https://comfortcar.pl/blog/aktualnosci/ile-kosztuje-wynajem-samochodu-cena-wynajmu-auta/

Filtracja biologiczna

Moderator: ModTeam

Awatar użytkownika
screamer
Forumowicz
Posty: 85
Rejestracja: 2006-11-14, 20:06
Pojemność akwarium: 0
Lokalizacja: Kraków
Kontakt:

Filtracja biologiczna

Post autor: screamer » 2006-12-25, 20:24

Wstęp

Jednym z najważniejszych urządzeń technicznym w naszym akwarium jest filtr. Jego główne zadanie wcale nie polega jednak na mechanicznym zatrzymywaniu pływających zanieczyszczeń, które widzimy gołym okiem. Jest to ważne dla estetyki zbiornika, ale najważniejszych efektów działania filtrów nie widać. Mowa o filtracji biologicznej, za którą odpowiedzialni są mikroskopijni mieszkańcy naszego małego ekosystemu.

Filtrowanie wody nie jest wynalazkiem nowym. Najdawniejsze informacje o tym procesie pochodzą z Indii i mają ponad 3000 lat. Mniej więcej w tym samym czasie w Chinach stosowano specjalne materiały granulowane do oczyszczania wody w studniach.

Inżynierowie, specjaliści od wody, używają pojęcia filtracji powolnej i pospiesznej. Filtry pospieszne to urządzenia, których głównym zadaniem jest mechaniczne zatrzymywanie zawiesin. Akwaryści nazywają to filtracją mechaniczną. Głównym zadaniem filtrów powolnych jest oprócz mechanicznego oczyszczenia wody usunięcie tego co niewidoczne. Pierwsze zastosowane w Polsce filtry to właśnie filtry powolne. Zostały zbudowane w Warszawie w 1885 roku i działają do dziś. Woda przesącza się w nich powoli przez warstwę piasku o grubości około 1 m. Piasek stanowi miejsce życia bakterii, które na drodze przemian biochemicznych w dużym stopniu rozkładają zanieczyszczenia organiczne. Czy to nie brzmi znajomo? Przecież to bardzo przypomina filtry podżwirowe spotykane w akwariach! Zasada działania jest identyczna. Technologie stosowane w akwarystyce mają bardzo wiele wspólnego z rozwiązaniami przemysłowymi.

Biologiczne usuwanie zanieczyszczeń organicznych.

W wyniku funkcji życiowych naszych rybek i innych wodnych organizmów trafiają do wody produkty przemiany materii. Ze względu na maleńką w porównaniu z naturalnymi ekosystemami objętość sztucznego środowiska akwarium woda dość szybko ulega zanieczyszczeniu związkami organicznymi. To co już nieprzydatne dla ryb, a często wręcz toksyczne, jest jeszcze świetnym pożywieniem dla mikroorganizmów. Zużywają one te niepożądane zanieczyszczenia do dwóch celów: zyskanie energii potrzebnej do życia oraz budowy biomasy (własny wzrost oraz rozmnażanie). Zanieczyszczenia organiczne mogą być bardzo różnymi związkami chemicznymi. Składają się przeważnie z węgla, tlenu, wodoru i azotu. Dla uproszczenia dalszych rozważań można przyjąć zastępczy wzór chemiczny C10H19O3N.

Bakterie są organizmami o ogromnej zdolności przystosowawczej i potrafią realizować te procesy zarówno w warunkach tlenowych jak i przy jego braku. W akwariach mamy do czynienia przeważnie z warunkami tlenowymi. W takiej sytuacji utlenianie w celu zdobycia energii można przedstawić w uproszczeniu następującym wzorem:

C10H19O3N + 12,5 O2 -> 9 CO2 + 7 H2O + NH4+ + HCO3-

Tak więc w wyniku działalności mikroorganizmów zanieczyszczenia organiczne rozłożone zostają do prostych związków nieorganicznych. Powstaje woda, dwutlenek węgla, który może zostać spożytkowany np. przez rośliny oraz jon amonowy NH4+ i anion wodorowęglanowy HCO3-.

