5.1. Газообмен


Для поддержания жизни животным и аэробным бактериям необходим кислород, который подается в аквариум путем аэрации. Поступление кислорода из атмосферы в воду зависит от газообмена между поверхностью воды и атмосферным воздухом, а также между поверхностью воздушных пузырьков и водой. В процессе аэрации разрушается целость водной поверхности, слой воды, бедные кислородом, выносятся на границу раздела сред вода — воздух. Поскольку содержание кислорода в воздухе выше, он по градиенту концентрации переходит в раствор.

То же самое происходит, когда распыленные в ТОЛЩе ВОДЫ Пузырьки воздуха ПОДНИмаются к поверхности. Концентрация кислорода в воздушных пузырьках выше, чем в окружающей воде, и он пу тем диффузии переходит в раствор. Эффективность по стоянной аэрации выше, чем периодической, особенно Когда распыляемые пузырьки воздуха малы. Чем мель че пузырьки, тем больше общая поверхность газооб мена,
Перемешивание поверхностных слоев позволяет удалять свободную углекислоту из раствора путем перемещения насыщенных СО, слоев на границу раздела воды и воздуха. Снижение парциального давления свободной углекислоты в растворе позволяет поддерживать ее уровень в строгом соответствии с концентрацией CO2 в атмосфере.

Устройство эрлифта
Рис. 5.1. Устройство эрлифта

Эрлифт. Перемешивание поверхностных слоев воды и насыщение ее пузырьками воздуха осуществляются с помощью эрлифта. Основной частью эрлифтного насоса (или просто эрлифта) является вертикальная труба, ко торую называют подъемной. Нижняя часть трубы выводится под плату биологического фильтра. Наибольший дефицит кислорода ощущается под фильтровальной пла той, поскольку там собирается вода, прошедшая через гравийный слой, населенный многочисленными аэроб ны ми бактериями. Свободный конец подъемной трубы проходит через толщу воды и несколько возвышается над ее поверхностью (рис. 5.1).
Эрлифт — наиболее надежное устройство для про пускания воды через биологический фильтр. Преимущества эрлифта перед механическим насосом состоят в более низкой стоимости, легкости обслуживания (отсутствуют движущиеся части), простоте установки, портативности, эрлифт не забивается илом, просто устроен, он гораздо эффективнее центробежного насоса при ра боте в глубокопогруженном состоянии, наконец, на эр лифте легко отрегулировать расход воды. Кроме того, эрлифт имеет МНОГОЦелевое назначение.
Принцип работы эрлифта изложен ниже. Уровни воды внутри и снаружи погруженной вертикально в воду подъемной трубы выравниваются. Подаваемый в нижний конец трубы воздух поднимается в виде многочис ленных пузырьков. Смешиваясь с водой, они образуют

Водовоздушную смесь, которая, естественно, легче воды. Водовоздушная смесь внутри трубы легче воды снару жи, следовательно, равновесие нарушается, и тяжелые порции воды из-под фильтра поступают в нижний конец трубы эрлифта. До тех пор пока пропускается воздух, равновесия не наступает, и водовоздушная смесь выли вается через верхний конец трубы.
Главный фактор, влияющий на эффективность работы эрлифта, — степень погружения подъемной трубы: с уменьшением глубины погружения расход воздуха возрастает. Максимальная эффективность достигается при 100 %-ном погружении, т. е. когда верхний конец подъемной трубы находится под водой. Минимально допустимая степень погружения эрлифта 80%. Глубину погружения подводной части трубы легко рассчитать (рис. 5.2). Если расстояние от места воздухоподачи доводовытока (3— 1) равно 50 см, а общая высота подъема воды (2—1) — 10 см, то

 

(50 – 10 )/50 = 80 %. (8)


Расход воды в эрлифте, рассчитанный по уравнению (10), как функция длины и диаметра подъемной трубы при трех степенях погружения эрлифта приведен в табл. 5.1.
Как правило, при увеличении диаметра Подъемной трубы вдвое ее общая производительность
возрастает в 5,6 раза.
Если объем подаваемого воздуха превышает производительность эрлифта, эффективность его работы снижается.
Об этом свидетельствует булькающий звук, издаваемый выходящим из эрлифта воздухом. Устранить эти неполадки можно, уменьшив подачу воздуха из компрессора. Вода из эрлифта должна вы-

Принцип работы эрлифта

Рис. 5.2. Принцип работы эрлифта
89
Таблица 5.1. Расход воды (в л/мин), рассчитанный по уравнению (10), как функция длины и диаметра эрлифта при трех степенях погружения

Расход воды (в л/мин), рассчитанный по уравнению (10), как функция длины и диаметра эрлифта при трех степенях погружения

 

 Эрлифт с Центральной (а, б) и боковой подачей воздуха 
Рис. 5.3. Эрлифт с Центральной (а, б) и боковой подачей воздуха (в, ?)
ной подачей воздуха (воздухоподающий шланг распо ложен внутри подъемной трубы эрлифта) и с боковой подачей воздуха (воздухоподающий шланг находится вне трубы эрлифта). Обе схемы пригодны для различных условий работы. На рис. 5.3 представлено по два варианта каждого типа.
Несмотря на многочисленные исследования работы эрлифтов, приемлемое уравнение, связывающее основные переменные, до сих пор не разработано. Тем не ме нее необходимая информация в большинстве случаев до ступна. Кастро и др. (Castro et al., 1975) выполнили расчеты для эрлифтов небольшой длины и малого диа метра. Немет (Nemet, 1961) вывел уравнение для рас чета эрлифтов, основываясь на характеристиках большого числа устройств разной длины, диаметра нстеле ни погружения. Применительно к аэршрующим эрлифтам уравнение Немета можно представить в следующем виде:
Q= (0,5045322 [13 — 0,0752) D52, Где — максимальный расход воды при оптимальной воздухово даче, л/мин; S — степень погружения эрлифта (отношение погруженной части эрлифта к общей длине подъемной трубы); L — дли - на подъемной трубы эртнфта, см; D— диаметр подъемной трубы, см.
 
