AF130 Media Reactor jako reaktor MBBR | Zasoby | Blog o akwarystyce | Aquaforest

Rodzaje filtracji w akwariach słodkowodnych #

Dominującym rozwiązaniem filtracji w akwariach słodkowodnych są urządzenia oparte o statyczne, zalane złoże biologiczne. Woda przepływa przez nieruchomo ułożone wypełnienie najczęściej z elementów ceramicznych lub gąbki. W mniejszych zbiornikach najczęściej stosuje się filtry wewnętrzne lub kaskadowe. Natomiast w średniej wielkości akwariach królują filtry kubełkowe. Duże zbiorniki częściej wyposażone są w indywidualne rozwiązania.

Rola mikroorganizmów w filtracji biologicznej #

Podstawą działania tego typu filtrów jest aktywność mikrobiologiczna organizmów żyjących na powierzchni elementów złoża filtracyjnego. Wydzielają one polisacharydową, galaretowatą substancję bogatą między innymi w enzymy rozkładające zanieczyszczenia, w której oprócz bakterii i grzybów znajdziemy też mikrodrapieżniki odżywiające się nimi. Powstaje w ten sposób specyficzny mikroekosystem zwany błoną biologiczną. Z punktu widzenia znaczenia dla oczyszczania wody w akwarium błona biologiczna wytwarzająca się na stałych elementach założonych w wodzie ma znacznie większe znaczenie niż bakterioplankton (bakterie swobodnie unoszące się w toni wodnej).

Wady statycznych złóż biologicznych #

To niewątpliwie doskonale sprawdzone i dobrze działające rozwiązane jakim jest statyczne złoże biologiczne. Ma jednak, jak każde, cechy które w niektórych okolicznościach mogą być traktowane jako suboptymalne. Z punktu widzenia inżyniera procesowego / technologa wody jakim jestem, zasadniczą cechą tego typu złóż filtracyjnych jest gradacja warunków w nim panujących. I to zarówno w miarę przepływu wody przez złoże jak i w miarę wnikania wody do wnętrza elementu porowatego ( kawałka ceramiki ). Woda niosąca zanieczyszczenia będące jednocześnie substratami dla reakcji enzymatycznych prowadzonych przez mikroorganizmy, jest oczyszczana w miarę przypływu przez złoże filtracyjne.

Oznacza to, że stopniowo spada dostępność składników potrzebnych mikroorganizmom a jednocześnie przybywa produktów reakcji prowadzonych przez bakterie (np. CO₂, NO₃^–, H⁺). Jedynie w pierwszej warstwie złoża panują warunki takie jak akwarium: pełna dostępność związków organicznych, tlenu, stabilne pH). Podobna zmienność występuje w miarę wnikania wody do wnętrza elementów porowatych. Tak naprawdę jedynie pierwsza warstwa złoża filtracyjnego ma optymalne warunki do tlenowego rozkładu zanieczyszczeń. Oczywiście nie oznacza to, że pozostała część złoża nie pracuje – poprostu dostępność substratów stopniowo się obniża. Z drugiej jednak strony zachodzące zmiany powodują, że stopniowo pojawiają się warunki korzystniejsze dla innych typów mikroorganizmów. Na przykład obniżające się stężenie tlenu przy jednocześnie wzrastającym stężeniu azotanów (efekt pracy tlenowych bakterii nitryfikacyjnych) będzie stwarzało szansę dla mikroorganizmów prowadzących denitryfikację lub oddychanie azotanowe.

A więc obniżanie stężenia azotanów (NO₃^–). W akwariach roślinnych często zdarza się, że dostępność związków azotu takich jak np. azotany jest czynnikiem limitującym wzrost roślin. Ratujemy się wtedy stosując dodatkowe nawożenie preparatami zawierającymi ten pierwiastek. W tego typu akwariach tą cechę statycznych złóż biologicznych można uznać za suboptymalną. Choć niewątpliwie będzie ona pożądana w zbiornikach pozbawionych roślin.