Powstanie tych jonów to dosyć ważny „efekt uboczny”. Zauważmy, że nastąpiła przemiana azotu zawartego w związku organicznym do formy nieorganicznej - tzw. azotu amonowego. Zjawisko to nazywane jest amonifikacją. Azot amonowy jest dosyć toksyczny i może przechodzić przy wysokim pH w jeszcze bardziej trujący amoniak (NH3). Anion wodorwęglanowy powoduje powstanie tzw. zasadowości. Zasadowość jest zjawiskiem polegającym na zdolności wody do zobojętniania dodawanych kwasów. Ma więc wpływ stabilizujący na pH wody zapobiegając jego spadkom (można spotkać się również z określeniem „buforowość”). Zasadowość jest więc bardzo korzystna w akwarium. Oczywiście zbyt duża może być również problemem. Teoretyczny wzrost zasadowości w wyniku przetworzenia azotu organicznego w amonowy wynosi 3,57 g CaCO3/g N.

Budowa biomasy przez mikroorganizmy jest nijako zajęciem drugorzędnym. Najważniejsze są funkcje życiowe i zużycie związków organicznych na własny wzrost ma miejsce tylko wtedy, gdy pokarmu jest tak dużo, że zostaje go jeszcze po zaspokojeniu potrzeb energetycznych. Technolodzy mówią o procesach nisko i wysokoobciążonych. Niskoobciążone procesy biologicznego oczyszczania mają miejsce wtedy, kiedy pokarmu dla bakterii jest niewiele. Wtedy ich populacja utrzymuje się na mniej więcej stałym poziomie. W procesie wysokoobciążonym (np. podczas oczyszczania ścieków) pokarmu jest tak dużo, że bakterie intensywnie się mnożą i istniej konieczność stałego usuwania ich nadmiaru. Uproszczona reakcja budowy biomasy wygląda następująco:

C10H19O3N + 1,5 NH3 + 2,5 CO2 -> 2,5 C5H7NO2 + 3 H2O

Moim zdaniem w akwarium dominują jednak procesy niskoobciążone i reakcja powyższa ma mniejsze znaczenie - choć oczywiście zachodzi. Bakterie przecież giną i rodzą się nowe.

W warstwie żwiru lub piasku, który jest podłożem w naszym akwarium, mogą jednak wystąpić warunki, w których ilość tlenu jest znacznie mniejsza niż w pozostałej części akwarium. Bakterie potrafią przystosować się i do tej sytuacji. Pokarm jest wtedy przetwarzany w inny sposób. Efektem działania mikroorganizmów nie jest pełne przetworzenie związków organicznych na proste związki mineralne ale ich rozkład na prostsze związki organiczne. Te beztlenowe procesy przemiany materii nazywane są fermentacją. Istnieje wiele rodzajów fermentacji, i bardzo różne mogą być jej produkty.

Wystąpienie takich procesów beztlenowych jest bardzo niekorzystne w akwarium. Ich efektem jest powstawanie siarkowodoru (H2S). Jest to związek silnie toksyczny o charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu. Jeśli więc poczujemy nieprzyjemny zapach zgniłych jaj w pobliżu akwarium (zwłaszcza przy poruszeniu żwiru) może to być sygnałem, że w podłożu zachodzą beztlenowe procesy przemiany materii. Zjawiska te występują rzadziej jeśli mamy na dnie akwarium gruboziarnisty żwirek i filtr podżwirowy, który wymusza stały przepływ wody zawierającej tlen. Drobny piasek i brak przepływu wody sprzyja fermentacji. Jak jej przeciwdziałać? Na dwa sposoby. Po pierwsze starajmy się nie dopuszczać do zalegania resztek jedzenia, szczątków roślin i innych odpadów organicznych. Odmulajmy regularnie akwarium. Po drugie starajmy się zapewnić dopływ wody zawierającej tlen. Odmulając dno stosujmy odmulacze, które powodują zruszenie warstwy podłoża. Bardzo skuteczne są również organizmy przekopujące podłoże (np. ślimaki świderki).

