Суды тазалау технологиясы: белок ағытқыштары

Кіріспе

Суды тазарту технологиясы

Протеинді скиммер немесе көбік фракционері – судан тамақ қалдықтары және басқа да органикалық қосылыстарды (қалдық бөлшектері сияқты) алып тастауға арналған құрылғы. Ол көбінесе қалалық су тазарту станциялары, қоғамдық аквариумдар және балық шаруашылығы объектілері сияқты коммерциялық мақсатта қолданылады. Шағын протеин скиммерлер үй аквариумдарының тұзды суын, тіпті тұщы су аквариумдарын және тоғандарды тазалау үшін де пайдаланылады.

Функция

Белсенділерді майсыздандыру (протеин скимдерлеу) тағамдық бөлшектер мен балық қалдықтарында кездесетін ақуыздар мен аминқышқылдары сияқты белгілі бір органикалық қосылыстарды, ақуыздың өзінің полярлығын пайдаланып жояды. Судағы белоктар өздерінің ішкі зарядына байланысты ауа-су интерфейсімен тартылады немесе тебіледі, ал бұл молекулалар гидрофобты (майлар немесе майлар сияқты) немесе гидрофильді (тұз, қант, аммиак, көптеген аминқышқылдары және көптеген бейорганикалық қосылыстар сияқты) деп сипатталады. Дегенмен, кейбір ірі органикалық молекулалар гидрофобты және гидрофильді бөліктерге ие болуы мүмкін. Мұндай молекулалар амфипатиялық немесе амфифилді деп аталады. Коммерциялық протеин скимдерлер үлкен ауа-су интерфейсін құру арқылы жұмыс істейді, әсіресе су бағанына көптеген көпіршіктерді енгізу арқылы. Әдетте, көпіршіктер неғұрлым кішкентай болса, протеин скимдерлеу соғұрлым тиімді болады, себебі бірдей көлемді алып жатқан кішкентай көпіршіктердің беті ауданы үлкен көпіршіктердікінен әлдеқайда артық. Кішкентай көпіршіктердің көп саны гидрофобты органикалық және амфипатиялық органикалық молекулалардың көпіршік бетінде (ауа-су интерфейсінде) жиналуы үшін үлкен ауа-су интерфейсін ұсынады. Судың қозғалысы органикалық молекулалардың диффузиясын жеделдетеді, бұл оларды ауа-су интерфейсіне жақындатып, ауа көпіршіктерінің бетінде жиналуына мүмкіндік береді. Бұл процесс интерфейс қаныққанша жалғасады, егер көпіршік судан алынып тасталмаса немесе жарылмаса, онда жиналған молекулалар су бағанына қайта оралады. Алайда, қаныққан ауа көпіршігін органикалық молекулаларға одан әрі ұсынса, өзгерістер бола беруі мүмкін екенін ескеру маңызды, себебі күшті байланысатын қосылыстар интерфейсте жиналған әлсіз байланысы бар молекулаларды ығыстыра алады. Кейбір аквариумдар байланыс уақытын (немесе кейде «тұру уақыты» деп аталатын) арттыру әрқашан жақсы деп санайды, бірақ көпіршіктер мен аквариум суы арасындағы байланыс уақытын арттыру әрқашан жақсы деген тұжырым дұрыс емес. Протеин скимдер су бағанының жоғарғы жағына жақындағанда, көпіршіктер тығыздалып, су ағына бастайды, соның салдарынан органикалық молекулаларды скимнат жинау ыдысына немесе бөлек қалдық жинағышқа жеткізетін көбік пайда болады, ал органикалық молекулалар және оларға байланысқан бейорганикалық молекулалар су жүйесінен шығарылады. Скимдерлеу арқылы алынған белоктардан басқа, әдетте тағы да бірқатар органикалық және бейорганикалық молекулалар жойылады. Оларға майлар, май қышқылдары, көмірсулар, мыс сияқты металдар және йод сияқты микроэлементтер жатады. Бөлшектер, фитопланктон, бактериялар және детрит те алынады, бұл кейбір аквариумдар үшін қажетті, және көбінесе скимдерді басқа сүзгілеу түрлерінен бұрын орналастыру арқылы күшейтіледі, бұл сүзгілеу жүйесінің жалпы жүктемесін азайтады. Скимдермен шығарылатын экспорттық өнімдердің егжей-тегжейлі тізімін қамтитын кемінде бір жарияланған зерттеу бар. Дегенмен, сүзгілеумен қоректенетін омыртқалыларды ұстайтын аквариумдар кейде осы бөлшектерді суда қалдырып, табиғи тамақ ретінде пайдалануды жөн көреді. Протеин скимдерлері балдырлар мен фитопланктонды өсіру үшін қолданылады, олардың тірі мәдениет ретінде сатуға немесе коммерциялық пайдалануға мүмкіндік беретіндей жайлылығын сақтайды. Суды сүзгілеудің баламалы түрлері, соның ішінде балдырларды тазалау, жақында қолданысқа енді, бұл тағамдық бөлшектерді маржан мен шағын балықтар тұтынуы үшін суда қалдырады, бірақ аммиак, нитрит, нитрат және фосфат сияқты зиянды қосылыстарды жояды, оларды протеин скимдерлері жоя алмайды.

