Теория Установок замкнутого водоснабжения (УЗВ) (водоподготовка)

Теория Установок замкнутого водоснабжения (УЗВ) (часть 1 водоподготовка)

В данный момент в Украине на фоне общей деградации отрасли рыбного хозяйства наблюдается устойчивый интерес к Установкам замкнутого водоснабжения (УЗВ). Причин для этого в основном две, основанные на желании руководителей рыбохозяйственных предприятий:

1. Сделать резкий финансовый рывок за счёт выращивания в контролируемой среде ценных дорогих видов рыб (осетровых, лососевых, сомовых, угрей).
2. Войти в рыбоводную элиту, которой подвластно высоко – технологическое производство.

Если по первому пункту желание понятно, то по второму пункту прослеживаются амбициозные желания, которые не подкреплены ничем: ни профессиональной подготовкой, ни соответствующими кадрами, ни финансовыми возможностями (в большинстве случаев).

Для того, чтобы не попасть в финансовую и моральную «халепу» всем желающим строить себе УЗВ необходимо уяснить:

1. УЗВ – это Высший пилотаж рыбоводства!
2. Не понимания всех тонкостей прудового и садкового рыбоводства нельзя делать следующего шага (это равносильно тому, что вы хотите писать роман, но при этом ещё не знаете азбуки).
3. Неудачи неподготовленных кадров при строительстве и эксплуатации УЗВ в той или иной степени приведут к финансовым, производственным, кадровым и моральным потерям с падением имиджа успешного хозяйства в отрасли.

Не лезьте на край пропасти! Да там красиво! Да там хочется летать! И если в рыбоводстве и в теории УЗВ вы ещё не имеете надлежащей подготовки – усмирите амбиции и отойдите!!! Учитесь и со временем, обреете «крылья уверенности» вернётесь в этот удивительно манящий Мир УЗВ!

Итак, начнём обретать уверенность в себе при проектировании своего УЗВ. Первое, что необходимо знать – это как должна быть устроена УЗВ.

УЗВ должно иметь следующие элементы:

1. Вода в УЗВ и 1 подготовка.
2. Бассейны для рыб.
3. Фильтр грубой очистки от экскрементов (отстойники, гидроциклоны, фильтры песочные, барабанные фильтры, прочие).
4. Биофильтр (на плавающей или тонущей загрузке, орошаемые, прочие).
5. Фильтр – отстойник для улавливания оторвавшегося от биофильтра активного ила.
6. Корректор рН (устройство корректировки рН после биофильтра).
7. Теплообменник (устройство коррекции температуры в УЗВ).
8. Устройство стерилизации воды (ультрафиолетовые лампы).
9. Устройство магнитной обработки вводы.
10. Устройство для дегазации отработанной технологической воды.
11. Устройство для структуризации воды.
12. Система введения чистого кислорода в технологическую воду УЗВ.
13. Запорное оборудования.
14. Циркуляционные насосы.
15. Измерительное оборудование (термометры, измерители рН, О2, прочие в зависимости от сложности УЗВ.)

Теперь поговорим о самой воде в УЗВ и какого качества она должна быть. Молекулы Н2О в воде довольно прочно связаны между собой и образуют характерную молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым разрушающим воздействиям: тепловым, механическим, электрическим.

Самым важным обстоятельством, объясняющим основные свойства воды, является структура жидкой воды как целостной системы для которой характерна упорядоченное размещение молекул воды. Именно в такой воде рыба чувствует комфорт, необходимый для здоровья и роста.

Действительно, структура воды в живом организме во многом напоминает структуру кристаллической решетки льда чем и объясняется уникальные свойства талой воды. Талая вода гораздо легче обычной вступает в реакцию с различными веществами, и организму не надо тратить добавочную энергию на перестройку ее структуры.

Известно, что биологические ткани на ≈ 80 % состоят из воды. Это позволяет предполагать, что многие физиологические явления могут отображать молекулярные особенности не только растворенного вещества, но в равной степени и растворителя — воды.

Вода — это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы H2О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры: непрерывные, смешанные модели структуры воды (двух и трехструктурные),  модели с заполнением пустот, кластерные и модели ассоциатов.

