Без кейворда
Подмена воды в рифовых аквариумах
Подмена воды – это, по определению, акт замены части аквариумной воды на “новую”. По разным причинам способы их проведения и их важность вызывают споры и путаницу в мире рифовых аквариумов. Многие аквариумисты проводят их часто, другие – никогда. Для тех, кто делает это, причины различны и иногда даже противоречат друг другу; например, пополнение запасов “микроэлементов” и вывоз накопившихся “примесей”, причем эти два понятия неясны и, возможно, пересекаются.
Большая часть путаницы в отношении смены воды проистекает непосредственно из неопределенности в отношении трех вещей:
1. Что содержится в существующей аквариумной воде. 2. Что находится в новой аквариумной воде. 3. Какие уровни являются оптимальными для различных видов.
Хотя несколько авторов попытались более четко ответить на эти три вопроса (ссылки на них приведены в ссылках), вопросы действительно очень сложные. К сожалению, данная статья не поможет прояснить эти вопросы.
Однако, что эта статья дает, так это уточненное понимание того, чего можно добиться сменой воды. Используя известные или рассчитанные скорости добавления и истощения различных химических веществ в морской воде, можно легко смоделировать влияние изменений воды. Например, влияние изменений воды на кальций, щелочность, магний, нитраты и сульфаты показано графически. В некоторых случаях эти примеры также служат руководством к действию в отношении других ионов, которые не были смоделированы, но которые будут увеличиваться или уменьшаться аналогичным образом. Например, контроль накопления нитрата с изменением и без изменения воды может также показать, какой эффект изменения воды оказывают на другие накапливающиеся общие химические вещества, такие как фосфат, органика, тяжелые металлы и другие материалы.
То, насколько сильно нужно подменить воду, полностью зависит от того, каков желаемый результат подмены воды. Если речь идет о снижении уровня случайно попавшего в воду токсина, то целесообразны массивные, немедленные и многократные подмены воды. Если для поддержания кальция и щелочности, то может потребоваться ежедневная подмена воды. Если необходимо поддерживать медленно добавляемые или истощаемые ионы (например, магний или стронций), чтобы они не отклонялись от “нормального” уровня, то можно обойтись и меньшими подменами.
Предыдущие статьи о подменах воды “показали”, что небольшие подмены воды не полезны, и иногда создавалось впечатление, что даже много небольших подмен воды не приносят пользы. Также многие рифовые аквариумисты “знают”, что непрерывные подмены воды (когда вода добавляется и удаляется одновременно, обычно с помощью автоматической помпы) не очень полезны, “потому что при этом удаляется часть новой воды, которая была только что добавлена”. Как я покажу, эти предположения не выдерживают анализа для типичных сценариев подмены воды. Следовательно, независимо от того, нужно ли менять много воды или мало, и делается ли это постоянно, ежедневно или только изредка, аквариумистам доступно больше вариантов замены воды, чем многие думают. Эти расширенные возможности могут позволить занятым аквариумистам тратить время на другие важные дела и меньше времени на подмену воды, достигая при этом тех же целей.
Эта статья состоит из следующих разделов:
- Введение
- Чего можно добиться с помощью подмен воды
- Ежемесячные порционные подмены воды: Пример с нитратами
- Размер подмен воды: Общий случай
- Размер подмен воды: Пример с нитратами
- Изменения воды для добавления чего-либо: магний
- Подмены воды для добавления чего-либо: кальция и щелочности
- Очень большие подмены воды для поддержания кальция и щелочности
- Подмены воды для снижения содержания чего-либо: сульфат из самодельной двухкомпонентной добавки
- Как проводить подмены воды
- Большие порционные подмены воды
- Мелкосерийные подмены воды
- Непрерывные подмены воды
Чего можно достичь с помощью подмен воды
Подмена воды, как правило, позволяет достичь двух целей. Это:
- повысить концентрацию обедненного “чего-то”, которое находится в более высокой концентрации в новой воде
- снизить концентрацию повышенного “чего-то”, находящегося в новой воде в более низкой концентрации.
В зависимости от того, что добавляется, в рифовых аквариумах могут накапливаться различные вещества. При добавлении кальция, щелочи и магния эти накапливающиеся вещества могут включать хлорид, сульфат, натрий и множество неорганических и, в некоторых случаях, органических примесей в добавках. Из продуктов питания могут накапливаться некоторые металлы (например, медь), а также соединения азота и фосфора (например, нитраты и фосфаты). Водопроводная вода может содержать различные неорганические и органические соединения и может быть большим источником определенных ионов (кремния, меди и т.д.), если она не очищена. Даже деятельность самих обитателей аквариума может привести к накоплению различных материалов, таких как органические соединения (токсины, побочные продукты обмена веществ и т.д.).
