Основы биологической фильтрации

Основная проблема аквариумистики заключается в том, что даже самый большой аквариум мал по сравнению с самым маленьким естественным водоемом, поэтому стабильность такой системы, как аквариум, гораздо ниже, чем любого природного водоема. А значит, такая уязвимая система требует определенной оснащенности и контроля. Плотность содержания рыб в любом аквариуме в десятки и сотни раз превышает плотность рыбы в естественных водоемах. У большинства людей рыба в аквариуме, особенно при неправильном его обустройстве, живет не в воде, а в растворе разлагающейся органики — продуктах выделений рыб, остатков корма и т.д. Все эти вещества либо напрямую ядовиты для рыб, либо обладают косвенным отрицательным влиянием, например, расходуя кислород на окислительные процессы, либо служат питанием для развития ненужной микрофлоры, в том числе и патогенной. В природе все эти продукты распада органических соединений также присутствуют, но их концентрации почти никогда не бывают столь велики.

Природные механизмы самоочистки водоемов работают крайне эффективно, в особенности в условиях сверхмалой, по сравнению с аквариумной, плотности населения рыбами. Что же делать аквариумистам? Имеется как минимум три решения данной проблемы.

Первое — это интенсивные каждодневные подмены воды, либо организация проточного аквариума. В принципе, такое мероприятие полностью решает проблему снижения концентрации любых ядовитых веществ, но имеет ряд существенных недостатков, из-за которых используется крайне редко, да и то, больше в промышленном рыбоводстве, чем в аквариумистике. Самая большая проблема воплощения такого проекта заключается в невозможности создания так называемого биологического равновесия, необходимого для правильной работы иммунной системы рыб. Да это и весьма трудоемко, небезопасно в плане протечек, зачастую требует нетривиальных технических решений, и т.д. В целом, это тупиковый путь.

Второе. Живые водные растения крайне эффективно потребляют из воды большинство вредных для рыб веществ, очищая воду не хуже, чем в природе. Например, водный гиацинт применяется в промышленности даже для поглощения радиоактивных элементов. Растения утилизируют большинство веществ, выделяемых в воду рыбами и другими гидробионтами, выделяя взамен биологически активные вещества, необходимые животным. Аквариум с большим количеством здоровых водных растений и умеренным животным населением почти автоматически будет иметь благоприятную среду. Но во-первых далеко не все аквариумисты хотят иметь у себя живые растения в достаточном количестве, а во-вторых этот метод очистки не годится при содержании рыб, которые поедают или портят растения. Наконец, никакое количество растений не справится с очисткой декоративного аквариума с большим количеством крупных рыб.

Наконец, третье, самое распространенное решение, это фильтрация воды с помощью специальных приборов. Вообще, аквариумная фильтрация это очень сложный многоступенчатый процесс, в котором комплексно используются механизмы, аналогичные природным, так и специально разработанные иные технологии. Теперь последовательно рассмотрим основные виды фильтрации.

Механическая фильтрация — улавливание взвешенных в воде частиц. При механической фильтрации поток воды проходит через какой-либо мелкопористый материал, на котором задерживаются сравнительно крупные частички грязи и аквариумного мусора. В качестве фильтрующего субстрата обычно применяются синтетические губки и мочалки, специальный поролон, синтепон и т.д. Самые простые наполнители фильтра способны отфильтровать только макроскопические загрязнения, а наиболее мелкие из них, например, диатомовые фильтры, могут задерживать даже мельчайших инфузорий. Как совершенно отдельный вид механической фильтрации можно еще упомянуть обратный осмос. Эта технология позволяет получить абсолютно обессоленную сверхчистую воду. Она довольно широко применяется для предварительной подготовки воды со строго определенными параметрами, например, для разведения некоторых рыб, но в составе фильтров для пресноводных аквариумов обратный осмос не используется. Вообще, эта тема для отдельного разговора.

Биологическая фильтрация — это многостадийный, многоступенчатый процесс, полностью аналогичный самоочистке природных водоемов, осуществляющийся разнообразными бактериями, живущими на всех поверхностях в аквариуме — на стенках, грунте, декорациях, листьях растений и т.д. Первая стадия — это минерализация. Специализированные бактерии переводят органические азотсодержащие вещества в неорганические, в основном в аммиак. Строго говоря, реакции минерализации идут и химическим путем, а бактерии только ускоряют этот процесс. Следующая стадия — нитрификация аммиака и перевод его в нитрит, осуществляется другой группой бактерий. Затем еще одна группа бактерий переводит нитриты в нитраты. По большому счету есть еще бактерии, которые умеют переводить нитраты в нейтральный азот и совсем выводить его из круговорота веществ в аквариуме, в пресноводной аквариумистике этот процесс, называемый денитрификацией (процесс протекает в анаэробной среде, т.е. без участия кислорода) и используется крайне редко. Первые две стадии и есть суть биофильтрации — особые группы бактерий занимаются переработкой ядовитых соединений азота — аммиака и нитритов в значительно менее ядовитые нитраты.

