Биофильтр для искусственного водоёма

Биологическая фильтрация.

Под биологической фильтрацией понимается бактериальное превращение органических азотистых соединений в нитраты.

Стадии этого процесса известны под общим названием "азотный цикл". Хотя азотный цикл начинается с превращения азотсодержащих органических соединенинй в аммиак, желательно, чтобы первая стадия уже закочилась, прежде чем материал поступит на биологический фильтр. Основным назначением биологического фильтра является превращение аммиака в нитриты, а нитритов в нитраты. Эти реакции имеют большое значение, когда искусственный водоём заселен рыбой, поскольку аммиак - высокотоксичный продукт обмена, непосредственно выделяемый многими водными организмами, и побочный продукт жизнедеятельности многих бактерий. Нитриты несколько менее токсичны, чем аммиак в форме NH₃, хотя для некоторых видов и они токсичны в концентрациях менее 2.5 мг/л. Нитраты для большинства водных организмов считаются относительно нетоксичными.

Устройство биологического фильтра для искусственного водоёма.

Биологический фильтр обычно представляет собой пористый твердый слой, в котором содержатся нитрифицирующие бактерии. Бактерии извлекают необходимые им питательные вещества и кислород из воды, протекающей через фильтрующий слой. Простой биологический фильтр представляет собой ящик, наполненный гравием. Вода поступает сверху, протекает через фильтующий слой и вытекает через дренажные трубы на дне ящика.

Рис. 1. Простой нисходящий биологический фильтр.

Существует несколько типов биологических фильтров:

• Погружные фильтры (типа фильтра, показанного на рис. 1) - это фильтры, у которых фильтрующий слой полностью погружен в воду. Погружные фильтры подразделяются на нисходящие и восходящие в зависимости от направления тока воды. В нисходящем фильтре вода поступает сверху и вытекает снизу, а в восходящем фильтре поток воды направлен снизу вверх. Иногда применяют также погружные фильтры с горизонтальным током воды.
• Капельные фильтры - это биологические фильтры,  в которых уровень воды поддерживается ниже дна фильтра. Вода поступает сверху и образует водяную пленку на поверхности твердой фазы, но не заполняет пор между частицами фильтрующего слоя. Это обеспечивает нисходящий поток воды и естественную аэрацию в результате прохождения воздуха через фильтр.

Наиболее эффективными являются восходящие погружные и капельные фильтры. В капельных фильтрах посту­пление кислорода обеспечивается естественной конвекцией возду­ха, и фильтры засоряются твердыми веществами. Однако продол­жительность удерживания можно регулировать только путем уве­личения толщины фильтрующего слоя. Восходящие затопленные фильтры меньше других погружных фильтров засоряются твер­дыми веществами. Они позволяют также регулировать продолжи­тельность удерживания в широком диапазоне путем изменения скорости протекания воды.

Процессы, проходящие в биологическом фильтре для искусственного водоёма.

Нитрификация является двухэтапным процессом превращения аммония (NH⁺₄) в нитриты (NО^-₂), а нитритов в нитраты (NO^-₃). Первый этап этого процесса (превращение аммония в нитриты) осуществляется автотрофными бактерия­ми рода Nitrosomonas, которые в присутствии кислорода способ­ны окислять аммоний до нитритов, используя в качестве источника энергии приблизительно 270 кДж/моль.

На втором этапе процесса нитрификации при окислении нитри­тов до нитратов выделяется примерно 73 кДж/моль. Эта реакция осуществляется бактериями рода Nitrobacter, которые используют выделяющуюся энергию на процессы обмена веществ.

Реакции превращения аммония в нитрит, а нитрита в нитрат требуют значительного количества кислорода. Стехио­метрическая потребность в кислороде для превращения аммония в нитрит составляет 3,43 кг кислорода на 1 кг окисленного аммония. Превращение нитрита в нитрат требует 1,14 кг кисло­рода на 1 кг окисленного нитрита. Таким образом, превращение 1 кг аммония в нитрат требует 4,57 кг кислорода. Поскольку для работы биологического фильтра необходимо, по крайней мере, стехиометрическое количество кислорода, то поступление кисло­рода может стать фактором, ограничивающим нитрификационные процессы, протекающие в биофильтре.

