Белковые скиммеры: технология очистки воды

Введение

Технология очистки воды

Скиммер белка, или пеноотделитель, – это устройство, используемое для удаления органических соединений, таких как корма и частицы отходов, из воды. Чаще всего он применяется в коммерческих целях, например, на муниципальных водоочистных станциях, в общественных аквариумах и на предприятиях аквакультуры. Меньшие по размеру скиммеры белка также используются для фильтрации домашних морских аквариумов, а также пресноводных аквариумов и прудов.

Функция

Протеиновый скиммер удаляет определенные органические соединения, включая белки и аминокислоты, содержащиеся в частицах пищи и отходах рыб, используя полярность самого белка. В силу своего внутреннего заряда, белки, находящиеся в воде, либо отталкиваются, либо притягиваются границей раздела воздух/вода, и эти молекулы могут быть описаны как гидрофобные (например, жиры или масла) или гидрофильные (например, соль, сахар, аммиак, большинство аминокислот и большинство неорганических соединений). Однако некоторые более крупные органические молекулы могут обладать как гидрофобными, так и гидрофильными свойствами. Такие молекулы называются амфипатическими или амфифильными. Коммерческие протеиновые скиммеры работают, создавая большую границу раздела воздух/вода, в частности, путем впрыскивания большого количества пузырьков в водный столб. В целом, чем меньше пузырьки, тем эффективнее протеиновое скиммирование, поскольку площадь поверхности маленьких пузырьков, занимающих один и тот же объем, значительно больше, чем у больших пузырьков такого же объема. Большое количество мелких пузырьков предоставляет огромную границу раздела воздух/вода, на которой могут собираться гидрофобные органические молекулы и амфипатические органические молекулы (на поверхности пузыря, то есть на границе раздела воздух/вода). Движение воды ускоряет диффузию органических молекул, эффективно доставляя большее их количество к границе раздела воздух/вода и позволяя им накапливаться на поверхности пузырьков воздуха. Этот процесс продолжается до тех пор, пока граница раздела не насытится, если пузырь не будет удален из воды или не лопнет, в этом случае накопленные молекулы возвращаются обратно в водный столб. Однако важно отметить, что дальнейшее воздействие насыщенного пузырька воздуха на органические молекулы может продолжать приводить к изменениям, поскольку соединения, которые связываются более прочно, могут вытеснять те молекулы, которые связаны слабее и уже накопились на границе раздела. Хотя некоторые аквариумисты считают, что увеличение времени контакта (или времени выдержки, как это иногда называют) всегда полезно, утверждение, что всегда лучше увеличивать время контакта между пузырьками и водой в аквариуме, неверно. По мере подъема пузырьков к верхней части водного столба протеинового скиммера они становятся плотнее, и вода начинает стекать, образуя пену, которая переносит органические молекулы в чашу для сбора скиммата или в отдельный контейнер для отходов скиммата, а органические молекулы, а также любые неорганические молекулы, которые могли связаться с органическими молекулами, удаляются из водной системы. Помимо белков, удаляемых скиммированием, обычно удаляется ряд других органических и неорганических молекул. К ним относятся различные жиры, жирные кислоты, углеводы, металлы, такие как медь, и микроэлементы, такие как йод. Также удаляются частицы, фитопланктон, бактерии и детрит; это желательно для некоторых аквариумистов и часто усиливается размещением скиммера перед другими формами фильтрации, снижая нагрузку на систему фильтрации в целом. Существует как минимум одно опубликованное исследование, содержащее подробный список продуктов экспорта, удаляемых скиммером. Однако аквариумисты, содержащие фильтрующих беспозвоночных, иногда предпочитают оставлять эти частицы в воде в качестве естественной пищи. Протеиновые скиммеры используются для сбора водорослей и фитопланктона достаточно бережно, чтобы поддерживать их жизнеспособность для культивирования или коммерческой продажи в виде живых культур. В последнее время стали использоваться альтернативные формы фильтрации воды, включая скраббер водорослей, который оставляет частицы пищи в воде для потребления кораллами и мелкими рыбами, но удаляет вредные соединения, включая аммиак, нитриты, нитраты и фосфаты, которые протеиновые скиммеры не удаляют.

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.

