Зоны различной концентрации кислорода
В каждой второй системе присутствуют зоны с особенно высокими или особенно низкими концентрациями кислорода. Области с высоким содержанием кислорода встречаются в природе в виде хорошо проточных водоемов, например: быстрый поток или водопад, а также обычные водоемы с небольшим количеством органических веществ, особенно вблизи водного зеркала. Эти воды содержат достаточно большое количество кислорода, который позволяет химическим и биологическим процессам протекать в обогащенной кислородной среде (см. таблицу на стр. 25). Такое состояние называют аэробным. Водоемы в аэробном состоянии имеют восстановительный потенциал от 200 до 300 мВ. Аэробная среда создает предпосылки для хорошего состояния водоема.
В глубоких спокойных зонах воды могут легко возникать области, в которых еще достаточно кислорода из-за незначительной циркуляции и, соответственно, незначительной потери кислорода, но они чувствительны к резкому увеличению содержания органических веществ. Они находятся в состоянии «потери равновесия». Вблизи грунта и, прежде всего в грунте возникают часто две проблемные ситуации (см. рисунок на стр. 46 вверху).
1. Вода часто находится в зонах спокойного течения или совсем при его отсутствии, вследствие этого в водоеме присутствует мало воды, насыщенной кислородом. Приповерхностная газовая диффузия практически не изменяет ситуацию.
2. Из-за седиментации на грунте увеличивается содержание органических веществ, таких, как остатки пищи, экскременты, мертвые животные, омертвевшие части растений, и это приводит в этой зоне к недостатку кислорода и интенсивному его потреблению. Содержание кислорода снижается до концентрации, не обеспечивающей рыб и беспозвоночных животных. Возникает область с низким или даже отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала, т.е. область с восстановительной средой. Такую воду называют анаэробной.
Зоны, которые описаны здесь для природной воды, появляются также в аквариуме, с той лишь разницей, что они нераздельны и тесно связаны с другими зонами, и часто даже одна переходит в другую. Большая часть аквариумов оборудована необходимой техникой для аэрации, из аэрационного аппарата поступает самая насыщенная кислородом вода, которая создает аэробные условия. Вода в самом аквариуме характеризуется уже несколько меньшим содержанием кислорода. В аквариуме следует избегать анаэробных условий, так как это может привести к образованию токсичного сероводорода. Анаэробные условия могут возникать в аквариуме в двух местах. На грунте этому способствуют два неблагоприятных фактора. С одной стороны, грунт представляет собой место сбора всех осажденных веществ, большей частью представленных остатками корма, экскрементами или даже умершими животными, т.е. органическим веществом, которое содержится в изобилии. Одновременно дно грунта часто плохо промывается или совсем не промывается, т.е. грунт недостаточно снабжается кислородом, поэтому и создаются оптимальные условия для восстановительной среды. К другому фактору, к сожалению, относится проблема очистных устройств аквариума: присутствие механических фильтров. Для них существует такая же проблема, как и для грунта. Органические вещества накапливаются в фильтре, а обеспечение его кислородом, по крайней мере, в некоторых зонах, минимально. Здесь также существует опасность возникновения восстановительной среды.
Биологическая потребность в кислороде (БПК)
Даже если вода не заселена рыбами и животными, в ней все равно потребляется кислород. Потребность в кислороде в данном случае объясняется наличием различных процессов. Так, неорганические вещества окисляются кислородом, например железо. Это окисление может происходить относительно просто и непосредственно до тех пор, пока все железо не будет связано. Окисление белковых соединений из-за своих, часто очень длинных молекул, приводит к значительному потреблению кислорода. Итак, для окисления органических соединений, необходимо существенно больше кислорода, хотя многие вещества вообще не окисляются.
В этом случае помогает природа. Существуют бактерии, которые способны окислять такие недоступные соединения. Такой процесс называется бактериальным окислением. Чем больше органической субстанции находится в воде, тем больше кислорода требуется бактериям. Итак, потребность бактерий в кислороде – мера качества воды. Так как кислород поглощается бактериями, то и окисление может происходить – только с участием бактерий. Мы называем эту величину «биологическая потребность в кислороде» или сокращенно БПК. В литературе часто встречается ХПК. Бактерии не машины, и для окисления веществ им необходимо некоторое время. Сточные воды в хорошо оборудованных установках полностью биологически окисляются за 20 дней. Опыт" показал, что примерно за пять дней в контролируемых условиях биологически окисляется примерно на 70% органических веществ. Так как измерять интенсивность этого процесса по прошествии 20 дней не представляло большого интереса, измерения проводят после 5 дней. Но благодаря современным методам измерения, время возможно существенно сократить.
Химическая потребность в кислороде (ХПК)
Наряду с веществами, которые благодаря биологическим процессам могут разрушаться, в воде имеется группа соединений, которые не разрушаются бактериальным окислением и не удаляются из аквариума ни естественной самоочисткой, ни биологическими фильтрами. Их можно устранить механическим путем, а именно в природе – сильным течением, в аквариуме – сменой воды. Аквариумная техника предоставляет нам также другие средства, такие, как озон, перекись водорода (H2O2). Чтобы найти величину общей потребности аквариума в кислороде, в качестве очень сильного окислителя органического вещества используют бихромат калия (K2Cr2O7), который может окислить всю органическую субстанцию. Чтобы ускорить окисление во время анализа, проба воды с бихроматом калия нагревается до 140 °C. Результат после пересчета дает соответствующую потребность в кислороде.
Естественная группа соединений, которые разрушаются биологическим путем незначительно или даже совсем не разрушаются, – типичные для болотных вод гуминовые кислоты, которые большей частью из-за больших молекул очень прочны. Они часто содержат металлы такие, как железо (Fe), марганец (Mn), медь (Cu), цинк (Zn). Они возникают биологическим путем из отмерших остатков растений, торфа и прочего, не разрушаются также биологическим путем и поэтому не регистрируются. Итак, чтобы обсуждать качество воды, загрязненной органическим веществом, мы должны измерить и биологическую, и химическую потребность в кислороде.
Оценка вод по БПК и ХПК
Естественно, измеряемые значения биологической и химической потребности в кислороде не являются достаточными критериями для оценки качества аквариумной воды.
Как показывает таблица на стр. 48, вода в наших аквариумах должна соответствовать нижней границе, как по биологической, так и по химической нагрузке. Поэтому с помощью измерительной техники значения, оптимальные для аквариумной практики, очень трудно регистрировать. Тем не менее, о них следует здесь упомянуть, т. к. позднее мы еще возвратимся к ним, но по другому поводу.
Обе эти величины сначала применяли в технологии очистки сточных вод. Типичные бытовые сточные воды характеризуются значениями биологического показателя до 500 мг/л. Обычные значения химической насыщенности для промышленных сточных вод варьируют в области от 1000 до 100000 мг/л, или до 100 г/л (100 мг/мл). При таких значениях можно легко себе представить, что небольшого количества такой жидкости будет достаточно, чтобы на длительное время отравить водоемы для рыб. Один миллилитр сточных вод, растворенный в литре чистой воды, со значением химической насыщенности 1 мг/л, поднимает химическую потребность в кислороде в 100 раз.
|
|
|
|
