Algae Scrubber – filtracja biologiczna cz. 3

Dzisiaj przedstawiamy kolejną część artykułu poświęconego naturalnym metodom filtracji biologicznej (cz 1, cz 2). Tym razem przyjrzymy się metodzie znanej pod różnymi nazwami: Algae Scrubber (AS), Algal Turf Scrubber (ATS), Glono skrobaczka, Filtr glonowy – wszystkie te nazwy są określenia metody oczyszczania wody przy pomocy glonów nitkowatych, ze związków nieorganicznych.

Początki tej metody zaczynają się w 1970  roku, od wynalezienia Algal Turf Scrubber przez Dr. Walter Adey .

Eksperyment prowadzony 8 lat w akwarium z filtracją ATS  algalturfscrubber.com/parameter.htm

Dr Adey zajmował się badaniami wpływu różnego rodzaju glonów na kondycje rafy koralowej. Zauważył, że glony zapewniają „recykling” składników odżywczych w oceanach.  Zwrócił szczególna uwagę na glony nitkowate, ze względu na łatwość ich uprawy oraz usuwania nadmiaru (tak jak trawnik przed domem, aby był zdrowy musi być systematycznie koszony). Prowadząc badania zaprojektował wiele konstrukcji ATS, wykorzystując je w dużych systemach akwariowych o pojemności nawet do 3000 galonów i utrzymując te akwaria w dobrej kondycji przez wiele lat.

Algae Scrubber  – właściwości

Wykorzystanie glonów do oczyszczania wody w akwarium zapewnia całemu systemowi materie organiczną. Glony rosnąc pobierają z wody nieorganiczne substancje odżywcze takie jak: azotany, fosforany, jony amonowe, amoniak oraz metale: żelazo, miedź, a także CO2. Pozostawiając w toni materie organiczną będącą źródłem pożywienia niezbędnym zarówno rybom, koralom, jak też niezliczonym organizmom żyjącym w osadach (detrytus) takie jak bakterie, pierwotniaki, miniaturowe bezkręgowce czy gąbki. Prowadzi to do swoistego recyklingu utrzymującego biologiczną i chemiczną równowagę zamkniętego systemu jakim jest akwarium. Obfitość rozpuszczonej materii organicznej przyczynia się do powstania z czasem niezwykłej warstwy na skałach nazywanej przez akwarystów śluzem. Jest to cienka warstwa żywych organizmów  nazywana peryfitonem na której znaleźć można gąbki, bakterie, glony, cyjanobakterir. Ciekawostką są najnowsze badania naukowców, które wykazały, że na płytszych warstwach rafy perfiton filtruje więcej wody niż fitoplankton.

Filtracja glonowa powoduje również utrzymanie stabilnego pH wody w procesie fotosyntezy pobierając CO2 a oddając O2. W prawdzie, gdy glony nie są naświetlane oddają CO2 z powrotem do wody, ale znacznie mniej niż pobrały, ponieważ część węgla z dwutlenku węgla pobierają na potrzeby budowy biomasy. Dzienny proces fotosyntezy w filtrach glonowych zachodzi podczas naświetlania glonów światłem sztucznym na przemian z oświetleniem akwarium. Gdy w akwarium światło gaśnie (jest noc) w filtrze się zapala.

Następnym ważnym aspektem stosowania filtra glonowego, jest zdolność glonów do produkcji i wydzielania wszystkich potrzebnych do rozwoju korali związków takich jak:

• Witaminy: A, E, B6, B12, beta karoten, askorbinian,
• Aminokwasy: kwas asparaginowy, alanina, asparaginian, glutaminian,
• Weglowodany (cukry): glukoza, maltoza, ksyloza.

Po tej porcji informacji o zaletach filtracji glonowej, warto porównać ze sobą efektywność filtracji za pomocą makro glonów używanych w popularnym refugium z AS w którym wykorzystuje się glony nitkowate rosnące w filtrze samoistnie.

W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie metodą filtracji Algae Scrubber (AS) i akwaryści zaczęli udoskonalać konstrukcje filtra. Prym w tym, wiedzie forum http://algaescrubber.net/forums/forum.php poświęcone wyłącznie rozwojowi Algae Scrubber. Prowadzeniu badań nad doborem oświetlenia i jego czasu, optymalnego przepływu składników odżywczych oraz parametrów wydajności. Wypracowane przez społeczność tego forum rozwiązania zaowocowały ustaleniem wytycznych do budowy i działania filtrów DIY, o konfiguracji dopasowanej do własnych preferencji akwarysty i jego systemu.

