Het biologisch filter, over zuurstof en filteropzet

Op de pagina “Het dimensioneren van een biologisch filter” hebben we alles kunnen lezen over hoe groot de inhoud van de filtermassa moet zijn. Dan wordt het nu eens tijd het over de zuurstofvoorziening te hebben.

In ons aquarium hebben niet alleen de vissen zuurstof nodig. Maar ook veel bacteriën kunnen niet zonder zuurstof. Bij het afbreken van de voedselresten en de uitwerpselen van de vissen is toch nog aardig wat zuurstof nodig. En niet alleen vissen en bacteriën kunnen niet zonder zuurstof…..Ook planten hebben voor hun stofwisseling zuurstof nodig.

Hoe meer vissen, hoe meer zuurstof er nodig is. Hoe meer vissen, des te groter wordt ook het filter en tjah, ook daarvoor is meer zuurstof nodig. Maar hoe krijgen we nu zuurstof in het water? Dat kan op een aantal manieren

• Door waterplanten
  We konden al lezen dat planten ook zuurstof nodig hebben, maar overdag als ze assimileren maken ze gelukkig meer zuurstof dan ze ’s nachts nodig hebben. Maken ze dan genoeg zuurstof voor de nacht? We zullen zien…
• Door gasuitwisseling met de atmosfeer
  Aan het wateroppervlak wordt zuurstof uit de lucht opgenomen in het water. Hoe groter de waterbeweging en de luchtbeweging hoe sneller dit gaat.
• Door beluchting
  Bruissteentjes op een luchtpompje brengen lucht in het water. De luchtbelletjes zelf zorgen niet zozeer voor de zuurstofopname maar vooral de extra watercirculatie helpt voor een betere gasuitwisseling met de atmosfeer.
  Een eiwitafschuimer is een zeer effectieve beluchter waarbij de luchtbelletjes wel de gasuitwisseling voor hun rekening nemen.

Zuurstofopname, gasuitwisseling met de atmosfeer

Verreweg de belangrijkste manier om zuurstof in onze bak, en dus ook in het filter, te krijgen is via gasuitwisseling met de zuurstofrijke atmosfeer. In onze buitenlucht zit ca. 21% zuurstof.

Hebben we in het aquarium zelf weinig zuurstof zitten dan zal zuurstof vanuit de lucht richting het water trekken. De zuurstof gaat van een hoge concentratie in de lucht naar de lage concentratie zuurstof in het water. Hoe groter het concentratieverschil in zuurstof tussen lucht en water des te meer (en sneller) zal zuurstof vanuit de lucht naar het water trekken.

Hoe groter we het oppervlak van het aquarium maken, des te groter het oppervlak waarover de zuurstof in het water kan binnendringen. Een aquarium met een open bioloog heeft hierbij een nog wat groter oppervlak wat dus mooi meegenomen is voor een goede zuurstofvoorziening. Een gesloten potfilter draagt uiteraard niet veel bij aan een groter zuurstofopnemende oppervlak met de atmosfeer.

Blazen we gedwongen extra lucht over het wateroppervlak dan wordt voortdurend verse lucht aangevoerd en lucht die al wat zuurstof aan het water heeft afgestaan wordt snel afgevoerd. De zuurstofopname door het water zal dus waarschijnlijk verbeteren…..

Een zelfde situatie krijgen we wanneer we zuurstofrijk water zo snel mogelijk bij het oppervlak weghalen en er voor zorgen dat zuurstofarmer water uit de diepere waterlagen aan de oppervlakte komt.

In warm water kan minder zuurstof oplossen dan in koud water. Maar voor vissen is het juist omgekeerd! Hoe warmer het water, des te meer zuurstof ze nodig hebben!

Ook de luchtdruk en het gehalte aan opgeloste stoffen speelt een rol in hoeveel zuurstof er in het water opgenomen kan worden. Hoe hoger de luchtdruk, des te meer zuurstof er in het water kan oplossen. Hoe hoger het zoutgehalte des te minder zuurstof kan er in het water oplossen. Een zeewateraquarium heeft het dus moeilijker qua zuurstofvoorziening dan een zoetwaterbak.