Химические процессы превращения аммоний-нитрит-нитрат, используются бактериями Nifrosomonas и Nitrobacter для получе­ния энергии. Бактерии утилизируют эту энергию, углекислый газ и кислород для продуцирования органических соединений, необхо­димых для роста клеток и обмена веществ. Объем массы клеток, образуемой растущими бактериями, имеет большое значение для биологических фильтров, поскольку отмирающие бактерии образу­ют взвешенные в воде частицы, которые закупоривают фильтр, что приводит к образованию в нем анаэробных участков, боль­шим потерям напора протекающей через фильтр воды и другим нежелательным последствиям.

При окислении 1 кг аммония до нитрата образуется 147 г клеток Nitrosomonas и 20 г клеток Nitrobacter. К счастью, по сравнению с гетеротрофными бакте­риями нитрифицирующие бактерии продуцируют небольшую мас­су клеток на массу окисленного субстрата, и благодаря этому фильтры не так засоряются, если количество органических ве­ществ, поступающих на нитрификационный фильтр, сведено к ми­нимуму. Для реакции синтеза клеток автотрофных организмов участвует углекислый газ (С0₂). Углекислота частично обеспечивает потреб­ность в кислороде, являясь также источником углерода.

Бактерия Nitrosomonas потребляет 3,02 кг кислорода на каждый килограмм аммония, окисленный до нитрита, a Nitrobacter—1,02 кг кислорода на килограмм нитрита, окис­ленный до нитрата. Таким образом, общее потребление кислорода составляет 4,04 кг на килограмм амоония, окисленный до нитрата. Однако, поскольку это отношение зависит от возраста культу­ры, количество кислорода, необходимое для полного окисления 1 кг аммония до нитрата, составляет от 4 до 4,6 кг.

Рис. 2. Нитрификационные кри­вые.

На рис. 2 показана зависимость между содержанием ам­миака, нитритов и нитратов на начальном этапе работы биологи­ческого фильтра. В начале работы популяция нитрифицирующих бактерий либо малочисленна, либо отсутствует вовсе, поэтому посадка рыбы в систему приведет к быстрому увеличению концентрации аммиака в воде. Этот момент является критическим, так как даже низкие концентрации аммиака могут оказаться губи­тельными для культивируемых организмов. Снижение концентрации аммиака обычно сигнализирует о появлении жизнестойкой популяции Nitrosomonas, превращающей аммиак в нитриты. Однако такое предположение может привести к опасной самоуспо­коенности. Обычно в биологическом фильтре присутствуют как гетеротрофные, так и автотрофные (нитрифицирующие) бактерии. Гетеротрофные бактерии характеризуются более ускоренным вре­менем генерации (т. е. временем роста, размножения и продуцирования многочисленной популяции), чем автотрофные бактерии, - поэтому гетеротрофные бактерии, которые используют источник: простого органического углерода, но нуждаются в неорганичес­ком азоте для обмена веществ, первоначально становятся доми­нирующими в фильтре и утилизируют продуцируемый в системе аммиак. Снижение содержания органического углерода подавля­ет рост гетеротрофных бактерий. Следовательно, первоначальное снижение концентрации аммиака может указывать не на нитри­фикацию, а на присутствие многочисленной популяции гетеротроф­ных бактерий. К счастью, это не часто наблюдается в аквакуль­туре.

Увеличение популяции Nitrosomonas приводит к возрастанию концентрации нитритов, которая достигает максимума, а затем начинает снижаться по мере роста популяции Nitrobacter, превра­щающей нитриты в нитраты. Увеличение концентрации нитритов также представляет опасность, так как они токсичны для рыб и многих других водных организмов. Систематический контроль за концентрацией нитритов и аммиака позволяет убедиться в том, что идет процесс нитрификации.

В любой водной системе аммиак присутствует в форме NH⁺₄ и NH₃, поскольку между этими двумя формами в воде существует равновесие. Неионная форма аммиака (NH₃) токсична для большинства водных организмов в концентрациях 1 мг/л и ниже. Особенно чувствительны к NH₃ лососи, на которых неблагоприятное воздей­ствие оказывает длительное пребывание в воде с концентрацией NH₃ 0,006 мг/л. Равновесие между формами NH₃ и NH⁺₄ зависит от pH (рис. 3).

