过滤基础知识

之前的专栏文章中,我为大家列举了开缸所需的一切。选择正确的过滤方法非常重要,本文中,我要向大家介绍3种类型的过滤方式。

 

过滤 

“礁岩水族过滤”这六个字是水族行业中最具争议的主题,其次是光照问题。争议来源于水族爱好者使用很多不同类型的过滤都取得了饲养的成功。

众多过滤系统可分为生物过滤、机械过滤、和化学过滤,以及各种过滤形式的组合。各种过滤系统都能取得成功,而生物过滤是保障水族生物生存的核心。在水族箱中,需要保证有足够的生物过滤以消除生物排出的废物及化学反应所产生的有毒物质。

生物过滤是一个简单的术语

生物过滤是利用细菌将氨转化成另一种物质的过程。将氨这种剧毒物质转化为其它毒性较小的物质,如亚硝酸盐和硝酸盐,这是生物能够生存的关键。

下面关于过滤类型和组成的讨论内容大部分来源于Martin A. Moe 在1992年撰写的“The Aquarium Reference – Systems and Invertebrates”。

硝化作用(Nitrification

尽管有毒物质有很多形式,可以是气体形式,或者污染物,但氨是其中最重要的。水族箱中的氨来源于生物的排泄物、腐烂的食物,或其它有机物质。另外,氨还是水族动物尿液的主要成分。氨能够损害鱼类身体组织,干扰血液中氧循环,形成不良压力导致疾病或生物死亡。氨对大多数水族生物是有害的,因此必须用某种方法消除或中和掉。这就是细菌作为生物过滤被引入的原因。这个过程被称为循环“cycling”,指将过滤系统作为细菌繁殖的温床,细菌将氨转化为亚硝酸盐,然后再转化为硝酸盐。水族箱内一旦建立了这种循环,细菌必须依附在水族箱内的某种表面上(活石表面,底砂甚至玻璃表面),此后,水族生物即可生活了。

这些细菌负责建立最初的硝化作用循环,消耗氨,将其转化为亚硝酸盐。这些细菌包括亚硝化单细胞菌(Nitrosomonas), 亚硝化螺菌(Nitrosospira), 亚硝化球菌(Nitrosococcus)和亚硝化叶菌( Nitrosolobu)和其它种类。这些硝化细菌是好氧菌,意味着它们需要氧气才能存活。在造流合理的水族箱内,这些细菌会依附在能够得到氧气的各种物体表面。

硝化作用中的细菌负责将之前产生的亚硝酸盐转化为硝酸盐。这个工作由数量众多的硝化菌(Nitrobacter),亚硝化螺菌( Nitrosospira), 硝化囊菌(Nitrocystis), 硝化球菌(Nitrococcus)和其它细菌完成。亚硝酸盐同样对某些生物具有毒性,能够抑制鱼类血液的气体交换。幸运的是,这些细菌使亚硝酸盐在成熟的循环系统中保持极低的水平。

硝酸盐的毒性比氨和亚硝酸盐要弱得多,它可以导致水藻的过度生长,影响生物的健康。藻类生长需要硝酸盐作为基本的营养。如果硝酸盐的浓度积累达到5 ppm以上,就有可能形成水质的污染,从而可能刺激藻类过量生长,影响珊瑚组织。这些硝化作用的最终产物可以通过换水、化学方法吸收、蛋白撇除、藻缸过滤或其它吸收方法去除。

反硝化作用(Denitrification

因为我们在讨论细菌,所以我也要提一下在水族箱内发生的反硝化作用。微球菌( Micrococcus),假单胞菌( Pseudomonas), Denitrobacillas, 杆菌(Bacillus)和其它细菌。这些细菌中有些是厌氧的(需要少量氧气或不需要氧气)有些是好氧的。硫杆菌包含8个种类,能利用硫的化合物,如硫化物、硫代硫酸盐(thiosulfate)和亚硫酸盐(bisulfite)在氧含量较低的区域,如底砂中分解硝酸盐,硝酸盐分解成氮气,随气体交换排出水族箱。适合这些细菌生活的表面位于多孔活石的内部,或厚底砂内部。

简要的说明这个氮循环过程,可以参考下面的图表。

 

有了这些细菌,我们要把它们放在哪里呢?

