В качестве простейшего биологического фильтра можно рекомендовать упоминавшуюся выше и хорошо известную аквариумистам систему с двойным дном.
В ней через слой гравия толщиной 6–8 см, уложенного на сетчатое фальшдно, которое приподнято над дном аквариума на 1–1,5 см, сверху вниз прокачивается аквариумная вода с помощью специальной помпы или аэролифтного насоса. Аэролифтный насос (на рисунке справа) состоит из трубки с конусным расширением внизу, куда помещается распылитель. Поднимающиеся вверх пузырьки воздуха увлекают за собой воду, которая выбрасывается у поверхности воды.
Схема биологического фильтра с фальшдном и аэролифтным насосом, расположенным справа. Слой субстрата биофильтра (1), например гравия толщиной 75 мм, укладывается на двойное дно (2), приподнятое на 10 мм над дном аквариума. Благодаря подаче воздуха на распылитель (4) пузырьки воздуха (3) увлекают за собой воду и обеспечивают циркуляцию воды в системе.
В качестве субстрата для пресноводного аквариума применяется мелкий гравий нейтральных пород или отсеянный и тщательно промытый речной песок, а для морского лучше выбирать кальцит, доломит или крупный коралловый песок. Еще лучше разделить слой субстрата на две фракции, например 5–6 мм и 2–3 мм (более мелкая фракция вверху), с помощью пластиковой сетки с ячеей, препятствующей перемеш иванию частиц грунта различного размера. При устройстве аквариума эта сетка укладывается поверх слоя гравия и равномерно засыпается песком. Несомненное преимущество такого расположения слоев фильтрующего субстрата – исключение возможности раскапывания его рыбами до самого фальшдна, а также обеспечение более равномерной циркуляции воды через слой фильтрующего материала. Со временем под фальшдном скапливаются иловые отложения, которые, перекрывая циркуляцию воды, могут нарушить работу биофильтра и даже привести к гибели обитателей аквариума, поэтому лучше поменять направление движения воды на противоположное. При этом вода, очищенная от взвешенных частиц насосом фильтра механической очистки, закачивается под фальшдно аквариума. Движение чистой воды снизу вверх под слоем фильтрующего субстрата препятствует накоплению грязи под фальшдном и вымывает частицы из грунта, которые затем оседают в картридже механического фильтра. Таким образом значительно облегчается и упрощается уход за аквариум ом. Все сводится к периодической чистке механического фильтра. В последние десятилетия появились фильтры с так называемым взвешенным субстратом, в котором мелкий песок поддерживается во взвешенном, как бы плавающем состоянии потоком обрабатываемой воды снизу вверх. Обычно такие фильтры имеют цилиндрическую форму, в которую вода подается снизу и заставляет песок постоянно шевелиться. При этом вся поверхность его заселяется нитрифицирующими бактериями, что приводит к увеличению производительности такого устройства.
Схема построения простейшего орошаемого фильтра с субстратом, расположенным выше уровня воды. Вода, очищенная от взвесей в механическом фильтре, разбрызгивается на субстрат, размещенный в кассете (1), и через сетчатое дно кассеты возвращается в аквариум (2)
Упоминавшийся выше влажно-сухой, или орошаемый, фильтр является еще более совершенным и высокопроизводительным средством биологической очистки.
В простейшем случае его устройство сводится к выносу субстрата за пределы аквариума. Слой гравия или другого субстрата орошается аквариумной водой, предварительно очищенной механическим фильтром. Помимо высокой производительности очистки, орошаемый фильтр отличается своей устойчивостью к снижению и даже прекращению циркуляции воды по сравнению с другими системами биофильтров. В отличие, например, от фильтров с фальшдном или канистровых, в которых недостаток кислорода, приносимого с циркулирующей водой, убивает фильтрующие микроорганизмы в течение нескольких часов, фильтр с орошаемым субстратом продолжает получать кислород из атмосферного воздуха даже при полном отключении циркуляции воды, связанной с поломкой насоса или отключением электроэнергии. Подсыхание субстрата биофильтра происходит медленнее по сравнению с процессами гибели его микроорганизмов в отсутствие кислорода. В орошаемых биофильтрах часто используются всевозможные пластиковые субстраты особой формы с большой поверхн остью, к которой в равной степени легко поступает кислород, растворенный в воде, и дополнительно из атмосферы. Подобные субстраты обычно выпускаются в виде, например, шаров, напоминающих ежей (Bio Balls), мелко рассеченных кубических конструкций (Bio Cubes) и пр. Кроме того, аквариумная индустрия выпускает всевозможные субстраты в виде рулонов, помещаемых под вращающийся разбрызгиватель биофильтра, наполнители разнообразнейших конфигураций, выполненные из пружинистых губчатых материалов, и комбинированные изделия, например биошары, в средней части которых помещается губчатый субстрат, предназначенный для работы в качестве денитрификатора.
