Filtrační procesy – Kersten Opitz

Vše o filtraci: Jak dosáhnout křišťálové vody u terčovců? Článek vysvětluje rozdíly mezi mechanickou a biologickou filtrací. Zjistěte, proč rychle tekoucí filtry „kradou“ rostlinám železo a jak pomocí pomalu tekoucích filtrů přirozeně odbourat nitráty. Klíčové znalosti pro stabilní ekosystém v akváriu.

Filtrační procesy

V akváriu dochází ke stálému znečišťování například výkaly, potravou a odumřelými rostlinami. Tyto látky se mohou v průběhu času nebezpečně nahromadit, pokud je filtrace nebo výměna vody nedostatečná. V akvaristice se používá mechanická a biologická filtrace. Při biologické filtraci se využívají pomalu nebo rychle tekoucí filtry.

Mechanická filtrace: První linie obrany

Mechanické filtry se podobají sítům, která zadrží nečistoty větší než oka síta. Ve vodě rozpuštěné látky nelze mechanickými filtry odstranit. Výjimku tvoří reverzní osmóza, která se však nehodí k filtraci akvária, ale k získávání čisté vody.

V akváriích se mechanické filtry používají jako předfiltry. Například komora naplněná volně loženou perlonovou vatou může zadržet volně se vznášející látky a částice nečistot před samotným filtrem. Nečistoty se tak mohou odstranit z akvária dříve, než je filtr rozloží a než jejich rozpuštěné látky začnou zatěžovat vodu. Tuto užitečnou funkci mohou mechanické filtry plnit za předpokladu, že se budou pravidelně a často čistit. Mechanické filtry naplněné perlonovou vatou nebo podobným materiálem mají velikost pórů v milimetrech a mohou zadržet jen velmi hrubé nečistoty. Kalnou vodu nejsou schopny vyčistit, protože vodu mohou principiálně kalit i částice o velikosti až přibližně 0,0005 mm, což odpovídá vlnové délce světla.

Velmi účinné mechanické filtry používají křemelinu (lehkou pórovitou zeminu), která se musí nejdříve naplavit v tenké, milimetrové vrstvě na filtrační lože. K naplavení filtrační vrstvy jsou potřebné zvláštní přípravky a silná čerpadla, protože filtrační odpor je velmi vysoký. Efektivní velikost pórů křemelinového filtru je asi 0,01 mm. Silně zkalenou vodu tak lze často, ale ne vždy, vyfiltrovat až do křišťálové čistoty, a to velmi rychle, během několika hodin.

Křemelinové filtry potřebují každodenní údržbu, a proto se nehodí k trvalému nasazení. Jsou užitečné při potírání nemocí vyvolaných ektoparazity, jako je například Ichthyophthirius způsobující krupičku. Mohou také na výstavách zachránit výstavní akvária, kde v čerstvě založených nádržích dochází k silnému zakalování. Na všech mechanických filtrech se časem usídlí bakterie, takže po několika týdnech začnou mechanické filtry filtrovat také biologicky.

Biologická filtrace: Srdce akvarijního ekosystému

Filtraci přebírají mikroorganismy usídlené ve filtru. Vedle jednobuněčných organismů jde především o různé druhy bakterií, které z akvarijní vody odebírají nečistoty jako svoji potravu – zejména velkomolekulární organické sloučeniny. Po jejich „strávení“, tedy poté, co bakterie z těchto sloučenin získají životní energii, vrátí zbylé látky zpět do vody.

Z biochemického hlediska se jedná o oxidační procesy, při nichž dochází k rozštěpení velkomolekulárních nečistot na malomolekulární sloučeniny. Pro každou látku a každý krok procesu existují jiné, přesně specializované druhy bakterií. Na konci celého procesu zůstávají většinou neškodné minerální látky, které mohou zčásti sloužit rostlinám jako živiny. Akvarijní vodu zatěžují především uhlohydráty, bílkoviny a tuky. Konečnými produkty biologické filtrace jsou z velké části voda a kysličník uhličitý.

Zde je jednoduchý příklad rozkladu uhlohydrátu, konkrétně cukru:

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
cukr + kyslík -> kysličník uhličitý + voda

Biologické filtry mají většinou relativně velké póry, až několik milimetrů. Přesto mohou vyčistit vodu tak, že je křišťálově průzračná. Proč? Látky vznášející se ve vodě tvoří často živočišný nebo rostlinný plankton, tedy miniaturní organismy vznášející se ve vodě. Když se vlivem biologické filtrace odstraní z vody živiny, plankton odumře a voda se stává čirou. Tím se také vysvětluje, proč křišťálově průzračná voda není vždy žádoucí. Zkušenost ukazuje, že akvária s dobrými podmínkami pro růst rostlin mohou být lehce zakalená. „Křišťálově čisté vody jsou mrtvé vody“ je pravidlo známé biologům a potápěčům.

