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Ein immer
wiederkehrendes Diskussionsthema ist die Filtertechnik. Das
ordnungsgemäße Funktionieren des Filters ist auch
unbestritten Voraussetzung für gute Aquaristik und bietet somit
ausreichend Diskussionsstoff. Im folgenden möchte ich die
Grundlagen der biologischen Filtertechnik anhand des einfachen
Mattenfilters aufzeigen.
Filter dienen der Klärung verschmutzten Wassers. Der Grad, die
Art und die Menge der Verunreinigungen sind dabei entscheidend für
die Wahl des geeigneten Filtersystems. In einem Aquarium stehen aus
Platzgründen nur wenige verschiedene Filtertypen zur Auswahl.
Alle Aquarienfilter lassen sich dabei in zwei große Gruppen
einteilen:
1. rein mechanische Filter
2. biologische Filter
Diese Gruppen teilen sich in wiederum zwei weitere Unterarten:
1. Innenfilter
2. Außenfilter
Das die biologische Filterung der rein mechanische überlegen
ist, hat sich in den letzten Jahren zum Stand der Kenntnis etabliert.
Doch ist immer noch festzustellen, daß der größte
Teil der eingesetzten Filter mehr den mechanischen zugerechnet werden
muß.
Worin liegt die Unterscheidung ? Nun, ein mechanischer Filter
entfernt aufgrund seiner kräftigen Pumpe und eines engmaschigen
Filtersubstrates die Grobstoffe aus dem Wasser. Eine biologische Klärung
des Wassers entfällt dabei weitestgehend, da wesentliche
Randbedingungen zur biologischen Filterung nicht gegeben sind (siehe
später). Wiederum muß gesagt werden, daß, bedingt
durch die relativ starke Strömung, das Wasser mit Sauerstoff
angereichert wird. Zu ihnen gehören die bekannten Topffilter
vieler namhafter Hersteller.
Ein biologischer Filter zeichnet sich durch eine relativ geringe
Durchflußmenge aus. Auch zehren biologische Filter Sauerstoff
aus dem Wasser, jedoch viel weniger, als gemeinhin angenommen wird.
Diese Filter entfernen auch Grobstoffe, aber nur solche, die aufgrund
ihres spezifischen Gewichtes schweben und somit auch von der geringen
Saugwirkung des Filterantriebes erfaßt werden können.
Die Nitrifikation
Etwas Theorie ist unumgänglich, ich möchte es aber kurz
halten. Biologische Filterung beruht auf der Arbeit von Bakterien.
Diese Bakterien setzen dabei in verschiedenen Prozessen die
anfallenden Stoffe in andere um. Für jede Umwandelungsstufe sind
dazu andere Bakterienarten zuständig. Die erforderlichen
Bakterien bilden sich von selbst und passen sich (zeitverzögert)
der anfallenden Wasserbelastung an. Welche Arten genau sich dabei
bilden kann von Becken zu Becken unterschiedlich sein. Man spricht bei
der Kette der einzelnen Umwandlungsprozesse von der sogenannten
Nitrifikation. Bei der Nitrifikation bleibt des Nitrat am Ende über.
Die Nitrifikation ist ein sogenannter aerober Prozess, d.h. die
Bakterien sind auf das Vorhandensein von Sauerstoff angewiesen.
Ausgangstoffe sind im wesentlichen organische Stickstoffverbindungen,
Harnstoffe und Phosphate und Ammonium. Sie entstehen z.B. durch Fischfütterung,
Pflanzenreste, tote Schnecken und Fische, der Ausscheidung der Fische
usw. Kurz, der ganze biologische Abfall in einem Aquarium ergibt
Stickstoffverbindungen. Im Zuge einer chemischen Umwandlung durch
verschiedene Bakterien wird aus den Stickstoffen dann Ammoniak bzw
Ammonium (NH4) gebildet, das wiederum wird zum gefährlichen
Nitrit (NO2) verarbeitet und daraus ergibt sich dann das relativ
ungiftige Nitrat (NO3). Das Nitrat stellt also vorläufig das
Endprodukt der Nitrifikationskette dar. Es wird, in [mg/l] angegeben.
