Вместо предисловия
Идея написать статью о процессах, происходящих в аквариумных фильтрах, у меня возникла давно, и уже была воплощена в статьи с похожим содержанием, но с уклоном в физику процессов. Между тем, как я думаю, необходимо представлять себе работу аквариумных фильтров не только с точки зрения физики, но и с точки зрения других наук, рассматривая эти процессы, как связь между физикой, химией и биологией, потому что они тесно связаны между собой. Встречающиеся иногда темы на разных аквариумных интернет ресурсах показывают, что все больше людей интересуется этими процессами. И такие темы не могут не радовать меня, как человека, заинтересованного в продвижении и популяризации аквариумистики. Постоянный и открытый обмен опытом и знаниями между разными людьми позволяет смотреть на одни и те же вопросы с разных сторон, и лично для меня имеет большое значение.
Скажу сразу: лично я не пользуюсь фильтрами в аквариуме в том смысле, в каком они применяются многими аквариумистами. Если сейчас я иногда и использую внутренние фильтры, то применяю их лишь для растворения углекислого газа, в качестве реакторов СО2, и их фильтрующие элементы оставляю, как защиту помп фильтров от возможного попадания в них посторонних предметов или мелких живых существ, например, кусочков растений, улиток, креветок или рыбок. Но я связан с замкнутыми гидравлическими циркуляционными системами по работе, поэтому немного разбираюсь в принципах их действия, и могу поделиться своими знаниями с желающими понять те процессы, которые происходят в аквариумных фильтрах. Все, что я напишу ниже, может рассматриваться, как передача моих собственных наблюдений и опыта, теоретические повествования, IMHO, или мое личное мнение, на которое можно не обращать внимания. Решайте сами, нужен вам в аквариуме фильтр или нет. Но я настоятельно рекомендую прочесть этот опус хотя бы для получения общих сведений о фильтрации воды в аквариуме.
Классификация аквариумных фильтров по применению
Нельзя четко разделить аквариумные фильтры по их назначению, потому что разные виды фильтрации в них происходят одновременно даже при разной конструкции фильтров. Я не буду останавливаться на каждом из назначений, чтобы не тратить время. Тем более, что различные фильтрующие элементы можно комбинировать, изменяя назначение фильтра, и разделение фильтров по назначению получается очень условным. То же самое относится и к самим наполнителям фильтров.
Аквариумные фильтры используют, в основном, для механической, биологической и химической обработки воды. Механическая очистка применяется для задерживания мусора, плавающего в толще воды.
Биологическая очистка подразумевает обработку воды биологическими способами: преобразованием растворенных в аквариумной воде одних химических веществ в другие химические вещества в результате жизнедеятельности бактерий, водорослей или живых растений. Бактерии живут на любой поверхности, омываемой аквариумной водой, и в самой воде, поэтому практически любой аквариумный фильтр выполняет функции биологической фильтрации. К биофильтрам можно отнести и фитофильтры, в которых обычные неводные растения поглощают растворенные в воде химические соединения, фильтры с аэробными бактериями-нитрификаторами, преобразующими ядовитые аммиак, аммоний и нитриты в нитраты, и фильтры с анаэробными бактериями-денитрификаторами, преобразующие нитраты в азот. И даже аквариум, в котором нет фильтра, как дополнительно установленного оборудования, но есть вода с живыми существами, является биофильтром.
Химическая обработка воды в аквариумах с использованием аквариумных фильтров чаще всего сводится к закладке в фильтры различных веществ, изменяющих химический состав воды в аквариуме. Это, например, использование торфа для подкисления воды, цеолита для поглощения азотных соединений, коралловой крошки или другого измельченного известняка для увеличения жесткости и щелочности воды, и так далее. Но сюда же относится и активное перемешивание воды с растворением в ней или выветриванием из нее различных газов, в том числе и из воздуха, что тоже изменяет ее химические свойства. Но с таким перемешиванием воды может справиться обычная помпа или распылитель воздуха, подключенный к аквариумному воздушному компрессору.
