Pentru ca nu prea am gasit raspunsuri la intrebarile mele am cautat. Si, cu raspunsurile gasite, m-am gandit sa scriu un articol despre filtrare.
Mentionez ca sursele mele de inspiratie au fost:

http://www.thetropicaltank.co.uk/filters.htm
http://faq.thekrib.com/filters.html
http://www.goldfishparadise.com/care/filter.php
http://freshaquarium.about.com/

Cateodata uitam ca in acvarii bucatica noastra de natura are un singur defect orsicat ne-am chinui noi sa imitam natura: fara interventia noastra acvariul devine un sistem inchis. Atfel trecem cu vedera ca in natura, pestii nu dispun de 3 litri de apa pentru fiecare doi centimetri de peste ci de mii de litri; in plus reziduurile lor sunt instantaneu diluate.
In consecinta este nevoie de filtrare. Mai exista inca acvaristi care nu folosesc nici un tip de filtrare ci doar schimba apa – lucru folositor dar nepreactic intrucat frecventa si cantitatile de apa schimbate le depasesc cu mult pe cele dintr-un acvariu filtrat.

Filtrarea poate fi considerata ca fiind de trei tipuri:
mecanica, biologica sau de tip absorbant/chimic.

Filtrarea mecanica e necesara pentru a scoate particulele (compusii organici descompusi) din apa pentru a o mentine cristalina si pentru a mari eficienta filtrelor bilogice si absorbante.

Filtrare biologica. Din fericire, in natura exista multe bacterii unele folositoare in lupta cu azotul care se formeaza pe absolut orice suprafata a acvariului. Bineinteles, cantitatea de bacterii necesare este mult mai mica decat necesarul si astfel, prin amplasarea de medii poroase - cum ar fi buretii, sticla sinterizata, bio-balls si inelele ceramice – se mareste numarul de bacterii.Aceste medii filtrante trebuie clatite in apa schimbata de la acvariu (nu de robinet – bacteriile mor in contactul cu clorul) pentru a mentine culturile de bacterii care s-au format.

Filtrarea chimica. Mediile absorbante scot selectiv anumite substante din apa. O serie de medii chimice ar fi: carbonul activ (elimina toxinele, medicamente), anumite rasini pentru eliminarea amoniacului, nitratilor, fosfatilor precum si anumite substante care neutralizeaza amoniacul (exemplu notabil ar fi Amrid de la Hagen). Aceste medii absorbante sunt numite chimice desi unele isi merita numele de subtante care modifica chimia apei adaugand o serie de acizi crecand astfel aciditatea apei.

Dar in continuare exista un al patrulea mod de filtrare, care in combinatie cu unul sau toate cele prezentate mai sus asigura o viata linistita pestilor si acvaristului: schimbul de apa. Astfel schimbarea apei asigura o diluare a compusilor azotului lucru care nu se poate face indiferent de cantitatea si numarul mijloacele de filtrare folosite.
O indrumare este ca sa nu se schimbe, in conditii normale, mai mult de o treime din apa acvariumului in 24 de ore. De obicei se schimba un sfert la doua saptamani dar cea mai buna metoda este masurarea nivelului azotului pentru a determina orarul schimburilor de apa.

Tipuri de filtre:

Interne
- burete
- cutie
- filtru intern
- filtru de substrat

Externe
- filtre atarnate pe acvariu (HOT/HOB)
- filtre canistra
- filtre tip fuidized bed
- filtre tip sump
- filtre umed/uscat (trickle)

Buretele – filtrul clasic constand intr-o piatra inclusa intr-un burete, scufundate in acvariu. Initial, filtrul de burete se comporta ca unul mecanic, dupa maturare (circa patru saptamani) transformandu-se intr-unul biologic. Acest tip de filtre este excelent pentru acvariile de reproducere intrucat puii nu sunt absorbiti cum ar fi cazul unui filtru intern.
Avantaje: ieftine, usor de instalat/intretinut, asigura o filtrare biologica foarte buna.
Dezavantaje: filtrare mecanica redusa, neadecvate pentru acvarii mari.

Filtre cutie – un filtru tip burete, in locul acestuia folosindu-se o cutie umpluta cu un mediu filtrant. Sunt folosite pentru a asigura filtrarea mecanica.
Avantaje: ieftine
Dezavantaje: inlocuiri frecvente ale mediilor de filtrare, capacitate scazuta de filtrare.

