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2008年8月31日

水質混濁的成因與對策


水質混濁向來是個很令人感到困擾的議題。
明明水草成長漂漂亮亮的,
偏偏因為混濁的水質而感到掃興到了極點。

台灣水族界對於水質混濁的成因和做法,
大抵停留在生物性的方面,
也就是說只針對生物性(如細菌和藻類)所造成的水質混濁做出反應,
例如使用換水或紫外線殺菌燈,
更甚者使用「硝化細菌」來加速澄清水質。
這些方法對於水質的澄清的確有一定的功效,
但也並非萬靈丹。
基本上我們還是要了解水質混濁的原因,
那麼所採取的步驟也才能奏效。

紫外線殺菌燈並非萬靈丹,此缸無法以紫外線殺菌燈改善水質的混濁。


若以水族缸中懸浮物的大小來看,
我們可以約略整理出下列的表格:
物質
大小
成分
來源
黏土
< 4 µm
黏土、金屬氧化物、雲母、礦物質
底床、泥土
膠體
0 - 10 µm
大型蛋白質分子
魚屎、細胞分解產物
碎屑
10-1000 µm
纖維素、幾丁質、木質素、纖維蛋白
魚屎、植物殘留物
藻類
10-100 µm
綠藻、矽藻、藍綠藻
富營養水中繁殖
細菌
1-10 µm
單細胞並聚集
富營養水中繁殖
石灰
1-100 µm
碳酸鈣
化學溶解或酸鹼值變化
金屬氫氧化合物
0-100 µm
鐵或鋁的氫氧化合物
金屬鹽的水解
氣泡
100-1000 µm
空氣或氧氣
擴散筒、打氣、除沫器、光合作用
 
不過混濁的感覺和人類的視覺息息相關,
而非單純的水中懸浮物質顆粒大小而已。
簡單的來說,
當水中的懸浮物質吸收、反射或折射光線時,
才會被人類的眼睛感覺得到。
所以當一個黏土顆粒大於 0.2 µm 時,
便因為其吸收、反射和折射光線的特質,
使得人眼就能感覺得出來;
反之細菌雖然相當的大(1-10 µm),
卻因本身無色素且透光性佳,
人眼是感覺不到的,
除非每毫升中的細菌數量超過了 100,000 個,
才能看出淡淡的白色混濁。
在另一方面,
含色素的藻類如藍綠藻和綠藻,
不需要太多的數量即會造成混濁的感覺了。

撇開如細菌和藻類所造成的藻類不談,
這是水質惡化所導致的,
只要使用紫外線殺菌燈配合換水就能輕易解決的。
本文把焦點放在黏土所造成的水質混濁,
這對天然水草缸而言尤其重要,
況且水中土壤顆粒所造成的並非生物性的,
也無法以殺菌燈來加以改善。
此時某些化學物質或細菌反而扮演這重要的角色。

簡單的來說,
黏土顆粒是帶負電的,
這些帶負電的顆粒在水中漂浮並且互斥,
有時光靠換水也很難消除混濁的現象。
此時最好的方法就是借重多價陽離子了,
如鐵離子(Fe3+)或鋁離子(Al3+),
或者也可透過細菌的作用。

細菌外表的多醣類可發揮類似黏膠的凝集作用。


細菌在此時「淨化」水質的作用,
和水族業者或許多愛好者所宣稱的原理是截然不同的。
許多細菌(包括硝化細菌)必須附著在基質並形成生物膜以利生長,
這些細菌表面會產生多醣類(polysaccharide),
其作用就像是黏膠一樣把黏土或腐植質顆粒聚集在一起並且沉澱。
反過來說,
細菌在底床所形成的生物膜,
也能防止底泥顆粒在水中的懸浮,
進而防止了水質混濁的發生。
這也是許多天然水草缸在經過一段時間以後,
水質會變得清澈無比的重要原因。
但最重要的是,
能夠產生多醣類並凝集黏土顆粒的,
並非水族界所宣稱的那少數幾種細菌而已,
從濾材或底泥汙物中所移植過來的數不清菌種,
也都能發揮澄清水質功效。

黏土本身的負電荷互斥,是水質不易澄清的原因。


三價鐵離子和鋁離子很常被拿來澄清水質的金屬陽離子。


我們剛才提到了,
黏土顆粒本身帶負電的互斥特質,
也是造成水質混濁的重要原因,
只要降低黏土的負電荷或加以中和,
那麼黏土就容易聚集並沉澱了。
此時多價陽離子就可派上用場了,
以德國 Dupla 公司所出品的超級水質淨化劑(Dupla crystal)為例,
裡面所含的主要「淨化」成分其實就是氯化鐵(FeCl3)。
反應式如下:

FeCl3 + H2O -> Fe(OH)3 + 3 HCl

其中氫氧化鐵(Fe(OH)3)由於不溶於水而發生了沉澱,
但反應並未就此結束:

2 HCl + Ca(HCO3)2 -> CaCl2 + H2O + 2 CO2

鹽酸(HCl)繼續和碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2)反應成了可溶的氯化鈣(CaCl2)和二氧化碳(CO2)。
此時我們就要特別注意酸鹼值(pH)和碳酸硬度(KH)的下降了。
在台灣的水族市場上,
我看得到唯一會提醒消費者注意 KH 變化的,
要算是德國 Sera 公司出品的 pond crystal 了,
不過此產品卻被台灣的代理商冠上了一個不怎麼恰當的中文產品名稱。

sera 出品的 pond crystal 在原文說明上(包括英語和德語),很明白的提醒消費者注意 KH 的問題。


除了三價鐵離子,
鋁離子也同樣被人拿來澄清水質的作用,
最廣為人知的要算是硫酸鋁(Al2(SO4)2·14H2O)了。
硫酸鋁在水中的反應如下:

Al2(SO4)3·14H2O + 3 Ca(HCO3)2 -> 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 + 14 H2O

同樣的,
我們也要很注意水族缸酸鹼值和碳酸硬度快速下降的情形。
此外根據美國 Boyd 於 1990 年所發表的研究,
硫酸鋁在鹽度 15 ppt 的汽水中之澄清效果和速度都優於淡水。 
一般來說,
每 600 公克的硫酸鋁可以中和 300 公克的碳酸鈣,
換句話說,
每 1 mg/L 的硫酸鋁可以中和 0.5 mg/L 的總鹼度(Total alkalinity)。
根據美國奧本大學的研究,
在池塘內使用硫酸鋁後,
酸鹼值、總鹼度和濁度都會急遽的下降,
不過酸鹼值和總鹼度在歷經 25 日以後會逐漸恢復原本的數值,
而水質則維持清澈。

不過要注意的是,
當酸鹼值小於 5 時,
硫酸鋁的凝聚和澄清效果將不會發生,
因此不適用於 pH < 5 的水中。
此外水中也要有剩餘的總鹼度可用,
一般的建議是 KH > 4,
否則的話很容易發生危險。

硫酸鋁在台灣的化工原料行可以輕易購得且價格低廉。
根據我自己的實際使用經驗,
除了水質澄清的效果之外,
對於想栽培水草可是自來水之 pH 或 KH 偏高的水族缸而言,
也是個很不錯的水值調整藥劑。
或許在此時使用硫酸鋁,
水質澄清變成了次要的目的,
降低酸鹼值和碳酸硬度反而成了主要的使用目的。


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