данном случае под названием подразумевается другое, более широкое понятие.
Гумусовые кислоты в естественных водоемах. Растворенные гумусовые кислоты придают известным черным водам, например водам реки Рио-Негро, окраску. Похожие вещества вызывают желтую окраску прибрежных вод и окрашивают мангровую воду в желтый цвет. Следовые количества таких веществ играют в море важную роль и используются также в культуре морских водорослей.
Торф в аквариумистике. Водорастворимые гуминовые кислоты, состоящие из молекул небольшого размера, очень стабильны. Они могут функционировать в качестве кислых буферных растворов (pH примерно 6), в качестве хелатных соединений (управление химией, биологией и токсичностью металлов) и в качестве фотокаталитических редукторов. Эти свойства являются, вероятно, самыми важными для аквариумистов; поэтому дорого и неоправданно заменять водорастворимые гуминовые кислоты другими продуктами. Фильтр из торфа имеет и бактерицидное действие. Так как все, что помогает уменьшить применение медикаментов в аквариуме, является очень важным, это свойство, конечно, высоко ценится. С другой стороны, бактерицидное свойство торфа имеет недостаток, так как нарушает принцип биологической фильтрации. Также вызванное торфом снижение значений pH и регулярный обмен веществ уступают преимуществам биологического фильтрования. Часто рекомендуют применять один литр торфа на сто литров воды и менять торф каждый месяц. Однако здесь нельзя давать общие указания. Каждый аквариумист должен проводить регулярный контроль аквариумной воды и устанавливать, в каком количестве торфа он нуждается и как часто он должен его менять.
Контроль чистоты. Контроль чистоты представляет собой самую важную проблему при применении торфа, так как он загрязнен следующими веществами:
  • летучие кислоты;
  • известь и другие неорганические вещества;
  • продукты обмена веществ (аммоний, нитраты, нитриты, фосфаты);
  • сельскохозяйственные ядохимикаты;
  • разлагающиеся органические вещества, сильно потребляющие кислород.
Как на упаковке, так и в болоте бесполезно искать соответствующие ссылки на эти вещества. Поэтому необходимо тестировать каждый торфяной фильтр, прежде чем применять его в аквариуме. Для этого торф сначала нужно измельчить, затем поместить 30 мл торфа и 150 г деминерализованной воды в бутылку с завинчивающейся пробкой и оставить на 72 часа, время от времени встряхивая ее. Затем прозрачную жидкость сливают, причем ее окрашивание не позволяет делать никаких выводов о содержании гумусовых кислот. Далее измеряют электрическую проводимость небольшой пробы жидкости (см. главу «Измерение параметров воды»). Проводимость должна быть очень низкой, иначе проба загрязнена растворимыми минералами. Затем растворяют в пробе немного хлорида калия и измеряют значение pH на электрическом pH-метре, так как колориметрическое определение этой величины в слабобуферных и сильноокрашенных растворах мало пригодно. Затем в течение нескольких часов проба аэрируется (диспергатор из дерева). Значение pH должно слегка повыситься, менее чем на 0,2, в противном случае в торфе содержится недостаточное количество фульво- и гуминовых кислот, да к тому же много летучих кислот: стабилизирующее действие подобного торфа было бы очень незначительно. Следующие пробы воды проверяют общепринятым способом на карбонатную жесткость, общую жесткость (катионы кальция и магния), аммоний, нитриты, нитраты и фосфат. При этом нужно обращать внимание на цвет пробы. Все упомянутые вещества должны быть представлены только в очень небольших количествах. В кислой, мягкой и бедной хлоридами воде аммоний не токсичен. Нитриты, напротив, очень токсичны (уже при значении 1 мг/л). В аквариуме при подобных значениях может инактивироваться денитрификация, поэтому концентрация нитратов должна постоянно контролироваться.
Если анализы не показали значительных концентраций нитратов и фосфатов в торфе, можно с большой вероятностью утверждать, что торф не добывался рядом с землями сельскохозяйственного пользования. Гербициды и пестициды в торфе также, скорее всего, отсутствуют. В противном случае необходима осторожность, так как содержание ядохимикатов измерять трудно. Тест с помощью дафний, предложенный DATZ-редакцией (см. Krause 1991), не подходит для любителей, так как его слишком трудно воспроизвести. Простые тесты на кислородный обмен торфа, к сожалению, еще не разработаны. Торфофильтрация не может комбинироваться с озонированием, ультрафильтрацией, фильтрацией на активированном угле и с ионообменными смолами. С торфяными фильтрами невозможна также большая по объему замена водопроводной воды. Озон, ультрафиолетовые лучи разрушают гумусовые кислоты. Кроме того, ультрафиолетовые лучи не могут проявлять своего бактерицидного эффекта, так как растворы гумусовых кислот их не пропускают. Активированный уголь и ионообменные смолы почти необратимо адсорбируют гумусовые кислоты. Кальций (карбонатная жесткость) в водопроводной воде нейтрализует растворимые (в воде) и нерастворимые (на фильтре) гумусовые кислоты. Смена воды должна, следовательно, происходить только соответствующим образом подготовленной водой. Для этой подготовки должна использоваться по меньшей мере деминерализованная вода.
Заключение. Торф для аквариумистов является очень интересным материалом. Тот, кто хочет экспериментировать, должен заниматься аквариумной химией и анализом воды и перед применением исследовать торф. В библиографии приведены публикации, которые затрагивают эту тему.
Фильтрационная техника

