En los
pasados 10 a 15 años se hicieron muchas investigaciones sobre el desarrollo
y la aplicación de diversos tipos de filtros biológicos. Estos trabajos
no fueron hechos para el acuarismo como hobby, sino mas bien para el
tratamiento del agua, la cuicultura y - en menor medida - para los acuarios
públicos. a menudo, este estudio estuvo focalizado hacia encontrar reemplazos
para los tradicionales filtros de placa, de arena o de bolitas que se
usan en los sistemas recirculantes.
Unos
pocos de los resultados de la investigación dirigida al tratamiento
de aguas servidas o a la acuicultura pudieron ser adaptados al hobby
de los peces tropicales, así como para algunos acuarios públicos. Infortunadamente,
muchos hobbystas aun confían en los filtros de placas tradicionales,
con sus problemas inherentes, para el control biológico de los contaminantes
nitrogenados.
Los filtros biológicos giratorios, lechos fluidos, filtros de goteo,
filtros de bolita, se han adaptado exitosamente a la acuicultura y al
cuidado de peces tropicales, y son usados en criaderos, en algunos sistemas
de filtración central, en instalaciones para venta mayorista de peces
y en acuarios domésticos. En tales acuarios, las densidades de peces
y la carga de amoniaco suelen ser mayores, en unidad de volumen, que
en los acuarios públicos.
Numerosos estudios han demostrado la superioridad de estos tipos de
biofiltros comparados con los de placa o de arena. Este articulo describirá
brevemente estos diversos filtros y las razones por las cuales aquellos
son mas eficientes. Sugeriré las maneras en que pueden adaptarse para
acuarios públicos. Los acuaristas encontraran esto muy interesante.
La
nitrificación se define como la oxidación del nitrógeno
desde una forma mas reducida (amoniaco) hacia una forma mas oxidada
(nitrato), por procesos microbianos (Killman, 1986). Dentro de los productos
intermedios formados y consumidos durante este proceso están la hidroxilamina
y los nitritos.
El amoniaco,
el principal producto excrementicio de los peces, es tóxico para estos
a concentraciones tan bajas como 0.5 mg/l (miligramos por litro) NH3-N.
Entonces,
en los sistemas acuáticos de exhibición, se usa la nitrificación para
eliminar el amoniaco del agua. Esto se cumple haciendo pasar el agua
a través de, o sobre, materiales filtrantes, en los cuales crecerán
eventualmente las bacterias necesarias para la nitrificación.
La
eliminación de amoniaco y nitritos del agua del acuario se llama filtración
biológica, y los materiales sobre los cuales las bacterias
crecen se llaman filtros biológicos o biofiltros.
Los organismos que realizan la conversión biológica de los productos
contaminantes nitrogenados se llaman bacterias nitrificantes.
La
mecánica y la química son otros tipos de filtración acuática, necesaria
para un ambiente acuático exitoso.
La
filtración mecánica es la retención y consecuente remoción
de materiales en partículas, principalmente de origen orgánico. Este
proceso es importante para mantener la claridad del agua y reducir la
materia orgánica biodegradable (MOB) en el sistema.
La
filtración química se refiere a un amplio conjunto
que incluye el uso de gránulos de carbón activado, separación de proteínas
u ozonificación para remover carbonos orgánicos disueltos en el agua.
Cuando
se selecciona y/o se diseña un filtro biológico, deben considerarse
dos características de las bacterias nitrificantes. Primero, estas bacterias
son aeróbicas. Aunque pueden vivir en ambientes bajos en oxigeno, su
eficiencia se agranda a medida que el oxigeno disuelto se incrementa
hacia la saturación del aire (21 % de oxigeno).
El
agua saturada contiene de 8 a 9 partes por millón (ppm) de oxigeno a
las temperaturas corrientes usadas para mantener a los organismos acuáticos,
con 15 ppm de oxigeno que casi toda el agua puede mantener a muy bajas
temperaturas sin estar sobresaturada. Por otro lado, el aire contiene
210.00 ppm de oxigeno. Aunque las bacterias nitrificantes pueden adquirir
el oxigeno que requieren de alguna otra fuente, las que están sobre
un biofiltro sumergido deben adquirir su oxigeno del que esta disuelto
en el agua, mientras que las bacterias nitrificantes sobre un material
filtrante expuesto a la atmósfera pueden obtener su oxigeno directamente
del aire.
En
segundo lugar, las bacterias nitrificantes crecen lentamente,
con tiempos de reproducción de 24 horas o mas, en comparación
con las bacterias heterotroficas, que tienen tiempos de reproducción
de unos 20 minutos. Estas características significan que un biofiltro
eficiente maximizaría la cantidad de oxigeno disponible
para las bacterias.