Filtre interne (powerheads)– folosesc o pompa centrifuga ce absoarbe apa printr-un burete sau un mediu filtrant. Acest gen de filtre genereaza un curent mai mare de aer decat cele de tip burete. Sunt preferate pentru acvariile mici si sunt folosite impreuna cu filtrele externe – canistra in acvariile mari. Cand sunt folosite cu un filtru de substrat permit o filtrare mecanica mai buna.
Avantaje: pret moderat, varietate de medii filtrante ce pot fi introduse in ecipientul de filtrare.
Dezavantaje: curent mare de aer, neadecvate pentru acvariile mari.

Filtre de substrat (UGF/RUGF – undergravel filter/reverse-flow undergravel filter)– constau intr-o serie de placi puse sub substrat si puse in functiune de pompe de aer. Astfel se creeaza un spatiu liber intre fundul acvariului si nisip. Substratul, de preferat nisip cu granulatie mare (pentru a nu se infunda) se transorma intr-un filtru bioligic si mecanic. Dezavantajul major e ca se absorb si reziduurile solide astfel substratul infundandu-se intr-un timp relativ scurt. Ca o solutie se folosesc filtrele de substrat inverse in care functioneaza prin tragerea apei din acvariu de catre un powerhead cu un prefiltru (poate fi orice, de la burete la canistra) si introducerea apei in tuburile filtrului de substrat trecand de jos in sus prin substrat, eliminandu-se astfel infundarea substratului.
Avantaje: Ieftine, capacitate de filtrare biologica sporita
Dezavantaje: implica foarte multa munca de intretinere si nu sunt folosite pentru acvariile plantate.

Filtre externe atarnate pe acvariu (HOT/HOB - Hang-On-Tank/ Hang-On-Back) - sunt similare cu cele interne (powerheads) diferenta fiind de amplasare. Astfel la ambele apa este trasa cu o pompa centrifuga din acvariu si trecuta printr-un mediu filtrant sau cartus filtrant. La filtrele HOT/HOB apa este apoi varsata in acvariu fiind creat un efect de cascada care asigura si o aerare a apei. La variantele moderne se foloseste si o bio-wheel (roata biologica – asemanatoare cu o roata cu zbaturi) care foloseste o suprafata mai mare de depunere a bacteriilor folositoare filtrarii biologice.
Avantaje: destul de ieftin, posibilitatea de de a avea diverse medii de stocare, usor de instalat si de intretinut.
Dezavantaje: inadecvate pentru acvariile mari.

Filtre canistra: folosesc acelasi principiu: apa este luata din acvariu, trecuta prin medii filtrante si returnata acvariului. Filtrele canistra folosesc o pompa care scoate apa din acvariu si o trece prin o serie de compartimente umplute cu medii filtrante diferite folosite pentru cele trei feluri principale de filtrare. In principiu se folosesc prefiltre (bureti de diferite porozitati si vata pentru filtrarea mecanica a diverselor impuritati solide), medii filtrante chimice (carbune activ, substante care inlatura amoniacul), medii de stocare a bacteriilor (bio-balls, inele ceramice).
Avantaje: eficiente si puternice cu o gama larga de medii de filtrare, silentioase, folosite pentru incarcaturi biologice mari.
Dezavantaje: scumpe, fragile in intretinere, dificile de amorsat

Filtrul tip fluidized bed (substrat fluid): Apa este pompata intr-o conducta cilindrica umpluta cu nisip care gazduieste o colonie de bacterii extrem de mare. Se folosesc impreuna cu un prefiltru (trebuie curatat saptamanal pentru a asigura acelasi debit de apa). Acest sistem de filtrare se foloseste pentru acvariile de mari dimensiuni (mii de litri)
Avantaje: capacitate de filtrare biologica enorma, silentioase, folosite pentru incarcaturi biologice mari.
Dezavantaje: scumpe, necesita un powerhead sau un filtru canistra ca prefiltrare.

Filtru tip sump: filtre externe de obicei facute in casa si plasate sub acvariul principal. Sunt de obicei acvarii mai mici compartimentate si umplute cu medii filtrante. In ele se mai pot pune si incalzitoare, ascunzandu-se astfel toate echipamentele acvariului. In plus ele au si avantajul de a creste volumul acvariului.

Filtre umed/uscat (trickle): funstioneaza pe un principiu asemanator cel al statiilor de epurare a apei: Apa este picurata pe tavi consecutive – aflate deasupra nivelului apei - care contin medii filtrante. Astfel se obtine o apa foarte oxigenata care permite o dezvoltare mare a bacteriilor, permitand filtrarea unei mari incarcaturi biologice.

