Постоянно слышу что биофильтр должен прокачивать не меньше обьема/час, протока - обьем/сутки. Если бы в часе было бы не 60 а 90 минут формула "1 обьем/час" осталась бы неизменной или была бы "1.5обьема/час" ?

Исключения из правила "1 обьем/час"
- у денитратора должен быть очень слабый поток.
- рекомендаций для гидропонного и других "зеленых" фильтров вообще не нашел.

Другими словами - есть ли какие-то хоть как то обоснованные, кроме опыта рекомендации по минимальной скорости прокачки ?

Все эти вычисления упираются в несколько процессов, которые не поддаются стандартизации, предсказанию и точному исчислению. Среди них:

1. Скорость выработки аммиака компонентами системы.

2. Эффективность и скорость переработки аммиака в нитрат фильтрами.

Эти процессы настолько изменчивы и зависят от такого кол-ва переменных, не поддающимся простым измерениям, что впихнуть их в одну формулу мне не представляется возможным.

Именно поэтому, на мой взгляд, эмпирический путь и все магические формулы всегда будут страдать серьезными неточностями. И именно поэтому мы идем опытным путем, зачастую склоняясь к подходам типа "чем больше, тем лучше" или "нет такого понятия, как слишком большая биофильтрация".

З.Ы. Я понимаю, что мне сейчас ввернут что-нибудь про достижения математического моделирования в биологии. Ну, что ж, дерзайте! Я буду только рад вашим успехам. Только не забудьте сообщить нам, откуда вы берете исходные данные.


[Ред: 10-25-2003 написал Michael]

2Dmitrii: не знаю как-кому, но мне эта тема очень интересна . Так что продолжайте, если есть желание .

2 Michael: согласен, смоделировать процессы в аквариуме - задача слаборешаемая. И я к этому не стремлюсь. Просто хочется понять - что откуда берется.

1. С рекомендованной скоростью прокачки воды в аквариуме у меня пока складывается такая картинка для обычных канистровиков:

- минимум: в нормально функционирующих густозаросших банках биофильтр голодает и можно обойтись минимальным. Как аварийная поддержка.

- максимум: 4 обьема в час.

2. Обьем фильтра или скорость прокачки через субстрат. Тот же Миклуха для упрощения принимает что вся вода, проходящая через фильтр успевает обработаться бактериями. Соотношение величины фильтрующей и скорости прокачки для меня пока тоже загадка.

3. Если учесть еще разнообразие фильтров: классик, Whet-Dry, гидропонный, etc., то все эти прикидки станвятся еще более среднепотолочными.

4. Рекомендации по протоке тоже расплывчаты
- минимум 30% в неделю. Просто автоматизируем еженедельные подмены и называем это протокой.
- максимум: >= 700% в неделю (обьем в сутки). Начинаем крутить счетчик воды

Сначала о миклуховских расчетах. Точнее о том, что можно получить на основе его предпосылок, если довести эти расчеты до конца.

Его предпосылки следующие:
a) Скорость производства аммиака (обозначаемая ниже P) составляет около 1мг в сутки на 1г веса рыбы,
что составляет 0.04мг/час.;
б) Допустимая концентрация аммиака n=0.01-0.02мг/л.
в) Проходящая через фильтр вода полностью очищается от аммиака;

Не буду писать диф.уравнения, хотя и можно было бы, но они здесь не нужны, так как нас интересует
только установившийся режим. В таком режиме скорость производства аммиака Р должна быть равна скорости
его удаления, а эта скорость удаления, в соотв. с предпосылкой (в), равна nV, где V - мощность фильтра (л/час).
Так что получаем
P=nV.
Следовательно, на 1г веса рыбы должно приходиться
V=P/n (1)
мощности фильтра. Подставляя P=0.04мг/час и n=0.01-0.02мг/л, получаем
V=2-4 л/ч. (2)

Как ни странно, это довольно разумная оценка. Такое впечатление, что все очень грубые упрощения, используемые в
такой модели, частично друг друга компенсируют, и в итоге получается нечто не столь далекое от реальности.
Уж если говорить о каких-то совсем простых оценках, то я бы скорее взял это, а не 1-4 объема в час. Но надо заметить,
что если исходить из нормы заселения примерно 1л на 1г веса рыбы, то из (2) получается практически то же самое -
2-4 объема в час.

Так что, может быть и есть в этом некая истина, не берусь с ходу отвергать. Но при попытке более детального
рассмотрения эта зыбкая гармония сильно нарушается, по крайней мере на первый взгляд. Дело в том, что предпосылка
(в) для фильтра представляет собой явную и грубую идеализацию, а вот для чего ее можно считать справедливой, так это
для протоки. Так что все вышесказанное логично было бы относить к протоке, а не к фильтрации. Но для протоки 2-4л/ч
на 1г веса рыбы - это чудовищно много, никто так не делает и никогда не делал, а, однако, аквариумы с протокой живут
и процветают. В чем же дело? Возможны разные объяснения. Во-первых, не исключено, что скорость производства аммиака (а)
сильно завышена. В принципе, это не так уж сложно оценить теоретически, да и экспериментальные данные наверняка есть. Но возможен и другой вариант объяснения: в любом нормальном аквариуме есть своя собственная система биоочистки, помимо фильтра - есть нитрифицирующие бактерии в грунте, есть растения и т.п., и работает это все очень даже неплохо, а протока нужна не столько для удаления непосредственно аммиака, сколько для удаления избытков нитратов, а поскольку для нитратов допустимы концентрации на несколько порядков выше чем для аммиака, то и мощность прокачки, в соответствии с (1) будет требоваться во много раз ниже. Если допустить, что весь аммиак перерабатывается в нитраты, то из 0.04мг/час аммиака получим примерно 0.2мг/час нитратов, и положив для них концентрацию 20мг/л получим из (1) требуемую мощность протоки около 0.01л/час=0.24л/сутки на 1г веса рыбы, а это уже вполне согласуется с общепринятой практикой.

