Анаэробная биологическая фильтрация.

Данный цикл публикаций ориентирован в основном на профессиональных рыбоводов, но возможно станет полезен тем аквариумистам кто знаком с азотным циклом в замкнутой водной экосистеме. Известно, что в аквариуме нитраты представляют собой конечный продукт нитрификации — процесса бактериального окисления аммония. Хотя нитраты не являются такими токсичными веществами, как нитриты или аммоний, их высокие концентрации могут оказывать негативное влияние на чувствительных животных.

В организме животных нитраты могут восстанавливаться до нитритов, что создаёт дополнительные проблемы. Поэтому использование анаэробных бактерий для удаления нитратов из воды путём денитрификации представляется весьма целесообразным.

К числу типичных представителей денитрификационной микрофлоры можно отнести: Flavobacterium, Pseudomonas aeruginosa и P. denitrificans, Thiobasillus denitrificans, Rhodopseudomonas sphaeroides, Bacillus licheniformis и Paracoccus denitrificans. Эти бактерии могут осуществлять денитрификацию только в условиях отсутствия кислорода, что делает их особенно подходящими для этой задачи.

Конечно, использование фильтра, работающего в анаэробных условиях, имеет свои нюансы. Процесс денитрификации заключается в восстановлении нитратов до газообразного азота, который затем удаляется из воды. Этот метод более эффективен, чем обычный цикл, используемый во многих аквариумах, когда нитраты поглощаются растениями.

К сожалению, процесс денитрификации не всегда протекает гладко. Существует риск, что нитраты не восстановятся до азота, а останутся в виде нитритов. Это может привести к образованию опасного источника нитритов в нашей системе и привести к отравлению и массовой гибели обитателей.

Одной из технических трудностей при использовании нитритного фильтра является поиск источника углерода. Углерод является основным питательным веществом для бактерий, в то время как потребность в кислороде удовлетворяется за счёт нитрата. Активированный уголь не может быть источником углерода. Бактериям для жизнедеятельности необходим углерод в растворенном виде.

Один из лучших источников углерода — метанол (метиловый спирт), однако он ядовит для рыб. Основная сложность заключается в правильной дозировке.

Согласно уравнению денитрификации путём окисления глюкозы , для восстановления 1 мг нитрата до азота требуется 1,9 мг метанола. Однако эти расчеты не всегда применимы на практике, так как концентрация нитратов постоянно меняется: 5C6H12O6 + 24KNO3 → 24КНСО3 + 6CO2 + 12N2 + 18H2O.

Если метанола вводится небольшое количество, то денитрифицирующие бактерии не могут завершить процесс восстановления до азота.

Окислительно-восстановительный потенциал в биологическом анаэробном фильтре

Процесс останавливается на нитритах, и вместо небольшого количества относительно безопасных нитратов мы получаем ядовитые нитриты. Если добавить слишком много метанола, это может привести к гибели рыб или беспозвоночных.

Кроме того, могут активизироваться нежелательные культуры бактерий, восстанавливающие сульфаты. Эти бактерии берут необходимый им кислород из сульфатов (SO42–) и в процессе выделяют вредный H2S.

Соотношение углерода и азота должно оставаться в строго определенных пределах, что возможно как в домашних, так и в публичных аквариумах. Однако на практике денитрификация до сих пор не применяется. Если же вы решите использовать эту технологию, действовать нужно очень осторожно.

В любом случае, необходимо следить за окислительно-восстановительным потенциалом. Положительные окислительно-восстановительные потенциалы приводят к преобладанию окислительных реакций, поэтому нужно сдвигать окислительно-восстановительный потенциал в отрицательную область.

Важно отметить, что этот процесс не происходит, если через фильтр медленно пропускать небольшое количество воды. В таком случае кислород будет потребляться в фильтре, и в анаэробных условиях произойдет денитрификация. Однако в этом случае отсутствует источник углерода.

Необходимо учитывать неконтролируемые бактериальные реакции, которые могут восстановить токсичные вещества, которые мы с таким трудом удаляем. Процесс проходит в две фазы, которые должны завершиться полностью:

1. Восстановление нитрата до нитрита.

2. Восстановление нитрита до газообразного азота.

Для обеих фаз требуется дозировка метанола. Метанол окисляется в процессе восстановления до CO2 и воды, а процесс восстановления завершается образованием газообразного азота.

Оба газа выделяются в виде пузырьков из воды. Основываясь на опытах с использованием вспененного стекла на ядерной исследовательской установке «Julick», учёные предлагают применять другую реакцию.

Органические вещества, такие как белки, жиры и углеводы, сначала гидролизуются с помощью ферментных бактерий. Продукты гидролиза — аминокислоты, жирные кислоты и многоатомные спирты — под воздействием ацетогенных бактерий превращаются в уксусную кислоту, водород и оксид углерода. Затем они метаболизируются метаногенными бактериями до метана и оксида углерода.