Sterilizarea este o alta modalitate de filtrare des folosita. Aceasta se face cu ajutorul ozonului sau a lampilor UV. Aceasta modalitate de filtrare pezinta dezavantajul costului ridicat (lampileUV trebuie schimbate des) precum si al riscului – daca ozonul este scapat in acvariu el poate omori organismele vii aflate in acesta (de la bacterii si pana in unele cazuri, pestii).

Filtrarea cu alge: Cea mai controversata forma de filtrare este cea cu alge inventata de Dr. Adey de la Smithsonian. Apa trece printr-o conducta aflata sub o lumina foarte puternica care permite dezvoltarea algelor - care scot o serie de poluanti din apa. Parerile sunt impartite: unii considera ca este un sistem coplet de filtrare, altii sunt de parere ca deterireaza calitatea apei si permite migratia algelor in acvariu.

Plante: In acvariile plantate de tip olandez, plantele ajuta la eliminarea compusilor azotului din apa fiind considerate drept o arma redutabila in lupta cu substantele toxice din acvariu. Si, de ce sa nu recunoastem, ofera un plus de naturalete bucatii din rau sau mare din casa noastra.

Calculul mediului filtrant in cazul filtrului biologic

In cazul filtrarii biologice este importanta maximizarea suprafetei filtrulu. Mai trebuie luati in calcul si alti factori cum ar fi gradul de compactizare al mediului filtrant, permeabilitatea, debitul si rata de schimb a gazelor.

Cand se calculeaza un filtru, primul lucru ce trebuie avut in vedere este debitul de apa care il va strabate. In cazul unei sectiuni existente exista un optim al debitului.

Exemplu:
1. Pentru un mediu foarte poros avand o suprafata totala:
500l/ora pentru 100mm x 100mm; grosimea nu ar trebui sa depaseasca 150 mm
2. Pentru medii filtrante deschise (bio balls):
150l/ora pentru 100mm x 100mm; grosimea nu ar trebui sa depaseasca 600 mm

Folosind mediu filtrant poros pentru un debit de 6000l/ora:
6000/500=12,, deci avem nevoie de 12 x 100mm x 100mm
Daca este folosita o sectiune de 300mm x 400mm cu grosimea de 150mm, va rezulta un volum de 18l. Aceasta este o cantitate destul de mare de mediu filtrant atfel incat se poate reduce grosimea pentru a deservi acvariul si incarcatura sa bilogica. In cazul in care se folosesc medii filtrante performante (ex. Siporax – inele ceramice), in conformitate cu specificatiile producatorului, filtrul astfel conceput va deservi un acvariu de 3600l. Un debit de 6000l/ora deserveste un acvariu de 1200-1800l, astfel incat volumul mediului filtrant poate fi redusa la 9l, grosimea ajungand la 75 mm.