Alternatywa: ruchome złoże biologiczne (MBBR) #

Alternatywnym rozwiązaniem stosowanym od kilkudziesięciu już lat w skali przemysłowej ale także coraz częściej w akwarystyce są tzw. ruchome złoża biologiczne (MBBR – moving bed biofilm reactor). W tym przypadku mikroorganizmy wytwarzają biofilm na powierzchni kształtek z tworzywa sztucznego. Woda we wnętrzu reaktora jest mieszana co powoduje, że kształtki stale poruszają się w całej jego objętości.

Oznacza to, że wszystkie mikroorganizmy mają pełny i równy dostęp do substratów. Co zapewnia optymalne warunki dla procesów tlenowego rozkładu zanieczyszczeń. Choć nawet w takiej sytuacji w błonie biologicznej mogą w pewnym stopniu zachodzić procesy takie jak denitryfikacja (zmienność warunków w samym biofilmie) to jednak warunki ku temu są znacznie mniej korzystne niż w przypadku złoża statycznego.

Efekt odmładzania błony biologicznej #

Kolejną interesującą cechą ruchomych złóż biologicznych jest efekt stałego odmładzania błony biologicznej. Nieustanne zderzanie się ze sobą poruszających się swobodnie kształtek powoduje ścieranie się biofilmu co stymuluje jej odtwarzanie się. To bardzo ważna cecha. Kilkadziesiąt już lat doświadczeń przemysłowych z tą technologią pokazało, że reaktory MBBR mają zupełnie zdumiewające możliwości w porównaniu z klasycznymi alternatywami. Stałe odmładzanie się biofilmu nie tylko wpływa pozytywnie na sprawność oczyszczania wody ale również stymuluje zdolności adaptacyjne. Oznacza to, że skład gatunkowy ale i aktywność enzymatyczna mikroorganizmów (to ile i jakie enzymy są wydzielane do otoczki polisacharydowej) są lepiej i szybciej dostosowywane do składu zanieczyszczeń trafiających do reaktora.

Mówiąc prościej: tego typu bioreaktory radziły sobie z rozkładem substancji, z którymi nie były w stanie poradzić sobie inne rozwiązania oparte o mikroorganizmy. Ponadto wyższa sprawność reaktorów MBBR pozwala na zastosowanie mniejszych bioreaktorów przy zachowaniu tej samej skuteczności oczyszczania. Są one ponadto odporniejsze na czynniki toksyczne ze względu na lepsze zdolności adaptacyjne (szybkość dostosowania się błony biologicznej do zmiennych warunków ze względu na wymuszone odmładzanie).  

Zalety ruchomego złoża biologicznego w akwarystyce #

W przypadku zastosowania ruchomych złóż biologicznych w akwarystyce można wskazać na jeszcze dwa argumenty przemawiające na ich korzyść:

• Niższe koszty wykonania instalacji: ceny filtrów kubełkowych oraz wypełnień ceramicznych są coraz wyższe. Cena kształtek plastikowych pozostaje póki co wielokrotnie niższa niż wypełnień ceramicznych. Wydaje się, że samo urządzenie (reaktor) składający się z prostej obudowy plastikowej i pompy jest konkurencyjne cenowo w stosunku do klasycznych już filtrów kubełkowych.
• Niższe koszty eksploatacyjne: samo ruchome złoże filtracyjne stawia znacznie mniejszy opór hydrauliczny niż statyczne złoże ceramiczne czy gąbkowe, co oznacza, że wystarczy pompa o mniejszej mocy. Oczywiście przekłada się to pozytywnie na wysokość rachunków za prąd.