Орошаемый фильтр, встроенный в центре задней стенки аквариума. в верхней части фильтра хорошо видна зубчатая решетка системы перелива. Насосы, перекачивающие воду, располагаются внутри орошаемого фильтра снизу и выбрасывают очищенную воду через отверстия в центральной и боковых частях фильтра.
Таким образом вода, поступающая сверху через решетку перелива, омывает субстрат фильтра и выбрасывается обратно в аквариум
Модульная конструкция фильтров. Вода из аквариума закачивается насосом, расположенным на фотографии справа, сначала в фильтр механической очистки (с манометром наверху), а затем последовательно проходит (справа налево) модули химического фильтра, обогрева и ультрафиолетовой стерилизации. В представленной конфигурации фильтра выходной патрубок можно направить в аквариум с помощью стандартной трубы. Замена картриджей фильтров и их чистка осуществляется сверху. герметичная верхняя крышка любого из модулей отворачивается, что дает доступ к внутреннему устройству.
Группа водоемов с автономными биофильтрами, расположенными на одном уровне. вода, выливающаяся сверху из биофильтра, способствует лучшему перемешиванию слоев и насыщению их кислородом. К каждому аква риуму подведена вода. Кран, перекрывающий воду, расположен непосредственно над водоемом для удобства подмены воды в системе
Те же водоемы с биофильтрами (вид сзади)
Биофильтры расположены выше уровня водоемов. Вода из биофильтра возвращается самотеком. Обратите внимание на магистральные трубы подачи воды и воздуха, расположенные соответственно в верхней и средней частях системы
Компоновка биологических фильтров может быть как горизонтальной, например в виде фальшдна, или вертикальной – в виде своеобразной задней или боковой стенки. В последнем варианте заиливание биофильтра и образование в нем «мертвых зон» минимально. Для увеличения мощности биофильтрации в вертикальном конструктивном варианте можно сделать несколько слоев субстрата, между которыми следует поместить устройство для активной аэрации, так как уровень кислорода в воде после первого же слоя биологической очистки резко падает и его может оказаться недостаточно для нормальной активности последующих слоев. Биофильтр, вынесенный за пределы водоема, может быть как выше, так и ниже аквариума или же находиться на одном с ним уровне.
Аквариум с вертикальным расположением биофильтра. Пестрый фон на фотографии – не что иное, как биологический фильтр вертикальной компоновки, расположенный вдоль задней стенки аквариума. В качестве субстрата – наполнителя фильтра – здесь использован мелкий гравий
С технологической точки зрения удачно компонуются так называемые модульные конструкции. Каждый модуль в них выполняет свою функцию. В одном располагается обогреватель, в другом – фильтры механической очистки, биофильтр, ультрафиолетовый стерилизатор и т. д. Конструкция всей системы позволяет соединять разные модули вместе и компоновать из них различные конфигурации, которые могут размещаться отдельным бло ком или в поддоне, обычно расположенном под аквариумом и включающем такие элементы, как пеноотделители, денитрификаторы и пр.
Нитрификация
Следует иметь в виду, что какими бы ни были конструкция и исполнение биологического фильтра, главный работающий элемент в нем – комплекс микроорганизмов, населяющих поверхность субстратов. Заселение биофильтра, приведение его к работоспособной кондиции и стабильному рабочему состоянию требуют времени. Запуск биологического фильтра, при котором на поверхности гравия образуется бактериальная пленка, состоящая из полного комплекса микроорганизмов-утилизаторов, занимает обычно не менее 5–6 нед, и ускорить этот процесс сложно. Как показано на рисунке, сначала вследствие развития жизнедеятельности так называемых гетеротрофных бактерий, разлагающих выделения рыб, в воде аквариума происходит накопление токсичного аммония и аммиака. Это самый опасный период становления биофильтра, который называется си ндромом нового аквариума. Обычно максимум аммония наблюдается на 10-12-й день. Самые нежные рыбы и беспозвоночные этого не выдерживают и гибнут. Быстро развивающиеся так называемые нитрифицирующие бактерии (Nitrosomonas) питаются аммонием, что со временем приводит к резкому снижению его концентрации. Однако в результате своей жизнедеятельности они выделяют значительно менее токсичные, но все же очень ядовитые нитриты, которые, в свою очередь, используют в пищу другие нитрифицирующие бактерии – Nitrobacter. Обычно через 1 мес после прохождения максимума нитритов биологический фильтр считается активированным, и в воде аквариума начинают накапливаться на порядок менее токсичные нитраты.