Nitryfikacja

Jeszcze do niedawna biologiczne metody oczyszczania ścieków nastawione były głównie na rozkład związków organicznych. Okazało się jednak, że można doskonale oczyścić pod tym względem ścieki a ich wpuszczenie do rzeki czy jeziora może i tak spowodować jej śmierć biologiczną. Woda zawierająca substancje będące świetnymi nawozami (związki azotu i fosforu) może nie być toksyczna dla organizmów żywych. Wręcz przeciwnie – wywołuje eksplozję życia – zwłaszcza glonów. Nazywa się to eutrofizacją zbiornika. Dochodzi do tzw. zakwitu wody. Problemy zaczynają się kiedy glonów jest bardzo dużo i zaczynają obumierać. W krótkim czasie zostaje zużyty cały tlen rozpuszczony w wodzie. Następuje uduszenie organizmów oddychających tlenem a w wodzie pojawia się trujący siarkowodór. Podobny mechanizm może wystąpić w akwarium. Dlatego zaczęto obmyślać metody oczyszczania wody z związków azotu. W praktyce stosuje się obecnie jedynie metody biologiczne. Składają się one z dwóch etapów: nitryfikacji i denitryfikacji. Dokładnie te same mechanizmy występują w akwariach.

Nitryfikacja jest procesem realizowanym głównie przez bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter. Są to mikroorganizmy, które jako budulec własnego ciała wykorzystują podobnie jak rośliny proste związki nieorganiczne: wodę i dwutlenek węgla. Niezbędną do życia energię uzyskują natomiast w wyniku chemicznej reakcji utleniania azotu amonowego do azotynów a następnie azotynów do azotanów. W uproszczeniu bakterie Nitrosomonas przeprowadzają więc reakcję:

NH4+ + 1,5 O2 -> NO2- + 2H+ + H2O + 352 kJ

zaś bakterie Nitrobacter:

NO2- + 0,5 O2 -> NO3- + 73 kJ

W wyniku działalności tych pożytecznych mikroorganizmów następuje więc przekształcenie stosunkowo toksycznego azotu amonowego (NH4+ i NH3) powstałego w wyniku opisanej wcześniej amonifikacji w znacznie mniej szkodliwy azot azotanowy (NO3-). Drugi etap nitryfikacji przeprowadzany przez Nitrobacter przebiega znacznie szybciej i cały wytworzony azot azotynowy (NO2-) jest praktycznie natychmiast przetwarzany. Dlatego w dojrzałym akwarium stężenie azotu azotynowego mierzone testami akwarystycznymi powinno być praktycznie równe 0.

Warto wspomnieć również o „efektach ubocznych” nitryfikacji. W wyniku działania Nitrosomonas powstaje wolny kwas (H+). Reaguje on z zawartą w wodzie zasadowością powodując jej zużycie.

H+ + HCO3- <-> CO2 + H2O

Teoretycznie wyliczone zużycie zdolności buforowania wody wynosi 7,14 g CaCO3/g N. Uwzględniając przyrost zasadowości w wyniku wcześniejszego etapu – przemiany azotu organicznego w amonowy otrzymujemy łącznie spadek w wysokości 3,57 g CaCO3/g N. Jeśli zdolność buforowania wody jest mała to w wyniku nitryfikacji może nastąpić obniżenie pH.

Jakie warunki powinny mieć zapewnione bakterie nitryfikacyjne aby mogły działać z maksymalną skutecznością? Pierwszym i najważniejszym jest obecność tlenu rozpuszczonego. Stężenia mniejsze niż 2 mg O2/dm3 powodują spowolnienie tempa reakcji zaś wyższe nie powodują wyraźnego wzrostu. Okazuje się, że nawet kilkugodzinne pozbawienie tych bakterii tlenu nie powoduje ich śmierci. Mimo wszystko starajmy się ograniczyć przerwy w pracy filtra do niezbędnego minimum.

Bakterie nitryfikacyjne najlepiej będą się czuły w akwariach hodowców ryb z jezior Malawi i Tanganika. Wynika to z faktu, że optymalny odczyn wody wynosi pH 7,5 – 8,5. W praktyce mikroorganizmy potrafią się przystosować do zakresu pH 6 – 10 pod warunkiem jednak stabilności tego parametru.

Istotnym parametrem jest temperatura. Całkowite zatrzymanie reakcji następuje w temperaturze około 5˚C. Wyraźne spowolnienie następuje jednak już poniżej 20˚C. Zakres temperatur spotykany w typowych akwariach tropikalnych jest bardzo dobry dla nitryfikacji.