La
acumulación de MOB en el filtro asfixia a las bacterias nitrificantes
y provee un entorno que alienta el desarrollo de bacterias heterotroficaas
(Manem y Rittman, 1992). Luego, las bacterias heterotroficas oxidan
el material orgánico y así producen amoniaco y consumen oxigeno. Entonces,
debe eliminarse la MOB del sistema lo antes posible. La acumulación
de MOB también incrementara la demanda bioquímica de oxigeno, la cual
ha probado ser un factor limitante de la nitrificación (Wu et al., 1980;
Rittman y Dovantzis, 1983).
TIPOS
DE FILTROS BIOLÓGICOS
Hay
varios filtros biológicos alternativos que pueden usarse
en lugar de filtros de arena ( lo que incluye a los de placa ).
Estos pueden clasificarse en dos grupos, según si el material
filtrante esta o no sumergido. El grupo de los filtros sumergidos
incluye los lechos reactivos y los filtros
de bolitas. en el segundo grupo ( los no sumergidos )
están los filtros de goteo y los contactos
biológicos giratorios. Aunque estos filtros tienen
diversas características que contribuyen a su utilidad
como filtros biológicos, todos ellos difieren de los filtros
de arena en que no retienen material orgánico o no requieren
tanto mantenimiento.
FILTROS
DE ARENA
El
material filtrante tradicional usado en filtración biológica
ha sido la arena. La arena se deposita sobre una parrilla porosa
que se cubre con una criba, o que tiene aberturas lo suficientemente
pequeñas para que la arena no pase. El agua es empujada a través
de la arena por una bomba de agua o un elevador de aire y devuelta
al tanque.
En
el aquarismo como hobby este tipo de filtro se llama filtro
de placa. La "arena" utilizada es gravilla.
En los acuarios públicos la arena se mantiene dentro de
grandes cajas de concreto, con el agua pasando a través
de una o mas de estas cajas antes de volver a los tanques de exhibición.
Muchos acuarios públicos usan también filtros rápidos
de arena. Con el uso de bombas de agua de alta resistencia, el
agua es bombeada a través de la arena a altas tasas de
flujo. La obstrucción del material filtrante es inherente
al diseño y operación de los filtros de arena y de placa.
Se acumulan grandes cantidades de de MOB en el material, promoviendo
el crecimiento de bacterias heterotroficas. Esto es el detrimento
de las bacterias nitrificantes, que crecen mas lentamente y no
pueden competir contra las heteretroficas. Mas aun, se ha demostrado
que las fluctuaciones en la cantidad de MOB que entra en un filtro
biológico impacta negativamente sobre la nitrificación
( Manem y Rittman, 1992 ). Este escenario se da naturalmente en
los filtros de arena. Se acumula MOB hasta un punto en que el
material debe ser lavado para reducirla, pero así también
se pierden bacteria nitrificantes. Los filtros de arena, entonces
son ambientes inherentemente inestables para la nitrificación
Otro
problema adicional de los filtros rápidos de arena es su
tendencia a formar canales a medida que se acumula la MOB. Esto
conduce a una perda de oxigeno en la mayoría de los materiales,
una consecuente perdida de la nitrificación y un incremento
de los costos de mantenimiento debido al trabajo y los materiales
necesarios para realizar las operaciones de limpieza y para reemplazar
el agua descargada.
FILTROS
DE GOTEO
En su
mayor parte, un filtro de goteo consiste de un material filtrante (
típicamente hecho de plástico con algún tipo de diseño especial) con
un gran espacio vació ( una medida del grado de apertura del material
filtrante) a través del cual pasa el agua. El material no esta sumergido
bajo el agua, y esta se filtra mecánicamente antes de poder alcanzar
el filtro de goteo. Los materiales de goteo vienen en una variedad de
formas y tamaños y es importante mantener y adecuar la apertura del
material para facilitar el flujo de aire a través del mismo. Las ventajas
de un filtro de goteo son: que el material no esta bajo el agua, de
modo que el aire puede circular libremente a través suyo. Además, el
material no se obstruye fácilmente y no se requieren ulteriores limpiezas.
Por otra parte, el material es liviano y puede almacenarse en simples
y baratos recintos de plástico. Otra ventaja es que el biofiltro es
transportable. Para comenzar otro biofiltrado pueden mudarse algunas
partes del material a un nuevo estanque sobre un nuevo recipiente, y
se acorta considerablemente el periodo normal de entre 4 a 6 semanas
durante el cual se estabilizan las bacterias nitrificantes. Un inconveniente
de estos filtros es que el usuario tiene poco control sobre el camino
del agua una vez que esta entra al filtro. Entonces, en la operación,
puede ocurrir que no todo el material se moje y, por lo tanto, el crecimiento
de la capa bacteriana sea desigual. Esto produce una reducción de la
eficiencia de la nitrificación en términos de la cantidad de remoción
de amoniaco por unidad de superficie.
