Отправной точкой для расчета биофильтра, является условие полного разложения аммония (аммиака), то есть по сути - обеспечение колонии нитрифицирующих бактерий следующими условиями:
1. Площадью для «проживания»;
2. Достаточным питанием;
3. Приемлемостью и неизменностью условий жизнедеятельности (т.к. к расчету биофильтра это не имеет прямого отношения, то эта тема будет рассмотрена в вопросе о влиянии внешних факторов на биофильтрацию).

Рассмотрим все это на примере самого распространенного биофильтра для 200 литрового аквариума – внешнего фильтра, канистрового типа. Все рекомендации приводятся для средней зарыбленности аквариума.

I. «Жилплощадь» для бактерий.

Местом обитания бактерий является находящийся внутри фильтра субстрат. В литературе встречаются различные рекомендации, зачастую взаимоисключающие. (Некоторые приведены в вопросе о выборе биофильтра). Например, что объем субстрата должен быть до 10% объема аквариума и иметь площадь поверхности 3м2/л воды аквариума. То, есть получаем фильтр объемом 20 л и с площадью субстрата 600 м2. Но при использовании Ehfisubstrat мы получим в 20л не 600, а 9000 м2/л. А вот с керамическими кольцами для получения 600м2 нужен фильтр объемом не 20л, а около 700л. Так что же тут не так? Попробую высказать свои умозаключения по данному вопросу.

Для начала рассмотрим виды субстратов используемых в биофильтрах.

1. Непористые субстраты. Гравий, керамические трубки, пластмассовые биошары, ежи и т.д. Эти субстраты имеют площадь поверхности от 0,1 до 2,0 м2/л объема субстрата. И вот именно для этих субстратов используется рекомендация, что объем субстрата должен составлять от 2 до 10% аквариума.

Субстрат
Площадь поверхности, м2/л.
Площадь субстрата в 20л. фильтре, м2.

Гравий диаметром 5 мм.
0,7
14

Гравий диаметром 10 мм.
0,4
8

Пластиковые ежи диаметром 40 мм.
0,3
6

Пластиковые ежи диаметром 56 мм.
0,2
4

Биошары
0,3
6

Керамические кольца диаметром 5 мм.
1,0
20

Керамические кольца диаметром 8 мм.
0,55
11

Керамические кольца диаметром 10 мм.
0,45
9

Керамические кольца диаметром 15 мм.
0,3
6

Эта методика применяется в промышленных биофильтрах для рыборазводен и общественных аквариумов, где в основном и применяются данные субстраты. Самодельные биофильтры 70-х, 80-х годов которые мне приходилось видеть, тоже вполне вписываются в данные критерии.

Субстрат
Площадь поверхности, м2/л.
Объем субстрата для 200л. аквариума.

A.M. Zeramix
1250
0,5л.

Ehfisubstrat
450
1,5л.

Sera Siporax
270
2л.

Сравните объемы камер для биосубстрата выпускаемых аквариумных фильтров, учитывая площадь поверхности, используемого в них субстрата и поймете, почему у разных производителей разные объемы биофильтров. (Справедливости ради скажу, что дело не только в этом, но об этом немного позже).