Внутренний фильтр с использованием воздуха

Внутренний фильтр, использующий воздух, является одним из самых традиционных в аквариумной технике. Причина его появления – наблюдение над тем, как пузырьки воздуха, покидающие источник их образования или также открытую трубку, уносят с собой наверх некоторое количество воды. Этот эффект известен также как «насос мамонта», Рисунок на стр. 78 показывает также принцип этого эффекта. Преимущество метода состоят в том, что для него нужен лишь воздушный насос, т.е. в этом случае затраты невелики. Так как поднимающиеся газовые пузырьки образуются только при относительно небольшой подаче воздуха, эти фильтры находят применение большей частью для маленьких аквариумов. Транспортирующая трубка расположена в середине фильтра, так что вода восходящими пузырьками засасывается фильтр. Фильтр заполняется обычной фильтровальной ватой, но возможны также другие материалы, например активированный угль. Как уже упоминалось выше, эта конструкция фильтра из-за незначительной циркуляции воды в аквариуме ограничена в применении. В современных аквариумах она скорее нежелательна, но, однако, полезна для начинающих аквариумистов для освоения аквариумной техники. При использовании этого принципа аэрация происходит после того, как вода уже прошла фильтр. Снабжение фильтра кислородом зависит от его содержания в аквариуме, так как фильтр аэрируется неактивно. Поэтому нужно обращать внимание на то, чтобы он не работал в анаэробных условиях. Для предотвращения этого фильтр должен быть не очень плотным. Уплотнение фильтра уменьшает скорость потока, следствием чего являются «мертвые зоны» и плохое снабжение кислородом. Фильтр должен также относительно часто очищаться. Цикл очистки определяется размером аквариума, количеством животных и фильтрацией. При чистке фильтра нужно очищать старую фильтровальную вату и использовать ее без предубеждения. Биологически активные культуры бактерий на вате способствуют фильтрации. Аквариумы большего размера при необходимости могут снабжаться двумя фильтрами. Когда пузырьки газа устремляются к поверхности, они интенсивно журчат из-за их разрыва, и работа фильтра не мешает лишь в том случае, если это журчание не раздражает окружающих. Описанный фильтр пригоден для небольших аквариумов с пресной водой (вместимость примерно 50 л), так что их можно порекомендовать новичку. Опытным аквариумистом это устройство будет применяться как дополнительная, но не основная техника.
Одним из вариантов описанного выше внутреннего фильтра, использующего воздух, является похожее устройство, снабженное водяным насосом. Преимущество его состоит в том, что устройство пропускает значительно больше воды, чем фильтр, использующий воздух. Конечно, внутренний фильтр не обогащает воду кислородом. Поэтому рекомендуется выход фильтра устроить у водной поверхности или над ней, так, чтобы с потоком воды, падающим на водную поверхность, в воду поступал воздух.
Не каждый находит связанное с этим фильтром журчание приятным, но нельзя недооценивать обогащение воды кислородом. В фильтрах большего размера имеется возможность оборудовать выход воды инжектором. Вследствие этого примешивается больше воздуха. Обогащение кислородом происходит лучше, гак как пузырьки воздуха более мелкие. Всегда возникают трудности, когда внутренний фильтр необходимо вынимать из аквариума. Чтобы предотвратить вытекание воды из фильтра при его подъеме, он снабжается шибером. Несмотря на это, все же нужно быть осторожным, чтобы уберечь домашний ковер от воды.
Закрытый быстрый фильтр

