Наша цель - сделать Nature Aquarium с оптимальной фильтрацией по Takashi Amano. Значит ориентиром будет оборот воды канистровых фильтров ADA. Определить параметры фильтра нам поможет каталог.

Характеристики фильтров ADA Super Jet по каталогу:
ES-600 : помпа 6 л/мин, 360 л/час, канистра 6 литров, для аквариума 60-90см; (6 х кратный*)
ES-1200 : помпа 19 л/мин, 1140 л/час, канистра 12 литров, для аквариума 90-120см; (7,5-6 х кратный*)
ES-2400 : помпа 27 л/мин, 1620 л/час, канистра 24 литра, для аквариума 120-180см. (9-3,5 х кратный*)
Серия EX и EX2 отличается от серии ES тем, что в EX больший объем канистры. Во всех трех сериях используются помпы фирмы Iwaki - одни из лучших в мире. (источник: форум APC, Ryan Stover 2005)
* принимая живой объем воды в аквариуме за вычетом грунта, коряг и камней

В каталоге ADA в характеристиках Lily Pipe Outflow приводятся следующие обороты воды через фильтр, которые ADA считает оптимальными для Nature Aquarium:
60х40х40см - <600л (помпа 360 л/час)
80х40х40см и 100х40х40см - = 600 л/час
80х40х40см и 100х40х40см типа Pool - 600-800 л/час
120х50х50см и 120х50х50см типа Pool - >800 л/час.

Так как помпы Iwaki развивают намного большее давление чем обычные помпы с асинхронным двигателем, оборот воды через фильтр у ADA при той же производительности помпы намного больше.

Эти данные НЕ свидетельство того, что Т.Амано делает избыточную биофильтрацию.
Нельзя рассматривать вопрос оборота воды через фильтр без учета площади поверхности бионаполнителя. Просто в его фильтрах наполнитель не имеет такой огромной площади поверхности, и соответственно такой биологической мощности, как Ehfisubstrat, Hagen BioMax и подобных им. Кроме того, лава в отличие высокотехнологичных наполнителей с глубокими мелкими порами не будет давать денитрификации - это совершенно не нужно в аквариуме с растениями. Такие площади и денитрификация актуальны для аквариума с рыбами (биосубстрат в фильтрах Takashi Amano это ADA Bio Rio - мелкий гравий из пористой лавы с умеренной площадью поверхности). А вот польза от увеличенного оборота очевидна. Хорошая циркуляция воды в аквариуме, как известно, улучшает рост растений благодаря улучшению доступности CO2 (особенно при использовании диффузора) и питательных веществ. Взвешенные частицы, споры/волокна водорослей и их главная причина аммоний NH4+ быстро уносятся в фильтр, предупреждая восстановление популяции после чистки. Это особенно важно на начальном этапе создания аквариума, так как в значительной мере предотвращает появление водорослей, особенно красных и нитчатки, и может полностью предотвратить цветение воды. Значительно улучшается и эстетика аквариума.
Именно по этим причинам в Руководстве на adaeuro.com говорится что производительность помпы канистрового фильтра должна быть 8-10 объемов в час (реальный оборот через фильтр на 30-50% меньше).

Так как Растения потребляют сразу практически весь образующийся аммоний NH4, они по сути являются биофильтром в Nature Aquarium. Канистровый фильтр в Nature Aquarium кроме функции биофильтрации выполняет ещё одну, не менее важную - циркуляция воды для доставки питательных веществ к листьям растений и очистка воды от взвеси. Кроме того…

• Как оказалось, большой оборот воды через канистровый фильтр, и как следствие - хорошее движение воды в аквариуме, является тем фактором, который делает распыление микропузырьков CO2 при помощи диффузоров ЛУЧШИМ способом доставки CO2 растениям. (см. co2 mist-ика)

Оборот воды через канистровый фильтр.

