Как насытить воду кислородом в домашних условиях

Насыщение воды кислородом

Доступность растворенного кислорода (РК) обычно является главным фактором, который ограничивает возможность увеличения плотности посадки в замкнутой системе водоснабжения. Измерение его концентрации проводится различными методами (подробнее). Использование только аэрации для обеспечения кислорода позволяет поддерживать плотность посадки 40 кг/м 3 . Однако внесение чистого кислорода с помощью оборудования эффективной подачи газа повышает плотность посадки до 120 кг/м 3 . В расчет берется разница концентрации растворенного кислорода на входе емкости культивирования (10 мг/л при аэрации или 18 мг/л подача чистого кислорода) и на выходе системы. Например, при концентрации растворенного кислорода на выходе 6 мг/л для дыхания рыбы доступно лишь 4 мг/л при аэрации (10 мг/л — 6 мг/л) и 12 мг/л при подачи чистого кислорода (18 мг/л — 6 мг/л). Таким образом, плотность посадки может возрасти с 40 кг/м 3 до 120 кг/м 3 . Интересно, что концентрация побочных продуктов (твердого осадка) при возрастании плотности зарыбления также возрастает. Поэтому необходимо более эффективное их удаление, например, использование микросетчатого фильтра.

Запросы водных организмов в отношении концентрации кислорода зависят от многочисленных факторов, включающих плотность посадки, количества вносимого корма, уровня стресса, температуры воды и ряда других. Холодноводные виды нуждаются в 0,3-0,5 кг кислорода на 1 кг корма. При высоких температурах и наличии кислородного запроса со стороны биофильтра и других бактерий потребность в кислороде возрастает до 1 кг кислорода на 1 кг корма. Минимальные значения растворенного кислорода зависят также от потребностей конкретного вида рыб и условий выращивания. Тилапия может выживать при таких уровнях растворенного кислорода, при которых радужная форель или лосось погибают в течение считанных минут. Стоит отметить, что концентрация O₂ менее 4-6 мг/л снижает ростовые показатели.

Плотность посадки можно повысить путем повышения количеств вносимого корма, когда решена проблема с доступностью кислорода и снижены такие лимитирующие факторы, как общий уровень азотсодержащих продуктов, CO₂, объем емкости культивирования. Повышение плотности зарыбления должно быть экономически оправдано.

Таким образом, концентрация растворенного кислорода является одним из наиболее существенных лимитирующих факторов, определяющих количество выращиваемой рыбы.

Тем не менее, интенсификация снабжения воды чистым кислородом, равно как и аэрация, ограничена, потому что на каждые 10 мг/л потребляемого O₂ образуется 1,0-1,4 мг/л TAN (общий уровень азота), 13-14 мг/л CO₂ и 10-20 мг/л твердых частиц в осадке. При потреблении кислорода системой более 10-22 мг/л (в зависимости от щелочности, pH, температуры, видов рыб) лимитирующим фактором становится концентрация растворенного углекислого газа (без снятия и контроля pH).

Аэрация атмосферным воздухом (слева) и оксигенация кислородной смесью (справа).

Перенос газов

Аэрация — процесс контакта газов с водой.

Когда воздух контактирует с водой, растворенные газы в воде достигают равновесной фазы, согласно парциальному давлению газов в атмосфере. На растворение газов влияют два фактора, площадь поверхности раздела сред «воздух-вода» и разница парциальных давлений (концентраций) газов при насыщении и в воде. Например, если вода не насыщена газом, последний будет растворяться. В противном случае, при сверхнасыщении воды, газ начнет покидать воду. В простейшей капельной колонне можно удалять из воды сверхнасыщенный азот, тогда как кислород, не достигший этого состояния, напротив, начинает растворяться. Скорость переноса газов зависит от дефицита (или избытка) их в растворе. Она пропорциональна константе, известной как коэффициент переноса газа. Общий коэффициент переноса газа определяется условиями, созданными с конкретной системе подачи газа. Это составной показатель, включающий такие факторы, как коэффициент диффузии газов, толщина жидкостной пленки и площадь поверхности раздела фаз «воздух-вода». Озвученные факторы также обозначают пути для повышения общего количества переносимого газа. Например, можно уменьшить толщину жидкостной пленки за счет перемешивания и создания турбулентных потоков; путем уменьшения размера пузырьков, повысить площадь поверхности раздела фаз «воздух-вода»; либо увеличить концентрационный градиент.

Концентрационный градиент можно повысить путем введения чистого кислорода, установкой систем повышенного давления, сдерживанием парциального давления газа в атмосфере от резких изменений при его протекании по системе переноса (увеличением площади поверхности раздела фаз).