Смешанные модели: вода — это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности – кластеров.

Смешанной моделью структуры воды является модель, согласно которой вода состоит из трех различных типов структур, часть из которых зависит от температуры. Свойства и аномалии жидкой воды, возможно объяснить только на основе структуры воды более высокого порядка, т.е. сверхмолекулярной макроструктуры воды в виде ассоциации множества Н2О-молекул. В температурной области между 0°С и 60°С (область, в которой появляются аномалии воды) она имеет поликомпонентную структуру, которая превращает ее в своеобразный «коллоид». При повышении температуры в этой температурной области структура воды переходит 4 фазы таким образом, что в 4 температурных точках происходит внезапное изменение соотношений между компонентами этого «коллоида воды». Это температуры 15, 30, 45 и 60°С.

При 0 °С, структура воды состоит из небольшого количества (4 %) реликтов льда, небольшого количества (5 %) чистой жидкости и около 90 % мягкого льда, который представляет собора разжиженный кристалл. Таким образом, в целом при 0 °С вода представляет собой квазикристаллическое тело, которое пронизано полыми пространствами с рассеянными частичками льда и капельками воды (это структура жидкого льда на котором основана новая технология передержки свежей рыбы в жидком льду). В каждой из трех компонент воды имеется еще и 4-я компонента — вакуумная компонента, входящая в структуру воды.

В первой фазе (между 0 и 15°С) реликты льда исчезают и переходят в квазикристаллическую компоненту, так называемую К-компоненту. От 15 до 30 °С (особо важная для УЗВ область физических свойств воды при выращивании форели и других холоднокровных организмов) часть К-компоненты переходит в находящиеся в ней капельки жидкости, которые благодаря этому все более увеличиваются. При 30°С К-компонента распадается и часть ее вместе с капельками жидкости образует эмульсию  часть (эта процессы происходят в УЗВ, где выращиваются тепловодные рыбы, а также кормовые  организмы). Между 30 и 45 °С вода представляет собой чрезвычайно гибкое образование, которое состоит из квазикристаллических и жидких микрофаз, которые размещены в вакуумной компоненте (эта температурная область воды нужна нам для понимания процессов, которые происходят в теплообменниках УЗВ). Поэтому не случайно, что температура тела теплокровных (36-40 °С) находится в этой области, которая вследствие максимума структурных комбинаций, возможных в воде, обеспечивает живой материи максимум гибкости.

При 37,6 °С выравнивается значительное количество квазикристаллических частей воды. В этой температурной точке, что соответствует температуре тела здорового человека, вода имеет наивысшую степень гибкости и структурной гетерогенности (разнородности). Как раз при этой температуре структура воды имеет максимум своей памяти, которая основывается на практически бесконечном количестве возможностей комбинации квазикристаллических и жидких микрофаз. В этой точке является наименьшим и энергопотребление, которое необходимо для сохранения структуры воды. Таким образом структура воды определяет структуру мембран, органоидов и других компонентов клетки, обмен веществ в ней, все жизненные процессы.

По современным представлениям, такая структура в значительной мере определяется водородными связями, которые, объединяя каждую молекулу с ее четырьмя соседями, образуют весьма ажурную «тридимитоподобную» структуру с пустотами, превосходящими по размерам сами молекулы. Основное отличие структуры жидкой воды от льда — это более размытое расположение атомов в решетке, нарушение дальнего порядка.

Тепловые колебания приводят к изгибу и разрыву водородных связей. Сошедшие с равновесных положений молекулы воды попадают в соседние пустоты структуры и на некоторое время задерживаются там, так как пустотам соответствуют относительные минимумы потенциальной энергии. Это ведет к увеличению координационного числа и к образованию дефектов решетки, наличие которых обусловливает аномальные свойства воды. Координационное число молекул (число ближайших соседей) меняется от 4,4 при 1,5 °С до 4,9 при 83 °С.

Свойства воды определяются не только существованием каких либо ассоциатов молекул, но главным образом особенностью тетраэдрической структуры, в частности, ее ажурностью. Наполнение пустот соответствует появлению второго, более плотного структурного состояния воды.