FILTROS DE BOLITAS
En este
tipo de filtros la unidad se parece a un filtro de arena vertical, salvo
que tiene un motor arriba. El material se compone de cientos de libras
de bolitas de polietileno que flotan. La investigación demuestra que
un metro cúbico de bolitas sirven para 24 a 32 Kg. de peces. El filtro
funciona con agua que entra desde el fondo, fluye a través de las bolitas
y regresa al tanque. Las bolitas actúan como filtro mecánico y biológico
de un modo similar a un filtro rápido de arena, con pocas diferencias
importantes. Las bolitas giran y hacen remolinos continuamente, de modo
que las condiciones aeróbicas se mantienen por encima de la superficie
total y hay poca canalización del agua. Entonces, no hay puntos muertos
y la superficie total de las bolitas es biológicamente activa. Con el
tiempo pueden formarse aglutinaciones de bacterias que hacen que las
bolitas se pegoteen entre si. Esto promueve la filtración mecánica del
agua. La naturaleza dual del filtro le permite acomodarse a los requerimientos
individuales del sistema. Incrementar la frecuencia en la limpieza del
filtro, incrementara la tasa de nitrificación, aunque disminuirá la
capacidad de filtración mecánica. En términos de tasas de nitrificación
por volumen, el filtro de bolitas parece superar a los lechos de fluidos
reactores, pero es inferior al de contactos biológicos giratorios.
LECHOS DE FLUIDOS REACTIVOS
Un lecho de fluidos reactivos incorpora una gran superficie de
arena u otro material pequeño ( como bolitas de vidrio ) con altas
tasas de flujo para mantener el material continuamente en suspenso
en el agua del recinto del filtro, y entonces, eliminar la obstrucción
del material. El agua de cultivo entra en el filtro desde el fondo
y fluye a través del material manteniéndolo en suspensión. La
suciedad se elimina por auto limpieza del material debido a que
las partículas individuales se limpian unas a otras mientras se
agitan en el filtro. Esto produce una capa viva muy delgada y,
entonces, estos filtros necesitan mas superficies que otros tipos
de biofiltros que generan una capa mas gruesa. El principal criterio
para el diseño de un lecho de fluidos reactivos es adecuar el
tamaño medio de las partículas a la tasa de flujo del agua. El
tamaño del grano determina la superficie para la nitrificación,
mientras que la cantidad de oxigeno disponible para la nitrificación
es una función de la tasa de flujo de agua. La elección del tamaño
del grano depende de la concentración de amoniaco en el agua que
llega, donde los gránulos grandes se usan en condiciones de mucho
amoniaco. Un lecho fluid izado bien diseñado es virtualmente auto
limpiante y debiera requerir poco mantenimiento. Una desventaja
de este tipo de filtros es que el material esta sumergido, de
modo que las bacterias deben consumir oxigeno del agua, no del
aire. Entonces, la tasa de flujo del agua debe ser alta para asegurar
un nivel alto y constante de oxigeno para que la eficiencia de
las bacterias no este limitada por el oxigeno. Los filtros de
fluidos requieren de una adecuada prefiltración mecánica para
cuidar el material de las obstrucciones u agrupamientos.
CONTACTOS BIOLÓGICOS GIRATORIOS
Estos
son los filtros mas eficientes biológicamente hablando. Comprimen una
gran área superficial en un pequeño volumen consistente de múltiples
discos circulares de plásticos apoyados en un eje central. La unidad
gira en el recipiente con 45 % de aire y el resto del disco sumergido
en el agua constantemente. Esta acción expone alternativamente a las
bacterias nitrificantes que crecen en los discos, al agua con amoniaco
y luego al aire satura de oxigeno. De este modo las bacterias no tienen
limitado el oxigeno. Estos filtros no poseen capacidad de filtrado mecánico,
y por ende, son autolimpiantes, ya que la rotación de los discos limita
el grosor de la capa bacteriana. Como se podrá observar poseen la gran
ventaja de tener un mínimo mantenimiento, lamentablemente necesitan
de una filtración mecánica adicional.
CONCLUSIONES
Antes
de elegir el tipo de filtración adecuada para su acuario, debe
considerar la relación entre la eficiencia de la nitrificación
y la remoción de sólidos. Un sistema mas eficiente de nitrificación
incorporaría filtros mecánicos y biológicos por separado, facilitando
el mantenimiento de ambos y mejorando la nitrificación sin interrumpirla
para su mantenimiento. La adición de aparatos destructores de
materia orgánica, como ozonizadores, debe ser benéfica porque
reducen la necesitad de usar filtros de arena como clarificantes
y permite a los filtros funcionar solo para la nitrificación.
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