Bakterie Nitrosomonas i Nitrobacter są bardzo wrażliwe na substancje toksyczne. Trujące dla niech są między innymi metale ciężkie, żelazo Fe2+ oraz chlor i jego związki. Z tego względu pamiętajmy aby nie myć wkładów filtra w wodzie wodociągowej, która bardzo często zawiera zabójcze dla bakterii środki dezynfekcyjne oparte na chlorze. Najlepiej płukanie filtra przeprowadzić w wodzie odlanej z akwarium podczas podmiany wody. Wtedy mamy zagwarantowaną odpowiednią temperaturę oraz to, że nie zatrujemy mikroorganizmów.

Denitryfikacja

W akwarium ze sprawnie działającym układem filtracji powinien więc następować rozkład zanieczyszczeń organicznych oraz przemiana azotu w formie organicznej do stosunkowo mało szkodliwej formy azotanowej. Azotany jednak nadal są świetnym nawozem i mogą powodować intensywny rozwój glonów. Pamiętajmy również, że wszystko jest i nie jest trucizną. Oznacza to, że nawet pozornie nie trująca substancja w dużej ilości staje się toksyczna. Przyjmuje się, że bezpieczne w akwarium stężenie azotanów wynosi około 50 mg/dm3. Oczywiście im niższe tym lepiej. Między innymi dlatego konieczne są regularne podmiany wody w akwarium. Wraz z wodą usuwamy część azotanów. Czy można jednak pozbyć się ich inaczej?

Tu znów przychodzi z pomocą proces podpatrzony w przemysłowej technologii wody i ścieków. Denitryfikacja jest coraz częściej stosowanym procesem również w polskich oczyszczalniach ścieków. Do jego realizacji konieczne jest stworzenie warunków niedotlenionych. Warunki niedotlenione to takie, w których tlen nie występuje w formie cząsteczkowej (O2) ale jest obecny w formie związanej chemicznie, np. w postaci azotanów (NO3-). W takiej sytuacji bakterie nie mogą używać do oddychania tlenu cząsteczkowego i muszą wykorzystywać ten związany chemicznie. Następuje więc wykorzystanie tlenu zawartego w azotanach w myśl uproszczonej reakcji:

NO3- + 0,5 H2O -> 0,5 N2 + 2,5 O + OH-

Zauważmy, że w wyniku aktywności życiowej mikroorganizmów następuje przekształcenie azotu azotanowego w formę cząsteczkową N2, który jest gazem i ulatnia się z wody w powietrze. Następuje więc całkowite usunięcie azotu z wody.

Oczywiście i w tym przypadku występują „efekty uboczne”. Oprócz azotu i tlenu powstaje przecież wolna zasada (OH-), która reaguje z rozpuszczonym w wodzie dwutlenkiem węgla tworząc wodorowęglany, a więc zwiększając zasadowość.

CO2 + OH- <-> HCO3-

Teoretycznie wyliczony wzrost zasadowości wynosi 3,57 g CaCO3/g N. Bilans całego procesu przemiany azotu od formy organicznej do gazowej wynosi więc 0. W praktyce jednak tak się raczej nie dzieje. Sytuacja, w której cały azot azotanowy jest poddawany denitryfikacji nie występuje nigdy. Chociażby z tego względu, że często sporą część zużywają rośliny. Ilości wyliczone teoretycznie również często odbiegają od zmierzonych w praktyce. Przy niskiej kwasowości wody, czyli zdolności zobojętniania dodanych zasad, może nastąpić wzrost pH.

Jakie warunki powinny być spełnione aby denitryfikacja mogła przebiegać sprawnie? Przede wszystkim stężenie tlenu rozpuszczonego nie powinno przekraczać 0,5 mg O2/dm3. Sposób oddychania bakterii denitryfikacyjnych jest dużo mniej sprawny energetycznie niż w wypadku bakterii tlenowych. Dlatego jeśli te drugie znajdą korzystne dla siebie warunki (dostateczna ilość tlenu) to wygrają konkurencję i będą dominowały.

