Ультрафиолетовый стерилизатор в аквариуме (UV-filter)

• Для чего нужен UV?
• Принцип работы и используемые типы ламп
• Правила безопасности
• Кого и чем убиваем
• Расчет мощности фильтра - теория
• Выбор мощности фильтра - практика

Обратите внимание на copyright параграф выше. В отличие от большинства материалов данный раздел запрещен к распространению без моего предварительного согласия

---

 

 

Для чего нужен UV?

Данный вид фильтрации предназначен для обеззараживания воды от болезнетворных бактерий и организмов (например, protozoa, вызвающий ихтиофтириоз - белая сыпь на теле рыбы), а также для борьбы с водорослями (например, с "зеленой водой"). Подобный фильтр можно отнести к hi-tech оборудованию, которое необязательно для успешного содержания аквариума. Главным залогом успеха является правильный выбор мощности фильтра и скорости протекающей через него воды. В противном случае фильтр будет неэффективным. Данный фильтр является более простым в эксплуатации устройством, чем используемые для обеззараживания воды озонаторы (они и не только для обеззараживания используются). Помимо достоинств, UV-фильтр имеет и недостатки, например, многие органические соединения, такие как антибиотики, соединения с железом, используемые для подкормки растений могут разлагаться под действием UV-излучения. Однако, мой использования UV-фильтра показал отсутствие подобных проблем.

к началу страницы  назад к оглавлению

Принцип работы и используемые типы ламп

Такой фильтр-стерилизатор обычно выполняется в двух видах:

• Лампа помещена в закрытую трубу, через которую прокачивается вода - наиболее распространенный и практичный тип фильтра
• Вода протекает через кювету, над которой закреплена лампа в рефлекторе. Менее удобный тип фильтра, но позволяет не думать о герметизиции и т.д. При использовании такого фильтра соблюдение правил безопасности особенно важно, поскольку лампа не закрыта слоем воды

В качестве лампы используется люминесцентная лампа, генерирующая излучение в диапазоне 250нм, который наиболее губителен для микроорганизмов (UV-C диапазон). В принципе, это та же самая лампа, что обычная, но не покрытая слоем люминофора, который преобразует UV-излучение в видимое.

Для включения этих ламп используются обычные схемы зажигания люминесцентных ламп. Лампы бывают двух типов:

• С холодным катодом (cold cathode). Обычно лампы имеют диаметр T5 (16мм) и выпускаются на несколько мощностей с 12 до 30Вт. Для них используется схема зажигания instant start, поэтому они могут работать в диапазоне низких температур (например, в холодильниках). Эти лампы бывают двух типов - с генерацией озона (High ozone, имеют букву H) и без (Low-ozone имеют букву L в обозначении). Вторые имеют колбу из стекла, которое не пропускает излучения на длине волны 185нм, генерирующее озон. Не используйте лампу, генерирующую озон, без надобности. Неконтролируемое использование озона в аквариуме может привести к печальным последствиям. Дыхание избыточным озоном вредно для организма человека. Food and Drag Administration запрещает использование устройств, которые выделяют более чем 0.05 ppm озона в закрытых помещениях где находятся люди. Подумайте о себе прежде всего. Срок эксплуатации таких ламп составляет 17-20тыс. часов и не зависит от количества включений лампы.
• С горячим катодом (hot cathode) - выпускаются разных мощностей (4, 8, 15, 20: 25: 36Вт) и разных диаметров (T5-16mm, T8-25мм). Схема включения - или мгновенный поджиг (instant start) или обычная схема (со стартером или без). Срок эксплуатации таких ламп составляет 7.5тыс. часов и зависит от количества включений лампы.