При 25 °С заполнена половина всех пустот, однако по новейшим исследованиям оказывается, что эта доля совершенно ничтожна. При комнатной температуре в воде содержится всего 0,1 -0,2% «свободной» Н2О. Следовательно, пьете ли вы ледяную талую воду или воду при комнатной температуре, разницы практически никакой нет. А вот температура между 30 и 40°С действительно представляет большой интерес.

Вода имеет как бы две точки плавления: при 0 °С , когда она превращается в жидкость, и между 30 и 40 °С, когда под влиянием интенсивного теплового возмущения кристаллическая структура исчезает полностью. Значит, если бы мы хотели по каким-либо причинам деструктурировать воду, ее совсем не нужно кипятить. Процесс этот обратим и вода может стать снова структурной, лишь бы при охлаждении ниже 30-40 °С была на лицо кристаллическая затравка (во избежание переохлаждения).

 Недостатков в таких затравках внутри организма нет, и ничто не мешает воде при температуре ниже 30-40 °С быть структурной. Роль затравки могут играть поверхности различных компонентов клетки.  В 1948 году было доказано, что образование возле любых твердых поверхностей структурно упорядоченных слоев воды, распространяющихся далеко в глубь жидкой фазы — является общим свойством жидкостей.

Экспериментально установлено, что вода вблизи поверхностей кристалла слюды ведет себя не как вода, а как «жидкий лед», и зависимость ее диэлектрической постоянной от частоты тока сходно с соответствующими характеристиками льда. Толщина этих слоев около 1 мк. Стало быть, достаточно воде проникнуть в любую тесную щель, будь то пара листочков слюды электрического конденсатора или полости клетки (средний размер клетки 10 мк), как она упорядочивается и приобретает свойства жидкого кристалла.

Способностью структурировать воду обладают не только хорошо растворимые вещества, что было известно и ранее, но и слаборастворимые, неактивные вещества, которые никаких связей с водой не образуют. При растворении невзаимодействующих с водой молекул вещества силы, действующие на молекулы воды в близлежащем слое, не будут скомпенсированы, внутреннее давление в граничном с противолежащем молекулам воды слое будет мало по сравнению с огромным внутренним давлением воды.

При понижении давления температура замерзания воды понижается, вследствие чего слои граничной воды замерзают, кристаллизируясь в так называемые айсберги. Как установлено, любые поверхности обладают способностью упорядочивать воду на расстоянии до нескольких микронов.

Недавно в печати появилось сообщение об открытии аномальной формы воды, которую тотчас же стали именовать «супервода». Исследование способа ее получения и свойств во многом оказалось поучительным. На рисунке показан прибор для получения такой суперводы.

Схема получения «суперводы».

При откачке сосуда Дьюара 1 вода из пробирки 2, помещенной в термостат 3, испаряется и конденсируется на стеклянных стенках сосуда, а также внутри кварцевого капилляра 4, введенного в сосуд Дьюара с жидким азотом. Конденсат суперводы собирается в этом капилляре. Вода же, конденсирующаяся на стенках сосуда Дьюара, аномальных свойств не имеет.

Супервода в кварцевом капилляре не замерзает даже при минус 100 °С. Она на 40% плотнее обычной воды имеет повышенную (в 15 раз) вязкость и очень низкую летучесть. Свою анормальность супервода сохраняет лишь до температуры 700 °С. При нагревании до 900-1000 °С она превращается в нормальную воду. Однако до 700 °С супервода при нагревании и охлаждении, длительном хранении не теряет своих необычных свойств.

Дальнейшие исследования спектров этой аномальной воды с помощью инфракрасного метода и метода ядерного магнитного резонанса показали, что она представляет собой полимер, получающийся при объединении молекул воды в гексагональные кольца, которые, нанизываясь друг на друга, образуют длинные цепочки.

Отмечено также, что для этого процесса требуется катализатор — кварц. Во всех полученных до сих пор образцах «поливоды» имелись растворимые примеси, присутствием которых можно объяснить многие из ее аномальных свойств. Измерение диэлектрической постоянной и эффективной параллельной проводимости образцов аномальной воды приводит к выводу, что она, кроме того, является гидрозолем, содержащим тонко раздробленные материальные частицы, взвешенные в обычной воде.