Адсорбция. Фильтрация этого рода наиболее распространена и популярна с помощью активированного угля. Значение активированного угля обычно несколько преувеличивается. Во всяком случае, он не удаляет из воды ни нитратов, ни других азотсодержащих ионов. Все что может сделать и делает уголь — это удалить из воды достаточно крупные органические молекулы, аминокислоты, пептиды и некоторые газы. Тем не менее, уголь позволяет бороться с активным азотом косвенно, ведь аммоний и нитрит это как раз продукты распада тех самых белковых остатков, которые задерживает уголь. Применение угля позволяет добиваться очень хорошей прозрачности воды в аквариуме, также уголь используют после лечения рыб для удаления из воды остатков лекарственных препаратов.

Химическая фильтрация. Этот метод используется наиболее редко. В данном случае фильтрующим материалом чаще всего выступают синтетические, ионообменные смолы либо природные минералы из группы цеолитов. Цеолиты и смолы поглощают аммоний, нитраты, фосфаты и др. и вместо них выделяют безвредные ионы натрия, хлора, сульфата и т.д. Также можно считать химической фильтрацией использование в качестве наполнителя фильтра верхового торфа. Торф слегка подкисляет воду и вносит в нее различные биологически активные вещества.

Естественно, что в рамках даже самого примитивного внутреннего фильтра эти способы могут пересекаться друг с другом. Во всяком случае, бактериальные пленки быстро образуются на любом субстрате, таким образом, абсолютно любой фильтр в некоторой степени осуществляет биологическую очистку воды. С другой стороны, довольно сложно найти или придумать модель фильтра, куда нельзя было бы вставить угольную или цеолитовую вставку. Про большие внешние фильтры и говорить нечего, большинство таких устройств изначально рассчитаны на комплексные способы регенерации воды. Но основным и самым необходимым из них все равно остается фильтрация биологическая, которая чаще всего осуществляется с помощью промышленных канистровых фильтров. Число моделей их крайне велико. Подобные изделия выпускают все солидные фирмы, EHEIM, TETRA, HYDOR, RENA, HAGEN, AQUAEL и т.д. В большинстве своем это модели, где есть много слоев разных наполнителей, начиная от губок, синтепона, цеолитов, лавовых пород до специальной керамики и других высокопористых минералов, в порах которых и поселяются бактерии. Чем выше пористость, чем больше внутренняя площадь поверхности биосубстрата, где поселяются бактерии, тем больше эффективность биофильтрации.

Конкретные способы применения различных субстратов и заполнения фильтров рекомендуют фирмы-производители. Но у всех основная суть в том, что механическая фильтрация должна предшествовать биологической, а пористость наполнителей должна увеличиваться от водозабора и дальше по течению воды. В большинстве моделей канистровых фильтров поток воды идет снизу вверх, а для разделения наполнителей используются специальные корзинки или контейнеры. Некоторые модели фильтров предусматривают специальные легкосъемные отсеки или камеры, где накапливаются крупные частицы загрязнений, а некоторые модели фильтров даже предусматривают периодическое удаление этих загрязнений обратным током воды, что позволяет гораздо реже перемывать сам биофильтр.

При правильном заполнении фильтра в самом нижнем отсеке располагается крупнопористая губка. Некоторые фирмы-производители предлагают еще такой субстрат, как керамические кольца, слой которых размещается перед крупнопористой губкой. Основное предназначение этих трубочек — равномерно распределить ток воды по всей площади и создать вихревые потоки, которые задерживают, замедляют движения и осаждают в этих трубочках и между ними максимальное количество органики и частичек мусора. После крупнопористой губки может идти губка с более мелкими порами, а затем синтепоновый наполнитель, который собирает еще более мелкие частички загрязнений. Наконец, загружается биосубстрат — высокопористый материал природного или, чаще, искусственного происхождения. Качественный биосубстрат должен иметь очень высокую пористость, цифры здесь достигают десятков и даже сотен квадратных метров на литр наполнителя. Например, один из лучших бионаполнителей EHFISUBSTRAT производства EHEIM, имеет пористость 450 м2/литр. Кроме того, поры в бионаполнителе должны быть сквозными. С другой стороны, часто предлагаемые различные пластиковые ежики, в аквариумных условиях проявили себя крайне малоэффективными. Им место в промышленных биофильтрах, предназначенных для крупных прудовых и особо крупных аквариумных хозяйств, где параметры и технологии биофильтрации коренным образом отличаются от обычных аквариумных. Там абсолютно другие площади, другие потоки, и просто так переносить эти субстраты в аквариумные условия — в корне неверно. Площадь поверхности «ежиков» — очень мала, по сравнению с пористыми минеральными и керамическими субстратами, и даже в сравнении с обычными крупнопористыми губками. Применять их в простых и тем более в любительских аквариумных системах бессмысленно.