Закрытый быстрый фильтр является наиболее распространенным видом аквариумных фильтров. Он соответствует желанию аквариумиста отделить технику от аквариума. Быстрый фильтр устанавливается, как правило, под аквариумом и оборудован на стороне всасывания или давления подающим насосом, который, по сравнению с фильтром, использующим воздух, создает принудительное движение воды. Фильтры можно подбирать для аквариумов разных размеров, учитывая производительность насоса. В качестве контрольного значения можно исходить из того, что все содержимое аквариума в течение часа должно проходить через фильтр. Для аквариума 200 л следовало бы выбрать производительность насоса 200 л/час. Большинство закрытых фильтров можно рассматривать как чисто механические фильтры. Причина в том, что они не могут активно снабжаться кислородом. В этом помогает биологически активный фильтровальный субстрат, т.е. фильтровальный материал с высокой удельной поверхностью. Биологическое фильтрование в аэробной среде связано именно с кислородом, который подводится в закрытые быстрые фильтры только с аквариумной водой. В аквариумах, в которых используются такие фильтры, важна интенсивная аэрация воды. Это касается также аквариумов, в которых двуокись углерода вводится как питательное вещество. Эти аквариумы обычно используются при небольшой подаче кислорода, чтобы не так быстро удалять угольную кислоту. Эти фильтры особенно повреждаются при экстремальных режимах. Закрытые быстрые фильтры особенно хороши при механической фильтрации. Частицы загрязнений, экскременты, остатки корма относительно быстро удаляются из аквариума и улавливаются фильтровальным материалом.
Следствие этого – практически прозрачная вода, что благоприятно и для человека, и для рыбы. Но аквариумы – это только «комната» для рыбы. Быстрый фильтр включается в водное жизненное пространство. Загрязнения, которые накапливаются в фильтре, образно выражаясь, находятся только под «ковром». Но там они не депонированы прочно. В каждом случае фильтр далее обрабатывается биологически. При оптимальных условиях вода насыщена кислородом, что способствует развитию аэробных бактерий, осуществляющих процессы разложения. Менее желательная ситуация, когда фильтр эксплуатируется анаэробно, т.е. при общем недостатке кислорода. Теоретически и в анаэробной среде может протекать процесс разложения. Но в целом в отношении насыщения кислородом в быстром фильтре маловероятны стабильные условия. Вероятнее всего аэробные и анаэробные бактерии будут конкурировать. Это приводит к тому, что стабильные условия вообще не устанавливаются. Фильтр находится в постоянной опасности «биологически опрокинуться» и выбросить большое количество вредных веществ в аквариум. Чем длительнее он эксплуатируется, тем больше будет накапливаться биологически активного материала. В этом случае нужно срочно искать выход. Как показывает рисунок на стр. 81, при эксплуатации закрытого быстрого фильтра в замкнутом цикле невозможен выход для органических веществ. Здесь необходимо творчество. Вещества из фильтра должны удаляться, т.е. он должен регулярно очищаться. Это единственный выход, если фильтрация ограничена в основном механическим эффектом, поэтому при покупке фильтра следует обратить внимание на то, чтобы он легко открывался. К тому же хорошо было бы его очищать через вентиль. Промежутки времени между очистками должны регулироваться по количеству обитателей аквариума. Для этого нет жестких правил. Некоторые аквариумисты предпочитают точно установленный срок, другие пытаются найти его посредством измерений.
Но когда измеряемые величины показывают снижение качества воды, может быть уже слишком поздно. Итак, следовало бы очищать фильтр один раз в неделю или чаще. Если фильтр используется чисто механически, то очистка должна происходить чаще и очень основательно. Если есть перспектива использовать фильтр как биологический в обогащенной кислородом воде, то ему после каждой очистки для нормальной работы необходимо некоторое время. Поэтому не нужно часто вмешиваться в его работу. Очистка должна быть основательной, но не чрезмерной, чтобы все-таки оставлять на материале биологически активные вещества для быстрой активизации Промытого или нового фильтровального субстрата. Часто быстрые механические фильтры выполнены из прозрачного материала, и механическое загрязнение можно установить на них визуально.
Конечно, на это нельзя полагаться. Внутри фильтра могут образовываться сложные сообщества бактерий, которые снаружи не видны. Фактически нужно приложить усилия и открыть фильтр.
Фильтровальные патроны из различных материалов

У многих фильтров есть возможность помещать различные фильтровальные субстраты в разные камеры. С одной стороны, такие варианты с комбинированием можно приветствовать, с другой стороны, их следует рассматривать критически. Не следует от укладки разных фильтровальных материалов ждать чуда. Как правило, фильтровальный объем имеющихся в продаже быстрых фильтров и без того точно определен. Если он разделен на контейнеры с различными субстратами, то весьма вероятно, что правильно не будет работать ни одна ступень фильтрации. Мы также видим, что фильтр преимущественно биологической функции отличается от фильтра преимущественно механической функции временем простоя. Если нужно очистить механическую часть фильтра, это помешает биологическому разложению вредных веществ. Если мы все-таки начинаем с очистки механической ступени, то механический фильтр может биологически обособиться и «опрокинуться», т.е. выделять ядовитые вещества. Как мы увидим позже, рекомендовать нужно в основном комбинации фильтров. Необходимо, конечно, тишать каждую ступень в отдельности, не касаясь другой. Это едва ли достигается при одном фильтровальном резервуаре, так что лучше использовать имеющиеся фильтровальные объемы последовательно с одним субстратом. Эти предложения не должны отрицательно влиять на работу быстрого фильтра. Как и прежде, он является важным устройством, особенно для небольших аквариумов. Но необходимо ясно видеть границы. Как уже упоминалось выше, микрофлора всегда будет поселяться на фильтре, но не всегда смогут происходить оптимальные процессы разложения. Из рисунка на следующей странице ясно, какие опасности это вызывает. Органические соединения, такие, как белки, окисляются прежде всего до аммония как это было описано в главе «Биологические основы». Бактериальное окисление аммония до нитритов очень сильно зависит от кислорода (2,6 мг O2/мг NH4+). При недостаточном снабжении кислородом происходит замедление окисления в нитриты. Аммоний всегда будет в избытке. Следующая ступень нитрификации – окисления нитритов до нитратов – не так сильно зависит от кислорода.
Если аммоний не достаточно интенсивно превращается в нитрит, в системе отсутствует не только кислород, но и нитраты; аммоний и нитриты будут достигать опасных высоких концентраций. Это создает неблагоприятные условия для бактерий. Токсичные вещества возвращаются с водой из фильтра в аквариум и негативно воздействуют на обитателей аквариума. Обновление воды, протекающей через фильтр, не может устранить все неисправности. Богатая растительность не способствует поглощению этих веществ, так как растение питается только полностью окисленным до нитратов азотом. В заключение я хотел бы привести высказывание Рюкштедта (1963) из его первого научного труда: «Дрянь остается дрянью, даже если ее не видеть». Как ни банально звучит эта фраза, она не утратила силу со времени ее первого изложения.
Аэробная биологическая фильтрация

Биологическая фильтрация возникла из механической. Очень давно при очистке сточных вод было замечено, что материал фильтра биологически активен и что бактерии, поселяющиеся на фильтровальном материале, оказывают на систему специфический эффект. Поэтому начинали с того, что фильтр с наполнителями заливали сточными водами и после определенного времени воздействия их удаляли. Этот процесс не дал оптимальных результатов. Вскоре пришли к тому, что фильтровальный материал должен постоянно находиться в погруженном состоянии. Далее это происходило не в резервуаре заполненном водой, а в так называемом капельном теле. Эти два способа до настоящего времени используются в аквариумной технике; используются как «сухие», так и «мокрые» биофильтры.