Aerobní vs. anaerobní filtrační procesy

Biochemické filtrační procesy probíhají mimořádně komplikovaně. Jejich přesný průběh závisí na teplotě, obsahu kyslíku a druhu organických sloučenin. Podle toho se ve filtru vyvinou populace bakterií. Nejdůležitějším faktorem je obsah kyslíku v prostředí, a proto se rozlišují dva základní filtrační procesy:

• Aerobní filtrace – za přítomnosti rozpuštěného kyslíku.
• Anaerobní filtrace – bez přítomnosti rozpuštěného kyslíku.

Aerobní filtrace potřebuje dostatek kyslíku, který je dodáván rychle protékající vodou, proto se takový filtr označuje jako „rychle tekoucí filtr“. Anaerobní filtry musí mít alespoň v části filtru prostředí s velmi nízkým obsahem kyslíku nebo zcela bez kyslíku. Takového prostředí se dosáhne velmi pomalým průtokem vody filtrem, proto se používá označení „pomalu tekoucí filtr“.

Rychle tekoucí filtry: Standard s úskalím pro rostliny

Téměř všechny používané akvaristické filtry pracují na principu rychle tekoucích filtrů. Většina konečných produktů tohoto procesu obsahuje kyslík ve vázané formě.

Produkty rychle tekoucího biofiltru (hrubá skica):

Organické nečistoty -> biochemická přeměna -> H2O, CO2, NO3-, SO42-, Fe2O3 a pod.

Největší podíl na produktech filtru připadá na vodu a CO₂. Ty nejsou kritické a rostliny je snadno přijímají. Nitráty naproti tomu nejsou bez dalšího přímo použitelné; rostliny musí nejdříve nitrát (NO₃) při spotřebě energie redukovat na amonium (NH₄). V akváriu vzniká více nitrátu a sulfátu, než mohou rostliny zužitkovat. Tyto látky a některé další se ve vodě hromadí a musí být odstraněny pravidelnou částečnou výměnou vody. Z toho vyplývá, že ani největší a nejlepší filtr nedělá výměnu vody zbytečnou.

Oxid železa (Fe₂O₃) jako produkt filtrace zde symbolicky zastupuje řadu dalších látek nezbytných k životu. Železo, mangan a mnoho dalších důležitých stopových prvků jsou v oxidovaném stavu ve vodě nerozpustné; usazují se ve filtru, a jsou tak pro organismy v akváriu nedostupné. Když se po čase vymyje filtrační hmota a vypláchnutý odpad se zanalyzuje, ukáže se, že tmavohnědá břečka není pouze organickým odpadem, ale také vysoce koncentrovaným hnojivem obsahujícím železo, mangan a další stopové prvky. Obsahy železa nad 3000 mg/l a manganu nad 1500 mg/l nejsou podle uvedených údajů nic neobvyklého, i když je v akváriu nedostatek železa, například pouze 0,01 mg/l železa a 0,02 mg/l manganu.

Zde leží velký problém rychle tekoucích filtrů. Již v roce 1982 se přišlo na to, že akvarijní filtry jsou pastí na železo. To se netýká jen jednoduchého železa, ale i chelatovaného, protože biologicky pracující filtr časem cheláty rozloží. Čím aerobněji filtr pracuje, tím rychleji klesá obsah železa. Rychle tekoucí filtr spotřebovává při oxidačním procesu mnoho kyslíku a váže jej ve svých produktech filtrace. Ve výchozích organických látkách není pro filtrační proces dostatečné množství kyslíku, a proto bakterie odebírají potřebný kyslík z protékající vody.

Příklad rozkladu bílkovin:

Uhlík C 50 g -> -> CO2 183 g
Kyslík O 25 g -> -> je opět vázán
Dusík N 17 g -> -> nitrát NO3- 75 g
Vodík H 7 g -> -> voda H2O 63 g
Síra S 1 g -> -> sulfát SO42- 3 g
---------------------------------------------------------------------------------------
Celkem bílkovin 100 g převedeno na nové látky 324 g

100 g bílkoviny bylo přeměněno na 324 g nových látek. Nárůstu množství bylo dosaženo vázáním dalších 224 g kyslíku z protékající vody. Z toho vyplývá, že rychle tekoucí filtry spotřebovávají kyslík, a to na 1 g organického zatížení zhruba 2,2 g kyslíku.