Воздушный камень

Первоначальный метод скрабирования белка, при котором сжатый воздух пропускается через диффузор для создания большого количества микропузырьков, остаётся жизнеспособным, эффективным и экономичным вариантом, хотя более новые технологии могут требовать меньшего обслуживания. Воздушный камень чаще всего представляет собой продолговатый, частично выдолбленный блок дерева, как правило, рода Тилия (липа). Наиболее популярные деревянные воздушные камни для скиммеров изготавливаются из липы европейской (Tilia europaea), хотя липа американская (Tilia americana) также подходит, может быть дешевле и часто более доступна. Деревянные блоки просверливаются, оснащаются штуцером для воздуха и подключаются воздушными трубками к одному или нескольким воздушным насосам, обеспечивающим производительность не менее 1 кубического фута в минуту (cfm). Воздушный камень помещается на дно высокого водяного столба. Вода из аквариума подаётся в этот столб, проходит мимо поднимающихся пузырьков и возвращается обратно в аквариум. Для обеспечения достаточного времени контакта с пузырьками высота таких установок может достигать нескольких футов. Скиммеры белка с воздушным камнем можно изготовить самостоятельно из труб и фитингов из ПВХ с минимальными затратами и различной степенью сложности. Скиммеры белка с воздушным камнем требуют мощных воздушных насосов, которые часто потребляют много энергии, шумные и нагреваются, что приводит к повышению температуры воды в аквариуме. Хотя этот метод используется на протяжении многих лет, появление более эффективных технологий заставляет многих считать его неэффективным для использования в крупных системах или системах с высокой био-нагрузкой.

Вентури

Принцип работы этих скиммеров основан на использовании насоса высокого давления в сочетании с вентури для подачи пузырьков в поток воды. Вода из аквариума прокачивается через вентури, где за счет разницы давлений вводятся мелкие пузырьки, после чего поступает в корпус скиммера. Этот метод был популярен благодаря своим компактным размерам и высокой эффективности для своего времени, но конструкции вентури устарели и уступили место более эффективным конструкциям с игольчатым колесом.

Присоединительные: колесо-пинометровое/адрианское, игловое, сетчатое

Эта основная концепция более правильно известна как аспирирующий скиммер, поскольку некоторые конструкции скиммеров, использующие аспиратор, не используют "колесо со штифтами" / "колесо Адриана" или "игольчатое колесо". "Колесо со штифтами"/"колесо Адриана" описывает внешний вид крыльчатки, состоящей из диска со штифтами, установленными перпендикулярно (90°) к диску и параллельно ротору. "Игольчатое колесо" описывает внешний вид крыльчатки, состоящей из ряда штифтов, выступающих перпендикулярно ротору от центральной оси. "Сетчатое колесо" описывает внешний вид крыльчатки, состоящей из сетчатого материала, прикрепленного к пластине или центральной оси на роторе. Цель этих модифицированных крыльчаток – измельчать или разрушать воздух, подаваемый через устройство для воздушной аспирации или внешний воздушный насос, на очень мелкие пузырьки. Конструкция сетчатого колеса обеспечивает отличные результаты в краткосрочной перспективе благодаря способности создавать мелкие пузырьки своими тонкими режущими поверхностями, но его склонность к засорению делает его ненадежной конструкцией. Воздушный аспиратор отличается от вентури-насоса положением водяного насоса. В вентури-насосе вода проталкивается через устройство, создавая вакуум для всасывания воздуха. В воздушном аспираторе вода втягивается через устройство, создавая вакуум для всасывания воздуха. Однако эти термины часто используются взаимозаменяемо, что является ошибкой. Этот тип протеинового скиммера стал очень популярен в общественных аквариумах и считается наиболее распространенным типом скиммера, используемым в домашних рифовых аквариумах на сегодняшний день. Он особенно успешен в небольших аквариумах благодаря обычному компактному размеру, простоте установки и использования, а также тихой работе. Поскольку насос перекачивает смесь воздуха и воды, мощность, необходимая для вращения ротора, может быть уменьшена, что может привести к снижению энергопотребления насоса по сравнению с тем же насосом, перекачивающим только воду с другой крыльчаткой.

Снижение

Скимер с нисходящим потоком (Downdraft) – это как запатентованная конструкция скимера, так и тип белкового скимера, который впрыскивает воду под высоким давлением в трубки, оснащенные механизмом для генерации пены или пузырьков, и направляет смесь воздуха и воды вниз в корпус скимера и в отдельную камеру. Данная запатентованная конструкция защищена в США патентами, и коммерческие скимеры такого типа в США производятся только одной компанией. В их конструкции используются одна или несколько трубок, заполненных пластиковым наполнителем, например, биошарами, для смешивания воды под высоким давлением и воздуха внутри корпуса скимера, что приводит к образованию пены, собирающей белковые отходы в накопительном стакане. Это была одна из первых высокопроизводительных конструкций белковых скимеров, и выпускались крупные модели, успешно применявшиеся в больших и публичных аквариумах.

