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五个最重要的水质参数

2 years ago

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氧气

氧气对于参与水生动物的所有三种生物来说都是必不可少的;植物、鱼类和硝化细菌都需要氧气才能生存。 DO 水平描述水中的分子氧量,以毫克/升为单位。 这是水质参数对水生物具有最直接和最严重的影响。 事实上,鱼类在鱼缸内暴露于低溶氧物时,可能会在数小时内死亡。 因此,确保足够的溶氧水平对于水生动物来说至关重要。 虽然监测溶解氧浓度非常重要,但它可能具有挑战性,因为精确的溶氧化物测量装置可能非常昂贵或难以找到。 小型单位往往只需依靠经常监测鱼类行为和植物生长情况,并确保水泵和空气泵不断循环和给水充气就足够了。

氧气从大气中直接溶解到水面。 在自然条件下,鱼类可以在这种水中生存,但在鱼类密度较高的密集型生产系统中,这种溶氧化物的扩散量不足以满足鱼类、植物和细菌的需求。 因此,需要通过管理战略来补充指定指定指定书。 小规模水上乐器的两个策略是使用水泵创建动态水流,以及使用在水中产生气泡的曝气器。 水的运动和曝气是每一个水生装置的关键方面,它们的重要性怎么强调都不过分。 这些主题,包括设计方法和冗余方法,将在第 4 章中进一步讨论。 每个生物体的最佳溶解氧浓度为 5-8 毫克/升(图 3.3)。 一些鱼类,包括鲤鱼和罗非鱼,可以耐受低至 2-3 毫克/升的溶氧化物浓度,但水生鱼的浓度更高要安全得多,因为所有这三种生物都要求在水中使用溶氧氧化物。

水温和 DO 具有独特的关系,可以影响水生食品生产。 随着水温升高,氧的溶解度降低。 换句话说,水容量随着温度的增加而减少;温水保持

氧气比冷水少(图 3.4)。 因此,建议在温暖的地方或在一年中最热的时候使用气泵增加曝气,特别是在饲养细腻的鱼时。

pH 值

掌握 pH 值的一般知识对于管理水生子系统非常有用。 溶液的 pH 值是衡量溶液在 1 到 14 的规模上的酸性或碱性。 pH 值 7 是中性的;低于 7 的任何物质都是酸性的,而高于 7 的任何物质都是基本的。 术语 pH 值被定义为溶液中氢离子(H + )的量;氢离子越多,酸性就越高。

pH 规模的两个重要方面如图 3.5 所示。

-pH 值为负值;pH 值为 7,氢离子比 pH 值 6 少。

-pH 值为对数值;pH 值为 7 的氢离子比 pH 值 6 少 10 倍,比 pH 值 5 少 100 倍,而且比 4 的 pH 值少 1 000 倍。

例如,如果水生子单元的 pH 值记录为 7,稍后将该值记录为 8,则现在水中自由相关的 H + 离子少十倍,因为尺度为负值和对数值。 重要的是要注意 pH 值尺度的对数性质,因为它不一定是直观的。 对于前面的例子,如果稍后的读数显示 pH 值为 9,则问题将会更糟 100 倍,因此超临界性,而不是仅仅差两倍。

pH 值的重要性

水的 pH 值对水生动物的各个方面有重大影响,尤其是植物和细菌。 对于植物来说,pH 值控制植物获得微量营养素和大量营养素的机会。 在 pH 值为 6.0-6.5 的情况下,所有的营养物质都很容易获得,但在这一范围之外,植物很难获得营养物质。 事实上,pH 值为 7.5 会导致铁、磷和锰的营养缺乏。 这种现象被称为营养封锁,在第 6 章中讨论。

硝化细菌遇到 pH 值低于 6 的困难,在酸性、低 pH 值条件下,细菌将氨转化为硝酸盐的能力会降低。 这可能导致减少生物滤滤,并因此细菌降低氨转化为硝酸盐,氨水平可以开始增加,导致系统不平衡,给其他生物体带来压力。

鱼类的 pH 值也具有特定的公差范围,但水生鱼类中使用的大多数鱼类的 pH 值耐差范围为 6.0-8.5。 然而,pH 值影响氨对鱼的毒性,pH 值越高导致毒性更高。 第 3.4 节更充分地讨论了这一概念。 总之,理想的水生水是微酸性的,最佳 pH 值范围为 6-7。 这个范围将保持细菌的高生产能力,同时使植物能够充分获得所有基本的微量营养素和大量营养素。pH 值在 5.5 至 7.5 之间需要管理人员注意和操作,第 3.5 节和第 6 章中讨论的缓慢和测量手段。 然而,低于 5 或 8 的 pH 值可能很快成为整个生态系统的一个关键问题,因此需要立即予以关注。