Но конечно, это все очень грубые оценки на основе предельно упрощенных моделей. Более сложные варианты - в следующей
серии.

И наконец, аннонсированная в предыдущих выпусках формула Хираямы. В ней предполагается, что фильтр может состоять из нескольких пластин, на которые насыпан гравий, и через которые параллельно течет вода (не последовательно - сначала через одну пластину, потом через другую, и т.д., а именно праллельно - часть потока распределяется на одну пластину, часть на другую, и т.п.)
Поэтому в левой части вводится сумма по этим пластинам. А в правой части вычисляются некие величины для каждой отдельной рыбы, а затем все эти величины суммируются. Формула в целом представляет собой неравенство. Предполагается, что для достаточно эффективной очистки воды в аквариуме необходимо выполнение этого неравенства.
(картинка с http://www.geocities... ):




Здесь
p - число пластин в фильтре
Wi - площадь i-той пластины фильтра (м2)
Vi - скорость течения воды через нее (см/мин)
Gi - коэффициент размера гравия (мм-1; см ниже)
Di - толщина слоя гравия на i-той пластине
q - количество рыб
Bj - масса j-й рыбы (г)
F - общая масса выдаваемого рыбам корма (г/день).

Коэффициент размера частиц гравия Gi есть среднее значение
(для i-й пластины) величины 100/R, где R - характерный размер частиц гравия (мм).

Как я говорил, в этой формуле есть опечатка. Она в левой части. Там все начиная со знака "+" должно стоять в знаменателе предыдущей дроби. Т.е. в числителе - 10Wi, а все остальное - в знаменателе.


Эту формулу, вместе c опечаткой и с примерами расчета, обычно берут из книги:

Stephen Spotte, Fish and Invertebrate Culture. Water Management in Closed Systems, 2nd ed., Wiley-Interscience, 1979.
Рус. перев.: С.Спотт, Содержание рыбы в замкнутых системах. М. 1983 (здесь, на aquaria.ru, в разделе "книги" есть отзывы на нее)

У нас она еще была в статьях:
Д.Н.Степанов, Основы фильтрации и регенерации воды.
Аквариумист, вып.1,2 1991 (кстати, без опечатки)
Д.Н.Степанов, Основы фильтрации и регенерации воды.
Рыбоводство и рыболовство, No. 2,3, 1986,
и в книге:
В.В.Лукъяненко. Жизнь аквариума. Ташкент, Мехнат, 1990.

Продолжение следует.

[Изменено 6-8-2004 автор Dmitrii]

Что-то у меня то видна эта формула в предыдущем сообщении, то не видна. Все тормозится из-за нее сильно. Что за хрестоматия такая, не знаю. Зря я вообще связался с ее помещением в сообщение. Лучше уж сразу останавливать ее загрузку, и заходить непосредственно на страницу http://www.geocities...
Так получается намного быстрее.

Теперь несколько слов для пояснения данной формулы.
1) Ее правая часть - это так наз. "кислородная нагрузка на фильтр" или, в иных терминах, "производство биологической потребности в кислороде". Это есть количество кислорода (в мг), которое НАДО затратить, чтобы полностью окислить все загрязнения, накапливающиеся в аквариуме в течение 1 минуты. Полностью окислить - это значит весь содержащийся в этих загрязнениях азот окислить до нитратов, а весь углерод - до углекислого газа. Правда следует уточнить, что речь здесь идет все-таки не о всех загрязнениях, а лишь о тех веществах, которые в принципе могут быть окислены в результате деятельности минерализующей и нитрифицирующей микрофлоры. Гуминовые кислоты, например, таким образом окислены быть не могут, и потому сюда не включаются.
2) Ее левая часть - "окислительная способность фильтра", т.е. количество кислорода (в мг), которое МОГУТ израсходовать минерализующие и нитрифицирующие бактерии фильтра для такого окисления в течение 1 минуты. Если МОГУТ израсходовать не меньше чем НАДО, то мощность фильтра достаточна для поддержания баланса в аквариуме на приемлемом уровне.
Вот таков смысл формулы Хираямы.

Прошу прощения у почтеннейшей публики. Всем я уже надоел наверное со своей никчемной лекцией.
Но вот еще некоторые комментарии к формуле Хираямы. Понятно, что сама эта формула представляет собой крайне грубую
оценку, иначе в такой сложной системе как аквариум и быть не может. Но она, вроде бы, успешно использовалась при
проектировании многих реальных аквариумов, что заставляет все таки отнестись к ней с вниманием.
Во-первых, можно записать ее правую часть, нагрузку на фильтр, в виде
c*M,
где M - суммарная масса рыб (г), с - средняя нагрузка, создаваемая 1граммом веса рыбы. Из формулы Хираямы можно определить, что (для рыб массой 2-500г каждая, с дневным рационом 2.5-5% от массы тела) с=0.002-0.01 мг/мин. Итак, 1г веса рыбы создает нагрузку на фильтр 0.002-0.01 мгO2/мин. Это довольно полезный параметр, удобный для различных прикидочных оценок. Например, исходя из него можно оценить по максимуму производство аммиака. Действительно, предположим, что все эти 0.002-0.01 мг кислорода требуются для окисления аммиака до нитратов. Масса окисляемого в результате такого процесса аммиака примерно в 4 раза меньше, чем масса расходуемого на это кислорода, и, следовательно, равна 0.0005-0.0025г. Т.е. на 1г веса рыбы вырабатывается не более чем 0.0005-0.0025мг аммиака за 1 минуту, что соответствует 0.03-0.15мг/час. А теперь сравним это с величиной, предложенной Миклухой - 0.04мг/час. Учитывая крайнюю огрубленность всех этих оценок согласие получается не такое уж плохое!
Но надо понимать, что на самом деле эта нагрузка на фильтр слагается из двух основных частей - азотной и углеродной.
Азотная - это то количество кислорода, которое идет на окисление азота до нитратов, а углеродная - количество кислорода,
которое идет на окисление углерода до углекислого газа. Я уверен, что есть экспериментальные данные, позволяющие оценить соотношение этих двух частей нагрузки, но пока таких данных у меня нет. Сильно подозреваю, что углеродная часть
намного превосходит азотную. Так что реальное производство аммиака существенно меньше чем 0.03-0.15мг/(час*г). Но это
пока только домыслы.
Теперь надо бы левую часть этой формулы обсудить, т.е. выражение для окислительной способности фильтра. Об этом - в следующий раз.

