半熟鸟大讲堂——DyMiCo系统详解(二)

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楼主 2021-04-05 09:50:16
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半熟鸟大讲堂——DyMiCo系统详解(一)

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过滤 - 对浮游生物的惩罚?

虽然我们清楚许多珊瑚礁生物都靠浮游生物为生,但是提供它的最好办法就是不要用过滤。大部分海水系统都与海洋切断,靠一个泡沫分离器(蛋分)来维持水质。用吸液器或喷射泵头将水和空气混合,制造微细气泡将有机废液从系统中移除然后凝结在盛杯中。这道工序在海水中尤其有效因为海水的表面张力更强,能产生很细小的泡沫并高效移除有机废物。虽然泡沫分离器在养殖鱼类和珊瑚等无脊椎动物方面值得肯定,但对那些非常依赖浮游生物的动物就不那么走运了。在很大程度上这可能要归咎于泡沫分离器的破坏天性。问题显而易见,就是因为对小生物的机械破坏和移除,才导致了浮游生物的缺失。其他的过滤设备比如砂滤器,生物过滤池等这些拥有很高的水处理量的设备,可能都有同样的问题。有专家证实了一个具有泡沫分离器的鱼缸比珊瑚礁的天然海水细菌浓度低了大约一个数量级。那么,我们如何才能模拟自然在维持良好水质的同时拥有许多浮游生物呢?

幸运的是,一个新技术的诞生让这个问题有了答案——DyMiCo(Dynamic Mineral Control)动态矿物控制法。

维持活水 - 动态矿物控制法

因为在大部分系统中泡沫分离器,砂滤池和密密麻麻的生物过滤池都不能满足许多(无)脊椎动物所需的微生物“营养汤”,需要用另一种手段。大约在2000年,一家叫EcoDeco的小公司以一个非常老的idea为基础开始着手一个新的概念。这家公司想通过利用海洋中的生物地球化学过程的自然原理做点不一样的东西出来。EcoDeco公司的建立者和CEO,Peter Henkemans,想着手开发一个新奇的过滤系统,可以做到简单,有效,和最重要的一点:原生态。使用这个系统的最终目的是养殖濒危灭绝的珊瑚和其他海洋生物,他创造了DyMiCo这个技术并为此申请了专利。现在十多年过去了,好几个使用EcoDeco技术的机构都有了令人信服的结果,几乎不需要换水也不需要机械的过滤,这些系统仍生机勃勃,它到底是怎么做到的呢?

DyMiCo基于以下原理:使用一个能动态地(Dy)响应系统的反硝化反应堆,使得像硝酸盐、磷酸盐这类矿物质(Mi)能得到控制(Co)。用更基本的术语来说,这项技术就是一个计算机控制的反硝化反应堆。DyMiCo监视并控制着在反应堆中的生物化学反应过程的两大参数:氧化还原电位(ORP)和酸碱度(pH),通过流经反应堆的所谓的“间隙水”来测量两者的数值。计算机能不断地调整被拉进反应堆做反硝化反应的水量,因为它可以从反应堆中的ORP和pH探头中得到反馈。而且它还能控制往反应堆中注射有机碳的用量,从而通过细菌的新陈代谢来操控ORP值。这也阻止了碳对异养反硝化细菌的限制,因为后者需要碳源(含碳化合物)来减弱硝酸盐。就像人类呼吸氧气一样,DyMiCo反应堆中的细菌从碳源中获取能量来“呼吸”硝酸盐。通过一系列的生物化学反应,硝酸盐最终转换成氮气从水柱中消失。

一个最基本的DyMiCo控制单元的周期由几个步骤组成:首先,通过一个抽水泵将含硝酸盐的水拉入反应堆,然后往反应堆中注入一道有机碳和二氧化碳的脉冲,用一个处理泵将两者均匀混合使其遍布反应堆。最后是一段停滞期,允许反应中的细菌减弱这批新鲜水带来的硝酸盐。这个周期持续不断的循环重复,根据反应中的间隙水的OPR和pH的读数来动态的调整。下面的图概述了DyMiCo背后的原理。

上图是DyMiCo原理的示意图,一个抽水泵把水抽到反应中,然后在反硝化反应之后把水返还到水柱中。用一个处理泵来确保碳和二氧化碳(需要发动一个碳泵和二氧化碳瓶)在反应中均匀混合。反应中的ORP和pH值由一台电脑自动控制,动态地调整碳、二氧化碳和水的输入,来确保最佳反硝化反应速率。使用一个冲洗泵来对系统进行反冲洗,达到清洁的目的。