有许多生物和化学过程发生在水生生物系统中,影响水的 pH 值,有些比其他过程更为明显,包括:硝化过程;鱼放养密度;浮游植物。

硝化过程

细菌的硝化过程自然降低了水生系统的 pH 值。 随着细菌在氨转化为硝酸盐的过程中释放氢离子,硝酸过程中产生了弱浓度的硝酸。 随着时间的推移,水生系统将逐渐变得更加酸性,主要是由于这种细菌活动的结果。

鱼放养密度

鱼类的呼吸或呼吸将二氧化碳 (CO 2 ) 释放到水中。 这种二氧化碳降低 pH 值,因为二氧化碳在接触水时自然转化为碳酸(H 2 CO 3 )。 该单位的鱼放养密度越高,释放的二氧化碳就越多,从而降低总体 pH 值。 当鱼类更活跃时,例如在温度较高时,这种效果会增加。

浮游植物

鱼类的呼吸通过将二氧化碳释放到水中来降低 pH 值;反之,浮游生物、藻类和水生植物的光合作用可去除水中的二氧化碳并提高 pH 值。 藻类对 pH 值的影响遵循日常模式,其中 pH 值在白天随着水生植物光合作用和去除碳酸而升高,然后在植物呼吸和释放碳酸的过夜下降。 因此,pH 值在日出时是最小的,在日落时最大值。 在标准 RAS 或水生系统中,浮游植物水平通常较低,因此每日 pH 周期不受影响。 然而,一些水产养殖技术,如池塘养殖和一些鱼类养殖技术,故意使用浮游植物,所以监测时间应该明智地选择。

# 温度

水温会影响水生系统的各个方面。 总体而言,一般的妥协范围为 18-30 °C,温度对溶氧化物以及氨的毒性(电离)都有影响;高温的溶氧化物较少,工会化(毒性)氨也更多。 此外,高温可以限制钙在植物中的吸收。 应选择鱼类和植物的组合,以匹配系统所在位置的环境温度,改变水的温度可能是非常耗能和昂贵的。 温水鱼(如罗非鱼、鲤鱼、鲶鱼)和硝化细菌在 22-29 °C 的较高水温下生长,一些流行的蔬菜如秋葵、亚洲卷心菜和罗勒也是如此。 相反,一些常见的蔬菜,如生菜、瑞士甜菜和黄瓜,在 18-26 °C 较低的温度下生长得更好,而鳟鱼等冷水鱼不能容忍高于 18°C 的温度。关于植物和鱼类生产的报告, 以及关于 12 种流行蔬菜的关键种植信息的附录 1.

虽然最好选择已经适应当地气候的植物和鱼类,但有管理技术可以尽量减少温度波动并延长生长季节。 如果日常,日夜,温度波动最小,系统也更高效。 因此,所有鱼缸、水培装置和生物过滤器中的水面本身应该使用遮阳结构遮蔽太阳。 同样,无论何地出现凉爽的夜间温度,均可使用绝缘保护装置进行热保护。 另外,还有一些方法可以使用温室或带有卷绕农业管道的太阳能进行被动加热,这些方法在温度低于 15°C 时最有用;第 4 章和第 9 章对这些方法作了更详细的介绍。

还有可能采取一种鱼类生产战略,以应对冬季和夏季之间的温度差异,特别是在冬季平均气温低于 15 摄氏度超过 3 个月的情况下。 一般来说,这意味着冬季生长适应寒冷的鱼类和植物,随着春天的温度再次攀升,该系统将改为温水鱼类和植物。 如果这些方法在寒冷的冬季不可行,也可以简单地在冬季开始时收获鱼类和植物,并关闭系统直到春天。 在温度极高的夏季(超过 35 °C),必须选择适当的鱼类和植物来生长(见第 6 章和第 7 章),并遮蔽所有容器和植物的生长空间。