Protein skimming removes certain organic compounds, including proteins and amino acids found in food particles and fish waste, by using the polarity of the protein itself. Due to their intrinsic charge, water borne proteins are either repelled or attracted by the air/water interface and these molecules can be described as hydrophobic (such as fats or oils) or hydrophilic (such as salt, sugar, ammonia, most amino acids, and most inorganic compounds). However, some larger organic molecules can have both hydrophobic and hydrophilic portions. These molecules are called amphipathic or amphiphilic. Commercial protein skimmers work by generating a large air/water interface, specifically by injecting large numbers of bubbles into the water column. In general, the smaller the bubbles the more effective the protein skimming is because the surface area of small bubbles occupying the same volume is much greater than the same volume of larger bubbles. Large numbers of small bubbles present an enormous air/water interface for hydrophobic organic molecules and amphipathic organic molecules to collect on the bubble surface (the air/water interface). Water movement hastens diffusion of organic molecules, which effectively brings more organic molecules to the air/water interface and lets the organic molecules accumulate on the surface of the air bubbles. This process continues until the interface is saturated, unless the bubble is removed from the water or it bursts, in which case the accumulated molecules release back into the water column. However, it is important to note that further exposure of a saturated air bubble to organic molecules may continue to result in changes as compounds that bind more strongly may replace those molecules with a weaker binding that have already accumulated on the interface. Although some aquarists believe that increasing the contact time (or dwell time as it is sometimes called) is always good, it is incorrect to claim that it is always better to increase the contact time between bubbles and the aquarium water. As the bubbles increase near the top of the protein skimmer water column, they become denser and the water begins to drain and create the foam that will carry the organic molecules to the skimmate collection cup or to a separate skimmate waste collector and the organic molecules, and any inorganic molecules that may have become bound to the organic molecules, will be exported from the water system. In addition to the proteins removed by skimming, there are a number of other organic and inorganic molecules that are typically removed. These include a variety of fats, fatty acids, carbohydrates, metals such as copper, and trace elements such as iodine. Particulates, phytoplankton, bacteria, and detritus are also removed; this is desired by some aquarists, and is often enhanced by placement of the skimmer before other forms of filtration, lessening the burden on the filtration system as a whole. There is at least one published study that provides a detailed list of the export products removed by the skimmer. Aquarists who keep filter feeding invertebrates, however, sometimes prefer to keep these particulates in the water to serve as natural food. Protein skimmers are used to harvest algae and phytoplankton gently enough to maintain viability for culturing or commercial sale as live cultures. Alternative forms of water filtration have recently come into use, including the algae scrubber, which leaves food particles in the water for corals and small fish to consume, but removes the noxious compounds including ammonia, nitrite, nitrate, and phosphate that protein skimmers do not remove.