Чистый кислород контактирует с водой, где достигает сверхнасыщенного состояния. При этом из раствора уходит незначительная доля азота. В условиях обычной аэрации плотность посадки остается относительно низкой (менее 40 кг/м 3 ), но обеспечивается контакт воды с атмосферным воздухом, что предотвращает накопление токсических концентраций углекислого газа.

Кислородная смесь в 5 раз повышает растворимость кислорода в воде по сравнению с аэрацией обычным воздухом (48,1 мг/л против 10,1 мг/л при 15 °C). Возрастание давления с 1 до 2 атмосфер приводит к возрастанию растворимости кислорода в два раза (97 мг/л против 48 мг/л при 15 °C).

В рыбоводстве чаще всего используется три источника кислорода: кислородная смесь под высоким давлением, сжиженный кислород и генерация кислорода на месте. Для гарантированного присутствия кислорода во многих хозяйствах предусмотрено, по крайней мере, два источника его получения. Кислородная смесь под высоким давлением, содержит от 3 до 7 м 3 газа под давлением 170 атмосфер. С целью повышения емкости можно соединить вместе несколько баллонов. Вследствие своей дороговизны и ограниченной вместимости, кислородные баллоны используются только в качестве запасного средства, на крайний случай.

Также кислород можно генерировать на месте, используя адсорбцию с перепадом давления (PSA – “Pressure Swing Adsorption”) или вакуумное адсорбционное разделение (VSA – “Vacuum swing Adsorption”). В обоих случаях для избирательной адсорбции или абсорбции азота из воздуха для продукции смеси, обогащенной кислородом, используется молекулярный микрофильтр. На рынке представлены модели, производительностью 0,5-14 кг кислорода в час при 0,7-3,3 атмосферах. Для продукции смеси, содержащей 85-95% кислорода, требуется источник сухого, отфильтрованного воздуха, подаваемого под давлением 6,0-10,0 атмосфер. PSA и VSA операционные единицы функционируют периодически и включаются только по необходимости. Они очень надежны и не требуют большого ухода. Тем не менее, данное оборудование очень дорого стоит, равно и как его работа, что связано с необходимостью подачи воздуха под высоким давлением. Кроме того, так как для своей работы PSA и VSA единицы нуждаются в электричестве (1,1 кВт на 1 кг O₂), на случай его отключения необходим запасной источник чистого кислорода.

Очень часто существует возможность получить жидкий кислород 98-99% чистоты, который может транспортироваться и храниться в контейнерах типа сосуда Дьюара. При 1 атмосфере жидкий кислород вскипает при -182.96°C, поэтому требуется специальный криогенный контейнер для хранения. Он может варьировать в размерах от 0,11 м 3 до 38 м 3 , и обычно арендуется или поступает в лизинг от поставщиков, хотя небольшие емкости могут продаваться. Четыре с половиной литра жидкого кислорода эквивалентно 3,26 м 3 газообразного кислорода. Максимальное давление в контейнере варьирует от 8,775 до 11,7 атмосфер. Перед использованием жидкий кислород испаряется непосредственно через теплообменники. Система хранения жидкого кислорода состоит из емкости для хранения, теплообменника-газификатора и регулятора давления. Использование данного оборудования зависит от транспортных расходов, и снижает затраты на поддержание и покупку PSA систем. Оборудование для хранения и подачи жидкого кислорода очень надежно и работает даже при отключении электричества. Проблемы наблюдаются при его использовании в качестве запасного варианта на случай отключения электричества, когда хранимого объема газа оказывается недостаточно. Необходимо внимательно отнестись к возможным рискам и подбирать контейнеры достаточного объема. Кислорода должно быть достаточно, по крайней мере, на 30 дней эксплуатации. При первых признаках ухудшения погодных условий и использовании сжиженной смеси благоразумно снизить количество вносимого корма, что уменьшит кислородные запросы рыб в течение следующих 24 часов.

Оборудование для оксигенации

В непрерывной жидкой фазе (пузырьки в воде): U-образные трубы, кислородные конусы (насыщение в нисходящем водном потоке), кислородный аспиратор, распылители.

Для переноса кислорода используются непрерывная газовая фаза (вода капает в воздухе): многоуровневые низконапорные оксигенаторы, упакованные или распыляющие колонны, колонны под давлением, закрытые механические поверхностные смесители.