Algae Scrubber – światło to podstawa

W typowym refugium glony mają najlepsze warunki oświetleniowe w górnych warstwach, czym głębiej – dalej do źródła światła (natężenie światła zależne jest od odwrotności kwadratu odległości.), tym wzrost maleje, a w wyniku powstawania cieni od górnych części glonów, dolne na ogół  obumierają i ulegają rozkładowi. Zatem wydajna filtracja przebiega w górnych warstwach i dla uniknięcia stref gnilnych, należy kontrolować stan hodowli i zawczasu wykonywać prace pielęgnacyjne, polegające na przerywaniu i sadzeniu zdrowych fragmentów glonów. Czynności te naruszają strukturę podłoża, uszkadzając korzenie glonów i zmieniając warunki bytowania bakterii i pierwotniaków.

Wykres długości fal światła wykorzystywanego przez glony wlosowate. (Źródło: www.giss.nasa.gov/research/features/201311_kiang/fig3_324.jpg)

W algae scrubber głębokość warstwy glonów dochodzi zaledwie do 2cm. Burzliwy przepływ nieustannie porusza glonami poprawiając dostępność światła do najgłębszych warstw. Dla zachowania ciągłości pracy, oraz nie doprowadzania do zbyt długich struktur glonów utrudniających naświetlanie powierzchni ekranów, filtr zbudowany jest najczęściej z dwóch ekranów, czyszczonych przemiennie. Ekran czyści się raz na 5 – 7 dni, gdy jeden jest pozbawiony glonów (jak bardzo krótko przystrzyżony trawnik) to drugi ma już glony podrośnięte na tyle, że może przejąć funkcję filtratora. Na początku akwaryści używali do oświetlania filtrów światła jarzeniowego o barwie ciepłej 2000 – 3000K jednak, gdy NASA opublikowała wyniki badań nad naświetlaniem roślin, okazało się, że rośliny, glony i sinice najbardziej ze wszystkich chlorofili wykorzystują chlorofil a absorbujący między innymi silnie widmo czerwone 660nm.

Zawężone zakresy widma pozwoliły na wykorzystanie diod LED.

Akwaryści podchwycili pomysł i tak zaczęły się eksperymenty nad wykorzystaniem tego źródła światła do uprawy glonów. Obecnie stosuje się do naświetlania diody LED 660nm z dodatkiem LED 430nm chociaż w praktyce akwarystycznej te ostatnie nie są konieczne. Te długości widma chlorofilu a wpływają na szybkość wzrostu roślin i jak się okazało również glonów nitkowatych. Zastosowanie światła LED pozwoliło selektywnie wykorzystać energię świetlną obniżając zużycie energii elektrycznej, co się przekłada na koszty eksploatacji, a także żywotność lamp.

Algae Scrubber – odżywianie

Efektywność dostarczonych składników odżywczych, jest proporcjonalna i zależna od ciągłego wydajnego przepływu wody. W refugium wraz ze wzrostem makro glonów spada prędkość przepływu wody, do tego stopnia, że miejscami mogą się tworzyć zastoiny ograniczające wydajność filtracji.

Wygląd działającego filtra AS (Źródło: (Floyd R Turbo) http://www.reefcentral.com/forums/showthread.php?t=1925996&page=5)

Natomiast w AS występuje przepływ turbulentny wody wokół glonów, co przyspiesza transfer metabolitów, zwiększając ilość wchłoniętych substancji odżywczych, przy przepływie wody nie zależnym od przyrostu glonów.

Wydaje się więc, że wykorzystanie do filtracji Algae Scrubber jest bardziej uzasadnione. Niestety na rynku nie ma wielu gotowych konstrukcji, więc akwarystom chcącym prowadzić swój system zgodnie z naturą wypracowaną przez ocean i ekologicznie, pozostaje wykonanie konstrukcji filtra samodzielnie.

Algae Scrubber – podstawowe wytyczne do konstrukcji DIY filtra AS.

1. Wielkość ekranu filtra nie ma związku z ilością ryb, ani ilością wody w akwarium. Zależna jest od ilości dostarczanego do systemu pokarmu. Zakładając, że obciążamy system jedną kostką mrożonego pokarmu ok.3 gramy lub 10 szczyptami pokarmu płatkowego stosujemy:

• Ekran oświetlany z dwóch stron świetlówką, barwa biała ciepła 2700-3000K
  • powierzchnia 75cm2, 12W na każdą stronę, naświetlanie 9 godzin na dzień

• Ekran oświetlany z jednej stron świetlówką, barwa biała ciepła 2700-3000K
  • powierzchnia 150cm2, 24W, naświetlanie 9 godzin na dzień

• Ekran oświetlany z dwóch stron LED 660nm 3W, 2cm do 5cm od ekranu
  • powierzchnia 75cm2, 3 do 6 LED, naświetlanie 9godzin na dzień

• Ekran oświetlany z jednej stron LED 660nm 3W, 2cm do 5cm od ekranu
  • powierzchnia 150cm2, 6 do 12 LED, naświetlanie 9godzin na dzień

2. Do chwili pojawienia się na ekranie zielonego nalotu glonów należy:

• ograniczyć ilość światła dla świetlówek – do 50% natomiast LED – do 30% przez zasłonięcie np. gęstą siatką.
• ograniczyć przepływ wody na ekranie tak, aby ekran utrzymywał się w stanie wilgotnym (AS w wersji wodospadu) lub występował w jego pobliżu powolny ruch wody.
• wydłużyć czas świecenia do 18 godzin.