Typickým znakem rychle tekoucích filtrů je tak rychlý průtok vody, že filtr pracuje aerobně. Všechny produkty filtru jsou v oxidovaném stavu, takže mnoho stopových prvků je ve vodě nerozpustných. Voda opouštějící filtr má nižší obsah kyslíku než voda do filtru vtékající, stále však obsahuje několik mg/l kyslíku.

Pomalu tekoucí filtry: Cesta k přirozenému odbourávání nitrátů

I když je tento způsob filtrace starší, je v akvaristice poměrně málo známý a používá se velmi zřídka. Mnoho konečných produktů takového filtru je bez kyslíku.

Produkty pomalu tekoucího filtru (hrubá skica):

Organické nečistoty -> biochemická přeměna -> H2O, CO2, N2, S2-, Fe2+ a pod.

K bezproblémovým konečným produktům filtru, kromě vody a kysličníku uhličitého, patří také dusík v plynném stavu. Ten může snadno uniknout z vody do vzduchu. Pomalu tekoucí filtr neprodukuje žádný nitrát a může dokonce pomoci s jeho odbouráváním. Sulfidy (S^2-) po opuštění filtru v akvarijní vodě bohaté na kyslík rychle oxidují na sulfáty (SO₄^2-), čímž vzniká stejný produkt jako u rychle tekoucího filtru. Železo ve své dvoumocné formě a řada dalších minerálů a stopových prvků existují v redukované formě. Železo je tak ve vodě rozpustné, může být chelatováno organickými látkami obsaženými ve vodě a je k dispozici pro výživu rostlin.

Také v pomalu tekoucím biofiltru, stejně jako v rychle tekoucích filtrech, probíhá v podstatě biochemická oxidace organických znečištění. Ani zde nestačí obsah kyslíku ve výchozích látkách k tomu, aby proces mohl kompletně proběhnout. Bakterie proto odebírají potřebný kyslík z protékající vody, pokud v ní ještě je. A právě zde je podstatný rozdíl oproti rychle tekoucím filtrům: u pomalu tekoucích filtrů přivádí voda příliš málo kyslíku, takže se mnohé látky neoxidují na nejvyšší možný stupeň a vznikají typické konečné produkty pomalu tekoucích filtrů, například Fe²⁺ nebo N₂.

Pokud voda přiváděná do pomalu tekoucího filtru obsahuje sloučeniny kyslíku, jako je například nitrát, může v bezkyslíkových zónách filtru dojít k denitrifikaci. To znamená, že bakterie získávají kyslík potřebný k oxidaci nabízených organických sloučenin například z nitrátu NO₃^–, který tím redukují. Nitrát NO₃^– může být dále redukován přes nitrit NO₂^– a oxid dusnatý NO až k rajskému plynu N₂O nebo dále k dusíku N₂. Oba plyny mohou uniknout do atmosféry.

Takto lze odstranit nitrát beze zbytku z akvarijní vody. Z výše uvedeného vyplývá, že k denitrifikaci jsou nutné jak anaerobní podmínky, tak dostatečná nabídka oxidovatelných organických sloučenin. Taková situace může nastat v akváriu bohatě osazeném rybami, pokud nečistoty nejsou současně odstraňovány běžícím rychle tekoucím biofiltrem. Také pomalu tekoucí biofiltr spotřebovává kyslík, i když méně než rychle tekoucí filtr.

Postup se ukazuje na příkladu rozkladu bílkovin:

Uhlík C 50 g -> -> CO2 183 g
Kyslík O 25 g -> -> je opět vázán
Dusík N 17 g -> -> plynný dusík N2 17 g
Vodík H 7 g -> -> voda H2O 63 g
Síra S 1 g -> -> sulfid S2- 1 g
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
Celkem bílkovin 100 g -> převedeno -> nové látky 264 g

Typickým znakem pomalu tekoucích filtrů je tak pomalý průtok vody, že se při dostatečném množství organických látek mohou ve filtru vytvořit anaerobní zóny bez kyslíku. Důležité minerální látky a stopové prvky jsou v redukované formě, a jsou tak rozpustné ve vodě a dostupné pro rostliny. Filtrace probíhá bez kyslíku.

Pomalu tekoucí filtry nepotřebují žádnou zvláštní techniku. V podstatě se hodí všechny druhy filtrů, u nichž může obsah kyslíku poklesnout velmi nízko. Patří sem například běžné vnitřní, vnější a půdní filtry, nikoli však silně aerobně pracující skrápěcí filtry. Objem filtru musí být tak velký a průtok vody tak nízký, aby u normálně zatíženého akvária byl obsah kyslíku na výstupu z filtru maximálně 1,0 mg/l.