к началу страницы  назад к оглавлению

Правила безопасности

Помимо обычных правил безопасности для работы с электричеством, следует соблюдать и следующие правила:

• Никогда не смотрите на лампу, которая излучает UV-излучение, Это может привести к серьезным повреждениям (в том числе и необратимым) сетчатки глаза. Обычные темные очки НЕ защищают от такого излучения. Используйте специальные очки. Можно смотреть на лампу через корпус фильтра (он обычно делается из белой пластмассы, чтобы было видно, когда лампа работает) или слой воды более нескольких сантиметров.
• Излучение от лампы вызывает ожоги, подобные солнечным, но гораздно быстрее.
• Не используйте лампы, генерирующие озон без надобности. Неконтролируемый озон в аквариуме приведет к гибели рыб (сжигает жабры). Озон в больших количествах вреден для человека. Подробнее об использовании озона написано отдельно.
• Если лампа погружена в воду, используйте заземление и защитное устройство, отключающее питание при утечке тока на землю. Такое защитное устройство рекомендуется использовать в любых электричсеких приборах, которые используются в аквариуме.

к началу страницы  назад к оглавлению

Кого и чем убиваем

Доза (zap dosage) измеряется в мкВт с/см². Некоторые значения приведены в таблице (из R. Legan "UV disinfection chambers require custom designing", Water and Sewage works, 1980)

Организм	Доза мкВт с/см2
Бактерии
Bacillus sp.	2500-11000
Dysentery bacilli	4200
E. Coli (она обычно используется для эффективности работы системы)	6600
Salmonella sp.	7500-15000
Различные микроорганизмы
Дрожжи	6600-8800
Penecillium sp.	25000-90000
Вирус - Bacteriophage	6600
Вирус - Influenza	6800
Chrlorella vulgaris (водоросль)	22000
Protozoa (амебы) - Nematode Eggs	92000
Грибок -Fungi	45000
Вирус тобачной мозаики	440000

Как видно спектр доз очень широк и намного больше чем аналогичные дозы для сухого воздуха. Обьясняется это тем, что бактерии во влажном воздухе и воде могут выдержать гораздно большую дозу радиации чем в сухом воздухе

Для простоты можно разделить организмы на три группы:

Тип организма	Доза (мкВт с/см2)
Бактерии и вирусы	12000
Водоросли	25000
Protozoa (амебы)	60000

 

Соответственно, выбор мощности фильтра надо делать, исходя из группы организмов, которую необходимо убить.

к началу страницы  назад к оглавлению

Выбор фильтра - теория

В данном разделе рассмотрен расчет мощности фильтра. Для тех, кто не любит математику, ничего интересного тут нету и можно смело переходить к следующему разделу.

Как было уже сказано, выбор фильтра определяется величиной дозы. Эта величина зависит как от мощности лампы, так и от скорости протекания воды через фильтр.

Скорость протекания воды можно определить из условия, что рекомендуется, чтобы в сутки через фильтр проходило как минимум два обьема акварима (полагая средний период деления микроорганизмов - около 12 часов). В разделе про выбор фильтра была приведена формула, из которой следует, что 95% воды фильтруется за время, равное 3*Объем воды (литр)/Производительность фильтра (литр/час). Отсюда производительность фильтра равна 1/3 - 1/4 обьема аквариума в час. Обычно, имеет смысл поставить более мощную лампу и включать фильтр периодически, например, если ваш фильтр позволяет фильтровать обеьм аквариума в час, то 95% аквариумной воды будет отфильтрованы за 3 часа, Такой фильтр можно включать на 6 часов в сутки (например 3 часа утром и 3 часа вечером). В общем случае возмем:

T= c ^Va/_F

Здесь,
V_a - обьем аквариума (л)
F - производительность фильтра (л/час)

Диаметр фильтра определяется глубиной проникновения UV радиации в воду. Эффективная глубина проникновения UV излучения зависит от прозрачности воды и т.д. Philips Lihgting Handbook дает значения 5" для питьевой воды низкого качества (а аквариумная вода еще менее прозрачная), P. Escobal, ссылаясь на справочник GE, дает значение 2-3". Поэтому остановимся на среднем значении 2.5"=60 мм. Средний размер стерилизатора для небольших мощностей R_o=4 cм.

