В мировой практике аквакультивирования механическая фильтрация и биофильтрация два разобщенных процесса, которые должны рассматриваться по отдельности. Механическая фильтрация заключается в удалении твердых отходов, тогда как биологическая – включает ряд биологических процессов, ответственных за удаление токсичных азотсодержащих соединений. В данной статье приведены различия данных типов фильтрации, а также представлены разновидности фильтров.

Механическая фильтрация

Твердые частицы обычно отличаются по размеру и плотности. Осаждаемые частицы обладают относительно высокой плотностью по сравнению с водой, поэтому они оседают на дно. Взвешенные частицы имеют чуть более высокую плотность, чем вода. Они остаются в взвеси и выпадают в течение длительного периода времени. Растворенные соединения никогда не осаждаются и всегда остаются в растворе. Их можно удалить при помощи обратного осмоса, анионных и катионных смол, активированного угля и других систем.

Одним из способов осаждения твердых частиц является использование двухстороннего дренажа. Твердые частицы направляются в отстойник, емкость которого намного меньше, чем необходимая для вмещения целого потока воды. В свою очередь, следующий дренаж забирает взвесь и азотсодержащие соединения.

Взвешенные частицы фильтруются различными методами. Один из них предполагает использование электростатического фильтра с мелкими полиэтиленовыми шариками, обладающими электрическим зарядом. Шарики связывают отрицательно заряженные взвешенные частицы. После загрязнения фильтр необходимо ополаскивать. Тем не менее, процедура промывки производится очень редко. Взвесь может также удаляться с помощью рукавного, ротационного (барабанного) или растительного фильтров.

Биофильтрация

Биофильтрация рассматривается как процесс аэробного (с участием кислорода) разложения растворенного аммиака. Рыбы выделяют около 31 г аммиака на каждый килограмм съеденного корма (35% белка). Нитрификация аммиака определяется активностью двух видов автотрофных бактерий. Они обычно естественным путем колонизируют биосубстрат фильтра, а также поверхность аквариума. Скорость колонизации зависит от температуры, pH среды, солености, силы водного потока.

Бактерии используют кислород в ходе двух этапного окисления. Представители первого рода бактерий , Nitrosomonas, переводят токсичный NH₃ в нитрит (NO₂^—), тогда как бактерии рода Nitrobacter окисляют NO₂^— в нитрат (NO₃^—). Обычно большинство культивируемых видов терпимы даже к очень высоким концентрациям нитратов. Контроль уровня нитратов осуществляется водными подменами, либо использованием денитрифицирующих камер, переводящих нитрат в газообразный азот. Последний процесс является анаэробным и требует наличие хемогетеротрофных бактерий. Третий способ снижения концентрации нитратов заключается в высаживании растений. В последнем случае, можно использовать систему в цветущей водой (водоросли), растительный фильтр, либо гидропонный растительный модуль.

На иллюстрации слева ротационный (барабанный) фильтр.
Уравнения нитрификации:

Перевод аммония в нитрит бактериями Nitrosomonas:

55 NH₄⁺ + 76 O₂ + 5 CO₂ ===> C₅H₇O₂N + 52 H₂O +54 NO₂^— + H⁺

Перевод нитрита в нитрат бактериями Nitrobacter:

400 NO₂^— + NH₄⁺ + 5 CO₂ + 195 O₂ + 2 H₂O ===> C₅H₇O₂ + 400 NO₃^— + H⁺

Субстрат для биофильтрации лишь обеспечивает площадь для прикрепления нитрифицирующих бактерий. Очень важно пространство между поверхностями роста бактериальной пленки, через которые будет проходить вода. Самой серьезной проблемой для биологического фильтра являются его загрязнение твердыми отходами, которые становятся субстратом для развития гетеротрофных бактерий. В связи с этим, необходимо удалять все твердые частицы до поступления воды в биологический фильтр. В качестве биосубстрата могут использоваться специальные пластмассовые рельефные шарики, пленка, а также керамзит и песок. В рыбоводческих системах с теплой водой рекомендуется обеспечивать 27,9 м² площади биофильтра на каждые 45,35 кг выращиваемой рыбы. Руководствуясь данным правилом, производители биосубстрата создают продукт, в котором на каждые 0.028 м³ объема приходится 2,41-34,37 м² площади поверхности. Имеется также ещё одно правило, согласно которому объем биофильтра должен составлять 15% от объема всего рыбоводческого хозяйства.

Биошарики и биопленка в качестве наполнителей

Этапы фильтрации

Не смотря на типы используемых фильтров, важно учесть все этапы очистки. В проектировании очистительных систем распространена ошибка задействовать лишь одно устройство, которое, в действительности, не сможет справиться с запросами, выдвигаемыми системой рециркуляции. Благодаря разделению фильтрации на этапы, можно создать максимально эффективную систему.

Осаждение как способ удаления из воды твердых частиц

1. Необходимо сделать все возможное, чтобы область сбора отходов оставалась нетронутой рыбами, а очистка дна сопровождалась минимальным взмучиванием. Кроме того, следует минимизировать использование аэратора и помп рядом с отстойником.

2. Нельзя выкачивать отходы из области их разделения. Следует устанавливать откачивающий сифон в отстойнике, либо в самом бассейне. Всплески и турбулентные потоки вызывают прилипание к частицам пузырьков воздуха, что приводит к взмучиванию осадка. Фекалии и пищевые частицы менее 40 мкм не оседают без химических флокулянтов.