Рис. 3. Влияние pH и температуры на распределение аммиака и ионов аммония в воде

При pH менее 7 концентрация NH₃ невелика и риск токсичности снижается. При более высоких зна­чениях pH токсичность NH₃ возрастает. Следует отметить, что в системах с соленой морской водой pH обычно составляет от 7,5 до 8,3, а в пресноводных — от 6,5 до 7,8.

В результате нитрификаций и синтеза бактерий образуются ионы водорода, поэтому во время нитрификации pH, как правило, снижается. В водных растворах ионы водорода нейтрализуются ионами бикарбоната (C0₂) в воде (при pH менее 8,5).

H⁺ + HCO^-₃ → CO₂ + H₂O

Конечным результатом этого процесса является снижение концентрации бикарбоната и увеличение содержания углекисло­ты, а оба эти условия способствуют снижению pH. На нейтрализацию ионов водорода, образующихся при окислении 1 кг аммония, идет примерно 7,13 кг бикарбоната в виде СаСОз. Расчеты с учетом равновесия угольной кислоты в пресной воде показывают, что если вся углекислота, образующаяся во время нейтрализации, остается в растворе, а pH должен быть выше 6,0, то количество аммония (в мг) на литр, ко­торое может быть окислено, равно примерно 0,1 щелочности, вы­раженной в СаС0₃. Однако в большинстве замкнутых систем происходит частичное удаление углекислоты (например, в процессе аэрации), и обычно наблюда­ется некоторое снижение pH, поэтому правило «0,1 щелочности» дает консервативную оценку. Тем не менее для поддержания pH на необходимом уровне в воду с низкой щелочностью обычно не­обходимо добавлять карбонат или бикарбонат. Это часто осуще­ствляется путем использования в качестве фильтрующего слоя карбонатных пород.

pH системы оказывает также непосредственное влияние на нитрифицирующие бактерии. По вопросу о влиянии pH на ско­рость окисления нитрифицирующими бактериями существуют раз­личные мнения. В одних опытах наблюдали, что скорость окисления аммония неадаптированными культурами является посто­янной только при pH 6,8—8. При pH ниже 6,8 скорость окисления аммония быстро уменьшается с понижением pH. Для pH выше 8 опыты не проводились. В других опытах наблюдали для Nitrosomonas europaea постоянную скорость окисления в диапазоне pH от 7,5 до 9, а для бактерий Nitrosomonas, только в диапазоне от 8,5 до 8,8. Все данные, за исключением последних, свидетельствуют о том, что, по-видимому, наиболь­шую и относительно постоянную скорость окисления бактерии Nitrosomonas имеют при pH от 7 до 9. Однако с течением времени фильтры могут акклимироваться к более низким значениям pH. Эксперементы показали, что через 10 дней после снижения pH до 6 бактериальная скорость окисления аммония до нитрита была равна скорости, наблюдавшейся в оптимальных пределах pH. Однако снижение pH до 5,5 создало условия, к которым нитрифицирующие бакте­рии не смогли адаптироваться даже с течением времени.

По вопросу о толерантности Nitrobacter, превращающих нитриты в нитраты, к колебаниям pH име­ются следующие сведения: Nitrobacter осуществляют окисление с наибольшей скоростью только при pH от 8,4 до 9,2. Данные по очистке бытовых стоков показывают, что оптимальные скорости окисления наблюдались в области pH от 8,4 до 8,6. Опыт работы с нит­рифицирующими фильтрами в рыбоводстве свидетельствует о том, что скорость превращения нитрита в нитрат достаточно вы­сока для поддержания приемле­мо низких концентраций нитрита при pH 6,5—8,5.

Температура также влияет на «скорость нитрификации в биоло­гических фильтрах. С понижением температуры скорость реакции уменьшается.

При условии обеспече­ния стехиометрических потребностей в кислороде скорость нитри­фикации не зависит от концентрации кислорода. Однако при кон­центрациях кислорода ниже стехиометрических потребностей ско­рость реакции быстро уменьшается (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость интенсивности нитрификации от стехиометрической потребности в кислороде.

По материалам: Уитон Ф. Техническое обеспечение аквакультуры.

Советуем ознакомиться:

Состав почвенного воздуха, воздушные свойства почв.

Растения в искусственном водоёме и вокруг него.