Как вы уже поняли, По сравнению с фильтрами ADA помпы многих канистровых фильтров имеют малую производительность, крайне недостаточную для Nature Aquarium. Сейчас есть достаточно много канистровых фильтров с мощными помпами, например Tetratec® EX 700 на 700л/час; JBL CristalProfi 500 и Tetratec® EX 1200 на 1200л/час, AquaEL UNIMAX 500 1500л/ч; Eheim Professionel 3e и AquaEL UNIMAX 700 на ~1700л/час. Они пригодны для Nature Aquarium длиной 60см, 90см и 120см соответственно.
Для увеличения производительности старых фильтров Hydor PRIME, EHEIM Ecco, EHEIM PRO II, и Fluval 305/405 можно установить внешнюю помпу Hydor SELZ II вытащив ротор двигателя фильтра. При этом нужно проверять соответствие поперечного сечения фильтра выбранному обороту воды. Например, для 90см аквариума (150л воды) нужен оборот воды порядка 1200л/час, для 60см - оборот 360л/час.

Это можно рассматривать как вынужденную, но весьма выгодную меру по модернизации фильтра который у вас уже есть. Другое применение такой модернизации - использование хорошего фильтра большого объема с недостаточной производительностью помпы для аквариума большего размера.

Важно помнить, что производительность помпы фильтра совсем не одно и то же, что циркуляция воды:
из-за гидродинамического сопротивления циркуляция на 25-50% меньше, к тому же она зависит от типа наполнителя, от степени загрязненности фильтра и профиля трубок забора/выброса воды, от типа помпы.
В паспорте фильтра за редким исключением (JBL, Eheim Pro, AquaEL) указывают производительность помпы, а не оборот воды через фильтр с вложенным наполнителем. По паспорту помпа фильтра EHEIM ECCO 2233 имеет производительность 480 л/час, а результаты измерений заполненного наполнителем фильтра показали 360 л/час. Для JBL CristalProfi 500 это 1200 и 850-900л/час, Tetratec® EX 1200 - 1200 и 700 л/час с прямоугольными трубками забора/выброса воды, и 900 л/час без них.
Хотя указанная в паспорте производительность помпы фильтра мало практична и не соответствует реальной производительности фильтра, мы видим что если принять в расчет только живой объем воды в аквариуме, это точно соответствует минимальной рекомендации для “рыбного” аквариума “2-3 объема в час”. Для Nature Aquarium этого категорически недостаточно.

Теперь попытаемся укомплектовать обычный (не ADA) фильтр по требованиям, предъявляемым к фильтрам для Nature Aquarium, воспользовавшись известными расчетами для проектирования канистровых фильтров.

Расчет поперечного сечения фильтра.

Эффективность работы канистровых фильтров напрямую зависит от соответствия оборота воды через фильтр площади его поперечного сечения. Существует оптимальный оборот воды через единицу площади бионаполнителя - это 500л/час на каждые 100см2 площади. Глубина слоя бионаполнителя не должна превышать 15см. Для фильтров с мощной помпой все рассчитано производителем, а в случае установки наружной помпы на маломощный фильтр как было сказано выше нужно проверить соответствие ее производительности поперечному сечению фильтра.

Что касается объема фильтров, то в руководстве ADA на adaeuro.com говорится:
“Объем фильтра не должен быть менее 5% объема аквариума. Идеальный фильтр должен иметь объем равный 8-10% от объема воды в аквариуме, и помпу с производительностью 8-10 объемов воды в аквариуме”. (http://www.adaeuro.com/allestimento_eng.asp?all=4)
Если объем канистры меньше, потребуется укладывать более эффективный бионаполнитель (Hagen BioMax, Eheim Ehfisustrat, Siporax), но меньшего объема, что приведет к более быстрому заиливанию фильтра. Ясно что лучше иметь большую канистру и больший объем биосубстрата, но с малой площадью поверхности. Лучше всего - лава 3-5мм. Такая лава останется после просеивания лавы Eheim Ehfilav если вы будете делать нижний слой субстрата аналогичный ADA Power Sand - PMAS.