«Мокрый» биофильтр

Этот тип фильтра напоминает механический быстрый фильтр. Он называется так из-за того, что подложка фильтра лежит на уровне воды. Скорость фильтрования, конечно, ниже, чем у быстрого фильтра, и фильтровальный материал выбирается грубее. Из-за низкой скорости потока есть вероятность того, что твердые вещества будут накапливаться в фильтровальном материале, и фильтр зашлакуется. Она повышается вследствие того, что органические вещества очень легкие, имеют незначительную скорость оседания и легко располагаются на зернах фильтра. Таким образом, уменьшается свободный путь потока. Могут возникать также недостаточно или совсем непроходимые зоны, которые становятся скоплениями бактерий. Биологически активный фильтровальный материал, загрязненный органическими отложениями, равномерно снабжается кислородом. Этот вид фильтра вообще недостаточно обеспечивается кислородом, т. к. кислород может поступать только с потоком воды. Для этого фильтра имеется, таким образом, опасность задохнуться, особенно в аквариумах с относительно высокой температурой.
«Сухой» биофильтр

На основании многолетнего опыта, накопленного при эксплуатации механического быстрого фильтра и погружного биофильтра, был разработан «биологический большой фильтр» для очистки сточных вод. Эта конструкция часто называется «сухим» биофильтром, так как материалы фильтра находятся не под водой, а на воздухе и орошаются ею. Вследствие этого достигается два существенных преимущества. Кислород подводится из двух источников, а именно из окружающего воздуха и из воды. Кислород может проникать непосредственно в водную пленку, которая окружает биологически выращенное зерно фильтра. Таким образом, гарантируется, что в фильтре всегда будет преобладать богатая кислородом среда. Анаэробные процессы при этом будут замедляться. Чтобы обеспечить оптимальный приток воздуха, фильтр не должен закрываться внизу поверхностью воды. Если дно фильтра располагается над уровнем воды и оборудовано отверстием, то воздух может подводиться не только с водой, а свободно устремляться через фильтр. Каждое зерно фильтра орошается только через определенные интервалы, а затем определенное время находится в покое. Если происходит новое орошение, «отложенные вещества» можно легче отвести, таким образом можно препятствовать закупорке фильтра. Пути через фильтр остаются свободными как для потока, так и для кислорода. Скопления бактерий исключаются.

Биологический фильтр под давлением

Эта конструкция биологического фильтра представляет собой промежуточную форму между закрытым быстрым фильтром и биофильтром. Фильтр, так же как и биофильтр, имеет закрытый тип конструкции, чтобы гарантировать снабжение кислородом. Водяной насос нагнетает воздух через инжектор, т.е. воздух засасывается и в виде мелких пузырьков смешивается с водой. Воздух захватывается водой и проводится через фильтровальный материал, который лежит на дне фильтра. Под ним находится емкость для очищенной воды. Только здесь вода и воздух разделяются. Чистая и обогащенная кислородом вода устремляется назад в аквариум, в то время как использованный воздух выводится наружу через вентиль для выхода воздуха.
Следовательно, аэрация фильтра идет не случайным образом, а свежий воздух принудительно подается через фильтр. Вследствие этого гарантируются аэробные условия. Эта конструкция более всего подходит там, где для открытого биофильтра нет места. Биологический фильтр решает эту проблему, так как он может применяться в закрытом водопроводе под давлением. Конечно, название «фильтр под давлением» не означает, что фильтр включается под высоким давлением, так как иначе инжектор не сможет всасывать воздух. Рисунок наверху показывает новый заводской фильтр, а рисунок на странице 84 – фильтр, который используется длительное время, и на его основе разработан целый ряд таких фильтров. В фильтрах такого вида можно отчетливо видеть распределение воздуха и воды, которое изменяется не только по месту, но и во времени, и гарантирует, таким образом, оптимальное снабжение бактерий кислородом и питательными веществами.

Биологический внутренний фильтр

В качестве «биологического внутреннего фильтра» фирма Eheim разработала для рынка интересное изделие: фильтр устанавливается внутри аквариума и состоит из трех расположенных друг над другом отсеков. Вода поступает из аквариума внутрь фильтра. Для этого предусмотрен поверхностный отсос, хотя воду можно также отсасывать и из области грунта. Вода поступает прежде в самый верхний отсек, который вначале еще не содержит воды. Когда он заполнен, то вода отсасывается сифоном и поступает в нижний отсек. Выход воды происходит значительно быстрее, чем ее поступление, так что верхний фильтровальный отсек почти осушается. Благодаря этому весь фильтрующий материал интенсивно аэрируется, так что определенно в фильтре преобладают аэробные условия.
Нижний отсек фильтра наполняется до тех пор, пока не начнет действовать сифон, и затем вода попадает в отсек очищенной воды. Здесь установлен насос подачи, который возвращает воду в аквариум. Автоматическое регулирование обеспечивается конструкцией вентиля. Система одинаково хорошо снабжает бактерий как питательными веществами, т.е. органическими загрязнениями, так и кислородом, в котором нитрификаторы нуждаются для биологического окисления. Постоянный обмен воды избавляет установку от накопления частиц, которые будут вымываться благодаря эффекту отлива и наполнения. Этим достигается то, что фильтр работает исключительно биологически, а не механически. Фильтровальный материал должен выбираться соответственно. В пресной воде рекомендуются материалы из камня, в морской воде – грубая коралловая галька.
Выбор фильтрующего материала