Werte zwischen 10 und 50 mg/l sind in Aquarien häufig
anzutreffen. Dieses sind Mengen, die nicht als schlecht anzusehen
sind, aber dennoch für manche Pflanzen und Fischarten zu hoch
liegen. (In Deutschland liegt der gesetzl. Grenzwert bei 50 mg/l).
Selten und unerwünscht: Die Denitrifikation Sollte der O2-Wert zu
gering sein, so stellen die Bakterien von einer Sauerstoffatmung auf
Nitratatmung um. Es kommt zu einer Reduktion. Dann würde aus dem
Nitrat wieder das Nitrit werden. Ein für die Fische gefährlicher
Prozess. Dieses wird in Kläranlagen zwar bewußt herbeigeführt,
ist dort aber auch machbar, da das NO2 in die Atmosphäre entgasen
kann, bevor das Wasser in den nächsten Vorfluter eingeleitet
wird.
Das Filtersubstrat
Das wichtigste Bauteil eines Filters ist das Substrat. Hier sollen
die Bakterien ihre Arbeit verrichten. Man muß ihnen also ein
Material bieten, auf dem sie sich ansiedeln können und das
permanent von dem zu filternden Wasser umströmt wird. Da sehr
viele Bakterien gebraucht werden, muß die besiedelbare Oberfläche
sehr groß sein. Man kann dieses bewerkstelligen, in dem man ein
Material wählt, daß sie viele Löcher und kapillare
durchgänge enthält. Man muß sich das wie bei den
bekannten Tonröhrchen vorstellen, nur daß eben nicht ein
großes Loch vorhanden ist, sondern viele viele kleine. Bei
gleichbleibender äußerer Oberfläche steigt die innere,
also die durch die Löcher gebildete, extrem stark an. Die Größe
der Löcher und Poren darf dabei nicht zu klein werden, da
ansonsten die Bakterien sie verstopfen, oder nicht einmal mehr
hineinpassen. So haben Bakterien Größen von ca 10 µm
(1 Mikrometer = 10^-6 m) bis runter zu 200 nm (1 Nanometer = 10^-9m).
Als Vergleich: 1 mm entspräche 1 m: Dann wäre 10 µm =
1cm und 200 nm = 0.2 mm. Wenn die Löcher und Poren derart klein
sind, daß keine Bakterie mehr hineinpaßt, bleibt als
biologisch aktive Oberfläche wiederum nur die äußere
Oberfläche über, auch wenn die von den Bakterien zu
veratmenden Stoffe durchaus noch hineinpassen würden, da sie im
wesentlichen aus Mikromolekülen bestehen. Der Mehrpreis für
die feinsten Kapillaren und die riesige innere Oberfläche hat
sich also nicht gelohnt. Bei einigen Filtermaterialien, die
hierzulande vertrieben werden, ist das der Fall.
Was tun bei hohen Nitratwerten ? Bevor man darauf eingeht, muß
erst einmal festgelegt werden, welcher Wert als "hoch"
bezeichnet werden soll. So kann NO3 = 5 mg/l für einige Pflanzen
wie z.B. die Eichhornia azurea oder Chinersia ........ schon zu
niedrig sein, für andere Pflanzen, wie z.B. Cryptocoryne
rosanervigae hingegen aber genau richtig. Für die meisten Fische
ist der NO3-Gehalt relativ unwichtig, solange er nicht über eine
Grenze schreitet. Dieser Grenzwert kann ca bei 75 mg/l liegen, wobei
normalerweise Eigelege und Jungfische damit schon nicht mher
zurechtkommen, da die Sauerstoffversorgung durch das Blut beeinträchtig
wird. Ich meine, ein Wert von ca 15 mg/l kann im allgemeinen als
passend bezeichnet werden kann. Sollte der Nitratwert zu hoch liegen,
muß vorab erkundet werden, ob es ein Dauer- oder Temporärzustand
ist. Temporär kann er z.B. nach einer etwas zu ausgiebigen Fütterung
ansteigen, oder wenn ein größerer Fisch unbemerkt gestorben
ist und nun verwest. Sehr gefährlich, weil unsichtbar, ist es,
wenn die Schnecken im Boden plötzlich komplett eingehen und das
Wasser verderben lassen. Dieses kann z.B. nach einem Wasserwechsel
geschehen, wenn der Kupfergehalt im Frischwasser zu hoch war.In jedem
Falle ist bei einer temporären Krise ein Teilwasserwechsel
angeraten, wobei die Bakterienflora zu schonen ist. Also nicht ungestüm
den ganzen Mulm absaugen. Genau in diesem Mulm sitzen ja die
Bakterien, die das Nitrat und die anderen Schadstoffe eliminieren.