Теперь некоторые практические рекомендации

Чем выше температура воды, тем быстрее идет процесс биологического окисления. С увеличением температуры на каждые 4 градуса этот процесс ускоряется на 50 %. Температурным оптимум работы биофильтра является 28-32 °C. Эта же температура оптимальна для содержания большинства видов тропических видов рыб. Второй важнейший фактор — это содержание кислорода в воде, которое должно быть в идеале не менее 70 % от максимальной растворимости его в воде при данной температуре. Тогда окислительные процессы идут оптимально. Кислород в аквариуме нужен не только для процесса дыхания рыб и растений, но и для протекания окислительных процессов при биофильтрации. Ведь нитрифицирующим бактериям тоже нужен кислород, причем много. Чем выше температура, чем больше пористость субстрата, тем больше и больше нужно кислорода. Расходоваться кислород начинает с самых первых слоев фильтрующих материалов, и важно,чтобы до биосубстрата, то есть там, где его требуется больше всего, вода дошла с его достаточным содержанием. Поэтому желательно в аквариуме кроме компрессорной системы аэрации иметь и дополнительную, с помощью специального диффузора, установленного на выходном патрубке фильтра. Подобные насадки выпускают многие производители, в частности, HAGEN и EHEIM. В этих диффузорах за счет турбулентности потока воды, воздух рассекается на мельчайшие, диаметром 0,3-0,5 мм, пузырьки. Такой способ насыщения воды кислородом гораздо эффективнее, чем при использовании традиционных распылителей, обеспечивающих диаметр пузырька воздуха не менее 1-3 мм. Если температура воды более 30°C, то содержание кислорода в ней выше 65 % достигается, не считая сложных промышленных способов, только с использованием диффузоров. Содержание кислорода в воде — очень важная тема. Мы ее подробно рассмотрим в одном из ближайших номеров нашего журнала.

Надо помнить, что нитраты, конечный продукт распада органики, из воды уже не выводятся, а постепенно накапливаются. Поэтому биофильтрация ни в коем случае не заменяет подмену воды. Подмена воды в любом случае обязательна, какие бы биофильтры не стояли. Если биомасса рыбы средняя, необходимо подменивать аквариумную воду на свежую не менее 1 раза в неделю по 1/3 объема. Даже если в естественном водоеме прекращается подмена воды, например в пруду перестают бить родники, тогда пруд постепенно превращается в болото. А аквариум, без регулярной подмены, превратится в него гораздо раньше. Но еще раньше в нем погибнут рыбы.

Иногда в фильтрах используют активированный уголь. В принципе, хороший активированный уголь может сильно улучшить качество воды. Но очень важно помнить, что уголь необходимо вовремя заменять, т.к. если уголь достигнет предела поглощения, то он может резко вернуть в воду все адсорбированные вредные вещества, и мгновенно отравить ими воду и, соответственно рыбу. Особенно опасен такой процесс в мягкой и кислой воде, в жесткой и щелочной он происходит не так резко. Поэтому срок работы угля до его замены можно рекомендовать 4-5 недель. Вообще, закладывать уголь в канистровый фильтр не очень правильно. Фильтр с углем придется слишком часто беспокоить и открывать, к тому же он отнимает часть ценного места для бионаполнителей. Поэтому если вы хотите использовать активированный уголь, то его лучше размещать вне фильтра, в специальном контакторе, устанавливаемом в разрезе выходного шланга внешнего фильтра. Такой контактор, например, выпускается фирмой SERA, но его нетрудно сделать и самостоятельно.

