Морской аквариум

Основы фильтрации и регенерации воды (Степанов Д.)

Морской аквариум представляет собой замкнутую систему жизнеобеспечения, основными элементами которой являются блоки механической, биологической и химической очистки воды.

Морской аквариум

Для морского аквариума пригодна емкость из органического или обычного силикатного стекла, но замазка и металлические части должны быть покрыты силиконовой резиной, устойчивой к морской воде. Объем аквариума зависит от количества и размера животных, которых любитель собирается содержать. Чтобы не перенаселить водоем, придерживаются следующего общего правила: на каждый грамм веса рыб должно приходиться не менее одного литра воды. Но прежде всего допустимое количество обитателей зависит от возможностей блоков очистки воды, важнейший из которых - биологическая фильтрация. Под биологической фильтрацией понимается превращение высокотоксичных органических соединений в менее токсичные или удаление их из раствора в результате жизнедеятельности бактерий (бактериальная фильтрация) и водорослей (водорослевая фильтрация).

Так как основными продуктами жизнедеятельности морских организмов являются органические азотсодержащие соединения, то часто термин "биологическая фильтрация" применяют при рассмотрении процесса их превращения в аммоний, нитриты, нитраты с после дующим удалением из системы азота в виде закиси или газа. На рис. 1 представлен такой процесс.

Рис. 1. Процесс биологической фильтрации

Первым этапом биологической очистки является минерализация, при которой расщепляются азотсодержащие органические соединения и образуются аминокислоты и органические азотистые основания, в дальнейшем распадающиеся на более простые. Наиболее многочисленным продуктом этого процесса является аммоний - совокупность ионизированного аммония и свободного аммиака. Допустимое количество аммония в аквариуме - не более 0,01 ppm, так как это вещество отличается высокой токсичностью. Минерализация осуществляется особой группой гетеротрофных бактерий.

На втором этапе биологической фильтрации благодаря жизнедеятельности бактерий рода Nitrosomonas аммоний превращается в нитрит. Уровень нитритов в аквариуме не должен превышать 0,1 ррт. Далее бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты в нитраты, которые могут накапливаться без особого вреда для животных до уровня 20 ppm. Следует отметить, что морские организмы выдерживают и большие концентрации, если накопление происходит медленно, но при этом процессы их роста и заживления ран значительно тормозятся.

Бактерии, участвующие в минерализации и нитрификации, являются аэробными, то есть использующими для дыхания кислород.

Третьим этапом биологической фильтрации является денитрификация. При этом процессе нитраты, используемые денитрифицирующими бактериями вместо кислорода, преобразуются в нитриты, аммоний, закись азота, газообразный азот и удаляются в атмосферу. Процесс денитрификации является анаэробным и, следовательно, трудно контролируемым в домашних условиях.

Как уже упоминалось, промежуточными продуктами являются нитриты и аммоний, которые могут накопиться в концентрациях, превышающих допустимые, и привести животных к гибели. Для удаления накопившихся конечных продуктов нитрификации следует прибегать к частичной замене воды (до 25% ежемесячно) и к созданию благоприятных условий для развития водорослей (водорослевой фильтрации). Но вопрос о культивировании водорослей заслуживает отдельного разговора. Здесь речь пойдет только о бактериальной фильтрации.

Субстратом для бактерий, участвующих в биологической фильтрации, обычно является поверхность гравия, расположенного на несущей перфорированной плите (рис. 2).

Рис. 2. Принцип работы биологического фильтра

На производительность биологического фильтра, то есть на его способность расщеплять органические соединения, влияют соленость воды, температура, скорость протекания воды через слой гравия, размер гравия, толщина его слоя, рН воды.

Соленость воды аквариума - стабильный параметр, который определяется потребностью выбранных животных. Следует избегать резких (более чем на 0,2%о) колебаний солености, что легко обеспечить регулярным добавлением водопроводной отстоявшейся воды для компенсации испарившейся.

Температура воды аквариума - также постоянный параметр, хотя им можно успешно воспользоваться для инициализации фильтра (формирования в нем требуемой качественной и количественной популяции бактериальной флоры). Этот процесс быстрее всего протекает при температуре 30-32°. Рекомендуется инициализацию биологического фильтра проводить при этой температуре, а затем постепенно снижать ее до требуемой. Скорость снижения температуры не должна превышать 1° в сутки.

Очень важным фактором биологической фильтрации является скорость протекания воды через слой гравия. Вода несет аэробным бактериям кислород и питательные вещества. Как было установлено экспериментальным путем, для нормального функционирования бактерий родов Nitrobacter и Nitrosomonas скорость поступления воды в фильтр должна быть примерно 40 л/мин на 1 м² поверхности гравия.

Чрезмерно высокая скорость тока воды будет оказывать механическое воздействие на гравий и приведет к смыву бактериального слоя и соответственно к снижению производительности фильтра.

От размера гравия зависит поверхность, предоставляемая бактериям в качестве субстрата. Чем меньше частицы, тем, с одной стороны, больше общая поверхность, а с другой, - выше вероятность образования застойных участков и, следовательно, неработающих зон.

