Metode filtracije u akvarijima

Filtracija se načelno, prema klasifikaciji (kao separacija), može podijeliti u tri glavne skupine:
• Mehanička filtracija
• Kemijska filtracija
• Biološka filtracija

MEHANIČKA FILTRACIJA

Mehanička filtracija je separacija lebdećih tvari u vodenim sustavima (suspenzijama) kroz poroznu membranu pri čemu kruta faza ostaje na filterskom sredstvu, dok voda prolazi kroz njega. Pri tome treba voditi računa o tome da poroznost filtarskog sredstva ovisi o veličini čestica koje nastojimo ukloniti. Ukoliko je veličina pora filtarskog sredstva premala, kao što je to slučaj kod vate za akvarijske filtre, filtarsko sredstvo će uklanjati i sitnije lebdeće čestice koje uzrokuju zamućenost, ali će imati veliki pad tlaka (zbog sitnih pora) i protok kroz filter će se rapidno smanjiti. Pitanje je želimo li manje lebdećih čestica nauštrb lošije biološke filtracije. Jer će se, uslijed manjeg protoka , smanjiti i biološka filtracija.

Slika 1. Filterska sredstva različite poroznosti

Metode mehaničke filtracije:

1. Filtracija kroz spužvu - široko se koriste kod akvarista, lako se čisti i ponovno upotrebljava. Zračna pumpa tjera vodu kroz medije pomoću podtlaka. Jednostavni i jeftini za uporabu, ali nemaju visoku djelotvornost.

Slika 2. Akvarijske filtar spužve

2. Filtracija kroz pijesak ili zemlju – najprirodniji način filtracije (na taj način se filtrira izvorska voda). Mogu se koristiti i sintetski materijali kao npr. silikatni pijesak ili dijatomejska zemlja (npr. kod vinarstva) koji imaju veliku, specifičnu površinu. Vrijeme zadržavanja u filtru je prekratko da bi se mikroorganizmi nacijepili. Mana je što se, ipak, tijekom vremena nakuplja biomasa. Također, ako se tijekom vremena ne rahli sloj, povećava se otpor jer se pijesak/zemlja sabijaju).

3. Filtracija kroz papir ili tkaninu – izvrsni za tzv. poliranje vode jer skidaju i jako sitne čestice, ali je velika mana veliki pad tlaka kroz sredstvo. Mogu se koristiti kao tzv. hang on filtri pri čemu usisna pumpa crpi vodu iz akvarija iznad razine, a gravitacija vraća vodu natrag u akvarij.

Slika 3. Klasična kemijska filtracija kroz Buchner lijevak

4. Filter kanistri – se najčešće koriste u akvaristici zbog svoje kompaktnosti i jednostavnosti. Obično je prvi stupanj mehanička filtracija pri čemu se filterski niz slaže od medija krupnije poroznosti (spužva krupnih pora) do onih finije poroznosti (vata). Voda se tlači kroz medij pomoću pumpe.

Slika 4. Akvarijski kanister filtri različitih proizvođača: a) EHEIM, b) TetraTec c) Fluval

5. Centrifugalni filteri – se koriste vrlo rijetko. Filtersko sredstvo je u obliku rotirajućeg cilindra pri čemu se voda pumpa u unutrašnjost bubnja, a centrifugalna sila tjera vodu kroz vanjski krog pa čestice zaostaju na bubnju. Uglavnom se koriste pri industrijskim filtracijama, imaju visoku djelotvornost, ali su skupi.

