Filtrazione in acquario attraverso processi di nitrificazione e denitrificazione biologica

L'azoto contenuto nelle proteine e nelle deiezioni dei pesci, definibile come substrato carbonioso biodegradabile, subisce in acquario un rapido processo di ammonificazione ad azoto ammoniacale con gravi conseguenze per la fauna ittica a causa della sua tossicità diretta e a causa dell'abbassamento del contenuto di ossigeno dell'acqua, consumato dai batteri per ossidarlo in azoto nitrico e nitroso (processo che avviene spontaneamente nella vasca). La rimozione dall'acqua dell'azoto nei suoi diversi stadi di ossidazione è fondamentale in un sistema chiuso e di ridottissimo volume quale quello degli acquari ornamentali.

La normale filtrazione meccanica dell'acqua, così come i processi di nitrificazione e denitrificazione che avvengono spontaneamente nella vasca, sono in grado di eliminare una limitata quantità di azoto. Sono quindi indispensabili sistemi di rimozione specifici tra i quali tratteremo quello oramai consolidato e più diffuso in acquariofilia: il filtraggio biologico attraverso una fase ossidativa di nitrificazione, con formazione di nitriti e quindi di nitrati, seguita da una fase riduttiva di denitrificazione con formazione di azoto molecolare, non più utilizzabile nei cicli biologici e come tale ceduto in forma gassosa all'atmosfera. Stiamo parlando dei classici filtri biologici a scomparti, chiusi o aperti, con cannolicchi o altro materiale come media per l'insediamento dei batteri.

Un acquario con un filtro biologico funzionante e di adeguate dimensioni, e con un buon scambio gassoso superficiale, abbatte i nitriti e mantiene costanti i nitrati nell'acquario liberando azoto gassoso.

Spieghiamo i processi che avvengono in un filtro biologico nella sua fase di avviamento e, successivamente, a regime; alla fine, alcuni consigli.

I due grafici riportano l'andamento del valore dell'ammonio e dei nitriti nell'acqua dell'acquario durante le fasi di maturazione di un tradizionale filtro biologico a scomparti, chiuso o aperto, in casi di normale presenza di fauna ittica e in casi di sovraffollamento spinto. I tempi di 3 settimane indicati per la maturazione del filtro possono variare anche notevolmente in quanto influenzati da molteplici fattori: occorre quindi riscontrare l'abbattimento dei nitriti, dopo il grande incremento iniziale, per considerare avvenuta la maturazione.

All'avvio del filtro, con una cinetica proporzionale alla concentrazione di ammoniaca nell'acqua, inizia nel media del filtro lo sviluppo spontaneo di batteri nitrificanti, sostanzialmente del tipo Nitrosomonas e Nitrobacter: i primi nitrificano l'ammoniaca in nitriti, i secondi i nitriti in nitrati. Un buon tenore di ossigeno disciolto facilita la nitrificazione. Essendo la velocità di nitrificazione dell'ammoniaca in nitriti maggiore di quella dei nitriti in nitrati, è difficile l'accumulo dei nitriti, mentre, invece, si accumulano i nitrati.

La nitrificazione consuma molto ossigeno: se la superficie del media per l'insediamento dei batteri è rilevante, la nitrificazione che avviene nei primi strati del filtro, con consumo da parte dei batteri nitrificanti dell'ossigeno disciolto, crea le condizioni di anossia (carenza di ossigeno disciolto) nei successivi strati del filtro, se la sua dimensione verticale è sufficiente, che inducono i batteri del tipo Pseudomonas, Micrococcus, Archromobacter, Bacillus, Alcaligens (ossidanti completi) e i batteri del tipo Aerobacter, Proteus, Flavobacterium (ossidanti parziali) a operare una ossidazione del substrato carbonioso biodegradabile residuo dopo la nitrificazione , utilizzando l'ossigeno dei nitrati, invece dell'ossigeno disciolto, e liberando azoto in forma gassosa: questo processo è definito denitrificazione. Un PH tra 7,8 e 9,1 e una temperatura tra i 25° e i 30° sono ottimali per la denitrificazione; con un PH inferiore a 7,3 si trova un accumulo proporzionale di nitriti.

A regime si instaura quella che viene definita una filtrazione tramite processo nitro-denitro simultaneo.

In ogni caso, bisogna ricordare che la descrizione effettuata dei processi è molto schematica e va intesa qualitativamente: i processi sono molteplici e complessi e avvengono contemporaneamente sia nel filtro che nella vasca (sopratutto, in acquari con piante).

Portata della pompa e portata del filtro

Tutti i filtri, così come tutti gli equipaggiamenti idraulici, incluso i tubi, provocano nel fluido che li attraversa una perdita di carico, che si traduce in una diminuzione della portata, dovuta agli attriti, asperità e curve che il fluido incontra nel suo percorso. Nei filtri, ovviamente (immaginate il percorso che l’acqua deve fare), la perdita di carico è elevata. Il suo valore però non è costante: è bassa quando la parte del filtro che funziona anche come filtro meccanico (i primi strati del filtro che l’acqua attraversa) è pulita e alta quando è sporca (il massimo lo raggiunge quando è totalmente intasata con il conseguente azzeramento della portata). Infatti, per decidere quando pulire il filtro, si osserva la portata dell’acqua: quando diminuisce in maniera notevole si pulisce il filtro.