Кастро (Castro, 1976) получил около 140 груп данных для разных диапазонов L, S и D, природных для расчетов эрлифтов в рыбоводых системах. Иглтон (Eagleton, 1978) Подставил данные Кастро в уравнение Немета (Nemet, 1961). Зависимость расхода воды от диаметра, по данным Кастро, оказывается более точной, есл? показатель степени у бравен 2,2, а не 2,5, как у Немета. Уравнение (10), построенное на основе линей ной регрессии, довольно точно соответствует данным Кастро, хотя не исключена возможность составления и более правильного уравнения.

Данные Кастро (Castro, 1976; Castro et al., 1975), использованные для составления уравнения (10), отно сились к эрлифтам диаметром 1,7—7,8 см, длиной 60 300 см и степенью погружения 60—100%.
Параметры эрлифтов, полученные Кастро, представ ляют больший интерес для аквариумистов, так как не мет использовал данные из разных источников, в том числе характеристики эрлифтов, применяемых для до бычи нефти из скважин. Если расчеты, приведенные в табл. 5,1, повторить с использованием уравнения (9), обнаружится, что расход воды, рассчитанный по Немету, для эрлифтов диаметром 1—2 см, будет меньше, а для систем диаметром 6—8 см больше, чем при расчетах по формуле Кастро. Для эрлифтов диаметром 3— 4 см расчеты расхода воды по обоим уравнениям совладают. При использовании уравнения (10) рекомендуется предусмотреть 25 %-ный запас (Eagleton, 1978), Иными словами, параметры эрлифта (длина, степень погружения) следует выбирать таким образом, чтобы рас считанный расход воды превышал требуемый на 25%. Этот запас служит для поддержания оптимального рас хода воды, а также обеспечивает устойчивую работу эрлифта при максимальном расходе как у нижнего, так и у верхнего концов подъемной трубы. Ниже приведен пример расчета эрлифта.
Рассчитать параметры эрлифта для аквариума глубиной 90 см н площадью поверхности 3 м.
1. Определим норму расхода воды с учетом того, что на каждый квадратный метр поверхности требуется 40 л/мин (что соответствует 0,7-10-3 м/с). Отсюда 3,0 м2. 40 1 см2. мин) = 120 л/мин+ 25% = 150 л/мин
2. Выберем степень погружения эрлифта (например, 0,9). По табл. 5. І находим диаметр трубы эрлифта, который сможет обеспечить найденный выше расход воды. Поскольку S = 0,9, а сравно отношению глубины к степени погружения, т. е. 90/0,9 = 100 см, D=6 см. Диаметр эрлифта можно определить непосредственно нз уравнения (10), но обычно в этом нет необходимости.
150
11/2,2
=6,0. (11) | 0,758 (0,9) 15 (90) +0,01 196 |
3. Рассчитываем отношение длины трубы к ее диаметру (100/6 = =17). С помощью номограммы (рис. 5.4) находим объемное отно шение (вода воздух) для погруженного на 90% эрлифта.
4. Поскольку объем воды (ино) равен 150 л, а 0,38 а vно и воздуха, то объем подаваемого воздуха воздуха = 150/0,38 = — 400 л/мин.
Растворимость кислорода. Парциальное давление га за в атмосферном воздухе прямо пропорционально занимаемому им объему. В воде зависимость между объемом газа в растворе него парциальным давлением определяется его растворимостью, т. е. способностью взаимодействовать с водой. кислород обладает средней растворимостью: он примерно в 28 раз менее растворим, чем CO., и в 2 раза более, чем азот.
Более всего на растворимость кислорода влияют температура воды и ее соленость. Температура воды и рас

 


Рис. 5.4. Номограмма для определения нормального расхода воздуха

1,0 дугаю зависимости отношения длины к диаметру Подъемной трубы от отношения расхода воды к

растворимость кислорода связаны обратной зависимостью. По мере возрастания температуры способность воды удерживать кислород снижается (см. табл. 9.4). Растворимость кислорода и соленость находятся также в об ратной зависимости. Увеличение солености ведет к уменьшению содержания растворенного в воде кислорода, поэтому при одинаковых температуре и объеме в морской воде содержится меньше кислорода, чем в пресной (см. табл. 9.4).
Расход воды или объем воды, циркулирующей в аквариуме, определяется работой эрлифта. Постоянный расход воды 0,7-10-3 м/с поддерживает уровень кисло рода в пределах насыщения при любых температурах и предотвращает возможность возникновения дефицита кислорода. Поддержание оптимального расхода воды особенно важно в тепловодных системах, где животные часто более требовательны к кислороду. Ситуация осложняется тем, что при повышенных температурах кис пород хуже растворяется. Следует помнить, что фильтровальный слой оказывает значительное влияние на БПК и конкурирует с животными за кислород.