Сканирующая электронная микрография подтверждает присутствие таких взвешенных частиц. Эти новые экспериментальные данные дают однозначное объяснение свойств аномальной воды: как разновидность воды она не существует, а сводится к тому, что вода в тонком слое у кварцевой стенки приобретает структуру и даже какие-то свойства кварца.

Свойства суперводы описаны для того, чтобы этим примером дать представление о том, какими необычными могут становиться структура и свойства обычной воды в теснинах клеточных лабиринтов.

До сих пор мы говорили о структурах воды, пользуясь в основном неорганическими представлениями, с тем, чтобы попытаться по ним судить о механизме кристаллизации воды в клетке. В действительности же взаимодействие молекул воды в биологических системах слишком сложно, чтобы его можно было изобразить простыми неорганическими моделями. Все же попытаемся отметить хотя бы некоторые особенности структурированности воды в клетке.

Молекулы ДНК в ориентирующем потоке могут упорядочивать воду на расстоянии до 1000…? от поверхности макромолекулы, т.е. диаметр области упорядоченной воды может достигать порядка 1/4 длины макромолекулы. Способность упорядочивать расположение молекул воды в значительной степени зависит от структуры поверхности макромолекул биополимера, от конфигурации атомов.

Чем более эта конфигурация подобна решетке льда, тем сильнее выражена упорядочивающая способность у поверхности. Огромное упорядочивающее влияние ДНК объясняется тем, что форма ее спирали идеально вписывается в решетку льда. Однако это влияние в большей мере зависит не только от формы макромолекулы, но от расположения в ней атомных групп, способных образовывать водородные связи. С этим же связана растворимость макромолекул биополимеров в воде. Если число водородный связей, которые могут быть образованы между поверхностью макромолекулы и водной решеткой, мало по сравнению с числом связей между макромолекулами, вещество нерастворимо в воде. И наоборот. Электролиты воды самым непосредственным образом могут вызывать структурные изменения в клетках.

Так, например, давление электролита производит сжатие молекулы ДНК, в результате чего спираль уже не подходит к структуре льда и оболочка упорядоченной воды на молекуле ДНК сильно уменьшается. Упорядоченность структуры внутриклеточной воды в условиях нормы определяет наиболее устойчивое ее состояние и вполне соответствует термодинамическим представлениям.

Магнитное поле сильно изменяет структуру, физико-химические и даже биологические свойства воды. Тем не менее, магнитным фактором невозможно объяснить все аспекты благоприятного действия воды с пониженным содержанием дейтерия и трития.

Во-первых, не следует забывать о том, что вся вода на Земле находится под непрерывным воздействием магнитного поля Земли, хотя и довольно слабого. Поэтому вода в этом магнитном поле всегда в какой-то мере стремится приобрести устойчивую структуру. Таким образом, структурность должна рассматриваться как некое неотъемлемое постоянное свойство воды на нашей планете. Во-вторых, магнитное поле — это своего рода холодильник, который позволяет держать воду структурированной («замерзшей») при температуре даже выше ее верхней температуры плавления. Недостатка же в магнитных полях, вызываемых циркулирующими биотоками, в организмах нет. В-третьих, в клетке всегда действуют два фактора, упорядочивающие структуру воды. Ими являются действие поверхностей макромолекул и ориентировка диполей воды в магнитном поле Земли, организма, органа, ткани, отдельной клетки.

Вопрос о структуре жидкой воды останется на ближайшее будущее самой фундаментальной и сложной проблемой химической океанографии и молекулярной биологии. Вода в клетке находится в связанном и свободном состоянии.

В рамках микроскопического подхода структура свободной воды отличается относительно беспорядочным динамически меняющимся расположением молекул, а высокая плотность молекул воды обуславливает сильное межмолекулярное взаимодействие, осуществляемое посредством водородных связей. Таким образом, свободная вода в клетке представляет собой сложную ассоциированную жидкость с тетраэдрической сеткой молекул, соединенных водородными связями. В результате теплового движения молекул (например в УЗВ) сетка подвержена спонтанной перестройке.