Классификация по конструкции
По своей конструкции аквариумные фильтры делятся на внутренние и внешние, встроенные в аквариум и устанавливаемые отдельно. Сейчас большинство аквариумистов использует фильтры, оснащенные электродвигателем с крыльчаткой (помпа с импеллером). Но есть фильтры, которые работают от аквариумного компрессора, нагнетающего воздух в трубку, установленную в аквариумной воде, увлекающего за собой и поднимающего по этой трубке воду, и создающего поток воды через слой фильтрующего материала. Такие фильтры называются эрлифтнымии и могут иметь разнообразные конструкции. Они могут быть донными и навесными, наружными и внутренними. Общее свойство для помповых и эрлифтных фильтров — то, что они создают поток воды, проходящий через фильтрующие материалы. Вода в фильтрах движется и имеет определенную скорость. Описанием процессов движения воды занимается наука гидродинамика, тогда как описанием процессов в стоячей воде занимается наука гидростатика.
Теория работы фильтров
Для того, чтобы понять, как работает аквариумный фильтр, нужно вспомнить или почитать про Закон сохранения энергии: «Тело находится в покое или в равномерном прямолинейном движении, если на него не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано» или «Полная энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергии». Вода это физическое тело, имеющее вполне конкретные физические свойства. Кинетическая энергия воды это энергия ее движения. А потенциальная — энергия покоя.
У любого двигателя воды в аквариумном фильтре, и у помпы, и у эрлифта, как и у любого другого насоса, существуют свои механические характеристики: напор и расход.
Напором (насоса) называется максимальная разница высот между точкой водозабора и наивысшей точкой подъема воды, обеспечиваемой этим насосом при его работе. При работе насоса вода поднимется до уровня его полного напора и будет стоять под действием работы насоса. По-другому, на какую максимальную высоту этот насос сможет поднять воду над поверхностью воды в точке ее всасывания этим насосом. Напор считается по разнице в уровнях воды при произвольном расположении насоса. Он может быть помещен и ниже уровня поверхности воды в емкости водозабора, и находиться выше этой поверхности. Но, если насос находится выше поверхности воды, он должен иметь возможность всасывания воды.
Величину полного напора помпы можно измерить. Для этого нужно подключить к выходу помпы шланг, длина которого немного больше ее паспортного полного напора, погрузить помпу в воду, поднять и закрепить свободный конец шланга на высоте, превышающей полный паспортный напор помпы от уровня воды в емкости, в которую ее погрузили, и включить помпу. Измерив высоту по вертикали от уровня воды в емкости с помпой до уровня, на который поднялась вода в шланге, получим реальный полный напор конкретной помпы.
Второй важной характеристикой любого насоса является его расход. Это то количество воды, которое насос в состоянии перекачать за единицу времени, без подъема воды над уровнем поверхности водозабора, когда напор равен нулю.
Расход помпы тоже можно измерить, подключив ко входу или выходу помпы обычный счетчик воды, которые у многих установлены на вводе водопроводной воды, с соблюдением направления движения воды по метке на корпусе счетчика. Погрузив помпу со счетчиком в воду полностью, включить помпу и определить максимальный расход помпы по шкале счетчика.
Напор насоса измеряется в метрах водяного столба между уровнями воды, а расход — в объеме перекачанной им воды за единицу времени (литры/минуту, литры/час, кубические метры/минуту, кубические метры/час). Если учесть, что давление водяного столба высотой 1 метр и с площадью основания в 1 квадратный сантиметр примерно равно 0,1 кг, давящему на каждый квадратный сантиметр поверхности, то величину напора в 1 метр водяного столба можно записать в виде величины давления — 0,1 кгс/см2 (килограмм силы на квадратный сантиметр).
В гидродинамике часто пренебрегают атмосферным давлением, когда оно одинаково влияет и на вход, и на выход системы. Его просто принимают равным нулю, если это не оказывает никакого влияния на расчеты. Рассматривая аквариумные фильтры, можно сказать, что чаще всего атмосферное давление действует только на одну поверхность — поверхность воды в аквариуме, является одинаковой величиной для входа и выхода фильтра, поэтому его можно считать равным нулю и не учитывать при расчетах. Я специально остановился на атмосферном давлении, чтобы подойти к разрежению и давлению, создаваемому помпой. Дело в том, что если атмосферное давление принять за ноль, то давление на входе работающей помпы будет отрицательным по отношению к атмосферному давлению, равному нулю при расчетах. А давление на выходе помпы будет положительным по отношению к атмосферному. Точно так же создается разрежение в шланге, когда по нему сливают воду из аквариума при сифонке грунта или просто при смене воды. Скорость потока воды при этом зависит от разницы в уровнях между поверхностью воды в аквариуме и свободным концом шланга, по которому сливают воду.