При выборе фильтрующего материала в первую очередь необходимо отдать предпочтение грубому материалу. В то время как механический фильтр может работать с ватой или с тонким слоем гранул размером примерно 2 мм, для биологического фильтра это слишком мало. Можно порекомендовать размер гранул от 5 до 30 мм. Меньший размер гранул приведет к зашлаковыванию и «удушению» фильтра. Необходимы большие размеры, чтобы потоки были свободными. По расчетам биологически активная поверхность будет тем больше, чем меньше зерна фильтра. Но, как мы уже обсуждали это в главе о механическом фильтре, при размере зерна ниже 5 мм возрастают проблемы. Хорошие результаты получаются при грунтоструктурированном материале, который, конечно, для нашего случая должен выбираться отдельно. В морской воде хорошо себя зарекомендовали слои коралла, измельченные от среднего до грубого размера. На его пористой поверхности бактерии находят оптимальные условия роста. Кроме того, коралловый известняк, стабилизирует значение pH для морской воды. В этом случае в аквариум должны помещаться материалы, которые имеют нейтральную среду. Для этого предлагаются различные виды горных пород и лавы, которые перед закладкой в фильтр, безусловно, должны основательно промываться. Большей частью эти камни подвержены истиранию, в результате чего образуется пыль, которая, попадая в аквариум, оседает на растениях и на грунте. Если каменная крошка остается в фильтре, то снова образуются мертвые зоны. Хороший результат дают также искусственные наполнители.
Их удельная поверхность может быть меньше, чем у естественных камней, не возникает истирания, фильтрующий материал хорошо осушается и пропускает потоки. Шлакование и закупорка в этом случае уменьшаются. Биофильтры с искусственным материалом должны быть несколько больше, чем биофильтры из камня. Для аквариумных целей в расчет принимается минимально возможный по размеру наполнитель. У искусственных материалов рассчитывается большей частью удельная поверхность. Она, как правило, приводится изготовителем и представляет собой очень важный критерий выбора. Форма наполнителя не имеет существенного значения. Конечно, важно при заполнении фильтра распределить наполнитель равномерно, так, чтобы не возникали каналы протечек. Часто используются вспененные материалы, которые, однако, должны быть нерастворимы в воде. Пенные материалы характеризуются очень большой удельной поверхностью, которая хорошо заселяется бактериями. Конечно, они, как правило, имеют очень плотную структуру, вследствие чего они склонны к зашлаковыванию. Поэтому их следует часто очищать. Большим преимуществом наполнителей из кораллов и из вспененных материалов по сравнению с материалами из камня является их небольшой вес. Об этом свидетельствуют данные таблицы на стр. 85, в которой приводятся различные наполнители. Если рассматривать удельную поверхность, то «керамическое кольцо» значительно превосходит искусственные тела типа «еж», «решетчатое кольцо». Конечно, оно имеет очень большой вес. «Еж» и «решетчатое кольцо» имеют одинаково хорошие характеристики, причем «решетчатое кольцо» проявляет себя немного лучше.
В качестве преимущества оба имеют незначительный вес, что очень важно для больших фильтровальных установок, т. к. конструкция легче и поэтому требует меньших затрат. К сожалению, для природных камней, которые очень хорошо подходят для аквариумных фильтров, нет сравнительных величин, т. к. их удельную поверхность почти невозможно определить. Для домашних аквариумов объемом до 500 л хороши природные материалы из камня, в то время как большие установки в качестве фильтровального материала должны использовать пластмассу. Очень хорошие результаты имеют также наполнители из пористого стекла. Они имеют очень высокую удельную поверхность, примерно 0,4 м2/г или 90 тыс. м2/м3, хорошо заселяемую микроорганизмами. К сожалению, этот материал очень дорогой и находит ограниченное применение в аквариумистике. Активированный уголь также используется как фильтровальный материал для биофильтров. К сожалению, его гранулирование слишком мало. Некоторые виды активированных углей имеют удельную поверхность до 1000 м2/г, но они почти не активируемы биологически. Эта поверхность будет, если вообще будет, вовлекаться в массообмен только сорбционно. Как показывает расположенный рядом рисунок, верхний слой биологического «газона» будет активно нитрифицирующим слоем. Только во внешнем слое возможна подача кислорода внутрь бактериального «газона» с помощью диффузии. Чем глубже расположен слой, тем меньше будет обмен кислорода, так как, с одной стороны, замедляется диффузия, с другой стороны, увеличивается потребление кислорода водой. В более глубоких слоях кислород полностью потребляется и начинаются анаэробные процессы. Насколько активно протекает нитрификация под анаэробными слоями, или как на этот процесс влияют другие микроорганизмы, можно только догадываться. При оптимальных условиях под аэробным слоем происходит анаэробная денитрификация. Конечно, следует опасаться того, что это приведет к неконтролируемым процессам гниения, т. к. анаэробные бактерии предъявляют особые требования к денитрификации.
Таким образом, выясняется, почему наполнители из пластмассы дают очень хорошие биологические результаты. Их поверхностная структура заключена в микрозоны и не образует анаэробных слоев в структурах на глубине. Бактериальная флора на наполнителях из пластмассы большей частью аэробной природы, и в связи с этим процесс нитрификации протекает беспрепятственно.
Место биологического фильтрования в цикле азота