Zo hebben we al snel de belangrijkste faktoren in beeld die zorgen voor een goede opname van zuurstof in de bak. Voor een goede zuurstofopname willen we:

• Een zo groot mogelijk concentratieverschil tussen zuurstof in de atmosfeer (zo hoog mogelijk) en de zuurstof in het water (zo laag mogelijk)
• Een zo groot mogelijk contactoppervlak tussen water en lucht
• Een goede waterbeweging en goede luchtbeweging zodat continue verse zuurstof en vers water wordt toegevoerd.
• Geen hogere watertemperatuur dan noodzakelijk

Je hoort vaak zeggen dat het er bij hoge temperaturen veel minder zuurstof in het water opgelost kan worden dan bij lage temperaturen. En natuurlijk is dat ook zo. Maar is het verschil in zuurstofgehalte tussen 25 en 30 graden groot? Kijk eens naar het verschil in de onderstaande zuurstofcalculator of in de grafiek daaronder.

Bij de voor een tropisch aquarium bijna standaard 25 graden zit er 8,55 mg/ltr zuurstof in het water. Bij 30 graden is dit nog steeds 7,91 mg/ltr. Da’s een daling van 0,64 mg/ltr oftewel een daling van 7,5% Dat met het ernstig terugvallen van de oplosbaarheid van zuurstof bij hogere temperaturen valt dus binnen het door ons aqarianen vaak gehanteerde temperatuursbereik nog wel mee.

Maar hoe komt het dan dat juist bij hogere temperaturen vissen in problemen komen als de hoeveelheid aanwezige zuurstof nou niet zo schrikbarend is gedaald? Dat komt dus doordat vissen koudbloedig zijn. Hun lichaamstemperatuur is gelijk aan die van het water. Stijgt de watertemperatuur dan stijgt ook de lichaamstemperatuur en daarmee ook het Metabolisme van de vis. En dat betekent dus dat een hogere watertemperatuur ook een hogere zuurstofvraag van de vis geeft. Bij hogere temperaturen neemt dus het aanbod aan zuurstof iets af, maar de vraag neemt sterk toe! En juist dat kan bij hogere temperaturen zuurstofproblemen geven. Vooral de grotere vissen hebben hier het eerste last van.

Komt de zuurstofconcentratie in de lucht overeen met het water dan is er sprake van zuurstofevenwicht. Het water verliest net zoveel zuurstof aan de atmosfeer dan dat het opneemt vanuit diezelfde atmosfeer. De verzadiging is dan 100%. Nemen vissen, planten en bacteriën sneller zuurstof op dan via het wateroppervlak kan worden toegevoerd dan is de verzadiging lager dan 100%. Overdag kunnen planten meer zuurstof produceren dan de evenwichtssituatie met de atmosfeer toelaat. Er zal dan zuurstof vanuit het water naar de lucht ontwijken. De verzadigingsgraad is dan hoger dan 100%. In een zeer goed assimilerende plantenbak zijn zo verzadigingswaarden van wel 120% haalbaar. Ook door bijzonder intensieve beluchting zijn waarden van rond de 95% haalbaar. Meestal vinden we in onze aquaria verzadigingsgraden van 60% voor zeer zwaar bezette bakken tot 90% voor licht bezette aquaria met normale plantengroei.

De nitrificerende bacteriën blijven het nog redelijk doen tot zuurstofgehaltes van 2 mg/ltr. Dat zijn zulke lage waarden dat dan de meeste vissen de pijp al aan Maarten hebben gegeven. Het minimaal benodigde zuurstofgehalte wordt dus door de vissen bepaald.

Planten doen het ook beter in zuurstofrijk dan in zuurstofarm water (Volgens Walstad & Kesselmann, Krause denkt daar weer anders over).

De ene vis kan beter tegen zuurstofloze omstandigheden dan de andere (Labyrinthvissen houden het nog bij erg lage zuurstofwaarden vol door via hun labyrinth orgaan lucht uit de atmosfeer op te nemen). Algemeen genomen is een 5 mg/ltr een redelijke ondergrens. Lagere waarden zijn beslist niet aan te raden. De vissen gaan dan hun activiteit terug schroeven om zuurstof te besparen. Voor het bepalen van het benodigde gasuitwisselings oppervlak voor een aquarium (met of zonder bioloog) is het dan ook raadzaam wat marge aan te houden en een zuurstofgehalte van 6 mg/ltr is dan een hele mooie rekenwaarde. Dan hebben we bij 25 C een verzadigingsgraad van 70% en 75% bij 30 C zoals in de grafiek hierboven is te zien. Let wel! deze grafiek geldt alleen voor zoetwater!