Slika 5. Filter centrifuge proizvođača Rousselet Robatel

KEMIJSKA FILTRACIJA

Kemijska filtracija je separacija otopljenih tvari iz vode fizikalnom i/ili kemijskom adsorpcijom na krutim adsorbensima. Najčešće se koriste različiti mediji za adsorpciju (adsorbensi) iznimno velike aktivne površine (imaju jako puno aktivnih mjesta za adsorpciju). Od prirodnih materijala koriste se aktivni ugljen i različiti zeoliti. Postoji i apsorpcija (različito od adsorpcije), a to je separacija u sustavima plin-kapljevina, odnosno dvije ne miješajuće kapljevine (npr. voda-ulje) koja se temelji na različitim topljivostima tvari u vodi i plinu.
Kako je vodeno bilje iznimno učinkovito u procesu uklanjanju prirodnih otpadnih tvari životinjskog podrijetla u prirodnom okružju (jezera i ribnjaci), kemijski adsorbensi za filtraciju se rijetko koriste. Međutim, u gusto zasađenim akvarijima, kemijska filtracija se često koristi. Zeolit i aktivni granulirani ugljen se obično koriste u početnim fazama (obično 1-2 mjeseca), a kasnije djeluju kao nosači za biološku filtraciju. Kako je riječ o nepovratnoj adsorpciji, slobodna kemijska mjesta za adsorpciju su popunjena i više aktivno ne uklanjaju otpadne tvari pa dolazi do akumulacije, za bakterije, štetnih tvari na površini adsorbensa. Kemijska filtracija je učinkovita u uklanjanju amonijevih iona (NH4+) te, posebice, organskih tvari i tanina. Dodavanje aktivnog ugljena je standardna procedura za kontrolu kemikalija u samim biljkama ili kemikalija koje su evolucijski razvile i puštaju ih u okoliš zbog kompeticije među biljkama (alelopatija). Aktivni ugljen će učinkovito ukloniti takve organske spojeve.
Alelopatija se često spominje u kontekstu međudjelovanja algi i biljki. Prema izvoru, do danas, još nema čvrstih dokaza da se alelopatija pojavljuje u svakom vodenom ekosustavu niti u zasađenom akvariju. U gusto zasađenom akvariju, s više od 300 vrsta potpuno izraslih biljaka, nije primijećena interakcija među biljkama (Barr Report Vol. 2, 2006.). Poznata priča s vrbinom grančicom koja inhibira rast zelenih algi se pokazala točna, ali ne zbog alelopatije već zbog snažnog utroška nutrijenata. Dakle, sama biljka se pokazala dobrim kemijskom filterom.
Postoji rasprava o korištenju aktivnog ugljena i/ili drugih smola u kombinaciji sa sredstvima za gnojidbu biljaka, posebice kod metala u tragovima (mikro elementi). Iako, često osporavano u teoriji, praktična iskustva pokazuju da je malo akvarista imalo bilo kakvih problema s nedostatkom mikro elemenata pri korištenju aktivnog ugljena ili zeolita. Paradoksalno, u mnogim slučajevima, akvaristi čak vide poboljšanja u rastu biljaka. To se može objasniti smanjenom biološkom raspoloživosti organskih hranjivih tvari pa biljke imaju veću raspoloživost anorganskih hranjivih tvari, koje zatim omogućuju brzi unos i asimilaciju. U akvarijima koji imaju sporiji rast biljaka taj utjecaj je manje izražen, ali može igrati značajnu ulogu. Općenito, većina akvarista tjednim promjenama vode uklanjaju bio otpad - otopljeni organski ugljik (DOC) i organske oblike amonijaka NH4+ i nitrita NO2-.
Pod kemijsku filtraciju spadaju i procesi priprave vode kao što je reverzna osmoza i ionska izmjena.
Kemijska filtracija se općenito koristi u kombinaciji s biološkim i mehaničkim metodama filtracije.

Aktivni ugljen
Kada spominjem aktivni ugljen mislim na veliku skupinu različitih vrsta aktivnog ugljena (Slika 6.). Najveći proizvođač Norit ,koji je specijaliziran za proizvodnju aktivnog ugljena, nudi preko 150 različitih vrsta aktivnog ugljena, kako bi se osigurale specifikacije za različitu primjenu (http://www.norit-ac.com/english/products.asp). Aktivni ugljen, promatran golim okom ,može izgledati isto, međutim on se dramatično može razlikovati veličinom pora i strukturom. A ta strukturna razlika može uzrokovati veliku razliku u tome koje se i kako se nečistoće apsorbiraju.

Slika 6. Aktivni ugljen a) prah b) granule i c) ekstrudirani štapići

Aktivni ugljen je porozni materijal koji se sastoji uglavnom od elementarnog ugljika modificiranog tako da ima veliki unutarnju površinu, obično od 500 m2/g do 1500 m2/g. U akvaristici se, najčešće, koristi u dva oblika:
• Aktivni ugljen u prahu (eng. powdered activated carbon - PAC) (Slika 6a)
- veličina čestica 1-150 μm
• Zrnati aktivni ugljen (eng. Granular activated carbon - GAC) (Slika 6b i 6c)
- veličina čestica 0,5 - 4 mm
Zbog svoje velike površine i specifične površinske kemije na aktivnom ugljenu se apsorbiraju velike količine otopljenih organskih tvari iz vode, na unutarnjim porama. Opće je pravilo da će se apsorbirati više hidrofobne tvari (ili manje topive u vodi) i da će tada aktivni ugljen imati veći apsorpcijski potencijal.