Sollte es sich um einen Dauerzustand handeln, liegt der Verdacht nahe,
daß der Filter nicht richtig arbeitet. Das kann verschiedene
Ursachen haben.
Geschwindigkeit contra Wirkungsgrad
Wie wir gesehen haben, läuft der Prozess der Nitrifikation
vollbiologisch ab. Bakterien wandeln chemische Stoffe in andere um.
Eine wichtige Voraussetzung dafür ist, daß sie ausreichend
Zeit haben. Es leuchtet daher ein, daß die Verweildauer des
Wassers im Filter von großer Wichtigkeit für die
Wirksamkeit des Filters ist. Im Idealfall bleibt das Wasser so lange
im Filter, bis alle Umwandlungsvorgänge vollständig beendet
sind. Es ist dabei noch ein weiterer Faktor von großer
Bedeutung: Die Anströmgeschwindkeit des Wasser an die Bakterien.
Sie können sich nur bis zu einer Anströmgeschwindigkeit von
ca. max 30 cm/Minute auf ihren Substrat festhalten. Ist die
Geschwindigkeit höher, so werden sie fortgerissen und flottieren
frei im Wasser, bis sie sich irgendwo anders wieder niederlassen. Das
kann dann der Boden sein, eine Pflanze, die Scheiben oder sogar
Fische. Das ist auch der Punkt, an dem sich mechanische Filter von
biologischen Filtern unterscheiden. Ein biologischer Filter kann aus
diesem Grunde nicht schnell arbeiten. Es ist ihm ganz einfach unmöglich.
Die richtige Anströmgeschwindigkeit liegt meiner Erfahrung nach
im Bereich zwischen 5 und 10 cm/Minute.
Anströmgeschwindigkeit und
Verweildauer
Die Anströmgeschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang zur
Pumpenleistung und dem Querschnitt des Filters. Die Verweildauer des
Wassers im Filter ist zudem noch von der Dicke des Filterkörpers
abhängig. Anhand der beigefügten Tabelle kann man die Anströmgeschwindigkeit
in Abhängigkeit von Wasserdurchfluß und Filterquerschnitt
ablesen. Es geht daraus hervor, daß z.B. ein Topffilter mit
einer Durchflußleistung von 450 ltr/Stunde und einem Querschnitt
von ca 100 cm2 eine Anströmgeschwindigkeit von ca 75 cm/Min
aufweist, also jenseits des akzeptablen Bereiches. Die korrekte
Pumpenleistung liegt demnach für 100 cm2 Filterquerschnitt bei
ca. 30 ltr/Stunde.
Der Tabelle liegt die Formel
zugrunde. Der Faktor 1000 resultiert aus der Tatsache, das 1 Liter =
1000 cm3 ist. Dieses muß natürlich berücksichtigt
werden, um einheitenkonform zu bleiben.
Durch die Umstellung zu
ergibt
sich die erforderliche Pumpenleistung in Abhängigkeit von dem
vorhandenen Filterquerschnitt und der gewünschten Anströmgeschwindigkeit.