Aantal vissen Gewicht (gram) Voedsel ratio (%) Zuurstof verbruik (gr./dag) Totaal   Ik voer zelf (gram per dag)     Watertemperatuur  Aquarium Bioloog Potfilter   Lengte (cm)     Lengte (cm)     Breedte (cm)     Breedte (cm)     Hoogte (cm)     Netto hoogte (cm)   Auto Hand   Netto pompcap (l/h)   stilstaandzeer zwakzwakmatigredelijk sterksterkerg sterk  Waterbeweging     Filmdikte (um)     Luchtpomp (l/h)     Stijghoogte lucht (cm)   Luchtpomp Aan

Berekeningsgegevens

Aan de hand van het rekenmodel hierboven kun je al snel bepalen hoe het staat met de zuurstofvoorziening in je aquarium. Let wel het is een model dat een grove benadering geeft. Er zijn zoveel faktoren die een rol spelen dat ze onmogelijk allemaal in dit rekenmodel ingevoerd kunnen worden zonder het model bijzonder groot, omslachtig en moeilijk te maken.

Het model is gebaseerd op gegevens uit de professionele viskwekerij (Bron: W. Wheaton, Aquacultural Engineering) aangevuld met gegevens uit het boek H. Bremer, Fische gesund ernähren en de nodige internetbronnen. Voor de beluchtingsberekening is data gebruikt uit het boek C. Hiemenz & R. Rajagopalan, Principles of Colloid and Surface Chemistry. Zie ook het gedeelte op de site over afschuimers.

Veel moeite kost het niet. Even het aantal vissen invoeren, gewicht en evt. hoeveel je voert. Dan wordt uitgerekend hoeveel gram zuurstof er verbruikt wordt. Om het invullen wat te vergemakkelijken kan het lijstje met visgewichten een hulp wezen.

De lijst komt van De site van aquariumvereniging Aquavisie
Vooral op fishbase is genoeg te vinden!

Naast het visgewicht is dan een kolom te vinden waarin procentueel is aangegeven hoeveel van het lichaamsgewicht een vis aan voedsel opneemt. Hoe groter de vis des te minder voedsel hebben ze verhoudingsgewijs nodig. En da’s in de tabel dus weer te vinden. Absolute waarden zijn dit niet. Drukke zwemmers nemen meer voedsel dan trage sloompies.

Wat je voert maakt ook nog wat uit voor de ammoniak en de zuurstofproductie. Eiwitrijk voer geeft meer ammoniak (en dus ook meer nitraat) en een hoger zuurstofverbruik. De invloed van ander voer is (NOG) niet in dit model verwerkt en er is uitgegaan van een vaste eiwit/vet verhouding van 3:1. waarbij per dag ca. 0,4 gram ammoniak per kg vis wordt geproduceerd.
Bron: H. Bremer: “Fische gesund ernähren” & F. Wheaton: “Aquacultural Engineering”

Dan de afmetingen van de bak, het wateroppervlak wordt dan bepaald, hoe groter het oppervlak des te beter wordt zuurstof opgenomen. Hoe meer het wateroppervlak in beweging is, des te sneller en beter verloopt de zuurstofopname. Natuurlijk is ook de temperatuur van belang. Hoe hoger de temperatuur, hoe problematischer de zuurstofvoorziening. Verhoog maar eens de watertemperatuur en je ziet in het berekeningsvenster het zuurstofgehalte in de bak dalen. Minder waterbeweging aan het oppervlak? Zelfde resultaat. Ook de invloed van een bioloog of potfilter op de zuurstofvoorziening is zo goed te zien.

Misschien valt het op dat er in het rekenmodel geen rekening wordt gehouden met waterplanten. Die produceren toch ook zuurstof? Nou dat klopt, maar dat doen ze alleen als het licht aan is. ’s nachts nemen waterplanten net als vissen zuurstof op!