Tablica 1. Značajke aktivnog ugljena i područja primjene

Zeoliti
Zeoliti su prirodni ili sintetički hidratizirani mikroporozni aluminosilikati s otvorenom trodimenzionalnom kristalnom strukturom sačinjeni od aluminijevih,silicijevih i kisikovih atoma u čijim se porama nalaze molekule vode. Zeoliti su prirodni vulkanski minerali koji nastaju kondenzacijom plinova i para nakon vulkanskih erupcija i talože se kao vulkanske nakupine i stijene. U velikim zalihama se nalaze u oceanima. Do sada je sintetizirano više od 150 vrsta zeolita, a 48 ih se pojavljuje u prirodi. Iskopavaju se jednostavnim tehnikama.
Moguće je načiniti zeolitni materijal u širokom rasponu veličina i oblika pora. Struktura zeolita se može mijenjati prilagođeno svojstvima materijala. Mogu se regenerirati, termički su stabilni i podesive kiselosti.
U osnovi ,zeoliti su poznati kao molekularna sita i djeluju na dva načina:
1. ionska izmjena, tako da izmjenjuju korisne ione sa zeolita i štetne iz vode (npr. H+ ione sa zeolita u vodu i ione teških metala iz vode na zeolit).
2. adsorpcija štetnih molekula na površinu zeolita.
Nakon nekog vremena oni se istalože u akvariju ili u filtru pri čemu se uklanjaju iz sustava. Treba napomenuti da oni neselektivno uklanjaju ione iz vode (sve ione) pa nema koristi od istovremene uporabe gnojiva i zeolita.
Najrasprostranjenija suspenzija zeolita, korištena u akvaristici, je Fluid Filter Medium, od proizvođača EasyLife.

BIOLOŠKA FILTRACIJA

Osnova dobre filtracije u slatkovodnim akvarijima je postojanje dobre biološke filtracije. Stoga, ona je obično u središtu pozornosti većine akvarista. Ona se, praktično, samoostvaruje već nakon nekoliko tjedana kontinuiranog rada biološkog filtra. Proces stvaranja kulture korisnih bakterija (biofilma), u svakodnevnom akvarističkom govoru, se naziva proces cikliranja.
Cikliranje = kruženje toka neke tvari u određenom području.
Cikliranjem vode u mediju filtra se stvaraju bakterije koje mogu razgraditi nečistoće. Obično je u fokusu ciklus dušika i otpadnih tvari, a općenita jednadžba biokemijske pretvorbe je u dva stupnja:

4 NH3 + 7 O2 → 4 NO2- + 6 H2O (1)
2 NO2- + O2 → 2 NO3- (2)

Primijetimo da su potrebne velike količine kisika. Kako dobivamo kisik iz zraka, koga je 21% u atmosferskom zraku, osnova dobre biološke filtracije je i dobro aeriranje u akvariju. Bez toga nije moguća dobra biološka filtracija, što se često zanemaruje.
Kombinirani rezultat ovih dvaju kemijskih reakcija (jednadžba (1) i (2)) je uklanjanje amonijaka i kisika iz vode te proizvodnja nitrata i energije. Amonijak je vrlo otrovan za ribe, nitriti su također otrovni dok su nitrati puno manje toksični od amonijaka i nitrita. Tako korisne bakterije troše kisik i toksični amonijak iz vode, a proizvode bezopasni nitrat i više vode. U dobro zabiljenim akvarijima nitrate troše biljke i alge pa je ciklus biološke filtracije zatvoren. Korisne bakterije i dobro aeriranje (veće količine kisika) su ključni faktori u uklanjanju toksičnog otpada i održavanje izvrsne kvalitete vode u akvariju. Koja točno kultura korisnih bakterija još nije do kraja utvrđeno. Prije se mislilo da su odgovorne bakterije iz roda Nitrosomas i Nitrobacter (Hovanec et al, 1998, 2001) i uglavnom se u literaturi navode ovi mikroorganizmi, međutim, otkriveno je da Nitrosococcus oksidira amonijak u nitrite, a Nitrospiro oksidira nitrite do nitrata (Barr Report, Vol.2, Iss.9, 2006). Dakle, u medijima filtera, pri pogodnoj temperaturi i pH-vrijednosti, stanice nitrobakterija će rasti dokle god im je osigurana hrana (substrat). Za jednostanične organizme je karakteristično da kako rastu njihove stanice se dijele, povećava se broj stanica, što rezultira povećanjem biomase (masa žive tvari).