Ауа тас

Протеинді жұтудың бастапқы әдісі, микрокөпіршіктердің көп мөлшерін жасау үшін диффузор арқылы қысыммен ауа жіберу, әлі де тиімді, толыққанды және экономикалық жағынан қолайлы нұсқа болып табылады, бірақ жаңа технологиялар аз күтімді талап етуі мүмкін. Ауа тасы көбінесе Тилия туысына жататын, іші жартылай ойылған, сопақ пішіндес ағаш блоктарынан жасалады. Скиммерлерге арналған ең танымал ағаш ауа тастары еуропалық липадан (Tilia europaea) жасалған, бірақ американдық липа (Tilia americana) да жақсы жұмыс істейді, арзан болуы мүмкін және көбінесе қолжетімдірек. Ағаш блоктары тесіліп, бұрандалап, ауа қосылысымен жабдықталады және кемінде 1 куб. фут/мин (cfm) ауа беретін бір немесе бірнеше ауа сорғыларына ауа түтікшелері арқылы қосылады. Ағаштан жасалған ауа тасы биік су бағанасының түбіне орналастырылады. Аквариум суы бағанаға сорылып, көтеріліп келе жатқан көпіршіктермен жанасып, қайтадан аквариумға оралады. Көпіршіктермен жеткілікті байланыс уақытын қамтамасыз ету үшін мұндай құрылғылар бірнеше метр биіктікте болуы мүмкін. Ауа тасты протеин скраймерлерді ПВХ құбырлары мен фитингтерден төмен құнмен және әртүрлі күрделілік деңгейінде өздігінен жасауға болады. Ауа тасты протеин скраймерлерге қуатты ауа сорғылары қажет, олар көбінесе көп қуатты, шулы және ыстық болады, бұл аквариум суының температурасын көтеруіне әкеледі. Бұл әдіс көп жылдар бойы қолданылып келе жатқанмен, тиімдірек технологиялардың пайда болуына байланысты, көптеген мамандар оны үлкен жүйелерде немесе үлкен биожүктемесі бар жүйелерде тиімсіз деп санайды.

Вентури

Бұл скимдерлердің принципі жоғары қысымды сорғыны вентуримен үйлестіріп, су ағынына көпіршіктерді енгізуге негізделген. Аквариум суы вентури арқылы сорылып, онда қысымның айырмасы арқасында ұсақ көпіршіктер пайда болады, содан кейін скимдер корпусына өтеді. Бұл әдіс шағын өлшемі мен сол кездегі жоғары тиімділігі үшін танымал болған, бірақ вентури конструкциялары қазір ескіріп, тиімділігі жоғары инелі дөңгелек конструкцияларымен алмастырылды.

Аспаптау: шыналы дөңгелек/адриан дөңгелек, инелі дөңгелек, торлы дөңгелек

Бұл негізгі тұжырымдама дұрысырақ аспирациялық скиммер деп аталады, себебі аспираторды қолданатын кейбір скиммер конструкциялары "Пин дөңгелек" / "Адриан дөңгелек" немесе "Игла дөңгелек" қолданбайды. "Пин дөңгелек" / "Адриан дөңгелек" – бұл дискке перпендикуляр (90°) бұрышпен орнатылған және роторға параллель тіректері бар дискіден тұратын импульсордың (қозғалтқыш) сыртқы түрін сипаттайды. "Игла дөңгелек" – ротордан орталық осьтен перпендикуляр шығатын тізбекті тіректерден тұратын импульсордың сыртқы түрін сипаттайды. "Желті дөңгелек" – ротордың пластинасына немесе орталық осіне бекітілген желті материалдан тұратын желті дөңгелектің сыртқы түрін сипаттайды. Бұл өзгертілген импульсорлардың мақсаты – ауа сорғыш құрылғысы немесе сыртқы ауа сорғышы арқылы енгізілген ауаны өте ұсақ көпіршіктерге бөлу немесе ұсақтау. "Желті дөңгелек" дизайны жұқа кесу беттерінің арқасында ұсақ көпіршіктер жасау қабілетіне байланысты қысқа мерзімде өте жақсы нәтижелер береді, бірақ бітелуге бейімділігі оны сенімді емес конструкцияға айналдырады. Ауа сорғыш, вентуриден су сорғышының орналасуымен ерекшеленеді. Вентуриде су құрылғы арқылы итеріледі, бұл ауа тарту үшін вакуум жасайды. Ал ауа сорғышта су құрылғы арқылы тартылады, ауа тарту үшін вакуум пайда болады. Дегенмен, бұл терминдер көбінесе дұрыс емес қолданылады. Бұл стильдегі ақуыз скимдері қоғамдық аквариумдарда өте танымал болды және бүгінде тұрғын үй риф аквариумдарында қолданылатын ең танымал скимдердің түрі деп саналады. Ол әсіресе кішігірім аквариумдарда өте табысты болды, себебі оның көбінесе ықшам өлшемі, орнату және пайдалану оңайлығы, сондай-ақ шусыз жұмыс істеуіне байланысты. Сорғыш ауа мен судың қоспасын итеріп жатқандықтан, роторды айналдыру үшін қажетті қуат азаюы мүмкін, және суды ғана сорғылағанда басқа импульсорлы сорғымен салыстырғанда сорғыш үшін қуат талабы төмендеуі мүмкін.