Wady ruchomych złóż biologicznych #

Bez problemu można też wskazać na potencjalne wady tego rozwiązania. Zaliczyłbym do nich:

• Brak wiarygodnych wskazówek co do doboru wielkości reaktora (Ile kształtek użyć? Jaki przepływ zastosować? Jakiej wielkości reaktor?)
• Dźwięk wydawany przez zderzające się kształtki oraz powszechnie stosowany sposób mieszania tego typu filtrów przez pęcherzyki powietrza (szum samych pęcherzyków oraz praca brzęczyka)
• Brak gotowych rozwiązań (out of box) do akwariów średniej i dużej wielkości. Na rynku dostępne są jedynie urządzenia przeznaczone do montowania jako filtry wewnętrzne, których wielkość pozwala na użycie jedynie w niewielkich zbiornikach.
• Zmętnienie wody wywoływane przez ścieranie się błony biologicznej

Eksperyment: zastosowanie ruchomego złoża biologicznego w akwarium roślinnym #

Zachęcony bardzo pozytywnymi efektami zastosowania tej technologii w rozwiązaniach przemysłowych, z którymi miałem do czynienia w mojej karierze zawodowej, postanowiłem sprawdzić na ile możliwe jest ograniczenie potencjalnych wad i skuteczne zastosowanie złoża ruchomego w przypadku akwarium roślinnego o średniej wielkości. Mój zbiornik o pojemności 375 l do tej pory filtrowany był z wykorzystaniem aż 3 filtrów kubełkowych wypełnionych łącznie około 15 l ceramiki. Przy okazji restartu zbiornika całkowicie zamieniłem dotychczasowy system filtracji na nowy oparty wyłącznie o ruchome złoże biologiczne.

Dobór odpowiedniego reaktora i kształtek #

Zdecydowałem się na użycie około 4 litrów kształtek przyjmując wyjściowe założenie oparte na doświadczeniu innych akwarystów, że należy stosować około 1l kształtek na każde 100l pojemności akwarium. Wytyczne projektowe dla reaktorów przemysłowych mówią, że kształtki mogą stanowić nawet do 60% objętości reaktora. Z tego wynika, że minimalna wielkość urządzenia potrzebnego do filtracji mojego akwarium wynosi nieco mniej niż 7 litrów. Praktycznym rozwiązaniem okazały się reaktory Aquaforest AF130. Mają one pojemność 5 l więc zdecydowałem się na wykorzystanie 2 sztuk pracujących w układzie szeregowym. Łączna pojemność 10l przy użyciu 4l kształtek daje wypełnienie wynoszące 40%, co zapewnia bezpieczny margines na ewentualne dołożenie kształtek gdyby zaszła taka konieczność (np zwiększenie obsady zbiornika).

Ograniczenie hałasu poprzez eliminację napowietrzania #

W celu ograniczenia uciążliwości związanej z hałasem zdecydowałem się na zastosowanie mieszania kształtek przy pomocy strumienia wody, bez użycia dodatkowego napowietrzania. Z wcześniejszych doświadczeń przeprowadzonych przeze mnie z wykorzystaniem tlenomierza rejestrującego dane wiedziałem, że nawet w krytycznym momencie nocy, kiedy rośliny nie prowadzą fotosyntezy stężenie tlenu w moim akwarium nie spada poniżej około 5 mg/dm³ zaś w ciągu dnia osiąga wartości zbliżone do 100% nasycenia. Bakterie tlenowe uczestniczące w procesach oczyszczania wody osiągają wysoką sprawność przy stężeniu tlenu około 2 mg/dm³.

Natlenianie wody ponad to stężenie nie powoduje już istotnego zwiększenia skuteczności oczyszczania wody. Z połączenia tych dwóch faktów wynika, że do zapewnienia prawidłowego działania filtra nie jest konieczne dodatkowe napowietrzanie. Wystarczy jedynie zasilanie urządzenia dobrze natlenioną wodą pochodzącą z akwarium. Pozostaje jedynie kwestia zapewnienia stałego mieszania kształtek bez użycia pęcherzyków powietrza. Kolumnowa budowa reaktora AF130 sprzyja mieszaniu przy pomocy strumienia wody. Wystarczy jedynie odwrotnie podłączyć urządzenie, tzn. doprowadzić wodę zasilającą do króćca oznaczonego jako „out”. Dzięki temu woda w reaktorze przepływa z góry do dołu powodując wpychanie kształtek w dół i stały ich ruch. Drobna modyfikacja reaktora polegająca na dołożeniu kolanka PVC wewnątrz urządzenia wymusza spiralny ruch wody w dół, co znacznie poprawiło mieszanie kształtek.