Теперь о левой части формулы Хираямы, которая есть окислительная способность фильтра в мгО2/мин. Напомню, что в том выражении, которое приведено выше, есть опечатка, а на самом деле оно должно выглядеть так: сумма по i от 1 до p, потом дробь, в числителе которой 10Wi, а все остальное - в знаменателе. Будем считать далее, что опечатка исправлена. Посмотрим сначала зависимость этой окислительной способности от скорости течения воды V. Из формулы видно, что при V=0 она обращается в ноль, а с ростом V возрастает и при больших скоростях выходит на некоторый предел. Очевидно, что и то, и другое, строго говоря неверно, поскольку:

1) При V=0 окислительная способность не обращается в ноль. Действительно, что значит V=0? Это можно рассматривать так, что никакого донного или иного фильтра вообще нет, а есть просто дно, на котором лежит слой гравия. Так вот, такое дно, оно само по себе будет выполнять роль фильтра, пусть и с небольшой окислительной способностью.

2) При очень больших скоростях течения окислительная способность фильтра начинает падать, просто потому, что нитрифицирующие бактерии начинают смываться с субстрата.

Таким образом ясно, что в предельных случаях рассматриваемая формула заведомо неверна. Однако, в промежуточной области, в частности, для значений скорости около 0.7 мм/cек, для которых она, надо полагать, и разрабатывалась, она, возможно, дает вполне реалистичные значения.

Вместе с тем, можно видеть, что в каждом конкретном случае должно существовать некоторое оптимальное значение скорости. Как я уже говорил в самом начале, по некоторым данным для гравийных субстратов оно вроде бы равно 0.7 мм/cек.

В следующем послании будет обсуждена зависмость окислительной способности фильтра от толщины слоя субстрата и размера частиц.

[Изменено 6-8-2004 автор Dmitrii]

Еще одно, последнее сказанье..

Итак, в выражениии для окислительной способности фильтра (ОСФ), в знаменателе, содержится два слагаемых: 0.7/V и 950/(G*D) (индекс j опускаем). Первое слагаемое выражает зависимость ОСФ от скорости течения, второе - от размера частиц гравия и от толщины его слоя. Первое слагаемое уже частично было обсуждено, теперь о втором. Смысл его, в целом, прост - чем больше гравия и чем больше суммарная поверхность его частиц, тем больше ОСФ. Прежде чем разбирать его более детально, рассмотрим сначала предельный случай - будем считать что гравия очень много, так что величина 950/(G*D) пренебрежима мала по сравнению с величиной первого слагаемого 0.7/V. Такой предельный случай соответствует ситуации, когда общее количество бактерий, заселяющих поверхность гравия, настолько велико, что они способны переработать практически любое количество аммиака, нитритов, органики и т.п. какое им только будет предоставлено. Т.е. сколько бы этих загрязнений не содержалось в воде поступающей на вход фильтра, на выходе их уже не будет. Как можно видеть, это получается тот самый 100% фильтр, который предполагался Миклухой, и который, как было сказано, правильнее понимать как протоку. Ну так и что же мы получаем для такого фильтра=протоки? А вот что. Если выбросить из знаменателя второе слагаемое, то получится
ОСФ=10WV/0.7=14WV=140A,
где A - мощность протоки (л/мин).
Взяв нагрузку на фильтр, как предлагалсь выше, в виде
сM,
где с=0.002-0.01, а M - cуммарная масса рыб, мы получим следующее условие для протоки:
140A>cM,
т.е.
A>bM,
где b=0.000015-0.00007 л/(мин*г) - мощность протоки, в л/мин, которая должна приходиться на 1г веса рыбы.
В расчете на л/сутки это даст
b=0.02-0.1л/(сутки*г).
Это неожиданно мало. При плотности заселения 1г рыбы на 1л мы получаем, что для 100л аквариума достаточна протока 2-10л/сутки, что составляет 14-70л в неделю. Но, в общем-то, это как раз соответствует тем минимальным рекомендациям для протоки о которых писал JAV. С другой, стороны, конечно же, неправомерно применять формулу Хираямы для расчета протоки. Она не для этого разрабатывалась, а для фильтров.

А уж если говорить о протоке, то ее рассчитать несравненно проще чем фильтр. Для этого надо лишь знать создаваемую рыбами кислородную нагрузку P на фильтр (в мгО2/мин), которую можно оценить, как излагалось выше, как P=сM, и надо установить допустимую норму биологического потребления кислорода для аквариумной воды Q (в мгО2/л) (эту норму наверняка легко найти, в частности, какие-то значения были в книге М. Сандера "Техническое оснащение аквариума", сейчас не помню) и тогда минимальная необходимая мощность протоки (в л/мин) будет равна
A=P/Q.
Проще уж некуда. Это для случая, когда никакой собственной самоочистки (бактериями грунта, растениями, и т.п.) в аквариуме нет. А если она есть, то протоку, соответственно, можно уменьшить. Нет, ну конечно, есть еще множество разных факторов - то что на входе вода тоже может быть довольно грязной, что возможны ее внезапные химические загрязнения, болезни рыб, незамеченные вовремя мертвые рыбы и т.п., учитывая которые протоку надо брать помощнее, с запасом. Но в качестве грубой предварительной оценки это годится.