Многоуровневые низконапорные оксигенаторы используются чаще всего, потому что они приспособлены для высокоскоростного потока с минимальным гидростатическим напором. Традиционный низконапорный оксигенатор был разработан Воттеном в 1989 году. В настоящее время созданы разнообразные схемы данного устройства, которые, однако, имеют один принцип работы. Оксигенатор состоит из распределительной пластины, находящейся над несколькими (5-10) прямоугольными камерами. Вода течет через заградительные пластины до конца канала, либо с помощью помпы направляется вверх от емкости с рыбой, через распределительную пластину, а затем падает через прямоугольные камеры. Камеры обеспечивают поверхность на границе раздела фаз, необходимую для смешивания и переноса газа. Нисходящий поток собирается на дне каждой камеры и покидает их. Весь чистый кислород вводится во внешнюю или первую прямоугольную камеру. Смесь газов в первой камере постепенно распространяется по всем камерам. При прохождении от камеры в камеру газовая смесь постепенно теряет кислород, который растворяется в воде. Наконец, остатки смеси покидают последнюю камеру. Каждая из прямоугольных камер газопроницаема. Отверстия между ними сделаны таким образом, чтобы препятствовать обратному смешиванию воды.

Многоуровневые низконапорные оксигенаторы. Справа конструкция с коническим дном.

Аэратор для аквариума: что это такое и его виды

Аквариумные рыбки, как и все живые существа на планете, не могут жить без воздуха. В естественной водной среде часть кислорода вырабатывается многочисленными растениями, волнами, течением и ветрами, однако в замкнутой системе домашнего резервуара таким способом кислород невозможно. Поэтому аэрация аквариума – важнейшее обстоятельство комфортной жизни жителей искусственного водоема.

Что такое аэрация и ее польза

Аэрация в аквариуме – это насыщение воды кислородом при помощи непрерывного движения жидкости. Во время работы аквариумного аэратора воздух из атмосферы проникает внутрь водной среды, разделяясь на крохотные пузыри, наполняя жидкость O2. В дикой природе обогащение воды кислородом происходит из-за ветров, подводных течений и растений, однако в домашних условиях такой процесс невозможен из-за замкнутого пространства. Воду в искусственном водоеме можно частично обогатить воздухом при помощи высадки живой растительности, но главным источником кислорода остается аэрация воды в аквариуме.

Новички в области аквариумистики, не зная тонкостей организации искусственных водоемов, часто не понимают, нужен ли им аэратор для аквариума, и для чего нужна аэрация. Как уже говорилось ранее, в мире не существует таких рыб, которым не нужен растворенный O2. Есть отдельные представители – лабиринтовые фенотипы, которые способны заглатывать атмосферный воздух с поверхности, однако они представлены малой частью аквариумных рыбок. Большинству же жизненно необходим кислород, поэтому для рыбок подача воздуха в аквариум обязательна. Что касается искусственных водоемов с растениями, то живые виды флоры также способны обеспечить подачу кислорода в аквариум, но для этого подводной зелени должно быть очень много. Кроме этого, в ночное время суток зеленые цвета активно поглощают кислород, заставляя рыбок «голодать», что вредно для здоровья питомцев. Поэтому на помощь аквариумистам, размышляющим о том, как насытить воду кислородом, приходят специальные устройства: аэраторы, распылители, помпы и другие приборы.

Способы аэрации воды

Насыщение воздуха кислородом можно обеспечить тремя разными способами, каждый из которых обладает своими плюсами и минусами. Это:

• природный метод;
• искусственный способ;
• кратковременная аэрация подручными средствами.

Природный метод

Естественный метод подачи в аквариум кислорода состоит в заселении улиток или посадке большого количества растительности. Как известно многим, зеленые цветы вырабатывают кислород в аквариуме, но для этого необходимо множество зелени.

Улитки, живущие в резервуаре, служат индикатором кислорода в аквариуме – при малом количестве они переползают на стенки или листики флоры. Если показатели в норме, то улитки располагаются на дне или камешках.

Искусственный способ

Искусственный способ заключается в использовании специальных устройств, которые поставляют воздух в аквариум. К ним относятся:

• Компрессор – при помощи компрессора жидкость обогащается O2. Устройство извергает пузыри, которые и производят аэрирование. Прибор должен работать постоянно, не прекращая труд и днем, и ночью, так как в темное время суток кислорода особенно не хватает рыбкам и малькам.
• Распылители – находятся в составе аэрационного компрессора. Устанавливать оборудование рекомендуется на грунт, где воздух будут равномерно поступать во все места водоема.
• Грунтовые фильтры – принцип работы схож с компрессором. Фильтр требуется установить на грунте, где прибор создает течение, способствующее передвижению жидкости.
• Помпы – пропускное устройство для подачи воздуха в резервуар, оснащенное фильтрацией и каналами.