3. Po pojawieniu się brązowo zielonych glonów należy stopniowo co 4 – 7 dni zwiększać przepływ wody, zwiększać naświetlanie skracając czas świecenia do 9 godzin na dzień oraz zacząć dozować żelazo (nie przekraczając poziomu 0,15 ppm)
4. Przepływ wody w pobliżu ekranu,

• Bezpośrednio na ekran lub w odległości do 3cm

• AS z ekranem pionowym w wersji wodospadu 450L/h na każde 7cm szerokości ekranu,

5. Najwłaściwszym rozwiązaniem jest ekran pionowy. Zajmuje mniej miejsca niż poziomy, wymaga mniejszych prędkości przepływu, nie blokuje dostępu światła do głębszych warstw.
6. Ekran powinien być wykonany z tworzywa sztucznego o powierzchni jak najbardziej szorstkiej – włochatej – umożliwiającej łatwe zaczepienie się zarodników glonów.

• Z praktyki bardzo dobrze sprawuje się ekran wykonany z kanwy plastikowej nr 7 zmechaconej otwornicą wolframowa, zwiniętym w okrąg brzeszczotem do metalu lub nawet papierem ściernym

Kanwy różnego rodzaju są stosowane do wyszywania gobelinów. Do kupienia są w sklepach hobbystycznych lub na serwisach aukcyjnych

7. Praktycznym rozwiązaniem ekranu jest jego podział na dwie części. Czyści (skrobie) się je na przemian co 7 dni. Zapewniając w ten sposób utrzymanie ciągłości filtracji. Ten sposób pozwala glonom rosnąć przez dwa tygodnie, co wpływa korzystnie na efektywność filtracji.

Budowa ATSa w formie wodospadu. (Źródło: Wikipedia)

Pierwsze filtry budowane przez akwarystów zrzeszonych na forum Algae Scrubbers były konstrukcjami zewnętrznymi działającymi na zasadzie wodospadu. Woda spływała swobodnie po powierzchni ekranu, który był oświetlany za pomocą lamp fluorescencyjnych.

Kompletny – wolno stojący filtr ATS zasilany ze spływu lub za pomocą małej pompki

Powstają również konstrukcje, w których  wykorzystuje się do wywołania przepływu wody, swobodnie unoszące się wokół ekranu pęcherzyki powietrza. Pęcherzyki dostarczają glonom CO2 jednocześnie wymuszając przepływ turbulentny wody przy ekranie. Początkowo do wytworzenia pęcherzyków stosowano kamienie napowietrzające, te jednak wytwarzały zbyt drobne pęcherzyki, słabo wpływające na ruch turbulentny wody, jednocześnie tworząc kurtynę drastycznie ograniczającą ilość docierającego do glonów światła. Ostatecznie najlepszym rozwiązaniem okazała się rurka z otworkami przez które wydobywa się powietrze w formie sporych pęcherzyków.

Przykład filtra UAS w którym za przepływ wody odpowiadają pęcherzyki powietrza (Źródło: algaescrubber.net/forums/forum.php)

Filtr tego typu okazał się wyjątkowo sprawny jednak ma wadę w postaci dźwięku bulgotania od wydostających się pęcherzyków. Może to być kłopotliwe, gdy akwarium znajduje się w pomieszczeniu do odpoczynku.

Bazując na doświadczeniu zdobytym przy budowie filtra zewnętrznego oraz modeli wykorzystujących bąbelki powietrza opracowałem filtr wewnętrzny.

Mój Algae Scrubber wisi na ściance sumpa, która od zewnątrz oświetlana jest lampą LED o barwie światła 660nm

Mój filtr zbudowany jest z dwóch kanw umocowanych w szczelinie rurki PCV, które czyszczę naprzemiennie. Dzięki temu zawsze, przynajmniej jedna kanwa jest porośnięta glonami.

Do wymiany wody zastosowany jest układ deszczowni w formie rury z której wypływa strużkami woda kierowana na szklaną ścianę z wysokości około 5 cm, co powoduje wtłaczanie do toni wodnej pęcherzyków powietrza, oraz chroni szklaną ściankę przed zarastaniem glonami.

Efektem pracy filtra jest taki oto dwutygodniowy ekran gotowy do skrobania.

Zapraszam do komentowania i zadawania pytań.

Jacek Zalewski

(foto nagłówka: http://www.ultimatereef.net/forums/archive/index.php/t-259984.html)