Но вернемся к выражению для ОСФ. Будем теперь считать, что, наоборот, первое слагаемое в знаменателе, 0.7/V, пренебрежимо мало по сравнению со вторым. Это соответствует ситуации, когда скорость течения воды достаточно велика, велика настолько, что все бактерии постоянно полностью загружены работой, так что ОСФ ограничивается не скоростью поступления загрязнений к бактериям, а ограниченными возможностями бактерий по их переработке. Итак, выбрасываем 0.7/V. Тогда получаем
ОСФ=10W/(950/G*D)=W*D*G/100=K*G/1000,
где K - объем фильтра (в литрах); G=100/R, а R - характерный размер частиц гравия (мм).
Заметим, что величина K*G пропорциональна общей площади поверхности фильтрующего субстрата. Действительно, предполагая, для простоты, что эти частицы имеют кубическую форму, получим, что
K*G=S/6,
где S - суммарная площадь поверхности частиц гравия (м2). Следовательно, получаем (в рассматриваемом предельном случае)
ОСФ=S/60.
Таким образом, на 1м2 фильтрующего субстрата приходится ОСФ равная 1/60мгО2/мин=1мгО2/час. Такие круглые значения наводят на мысль, что это, может быть, не случайно, что это одна из предпосылок, на основе которых была построена формула Хираямы. Но это так, к слову. А сама величина любопытная. С ее помощью можно грубо оценить минимальную необходимую площадь поверхности фильтрующего субстрата.
Оценивая нагрузку на фильтр как сМ приходим к условию
S/60>cМ,
т.е.
S>60сМ,
и подставляя с=0.002-0.01 окончательно получаем
S>0.12-0.6,
т.е. на 1г веса рыбы должно приходиться не менее 0.1-0.6 м2 фильтрующей поверхности. А учитывая неприятное свойство субстрата забиваться, и все дополнительные отягчающие факторы, упомянутые выше, эту величину тоже, конечно, надо брать больше.

Вот все, пожалуй, что я могу к настоящему моменту сказать по данному вопросу. Недавно обнаружил еще некую дипломную работу примерно на эту тему
http://scholar.lib.v...
Там парень гонял какие-то фильтры при разных концентрациях аммиака и разных других параметрах воды и измерял эффективность фильтрации. Информации не бог весть сколько, анализа тоже, кажется, никакого нет, но, по-крайней мере, экспериментальные результаты, как будто, честно изложены. Так что можно и поглядеть. Есть еще журнал Aquacultural Egineering. Подозреваю, что если где-то и есть что-то стоящее по данной теме, то именно там. Тоже можно было бы посмотреть.

Ну вот и все. Всем спасибо за внимание

[Изменено 6-8-2004 автор Dmitrii]

Странно мне было прочитать обсуждение темы - уж больно все не просто получилось.
Биофильтрация прекрасно описана в любом руководстве по канализационной очистке или водоподготовке. И цифр для расчета любой биофильтрующей системы там достаточно.
Для аквариумистики эта тема более менее интерпретирована у меня на сайте http://cichlidpark.a... раздел "Техническое обеспечение" и "Репортаж из Цихлидпарка".

Андрей, "не надо надувать щеки, это шло только Кисе Воробьянинову, и то только в определенных ситуациях".
Вот вам хотя бы пара фраз из статьи Вruce E.Rittmann, Douglas Stilwell Моделирование биологических процессов в обработке питьевой воды: интегральная модель биофильтрации. :
Большинство конструкций биофильтров являются эмпирическими. Однако, используя механическую модель как средство при конструировании, можно повысить надежность и эффективность пилотных и лабораторных исследований биофильтров. К сожалению, модели, которые включают все необходимые явления, достаточно сложны; они хороши для научно-исследовательских целей, но не годятся для рутинного конструирования и анализа...
Это, мягко говоря, не слишком согласуется с тем, что вы говорите. Если все "прекрасно описано в любом руководстве", то почему же большинство конструкций до сих пор являются эмпирическими? Зачем какие-то еще "пилотные и лабораторные исследования", если "цифр для расчета любой биофильтрующей системы там достаточно"? Глупости какие! Взял любое руководство, быстренько рассчитал, и вперед! Все элементарно, тема давно исчерпана, посмотрите хотя бы сайт Андрея Берсенева!...
А речь ведь даже не о том, чтобы сделать биофильтр, и чтобы он работал бы, а о том чтобы понять какие все-таки процессы в нем происходят, как, с какой скоростью. И не только в фильтре, а и в аквариуме в целом.
У вас свое мнение, свои вгляды, свои интересы, у других другие. Если вам есть что сказать по сути вопроса, то скажите, было бы весьма интересно выслушать, а этак пренебрежительно поучать не стоит.

[Изменено 6-8-2004 автор Dmitrii]

Да, вы Dmitrii не горячитесь. Обидеть я вас не хотел (почуму вы приняли на свой счет какой-то обидный смысл?..). Судя по библиографии которую вы пытаетесь продемонстрировать видно, что тама вас волнует. Лет 20 назад я также плотно занимался вопросами биологической фильтрации в аквариуме. И уж поверьте прочитал книжек предостаточное количество.
И за любое слово в своих записях я вполне ответственно ручаюсь. Если вы действительно хотите разобраться читайте внимательней.