Для безупречной работы экологической системы необходимо обеспечить сосуществование всех трёх групп микроорганизмов. Ацетогенные и метаногенные бактерии имеют уникальный симбиотический аспект.

Продукт обмена веществ — водород — может стать причиной термодинамической задержки микробного разложения жирных кислот, если его парциальное давление в системе превысит критическую границу в 104 бар.

Если при использовании метановых бактерий не позаботиться о быстром потреблении продуктов, то происходит накопление масляной и в особенности пропионовой кислоты («Закисание реакторов для сточных вод»). В действительности процессы очень сложны, и только имея определенный состав микроорганизмов, можно избежать недостатка субстратов и накопления промежуточных продуктов. Наряду с метанолом, донорами углерода могут быть другие вещества. Для гетеротрофных денитрификаторов можно добавлять вещества, приведенные в таблице ниже:

Гетеротрофная денитрификация

Автотрофная денитрификация

Такой тип реакции был бы наиболее подходящим для аквариумистики. Он позволяет избежать необходимости точного дозирования органических веществ, которые, если их превращение не будет полным, могут значительно загрязнять воду. Кроме того, отпадает необходимость в точном дозировании водорода, что также облегчает уход за аквариумом.

В обоих случаях необходимый кислород используется для окисления органических веществ, а азот восстанавливается и выделяется в виде газа.

Строение анаэробного фильтра

На следующем рисунке изображено, как анаэробный фильтр может быть интегрирован в систему фильтрации. Основной поток воды проходит через аэробный фильтр, а небольшой его поток, ответвляясь от основного, поступает на анаэробную бактериальную ступень. Течение воды в биофильтре должно быть очень медленным, что значительно увеличивает время пребывания воды в системе.

Если в аэробном фильтре процесс фильтрации занимает примерно от 3 до 8 минут, то в анаэробном фильтре он может длиться до нескольких часов. На входе в анаэробный фильтр добавляется небольшое количество метанола.

Количество метанола регулируется с помощью прибора, который измеряет окислительно-восстановительный потенциал. Этот прибор должен не только измерять, но и поддерживать окислительно-восстановительный потенциал в отрицательной области. Дозирование метанола осуществляется с помощью насоса или электромагнитного вентиля.

Выход из анаэробного фильтра должен быть связан с аэробным, поскольку в аквариуме не удается создать полностью бескислородный поток. Кроме того, такая связь обеспечивает защиту аквариума от возможных непредвиденных ситуаций.

На практике используются различные системы. Однако, в любом случае, измерение окислительно-восстановительного потенциала должно проводиться одновременно с измерением нитрита.

При окислительно-восстановительном потенциале около 300 милливольт нитраты начинают терять только один атом кислорода. В результате образуются токсичные нитриты — это первая ядовитая фаза в начале процесса денитрификации на фильтре.

Необходимо ограничить циркуляцию воды через фильтр до тех пор, пока не закончится нитритная фаза. Только когда нитраты почти полностью разложатся (уровень NO3– становится меньше 2,5 миллиграмма на литр), начинается восстановление нитритов.

Полное разложение нитратов и нитритов можно определить по образованию пузырьков азота. Очень важно сконструировать нитратный фильтр таким образом, чтобы азот легко удалялся. Если это не будет выполнено, процесс обмена веществ может замедлиться.

Рекомендуется постоянно наблюдать за работой фильтра, измеряя концентрацию нитритов. Это позволит контролировать процесс и своевременно вносить необходимые коррективы.

Если окислительно-восстановительный потенциал достигает примерно –300 мВ, а концентрация нитритов составляет –0,1 мг/л, это свидетельствует о полном восстановлении нитратов и оптимальной работе биофильтра. В этот момент важно следить за тем, чтобы потенциал не снижался дальше.

Если это происходит, бактерии начинают использовать другие источники кислорода. Сначала разлагаются фосфаты, затем в большем количестве сульфаты, что приводит к образованию токсичного сероводорода.

Разница между оптимальными рабочими точками для разложения нитратов и начала образования сероводорода составляет всего 100 мВ. Опасная область начинается примерно при 400 мВ.

Следует отметить, что представленные здесь значения окислительно-восстановительного потенциала являются лишь исходными данными и могут отличаться в зависимости от конкретной системы.

В любом случае, никогда не следует пренебрегать постоянным комбинированным контролем за окислительно-восстановительным потенциалом и концентрацией нитрита.

В завершение этой темы можно сказать, что для успешного восстановления нитратов в аквариуме необходимо обеспечить условия, далекие от природных. Только в таких условиях процесс может быть надёжно контролируемым. Следует отметить, что уровень нитратов в природных водоёмах значительно отличается от концентрации, которую вы можете наблюдать в своих аквариумах.

Андреев Р.С. Гидробиолог. Компания LenFish.©