Dividieren durch 1000, um von [cm^3] auf [ltr] zu kommen.
Multiplizieren mit 60, um von [ltr/Min] auf [ltr/h] umzurechnen.
Die Verweildauer errechnet sich dann aus der Mattendicke dividiert
durch die Anströmgeschwindigkeit.
Bei einer Plattendicke von d = 5 cm und einer Anströmgeschwindigkeit
von v = 8 cm/Min ergibt sich eine Verweildauer von: t = 0.625 Min =
37.5 sec
Die Bemessung von Filterquerschnitten
Aus dem vorhergehendes ergibt sich natürlich sofort die Frage
nach der optimalen Filterfläche. Nun, diese ist davon abhängig,
wie stark das Wasser belastet ist und wie oft das Wasser umgewälzt
werden soll. Ich habe die Erfahrung gemacht, daß bei "normal"
geschnittenen Becken die Fläche der Seitenscheibe ausreichend
ist. Bei einem 200 ltr Becken (100 * 40 * 50) ergibt sich schon eine
Fläche von 40 * 50 = 2000 cm2. Das ist bei weitem mehr, als das
was ein Topffilter bieten kann. Hier könnte also eine Pumpe mit
einer Leistung von ca. 900 ltr/Stunde angeschlossen werden und man
erhielte eine Anströmgeschwindigkeit von v = 8 cm/Min. Sicherlich
dürften 900 ltr/h für ein 200 ltr-Becken viel zu üppig
sein, aber es hindert einen ja nichts daran, kleinere Pumpen zu
benutzen. Es gibt zwar auch eine untere Grenze, da die lieben
Bakterien ja auch verhungern können, wenn ihnen nicht permanent
belastetes Wasser zu fressen gegeben wird, aber diese Grenze dürfte
mit einer Kreiselpumpe nur schwer zu erreichen sein.
Der Aufbau eines Hamburger Mattenfilters
1. Schaumstoff
Das Filtermaterial besteht aus einem wasserfesten Schaumstoff. Dieser
Schaumstoff muß durchgängig sein und darf selbstverständlich
keine Chemikalien in das Wasser abgeben. Für gewöhnlich ist
die Farbe hellblau. Man erhält diesen Schaumstoff in
Schaumstofffachgeschäften. Es gibt eine teuere und eine preisgünstige
Sortierung. Der teueren sagt man nach, daß sie eine längere
Lebensdauer aufweist. Ich kann dieses nicht bestätigen. Mein "Billigschaumstoff"
ist schon seit Jahren im Einsatz ohne nennenswerte Ermüdungserscheinungen.
Man kann in Fachgeschäften den Schaumstoff in der Regel gleich
passend zuschneiden lassen. In jedem Falle sollte man ihn in 5 cm
starken Platten erwerben. Die Matte wird etwa 5 - 10 mm breiter
bemessen, als die lichten Innenmaße der Aquarienbreite. Sie wird
dann einfach hineingestellt, wobei darauf zu achten ist, daß sie
insbesondere an den Seiten gut schließt und unten auf der
Glasscheibe aufsteht.
2. Pumpe
Bei Becken ab 80 ltr verwende ich Kreiselpumpen, wie z.B. die Eheim
....... . Die Größe richtet sich dabei nach der Größe
der Filtermatte. Die Pumpe sollte nach Möglichkeit unten ansaugen
und seitlich ausstoßen.ich habe auch schon leere Topffilter als
Pumpe genutzt. Damit ist es dann möglich, daß Wasser auf
der einen Seite des Beckens zu entnehmen und auf der anderen wieder
hinein zudrücken. Man kann auf diese Art Strömungen gezielt
nachbauen. Bei kleineren Becken werden Luftheber eingesetzt. Es können
natürlich mehrere Heber parallel betrieben werden.