Вчера, пробегая мимо одного магазина, посмотрел устройство прудового фильтра. К сожалению времени было мало и не сообразил записать марку и производительность. Первые впечатления:
- та же канистра. Но не уверен, что герметичная.
- мощность помпы 9 Вт. То есть меньше чем в канистрах.
- обьем бака раза в 3 больше, чем канистры.

Надо бы как то еще раз туда забежать и более внимательно поразглядывать.

Чем больше объем - тем лучше. Расчеты начинаются как раз из-за РАЗУМНЫХ требований компактности - огромные фильтры никто не будет покупать. Если сделать биофильтр к двухсотлитровке объемом с квартиру, то даже при скорости протоки один объем в сутки вода на выходе, скорее всего, будет ИДЕАЛЬНА. Никто ж не считает "интегральные скорости воды" в природных системах?
Вся Земля - большой биофильтр. Но не справляется - зас...ли, демоны!

По поводу прудовых помп у меня есть странное ощущение. Мощность помпы ИМХО можно разделить на 2 больших "статьи расходов" - высота подъема воды и скорость прокачки. Возможно, прудовая помпа просто не требует большой высоты подъема (т.е. большого давления, как я понимаю), и 9 Вт ей хватает на все про все.

О больших биофильтрах. Чем биофильтр больше, тем качество воды обычно лучше, это так... но, как мне кажется, во многих случаях идет это от того, что сам биофильтр включает в циркуляцию воды дополнительный объем, почти равный своему. В самом деле, что будут жрать и перерабатывать нитрифицирующие бактерии, если удельная концентрация проносящихся сквозь них азотистых соединений избыточно низка? А если им нечего есть, как они будут размножаться (и увеличивать площадь заселения на субстрате)? Другое дело, что большой биофильтр лучше справляется с повышенной плотностью заселения аквариума, здесь все логично и возражений не вызывает. Если я держу в домашнем аквариуме 600 л аровану, двух лещей, стаю пираний и пару дельфинов-азовок, да еще хочу подсадить туда морских ежей и палтуса (это я беру общий случай аквариума у любителя-новичка) - естественно, биофильтр на 1200 л будет работать у меня лучше, чем даже 2 Eheim 2217). Но, если в таком же аквариуме у меня плотные заросли длинностебелки и пятнадцать неончиков (идеальный случай?), то и одному "семнадцатому" с губками может оказаться нечего делать.

Поэтому, как я понимаю, на практике требуется (и реально отсутствует) только одна "магическая формула" - связывающая воедино мощность помпы (в л/ч или объемах/ч), площадь поверхности биосубстрата (механические секции и внутреннюю площадь декораций/стенок для простоты не считаем), относительную плотность заселения аквариума рыбами и растениями и общий объем циркулирующей в системе воды.

Если возможно построить такую формулу для общего случая (хотя бы с 50% приближением) - необходимость сделать это уже явно назрела.

Если нет - останемся пока с заклинанием "3 объема в час".

С уважением.

posted by Александр Харченко
Поэтому, как я понимаю, на практике требуется (и реально отсутствует) только одна "магическая формула" - связывающая воедино мощность помпы (в л/ч или объемах/ч), площадь поверхности биосубстрата (механические секции и внутреннюю площадь декораций/стенок для простоты не считаем), относительную плотность заселения аквариума рыбами и растениями и общий объем циркулирующей в системе воды.

В принципе, формула, предложенная Хираямой (см. сообщение от 29-10-2003 21:49), как раз претендует на подобною роль. Но область ее применимости, как я подозреваю, ограничивается, в лучшем случае, лишь большими морскими аквариумами с донным гравийным фильтром. Какое приближение к реальности она может обеспечивать в других случаях - не берусь судить.

posted by Александр Харченко
Если нет - останемся пока с заклинанием "3 объема в час".

Могу предложить еще один вариант заклинания :
"2-4 л/ч на 1г веса рыбы."
(см. сообщение от 29-10-2003 10:39)
При обычных плотностях заселения это получается примерно тоже самое, но при нестандартно плотном или, наоборот, редком заселении будет давать, возможно, более правильную оценку.

1. С формулой Хираямы - для малознакомых со стереометрией людей (*) усложняется оценка пересчета площади ракушечника в площадь "фирменного" субстрата любых типов. Если бы были хотя бы количественные коэффициенты! А то я сейчас набил фильтр коралловой крошкой, как самый умный - а площадь поверхности у нее даже приблизительно не знаю. Вот гравий это по свойствам, или не гравий? Еще интереснее ситуация с разными Bio-Balls. Оценка их удельной поверхности в популярной литературе колеблется между величинами "отвратительно" и "отлично", а сколько это примерно будет в отношении к м^2/л? Т.е. производители, конечно, печатают... но, чем посчитать все в уме, хорошо было бы иметь готовые сравнительные таблицы. Причем желательно не с геометрическими данными, а с соотношениями удельной эффективности.

Понимаю, что к формуле как таковой это имеет уже мало отношения, но ведь и весь топик посвящен проблемам эмпирических расчетов.

2. С литрами в час на грамм - идея хорошая. Как рассчитать примерный вес рыбки (измерение на весах в общем случае отвергается как мучительное для животного)? У Миклухи есть пример - считать среднестатистическую рыбу для упрощения эллипсоидом. Наверное, этот метод работает (как обычно - для тех, кто знает наизусть стереометрию), но лично мне вспоминается анекдот о математике, создавшем формулу предварительного вычисления победы того или иного коня на скачках. Формула применялась, к сожалению, только для идеального сферического коня в шестимерном римановом пространстве...

Здесь опять-таки могла бы выручить простая формула расчета с начальными параметрами вроде "длина", "тип туловища" и "высота", дающая примерные отклонения в плюс-минус треть.