Как правильно «зарядить» биофильтр. При установке нового биофильтра, либо после его перемывки или замены наполнителей, он не начинает работать сразу. Биофильтр должен, как говорят, запуститься, в нем должны прижиться и развиться колонии бактерий, только тогда он станет работать на полную мощность. Эффективность работы биофильтра повышается постепенно, по мере увеличения численности бактерий и при нормальных условиях достигает максимума за срок от двух недель до двух месяцев. Этот срок можно уменьшить с помощью различных приемов. Например, при запуске нового аквариума в него хорошо добавить немного воды и некоторое количество грунта из старого. При выполнении всех процедур неукоснительно соблюдайте правила гигиены. Можно внести в аквариум готовый штамм бактерий, которые массово продаются в зоомагазинах. Но гораздо лучше и эффективнее взять губку из биофильтра уже работающего здорового аквариума и выжать ее содержимое (только не руками, а стерильными перчатками), в новый биофильтр. На языке профессионалов это и называется — «зарядить биофильтр». Поскольку таким способом вы вносите не только самих живых бактерий, но и питательную среду для них, необходимую для их быстрого размножения. Процесс запуска ускоряется этим приемом многократно. Бывает, что биологическое равновесие таким способом достигается всего за несколько дней. Если вы используете UV-стерилизатор, то на первые несколько дней после запуска биофильтра его необходимо отключить. Хорошо ускоряет запуск биофильтра вываренная коряга из натурального дуба. Если ее нет — можно купить в аптеке дубовую кору, сделать отвар, и этого отвара немного добавить в воду аквариума. Даже правильно запущенный биофильтр набирает мощность постепенно. Поэтому не высаживайте в новый аквариум всю рыбу сразу, по крайней мере, если рыба крупная или биомасса рыбы велика, добавляйте ее до желаемого количества постепенно, начиная с самых простых и неприхотливых видов, постепенно добавляя более капризных. Посадку рыбы лучше провести в 4-5 приемов в течение 2-3 недель.

Особо хотелось бы подчеркнуть, что рекомендации фирм-производителей, что такой-то фильтр предназначен для такого-то объема аквариума, являются неправильными. Это безграмотно, и такая постановка вопроса недопустима. Главные показатели, по которым надо рассчитывать биофильтр — это биомасса рыб, их активность и интенсивность кормления. Одно дело, например, аквариум с живыми растениями и малой биомассой гидробионтов, в этом случае требования к производительности биофильтра минимальны. Противоположный вариант — аквариум с крупной рыбой, с усиленным кормлением, — здесь фирменные рекомендации стоит увеличить в два, три и более раз, по потребностям и конкретным расчетам. Единственный производитель, который в инструкции для фильтра приводит расчет по биомассе рыбы — это TETRA, правда только по прудовым моделям. Вот там написано, как выбирать биофильтр по биомассе и нагрузке по кормлению, скорости прокачки, содержании кислорода, и т.п. Но пока большинство фирм таких рекомендаций не дают, поэтому желательно ставить на аквариум фильтр с существенным запасом. Еще лучше, особенно в аквариумах, где плотность рыбы очень велика, в аквариумах с крупной, ценной и редкой рыбой, устанавливать по два внешних биофильтра, так же с запасом прочности для каждого, это очень сильно увеличивает надежность всей биосистемы аквариума. Если один из фильтров выйдет из строя, второй сможет долгое время поддержать стабильность среды до устранения поломки первого. Чистить фильтры, если их два, лучше по очереди, с разницей в 2-3 недели, поскольку тогда не произойдет сбоя биологического равновесия, который может случиться после полной перемывки единственного биофильтра. В последнее время появились новые модели биофильтров, с двумя помпами. При выходе из строя одной из них фильтр продолжает работать, пусть и с несколько меньшей производительностью. Про один из таких фильтров производства фирмы AQUAEL читайте в этом номере журнала.

Биофильтр должен работать постоянно. Его отключение недопустимо, так как при прекращении тока воды, внутри фильтра нарушается снабжение бактерий кислородом, и они умирают. Для этого достаточно полутора-двух часов. После запуска такого «умершего» фильтра в воду аквариума произойдет массированный выброс полуразложившейся бактериальной массы, смертельной для рыб. Что делать, если отключилось электричество? Если это произошло на 20-30 минут, примерно до одного часа, то ничего страшного. Но если электричества не было часа полтора-два, то биофильтр, после подачи электричества, включать нельзя. Выработав весь кислород, бактерии в нем уже погибли, и нельзя допускать их попадания в воду аквариума. В этом случае придется биофильтр разобрать, полностью и тщательно перемыть и перезапустить его заново. Чтобы не допустить такой ситуации, мы в своей практике в рыборазводне АкваЭнималз используем мощные автоматические дизельные генераторы. Но более просты и доступны всем — системы аварийного автономного электропитания UPS (блоки бесперебойного питания), о которых мы расскажем в одном из номеров нашего журнала. Отнеситесь к этой теме серьезно. Вспомните, сколько рыбы погибло во многих аквариумных хозяйствах Москвы во время летней энергоаварии. И в основном не потому, что рыбам не хватило кислорода, а в первую очередь из-за «смерти» биофильтров.

Добавить комментарий