В трехмерной сетке водородных связей размещены флуктационные микрообъемы молекул воды, обладающие сравнительно малой энергией теплового движения и более высокой степенью структурного упорядочивания. Это — микрокластеры и кластеры свободной воды. В то же время вокруг микрокластеров в макрообмьеме ассоциированной воды с повышенной энергией теплового движения молекул H2О наблюдается большая степень структурной беспорядочности, т.е. более низкий уровень структурного упорядочения.

Очень сложно обстоит дело со структурой абсолютно чистой воды. Нас же  интересует структура свободной внутриклеточной технологической воды УЗВ., т.е. той воды, которую рыба пьет. Это уже не чистая вода, а раствор необходимых живому организму разнообразных микропримесей.

Вода — прекрасный растворитель. В биологии и медицине, при изучении многочисленных биохимических реакций, протекающих в живой и неживой природе, постоянно приходится встречаться не с чистой водой, а с водными растворами разнообразных веществ и химических соединений.

Теория растворов была стимулирована необходимостью понимания различных физико-химических процессов и, прежде всего таких, как адсорбция, катализ, электролиз и другие.

К настоящему времени можно выделить два направления при изучении воды и водных растворов. С одной стороны, исследователи с помощью рентгено-структурного анализа пытаются получить все более точную информацию о распределении растворимых в воде частиц. С другой стороны развивается направление, связанное с разработкой различных структурных моделей водных растворов для описания свойств, доступных макроскопическим измерением, таким как вязкость, диэлектрическая проницаемость и др.

Структура водного раствора определяется двумя факторами: структурой чистой воды как растворителя и свойствами растворенных веществ, ионы которых формируют свою собственную структуру. По существу вопрос о структуре раствора — это проблема понимания всех типов взаимодействии, осуществляемых в растворе между атомами, ионами и молекулами.

Ионы примесей в воде приводят к двум взаимопротивоположным изменениям структуры воды. Поле иона нарушает упорядоченность молекул Н2О, которая характерна для чистой воды (эффект увеличения энтропии). Кроме этого действие поля иона ориентирует молекулу воды в этом поле и приводит к упорядоченному размещению их вокруг иона, что сопровождается уменьшением энтропии. Преобладающий из этих двух эффектов определяет состояние изучаемой системы.

Структурная организация воды создает условия для способности организма воспринимать постороннее влияние или защищаться от него без вреда для собственной организации. Эта способность воды, которая обеспечивает единство и целостность организма, основывается на взаимодействии между внешней и внутриклеточной водой.

Вода — единственная среда, которая способна вступать во взаимодействие с каждой структурой в клетке и организме. Все структуры в клетке и в теле рыбы оптимальным способом формируются в конкретных условиях организации водных структур.

Неводные компоненты клетки образуют менее гибкие структуры, которые функционируют в качестве пограничных условий для удержания более гибких водных структур, с которыми они находятся в длительном взаимодействии.

Гидрофильные вещества, такие как растворенные ионы и гидратизированные молекулы,  мочевины и кормов для рыб, действуют в воде в качестве как бы структурной дробилки воды. Растворенные в воде газы, такие как О2, Н2, CО2, или гидрофобные вещества способствуют упорядочению динамической структуры воды и являются ее созидателями в водных системах УЗВ.

Газовые гидраты имеют полые пространства с внутренним поверхностным напряжением, которые позволяют молекулам газа проявлять определенную свободу в движении. Ограниченные вращательные колебания молекул газа в полых пространствах воды настраиваются на определенный вид колебаний и должны быть согласованы с колебанием жидкости. Таким образом те изменения, которые возникают благодаря взаимодействию между структурными дробильщиками и созидателями структуры воды охватывают принципиально всю систему основной субстанции жизни — клетки. В более общем плане структурирование воды в организме рыб является следствием термодинамического неравновесия, в котором находятся живые системы.