С уважением.

(*) В рекламном проспекте одной китайской фирмы рекламировались их пластиковые наполнители, представлявшие собой, по утверждению рекламки, "снаружи выполненный из абсолютно черной пластмассы тесеракт, а внутри - геометрическое тело невообразимо сложной конфигурации, не исключающее, однако, равномерного потока воды сквозь зерно наполнителя". Насколько мне известно, тесерактом называют четырехмерный куб. Я хотел было купить этот субстрат, но, увы, в продаже его не было, и даже фото не прилагалось. Вот до чего доводит невежество в стереометрических вопросах!

posted by Александр Харченко
оценка пересчета площади ракушечника в площадь "фирменного" субстрата любых типов.

В этих моделях столько всяких грубых приближений и неучтенных факторов, что некоторая ошибка в оценке площади поверхности субстрата здесь большой роли не сыграет. Если бы здесь все только геометрией ограничивалось, здесь же и гидродинамика обтекания частиц субстрата, и поступление кислорода и т.п.

posted by Александр Харченко
а сколько это примерно будет в отношении к м^2/л?

у Сандера есть кое-какие цифры.

posted by Александр Харченко
Как рассчитать примерный вес рыбки ...

Опять же, поскольку все равно речь идет об очень грубых оценках, то и вес рыбки достаточно оценить грубо приближенно. Действительно, для этого вполне можно принять, что по форме рыба представляет собой эллипсоид. При этом получаем, что масса рыбы (в граммах) примерно равна
М=a*b*c/2,
где a, b, c - ее длина, высота и ширина (без плавников), в сантиметрах .

Если говорить о формуле "2-4 л/ч на 1г веса рыбы", то для практических целей достаточно один раз приблизительно оценить массу рыб нескольких типичных размеров, скажем, "средний неон" - 1г, "гурами" - 10г, "астронотус" - 100г-1кг, и при этом получим, что на одного "неона" требуется мощность потока воды через фильтр примерно 2-4л/ч, на "гурами" - 20-40л/ч, "астронотуса" - 200-400л/ч. Эти значения могут уточняться, разумеется. Важнее, что при таком подходе мы смотрим прежде всего не на объем аквариума, а на количество и общую массу населяющих его рыб. И это представляется мне более правильным. Хотя, конечно же, это останутся, в любом случае, очень грубые "среднепотолочные" оценки. Более или менее опытному аквариумисту они не нужны, также как и пресловутая формула "3-4объема в час", он и так примерно представляет, какой мощности фильтр надо взять в том или ином конкретном случае, а когда можно обойтись и без фильтра вообще. Но расчитатать точнее все равно врядли получится. А для начинающего может пригодиться и такая грубая оценка.

[Изменено 6-8-2004 автор Dmitrii]

"Как рассчитать примерный вес рыбки (измерение на весах в общем случае отвергается как мучительное для животного)? У Миклухи есть пример - считать среднестатистическую рыбу для упрощения эллипсоидом."

"Опять же, поскольку все равно речь идет об очень грубых оценках, то и вес рыбки достаточно оценить грубо приближенно. "Эллипсоидальная оценка" вполне подходит для этой цели. При этом получаем, что масса рыбы (в граммах) примерно равна
М=a*b*c/2,
где a, b, c - длина, высота и ширина (без плавников), в сантиметрах ."

Все так, но есть рыба "чистая", а есть - "грязная" (с сильным обменом веществ и обильным слизеотделением). Есть разный корм: покормите неделю таблетками со спиррулиной, неделю - мотылем, неделю - трубаком и динамически отследите параметры воды. Уверяю, результат будет сильно отличаться (это даже без химии - на глаз по воде видно).

"Алгебра с гармонией"... Наверное, все эти ТОЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ можно считать ориентиром "минимально-недостаточного". Т.е. строить (брать) реальную систему биофильтрации с запасом эдак раза в полтора. С учетом того, что мы имеем дело не с одинаковыми подшипниками, а живыми тварями. У которых, извиняйте, "и понос случиться может"...
_____

Вот так все говорят - Пошляк! А я натурфилософ...

Разумеется, наивно было бы с этим спорить. Речь идет лишь о грубых оценках по порядку величины. Да и просто, интересно было попробовать разобраться .

[Изменено 10-8-2004 автор Dmitrii]

Извините что ввел в заблуждение. Сегодня внимательно рассмотрел этот фильтр и оказалось что я спутал помпу с УФ стерилизатором. 9 Вт - это мощность УФ. А прудовые помпы к фильтрам продаются отдельно. И имеют недетские производительность и мощность . Так что никаких чудес не произошло.

Но обсуждение получилось хорошим. Спасибо всем за высказанные мысли.

сообщение jav
- мощность помпы 9 Вт. То есть меньше чем в канистрах.
- обьем бака раза в 3 больше, чем канистры.

[Изменено 7/8/2004 автор jav]

сообщение Берсенёв Андрей
Биофильтрация прекрасно описана в любом руководстве по канализационной очистке или водоподготовке.

Из http://www.catfish.l... :

На русском языке из новых книг, я ничего не знаю. Из старых изданий, можете посмотреть почитать это:
1. Уитон Ф, "Техническое обеспечение аквакультуры.", 1985, Москва, Агропромиздат;
2. Орлов Ю.И., "Аквакультура: проблемы и достижения", 1997;
3. Мильштейн В.В., "Осетроводство", 1982, Москва, "Легкая и пищевая промышленность";
4. Гусев Е.Е., "Химизация рыбоводства", Москва, 1985, Россельхоздат;
5. Гриневский Э.В., "Проектирование рыбоводных предприятий", 1990, Москва, Агропромиздат;
6. "Морская аквакультура", 1985, Москва, Агропромиздат;

Это не полный список книг моего студенчества.
Самое любимое издательство - это Агропромиздат, теперь оно называется Колос.