总氮:氨、亚硝酸盐、硝酸盐

氮是第四个关键的水质参数。 它是需要所有的生命,和所有蛋白质的一部分。 氮最初从鱼饲料进入水生生态系统,通常标记为粗蛋白质,并以百分比计量。 其中一些蛋白质被鱼类用于生长,其余的是由鱼作为废物释放。 这种废物主要是氨 (NH 3 ) 的形式,并通过鳃和尿液释放。 固体废物也被释放,其中一些通过微生物活性转化为氨。 然后,这种氨被细菌硝化,第 2.1 节讨论,然后转化为亚硝酸盐(NO 2 -)和硝酸盐(NO 3 -)。 虽然氨和亚硝酸盐的毒性比硝酸盐大约高 100 倍,但在某些浓度下,氮废物对鱼类有毒。 虽然氮化合物对鱼类有毒,但对植物有营养,而且确实是植物肥料的基本组成部分。 所有三种形式的氮(NH 3 、NO 2 和 NO 3 - )都可以被植物使用,但硝酸盐是迄今为止最容易获得的。 在具有充分生物滤清功能的全面水生生物装置中,氨和亚硝酸盐水平应接近零,或者最多为 0.25-1.0 毫克/升。 生物过滤器中存在的细菌应将几乎所有的氨和亚硝酸盐转化为硝酸盐,然后才能发生任何积累。

高氨的影响

氨是有毒的鱼。 罗非鱼和鲤鱼可以显示出氨中毒的症状,水平低至 1.0 毫克/升。 长时间接触超过这一水平,将对鱼类的中枢神经系统和鳃造成损害,导致失去平衡、呼吸受损和抽搐。 鳃的损害通常表现为红色和鳃上的炎症,将限制其他生理过程的正常运作,导致免疫系统抑制,并最终死亡。 其他症状包括身体上的红色条纹,昏睡和喘气表面的空气。 在氨水平较高的情况下,会立即产生影响,许多人死亡可能会迅速发生。 然而,较长一段时间内的水平较低仍然可能导致鱼类压力、疾病发病率增加和鱼类流失增加。

如上所述,氨毒性实际上取决于 pH 值和温度,其中 pH 值和水温越高,氨的毒性更大。 化学上,氨可以以两种形式存在于水中,电离化和工会化。 这两种形式加在一起被称为总氨氮 (TAN),水检测试剂盒无法区分这两种形式。 在酸性条件下,氨与多余的氢离子结合(低 pH 值意味着高浓度的 H + ),并变得更少的毒性。 这种离子形式被称为铵。 然而,在基本条件下(高 pH 值,高于 7),没有足够的氢离子,氨仍然处于毒性更高的状态,即使是低水平的氨也会对鱼类造成极大的压力。 这个问题在温水条件下更加严重。

硝化细菌的活性在氨水的高水平下降。 氨可作为抗菌剂使用,在高于 4 毫克/升的水平下,它会抑制和大幅降低硝化细菌的有效性。 当一个小尺寸的生物过滤器被氨淹没,细菌死亡,氨增加甚至更多时,这可能导致一种指数级恶化的情况。

高亚硝酸盐的影响

亚硝酸盐对鱼有毒。 与氨类似,鱼类健康问题可能会出现,浓度低至 0.25 毫克/升。 高水平的 NO 2 - 可以立即导致鱼类快速死亡。 同样,即使在较长时期内较低的水平也可能导致鱼类压力增加、疾病和死亡。

NO 2 的毒性水平 - 防止氧气在鱼的血液中的输送,这会导致血液变成巧克力棕色,有时被称为 “褐血病”。 这种效果也可以在鱼鳃中看到。 受影响的鱼类表现出类似于氨中毒的症状,特别是在鱼类似于缺氧的情况下,即使在溶氧浓度高的水中,也可以看到表面喘气。 第 7 章更详细地介绍了鱼类健康。

高硝酸盐的影响

硝酸盐是一种远低于其他形式的氮的毒性。 它是最容易获得的氮的植物形式,硝酸盐的生产是生物过滤器的目标。 鱼类可耐受高达 300 毫克/升的水平,有些鱼的耐受水平高达 400 毫克/升。 高浓度(\ > 250 毫克/升)将对植物产生负面影响,导致植物过度生长和叶片中硝酸盐的危险积累,这对人类健康是危险的。 建议将硝酸盐水平保持在 5-150 毫克/升,并在浓度较高时交换水。

水硬度

最终的水质参数是水硬度。 硬度有两种主要类型:一般硬度 (GH) 和碳酸盐硬度 (KH)。 一般硬度是水中正离子的测量。 碳酸盐硬度,也称为碱度,是衡量水的缓冲能力的一种尺度。 第一种硬度不会对水生工艺产生重大影响,但 KH 与 pH 值有着独特的关系,值得进一步解释。

一般硬度

一般硬度基本上是水中存在的钙(Ca 2+ )、镁(Mg 2+ )以及较小程度上铁(Fe + )离子的数量。 它以百万分之一(相当于每升毫克)计量。 高 GH 浓度存在于水源中,例如石灰石含水层和/或河床,因为石灰石基本上是由碳酸钙组成的 (CaCo 3 )。 Ca 2+ 和 Mg 2+ 离子都是必不可少的植物营养物质,当水流过水培成分时,它们会被植物吸收。 雨水具有低水硬度,因为这些离子在大气中没有发现。 硬水可以是一个有用的微量营养素的来源,对生物体没有任何健康影响。 事实上,钙在水中的存在可以防止鱼类失去其他盐类,并导致更健康的股票。