Пример: Проверим поперечное сечение фильтра EHEIM Ecco 2233 с помпой производительностью 480л/час. Диаметр его корзинки 142мм, площадь поперечного сечения 154см2. 154см2 / 100см2 = 1,54, 1,54 х 500л/час = 770л/час. То есть поперечного сечения этого фильтра достаточно для оборота воды 770л/час. Увеличим на 30% (потери от гидродинамического сопротивления), получим 770 х 1,3 = 1000л/час. Это максимальная помпа которую можно ставить - больший поток превысит максимальные 500л на 100см2, что приведет к неэффективной работе фильтра и более быстрому заиливанию. Комбинация EHEIM Ecco 2233 + помпа Hydor SELTZ II L25 или L30 подойдет для аквариума 90см. Если позволяет бюджет лучше приобрести более подходящий фильтр - JBL CristalProfi 500, Tetratec® EX 1200 или Fluval 405.
Для аквариума 120см нужно брать Eheim ECCO 2235 и помпу Hydor SELTZ II L40 55W 2800л/час. Здесь бионаполнитель нужно уложить в ТРИ корзинки, но сечение канистры будет небольшим, и наполнитель будет быстро заиливаться. Для аквариума 60см подойдет фильтр Eheim ECCO 2233 (помпа 480 л/час) без наружной помпы, с укладкой бионаполнителя только в ОДНУ корзинку.

Другой пример. У меня одно время прекрасно работал фильтр JBL CristalProfi 500 с канистрой объемом 12л с помпой Hydor SELTZ L40 II 2800л/час. Проверим соответствие площади его корзинки рекомендуемому обороту воды. Площадь его корзинки ~20х20см=400см2, то есть можно применить внешнюю помпу дающую оборот (400см2/100см2) х 500л/час = 2000л/час. Учитывая падение оборота воды через фильтр от гидродинамического сопротивления и падения эффективности от несовершенства нашего технического решения ~40% получим помпу: 2000л/час х ~1.4 = 2800л/час, то есть помпа Hydor SELTZ L40 II 55W 2800л/час подойдет идеально. Так как объем канистры составляет 12л и это примерно соответствует рекомендациям ADA (~6.7% “живого” объема аквариума) такой вариант модернизации можно смело рекомендовать для аквариума 120х45х45см, для которого штатной помпы с оборотом 900л/час явно недостаточно. Кстати, шум будет значительно меньше, если оставить помпу подвешенной на шлангах фильтра.

• По площади поперечного сечения и объему бионаполнителя для Nature Aquarium подойдет практически любой канистровый фильтр. Недостаток многих моделей - малая производительность помпы.

Определение требуемого количества бионаполнителя.

Определив оборот воды, нужно вычислить объем бионаполнителя. В фильтрах Eheim ECCO толщина укладываемого слоя в корзинке - 4см. При диаметре 142мм это дает объем 0,6л. Теперь берем какой-нибудь наполнитель, и смотрим, сколько его нужно по рекомендациям производителя на 100л воды в аквариуме. Если объема наполнителя полученного в результате расчетов достаточно для простого наполнителя вроде мелкой лавы, используйте её. Если нет, подбирайте более эффективный наполнитель. Можно положить бионаполнитель с малой площадью поверхности в две/три корзинки не досыпая его до верха корзинки на 0,5см. Так объем биосубстрата, и соответственно биологическая мощность фильтра, удвоится/утроится. Чрезмерное увеличение оборота воды сделает биофильтрацию менее эффективной.
У фильтров ADA всегда большой объем канистры для наполнителя и значительный оборот воды, поэтому во избежание избыточной биофильтрации используется наполнитель с относительно небольшой площадью поверхности для поселения колонии бактерий - мелкая лава.

Избыточная биологическая фильтрация.

Для Nature Aquarium качество фильтрации и производительность фильтра очень важны, но чрезмерная биологическая фильтрация может существенно помешать росту растений.
Как известно растения на 1-3% состоят из Азота N - это один из основных строительных материалов для клеток. В качестве источника азота растения в мягкой воде, при pH<7.0, предпочитают аммоний NH4+ (ammonium) или его токсичный вариант аммиак (ammonia) NH3 пока они есть в концентрации 0,02мг/л, только потом нитраты NO3, так что нитрифицирующие бактерии в фильтре и растения - прямые конкуренты за аммоний NH4+.

• Чрезмерная биологическая фильтрация существенно замедляет рост растений, потому что нитрифицирующие бактерии в фильтре быстро перерабатывают весь аммоний [NH4+] в нитраты [NO3], лишая растения важного легко усваиваемого источника азота [N].