На английском языке много книг.
Я, например, сейчас читаю вот этот трех томник: "Design of Municipal Wastewater Treatment Plants", 4th Edition Book. Очень толково и подробно рассказывается про орошаемые фильтры, аэротенки, отстойники и т.д.

Сохраненная статья с http://www.geocities...

.
Sizing Your Filters
.
Turnover and Filtration Rate
We hear a lot about how big a filter to use, and a lot of people talk about filtering the volume of your tank four times an hour or so as a general rule.  Well, while this isn't a bad rule, per se, it doesn't really tell us what's going on.  If we have a 60 gallon tank, and a 240 GPH filter, we really aren't filtering the water four times an hour.  Not even close.  Because the water coming out of the filter mixes with unfiltered water, we are never as efficient as a turnover rate would imply.
.
Say you have a 100 gallon tank with a filter that pumps 20 gallons per minute.  The first minute, 20 Gallons is filtered, and the remaining water in the tank has 80 unfiltered gallons.  The second minute, of the 20 gallons that you intake, only 16 gallons have not yet been filtered.  Because of mixing, you re-filter four gallons.  As time passes, more and more of the water you take in has already been filtered, so you never achieve 100% filtration, but you get darn close.  After 31 minutes, only 0.0248 gallons of intake have been unfiltered, yielding 99.901% of total volume that has passed through the filter.
.
99.9% filtration time = 6.2 x Tank Volume / Filter Flow Rate
.
where filtration time is in minutes,
Tank Volume is in Gallons, and,
Filter Flow Rate is in Gallons per Minute
.
This gives us a much clearer picture of what's actually going on in the tank, and while we can talk about turnover rates, we should never assume that this turnover rate has anything to do with how long it takes to actually filter the water.
.
The following table shows the coefficient to use in achieving a desired filtration percentage:
.
Filtration Percentage..|..Coefficient
-----------------------------|-----------
90%............................|..2,2
99%............................|..4,2
99,9%.........................|..6,2
99,99%.......................|..8,4
99,999%.....................|.10,4
99,9999%...................|.12,4
.
Determining Media Requirements
.
Mechanical:
Mechanical media, the stuff that filters out suspended solids in the water, is difficult to size mathematically.  In determining how much mechanical filtration is required, we have to take into account the expected load of suspended solids, and the design of the mechanical filter, and how often we want to service the filter.  Errors in sizing will simply require more frequent maintenance, and will rarely impact water clarity unless maintenance is not performed when required.  The following relationships are apparent in this relationship between design characteristics and maintenance requirements.  All of these factors will increase the frequency of maintenance:

Smaller average pore size of the media (media clogs more quickly)
Higher load of suspended solids (more matter available to clog the media)
Smaller surface area of the media (less surface area doing more work)

.
However, not all mechanical filtration designs are as effective in removing particulates.  A system that has an average pore size twice the size of the avarage suspended particle size will certainly not capture all suspended solids in one pass, and that one-pass efficiency is important to us.  If we have small pore sizes, and good media depth, we have a filter that has a greater chance of capturing the particles in the first pass, and coming closer to 100% efficiency.  To recap, these factors increase our filter efficiency:

Smaller pore size (captures more particles)
Greater media depth (provides more opportunities for capture)
Lower flow velocities (prevents dislodgement of captured particles)
Lower pressure (prevents dislodgement)

.
We have to be somewhat cautious about our design of the mechanical filter, however, because as we increase the ability of the media to capture particles we restrict water flow through the media and increase our system head losses.  The greatest effect we can have on reducing the head losses of our mechanical filter are as follows:

increasing surface area
increasing media permeability
decreasing media depth

.
As much as I wanted to give you a formula for determining optimal mechanical filtration criteia, at this time there are really useful available formulas.  It is possible to use a Carmen-Kozeny equation to determine the pressure drop across the media, but this depends on determining a resistance coefficient for the media and a specific surface area of the media particles, and many of the media types in use in aquariums and ponds do not have a readily determined resistance coeffficent.  Many of the media are also not particulate, but screens, which would require a different formula anyways.
.
Biological:
Biological media is simply a host for nitrifying bacteia.  The more we can effect contact between water and biological media, the more efficient our biological filter will be.  The factors important for our design are:

The load of nitrogenous wastes
The surface area of the media
The flow rate of water through the media
The availablility of oxygen in the media

.
Note that we do not attempt to quantify the population of bacteria involved.  First, it is nearly impossible to do, and second it is not important that we do, since bacteria will readily populate the media as long as oxygen and nitrogenous wastes are available.  As the quantity of these inputs change, so will the population of bacteria, and this population will constantly be in flux with the input quantities.
.
Calculating the load of nitrogenous wastes is regularly done in aquaculture.  Our sources for this come from the food for the fish, and from decay of any plants or dead fish.  Since only the first source, food, is what we are designing for (unless the goal of your system is to demonstrate wastewater treatment methods), we will restrict our calculations to the amount of food we intend to feed the fish.  This can be calculated either by expecting to feed an amount equal to 3-5% of the fish body mass per day (for those of us planning to have so many fish we measure them in pounds), or by simply weighing the amount of food we intend to feed per day.
.
Once we have this, we can look at the food we will be feeding and can usually find the protien content of the food.  TetraMin, a coomon staple food, contains 45% protien, and while some of this will be metabolized into increased fish mass, for our worst-case scenario we will assume that all of this ends up entering the water column as either decayed uneaten food, or as urea from the fish, both of which are metabolized into ammonia and ammonium ions.
.
This must be broken down by the bacteria, and empirical data from T. B. Lawson of Louisiana State University suggests that a biological media surface area of one square meter will host enough bacteia to process one gram of ammonia into nitrite, and then into nitrate.  Thus, the following equation will give you the required biological media surface area:
.
Equation 1: Nitrogen loading
.