Тут стоит отметить, что площади поверхности высокопористых и непористых субстратов – параметр несопоставимый. Есть маленькие тонкости, о которых почти все знают, но не придают им должного значения (и об этом редко пишут, за исключением литературы по промышленным фильтрам и редким аквариумным источникам, например книги Мартина Сандера «Техническое оснащение аквариума»). Ведь становление биофильтра длится около 2-х месяцев, а производители высокопористых субстратов рекомендуют менять свои субстраты через 5-6 месяцев использования. Дело тут в том, что поры данных субстратов очень малы и за это время они «заиливаются» и мало того, что высокопористый субстрат по площади поверхности становится точно таким же как непористый субстрат такой же формы, но и в заиленных порах начинаются неконтролируемые анаэробные процессы. То есть получаем, что данные субстраты дают максимальную эффективность всего 1-2 месяца (то есть 3-ий и 4-ый месяц эксплуатации) и то с эффективностью не более 30-40% от своей площади (правда и это очень высокий показатель, по сравнению с непористыми субстратами). Причем, чем больше пористость, тем быстрее протекают процессы заиливания. Затем полезная площадь резко снижается (все видели, как выглядит биосубстрат после нескольких месяцев эксплуатации – он весь покрыт плотной бактериальной пленкой). Вот поэтому и идут советы, основанные не на теории, а на опыте аквариумистов по увеличению объема биосубстрата, за счет уменьшения субстратов префильтрации и тонкой очистки. Нужно же как-то восполнять потери при ограниченном объеме биофильтра. И вот здесь стоит присмотреться к третьей группе субстратов.

Резюме:
Чем менее пористый у вас субстрат, тем больше должен быть его объем, но тем больше будет срок его службы до полной замены. Какой субстрат выбрать? Малое количество высокопористого с периодической его заменой, или большее количество (а следовательно и больший объем фильтра) практически вечного непористого субстрата – решать вам. И вообще – фирма Eheim утверждает, что при средней заселенности аквариума, ее фильтры справятся с биофильтрацией только при использовании штатной губки. Не врет, проверено – справляется.

II. Условия питания.

Для обеспечения нормальных условий жизнедеятельности бактерий требуется обеспечить еще несколько условий:

1. Насыщенность воды кислородом, обеспечивающую потребность бактерий. Для окисления 1мг аммония бактериям Nitrobacter требуется 2,6 мг кислорода, а для окисления 1мг нитрита бактериям Nitrosomonas 0,35 мг. Кислорода. Не буду приводить утомительных расчетов, просто скажу, что при нормальной концентрации кислорода в воде, необходимая колония бактерий будет работать на 60-80% своих возможностей. Если нужна более эффективная переработка, то применяют систему «влажной» (или «полусухой») фильтрации или применяют принцип осушения субстрата, как в фильтрах Eheim wet-dry, или иные варианты. Но эти методы бывают необходимы только при большой заселенности аквариума, содержании очень капризных видов рыб и несоблюдении вышеуказанных рекомендаций.

2. Величина проходного сечения субстрата (свободный объем). Этот параметр важен для предотвращения заиливания субстрата и снижения необоснованной потери напора помпы. Она должна быть около 50 – 70%. Причем при укладке субстрата в фильтр, нужно обеспечить равномерное распределение водного потока внутри фильтра (то есть не нужно укладывать кольца ровными рядами друг на друга) и обеспечить отсутствие застойных зон (не нужно утрамбовывать субстрат или использовать субстрат разной формы и размера). Кроме того, размер гранул биосубстрата, не должен быть менее 5-10 мм.

В таблице приведен процент проходного сечения субстратов различной формы.

Субстрат
Величина проходного сечения, %.

Гравий диаметром 5 мм.
27

Гравий диаметром 10 мм.
32

Пластиковые ежи диаметром 40 мм.
86

Пластиковые ежи диаметром 56 мм.
88

Керамические кольца диаметром 5 мм.
63

Керамические кольца диаметром 8 мм.
65

Керамические кольца диаметром 10 мм.
68

Керамические кольца диаметром 15 мм.
72

3. Скорость омывания водой субстрата (время контакта субстрата с водой). Это уже косвенно связано с самой распространенной рекомендацией, что через фильтр должно проходить 2-3, а то и десять объемов аквариума в час.