Le portate delle pompe dei filtri sono calcolate per assicurare una buona velocità dell’acqua per l’ossigenazione degli strati filtranti, nonostante la perdita di carico caratteristica del filtro che si somma a quella progressivamente crescente dovuta al progressivo sporcarsi del filtro, anche a filtro sporco (quando si indica come necessaria una portata della pompa di 3-4 volte la capacità dell’acquario è proprio per compensare la perdita di carico del filtro e garantire anche a filtro sporco una portata accettabile diciamo di circa 1-2 volte la capacità dell’acquario).

Filtri esterni a canestro per acquari ad alto carico organico

Consigli:

• la vasca non è mai grossa abbastanza: le vasche piccole sono molto più difficili in quanto qualsiasi fenomeno di degrado avviene molto rapidamente; nelle vasche grandi la maggiore quantità d'acqua garantisce un'inerzia in grado di compensare meglio i fenomeni assorbendone gli effetti.

• il filtro biologico deve essere sovradimensionato, con un grosso volume di media per l'insediamento dei batteri e per permettere l'instaurazione contemporanea della condizione aerobica per la nitrificazione e anaerobica per la denitrificazione; è fondamentale, oltre al volume netto utile per i materiali filtranti e alla loro qualità, che la dimensione verticale del filtro sia tale da permettere il consumo dell'ossigeno per la nitrificazione nei primi strati e, di conseguenza, la carenza di ossigeno negli ultimi strati per la denitrificazione; nella tabella che segue sono riportati dei valori di riferimento per la scelta di un filtro esterno a canestro per acquari ad alto carico biologico come quelli del Malawi;

• 2 filtri separati non sono equivalenti a un filtro unico del medesimo volume totale, anzi: se la dimensione verticale dei singoli filtri è insufficiente, non si instaura la condizione anaerobica negli strati profondi e, quindi, non avviene la denitrificazione rendendo i 2 filtri piccoli non funzionanti per l'abbattimento dei nitrati;

• scegliere per l'insediamento dei batteri un media di qualità tipo Sera Siporax o Eheim Substrat;

• per guadagnare volume utile nel filtro, si può eliminare il pre-filtraggio meccanico e riempire lo spazio con altri cannolicchi, che non sono mai abbastanza: prima che la portata del filtro diminuisca significativamente a causa del progressivo intasamento meccanico passa moltissimo tempo e, quindi, anche se si puliscono i cannolicchi una volta all'anno invece che ogni due o tre anni non vi è un significativo onere aggiuntivo di gestione, ma anzi una diminuzione considerando che il pre-filtraggio meccanico va pulito spesso;

• evitare di immettere bio-condizionatori o batteri per accelerare il processo di maturazione del filtro biologico: attendete pazientemente l'abbattimento dei nitriti (misurandoli);

• la pompa di ricircolo, per poter mantenere una condizione di apporto di ossigeno disciolto soddisfacente per una buona nitrificazione, deve garantire un passaggio orario di volume d'acqua nel filtro almeno pari a circa 4 volte il volume della vasca;

• il getto d'acqua d'uscita della pompa del filtro, per poter mantenere un buon tenore di ossigeno disciolto nell'acqua e favorire la cessione dell'azoto gassoso, deve essere diretto in modo da muovere la superficie dell'acqua dell'acquario;

• ricordarsi che è un buon filtraggio che mantiene bassi i nitrati nell'acquario e non i frequenti ricambi d'acqua, che spesso li aumentano a causa di una elevata presenza di nitrati nell'acqua del rubinetto, se non trattata (vedi sfatiamo i miti);

• evitate l'utilizzo di medicinali, che spesso hanno conseguenze molto più dannose del problema che vogliono risolvere (oltre a distruggere la flora batterica creatasi nel filtro e che lo fa funzionare) e, di conseguenza, del carbone attivo per la successiva rimozione dei medicinali stessi;

• il carbone attivo funziona per 1 o 2 settimane fino al riempimento dei micropori filtranti con i coloranti e le sostanze chimiche presenti nell'acqua: dopo tale periodo non serve ad alcunchè (se non a togliere spazio utile ai materiali filtranti) e va sostituito sostituito. Consiglio di rimuovere il carbone attivo dal fitro, se presente, e sostituirlo con cannolicchi.

• non immettete troppi pesci e limitate la quantità di cibo somministrato;

• gli acquari, meno si toccano meglio è: la pulizia, quando necessaria, del materiale di filtraggio meccanico, il rabbocco dell'acqua evaporata e la pulizia del vetro anteriore sono le uniche operazioni la cui frequenza è indispensabile. Un ricambio del 40%-50% dell'acqua ogni 2-3 mesi è più che sufficiente (attenzione che la temperatura dell'acqua di rabbocco non si discosti troppo da quella dell'acqua dell'acquario).

• In piena estate, a meno che non abbiate installato un impianto refrigerante dell'acqua o l'ambiente dove è installato l'acquario sia adeguatamente e costantemente condizionato, tenete spente le luci dell'acquario e aperto il suo coperchio per limitare l'aumento della temperatura dell'acqua.