Диаграмма развития процессов нитрификации при запуске биофильтра. Максимум аммиака наступает приблизительно на 10-й день работы фильтра и может вызвать массовую гибель нежных рыб. Это явление в аквариумистике называется «синдром нового аквариума». Опасный максимум нитритов обычно наступает в конце 1-го мес после запуска. Уровень нитратов, отмеченный пунктирной линией, может не достигать максимума вследствие регулярной подмены воды (сплошная линия)
Существует несколько приемов для запуска биофильтра, однако практика автора показала, что проще и лучше всего использовать для этого стаю живородящих рыб моллиенезий, которые по своему суммарному весу должны быть несколько больше, чем вес предполагаемых к заселению морских обитателей. Дело в том, что моллиенезии очень легко и быстро адаптируются к солоноватой и морской воде, малочувствительны к образующимся в процессе жизнедеятельности аммонию, нитритам и нитратам и любят высокую температуру воды, которая так нужна обитателям морей. Для того чтобы приучить моллиенезий к солоноватой воде, достаточно 10–12 ч. При этом воду, в которой эти рыбы будут жить в вашем аквариуме в процессе запуска (или, как еще говорят, зарядки или активации биологического фильтра), следу ет добавлять по каплям, смешивая ее с исходной пресной. После адаптации к солоноватой воде моллиенезий поселяют в аквариуме при непрерывно работающих насосах циркуляции фильтров.
В течение всего периода зарядки фильтра моллиенезий следует обильно кормить. Естественные выделения этих рыб послужат питательной средой для бактерий, преобразующих ядовитые компоненты разложения выделяемой органики в виде экскрементов и слизи в менее токсичные вещества, которые впоследствии будут удаляться из аквариума при подмене воды (20–25 % в месяц).
Спустя 1–1,5 мес моллинезий следует удалить, а воду полностью заменить на свежеприготовленную, но той же солености, температуры и кислотности. За период запуска фильтра в ней накопилось много нитратов, а самое главное, высока концентрация биогенных загрязнений, наличие которых никакими простенькими любительскими приборами не проконтролировать. Все это может привести к стрессу и гибели поселяемых взамен моллиенезий рыб. После смены воды аквариум готов к заселению самыми крепкими рыбами, например амфиприонами или другими, относящимися к семейству помацентровых (Pomacentridae). При этом важно учитывать, что масса рыб, которые будут заселены в аквариум, не должна превышать общую массу моллиенезий, иначе регенерационной мощности заряженного фильтра может не хватить и тогда опять начнутся проблемы с превышением допустимых концентраций аммония, нитритов и нитратов.
После того как помацентриды поживут в аквариуме примерно полгода, можно подумать о засел ении более чувствительных и нежных рыб, например карликовых ангелов. В идеале, чтобы не нарушать работу биофильтра, лучше заменить часть помацентрид на ангелов равного размера, а не просто выпустить их в аквариум. Желательно также совместить процедуру замены одних рыб на других с подменой воды на свежеприготовленную.
По окончании зарядки фильтра моллиенезий можно опять приучить к жизни в пресной воде, действуя в обратном порядке, то есть медленно разбавляя морскую воду пресной (по каплям!) в течение 10–12 ч.
Вместо моллиенезий вполне можно использовать азиатских цихлид – этроплюсов, морских собачек – бленниусов или мало чувствительных к какому-либо загрязнению групперов, но в наших аквариумах они встречаются реже и стоят значительно дороже. Думаю, что из всего изложенного понятно, что биофильтр является невидимым функционирующим и довольно капризным устройством в аквариуме, от которого зависит жизнь всех остальных его обитателей.
Для полноты картины описания систем фильтрации приведем еще один очень важный пример из новейшей истории. В начале 1960-х гг. многие американцы и европейцы были крайне удивлены, увидев в далекой Индонезии замечательные аквариумы, создаваемые местным аквариумистом из Джакарты Ли Чин Энгом. В его водоемах, наполненных всевозможными морскими обитателями – рыбами, водорослями, беспозвоночными, – больше всего поражало отсутствие каких-либо специальных технических средств, за исключением распылителя воздуха.