Самыми важными обитателями биофильтра являются бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter. Nitrosomonas окисляют токсичный аммиак до нитритов, в то время как Nitrobacter перерабатывают ядовитые нитриты в нитраты. Подробнее процесс описан в главе «Биологические основы». Благодаря строго аэробной среде, для этих бактерий создаются оптимальные условия. Очень важно то, что органический: азот полностью окисляется до нитратов. Нельзя этот процесс представлять таким образом, что неиспользованная порция корма немедленно бы полностью перерабатывалась. Бактерии работают медленно, но постоянно. Концентрация токсичных веществ увеличивается постепенно до критического уровня. Если функционирует биофильтр, то он может удалить ядовитые вещества посредством биологического окисления в том же количестве, и котором они поступают. Конечная ступень окисления – нитраты, которые аэробными бактериями далее не могут перерабатываться. Но большая часть водных обитателей реагирует на относительно высокую концентрацию нитратов толерантно. Так концентрация около 50 мг/л приемлема, в то время как аммиак и нитриты ядовиты уже при концентрации 1 мг/л. Если присутствие нитратов все же нежелательно, то необходима прежде всего смена воды. В морской воде флотатор способствует тому, что белковые соединения удаляются из цикла до того как они будут разлагаться далее.
Маловероятным представляется разложение нитратов бактериями в аэробных условиях.

Запуск биофильтра

Если биофильтр длительно эксплуатируется или устанавливается в аквариуме заново, возникает особенно трудная ситуация. Корм и экскременты очень быстро образуют изобилие органических веществ, которые очень быстро разлагаются до аммиака. Но в этом случае еще долго количество бактерий в фильтре будет недостаточным для того, чтобы полностью окислять аммоний. Бактерии разрастаются очень медленно и достигают максимума при большой концентрации аммиака, которая затем очень медленно снижается. Колонии Nitrobacter развивались, так как им не хватало питания. Только когда бактерии Nitrosomonas «наработают» нитраты, бактерии Nitrobacter получат базу для питания. Далее – первая фаза нитрификации, которая «производит» нитриты уже постоянно, в то время как вторая фаза, и результате которой нитриты окисляются в нитраты, только начинает активизироваться. Теперь максимум аммоний-аммиак медленно снижается, значение содержания нитритов достигает максимума. Только после продолжительного времени, когда обе культуры стабилизируются, окисление будет происходить одновременно в обеих фазах. В это время следует содержать рыб только при самом незначительном кормлении. Хорошо оправдала себя «затравка» биологически активной водой. Полное население аквариума животными должно осуществляться спустя 4 – 6 недель. Максимумы нагрузок, показанные в расположенном рядом рисунке, могут проявляться также в разной форме в аквариумах, которые только вводятся в эксплуатацию. Биологические системы характеризуются тем, что они настраиваются на относительно уравновешенные условия эксплуатации. Если из-за вне-штатной ситуации (слишком большое заселение, незамеченная смерть животного) появляется пиковая нагрузка, то они способны устранить ее, но для этого требуется определенное время. Биологические системы работают очень равномерно, но медленно! Поэтому необходимо соразмерять преимущества и недостатки биологических фильтров. При этом следует помнить, что в слишком больших фильтрах нитрифицирующие бактерии могут «голодать».