3. Биофильтр должен всегда находиться за фильтром твердых частиц. В противном случае, эти частицы обеспечивают углеродом гетеротрофные бактерии, которые загрязняют биофильтр и снижают его продуктивность.

4. Отстойник осадочного фильтра необходимо мыть ежедневно, даже если он содержит мало осадка.

5. Если после осаждения необходима дополнительная очистка, воду гонят через фильтр с электростатическими шариками или мелкодисперсный фильтр механической очистки.

На рисунке слева представлен план осадочного фильтра (ед-цы измерения в дюймах). Широкий входной патрубок (для снижения скорости потока) имеет площадь 0,015-0,03 м² при потоке 1 л/мин (для отходов с плотностью 1,01 и более), широкая выходная запруда (никогда не устанавливаются просто водопроводная труба), нет направляющих лопастей для повышения скорости слива и простейший дренаж для отходов. Глубина составляет несколько сантиметров.

Дегазация как способ удаления из воды опасных газов

Дегазация представляет собой процесс удаления нежелательных газов, которые присутствуют воде в повышенных концентрациях. В данном состоянии газы называются перенасыщенными (сверхнасыщенными). При попадании на раздел фаз «воздух-вода» перенасыщенный газ стремится покинуть водную среду. Ситуация схожа с газированным напитком, когда при открытии бутылки из него начинают выделяться пузырьки углекислого газа. Основная функция установки для дегазации является создание как можно большей площади раздела фаз. Это достигается различными путями. Одним из вариантов является сильная аэрация, при которой пузырьки воздуха, достигая поверхности, повышают её площадь. Более того, аэрация создает турбулентные потоки, обеспечивая движение водной массы к поверхности, где газ может проникнуть в атмосферу. Другой способ предусматривает создание водосливов и каскадов, когда поток разбивается на струи и капли, что повышает площадь соприкосновения с воздухом. Часто для этого используются вертикальные колонны, где сосуды наполнены фильтрующим наполнителем.

На иллюстрации слева простейшие колонки для дегазации (илл. neotropicalfauna.com)

Воздух засасывается через колонку против движения воды. Для достижения полной дегазации, желательной для удаления перенасыщенного азота, необходимо создать вакуум на поверхности раздела фаз «воздух-вода». Данный эффект «высасывания» перенасыщенного газа из воды достигается при использовании вакуумного дегазатора.

Протеиновый скиммер (пенообразователь, флотатор) поможет удалить растворенные органические соединения и, таким образом, улучшит качество воды, аэрацию и окислительно-восстановительный потенциал в морской системе (подробнее о пенообразователе). Флотатор часто используется совместно с озонатором.

Популярность озонатора определяется продукцией озона, который:

1. Эффективен для удаления органических веществ, пестицидов, красящих веществ и нитритов;

2. Быстро восстанавливает концентрацию кислорода в воде. В отличие от хлора он не оставляет после себя токсичных остатков (за исключением реакций, происходящих в морской воде);

3. Продуцируется на месте, не создавая электричества около воды;

4. Экономически выгоден и не загрязняет среду при правильном использовании;

5. Может применяться в качестве стерилизатора, перед, в течение и после использования воды в аквакультур;

6. Озонизация повышает эффективность механической и биологической фильтрации;

7. Во время озонизации окисляются длинноцепочечные молекулы, которые не могут перерабатываться в биологическом фильтре.

Озон генерируется за счет прохождения воздуха или чистого кислорода через реакционную камеру, где электрическая дуга, коронный разряд, либо УФ-излучение «возбуждают» кислород. В процессе реакции молекулы кислорода разделяются на атомы, которые, в свою очередь, объединяются по три и образуют молекулу озона. При озонизации высокомолекулярное соединение окисляется лишь одним атомом озона, что приводит к образованию кислорода.

Существуют различные типы озонаторов:

Для продукции небольших количеств озона обычно используется ультрафиолетовое излучение со специфической длиной волны. Чем медленнее воздух продвигается по реакционной камере, тем более высок процент получаемого озона.

Модели с использованием коронного разряда подобно молнии создают большое количество озона. Так относительно небольшая реакционная камера с электронной дугой позволяет получать высокий процент данного газа.

Часто озонатор сопряжен с флотатором. В данном случае в качестве вспенивателя используется озон.

УФ-стерилизатор

Об устройстве УФ-стерилизатора и механизме его действия подробно написано в специальной статье, поэтому здесь будут кратко отмечены некоторые аспекты его использования. УФ-излучение очень эффективно в борьбе с вирусами, грибами, бактериями и водорослями. Успех использования УФ-стерилизатора определяется осведомленностью о количестве образуемой энергии и эффективности облучения целевых объектов. Подобно тому, как солнцезащитные очки затемняют солнечный свет, интенсивность УФ-излучения падает при окрашивании воды, изменении её температуры, мутности, загрязнении стеклянного рукава стерилизатора и наличии растворенных в воде солей, например, тиосульфата натрия. Срок эксплуатации ламп влияет на их эффективность. Даже температура ламп может снижаться на выходе при работе в холодной воде (37,7°C максимальная температура на выходе).

Чтобы обеспечить стерильность воды при использовании УФ-стерилизатора, необходимо иметь лампу достаточной мощности и адекватную скорость протоки через рукав. Если УФ-излучение при заданной скорости потока рассчитано на 15000 мкВтсек/см², а аквариумист желает 30000 мкВтсек/см², то следует либо приобрести вторую лампу, либо снизить протоку в два раза.

——

ag.arizona.edu/azaqua/extension/Classroom/Filtrationpage.htm