Dat kan juist betekenen dat de zuurstofvoorziening in een plantenbak nog kritischer is als in een bak zonder planten! Iets wat je niet zou verwachten. Daarom wordt er ook niet gerekend met een positieve bijdrage van de planten, eigenlijk zou in de nachtsituatie met de negatieve bijdrage rekening gehouden moeten worden, maar daarvoor ben ik nog aan ’t zoeken naar data….dus dat komt nog wel eens.

De filmdikte is van erg groot belang voor het zuurstoftransport. Stilstaand water zal moeilijker zuurstof opnemen dan water wat continue in beweging is. Bij stilstaand water hebben we dan al gauw een filmdikte van 1000 um (da’s 1 mm). De gemiddelde filmdikte voor de oceanen van deze wereld is bijvoorbeeld maar 70 um. Je kunt kiezen wat voor soort stroming je aan het wateroppervlak hebt en aan de hand daarvan wordt een filmdikte gekozen, die in het uitvoervenster wordt weergegeven. Krijg je een te laag zuurstofgehalte dan kun je door de uitstroomopening van je pomp meer naar het oppervlak te richten een betere oppervlakte beweging verkrijgen. Ook sproeipijpen boven het wateroppervlak helpen natuurlijk aardig mee maar ja, meer waterbeweging betekent ook gelijk meer CO2 verlies. Bij een plantenbak is het dus een beetje schipperen.

De invloed van beluchting op het zuurstofgehalte

In het rekenmodel kun je door middel van een vinkje de luchtpomp mee laten draaien of uitschakelen. Er wordt dan uitgerekend wat het vergelijkbaar oppervlak is van al die luchtbelletjes (standaard diameter van 5 mm). Hoe hoger de waterkolom waarin de luchtbelletjes omhoog gaan, des te langer blijven ze in het water en des te groter het vergelijkbaar oppervlak van al die luchtbelletjes.

Als we kijken naar de uitkomsten bij de standaard waarden van een luchtpompje van 150 l/h en een stijghoogte van 45 cm dan zien we een toename van het wateroppervlak van bijna 840 cm2. En da’s nog aardig wat extra voor het aquarium in het rekenmodel. Het zuurstofgehalte stijgt met een 0,5 mg/ltr. De verzadiging gaat van 66 naar 71%. Hoe kleiner we de belletjes maken, des te groter wordt het effekt. Maar veel kleiner dan een diameter van 5 mm lukt helaas niet in zoetwater. In werkelijkheid is de zuurstoftoename nog wat groter dan in het rekenmodel omdat er ook meer waterbeweging is aan de oppervlakte (kleinere filmdikte) en de diffusiecoefficiënt voor zuurstof in een luchtbel gunstiger is als voor een plat oppervlak (ca. 2x zo goed).

Al met al kunnen we zeggen dat die luchtbelletjes op zich al aardig wat doen, en dat het effect van beluchting niet alleen berust op het in beweging brengen van het wateroppervlak zoals vaak wordt gezegd. Dat is ook wel logisch anders zou immers het effect van een beluchter in de kamer van een bioloog nihil zijn. Dan brengen we immers alleen het wateroppervlak in één filterkamer in beweging. De rest niet. Kortom….beluchten helpt vooral door het grote oppervlak van al die belletjes. Daarom werkt een eiwitafschuimer ook zo enorm goed als beluchter.

Calculator is geen indicatie voor maximaal aantal vissen

Ik wil er, maar dat wist je natuurlijk al, toch even op wijzen dat zo’n rekenmodel als dit wel een goede indicatie kan geven over het te verwachten zuurstofgehalte in een aquarium. En het kan zo helpen bij het opzetten van een bak al van te voren te bepalen of je qua visbezetting die je voor ogen hebt maatregelen moet nemen.

Maar je zult er zelf rekening mee moeten houden dat vissen ook de nodige ruimte moeten hebben om te zwemmen. Dus geen 100 cm lange vis in een bakkie van 160 cm. Dat hoge vissen een hoge bak nodig hebben (geen maanvis in een 40 cm hoog bakkie), of dat vissen vanwege territorium gedrag de nodige vrije ruimte willen. Voor dat soort zaken moet jezelf het nodige onderzoek doen.