Сообщающиеся сосуды и движение воды
Очень часто аквариумисты думают, что если оба шланга внешнего канистрового аквариумного фильтра расположены примерно на одной высоте, то такая система фильтрации представляет собой сообщающиеся сосуды. Это верно только в том случае, когда помпа внешнего фильтра не работает, и вода через него не течет. При этом, если выходной шланг фильтра расположен над водой, то уровень воды в нем находится на одной высоте с уровнем воды в аквариуме. В этом случае остановленная система фильтрации действительно представляет собой сообщающиеся сосуды. Но если через внешний фильтр протекает вода, то он становится открытой замкнутой циркуляционной системой. Система открытая, потому что сообщается с атмосферным воздухом, и на воду действует только атмосферное давление. Замкнутая, потому что водозабор и водосброс находятся в одной и той же емкости. Циркуляционная, потому что вода в этой системе движется по кругу: аквариум, входной шланг, канистра с помпой и фильтрующими элементами, выходной шланг, аквариум. В сообщающихся же сосудах вода никуда не движется, ее скорость равна нулю.
Уравнение Бернулли
Зависимость скорости воды от характеристик движителя, можно приблизительно вычислить через уравнение гидродинамики, называемое Уравнением Бернулли:
где
p – плотность воды,
V – скорость воды,
g – ускорение свободного падения,
H – высота водяного столба (разница в уровнях),
P – давление на воду,
N – полный напор помпы.
При отсутствии разницы в уровнях воды и при принятии атмосферного давления равным нулю это уравнение принимает вид
Но оно было выведено для идеальной жидкости, поэтому не может обеспечить точности расчета. Для вычисления реальных значений производительности реальных гидродинамических систем, перекачивающих реальные вещества, было введено понятие «потери напора». Общая потеря напора системы представляет собой сумму всех местных потерь напора, которые можно представить в виде уравнений гидравлики и вычислить математически.
где Nп — суммарные потери напора.
Необходимо отметить, что производители обычно приводят гидравлические характеристики помп фильтров, а не гидравлические характеристики самих фильтров. Это вызвано тем, что потери напора так же индивидуальны, как индивидуален любой аквариум, и производители не могут предусмотреть все варианты потерь напора, настолько их много. Суммарные потери напора в фильтрах складываются из потерь напора на трение о стенки шлангов (поэтому их нужно складывать, а не отбрасывать их из рассмотрения из-за их примерно одинаковой длины), потерь напора в наполнителях фильтра, потерь напора во внутренних каналах фильтра и помпы, потерь напора при резком изменении поперечного сечения потока воды при переходе из шланга в канистру и из канистры в выходной шланг, потерь напора из-за изменения поперечного сечения потока воды на соединениях системы фильтрации и так далее.
Биологическая составляющая потерь напора в фильтрах
Но в аквариумных фильтрах присутствуют не только потери напора, вызываемые их физическими характеристиками, но и потери, изменяющиеся в течение времени, и вызванные биологическими причинами — ростом колонии бактерий и/или водорослей в системе фильтрации. Эти колонии изменяют физические размеры всех внутренних поверхностей системы, контактирующих с аквариумной водой, что приводит к изменению их гидродинамических характеристик. В том числе и к изменению суммарных потерь напора в сторону их увеличения, что и приводит к уменьшению производительности системы фильтрации. Поэтому новые аквариумные фильтры постепенно снижают свою производительность по мере заселения их бактериальной колонией. А реальные гидродинамические характеристики фильтров невозможно вычислить из-за наличия неизвестной величины — потерь напора из-за биологических изменений в фильтре в результате его заселения бактериями.
Бактерии селятся на любой поверхности, контактирующей с аквариумной водой, потому что скорость воды на любой поверхности равна нулю. Ведь вода является реальной, а не идеальной жидкостью. Размеры колонии бактерий зависят от количества пищи для них, то есть, от биологической нагрузки. Поэтому можно рассматривать биологические фильтры не как увеличение объема аквариума, что иногда думают некоторые аквариумисты, а как увеличение площади поверхности для ее заселения бактериями. Ведь чем больше площадь колонии бактерий, тем тоньше ее слой, тем доступнее для них питательные вещества, растворенные в воде, при одном и том же количестве этих питательных для бактерий веществ.