Денег на приобретение дорогих фильтров у бедного индонезийца не было, были лишь наблюдательность, смекалка и истинный интерес к морским обитателям. Он мог подолгу рассматривать коралловые сообщества в природе для того, чтобы с минимумом искажений перенести их в свой аквариум. Созданная им система, сразу названная природной, или натуральной, казалась всем каким-то доморощенным индонезийским фокусом. Однако в последние годы она получила массовое развитие сна чала в Европе, затем и в Америке, но уже на новом технологическом уровне. Это ни что иное, как фильтрация с применением «живых камней», «живого песка», системы Жубера, «грязевого фильтра» и т. д. Автор же этой натуральной системы умер, не дожив до широкого общественного признания своего детища и проведя остаток жизни в Австралии (в Сиднее), но уже в хорошем достатке. Тем не менее, несмотря на название системы, следует уяснить, что и пресноводный, и морской аквариумы, по крайней мере, комнатных масштабов, весьма далеки от природы – это в большей степени творение рук человеческих со всеми проблемами и недостатками.
Денитрификация
Принято считать, что конечным продуктом работы биофильтра являются сравнительно неядовитые неорганические соединения – нитраты. В классических трактатах, посвященных морскому аквариуму, обычно пишут, что даже нежные рыбы якобы выдерживают концентрацию нитратов в десятки миллиграммов на литр воды.
Исходя из того, сколько морские животные потребляют корма и, соответственно, выделяют продуктов своей жизнедеятельности в воду, нетрудно рассчитать, насколько быстро будет достигнут в аквариуме порог нитратной безопасности. Так и происходит. В реальности же данные расчетов оправдываются далеко не всегда, а эксперименты японских исследователей показали, что дело далеко не в нитратах.
Поселив амфиприонов в просторный аквариум, они стали определять смертельную концентрацию нитратов. Оказалось, что рыбы без видимого ущерба выдерживают концентрацию этого вещества, почти в 100 (!) раз превышающую указанную в аквариумной литературе предельно допустимую норму нитратов для аквариума с соленой водой. В чем же дело, почему такой разнобой в рекомендованных и экспериментальных данных? Если поразмыслить, ответ сравнительно прост. Дело не столько в самих нитратах, сколько в других веществах, которые накапливаются в аквариуме вместе с ними. Слово «сравнительно» написано здесь потому, что ни состав этих веществ, ни их свойства определить в любительских условиях невозможно, или, как сейчас говорят, почти невозможно. Более подробно об этом будет сказано ниже.
Колонка денитрификатора. Питательный раствор для фауны денитрификатора подается сверху дозирующим насосом. Циркуляция воды в контуре денитрификации осуществляется насосом, расположенным справа
Бороться с нитратами можно путем регулярной подмены воды или использования денитрификационных фильтров. Известно, что водные растения прекрасно усваивают нитраты (и не только их!), используя эти вещества для построения своего тела. В результате концентрация нитратов заметно снижается. На этом основана работа так называемого водорослевого фильтра. Конструкции такого фильтра могут быть различными, но принцип один. Аквариумная вода протекает через своеобразную неглубокую кассету, в которой располагаются быстрорастущие водоросли, освещаемые яркими ла мпами. Излишки быстро нарастающей водорослевой массы периодически удаляются из кассеты фильтра. Совершенно необходимо, чтобы свет в водорослевом фильтре горел круглые сутки, так как при выключении освещения водоросли потребляют кислород и выделяют углекислый газ, который в больших количествах опасен для морских гидробионтов, равно как и недостаток кислорода.
Известны и другие способы денитрификации, например основанные на усвоении нитратов в воде другими микроорганизмами, осуществляющими эти процессы. В отличие от нитрификации, где важнейшую роль играет растворенный в воде кислород, процессы денитрификации происходят в среде, лишенной кислорода, или, говоря научным языком, анаэробной. Множество систем таких фильтров было разработано еще в послевоенные годы, а применяются они и поныне для очистки промышленных сточных вод. Основной принцип их работы состоит в том, что денитрифицирующие организмы преобразуют нитраты в газообразные компоненты, конечный продукт которых – газообразный азот, выделяемый в атмосферу. Очевидно, что гетеротрофные бактерии, осуществляющие процессы денитрификации, нуждаются в пище. Их питание может осуществляться различными способами – с помощью глюкозы, сахара, метилового и этилового спиртов. Денитрификатор с применением этилового спирта получил общепринятое в мире название «водочный фильтр».