Оптимальным для биологического фильтра считается угловатый гравий размером 3-5 мм. При указанной выше скорости подачи воды в фильтр 90% всех аэробных бактерий, принимающих участие в биологической очистке, концентрируются в 5-сантиметровом слое гравия со стороны поступления воды. Так что толщина слоя гравия в биологическом фильтре должна составлять 5-7 см, а в случае использования донного фильтра - 4-5 см, но обитателей аквариума при этом должно быть гораздо меньше. Желательно, чтобы гравий был из доломита или пород, содержащих кальций. Значение рН воды следует поддерживать в пределах 7,8-8,2.

Теперь мы подошли к самому главному моменту - определению требуемой мощности фильтра. Под мощностью понимается количество животных, продукты жизнедеятельности которых данный фильтр может переработать в низкотоксичные соединения. Так как химические параметры среды обитания рыб и особенно беспозвоночных должны быть стабильными, необходимо, чтобы переработка осуществлялась в очень короткое время.

Японский исследователь К. Хираяма (1966) предложил формулу для расчета мощности биологического гравийного фильтра, которой в мировой практике пользуются и по сей день при проектировании аквариальных систем.

Смысл формулы заключается в том, что при данной мощности фильтрации скорость выделения метаболитов животными не превышает скорости расщепления этих соединений. Левая часть неравенства представляет собой окислительную способность фильтра (ОСФ), мг О₂/мин; правая часть является "нагрузкой" на фильтр, оказываемой животными, мг О₂/мин.

где W_i - площадь поверхности л фильтра, м²;

V_i - скорость тока воды через фильтр, см/мин;

D_i - толщина слоя гравия, см;

р - число фильтров, обслуживающих аквариум;

B_j - масса отдельного животного, г;

F_j - средняя масса пищи, потребляемой ежедневно одним животным, г;

q - число животных в аквариуме;

G_i - коэффициент размера гравия. Последний показатель определяется по формуле:

где R_к - средний размер каждой фракции гравия, мм;

Х_к - процентное соотношение массы каждой фракции.

С. Спотт в книге "Содержание рыбы в замкнутых системах" (1983) приводит таблицу нагрузки на фильтр в зависимости от массы одной рыбы и величины суточного рациона. Привожу часть этой таблицы, к которой чаще всего прибегают при проектировании домашнего аквариума.

При определении по таблице на грузки на фильтр необходимо учитывать увеличение массы животных при росте. Если речь идет о беспозвоночных, следует пользоваться поправочными коэффициентами. Так, нагрузка актиний на фильтр равна примерно половине их массы, морских звезд - в четыре раза меньше.

Перед тем, как перейти к рассмотрению вариантов конструкций биологических фильтров, проиллюстрирую на примере этап расчета мощности.

Нагрузка на фильтр (мг О₂/мин) в зависимости от массы одной рыбы и величины суточного рациона (фрагмент)

Допустим, любитель собирается установить морской аквариум с парой анемоновых рыб Amphiprion clarkii и актинией. Масса взрослой самки этого вида около 40 г, самца - 30 г, актинии предположительно - 200 г. По таблице определяем нагрузку (N) из расчета 5% суточного рациона для рыб и 2,5% суточного рациона для актинии:

N=0,18+0,14+0,25=0,57 мг О₂/мин.

Допустим, что будем использовать гравий диаметром 4 мм, тогда G=1:4×100=25. Толщина слоя составит 7 см, скорость тока воды - 4 см/мин. Требуется определить площадь поверхности фильтра, при которой ОСФ будет равна 0,57 мг О₂/мин.

Тогда производительность насоса составит: W×40=0,32×40=12,8 л/мин.

Теперь определим общий объем аквариума. Жизненное пространство, необходимое для рыб, должно быть не менее 70 л, а с учетом того, что актиния, весящая 200 г, имеет диаметр диска примерно 20 см, следует выбрать аквариум емкостью 150-170 л.

По геометрическим размерам можно рекомендовать водоем 800×400×560 мм.

Теперь можно приступить к конструированию самого фильтра. Самым простым биологическим фильтром является донный (рис. 3). На пластинке из винипласта или оргстекла, имеющей через каждые 5-10 мм отверстия (сквозь них не должен проваливаться гравий), располагают слой грунта толщиной 6-7 см.

Рис. 3. Донный фильтр

Создать ток воды можно с помощью эрлифта или механического насоса.

Основной недостаток донного фильтра - быстрое засорение. В зависимости от количества и типа животных фильтр приходится промывать в среднем один раз в 8-12 месяцев и, следовательно, пересаживать рыб и беспозвоночных животных в другую емкость, а аквариум оборудовать заново. Поэтому при длительном содержании животных лучше пользоваться встроенными внутренними или наружными фильтрами. Общий вид такого внутреннего фильтра представлен на рис. 4, а схема движения через него воды - на рис. 5.

Рис. 4. Внутренний мобильный фильтр. Общий вид

Рис. 5. Схема движения воды: 1 - эрлифт; 2 - сетка; 3 - гравий

Вода из аквариума сквозь отверстия сетки фильтруется через слой гравия, далее проходит через вторую сетку и поступает в эрлифт. Фильтр очень удобен, особенно для карантинных аквариумов. Преимущество его - в мобильности, что позволяет проводить процесс инициализации вне аквариума в небольшой емкости.

В демонстрационном аквариуме фильтр легко можно декорировать.

Продолжение следует.