Filtrační procesy

V akváriu dochází k stálému znečišťování např. výkaly, potravou, odumřelými rostlinami a apod. Tyto látky se mohou v průběhu doby nebezpečně nahromadit, když je filtrace nebo výměna vody nedostačující. V akvaristice se používá mechanické a biologické filtrace. Při biologické filtraci se využívá pomalute koucích nebo rychle tekoucích filtrů.

Mechanická filtrace

Mechanické filtry se rovnají sítům, které zadrží nečistoty větší než oka síta. Ve vodě rozpuštěné látky se nedají mechanickými filtry odstranit. Vyjímku tvoří reverzní osmózy, které se však nehodí k filtraci ale pro získávání čisté vody.
V akváriích se mechanické filtry užívají jako předfiltry. Například komora naplněna volně loženou perlonovou vatou může zadržet volně se vznášející látky a částice nečistot před samotným filtrem. Tak se mohou nečistoty odstranit z akvária dříve než je filtr rozloží a než jejich rozpuštěné látky mohou zatížit vodu. Tuto užitečnou funkci mohou mechanické filtry splňovat 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 všechny částice až dolů do velikosti 0,0005 mm, což odpovídá vlnové délce světla, mohou principiálně vodu kalit.
Velmi účinné mechanické filtry používají křemelinu (lehká pórovitá zemina), který 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 vzdálenost pórů křemelinového filtru je asi 0,01 mm. Tím se dá často, ale ne vždy, filtrovat silně zkalenou vodu až je křišťálově čirá a to velmi rychle během několika hodin.
Křemelinové filtry potřebují denní údržbu a proto se nehodí k trvalému nasazení. Jsou užitečné při potírání nemocí jež jsou vyvolány ektoparazity, jako např. Ichthyophthirius vyvolávající 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 a tak po několika týdnech začnou mechanické filtry také filtrovat biologicky!

Biologická filtrace

Filtrací přebírají ve filtru usídlené mikroorganizmy. Mikroorganizmy jsou vedle jednobuněčných organizmů především hromadným shlukem různých druhů bakterií, které z akvarijní vody odebírají nečistoty hlavně jako svoji potravu – se jedná o velkomolekulové organické spojení. Po „strávení“, tedy poté, co bakterie z těchto spojení spotřebovaly životní energii, vrátí zbytek (zbylé látky nespotřebované bakteriemi) zpět do vody.
Biochemicky viděno se jedná o oxidační procesy, u kterých dochází k rozštěpení velkomolekulární nečistoty v malomolekulární spojení. Pro každou látku a každý krok procesu jsou jiné, přesně specializované druhy bakterií. Na konci celého procesu zůstanou většinou neškodné minerální látky, které z části mohou rostlinám sloužit jako živina.
Akvarijní vodu zatěžující látky jsou hlavně uhlohydráty, bílkoviny a tuky. Konečným produktem biologické filtrace jsou z větší části voda a kysličník uhličitý.

Zde je jednoduchý příklad rozložení uhlohydrátu a to cukru:

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

Biologické filtry mají většinou relativně velikou šířku pórů (až několik milimetrů). Přesto mohou vyčistit vodu tak, až je křišťálově průzračná. Proč? Látky vznášející se ve vodě jsou většinou zvířecí nebo rostlinný plankton, tedy miniaturní, ve vodě se vznášející organizmy. Když se vlivem biologické filtrace odstraní z vody živiny, tak tento plankton odumře a voda se stává čirou.
Tímto se také vysvětluje, proč křišťálově průzračná voda není vždy žádoucí. Zkušenost ukazuje neustále, že akvária s dobrým klimatem pro růst rostlin jsou lehce zakalená. „Křišťálově čisté vody jsou mrtvé vody“ je pravidlo, které znají biologové a potápěči.
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, který je dodáván rychle protékající vodou, proto je technické označení takového filtru „rychle tekoucí filtr“.
Anaerobní filtry musí mít alespoň v částech filtru prostředí s velmi nízkým obsahem kyslíku nebo zcela bez kyslíku. Takového prostředí se dosáhne velmi pomalým průtokem vody filtrem, proto je jeho technické označení „pomalu tekoucí filtr“.