Төменгі ағысы

Downdraft skimmer – бұл өзгеше дизайнды және ақуызді скиммердің бір түрі, ол көбік немесе көпіршік түзетін механизмдері бар құбырларға жоғары қысыммен су жіберіп, ауа-су қоспасын скиммерге және жеке камераға төмен қарай бағыттайды. Бұл өзгеше дизайн АҚШ-та патенттермен қорғалған, ал АҚШ-тағы коммерциялық скиммер өнімдері тек сол бір компаниямен ғана шектеледі. Олардың конструкциясы құбырлардың ішінде био-шарлар сияқты пластик материалдарды пайдаланып, жоғары қысыммен суды және ауаны араластырып, нәтижесінде ақуыз қалдықтарын жинақтайтын көбік түзеді. Бұл жоғары өнімді ақуыз скиммерлерінің ерте дизайндарының бірі болды және үлкен, қоғамдық аквариумдарда сәттілікке жеткен үлкен модельдері шығарылды.

Бекет скиммері

Бекетт скиммері төменгі ағыстағы скиммермен кейбір ұқсастықтарға ие, бірақ ауа көпіршіктерінің ағынын жасау үшін көбік соқпасы енгізілді. Бекетт атауы Бекетт корпорациясы (АҚШ) әзірлеген және сатқан патенттелген көбік соқпасынан шыққан, алайда ұқсас көбік соқпасы дизайндарын АҚШ-тан тысқары басқа компаниялар да сатады (мысалы, Sicce (Италия)). Төменгі ағыстағы скиммерлердегідей пластикалық толтырғыштарды пайдаланудың орнына, Бекетт скиммері бұрынғы буын скиммерлерінің дизайндық принциптерін, атап айтқанда төменгі ағыстағы және вентури скиммерлерін (Бекетт 1408 көбік соқпасы – 4 порты бар вентуридің өңделген түрі) қолданады. Бұл қуатты қысымға арналған су сорғыларын пайдалана алатын және қысқа мерзімде үлкен көлемде аквариум суын жылдам өңдей алатын гибридті құрылғыны жасауға мүмкіндік береді. Коммерциялық Бекетт скиммерлері бір Бекетт, екі Бекетт және төрт Бекетт үлгілерінде ұсынылады. Жақсы жасалған Бекетт скиммерлері тыныш және сенімді болып табылады. Сорғы технологияларының жетістіктері мен тұрақты ток сорғыларының енгізілуіне байланысты, қуатты сорғылардың қосымша орын алуы, шу шығаруы және көп электр энергиясын тұтынуы туралы алаңдаушылықтар сейілді. Downdraft және Spray Induction скиммерлерінен өзгеше, Бекетт скиммерлерінің дизайнын АҚШ және басқа елдердегі бірнеше компаниялар шығарады және олар патенттермен шектелмейтіні белгілі.

Спрейлеуді индукциялау

Бұл әдіс төменгі ағысқа байланысты, бірақ су деңгейінен бірнеше дюйм жоғары орнатылған шашырату сорғысын іске қосу үшін сорғы қолданылады. Шашырату әрекеті құрылғының негізіндегі ауаны ұстап, тікелей майыстырады, бұл бақша шланғының үстіне басты бармақ қоюға ұқсас, содан кейін ол жинау камерасына көтеріледі. АҚШ-та бір компания шашырату арқылы индукциялау технологиясын патенттеді және коммерциялық өнімдер тек осы бір компаниямен ғана шектеледі.