Влияние внешних факторов на эффективность биофильтров

Качество воды и жизни в фильтре находятся во взаимодействии. Поэтому не удивительно, что качество воды зависит в большей или меньшей степени от хорошего функционирования биофильтра. С другой стороны, бактериальная флора фильтра представляет определенные требования к воде для оптимальных жизненных условий.
Температура. Важным фактором является температура. Нитрифицирующие бактерии лучше всего развиваются при температуре от 20 до 30 °C. Поэтому это важное требование в обыкновенном аквариуме с теплой водой выполняется. В верхней области оптимальной температуры всегда важнее естественное снабжение кислородом, потому что граница насыщения кислородом с повышением температуры снижается. С другой стороны, при температуре 20 °С значительно уменьшается эффективность нитрификации, как это показывает рисунок внизу. Различные кривые графика представляют среды фильтра с разными, сильно обросшими материалами фильтра. Для аквариумов с холодной водой очень важно выбирать соответствующие материалы для фильтра, для того чтобы было хорошее обрастание фильтра. Различные авторы приводят очень разные результаты.
Итак, если фильтровальную систему устанавливают в холодной воде, в которой вредные вещества удаляются бактериями, то очевидно, что биологический фильтр должен быть больше, чем в теплой воде. С другой стороны, это входит в противоречие с фильтрацией, так как активность других организмов в воде снижается, а следовательно, образование органических веществ происходит медленнее.
Все же следует учитывать снижение производительности биофильтра в холодной воде для того, чтобы соответственно оценить другие факторы, такие, как биомеханическая фильтрация или флотация.
Содержание кислорода. В биологических основах мы видели, что необходимо более 3 г кислорода, чтобы окислить 1 г аммиака в нитрат. Нитрификация может происходить только в строго аэробной среде. Это должно гарантироваться конструкцией биофильтра, или скорость втекающей воды должна обеспечивать достаточное снабжение кислородом, иначе в среде фильтра будут создаваться анаэробные условия. К этому нужно добавить, что заселяют фильтр не только нитрифицирующие бактерии, а существует еще большое количество других конкурирующих бактерий. Если содержание кислорода повышается, то нитрификаторы получают возможность начать деятельность раньше, чем их конкуренты. Для биофильтра очень важно то, что нитрификаторы живут не только в прожиточном минимуме, а могут активизировать свой обмен веществ. В исследованиях, проведенных в США, показано, что при содержании кислорода от 2 мг/л происходило только 40% от максимально возможной нитрификации, в то время как при 4 мг/л достигалось 86%.
Рисунок на с. 90 внизу показывает зависимость окисления аммония до нитритов от содержания кислорода в том случае, если содержание ниже 3 мг/л, что уже очень мало. В хорошо аэрированном аквариуме значения содержания кислорода должны находиться, конечно, выше. При этом, естественно, нужно обдумать то, что содержание кислорода в биофильтре или, лучше сказать, на поверхности бактериального «газона» ниже, чем может быть в аквариуме.
Содержание органического вещества. Здесь можно «на две стороны с лошади падать». Если содержание органики слишком высокое, то биофильтр не сможет ее перерабатывать, возникают пиковые значения, особенно для аммония и нитрата. С другой стороны, бактериям тоже нужно что-то есть. Это означает, что они свою деятельность прекратят, если в течение длительного времени они будут получать очень чистую воду, которая почти не содержит органику. Если произойдет внезапный сдвиг в питании в виде резкого изменения концентрации органического вещества, то бактериям необходимо некоторое время, чтобы опять полностью активизировать обмен веществ. Следовательно, биологические фильтры не могут по мере надобности включаться и выключаться. Нагрузка должна быть по возможности равномерной как при кормлении, так и при смене воды. Биофильтр реагирует на изменения концентрации аммония: если концентрация аммония поднимается внезапно с 0,2 до 1 мг/л, снижается эффективность фильтра. Если разложение аммония составляет примерно 70%, то концентрация его будет еще безопасной и при 10-15 %. Небольшой расчетный пример делает это понятным:
70% от 0,2 мг/л = 0,14 мг/л;
14% от 1 мг/л = 0,14 мг/л.
Это означает, что бактерии перерабатывают примерно 0,2 мг/л аммония независимо от того, сколько его содержится, поэтому биофильтр для того, чтобы перестроиться, нуждается в продолжительном времени. Этот случай показывает также, работает ли он на границе своих возможностей или еще имеет резервы Если необходимо повышать производительность бактерий, то, с одной стороны следует создавать условия для интенсификации метаболизма, с другой стороны, для них нужно увеличить площадь и плотность заселения.
Если границы устанавливаются размером биофильтра, то повышенная нагрузка не сможет выровняться.
Поведение бактерий при недостатке питания. Если культура Nitrobacter длительное время содержалась без питания, то, разумеется, она еще не умирает. Бактерии снабжены специальной стратегией выживания, которая установлена с помощью электронно-микроскопических снимков. Nitrobacter winogradskii в состоянии активного обмена обладает мембранными оболочками, в которых локализованы энзимы нитритоокисления. Мембраны расположены упорядочено под стенкой бактериальной клетки. Если нитритов больше нет в окружающей среде, то клетки не умирают, а инактивируются и образуют клетки длительного срока выживания, которые остаются жизнеспособными многие годы. Инактивные клетки длительного срока Nitrobacter winogradskii имеют особенную тонкую структуру. Полярная мембранная оболочка основной клетки отсутствует. Цитоплазменная мембрана отделяется от стенки клетки и двигается внутрь клетки. Она окружает ДНК и резервные тела и, вероятно, обезвоживает клетку в состоянии покоя. При новой добавке нитрита бактерии реактивируются. При повышающейся активности цитоплазменная мембрана движется к стенке клетки и образуется мембранная оболочка. Клетки начинают расти: Таким образом природа уже решила многие проблемы, которые возникают в нашем аквариуме. С другой стороны, мы не можем представить повторную активацию всех культур как включение лампы. Итак, по-прежнему, остается важная цель – создать по возможности стабильные условия.
Объем биофильтра. На графике (с. 92) нормы разложения аммония представлены в соответствии большими биофильтрами, которые промеряны так, что время выдержки воды составляло от 3 до 12 минут.
График отчетливо показывает, что фильтр только с тремя минутами времени выдержки имеет лучшую квоту разложения. Конечно, нужно добавить, что эти значения относительны и от системы к системе могут изменяться. В аквариумистике принято, что вода в аквариуме перекачивается примерно три раза за час. В этом отношении нереально промерять биофильтр так, чтобы время выдержки составляло от 2 до 5 минут. Выражение «время выдержки» несколько дезориентирует, в особенности оно некорректно для орошаемых фильтров. Можно указывать также объем биофильтра в процентах of объема аквариума. Он соответствует тогда от 3 до 8% объема аквариума. Также нужно учитывать вид животных, заселяющих аквариум. Для аквариума с беспозвоночными, который заселен «живыми камнями», подходит биофильтр меньшего размера, чем для чисто рыбного аквариума с интенсивным кормлением. Кроме того, нужно принимать во внимание температуру. Аквариум с холодной водой нуждается в биофильтре большего размера, чем аквариум с теплой водой.
Значение pH. Интервал значений pH для воды, используемой в аквариуме, составляет от 5 до 8. Для живого существа, которое приспособлено к определенной реакции среды, это очень важный фактор. Поэтому необходимо знать, как реагирует нитрификация на указанные выше значения pH. Этому вопросу посвящено немало исследований. Но различные авторы приходят к разным выводам, – всё зависит от того, как и в каких условиях содержались культуры бактерий. Тем не менее следует считать, что наиболее интенсивно нитрификация протекает при pH 7,5 – 8,5; ниже pH 7,5 она замедляется. При pH 6,6 нитрификация составляет примерно 85 % от оптимального уровня pH от 8,4 до 9.
Внезапное снижение pH неблагоприятно отражается на бактериях, причем изменение pH от 7,2 до 6,4 переносится удовлетворительно, в то время как падение ниже 5,8 значительно ингибирует нитрификацию. Если pH повышается, бактерии отвечают на смещение pH, повышением активности. Итак, низкие значения pH хотя и замедляют обмен веществ, но не приводят к гибели микроорганизмов.
Влияние медикаментов. Медикаменты в аквариуме используются, как правило, чтобы противодействовать возбудителям болезни через воду. Естественно, что медикаменты подавляют не только возбудителей болезни, но и полезных бактерий. Следующая таблица представляет различные медикаменты и их влияние на нитрификацию. Если под влиянием некоторых медикаментов уменьшение нитрификации составляет 25%, то становится очевидным, что они подвержены фактору риска. Здесь необходимо не устанавливать отдельные цифры или концентрации, а свести дозу медикаментов к абсолютному минимуму. Приведенные в таблице данные не носят общего характера, так как каждая система по-разному отзывается на медикаменты.
Влияние минеральных веществ. Вещества, содержащиеся в воде, могут как положительно, так и отрицательно влиять на нитрификацию.
Кальций. Высокое содержание кальция важно для обмена веществ Nitrosomonas.
Магний. Высокое содержание магния очень важно для фильтрационной активности Nitrobacter в биологическом фильтре. Концентрация магния 75 мг/л уменьшает и окисление аммония и нитрита.
Сульфат. Сульфаты блокируют нитрификацию и Nitrosomonas, и Nitrobacter. Железо. Железо при концентрации 10 мг/л может замедлять превращение нитрита в нитрат, в то время как окисление аммония в нитрит до известной степени поддерживать.
Калий. Добавка калия оказывает положительное влияние на окисление аммония с помощью Nitrosomonas.
Фосфат. Добавка фосфат-ионов оказывает положительное влияние на окисление аммония посредством Nitrosomonas.
Марганец. Марганец оказывает положительное влияние на окисление аммония и нитритов.
Хлорид. Хлорид положительно влияет на окисления аммония и нитритов.
Молибден. Молибден положительно влияет на окисление аммония и нитритов.
Кобальт. Кобальт отрицательно влияет на окисление нитритов до нитратов.
Медь. Медь отрицательно влияет на окисление нитритов до нитратов.
Цинк. Концентрации цинка от 0,48 г/л оказывают отрицательное влияние на: окисление нитритов до нитратов.
Приведенные здесь высказывания в основном подтверждаются другими авторами. Итак, прежде всего фосфор и другие элементы, такие, как магний, кальций и калий, – важные вещества, которые поддерживают нитрификацию. Важным считается также показатель биологической потребности в кислороде. Соотношение 100 : 5 : 1 к которому стремятся в очистке сточных вод, в действительности не достигается. Тем не менее соединения фосфата в особенности оказываются важными для обмена веществ нитрификаторов.
Анаэробная биологическая фильтрация