Slika 7. Krivulja rasta biomase

Rast biomase se može podijeliti u nekoliko faza (slika 7), a osnovne su 4 faze:

1. Lag faza (Slika 7a)– faza prilagodbe stanica na nove uvjete. Vrijeme prilagodbe stanica ovisi o sastavu podloge na kojoj je mikroorganizam rastao, sastavu novog medija, vrsti i starosti nacijepljenog soja, broju stanica, pH-vrijednosti, temperaturi te vrsti produkta metabolizma mikroorganizma. Nema povećanja u broju stanica.
2. Logaritamska ili eksponencijalna faza (Slika 7b i 7c)– faza progresivnog rasta stanica. Mikroorganizmi postižu maksimalnu brzinu rasta, a njihov kemijski sastav se sve više mijenja. Ovaj period traje toliko dugo dok mikroorganizmi imaju dovoljno hranjivih tvari. Na eksponencijalnu fazu utječe i vrsta produkta metabolizma stanica. Broj stanica se povećava eksponencijalno.
3. Stacionarna faza (Slika 7d i 7e)– u ovoj fazi broj i veličina stanica postižu svoj maksimum. Rast biomase je ograničen koncentracijom hranjivih tvari, količinom kisika, vrsti izvora dušika i promjenom pH-vrijednosti jer se tijekom mikrobnog procesa stvaraju organske kiseline.
4. Faza odumiranja (Slika 7f) – broj živih stanica eksponencijalno se smanjuje. Duljina ovog perioda ovisi o vrsti mikroorganizma, kao i o uvjetima provedbe mikrobnog procesa.

Kada kažemo biološka filtracija onda time mislimo na biokemijsku oksidaciju (a ne fizikalnu separaciju što implicira riječ filtracija) i mogu se primijeniti zakoni koji vrijede za (bio)kemijske reaktore odnosno za (bio)kemijsko reakcijsko inženjerstvo.
Proces biološke filtracije je kompleksan proces koji uključuje brojne reakcijske stupnjeve (minimalno dvije reakcije (1) i (2)) te brojne fizikalne stupnjeve (topljivost i difuzija, posebice difuzija u kulturu mikro organizama tzv. bio-film).

Slika 8. Profil koncentracija tijekom vremena u procesu nitrifikacije (Stenstrom et al, Research Journal WPCF, Vol. 63, 1991)

Nakon završenog cikliranja (kada mikroorganizmi uđu u stacionarnu fazu) filter će kontinuirano oksidirati amonijak do nitrata (slika 8.).
Isključivanjem filtera će nitrobakterije unutar filtera upasti u fazu odumiranja i rapidno će im se smanjiti broj. Stanice nitrobakterija koriste kisik i amonijak otopljen u vodi. Kisik i amonijak difundiraju od mase vode do stanične stijenke, a zatim kroz staničnu stijenku uslijed razlike u koncentraciji kisika u vodi i protoplazmi stanice (slika 9.). Stanica nitrobakterija troši kisik za disanje što rezultira sintezom proteina. Uslijed toga kisik se neprekidno troši što rezultira padom koncentracije kisika u filteru. Istovremeno se nove molekule kisika otapaju u podlozi. Nedostatak kisika dovodi do gubitka hranjivih tvari, koji se tada troši na sekundarne reakcije, jer u sredini deficitarnoj kisikom se ne stvaraju tvari neophodne za izgradnju novih stanica.

Slika 9. Difuzijski put substrata (amonijaka i kisika) pri biološkoj filtraciji

S obzirom na difuzijske pojave u biofilmu, koje se mogu prikazati jednodimenzionalna difuzijom s kvazi-homogenom reakcijom, diferencijalne jednadžbe ravnoteže mogu biti napisane za sve reaktante i produkte (J. Dunn, Biological Reaction Engineering, WILEY-VCH, 2003). Profil koncentracija u filmu, za slučaj kad je nedovoljna koncentracija kisika, može se vidjeti na slici 10. Ovaj filter neće dobro raditi jer se praktički koristi samo 20% duljine filtra (koncentracija amonijaka u većem dijelu je nepromijenjena).

Slika 10. Ravnotežni profil koncentracija za konstantnu ulaznu koncentraciju amonijaka

Slika 11. Simulacija procesa nitrifikacije u šaržnom filtru

Ova simulacija (slika 10.) pokazuje dobro optimirani proces nitrifikacije na izlazu iz filtra. Vidi se da je, prvih 60 minuta, proces limitiran koncentracijom kisika u biofilmu.