Bardzo ważna jest dostępność odpowiedniego źródła pokarmu. Bakterie denitryfikacyjne mogą odżywiać się jedynie łatwoprzyswajalnymi związkami organicznymi. W rozwiązaniach przemysłowych stosuje się dokarmianie bakterii denitryfikacyjnych tzw. lotnymi kwasami tłuszczowymi (LKT). Jest to bardzo dobry i tani pokarm, który powstaje w wyniku fermentacji części ścieków na oczyszczalni. Inne dobre pożywki to etanol, metanol, kwasy organiczne, skrobia, kazeina, aceton, żelatyna, glukoza, metan, sacharoza i glikol. W praktyce do wykorzystania są więc takie źródła jak np. cukier, mączka rybna, margaryna czy chociażby sok wiśniowy. Ja np. w swoim akwarium, w którym stosuję nawożenie CO2 z wykorzystaniem generatora drożdżowego (popularna „bimbrownia”) zrezygnowałem z licznika bąbelków, którego zadaniem jest usunięcie z gazu innych niż CO2 produktów fermentacji. Niewielka część alkoholu powstająca w generatorze trafiając do akwarium stanowi świetną pożywkę dla bakterii denitryfikacyjnych. Jest to tak mała ilość, w dodatku natychmiast zużywana przez mikroorganizmy, że nie stanowi żadnego problemu dla ryb. Stosuję tą metodę od dłuższego czasu i nie zauważyłem negatywnych efektów.

Podobnie jak w przypadku bakterii nitryfikacyjnych istotna jest temperatura. Wymagania są w tym przypadku bardzo podobne. Różny jest natomiast optymalny zakres pH. Denitryfikacja lepiej przebiega w nieco kwaśniejszym środowisku. Najlepiej gdy odczyn wynosi pH 6,5 – 7,5.

Jak to w praktyce wykorzystać?

Zauważmy, że pełny cykl filtracji biologicznej wymaga stworzenia w układzie filtracji różnych warunków. Chodzi tu przede wszystkim o dostępność tlenu. Do rozkładu związków organicznych i nitryfikacji potrzebny jest tlen. Uniemożliwia on natomiast przeprowadzenie denitryfikacji. W praktyce nie da się więc przeprowadzić całego procesu biologicznego w jednej objętości. Dlatego zazwyczaj denitryfikatory, czyli urządzenia, w których realizuje się denitryfikację są oddzielnymi urządzeniami.

Nitryfikacja i biologiczne usunięcie związków organicznych mogą być z powodzeniem realizowane w zwykłym filtrze. Dobrze jest zadbać o to aby wypełnienie filtra biologicznego stanowiły specjalne wkłady przeznaczone na podłoże dla mikroorganizmów. Ich najważniejszą cechą jest silnie rozwinięta powierzchnia. Umożliwia to życie większej ilości bakterii w danej objętości niż w przypadku zwykłego wypełnienia filtru. Można obecnie kupić w sklepach zoologicznych wiele przeznaczonych do tego wypełnień. Znajdują się one w ofercie większości znanych producentów sprzętu akwarystycznego. Mogą być wykonane z tworzywa sztucznego lub ceramiki (dobrze nadaje się np. ogrodniczy keramzyt) . Mogą to być również materiały pochodzenia naturalnego. Wskazane jest również zadbanie o dostarczenie dodatkowej ilości powietrza do filtra. W skonstruowanym przez siebie filtrze, na który przeznaczyłem specjalny szklany zbiornik zastosowałem jako wypełnienie drobno pocięty cienki wężyk z tworzywa sztucznego. Zrezygnowałem z umieszczania w akwarium systemu napowietrzania na rzecz umieszczenia w filtrze pod wypełnieniem z wężyka kamyczka napowietrzającego. Takie rozwiązanie zapewnia napowietrzenie akwarium a jednocześnie gwarantuje, że mikroorganizmy w filtrze będą miały dostarczoną maksymalną ilość tlenu. Uzyskamy również doskonałe wymieszanie w komorze filtra - dzięki temu w całej objętości panują jednakowe warunki. Podobne rozwiązanie stosowane jest np. podczas oczyszczania ścieków w tzw. komorach napowietrzania, które są odpowiedniej wielkości basenami z umieszczonymi na dnie dyfuzorami powietrza bardzo przypominającymi stosowane w akwariach kamyczki.