Время облучения воды равно:

t= ^Vf/_F

Здесь V_f - обьем фильтра (л)

V_f=3.14 Ro²L=0.05 L (л)

Здесь L - длина фильтра (лампы) в см.

Время облучения (в секундах):

t= ^{180 L}/_F (c)

Теперь немного математики. Предпложим, что лампа имеет бесконечную длину и ее радиусом можно пренебречь, т.е. оня является линейным источником излучения. В воде излучение поглощается и рассеивается. Это можно описать согласно закону Бугера:

W(R) = Wo e^{- k R/Ro}

Здесь:
W- поток UV излучения на расстоянии R от оси лампы в перпендикулярной плоскости.
Wo - мощность UV излучения на поверхности лампы
Ro = 4 см - радиус стерилизатора
k - безразмерный коэффициент поглощения и рассеяния излечния в воде

Плотность излучения (аналогичная освещенности для видимого излучения) на поверхности цилиндра радиусом r равна:

E(R) = ^W(R)/_{2 pi RL}

Теперь найдем среднюю плотность излучения по обьему фильтра. Это сделать несложно, проинтегрировав выражение для освещенности. Любители математики могут это сделать сами, не забыв про переход в полярные координаты. В итоге получается простая формула, поскольку мы предположили, что вся энергия поглощается внутри внутри воды и плотность излучения на стенках корпуса нулевая:

Eo = ^Wo/_{2 pi k RoL}

Примем коэффицент поглощения равным k=4 (тогда на расстоянии 5 см, поток излучения буедт равен 0.01 от исходного). В итоге:

E₀ = ^{105 Wo} /_L (мкВт/см²)

Доза облучения равна:

D = Eo t = 1.8 10^{6 Wo}/_F (мкВт c/см²)

Проивзодительность подставляется в л/ч.

Для фильтра производительностью F=100 л/ч определим дозу облучения для различных ламп. Данные вычислены для наиболее распространенных ламп с горячим катодом

Дозу для другой производительности фильтра можно получить по формуле:

D = D _F=100 ¹⁰⁰/_F

Аналогично оченивается доза и для фильтра другого диаметра

Максимальная производительность стерилизатора (округленные значения) дана в таблице. Максимальный обьем аквариума дается из условия, что 95% аквариумной воды проходит через фильтр два раза в сутки (производительность фильтра равна 1/3 обьема аквариума). Если объем аквариума меньше максимального6 то фильтр можно включать на меньшее время, либо число прогонов воды увеличиться и стерилизация будет более эффективной.

Мощность лампы (Вт)	Доза облучения (мкВт с/см2)	Максимальная производительность (л/ч)	Максимальный объем аквариума (л)
4	12000 (микрорг.)	90	270
	25000 (водоросли)	45	140
	60000 (амебы)	20	60
8	12000 (микрорг.)	220	650
	25000 (водоросли)	110	350
	60000 (амебы)	50	150
15	12000 (микрорг.)	550	1600
	25000 (водоросли)	270	800
	60000 (амебы)	110	350
25	12000 (микрорг.)	750	2200
	25000 (водоросли)	360	1100
	60000 (амебы)	150	450
30	12000 (микрорг.s)	1500	4500
	25000 (водоросли)	710	2100
	60000 (амебы)	300	900

Данный расчет не претендует на абсолютную точность и предназначен лишь для оценки параметров фильтра. Проверка расчета производилась путем сопоставления расчетных данных с данными, даваемыми производителями для своих фильтров.

к началу страницы  назад к оглавлению

Практический выбор фильтра

Как было показано выше (те, кто пропустил этот раздел, могут поверить на слово), при выборе фильтра важны два параметра:

• Мощность
• Максимальная производительность.

Как понятно, чем мощнее фильтр, тем больше дозу получает вода, проходя через фильтр. Максимальная производительность выбирается из условия, чтобы вода получала заданную дозу. Понятно, что чем больше производительность фильтра, тем меньшее время вода находится внутри фильтра, тем меньше получаемая доза.