在封闭系统中使用DyMiCo的最后结果是水很干净,还有大量浮游生物像端足目、等足目、桡足类、小虾和它们的幼虫。因而许多无脊椎动物像海绵、珊瑚虫和棘皮动物都能茁壮成长。在这个系统中大多情况下是不需要换水的。而且更棒的是DyMiCo系统的平均总耗电量可以媲美你现在正使用的台式电脑。标准模型可以用来过滤一个30,000L水的系统,总耗电量只要300瓦。硝酸盐的过滤介质(颗粒状氧化铁)或有机碳(活性炭)的移除也不用再做了,因为反应堆可以隔绝各种形式的无机磷和有机碳。在饲养密度较高的时候,发泡石可以用来防止水柱的pH值和氧浓度降低。

DyMiCo的主要组成部件是反应堆或沙床,位于黑色的泵槽的下方。反应堆的填充形式类似石灰石,能根据系统的容量和需求进行调整。这次的反应堆尺寸是1,000L大约是总系统容量的8%。

DyMiCo的第二个组成部件是悬浮在反应堆上方的泵槽。左边的处理泵为流经反应堆的内部水电路提供电力,来保证碳源和二氧化碳被传送和混合到沙床的任何一个角落。右边的抽水泵把干净的水返还给系统,产生低压来把富含硝酸盐的水抽吸到反应堆里来。两个探头用来测量反应堆中的间隙水的ORP和pH值然后把信息传达给计算机。

系统运行的最后一个部件是控制单元,一台可以从泵槽中安装的ORP和pH的探头中接受信息的电脑。碳源、二氧化碳和流经的水都要基于反应堆中测量出来的ORP和pH数值来进行调整。

典型的水质参数

DyMiCo被证实能生产出那些非常适合(包括无脊椎生物在内的)海洋生物养殖产业的水质参数。无机营养物质比如钙(Ca2+)和镁(Mg2+)的含量总是很高,因为反应堆的基层是石灰石,会向系统的水中慢慢溶解和释放这些元素。碱度,在这里被定义为海水能抵抗pH值变动的能力,通常也很高,原因也是一样的:碳酸氢根(HCO3-)和碳酸根(CO32-)粒子也同时被释放出来。对各类生物过程很重要的钾离子(K+)和微量元素比如碘(I-, IO3-),能通过高质量人工盐、换水和元素补充来维持。

图为在一个典型的DyMiCo系统中,钙(Ca2+)、钾(K+)、镁(Mg2+)的离子浓度(mg/L)和碱度(eEq/L)。误差线为标准方差(N=2)。

图为在一个典型的DyMiCo系统中,氨根(NH4+)、硝酸根(NO3-)、磷酸根(PO43-)的离子浓度(mg/L)。误差线为标准方差(N=2)。

浮游生物友好型水泵

一个相关的问题是关于水族箱水泵(更明确的来说是同流泵)的使用。这些设备产生的高压和空化可能会大面积地伤害常驻的浮游生物,从而使DyMiCo系统的“挽救浮游生物”的特性变得无效。尽管在当今市场上有在卖“浮游生物友好型水泵”,对家用水族箱来说还不够主流。这些泵目前被用于各种工业生产中,能在不影响内含颗粒的情况下抽动液体。

这个问题的一种解决方法是利用大型螺旋桨(推进器),在低转速下移动水柱。低转速的水泵让那些敏感的微粒比如浮游生物免受伤害,性价比很高。比如一个直径为30厘米的螺旋桨可以每小时大约转动50,000L水,耗电量仅30瓦。当然这个方法对家用水族箱不太适用,家用水泵通常被设计成小型而高转速。就拯救浮游生物而言,不会产生气压和空化的水泵可能在这类小系统中更具有重要价值。

图为一个改良的舷外马达,能以低能耗产生强大的水动力。而且能减少对浮游生物的伤害。

降尺度的DyMiCo

目前一个降低规模版本的DyMiCo系统正在被开发用于家用水族箱(英文原版刊登于Advanced Aquarist网站2012年2月刊,目前这个系统是否已经开发完成还需要做进一步的调查,国内能查到的相关信息很少,如果有海外的鱼油能提供相关信息请踊跃留言!)。假如在如此小的一个反应堆中能产生跟它的大号“兄弟”一样的结果,那么可能会对海洋水族馆爱好进行彻底改革。不仅仅是因为这个系统在能耗和用水方面更经济,而且它能大大改善对海洋生物的农业管理。鱼类、虾类、水母类养殖者也可能从中受益,因为这样的话,就不再需要水母箱来保护幼体免受杀害了。蛋白质分离器作为一个过滤设备,几十年来一直作为海洋水族馆爱好的“脊梁骨”,可能要在接下来的几年内失去它的地位了。我们可能会回到自然原理,最终依靠细菌和它们驱动的地球化学的过程来运作。

这篇文章旨在为读者提供一个对这个技术的概述,以及它到底能为水产养殖和水族馆爱好做点什么,因此并未解说有关DyMiCo系统的所有细节。在本系列的下一篇文章中,将会给大家展示使用这个技术的几个成功案例,请继续支持!


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