碳酸盐硬度或碱度

碳酸盐硬度是在水中溶解的碳酸盐(CO 3 2-)和碳酸氢盐(HCO 3 -)的总量。 它还以毫克 CaCO 3 每升的毫克为单位。

一般来说,水在 121-180 毫克/升的水平上被认为具有较高的 KH 值。 来自石灰岩基岩井/含水层的水通常具有大约 150-180 毫克/升的高碳酸盐硬度。

水中的碳酸盐硬度会影响 pH 值。 简单地说,KH 作为降低 pH 值的缓冲液(或阻力)。 水中存在的碳酸盐和碳酸氢盐会与任何酸释放的 H + 离子结合,从而从水中去除这些游离的 H + 离子。 因此,即使酸中的新 H + 离子被添加到水中,pH 值也会保持不变。 这种 KH 缓冲非常重要,因为 pH 值的快速变化会给整个水生态系统带来压力。 硝化过程产生硝酸(HNO 3 ),如第 3.2.2 节所述,硝酸在水中分离氢离子(H + )和硝酸盐(NO 3 -)的两个成分,后者用作植物的营养来源。 然而,如果有足够的 KH,水实际上并不会变得更加酸性。 如果水中没有碳酸盐和碳酸氢盐,那么水中的 pH 值会很快下降。 KH 在水中的浓度越高,它作为 pH 缓冲液的时间越长,以保持系统稳定,防止硝化过程引起的酸化。

下一节将更详细地介绍此过程。 这是一个相当复杂的过程,但对于水生(或其他无土培养)从业者来说,这一点非常重要,因为 pH 操纵将成为单位管理的重要组成部分,因为这是一个非常复杂的过程。 第 3.5 节包含 pH 值操作的具体技术。 扩展描述后面的摘要将列出所有从业者必须了解的硬度。

如上所述,水生单元中的恒硝化过程会产生硝酸并增加 H + 离子的数量,这将降低水中的 pH 值。 如果不存在碳酸盐或碳酸氢盐来缓冲水中的 H + 离子,则随着更多的 H + 离子被添加到水中,pH 值会迅速下降。 碳酸盐和碳酸氢盐,如图 3.6 所示,结合从硝酸释放的氢离子(H + ),并通过平衡 H + 的剩余量和碳酸的生产来保持恒定的 pH 值,这是一种非常弱的酸。 H + 离子仍然与该化合物结合,并且在水中不自由。 图 3.7 更详细地显示了与硝酸发生的粘接过程。

对于水生物来说,必须始终存在一定浓度的 KH 浓度,因为它可以中和自然产生的酸,并保持 pH 值恒定。 如果没有足够的 KH,该单位可能会发生快速的 pH 值变化,这将对整个系统,尤其是鱼类产生负面影响。 然而,KH 存在于许多水源中。 用这些来源的水补充单位也可以补充 KH 的水平。 然而,KH 中的雨水较低,在雨水系统中,添加碳酸盐的外部来源是有益的,如下所述。

关于硬度的基本要点汇总

一般硬度 (GH) 是正离子的测量,特别是钙和镁。

碳酸盐硬度 (KH) 测量缓冲 pH 值的碳酸盐和碳酸氢盐的浓度(产生抗 pH 值变化)。 硬度可根据水硬度尺度进行分类,如下所示:

两种水生物硬度类型的最佳水平约为 60-140 毫克/升。 检查单元中的含量并不重要,但重要的是,用于补充单元的水含有足够的 KH 浓度,以便继续中和硝化过程中产生的硝酸,并将 pH 值缓冲在最佳水平(6-7)。

| ** 水硬度分类 ** | ** 毫克/升 ** | | — | — | | 软 | 0-60 毫克/升 | | 中等硬度 | 60-120 毫克/升 | | 硬度 | 120-180 毫克/升 | | 非常硬 |\ > 180 毫克/升 |

  • 资料来源:联合国粮食及农业组织,2014 年,克里斯托弗·萨默维尔、莫蒂·科恩、爱德华多·潘塔内拉、奥斯汀·斯坦库斯和亚历山德罗·洛瓦泰利,小规模水生粮,http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf。 经许可复制。 *

Food and Agriculture Organization of the United Nations

http://www.fao.org/
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