De fapt cand se proiecteaza un filtru biologic trebuie avuta in vedere suprafata efectiva colonizata de bacterii. Trebuie retinut ca o suprafata mai mare de filtrare nu inseamna neaparat mai multe bacterii folositoare.
Cand se compara suprafetele filtrelor, este important sa fie luati in calcul si alti factori care reduc eficacitatea filtrelor. Oxigenul este un prim factor in ordinea importantei. Astfel, rata de oxigenare este direct proportionala cu cantitatea de amoniac ce poate fi oxidata. De aceea, filtrele in zone mai putin oxigenate au nevoie de suprafete mai mari pentru a deservi acelasi acvariu. Acest lucru se vede cel mai bine cand se compara filtrele UGF cu cele wet/dry, cele din urma pot face aceeasi treaba folosind o suprafata mai mica intrucat suprafata lor filtranta este direct expusa aerului, avand astfel o rata mai mare de oxigenare.
Filtrele biologice din canistre sufera si ele din cauza lipsei de oxigen. Cand filtrul este curat, primeste o cantitate marita de oxigen; cu timpul, datorita infundarii, din ce in ce mai putin spatiu este rezervat bacteriilor. In cazul curatarii, bacteriile pot recoloniza suprafetele. Acest lucru duce la un ciclu al populatiei de bacterii deoarece la inceput cresc cand filtrul este curat apoi scad odata cu infundarea materialului filtrant. Ca o consecinta a acestui ciclu, concentratii marite de amoniac pot fi detectate in acvariu. Din aceasta cauza se recomanda ca filtrele sa fie curatate periodic de resturi organice.
Un alt motiv pentru a reduce cantitatea de reziduuri organice este lupta pentru acelasi spatiu a bacteriilor heterotrofe cu cele nitrifiante. Bacteriile heterotrofe sunt responsabile cu descompunerea materiilor organice in compusi simpli (mineralizare). Aceste bacterii cresc in jurul particulelor de reziduuri ale pestilor, de mancare nemancata, resturi de plante. Daca acest tip de reziduuri este prezent in filtru, atunci bacteriile heterotrofe vor creste. La fel ele sunt aerobe, la fel ca si cele nitrifiante, in consecinta vor consuma si ele oxigenul aflat la dispozitie. Problema este data de rata de crestere a populatiei celor doua tipuri de bacterii. In 24 de ore, o bacterie nitrifianta se va transforma in doua bacterii. In acelasi interval, o singura bacterie heterotrofa poate da nastere unei populatii de 2.361.183.241.434.820.000.000 de bacterii!!! In plus, principalul rezultat al descompunerii reziduurilor organice de catre bacteriile heterotrofe este amoniacul. De retinut este ca, in majoritatea cazurilor filtrul biologic este si mecanic, in consecinta bacteriile nitrifiante se reduc atunci cand filtrul este curatat. Din acest motiv este bine ca filtrul mecanic sa fie complet separat de cel biologic.
In cazul filtrelor wet/dry, trebuie avuta in vedere si cantitatea de mediu filtrant aflata in contact cu apa intrucat bacteriile nitrifiante nu traiesc in afara apei.
In functie de proprietatile apei bacteriile cresc mai greu sau mai repede. Cu cat apa este mai rece cu atat mai greu se inmultesc bacteriile – in acvariile de apa rece pot trece luni pana cand bacteriile nitrifiante sa poata ajunge la un nivel suficient pentru a reduce o cantitate semnificativa de amoniac.
Ph-ul apei este, la fel, direct proportional cu eficienta bacteriilor nitrifiante. Cu cat ph-ul este mai mic cu atat rata de oxidare a amoniacului este mai redusa. Aceasta se datoreaza faptului ca amoniacul se afla in forma ionizata (ammonium – NH4+) in timp ce bacteriile folosesc forma non ionizata (amoniac – NH3). In plus, bacteriile se pare ca nu prea supravietuiesc in mediu acid.
Cum afecteaza temperatura si ph-ul calculul suprafetei efective? In cazul in care mediul filtrant este scufundat, bacteriile trebuie sa faca fata temperaturii si ph-ului mediului ambiant. Dar in cazul in care mediul filtrant nu este complet scufundat (filtru wet/dry) situatia este diferita intrucat aerul din camera afecteaza temperatura si ph-ul apei. Atfel mediul va fi mai bun pentru bacterii, acestea putand sa lucreze mai eficient.
Ca o concluzie, nu toate filtrele biologice sunt asemanatoare si nu pot fi evaluate doar prin suprafata filtranta de care dispun. In plus unele filtre vor necesita o intretinere mai mare decat celelalte. Filtrele de substrat lucreaza bine dar trebuie intretinute mai des decat alte filtre biologice pentru a suporta aceeasi incarcatura biologica.
Este bine cand considerati achizitionarea/construirea unui filtru biologic sa luati in considerare aspectele prezentate mai sus pentru a avea un filtru cat mai eficient si adecvat nevoilor voastre.
In plus este recomandat ca sistemul de filtre al acvariului sa aiba atat filtrare mecanica, cat si bologica si chimica.

Aceasta continuare a fost posibila folosind materialele de pe:

Federation of New Zealand Aquarium Societies
http://www.fnzas.org.nz/articles/technical/filtration_2/

si

Timothy A. Hovanec, Ph.D.; Marineland;
"Biofilter Surface Area: It Must Be Effective"
Originally published in Aquarium Fish Magazine, Apr. 1996

http://www.marineland.com/science/articles/24BioSurf.asp

Mai ramasese de detaliat procesul de filtrare prin schimbul de ioni

http://edis.ifas.ufl.edu/VM107
http://www.algone.com/chemical_aquarium_filtration_pf.htm
http://www.mongerwaterservice.com/html/water_softeners.html

Exista doua tipuri de rasini “schimbatoare” de ioni. Cele care actioneaza asupra cationilor inmoaie apa, scotand Ca2+ si Mg2+ inlocuindu-i cu Na+. Poate fi necesar pentru un acvarist sa compenseze Mg2+ prin adaugarea de saruri si Ca2+ prin folosirea dolomitei. O scadere in duritatea apei poate fi necesara pentru a facilita reproducerea unor specii. Scoici sau pietris de coral pot fi folosite pentru apa cu o duritate temporara mica pentru a minimiza scaderea ph in urma adunarii de reziduuri organice.
Rasinile pot fi incarcate dar isi pierd capacitatile de schimbare a ionilor in timp. Astfel, rasinile saturare pot fi incarcate intr-o solutie salina. Datorita acestui fapt, ele sunt inutile in acvariile marine.
Varianta evoluata consta in doua rasini una anionica si alta cationica. In timp ce unitatea anionica scoate compusi ca amoniacul, cea cationica purifica apa prin scoaterea de cupru, plumb, etc.
Pot fi incarcate, cea anionica intr-o solutie bazica si cea cationica intr-o solutie acida.