Некоторые из этих загрязнений могут быть хорошо удалены другими механизмами, а некоторые могут быть хорошо удалены только подменой воды. Например, накопление хлоридов или сульфатов нелегко устранить никакими средствами, кроме подмены воды (хотя устройства типа диализа теоретически могут решить эту задачу).
Аквариумисты также часто полагаются на подмену воды, чтобы добавить ионы, которые истощаются в аквариуме. Магний – распространенный пример; другим примером может быть стронций. Многие аквариумисты говорят о добавлении микроэлементов, но во многих случаях неясно, больше или меньше в новой соленой воде многих микроэлементов в каждой из их различных форм (например, железа).
В определенном смысле, если аквариумиста устраивает все, что содержится в используемой соленой воде, то не имеет значения, содержит ли она какой-либо конкретный материал в большей или меньшей концентрации, чем в аквариуме, поскольку при смене воды он будет вытягиваться в направлении новой воды. Конечно, величина эффекта будет полностью зависеть от того, насколько новая вода отличается от старой и какая часть аквариумной воды будет заменена.
Не строя слишком убедительных аргументов в пользу подмен воды, не имея достаточной информации по трем вопросам, перечисленным во введении (то есть, что присутствует в новой и старой воде, и что является оптимальным), я утверждаю, что, по моему мнению, подмены воды полезны. Я не считаю, что это самый полезный способ снижения содержания нитратов и фосфатов (хотя это гораздо лучше, чем ничего, как показано ниже), но это хороший способ снизить содержание органики, которая не может быть легко обезжирена или связана активированным углем. Подмена воды также помогает вывести избыточные металлы, которые накапливаются со временем. Медь, например, в моем аквариуме тестируется выше, чем в солевой смеси, которую я использую (Instant Ocean). Наконец, подмена воды помогает поддерживать соотношение основных ионов в нужных пропорциях, несмотря на перекосы, которые могут возникать из-за продуктов питания, добавок и процессов осаждения, таких как кальцификация (некоторые из них смоделированы ниже).
В последующих разделах мы рассмотрим, как подмены воды различных типов и размеров могут повлиять на достижение этих целей.
Ежемесячные порционные подмены воды: Пример с нитратами
Самый простой метод замены воды для анализа также является распространенной практикой: простая порционная замена воды, проводимая раз в месяц или около того. При этом методе из аквариума удаляется определенное количество воды, которое быстро заменяется новой. У этого метода есть недостатки, которые обсуждаются в резюме (например, согласование температуры при подмене более 5-10%), но именно этот метод используется большинством аквариумистов.
Рисунок 1 моделирует истощение примеси, присутствующей в аквариумной воде, при условии, что не добавляются другие примеси. Мы можем считать, что это процент от исходной примеси, или как ppm нитрата с нулевым днем при 100 ppm, чтобы рассмотреть конкретный случай. Анализ точно такой же, независимо от того, что это за вещество, если мы предположим, что в течение года ни одна примесь не добавляется и не образуется в аквариуме. Сравниваются четыре различных сценария подмены воды: каждые 30 дней производится однократная порционная подмена воды в количестве 0%, 7,5%, 15% и 30%. Этот диапазон был выбран, чтобы покрыть значения, которые использует большинство аквариумистов, хотя некоторые могут использовать несколько большие или более частые подмены. Модель очень проста: каждые 30 дней концентрация нитратов разбавляется подменой воды. Например, в случае подмены 15% концентрация умножается на 0,85.
Рисунок 1. Концентрация нитрата как функция времени при подменах воды 0% (без подмен), 7,5%, 15% и 30% от общего объема каждый месяц. В этом примере нитрат присутствует на уровне 100 ppm в начале, и в течение года не добавляется и не уменьшается, за исключением подмен воды. Ось y можно представить как процент от первоначальной концентрации, оставшейся для любого материала, который не добавляется и не удаляется из воды, за исключением подмены воды.
Из рисунка 1 видно, что чем больше смена воды, тем быстрее снижается содержание нитратов. Однако эта модель ограничена в своей полезности, так как многие примеси накапливаются одновременно с уменьшением их количества при подмене воды.
На рисунке 2 показана аналогичная модель, в которой нитрат начинается с 0 ppm, а затем допускается его накопление на 0,1 ppm в день (приблизительно соответствует значениям, которые могут встречаться в типичных рифовых аквариумах, где в течение нескольких месяцев нитрат может накапливаться до 5-10 ppm). Эта модель достаточно хорошо описывает то, что может происходить в рифовом аквариуме, где начальная концентрация нитрата равна 0 ppm.
Рисунок 2. Концентрация нитрата как функция времени при подменах воды 0% (без подмен), 7,5%, 15% и 30% от общего объема каждый месяц. В этом примере нитрат присутствует на уровне 0 ppm в начале, и накапливается со скоростью 0,1 ppm в день, когда вода не меняется.