Мода на аквариумы мини-рифы, в которых очень важно обеспечить высокое качество воды с низким уровнем нитратов, подтолкнула развитие аквариумной техники в части появления денитрификаторов новых систем.
Одним из успешных типов таких устройств, получивших свое развитие в последние 10–15 лет, стал так называемый автотрофный серный денитрификатор (ASD – Autotrophic Sulfur Denitrification). Суть его работы заключается в восстановлении нитратов до газообразного азота с помощью серы, являющейся питательной средой для бактерий Thiobacillus denitrificans. Само по себе изучение этих бактерий относится к началу 1950-х гг., но применение их природных способностей в аквариумной технике началось лишь сорок лет спустя. Первые эксперименты были проведены Марком Лангу (Marc Langouet) во Франции. Серный денитрификатор устроен исключительно просто. Он представляет собой резервуар, заполненный серой в виде гранул размерами от 1,5 до 5 мм. Движение воды снизу вверх обеспечивает анаэробный режим в нижней части устройства, а также транспортировку и выход мельчайших пузырьков газообразного азота, образовавшихся в результате реакции, в атмосферу. Для этого верхняя часть серного реактора должна быть открытой. Рекомендуемая масса серы в реакторе должна составлять приблизительно 1 % от веса воды в аквариуме. Например, для аквариума объемом 400 л в серный реактор денитрификатора следует поместить 4 кг серных гранул. Учитывая, что в результате работы серного реактора рН обработанной воды снижается до уровня 6–6,5 (из-за образования серной кислоты), что недопустимо для морской воды, на его выходе следуе т установить нейтрализующее устройство, заполненное мрамором, известняком или доломитом примерно такого же объема, что и сера. Для этого можно использовать стандартный кальциевый реактор, применяемый в сочетании с углекислым газом и служащий для пополнения баланса кальция в морской воде. После протекания обработанной воды через кальциевый реактор ее можно смело возвращать в аквариум.
Колонка денитрификатора, заполненная шариками из серы, позволяет реализовать систему автотрофной серной денитрификации (ASD)
Различные типы аквариумных субстратов, применяемых в системах пресноводного аквариума с живыми растениями
Запуск серного денитрификатора, равно как и биофильтра, достаточно сложен. Поначалу движение воды в этом устройстве следует свести к минимуму, чтобы гарантировать анаэробные условия в нижней части серного реактора. При температуре 26 °C и ско рости течения жидкости 1 капля в секунду это занимает в среднем 2–3 дня. Активность работы бактерий можно зафиксировать повышением уровня нитритов на выходе серного реактора. Измерения следует проводить регулярно, чтобы аналогично запуску биофильтра убедиться в прохождении пика нитритов, что обычно происходит на 3-4-й день. Затем скорость потока воды через серный реактор увеличивают в течение 10–15 дней. Параллельно с этим контролируют изменение уровня нитратов в воде. Слишком большой поток воды через фильтр приводит к повышению уровня нитритов в вытекающей воде, а слишком малый – к образованию сероводорода, что просто определить по характерному запаху над поверхностью серного реактора. Таким образом, оптимальный режим работы автотрофного серного денитрификатора подбирается регулированием скорости потока обрабатываемой воды. Регулировать же этот поток с помощью крана очень легко. Для ориентировки следует принять в расчет следующие цифры: для реактора с количеством серы 4 кг скорость по тока будет приблизительно 4 л/ч, то есть порядка 100 л/сут. В зависимости от конструктивных параметров системы фильтрации воду из денитрификатора можно направлять непосредственно в аквариум или, например, в поддон.
Устройство двойного дна. Для улучшения качества фильтрации в системе Жубера в самой нижней части субстрата желательно между слоями гравия и синтетического волокна расположить слой серных шариков
Существует несколько вариантов компоновки автотрофного серного денитрификатора в общей системе фильтрации. Успешную апробацию прошло устройство, последовательно включающее 3 камеры, где обрабатываемая вода сначала проходит через сорбент, забирающий из воды фосфаты, а затем через серный и кальциевый реакторы. После кальциевого реактора очищенная вода направляется обратно в аквариум. В последнее время появились данные о том, что применение серы в самом нижнем анаэробном слое комбинированного фильтра по с истеме Жубера значительно увеличивает его денитрификационный потенциал.