Аэрация без электричества

Часто бывают такие случаи, когда возможности использовать приборы, работающие от электричества, нет: например, при транспортировке рыбок. Однако малькам и взрослым особям все равно необходим воздух, и тогда владельцы используют проверенные подручные средства, способные на короткое время поддержать уровень кислорода. Это:

• Кислородные таблетки – изобретение мгновенно увеличить количество воздуха. При использовании следует соблюдать дозировку, поскольку перенасыщение может вызвать отравление питомцев. Кислородные таблетки растворяют в жидкости, в одной штучке содержится 30 мг O2.
• Оксидаторы – производят воздух благодаря реакции, которая возникает при соединении перекиси водорода и катализатора.
• Ручной компрессор – можно соорудить своими руками из резинового мячика. Воздух при нажатии на мяч запускают внутрь, и контролируют подачу самостоятельно.
• Озонирование – интересный метод, при котором вместо кислорода в жидкость поступает озон. Способ безопасен и часто используется в нерестовиках, обязательным условием является применение в емкости, из которых предварительно удаляют рыбок.

Что влияет на количество воздуха в воде?

На насыщенность воздуха в резервуаре влияют следующие моменты:

• Температурный режим – в горячей воде численность газов всегда ниже, чем в холодной. Кроме этого, для высокой температуры характерен ускоренный метаболизм, когда организмы поглощают больше O2, чем обычно.
• Живая растительность – подводные виды флоры активно выделяют O2, но при этом зелень забирает значительную часть ночью.
• Перенаселение – при заселении большого количества рыбок в маленький водоем происходит нехватка O2.
• Аэробные бактерии, населяющие субстрат, при отсутствии чистоты и излишке грязи инициируются, и начинают размножаться, вызывая недостаток воздуха.

Как узнать количество воздуха в водоеме?

У обогащенного кислородом аквариума имеются свои острые грани и нюансы, о которых обязательно следует знать. В первую очередь, если в искусственном водоеме не хватает O2, то об этом подскажет поведение рыбок. Питомцы начинают вести себя следующим образом:

• подплывают к водной глади;
• заглатывают атмосферный воздух;
• совершают жевательные движения ртом.

При выявлении такого поведения, следует непременно проверить насыщенность кислорода в воде, иначе ситуация завершится печально. Чтобы избежать гибели питомцы, следует придерживаться следующих правил:

• контроль количества рыбок в водоеме;
• баланс между зеленью и жителями в резервуаре;
• установка аэрационных приборов.

Однако не только нехватка O2 в аквариуме может послужить причиной гибели рыб – переизбыток кислорода тоже опасен. При передозировке питомцы заболевают газовой эмболией, что приводит к смерти. Чтобы избежать печальных последствий, показатели воздуха, растворенного в жидкости, регулярно проверяют. Узнать количество O2 при помощи специализированных тестов и приборов, продаваемых в магазинах аквариумистики. Поддержание баланса в водной среде проводят путем подмены воды каждую неделю, обновляя 25% объема.

Каждому владельцу рыбок следует знать норму кислорода в воде – 5–6 мг/л. Допускаются незначительные отклонения, но сильные колебания могут быть опасными для здоровья питомцев.

Аэрация в искусственных водоемах поможет создать пригодные условия для жизни рыбок, а также способствует подержанию биологического баланса среды. Аквариум, в котором показатели кислорода находятся в норме, станет благоприятным и безопасным домом для многих подводных жителей.

Видео про аэрацию в аквариуме

Получение воды, насыщенной кислородом (спортивная вода)

Известно, что вода, насыщенная кислородом, способствует усилению процессов обмена веществ в организме. Приём такой воды снимает усталость, повышает работоспособность. Применение кислородной воды спортсменами повышает выносливость, положительно влияет на спортивные результаты.

Обычная технология получения насыщенной кислородом воды достаточно сложная. Приготовленная вода разливается в бутыли и доставляется потребителям. Нами на базе генераторов холодной плазмы серии «Пилимин» создана технология получения воды, насыщенной кислородом и его активными формами, непосредственно у потребителя. Концентрация растворённого кислорода от 9 до 70 мг/л в зависимости конкретных условий производства. Воду можно пить непосредственно из выходной трубки установки, либо заливать в ёмкости разного объёма. В закрытых бутылях вода сохраняет повышенное содержание кислорода не менее месяца, хотя лучше всего использовать воду в течение суток.