Многочисленные исследования указывают на то, что питьевая вода и ее структура в близком или далеком будущем будет занимать центральное место как в научных основах медицины и естественных методов лечения, так и в развитии подлинно водной медицины, в которую включены различного вида обработки воды как носителя информации. Области применения водной медицины обширны: они простираются от использования идеальной нейтральной, живительной питьевой воды и созданных на ее основе напитков до лечебно-профилактического применения специальных вод со специфическим действием.

Вода с различной степенью структурирования или деструктурирования может применяться для оживления, побуждения или ограничения обмена веществ, для перестройки функций центральной и вегетативной системы, для стимулирования биологической регенерации, усиления иммунной системы и другое.

Как мы видим, вопрос о структуре внутриклеточной воды более сложен, чем проблема структуры чистой воды. Для понимания особенностей структуры технологической воды УЗВ и ее связи с биологическими свойствами в живом организме рыб необходимо иметь более простые и информативные методики.

Питьевая вода для рыб в УКВ является структурно-упорядоченной и только в такой воде при фазовом переходе раствор – твердая фаза проявляются фракталы.

Следствием фрактальности воды является то, что такая вода, благодаря своей структурной упорядоченности обладает максимально возможной биологической активностью.

Таким образом эта вода, наиболее приемлемая и полезная для организма рыб, имеет фрактальную структуру. Структура питьевой воды во многом определяется ее минеральным составом, а также содержащимися в воде разнообразными ингредиентами.

Вода является одним из самых трудных объектов исследования, так как прежде всего в воде всегда есть примеси и что она обладает кооперативным характером взаимодействия ее молекул, определяющим структуру.

Каждой частице растворенного вещества соответствует своя структура гидратной оболочки. Поэтому структура воды представляется как набор основных микроблоков для строительства всевозможных структур гидратных оболочек растворенных в воде соединений.

Методы намерения структуры воды включают также термодинамические методы определения теплоемкости воды, Степень структурированности воды можно оценить термодинамическими методами. Здесь вычисляют коэффициент структурирования Кс = Cp/S, где Ср — теплоемкость, S – энтропия.

Если значение Кс больше 1, то вода структурирована, если меньше 1, то вода неупорядочена – деструктурированная.

Коэффициент структурирования (КС) различных модификаций дистиллированной воды

Биологическая роль структуры воды и её роль в регуляции жизненных процессов УЗВ.

 Основываясь на двигательных функциях организма рыб и их биологии, половина сократительного аппарата мышц рыб составляет вода, а само их сокращение при движении  есть нарушение ее структуры. Поэтому надо учитывать структуру воды, электромагнитное поле, триплеты или другую какую-либо необычную форму возбуждения, связанную с водной структурой, так как вода участвует во всех субмолекулярных регуляционных процессах в клетке.

В УЗВ действует некая универсальная система водно-структурной регуляции, которая управляет всеми сторонами нормальной и патологической жизнедеятельности клетки и организма рыб.

Обсудив возможное влияние структуры воды на получение эффекта живой воды учёные убедились, что лишь «структурного» объяснения явно не достаточно для полного понимания механизмов биологических эффектов воды.

Структурность воды — это ее постоянное качество, фон, на котором развивается жизнь, точнее, без которого нет жизни. Она объясняет очень многое, но только не то, что возлагают на нее сторонники структурной точки зрения. Структура воды лежит в основе памяти, которой обладает любая вода. Информация хранится в ассоциатах, фракталах, кластерах молекул воды, растворенных соединениях, соотношении пара- и ортоводы, биоэнергетике и в других еще не изученных факторах. Важную роль в памяти воды играет изотопный состав ее молекул.

Структура воды в клетках организма очень важный фактор, определяющий выживание клеток и способность их к развитию.

Теплокровные животные борются за сохранение постоянной температуры тела, обеспечивая этим постоянство структуры воды. Холоднокровные животные – в данном случае рыбы в УЗВ не имеют такого регулятора. Жизненные процессы в этих организмах протекают в общем то при более низкой температуре клеток, при которой вода всегда структурна.

Выводы:

1. Для проектирования УЗВ знания о физических свойствах воды и физиологии рыб являются основополагающими!
2. Можно конечно ничего не делать, как сейчас…,но где результат?
3. Изучайте свойства вашей технологической воды, экспериментируйте, добивайтесь высочайших результатов!