Rychle tekoucí filtr
Téměř všechny používané akvaristické filtry pracují na principu rychle tekoucích filtrů! Většina konečných produktů tohoto procesu obsahují 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 – nejsou kritické a jsou snadno přijímány rostlinami.
Nitráty nejsou naproti tomu bez dalšího 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 zbytečností!
Oxid železa (Fe₂O₃) jako produkt filtrace tu stoji symbolicky za řadu dalších k životu nutných spojení. Železo, mangan a mnoho dalších důležitých stopových prvků jsou v oxidovaném stavu ve vodě nerozpustné; usazují se ve filtru a jsou tím pro konzumenty v akváriu nedostupné. Když se po čase vymyje filtrační hmota a vypláchnutý odpad se zanalyzuje, ukáže se, že tmavohnědá břečka není organickým odpadem ale vysoce koncentrované hnojivo obsahující železo, mangan a jiné stopové prvky. Obsahy železa nad 3000 mg/l a manganu nad 1500 mg/l nejsou nic neobvyklého i když je v akváriu nedostatek železa, pouze s 0.01 mg/l 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 chelatinovaného, protože biologicky pracující filtr časem chelaty rozloří. Čím aerobněji filtr pracuje, tím rychleji klesá obsah železa.
Rychle tekoucí filtr spotřebovává při oxidačním procesu mnoho kyslíku a váže ho se svými produkty filtrace. Ve výchozích organických látkách je pro filtrační proces nedostatečné množství kyslíku a tak bakterie odebírají potřebný kyslík z protékající vody.

Příklad rozkladu bílkovin:

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

100g bílkoviny bylo přeměněno na 324g nových látek. Přírůstku množství bylo dosaženo vázáním dalších 224g kyslíku z protékající vody. Z toho vyplývá, že rychle tekoucí filtry spotřebovávají kyslík, a to na 1g organického zatížení zhruba 2,2g kyslíku !!
Typickým znakem rychle tekoucích filtrů jsou: průtok vody je tak rychlý, že filtr pracuje aerobně. Všechny produkty filtru jsou v oxidovaném stavu, čímž mnoho stopových prvků je ve vodě nerozpustných. Voda opouštějící filtr má nižší obsah kyslíku než vtékající, ale stále ještě několik mg/l.

Pomalu tekoucí filtry
I když je tento způsob filtrace starší, je v akvaristice dost neznámý a používá se velmi zřídka. Mnoho konečných produktů takového filtru jsou bez kyslíku.

Produkty pomalu tekoucího filtru (hrubá skica):

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

K bezproblémovým koncovým produktům filtru (kromě vody a kysličníku uhličitého) patří i dusík, který se nachází v plynném stavu. Dusík může snadno uniknout z vody do dusík obsahujícího vzduchu. Pomalu tekoucí filtr neprodukuje žádný nitrát. Může dokonce pomoci s jeho odbouráváním.
Sulfidy (S^2-) rychle po opuštění filtru v akvarijní vodě bohaté na kyslík 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 existuje v redukované formě. Tak je železo ve vodě rozpustné a může být od organických látek obsažených ve vodě chelatizováno a je k dispozici k výživě rostlin.
Také v pomalu tekoucím biofiltru, stejně jako v rychle tekoucích filtrech, probíhá v podstatě biochemická oxidace organických znečistění. Také zde nestačí obsah kyslíku ve výchozích látkách, aby proces mohl kompletně proběhnout. I zde bakterie odebírají potřebný kyslík z protékající vody. Pokud tam je. A tady je podstatný rozdíl od rychle tekoucích filtrů: u pomalu tekoucích filtrů voda přivádí příliš málo kyslíku, následkem toho se mnohé látky neoxidují na nejvýše možný stupeň a vznikají typické konečné produkty pomalu tekoucích filtrů, jako například Fe²⁺ nebo N₂.
Pokud voda přivedená do pomalu tekoucího filtru obsahuje jednoduché sloučeniny kyslíku, jako je například nitrát, může v bezkyslíkových zónách filtru dojít k denitrifikaci. To znamená že bakterie vytrhnou, aby mohly nabízené organické sloučeniny oxidovat, k tomu potřebný kyslík O₂ např. z nitrátu NO₃^– a redukují ho. Nitrát NO₃^– může být dále redukován přes nitrit NO₂^– a kysličník dusíku NO až k rajskému plynu N₂O nebo dále k dusíku N₂, z nichž oba mohou uniknout do atmosféry.
Takto lze odstranit nitrát beze zbytku z akvarijní vody. Z výše uvedeného jasně vyplývá, že k denitrifikaci jsou nutné jak anaerobní podmínky tak i dostatečná nabídka oxidovatelných organických sloučenin. Což je případ akvária bohatě osázeného rybami, pokud nečistoty nejsou odstraněny současně běžícím rychle tekoucím biofiltrem. Také pomalu tekoucí biofiltr spotřebovává kyslík i když méně než rychle tekoucí filtr.