Обработанная вода, кроме молекулярного кислорода, содержит его активные формы, что улучшает усвоение кислорода организмом. В насыщенной кислородом воде полезно купаться, так как дыхание через кожу играет важную роль. Предполагается производство воды, насыщенной кислородом, на месте её потребления (в спортивном комплексе) с помощью приборов серии «Пилимин».

Источником воды является водопровод. Водопроводная вода, получаемая очисткой речной на городских станциях водоподготовки, по своему составу наиболее благоприятна для жителей данной местности. Используемая нами технология очистки и обеззараживания воды, её насыщения кислородом, является природной. Она основана на природных материалах и процессах, аналогичных атмосферным. Солевой состав воды полностью сохраняется.

Рассмотрим механизм получения оксигенизированной

(оксигенированной, кислородной) воды. В обычной воде на воздухе

концентрация растворённого кислорода составляет при комнатной

температуре 5 – 7 мг/л. В приборах Пилимин вода смешивается с газом, высасываемым из разрядной камеры, в соотношении 1:1 и насыщается кислородом до предела его растворимости при данной температуре и парциальном давлении. На воздухе и при комнатной температуре предельная концентрация кислорода в воде составит 9 мг/л. При температуре воды 3 – 5 °С предельная концентрация растворённого кислорода составит 12 – 14 мг/л. При работе на воздухе (парциальное давление кислорода 0,21 атм) мы получаем концентрацию растворённого кислорода, определяемую температурой воды. Т.е. летом при температуре воды около 20 °С получаем 9 мг/л, а зимой при температуре воды 3 – 5 °С, получим 12 – 14 мг/л.

Если подавать в камеру генератора чистый кислород и его парциальное давление будет 1 атм, т.е. в 5 раз больше, то получим концентрацию растворённого кислорода также в 5 раз больше, т.е. летом порядка 45 мг/л, а зимой 60 – 70 мг/л. Для обеспечения режима предельного насыщения кислородом, его расход составит 5 – 10 л/ч.

Здесь приводились данные только по молекулярному кислороду, роль которого для дыхания невелика, поскольку кислород человек получает из воздуха. Наибольший интерес представляют активные формы кислорода, которые стимулируют усвоение кислорода клетками. Известно, что человек может погибнуть от удушья даже в том случае, если ему дали кислородную подушку. И только активные формы кислорода могут его в этом случае спасти.

Кислородная вода производится на заводах, удалённых от потребителя. В частности, вода ОКСИ производится в Краснодаре. Доставка в крупные города занимает много времени. За это время концентрация кислорода сильно падает. Согласно данных авторов воды ОКСИ [15], сразу после изготовления она содержит кислорода от 29 до 34 мг/л, а через 30 дней остаётся от 8 до 16 мг/л. Столько же кислорода содержит вода Пилимин сразу после приготовления и в течение первых суток даже при обработке воды на воздухе при парциальном давлении кислорода 0,21 атм. Содержание активных форм кислорода в воде ОКСИ падает намного быстрее. Поэтому свежеприготовленная вода Пилимин намного полезнее и эффективнее, чем привозная. Устройств, позволяющих получать кислородную воду на месте потребления, кроме приборов Пилимин, нет.

«Кислородный коктейль», получаемый путём введения в воду кислорода из баллона, отличается от кислородной воды, получаемой прибором Пилимин, так как при введении кислорода из баллона газообразный кислород мгновенно улетучивается из воды. Вода вспенивается, оказавшись в стакане с открытой поверхностью. Для удержания пены в воду добавляется яичный белок. В «кислородном коктейле» совсем нет активных форм кислорода, которые в кислородной воде играют решающую роль.

Растворённый кислород, насыщающий воду при обычных технологиях (кислородный коктейль), вводится за счёт повышенного давления. Такая вода, наливаемая в стакан, пенится, и кислород быстро улетучивается. В нашей технологии растворённый кислород улетучивается из стакана медленно. Физические основы такого явления будут рассмотрены далее.

Спортсмены, один раз попробовавшие воду Пилимин, сразу оценивают её свойства, и стараются пить только её. Примеры размещения приборов Пилимин представлены на рисунке 9.

Рисунок 9. Размещение прибора Пилимин: а) в спортивном комплексе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова; б) в общежитии УПИ, г. Нижний

Источники:

http://aquavitro.org/2013/06/17/nasyshhenie-vody-kislorodom/

http://moj-akvarium.ru/obustrojstvo-akvariuma/aerator-dlya-akvariuma

http://scicenter.online/ochischenie-vodyi-scicenter/poluchenie-vodyi-nasyischennoy-kislorodom-163867.html