硝化细菌需要一个表面依附和繁殖才能有效的进行硝化反应。这个繁殖的媒介或表面可以是底砂、活石或人造表面,如生化环或其它过滤媒介。因为主要目的是成功的进行水族饲养,所以使用自然材质更好些。我们饲养的生物来自于大海,那里有活石和活砂,使用自然材质过滤还可以模拟大海中的生存环境。因此,活石和活砂可以作为生物过滤的基础。另外,珊瑚表面也是硝化细菌附着的好地方。

活石(Live Rock) 

活石中包含钙质珊瑚骨骼,是细菌和其它生物生存的好地方。因为活石有多孔结构,有很多能够接触到氧气的表面,硝化细菌就会附着在那里。活石的另一个优势是可以为反硝化反应发生提供场所。在活石富氧的表面下,是缺氧的地带,正适合反硝化细菌生活。

活砂(Live Sand) 

活砂包含来自大海的沙子,其中附着很多细菌和海水微生物。普通底砂经过培养也能附着细菌和微生物转化成活砂。除了能为硝化细菌提供附着空间,底砂还有很多益处,我们将在以后的文章中讨论。底砂使水族箱的底面积扩展了很多,使其变成高效的生物过滤器。与活石相同,活砂同样也是一个反硝化反应过滤器,这需要砂床的厚度至少达到4英寸。砂床的反硝化反应效率极高,甚至在一颗砂粒内部也能发生反硝化反应。

化学过滤(Chemical Filtration

化学过滤是使用有机物或复合物吸附水中的杂质。活性炭过滤和分子吸附过滤是两种最基本的化学过滤形式。 

活性炭(GAC)

一般活性炭过滤归类为化学过滤,它还有机械过滤的作用。粒状活性炭扮演着有机海绵的角色。碳的孔隙非常多,能够捕捉小颗粒。这种捕捉废物小颗粒叫“吸附”。它还有化学性质使它能够捕获某种磷酸盐、有机酸、蛋白质、金属和抗生素等。这个过程叫做“吸收”。我发现活性炭在去除有机酸方面功效了得,从而减少海水发黄的感觉。

活性炭的吸附效果与海绵的作用相似。好比擦车,向车上倒些水,用海绵擦过表面,海绵吸收了脏东西,把水留下来。在水族箱中,水体被迫通过活性炭,水中的颗粒被吸附。更换活性炭的同时,颗粒也被清除了。

吸附在韦伯斯特字典中被定义为物体表面捕获气体分子或溶液中溶解分子的能力。在水族领域,定义为物体表面捕捉水中溶解杂质的能力。

吸收与显示器表面静电吸尘作用有些类似。显示器表面积累的静电会抓住空气中的尘埃颗粒,而活性炭会吸收水中的杂质。海水(空气)经过活性炭 (充满静电的显示器屏幕),捕获化学杂质(灰尘),锁住它们,使其不能返回海水中。吸附是物理反应,吸收是化学反应。

活性炭吸引人的特性在于它能吸附特定的杂质和化学物质。通过调整活性炭的温度、形状和尺寸,或添加某些化学物质,可以针对水中某些杂质进行吸收。

活性炭有很多用法,可以放在滤筒中,强迫水流经过,达到最充分有效的接触。也可以放在活石后或底缸内,让水流自由流过。强迫水流通过活性炭是能将吸附和吸收发挥到极致,自由流经的效果也可以。

分子吸附过滤(Molecular Adsorption Filters

PolyFilter™ 是Poly-Bio-Marine生产的,工作原理与活性炭相似,用化学方法捕获杂质和多余的营养盐。根据化学机构的不同,可以有选择的吸收铜或其它金属,甚至磷酸盐。这种过滤设备一般用于短期过滤,非常适合快速去除由于意外而导致的杂质或有毒物质污染水体。它们也可以长期使用,但找到污染的源头比过滤更重要。

机械过滤(Mechanical Filtration

机械过滤的主要目的是在大颗粒状物质分解腐败之前清除它。过滤棉、纳米过滤材料都是比较常见的机械过滤媒介。机械过滤使用不当会给水族箱带来伤害。如果过滤媒介不经常清洗或更换,被过滤出的颗粒一样会分解腐败,污染水体。无论怎么说,机械过滤都是快速去除大颗粒杂质的好方法。去除漂浮不定的砂粒,或颗粒状污染物,机械过滤都会有所帮助。

蛋白分离器(Protein Skimming

蛋白分离器是广泛使用而且有效的过滤形式。蛋白分离器的优势在于能够在生物过滤之前清除有机物质。 

蛋白撇除的过程如下?

1、海水和大量空气被同时注入一个容器。

2、空气和水被迫接触,产生大量气泡。

3、气泡吸附上蛋白质和有机物形成泡沫。

4、泡沫上升,进入收集杯,排出水族箱外。有机物和蛋白质也随之排出。

蛋分的另一个优势是可以保持水族箱内水体高含氧量,这一点对于水族生物很重要。

关于蛋分的详细讨论在Reefkeeping 杂志上Frank Marini撰写的文章中。这里是超链接:here.

总结

总结一下,我已经介绍了3中基本的过滤形式:生物过滤为维持生物生命创造条件;化学过滤能够有效的帮助去除水中的杂质;机械过滤如蛋分可以连续输出水中的废物,而其它机械机械过滤需要在一定条件下去除颗粒。其它过滤形式将在今后的文章中介绍。