Záběh filtru: Jak naočkovat prospěšné bakterie

Biologické filtry se opírají o činnost mikroorganismů. Nové filtry jsou sterilní a nemohou správně pracovat. Běžné filtrační bakterie jsou všude přítomny ve stopovém množství, ale potřebují přibližně 2–4 týdny, než se dostanou do filtrační hmoty a vytvoří funkční mikrobiální osídlení.

Záběh filtru lze urychlit naočkováním. Kal z používaného filtru se vloží mezi filtrační hmotu, takže se mikroorganismy velmi rychle dostanou do filtračního materiálu. Lze také vymáchat použitý filtrační materiál v proudu vody před vstupem do filtru. Každý stupeň odbourávacího řetězce zajišťují specializované organismy. To znamená, že poslední článek řetězce může pracovat až tehdy, když se předchozí řádně rozvinul a začal fungovat. Záběh filtru proto probíhá postupně a lze jej dobře sledovat analýzou vody.

Typické záběhové chování rychle tekoucího filtru:

Několik dní po spuštění dosáhne odbourávací řetězec amoniového stupně a obsah amonia začne výrazně stoupat. Bakterie, například Nitrosomonas, se nyní mohou rozmnožovat a převádět amonium na nitrit. Obsah amonia proto postupně klesá, zatímco obsah nitritu stoupá. Tím vznikají vhodné podmínky pro bakterie, například Nitrobacter winogradskyi, které převádějí nitrit na nitrát. Na konci záběhu filtru klesají hodnoty amonia a nitritu na normální úroveň, protože jsou obě látky průběžně zpracovávány.

Typické záběhové chování pomalu tekoucího filtru:

Při běžných podmínkách v akváriu dostává filtr dostatek organických sloučenin a může denitrifikovat, tedy odbourávat nitrát. Také zde potřebuje záběh svůj čas a probíhá postupně, což lze sledovat měřením pomalého poklesu nitrátu a následnou nitritovou špičkou. Při dostatečné anaerobii pak může začít přeměna nitritu přes několik mezistupňů až na plynný dusík. Po záběhu se obsah nitritu sníží a nitrát je průběžně odbouráván.

Závěr: Který filtr zvolit pro chov terčovců?

Čistě mechanická filtrace postačí u akvárií s malým osazením ryb. I tam je však vlastně nadbytečná, protože biologická samofiltrace stačí k odbourání malého množství škodlivin.

U silnějšího osazení akvária již samofiltrace nestačí a musí být doplněna biologickým filtrem. Oba způsoby biologické filtrace, tedy rychle a pomalu tekoucí filtry, poskytují vodu dobré kvality. Rychle tekoucí filtry pracují v aerobním prostředí a lze je realizovat v podstatně menším prostoru, ale produkují nitrát. Pomalu tekoucí filtry potřebují při stejném výkonu asi desetinásobný objem, ale snižují obsah nitrátu a dodávají rostlinám živiny ve formě, kterou mohou přijímat.

Jen pro zajímavost: při získávání pitné vody pro obyvatelstvo se upřednostňuje voda filtrovaná anaerobním způsobem, tedy pramenitá voda. Ta má za sebou dlouhou cestu prosakováním půdou, kde byla filtrována podobně jako v pomalu tekoucím filtru. U intenzivního chovu ryb jsou rychle tekoucí filtry správnou volbou.

U okrasných nádrží osázených rostlinami by byla optimální kombinace rychle a pomalu tekoucích filtrů, protože se oba způsoby velmi dobře doplňují. I komunální čistírny odpadních vod používají kombinaci obou způsobů již desítky let. Samofiltrace akvária je v podstatě aerobní, pokud nezohledníme omezené procesy probíhající ve dně. Jako přídavný filtr je proto možné používat pouze anaerobní, pomalu tekoucí filtr. To platí pro akvária, v nichž je vyvážený poměr rostlin a ryb. Pomalu tekoucí biofiltry sice potřebují desetinásobně více prostoru, ale dodávají lepší vodu. Již Guido Hueckstedt, jeden z průkopníků akvaristiky a spolupracovník Konrada Lorenze, držitele Nobelovy ceny, v roce 1965 prohlásil: „Akvária s pomalu tekoucím biofiltrem mají určité kouzlo, které jiná akvária nikdy nedosáhnou!“

Srovnání obou typů filtrace

Další informace k tématu:

Filtrace v praxi – Kersten Opitz
Dusičnany
Dusitany

Autor: Kersten Opitz
Publikováno 30.9.2004
Aktualizace: 17.9.2026