.
where 
F = Food mass in GRAMS 
P = Ratio of protien content in food 
Tfw = Total Fish mass in GRAMS 
A = biological filter media surface area in SQUARE METERS
.
Another treatment of this problem was referenced by Spotte, focusing on an oxygen demand budget.  Although designed for undergravel filtration, it gives an idea of what is possible in other scenarios:
.
Equation 2: Hirayama Equation for Oxygen Demand
.

.
where 
W = media top surface area (m2) 
V = filter rate (cm/min) 
G = mean grain size (mm) 
p = number of filters 
D = media depth 
B = fish biomass (g) 
F = food mass (g/day) 
q = number of fish
.
This inequality demonstrates the oxidizing capacity of a filter bed on the left side, and the oxygen demand of the filter bed on the right hand side of the equation.  This gives us pollution load estimates for fish, and an indication of oxygen demand for a filter.  Although this appears to be a very detaile equation, Spotte cautions that this should be used as a guideline only for determining fish loads, and not be taken entirely literally.
.
Spotte does recomend a minimum flow rate of 0.07 x 10^-3 meters per second through the media in order to maintain aerobic conditions in the biofilter and prevent anoxic conditions.  In english units this is 2.3 x 10^-4 feet per second
.
Chemical:
Chemical filtration, when employed, generally requires the use of granular activated carbon (GAC) or ion exchange resins, such as zeolite clay.  Spotte reccomends the use of 1 gram of GAC per liter of water, to be replaced every two months (Spotte, 1979)
.
If using ion exchange resins such as zeolite (used in Ammo-Carb and other "ammonia removers"), Spotte makes the following observations about use and efficiency:

Zeolite saturation is 8 m-mole NH4-N per 100 grams of zeolite.
Interionic competition is a problem when removing ammonia in hard water.  A salinity of 0.5% reduced adsorbtion by 90% in one study. 
Sulfate and Chloride ions are strong inhibitors of ammonia uptake by Zeolite.

.
Sterilization:
I do not reccomend ozone for in-home use.  UV sterilization is the preferred method of sterilization.
.
When sizing a UV system, it is important to gauge the flowrate through the sterilizer to be slow enough to deliver a fatal UV dosage to the largest organism you are trying to kill.  In most instances, that organism will be the parasite ichthyophthirius, which will require a dosage of between 100,000 and 336,000 microwatts per second per centimeter squared.
.
The filtration rate, as opposed to the turnover rate, is particularly important for sterilization. An ichthyophthirius spore can release up to 1000 free-swimming tomites which can survive up to 48 hours before finding another host. The goal in sterilization is to mathematically reduce the probability that any of these tomites may survive long enough to find another host to as close to zero as possible. Unfortunately there is little in the way of data available that can show us what the relevant parameters in this equation are, but we can make some estimates to form the basis of our model, at least as a starting point.
.
Assuming that the average time it takes a tomite to infect a host is four hours, our goal with sterilization is to remove 1000 out of 1000 tomites from a tank within four hours -- a sterilization rate of 99.99%. This rate can be achieved provided that the sterilizer flow rate is at least 8.4 x Volume / 240, and that the UV bulb wattage is sufficient to provide the minimum dosage of 100,000 microwatts per square centimeter per second. If the flow is higher, the proper dosage will not be obtained and it is possible that tomites will escape the sterilizer and still be infectious.
.
To determine the size of the sterilizer, we must determine the flow velocity of the water in the sterilizer with the formula
V = .002228 x GPM/ pi x R^2,
where we will obtain the velocity in feet per second. We convert this into centimeters per second by multiplying the flow by 30.48. If we take the flow rate, and divide it by the cross section area of the sterilizer, we determine the amount of time the water is in contact with the sterilizer, and by dividing the wattage of the sterilizer by this time, we arrive at the dosage rate.
.
Example:
We have a 160 gallon tank and wish to install a UV sterilizer. What wattage sterilizer do we need and what flow rate is required, assuming that the sterilizer internal diameter is four inches, and the sterilizer is two feet long, and the bulb diameter is one inch?

1. First, we need the flow rate to achieve 99.99% filtration within four hours. This is 160 x 8.4 / F = 240, or a 5.5 GPM flow rate, so we'll round up and size this for 6 GPM, or about 22.5 liters per minute.
2. The cross section area of the sterilizer will be the cross section of the 4 inch housing, minus the cross section area of the bulb within the housing. In metric units, the housing cross sectional area is 81.07 square centimeters, minus the cross section of the bulb which is 5.07 square centimeters, leaving 76 square centimeters of cross sectional area for water flow.
3. The flow velocity within the sterilizer is 22.5 liters (22,500 cc's) per minute diveded by the cross sectional area of 76 centimeters, which yields 296 centimeters per minute, or 4.93 cm/sec. This keeps the water in the housing for 61 cm / 4.93 cm/sec = 12.36 seconds.
4. The internal area available for contact is the surface area of the inside of the sterilizer, or 5.08 x pi x 61 = 973.5 sq. cm.
5. The dosage is calculated my watts x surface area / time, or 100,000 microwatts x 78.76 cm2/sec, or 7.876 x 10^6 microwatts, or 7.876 watts. An 8 watt bulb is commercially available, and is the appropriate size for this system.

.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
REFERENCES:
Spotte, Stephen, Fish and Invertebrate Culture, 1979, "A Wiley-Interscience Publication"
Lawson, T.B. and Scott, D.,  http://gumbo.bae.lse...
Escobar, Peter, Aquatic Systems Engineering, 1986

Изменено 27.1.16 автор Daxel