Из предыдущего описания следует, что нитраты являются конечной ступенью нитрификации, то есть бактериального окисления аммония. Хотя они не являются токсичным веществом, как нитриты или аммоний, но в более высоких концентрациях может угнетать чувствительных животных. Так, в теле животного нитраты могут снова восстановиться до нитритов. Поэтому целесообразно было бы использовать анаэробные бактерии, чтобы путем денитрификации удалить нитраты из воды. Типичными представителями денитрификационной микрофлоры являются Flavobacterium, Pseudomonas aeruginosa и P. denitrificans, Thiobasillus denitrificans, Rhodopseudomonas sphaeroides, Bacillus licheniformis или Paracoccus denitrificans. Эти бактерии денитрифицируют только при отсутствии кислорода, то есть в анаэробных условиях.
Конечно, использование анаэробно работающего фильтра – неоднозначно. Как мы видели в «Биологических основах», суть денитрификации – восстановление нитратов с образованием газообразного азота, который удаляется из воды. Этот путь важнее, чем используемый но многих аквариумах цикл, в котором выращиваются растения, поглощающие нитраты.
К сожалению, процесс денитрификации не всегда происходит беспрепятственно. Существует большая опасность, что нитраты хотя и восстановятся до нитритов, но нитриты не восстановятся далее до азота. В этом случае возникает опасный источник нитритов в нашей системе. Техническая проблема при использовании нитритного фильтра состоит в том, чтобы найти источник углерода. Углерод используется бактериями как основное питательное средство, в то время как потребность в кислороде удовлетворяется за счет нитрата.
Активированный уголь не может служить в качестве углерода. В качестве питательного вещества для бактерий пригоден лишь углерод в растворенной форме.
Хороший источник углерода – метанол (метиловый спирт), но он ядовит для рыб. Проблема прежде всего в правильном дозировании. Согласно уравнению, приведенному в «Биологических основах», на восстановление 1 мг нитрата до азота необходимо 1,9 мг метанола. Эти расчеты, к сожалению, для практики мало пригодны, так как концентрация нитратов непрерывно изменяется.
Если метанола вводится немного, то денитрифицирующие бактерии не могут довести восстановление до азота.
__________________
Если тебе плюют в спину, то ТЫ идешь вперед...
Doc-tor зараз поза форумом   Відповісти з цитуванням
Користувач подякував Doc-tor за цей допис:
Петрович (04.01.2010)
Реклама