Чтобы стало понятнее, представьте себе новый аквариум с новым фильтром, в котором бактериальной колонии еще нет, но есть бактерии, плавающие в аквариумной вводе, которые попали в нее вместе с рыбами, растениями, улитками, из воздуха, с самой водой и так далее. По мере поступления питания для бактерий они заселяют все, что контактирует с аквариумной водой, селясь на любой поверхности, которую омывает эта вода, и извлекают из нее различные химические соединения, необходимые им для питания. Биологически преобразованные бактериями вещества попадают обратно в ту же воду. Выделяемый рыбами аммиак последовательно преобразуется бактериями в нитриты и нитраты. Концентрация нитратов в воде начинает увеличиваться, а аммиака уменьшаться. Скорость этих процессов зависит не от скорости воды в фильтре, потому что скорость воды на любой поверхности равна нулю, а от площади колонии бактерий на этой поверхности. Чем большее число бактерий получит возможность питаться, тем быстрее они извлекут питание из окружающей их воды.
Биологическая фильтрация
Для определения площади поверхности колонии бактерий в фильтре было выведено уравнение азотной нагрузки на фильтр
где
F — масса пищи в граммах,
P — уровень содержания протеинов в пище,
Tfw — полная масса рыб в граммах,
A — площадь поверхности наполнителей биофильтра.
Но бактериям для переработки аммиака в нитрит и нитрат и для окисления органического углерода до углекислого газа нужен кислород, который поступает к ним вместе с водой в растворенном виде. Количество кислорода, необходимое для этих процессов, называется БПК или биологическая потребность в кислороде. Величина БПК показывает, какое количество кислорода необходимо бактериям для полной переработки поступающей пищи. А количество кислорода, которое могут израсходовать бактерии в фильтре — окислительной способностью биофильтра. Если количество кислорода, которое могут израсходовать бактерии для окисления не меньше, чем БПК, то фильтр выбран правильно. Эту зависимость выражает уравнение или формула Хираямы для гравийного фильтра
где
p — число корзин в фильтре,
Wi — площадь поверхности наполнителя в одной корзине (см2),
Vi — скорость течения воды сквозь наполнители фильтра (см/мин),
Gi — коэффициент размера гравия (мм-1),
Di — толщина слоя гравия на i-той пластине,
q — количество рыб,
Bj — масса j-й рыбы (г),
F — общая масса выдаваемого рыбам корма (г/день).
В левой части этой формулы вычисляется окислительная способность фильтра, а в правой — биологическая потребность в кислороде. Для подавляющего большинства аквариумистов-любителей эти уравнения практической ценности не представляют. Практика подразумевает проведение специальных тестов. Методика проведения тестов на определение окисляемости воды и определение концентрации растворенного в ней кислорода есть в ссылках под этой статьей. Но без приведения этих уравнений не была бы показана связь между физическими характеристиками фильтров и биохимическими процессами, происходящими в аквариумной воде. Причем, еще раз подчеркну, эти процессы происходят не только в аквариумах с фильтрами, но и в аквариумах без фильтров. Наличие фильтра в аквариуме только помогает аквариумисту, но не является необходимым, если в аквариуме созданы условия, сходные с природными.
Заключение
Я отдаю себе отчет, что только единицы заинтересуются этим моим опусом, потому что вряд ли кому-нибудь придет в голову мысль расчитать фильтр самостоятельно, используя приведенные мной формулы или ссылки. Гораздо проще подбирать фильтр не по теоретическим уравнениям, а по реальным результатам тестирования реальной воды в конкретном аквариуме. Аквариумные капельные тесты доступны для многих аквариумистов.
В связи с этим возникает вечный вопрос, «Что делать?» или «Как выбрать фильтр для аквариума»? Можно ли увеличить оборот воды через фильтр или лучше увеличить площадь поверхностей для бактериальной колонии? На эти вопросы я дам уклончивый совет, что выбирать фильтр нужно с запасом по производительности помпы и по объему наполнителя фильтра. Советы на аквариумных форумах — вещь, конечно, хорошая, но окончательное решение о приобретении или отказе от использования фильтра в аквариуме должен принимать его хозяин. Хотя, ориентироваться на советы по конкретным моделям или производителям фильтров все-таки желательно. Лично я рекомендую не перенаселять аквариум рыбой, подменивать воду и использовать в дизайне живые растения, чтобы максимально приблизить условия в аквариуме к природным. Тогда, если фильтр и понадобится, он будет помощником аквариумиста, а не устройством, без которого жизнь в аквариуме будет невозможна.