Schimbarea ionilor – teorie

Ploaia, in caderea prin atmosfera, dizolva gazele acide din aer (dioxid de carbon, dioxid de sulf). Cand apa atinge solul, se vor dizolva o serie de elemte ale acestuia; cu cat mai acida este ploaia, cu atat mai mult sol dizolva. Apele subterane si cele de suprafata contin o serie de substante dizolvate. O parte din acestea sunt electrolitice, dizolvandu-se in apa pentru a forma ioni.
Cei mai intalniti ioni in natura sunt cei de Ca si Mg. Amandoi sunt incarcati pozitiv – cationi – si fiecare contine doua sarcini pozitive. Prezenta acestor minerale in apa determina duritatea producand depuneri pe conducte. Alti cationi existenti in apa pot fi cei de Na, K, Fe si alti compusi metalici dar, doar Ca si Mg durifica apa.
Dedurizarea apei prin schimbul de ioni consta in trecerea de apa dura printr-un strat de substante care schimba ioni. Rata de schimb este atat de rapida incat apa poate fi dedurizata la debite normale, indiferent de duritate, Oricum, trebuie folosita o apa cat de cat curata pentru evitarea acoperirii materialului filtrant cu substante coloidale sau in suspensie. Apa care contine clor, sulfati, fier ar trebui prefiltrata.
Metoda cea mai folosita este inlocuirea cu Na, proces in urma caruia Ca si Mg sunt inlocuiti de Na. Intrucat ionii implicati sunt pozitivi procesul poarta numele de schimb de cationi.Anionii raman in apa iar dedurizarea nu reduce solidele dizolvate

Schimbul de ioni – procesul

Materialul de schimb de cationi folosit este o rasina polistirenica, sub forma de bilute; insolubila in apa si este incarcata negativ. Rasina standard are mai putin de 1/32 inch in diametru. Particulele de rasina cationica atrag ionii pozitivi si ii tin pana cand intalnesc altii pentru care au o mai mare “afinitate”. La inceputul ciclului, particulele de rasinasunt acoperite cu Na+ prin spalarea lor intr-o solutie de clorura sodica (NaCl).
Particulele incarcate negativ atrag mai mule cele doua sarcini pozitive din fiecare ion de Ca++ si Mg++ decat singura sarcina pozitiva a ionului de Na+. De aceea, ionii de Na sunt inlocuiti cu ioni de Ca si Mg. In schimb, rasina elibereaza ionii de Na.
Procesul continua atata timp cat exista suficienti ioni de Na in rasina. In momentul in care rasina este acoperita de Ca si Mg , ea este spalata. La spalare, apa este trecuta in sens invers fata de sensul normal al apei in recipientul filtrant, permitand spalarea substantelor in suspensie depuse in straturile superioare ale rasinii. In acelasi timp stratul de rasina se rarefiaza pentru ca in timpul filtrarii a devenit compact.
In procesul de regenerare,, rasinile sun spalate cu o solutie concentrata de apa sarata. Desi, rasina “prefera” ionii de Ca si Mg, concentratia extrem de mare de ioni de Na depaseste aceasta “preferinta”, ionii de Na fortandu-i pe cei de Ca si Mg sa paraseasca rasina. Dupa aceasta, rasina este spalata pentru a elimina NaCl in exces si este reintrodusa in procesul de filtrare.

Probleme legate de dedurizarea apei

Probabil cea mai raspandita idee preconceputa legata de conditionarea apei este ca, in general, apa este buna in forma netratata furnizata de natura. Un izvor care da o apa rece, curata evoca o imagine de puritate si sanatate cu toate ca asemenea ape contin milioane de bacterii cauzatoare de boli. De fapt, doar un procent infim din apa planetei este potabila fara tratamente.
Apa dedurizata poate dauna pestilor in cazul in care schimbarea se face brusc. De aceea se recomanda, in cazul in care apa este filtrata in recipiente, ca schimbul de apa sa fie de cel mult un sfert din volumul apei acvariului.