3. Der Aufbau
In Skizze 1 ist der schematische Aufbau dargestellt. Der Kreis unten
ist ein Plastikrohr- oder Schlauchabschnitt, der als Abstandshalter
zwischen Scheibe und Schaumstoff wirkt. Er soll verhindern, daß
die Matte gegen die Scheibe gedrückt wird. Der Abstand zwischen
Matte und Seitenscheibe liegt bei ca 2 cm. Er sollte 1 cm nicht
unterschreiten, damit ein gleichmäßiger Wasserdurchfluß
durch die Matte gewährleistet bleibt. Die Pumpe ist also vor der
Matte an der rückwärtigen Glasscheibe per Saugfüße
befestigt. Das Wasser wird per Schlauchleitung hinter dem Filter
hervorgesaugt und dann knapp unter der Oberfläche ins Becken zurückgedrückt.
Die Verwirbelungen an der Oberfläche lassen sich dabei
regulieren.Die erforderlichen Rohre und 90°-Rohrbögen lassen
sich normalerweise in jedem gut sortiertem Aquariumfachgeschäft
beschaffen. Besonders sind hier die Produkte de Firma "Hobby"
hervorzuheben, die alle erdenklichen Innen- und Außendruchmesser
als Meterware herstellt. Sogar die Farbe der Rohre ist transparent grün.
Das erforderliche Loch in dem Schaumstoff läßt sich einfach
per Messer herstellen. Bei der Variante mit den Lufthebern ist es
etwas anders. Das Steigerohr befindet sich hinter der Matte. Das
Ausströmrohr ist in einen passenenden Schlitz oben in der Matte
eingelegt und ragt ca. 5 cm über die Matte hinaus, damit keine
kleinen Fische hindurchkrabbeln können. Das machen einige Arten
sehr gerne. Die Tiere werden durch die Strömung geradezu
hypnotisiert und angelockt. Man kann sehr gut den Heizstab sowie das
Thermomenter in dem Raum zwischen Matte und Scheibe installieren. Auch
Meßsonden für pH, Redox usw lassen sich hier gut und geschützt
unterbringen.
1. Variante mit Kreiselpumpe, ab ca. 80 ltr Beckeninhalt
Das Wasser wird durch die Pumpe in eine Kreisbewegung versetzt.
Normalerweise sammelt sich der grobe Schmutz des Aquariums unten vor
der Filtermatte an und kann dort gezielt entfernt werden.
2.
Variante mit Luftheber
Ansicht frontal auf die Matte
Tarnung der Matten
Der anfänglich
leuchtend blaue Farbe verliert sich nach einiger Zeit in ein braungrün.
Sollte dieser Effekt nicht eintreten, so kann davon ausgegangen
werden, daß sich die Bakterienflora noch nicht vollständig
gebildet hat. Man muß den Bakterien aber schon einige Wochen
Zeit geben. Die Matten lassen sich mit Javamoos gut bepflanzen. Man
klemmt einfach ein Büschel Moos zwischen Matte und Scheibe. Das
Moos wächst relativ gut an, wenn es nicht durch ständiges
Befummeln gestört wird. Die Pumpe wird mit der Zeit total
verdeckt. Es können sich nach einiger Zeit Pinselalgen auf der
Matte bilden. Diese sind für die Wirkung des Filters nicht schädlich.
Ausschnitt aus Pumpenbereich mit Moos Pflege des Filters. Eine direkte
Pflege des Filters, wie bei Topffiltern üblich, ist nicht
erforderlich. Man schadet eher noch. Beim Wasserwechel können
Grobstoffe vorsichtig von der Frontseite der Matte abgesaugt werden.
Nach einiger Zeit bildet sich Mulm hinter dem Filter. Dieser Mulm
sollte unbedingt unangetastet bleiben, das er zum Großteil aus
nitrifizierenden Bakterien besteht. So gepflegt, hält ein
Mattenfilter viele Jahre. Erst wenn er innere Auflösungserscheinungen
zeigt, erkennbar daran, daß der Wasserspiegel hinter der Matte
stark absinkt, sollte er ausgebaut und durchgewaschen werden. Bis es
soweit ist, sollte es allerdings ein paar Jahre brauchen.
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