С другой стороны, производительность фильтра должна быть такова, чтобы весь обьем аквариума прошел несколько раз в сутки через фильтр. В разделе про выбор фильтра была приведены формулы для расчета производительности фильтра. В среднем можно принять удовлетворительным условия прохождения 95% аквариумной воды два раза в сутки. При этом производительность фильтра составляет 1/3-1/4 обьема аквариума в час. Если фильтр рассчитан на большую производительность, то его включать через таймер.

Не имеет смысла брать маленькие фильтра мощностью 4 или 6 Вт. Их придется использовать круглосуточно, что приведет к более частой замене лампы, что в конечном итоге окажется более невыгодным, чем покупка более дорого мощного фильтра. Помимо повышенной дозы, он позволит держать его включенным не круглосуточно, а определенное количество часов. Это удлинит срок службы лампы. которое составляет около 7.5 тыс. часов для ламп с горячим катодом и 12-17тыс. для ламп с холодным катодом.

Мощность и производительность фильтра выбирайте в зависимости от типа убиваемых организмов по таблицам выше или по рекомендациям изготовителя. Помните, что все данные ориентировочные и со временем эффективность лампы падает, за счет ее старения, загрязнения стекла колбы и т.д. Если производительность недостаточна для вашего аквариума, то можно соединить несколько фильтров последовательно.

Внешне большинство фильтров представляют собой закрытую непрозрачную трубу, через которую протекает вода и куда вставляется лампа

Некоторые фильтры делаются с лампами, помещенными в кварцевую трубку, которая не дает воде контактировать со стеклом лампы, Такая защитная трубка имеет как достинства, так и недостатки:

• Она улучшает температурный режим работы лампы (мощность любой люминесцентной лампы падает, когда температура неоптимальная) и позволяет использовать лампы в холодной воде. Обязательно используйте такую трубку в холодноводном аквариуме, при температуре воды меньше 18-20C, в противном случае температура будет недостаточная для эффективной работы лампы.
• Такая трубка облегчает герметизацию фильтра и упрощает процедуру смены лампы, поскольку отпадает необходимость во всякого рода резиновых уплотнителях.
• Со временем трубка покрывается грязью и ее необходимо чистить.
• Если вы используете такую трубку, то убедитесь, что она выполнена из кварца который пропускает UV излучение.

Стерилизатор следует включать после фильтра, осуществляющего механическую фильтрацию. например после внешнего фильтра. Засорение стерилизатора грязью и органикой приведет к снижению его эффективности. Если ваш фильтр имеет производительность большую, чем максимальная производительность стерилизатора - поставьте разветвитель после фильтра, который будет пропускать только часть воды через стерилизатор.

Несколько слов о выборе мощности фильтра, размещаемого над кюветой с водой. Данные взяты из Philips Lighting handbook для глубины проникновения излучения в воду 5 см. Дозы даны для микроорганизма E. Coli (6600 мкВт с/см²). Для другой дозы можно легко пересчитать.

Мощность лампы (Вт)	Максимальная производительность (л/ч)
10	320
30	630

О самодельных фильтрах. В принципе сделать его несложно. Электрическая схема питания абсолютно идентична схеме питания обычной люминесцентной лампы. Следует обратить внимание на герметизацию фильтра и обязательное его заземление через специальныое предохранительное устройство, которое отключает питение при утечке тока на земляной провод. Не используйте ламп, изготовленных из ртутных или подобных ламп, у которых удалена внешняя колба. Такая лампа не дает необходимого бактерицидного излучения, не работает в оптимальном температурном режиме (внутренная колба должна быть нагрета до опеределенной температуры), взрывоопасна и т.д. К тому же, многие современные лампы сделаны так, что они не включаются при повреждении внешней колбы

 

Форум - обсудить эту статью, дополнить и т.д.

к началу страницы  назад к оглавлению