Zastosowanie pompy z regulowaną wydajnością #

Zabieg ten pozwolił na dobranie optymalnego przepływu wystarczającego do zapewnienia mieszania ale nie na tyle silnego aby spowodować „przyklejenie się” kształtek do dna reaktora. W praktyce zastosowana przez mnie pompa o wydajności maksymalnej 5000 l/h okazała się nieco zbyt duża i pracuje z nastawą jedynie 35%, co odpowiada mocy około 12W (w porównaniu do około 60W pobieranych przez stary układ filtracyjny).

Zrezygnowanie z mieszania powietrzem w moim odczuciu znacznie zmniejszyło poziom dźwięku wydawanego przez urządzenie. Reaktory nie są zupełnie bezgłośne. Jednak w praktyce wydawane dźwięk jest na tyle cichy, że nie stanowi on uciążliwości nawet w nocy. Choć oczywiście jest to odczucie subiektywne.

Eliminacja filtracji mechanicznej i wpływ na klarowność wody #

Aby zweryfikować czy rzeczywiście ścierająca się podczas uderzania kształtek o siebie błona biologiczna będzie powodowała zmętnienie wody całkowicie wyeliminowałem z układu elementy filtracji mechanicznej. W praktyce usunąłem gąbki znajdujące się na wyposażeniu reaktorów AF130. W zbiorniku pracuje jedynie niewielki skimmer zapewniający czystość powierzchni wody. Po kilku tygodniach funkcjonowania akwarium nie obserwuję widocznego zmętnienia wody.

Przyrost błony biologicznej na powierzchni kształtek nie jest aż tak intensywny jak np. w przypadku oczyszczania ścieków. Stężenia zanieczyszczeń organicznych, stanowiących źródło pokarmu dla mikroorganizmów, są znacznie niższe niż w przypadku ścieków. Ograniczona dostępność pokarmu oznacza, że mikroorganizmy zużywają go w pierwszej kolejności na podtrzymanie własnych procesów życiowych (zdobywanie energii). Dopiero większa dostępność substratów powoduje intensywniejsze przyrosty biomasy. Mikroorganizmy mogą sobie pozwolić na wykorzystanie nadmiaru składników odżywczych na wzrost i rozmnażanie.

W przypadku gdyby jednak w trakcie eksploatacji akwarium okazało się, że uzupełnienie filtracji o stopień mechaniczny jest konieczne to rozbudowa układu nie będzie nastręczała problemu. 

Przyspieszenie dojrzewania akwarium #

Chcąc złagodzić i przyspieszyć proces dojrzewania zbiornika zadbałem o wcześniejsze „wpracowanie” nowych, świeżo zakupionych kształtek filtracyjnych. Około 1,5 miesiąca przed planowanym startem umieściłem je we wnętrzu filtra kubełkowego pracującego w dobrze dojrzałym akwarium. Dzięki temu już w momencie startu nowego akwarium miałem do dyspozycji kształtki wstępnie pokryte biofilmem żywych mikroorganizmów. Oczywiście dodatkowo zadbałem o wspomożenie procesu dojrzewania zbiornika. Pozostawiłem cienką warstwę starego podłoża bogatego w pożyteczne mikroorganizmy czy zastosowanie preparatów przyspieszających dojrzewanie.

Podsumowanie eksperymentu #

Dzięki tym zabiegom akwarium wystartowało praktycznie bezproblemowo. Już po kilku dniach zaobserwowałem wyraźny wzrost stężenia azotanów co świadczyło o prawidłowym funkcjonowaniu bakterii nitryfikacyjnych. Woda w akwarium pozostaje klarowna. Parametry wody są prawidłowe (NH₄⁺ 0, NO₂^– 0, NO₃^– 5 mg/dm³, PO₄^3- 0,5 mg/dm³, pH 6,6) a ryby nie zdradzają żadnych objawów stresu. Zbiornik rozwija się prawidłowo.

Artykuł powstał przy współpracy z kanałem Podwodne Światy Aqua Test. Film z tego eksperymentu, możecie znaleźć tutaj.