На рисунке 3 показана гибридная модель, в которой уровень нитратов изначально высок (100 ppm), и им разрешено накапливаться с той же скоростью, что и на рисунке 2 (0,1 ppm в день). В этом случае совершенно ясно, что смена воды может полезно ограничить концентрацию нитратов. Предположительно, именно такая ситуация является движущей силой подмен воды во многих аквариумах только для рыб, где накопление нитратов является основной проблемой, где другие методы экспорта азота используются не так часто, как в рифовых аквариумах, и где особенно низкий уровень нитратов может быть не столь критичен, как в рифовом аквариуме. Очевидно, что большие подмены воды гораздо эффективнее, чем меньшие, при фиксированном количестве таких подмен. Подмена 30% в месяц дает концентрацию нитратов всего 9 ppm через год, в то время как подмена 7,5% в месяц дает концентрацию нитратов 64 ppm через год.
Рисунок 3. Концентрация нитратов в зависимости от времени при подмене воды на 0% (без подмен), 7,5%, 15% и 30% от общего объема каждый месяц. В данном примере нитрат присутствует на уровне 100 ppm в начале, и накапливается со скоростью 0,1 ppm в день, когда вода не меняется.
Именно такой анализ, к сожалению, привел некоторых аквариумистов к выводу, что небольшие подмены воды не очень полезны. Да, фиксированное число небольших подмен воды не так полезно, как такое же фиксированное число больших подмен. Но нет никаких причин для того, чтобы количество подмен было фиксированным. В следующих разделах подробно описано, как меньшие подмены при одинаковом общем объеме новой воды почти так же эффективны, как и большие.
Размер подмен воды: Общий случай
Как было показано в предыдущем разделе, фиксированное число небольших подмен воды не так полезно, как такое же фиксированное число больших подмен. Однако для аквариумиста, который хочет делать подмены воды, решение о том, как менять воду, не должно определяться только этим анализом. Вывод такого анализа будет иным, если предположить, что аквариумист имеет фиксированный объем воды для подмены и просто решает, как это сделать.
Например, при аквариуме объемом 100 галлонов и цели менять 30 галлонов каждый месяц, можно рассмотреть вариант замены 30 галлонов один раз, 15 галлонов два раза, 10 галлонов три раза, 5 галлонов шесть раз или 1 галлон 30 раз. В крайнем случае, можно представить, что бесконечно малое количество воды можно менять бесконечно большое количество раз, в итоге израсходовав все 30 галлонов (я действительно делаю это в своем аквариуме, как я объясню).
Аквариумисты часто думают, что много маленьких подмен не так эффективны, как одна большая подмена, поскольку часть воды во всех последующих подменах уже была заменена предыдущими. Это правильное утверждение, но его часто преувеличивают. После трехкратного изменения 10%, только 10% от первого изменения 10% было изменено во второй раз (1% от общего количества). Таким образом, разница невелика. Математически мы можем рассчитать эффективность таких изменений следующим образом. Если мы используем наш пример с 30%, то одна 30%-ная замена удаляет 30% примесей, предполагая равномерное распределение примесей в воде. Если мы сделаем шесть 5%-ных изменений, то уменьшение количества примесей = 1-(0,95) 6 = 26,5%. Таким образом, это менее эффективно (шесть 5%-ных изменений точно равны 26,5%-ным изменениям в одной партии), но это не радикально менее эффективно. Если перейти на меньший уровень, то разница будет еще меньше. При 30 однопроцентных изменениях удаляется 1-(0,99) 30 = 26,0% примесей.
Крайний случай бесконечно малой замены воды, производимой бесконечно большое количество раз, приближается к непрерывной замене воды, при которой вода добавляется точно с той же скоростью, с какой она удаляется. Детали того, как это сделать механически, описаны ниже. Этот случай является стандартным примером в учебниках по высшей математике (в частности, по дифференциальным уравнениям). Если предположить, что аквариум хорошо перемешивается при смене воды, то оставшиеся примеси определяются следующим образом:
где I – количество присутствующих примесей, I o количество, присутствующее в нулевой момент времени, e – константа 2,71828, C – количество измененной воды, а T – общий объем аквариума. Таким образом, для 30 галлонов, замененных таким образом в 100-галлонном баке, оставшееся количество примесей в 0,74 раза больше I o или 25,92%.
В приведенной ниже таблице сравниваются эти результаты для 30%-ной замены воды, выполненной с помощью различных меньших замен. Очевидно, что единственная 30%-ная подмена немного лучше других (70% против 72-74% остатка исходных примесей), но разница довольно мала, а разница между остальными по эффективности ничтожна.
Source: reefkeeping.com