Denitryfikacja może natomiast zachodzić w warstwie podłoża akwarium. Jest to miejsce gdzie w całym akwarium występuje chyba najmniej tlenu. Jeśli dysponujemy np. filtrem podżwirowym możemy zastosować rozwiązanie polegające na skierowaniu wody z wylotu filtra pod dno akwarium. W takim przypadku przez warstwę żwiru przepłynie woda o obniżonej zawartości tlenu, który został częściowo zużyty przez mikroorganizmy w filtrze, natomiast o podwyższonej zawartości azotanów. W przypadku zastosowania opisanego wyżej napowietrzania w filtrze oczywiście korzystniej jest najpierw przefiltrować wodę przez podłoże a dopiero następnie skierować do filtra. Dodatkowo możemy umieścić w żwirze dostępne ostatnio w sklepach zoologicznych pożywki dla bakterii denitryfikacyjnych. Oczywiste jest, że trudno będzie uzyskać intensywną denitryfikację ponieważ nawet w takiej sytuacji trudno jest zapewnić w akwarium odpowiednio niskie stężenie tlenu. Najważniejsze przecież są ryby, które potrzebują tlenu.

Denitryfikację można również przeprowadzić w specjalnie do tego przeznaczonym urządzeniu. Najczęściej spotykane w akwariach rozwiązanie można z powodzeniem skonstruować samemu. Zasadniczą częścią jest kilkunastometrowej długości wężyk z tworzywa sztucznego o grubości 6 – 10 mm. Przez wężyk ten przepuszczamy część wody z wylotu filtra lub bezpośrednio z akwarium (wtedy trzeba zastosować specjalną pompkę). W początkowym fragmencie wężyka osiedlają się z czasem bakterie tlenowe, które zużywają resztę rozpuszczonego w wodzie tlenu. W dalszej części wytwarzają się więc warunki niedotlenione i następuje rozwój bakterii denitryfikacyjnych. Urządzenie takie należy odpowiednio „wpracować”. Polega to na zalaniu wężyka wodą zawierającą pożywkę oraz pozostawieniu układu bez przepływu na 2 – 3 dni. W tym czasie następuje wytworzenie warunków beztlenowych oraz rozwój bakterii. Następnie uruchamiamy denitryfikator początkowo z bardzo niewielkim przepływem wody, który z czasem stopniowo zwiększamy.

Czy można inaczej?

Okazuje się, że denitryfikacja i nitryfikacja może jednak przebiegać w tym samym urządzeniu. Nazywa się to denitryfikacją symultaniczną. Przy odpowiednim napowietrzaniu możliwe jest uzyskanie efektu, w którym nitryfikacja zachodzi na powierzchni kolonii bakterii (na powierzchni wypełnienia filtru) zaś denitryfikacja w jej wnętrzu. Bakterie tlenowe zużywają rozpuszczony w wodzie tlen i do wnętrza kolonii bakterii dociera już woda pozbawiona tlenu ale zawierająca azotany. Świadome uzyskanie denitryfikacji symultanicznej jest bardzo trudne gdyż wymaga precyzyjnego sterowania stężeniem tlenu w filtrze. Może się jednak zdarzyć, że przypadkowo uzyskamy taki efekt w naszym akwarium.

Naukowcy i inżynierowie nie próżnują. W literaturze pojawiają się wzmianki o tym, że możliwe jest całkowite usuwanie azotu również w warunkach tlenowych. Okazuje się, że niektóre bakterie nitryfikacyjne są w stanie przeprowadzić również denitryfikację w obecności tlenu rozpuszczonego. Istnieje również technologia utleniania azotu amonowego z wykorzystaniem azotynów. Reakcja pozwaljąca na zdobywanie energii wygląda następująco:

NH4+ + NO2- -> N2 + 2 H2O

Proces ten , znany pod nazwą ANNAMOX®, jest realizowany przez nie wyodrębnione jeszcze bakterie i wymaga pH około 8 oraz wysokiej temperatury (około 36˚ C). Być może w niedługim czasie staniemy przed kolejną zmianą stosowanych technologii przemysłowych a za tym zmianami w naszej praktyce akwarystycznej.

ODPOWIEDZ