Postup se ukazuje na příkladu rozkladu bilkovin:

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

Typickým znakem pomalu tekoucích filtrů jsou: průtok vody je tak pomalý, že pokud voda obsahuje dostatečné množství organických substancí mohou se ve filtru vytvořit anaerobní zóny (bez kyslíku). Důležité minerální látky a stopové prvky jsou v redukované formě a jsou tím pádem rozpustné ve vodě a dosažitelné pro rostliny. Filtrace probíhá bez kyslíku.
Pomalu tekoucí filtry nepotřebují žádnou zvláštní techniku. Hodí se v podstatě všechny druhy filtrů, u kterých obsah kyslíku může poklesnout hodně nízko. K tomu patří např. běžné vnitřní, vnější a půdní filtry, ale ne silně aerobně pracující skrápěcí filtry. Objem filtru musí být tak veliký a průtok vody tak nízký, že u normálně zatíženého akvária je obsah kyslíku u výstupu z filtru maximálně 1,0 mg/l.

Záběh filtru

Biologické filtry se opírají o pomoc mikroorganismů. Nové filtry jsou sterilní a nemohou pořádně pracovat. Běžné filtrační bakterie jsou všude stopově přítomny, ale potřebují cca. 2-4 týdny než si naleznou cestu do filtrační hmoty a rozvinou se do funkčního mikrotrávníku.
Zaběhnutí filtru lze urychlit naočkováním. Vezme se kal z používaného filtru a vloží se mezi filtrační hmotu. Mikroorganismy se velmi rychle dostanou do filtrační hmoty. Také lze vymáchat použity filtrační materiál v proudu vody před vstupem do filtru.
Každý stupeň odbourávajícího řetězce je prováděn k tomu specializovanými organismy. To znamená, že poslední v řetězu může pracovat jen když předchozí se řádně rozvinul a zapracoval. Dle toho i záběh filtru je postupný a lze ho analýzou vody dobře sledovat.

Typické záběhové chování rychle tekoucího filtru:

Několik dní po startu dosáhl řetězec odbourávání amoniového stupně a jeho obsah silně stoupá. Teď se mohou bakterie, např. Nitrosomonas, rozmnožovat a převést amonium na nitrit, tím se sníží amoniová křivka až úplně poklesne přičemž obsah nitritu stoupá. Tím vzniká dostatek životních předpokladů pro bakterie, např. Nitrobacter winogradskyi, které převedou nitrit na nitrát. Na konci procesu záběhu filtru klesají křivky amonia a nitritu na normální hodnoty, 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, odbourávat nitrát. I zde potřebuje záběh svůj čas a probíhá po stupních, což lze dokázat měřením pomalého poklesu nitrátu a nitritovou špičkou. Poté, při dostatečné anaerobii, může začít přeměna z nitritu přes několik stupňů k plynnému dusíku. Po záběhu se sníží obsah nitritu a nitrát je plynule odbouráván.

Filtrovat mechanicky nebo biologicky?

Čistě mechanická filtrace postačí u akvárií s malým osazením ryb. A tam je i vlastně přebytečný, protože biologická samofiltrace stačí k odbourání malého množství škodlivin.
U silnějšího osázení akvária již samofiltrace nestačí, musí být dodatečně podpořena biologickým filtrem. Oba způsoby biologické filtrace, rychle a pomalu tekoucí filtry, dodávají vodu dobré kvality. Rychle tekoucí filtry pracují v aerobním prostředí a lze je realizovat v podstatě menším prostoru, ale produkují nitrát.
Pomalu tekoucí filtry, při stejném výkonu potřebují asi desetinásobný objem, ale snižují obsah nitrátu a dodávají výživné látky pro rostliny v pro ně vstřebatelné formě.
Jen pro zajímavost, při získávání pitné vody pro obyvatelstvo se upřednostňuje voda filtrovaná anaerobním způsobem, a to sice pramenitá voda. Tato voda má za sebou dlouhou cestu prosakováním půdou kde byla filtrována jako v pomalu tekoucím filtru.
U intenzivního chovu ryb jsou rychle tekoucí filtry správnou volbou.
U okrasných nádrží osázených rostlinami by byla kombinace rychle a pomalu tekoucího filtru optimální, protože oba způsoby se velmi dobře doplňují. I komunální čističky odpadních vod již desetiletí používají kombinaci obou způsobů.
Samofiltrace akvária je v podstatě aerobní, když se nezohlední omezené procesy ve dně. Je proto možné jako přídavný filtr používat pouze anaerobní pomalu tekoucí filtr. To platí pro akvária, kde je vyvážené prostředí rostlin a ryb. Pomalu tekoucí biofiltry potřebují sice desetinásobně více prostoru, ale dodávají lepší vodu. Již Guido Hueckstedt, jeden z pionýrů akvaristiky a spolupracovník Konráda Lorenze, držitele Nobelovy ceny, v roce 1965 prohlásil: „Akvária s pomalu tekoucím biofiltrem mají určité kouzlo, které jiná akvária nikdy nedosáhnou!“

Publikováno 30.9.2004