Аммиак NH3 в основном образуется от рыбьих фекалий, гниющих остатков растений и пр. разлагающейся органики - все что содержит белки, разлагается гетеротрофными бактериями с образованием аммония/аммиака. Далее нитрифицирующие бактерии окисляют его до нитрита NO2, потом до нитрата NO3. В грунте ионы аммония NH4+ захватываются негативно заряженными участками субстрата (CEC), что улучшает рост растений.
В Nature Aquarium растения постоянно утилизируют аммоний NH4+ как только он появляется в воде, еще до того, как его успеют переработать нитрифицирующие бактерии, исключая значительную часть преобразования аммоний->нитрит->нитрат, чем значительно снижают или доводят до нуля уровень нитратов NO3. Позднее при подрезке растений азот выведется из аквариума (ткани растений частично состоят из белка, который содержит 16% азота).

Диана Валстад в своей книге говорит: “Нитрифицирующие бактерии полезны, если не существенны, в аквариумах без растений. Но в аквариуме с растениями они конкурируют с растениями за аммоний - энергия которую нитрифицирующие бактерии получают от окисления аммония до нитрата равна энергии которую теряют растения.” [2]
Мало того, сколько бы ни было нитрата, растения всегда стремятся использовать именно аммоний. Нитрат растения и водоросли сначала должны преобразовать в нитрит, потом аммоний, так что потребляя готовый аммоний они экономят много энергии. Опыты с Pistia stratiotes показали что весь доступный аммонийный азот растения могут использовать в течение около 4 часов, причем независимо от концентрации (азота от 0.025мг/л до 26!!!). Чтобы усвоить нитрат требуется от 18 часов, и чем больше концентрация, тем больше требуется времени: при N=0.025мг/л 18 часов, при N=26мг/л - 123 часа. При 13мг/л им потребовалось три дня чтобы употребить нитрат, но всего около 4 часов если источником азота был аммоний. Т.е. при любой концентрации аммоний всегда потребляется за максимум ~4.3 часа! (см. фрагмент книги в статье aquabotanic.com PLANTS and BIOLOGICAL FILTRATION by Diana Walstad, PDF 12.6Mb)
Не следует думать, что большие количества аммония улучшат ваш аквариум - NH4+ тоже имеет предел токсичности для рыб (~1мг/л), и в больших концентрациях является одной из основных причин появления водорослей. Количество аммония должно быть умеренным, а фильтр достаточно мощным, чтобы при малейшем избытке бактерии преобразовали его в нитрат NO3, от которого рост водорослей намного меньше.
Обратите внимание что в Nature Aquarium неприменимы навесные и “орошаемые” (trickle) фильтры - они приводят к сильному выветриванию CO2 из воды и чрезмерной биологической фильтрации. Примеры таких фильтров смотри на странице о подаче CO2 в аквариум, колонка справа.

Учитывая что для Nature Aquarium оптимален очень большой оборот воды через канистровый фильтр, во избежание избыточной биофильтрации и конкуренции между растениями и бактериями за аммоний следует использовать наполнители с умеренной площадью поверхности - лучше лаву фракции 5-8мм. Кроме того, это даст быстрое удаление взвеси из воды, а ваш фильтр будет заиливаться гораздо медленнее - то есть биофильтрация будет стабильнее = меньше выбросов аммония = меньше водорослей.

Мое личное предпочтение - минимальная потеря оборота воды фильтра, поэтому я укладываю в нижнюю корзинку 1.5-2см обычных керамических трубок для разбивания потока, во второй корзинке две губки из крупнопористого поролона, и в третьей губку из мелкого(!) поролона с 1.5см биосубстрата Hagen BioMax сверху. Другой вариант - керамические кольца - крупный поролон - лава 5-8мм - мелкий поролон. Ни в одном из отсеков я не заполняю корзинку полностью, оставляя вверху 1-1.5см свободного пространства. Мелкую вату или синтепон использую исключительно в случае большой пересадки растений, цветения воды, или диатомовых водорослей. Каждый раз после взмучивания воды (подмена, стрижка, пересадка растений и пр.) я пару часов периодически поднимаю в воду осевший на растения и грунт детрит при помощи чистилки для стекол. Хороший оборот воды + циркуляция воды по ADA + подача CO2 распылением, и аквариум очищается очень быстро. Прозрачность воды будет всегда идеальной.