Бекеттский скиммер

Скимер Беккета имеет некоторые сходства с донным скимером, но использует пенное сопло для создания потока воздушных пузырей. Название "Беккет" происходит от запатентованного пенного сопла, разработанного и продаваемого корпорацией Beckett (США), хотя аналогичные конструкции пенных сопел продаются и другими компаниями за пределами США (например, Sicce (Италия)). В отличие от донных скимеров, использующих пластиковые насадки, скимер Беккета применяет конструктивные решения, разработанные для предыдущих поколений скимеров, в частности донного и вентури-скимера (Beckett 1408 Foam Nozzle является модифицированным 4-портовым вентури), создавая гибридную конструкцию, способную работать с мощными насосами, рассчитанными на высокое давление, и быстро обрабатывать большие объемы аквариумной воды. Коммерческие скимеры Беккета выпускаются в одно-, двух- и четырехсопловых вариантах. Хорошо спроектированные скимеры Беккета тихие и надежные. Благодаря прогрессу в насосных технологиях и появлению DC-насосов, опасения по поводу больших габаритов, повышенного шума и энергопотребления мощных насосов были устранены. В отличие от донных и распылительных скимеров, конструкции скимеров Беккета производятся рядом компаний в США и других странах и не защищены патентами.

Индукция распыления

Этот метод связан с нисходящим потоком, но использует насос для привода распылительного сопла, установленного на несколько дюймов над уровнем воды. Распыление захватывает и измельчает воздух в основании устройства, подобно тому, как вы перекрываете струю садового шланга пальцем, после чего воздух поднимается в коллектор. В Соединенных Штатах одна компания запатентовала технологию индукции распылением, и коммерческие предложения по продуктам ограничены только этой компанией.

Конструкция скребков для повторного циркулирования

Недавняя тенденция заключается в изменении способа подачи "грязной" воды из аквариума в скиммер, чтобы обеспечить многократную рециркуляцию воды внутри скиммера перед ее возвратом в отстойник или аквариум. Скимеры с аспирационным насосом – наиболее популярный тип для использования в рециркулирующих конструкциях, хотя рециркулирующие версии доступны и для других типов скиммеров, таких как скиммеры Беккета. Несмотря на распространенное мнение среди некоторых аквариумистов о том, что рециркуляция увеличивает время контакта или пребывания генерируемых воздушных пузырьков внутри скиммера, авторитетных доказательств этому нет. Каждый раз, когда вода рециркулирует внутри скиммера, любые пузырьки воздуха в этой порции воды разрушаются, а новые пузырьки генерируются вентури-устройством рециркулирующего насоса, поэтому время контакта воздуха и воды начинается заново для этих вновь образованных пузырьков. В конструкциях скиммеров без рециркуляции, скиммер имеет один вход, который снабжается насосом, забирающим воду из аквариума и впрыскивающим ее с воздухом в скиммер, а затем высвобождающим пену или смесь воздуха и воды в реакционную камеру. В конструкции с рециркуляцией один вход обычно приводится в действие отдельным подающим насосом или, в некоторых случаях, питается самотеком для приема "грязной" воды для обработки, в то время как насос, подающий пену или смесь воздуха и воды в реакционную камеру, устанавливается отдельно в замкнутом контуре сбоку скиммера. Рециркулирующий насос вытягивает воду из скиммера и впрыскивает воздух для образования пены или смеси воздуха и воды, прежде чем вернуть ее в реакционную камеру скиммера, тем самым осуществляя ее "рециркуляцию". Подающий насос в рециркулирующей конструкции обычно подает меньшее количество "грязной" воды, чем в конструкциях с противотоком или сотоком. Отдельный подающий насос обеспечивает легкий контроль скорости обмена воды через скиммер, и для многих аквариумистов это является одним из важных преимуществ рециркулирующих конструкций скиммеров. Поскольку конфигурация насосов этих скиммеров аналогична конфигурации аспирационных насосов, преимущества в плане энергопотребления также схожи.

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.