Эффективность фильтра =
3 * Объем аквариума

Производительность фильтра

То есть фильтр производительностью 600 л/ч. профильтрует за час аквариум в 200 литров всего один раз. (Методика вывода данной формулы приведена на сайте Михаила Дубиновского). К эффективности биофильтрации этот параметр имеет лишь косвенное отношение, скорее это можно использовать как упрощенный оценочный параметр фильтра, т.к. производительность должна быть сопоставлена с объемом субстрата. Фильтр производительностью 700л/ч. и объемом субстрата 0,1л не даст вообще никакой фильтрации, только будет активно перемешивать воду. Эффект стиральной машины в аквариуме многие уже проходили.

Итак о скорости омывания. Вы видели, как мальки гоняются за артемией или молодью циклопов? Далеко не все сначала и догоняют. А бактерии вообще сидят на месте. И если скорость омывания (читай скорость и количество доставки пищи) будет мала, то они останутся голодными. А если слишком велика, то их самих смоет вместе с водой. Как рассчитать данный параметр еще никто не придумал. Зато существует статистика опытных исследований (например график можно посмотреть в книге М.Сандера «Техническое оснащение аквариума»). И опытным путем установлено, что максимальной эффективности, биофильтрация достигает при времени контакта субстрата с водой около 3 минут. Этот параметр конечно не универсальный, и может изменяться в разных условиях, при использовании различных субстратов и т.д. (при желании, можно ввести поправку на результат в 10-30%). Но из данного параметра ориентировочно можно вывести производительность биофильтра. Например, по расчетам объема субстрата у вас получился объем два литра. Тогда скорость омывания (а следовательно и ориентировочная производительность фильтра) составит:

2л. * 3мин. * 60мин. = 360 л/час.

Но это будет производительность именно фильтра, а не помпы. Нужно учитывать еще потери при прохождении воды субстрата (величину проходного сечения как биосубстрата, так и субстратов префильтрации и тонкой очистки), потери в трубопроводах и т.д. (за справочной информацией отсылаю к справочникам по гидравлике). И корректно, указывают данную информацию далеко не все производители. Большинство ограничиваются только производительностью помпы. Приятное исключение составляет фирма Eheim (см. таблицу в конце статьи).

А теперь проведем упрощенный расчет параметра биофильтра для 200л. аквариума:
1. Количество биосубстрата от Eheim - Ehfisubstrat = 3 м2 * 450 м2/л. = 1,5л. субстрата. Как и говорили, лучше увеличить его количество. Возьмем 2л.
2. Субстрат префильтрации, рекомендуют использовать примерно половину от количества биосубстрата, да и в фильтре обычно три кассеты, и только первая заполняется субстратом префильтрации. Получим еще 1л. субстрата. Что еще и увеличит полезную площадь для заселения бактерий, т.к. субстраты префильтрации есть суть непористые биосубстраты. Но в расчет биофильтрации ее можно принять (и то при желании) лишь с кофициентом 0,3-0,5, т.к. эти субстраты промываются раз в месяц-два и по количеству бактерий могут набрать не более 50% требуемой производительности.

Итого суммарно получим 3л. субстрата.

3. Производительность фильтра составит = 2л. * 3мин. * 60мин. = 360 л/час. Для биосубстрата.
Плюс для субстрата префильтрации 1л. * 3мин. * 60мин. * 50% = 90 л/час.

Итого получим производительность фильтра 450 литров в час.

4. Производить расчет потерь производительности не буду, возьму на вскидку примерно процентов 50, т.к. Ehfisubstrat имеет площадь проходного сечения ближе к гравию, чем к кольцам, в отличие от субстратов Sera или Hagen. Плюс потери в трубопроводах и т.д.

Получу производительность помпы 450л./ч. * 1,5 = 675 л./ч.

А теперь сравните полученный расчет с параметрами популярных фильтров Eheim для аквариума 200 л.

EHEIM classic 2213
EHEIM professional 2224

Производительность насоса л. /час
650
700

Производительность фильтра – л. /час
440
500

Объем фильтрующих элементов
3,0
3,0

Напор – м.вод.ст.
1,5
1,5

Потребляемая мощность – Вт.
8
8