Қайта айналымдағы скиммерлер

Соңғы тренд – аквариумнан «ластанған» суды скиммерге беру әдісін өзгерту, аквариумға немесе су қоймасына қайтарылғанға дейін суды бірнеше рет скиммер ішінде айналдыру. Аспирациялық сорғылы скиммерлер – қайта айналымды жүзеге асыру үшін ең танымал тип, бірақ Бекетт скиммерлері сияқты басқа типтер де қайта айналым нұсқаларында қолжетімді. Кейбір аквариумдардың иелері арасында бұл қайта айналымның скиммерде пайда болатын ауа көпіршіктерінің уақытын немесе байланыс мерзімін ұзартады деген жалпы сенім бар, бірақ мұны растайтын нақты дәлелдер жоқ. Су қайта айналымнан өтетін әр ретте, су үлгісіндегі барлық ауа көпіршіктері жойылады және қайта айналым сорғысының вентури құрылғысымен жаңа көпіршіктер пайда болады, сондықтан осы жаңадан құрылған көпіршіктер үшін ауа мен судың байланысы қайта басталады. Қайта айналымсыз скиммер конструкцияларында скиммерде аквариумнан су тартатын және оны ауамен араластырып скиммерге жіберетін, содан кейін көбікті немесе ауа/су қоспасын реакциялық камераға шығаратын бір кіреберіс болады. Қайта айналымды конструкцияда бір кіреберіс әдетте жеке қоректендіру сорғысымен жұмыс істейді, немесе кейбір жағдайларда, өңдеуге арналған «ластанған» суды қабылдау үшін гравитациялық түрде қоректендіріледі, ал көбікті немесе ауа/су қоспасын реакциялық камераға жіберетін сорғы скиммердің жанындағы жабық контурда бөлек орнатылады. Қайта айналым сорғысы суды скиммерден шығарып, көбікті немесе ауа/су қоспасын жасау үшін ауамен араластырып, содан кейін оны скиммердің реакциялық камерасына қайтарады – осылайша «қайта айналым» жасалады. Қайта айналымды конструкциядағы қоректендіру сорғысы әдетте, ко/қарсы ағымды конструкцияларға қарағанда аз мөлшерде «ластанған» суды жібереді. Жеке қоректендіру сорғысы скиммер арқылы су алмасу жылдамдығын оңай бақылауға мүмкіндік береді, және көптеген аквариумдардың иелері үшін бұл қайта айналымды скиммерлердің маңызды артықшылығы болып табылады. Бұл скиммерлердің сорғы конфигурациясы аспирациялық сорғылы скиммерлерге ұқсас болғандықтан, қуатты үнемдеу артықшылықтары да ұқсас.

A recent trend is to change the method by which the skimmer is fed 'dirty' water from the aquarium as a means to recirculate water within the skimmer multiple times before it is returned to the sump or the aquarium. Aspirating pump skimmers are the most popular type of skimmer to use recirculating designs although other types of skimmers, such as Beckett skimmers, are also available in recirculating versions. While there is a popular belief among some aquarist that this recirculation increases the dwell or contact time of the generated air bubbles within the skimmer there is no authoritative evidence that this is true. Each time water is recirculated within the skimmer any air bubbles in that water sample are destroyed and new bubbles are generated by the recirculating pump venturi apparatus so the air water contact time begins again for these newly created bubbles. In non recirculating skimmer designs, a skimmer has one inlet supplied by a pump that pulls water in from the aquarium and injects it with air into the skimmer and releasing the foam or air/water mix into the reaction chamber. With a recirculating design, the one inlet is usually driven by a separate feed pump, or in some cases may be gravity fed, to receive the dirty water to process, while the pump providing the foam or air/water mix into the reaction chamber is set up separately in a closed loop on the side of the skimmer. The recirculating pump pulls water out of the skimmer and injects air to generate the foam or air/water mix before returning it to the skimmer reaction chamber—thus 'recirculating' it. The feed pump in a recirculating design typically injects a smaller amount of dirty water than co/counter current designs. The separate feed pump allows easy control of the rate of water exchange through the skimmer and for many aquarists this is one of the important attractions of recirculating skimmer designs. Because the pump configuration of these skimmers is similar to that of aspirating pump skimmers, the power consumption advantages are also similar.