Расчет сколько раз вода фильтруется за час [1].

Итак, производительность помпы канистрового фильтра для Nature Aquarium должна быть 8-10 объемов в час. Но за сколько часов, и сколько раз в сутки отфильтровывается все 100% воды в аквариуме? Сколько фильтру понадобится времени, чтобы очистить воду от взвеси после чистки аквариума или посадки растений? На эти вопросы ответ никто не дает.

В книге “Aquatic Systems Engineering: Devices and How They Function”, by P.R.Escobal приведена методика расчета учитывающая тот факт, что вода из фильтра попадая в аквариум смешивается, поэтому чтобы отфильтровать 99,9% воды в аквариуме нужно чтобы фильтр пропустил весь объем воды 9,2 раза. Таким образом можно рассчитать сколько раз в сутки фильтр будет очищать 100% объема воды в аквариуме.

За сколько часов фильтр отфильтрует всю аквариумную воду один раз, если известна производительность фильтра? Формула расчета такова: ( V акв.* х 9.2) / произв. фильтра, л. в час = X часов.
Расчет сколько раз отфильтруется вода за сутки : 24 часа/X часов = N раз.

Теперь можно узнать что означает общепринятая рекомендация “2-3 объема в час”:
рассчитаем на примере аквариума Juwel RIO 180 (100х40х50см, объемом 180 литров, полезный объем ~125 литров) и канистрового фильтра EHEIM ECCO 2233 (для аквариума до 200литров, производительность помпы 480 л/час, реальный оборот 360л/час).

(125 x 9.2) / 360 = 3.2 часа, округляем до 3,0 - за столько часов один раз отфильтруется весь полезный объем воды; 24 / 3 = 8 раз в сутки.

Значит минимальная рекомендация “2-3 объема в час” соответствует тому, что весь объем воды в аквариуме отфильтровывается за 3 часа, а всего за сутки - 8 раз.
При обороте воды по рекомендации ADA для аквариума 90х45х45см (оборот 900л/час при помпе 1200л/час) вся вода (живой объем ~150л) отфильтруется за: (150л х 9.2) / 900л/час = 1.03 часа, а за сутки 23.3 раза, что в 4 раза больше! На самом деле при обороте 360л/час положение еще хуже - вода в аквариуме почти не перемешивается, и только малая часть взвешенных частиц будет отфильтрована. То есть, я бы сказал что фильтрация будет хуже в 8 раз. Немаловажным фактором является и правильная организация циркуляции воды в аквариуме которая очень способствует очистке воды и доставке CO2 растениям.

Еще раз напомню, что оборот канистрового фильтра 2-3 объема в час - это рекомендация для обычного аквариума для содержания рыб с биосубстратом с очень большой площадью поверхности. Для подводного сада Nature Aquarium нужна помпа на 8-10 объемов аквариума в час дающая реальный оборот через фильтр 4-6 объемов в час.
В случае следования рекомендации ADA и использования помп фильтра с производительностью 8-10 объемов аквариума в час (реальный оборот обычно на ~30% меньше), вся вода в аквариуме будет полностью отфильтрована всего за 1,5 часа. Если вы используете для Nature Aquarium такой оборот воды не следует брать бионаполнители с очень большой площадью поверхности - мелкая лава подойдет идеально. В противном случае получим избыточную биофильтрацию.
Что касается последней, то я не придаю этому большого значения. Здесь та же ситуация что и с двухвалентным железом - при достатке CO2 большие энергозатраты растений на потребление азота из нитрата особой роли не играют, а растения всегда могут адаптироваться к потреблению преимущественно NO3 который мы вносим в достаточном количестве. Более того, чтобы растения сразу же употребляли весь выбрасываемый в воду аммоний нужна хорошая циркуляция воды в аквариуме.

Гораздо важнее для аквариума с растениями:
- хороший оборот воды в аквариуме чтобы растения получали больше CO2 а детрит на листьях оседал как можно меньше (источник стимулирующего водоросли аммония),
- поперечная площадь фильтра соответствовала нашему довольно большому обороту воды чтобы не снижалась эффективность биофильтрации (наполнитель с очень большой площадью поверхности в этом случае не поможет!),
- и фильтр быстро не заиливался (лава - идеальный наполнитель).