濾材性質比較與發展
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不論是汙水處理或是水產養殖或是水族缸
水中廢物的處理大多依靠細菌
菌的工作效率高低取決於生物膜的生成狀況
生物膜長得好工作效果就好
而生物膜長得好不好
和濾材性質習習相關
根據濾材的材質可以將濾材分成
- 無機物濾材
- 可被細菌利用的有機物濾材
- 不可被細菌利用的有機物濾材
這三種的比較如下
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無機物濾材 |
可被細菌利用的有機物濾材 |
不可被細菌利用的有機物濾材 |
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例如 |
活性碳、 火山岩、 沸石、 陶瓷 |
海藻酸鈉、 稻稈、 竹子、 椰纖 |
各式塑膠 |
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機械強度 |
高 |
低 |
高 |
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通透性 |
低 |
高 |
高 |
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表面積 |
大 |
中 |
小 |
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生物膜形成速度 |
慢 |
快 |
中 |
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生物膜黏附性 |
高 |
高 |
低 |
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性質 |
穩定 |
不穩定 |
穩定 |
簡單來說
無機物濾材 雖然培菌面積大，但問題是容易阻塞而且啟動慢，需要定期更換
可被細菌利用的有機物濾材 什麼都好，但性質不穩定，而且用一用會被分解。不好控制
不可被細菌利用的有機物濾材 通透性好啟動速度快，但是培菌面積小而且生物膜容易脫落。需要使用的量較大。
濾材目前的研究發展發向
目前的濾材發展正在往這幾個缺點下去做修正
無機物濾材的部分
沸石可以對其表面性質做處理，加快細菌黏附的速度(關鍵字surface-modified zeolites)
陶瓷則能做成多孔或是網狀，讓其孔隙相連讓其不易阻塞
(關鍵字reticulated porous ceramics、porous ceramic carriers)
不過仍是要定期更換
可被細菌利用的有機濾材
則是往人工合成的緩釋型碳源發展
讓性質更穩定，並且加強其機械結構讓其不易崩解(關鍵字PHBV)
不可被細菌利用的濾材
則想辦法增加親水性與表面積粗糙化
減少用量，並讓生物膜更不容易脫落
水族濾材的選擇
不過以上的濾材性質評估
都來自於汙水處理
汙水處理與水族飼養上有幾個不同的地方
- 汙水處理要處理的有機物量和氨濃度都非常高
- 汙水處理除了氨氮、有機物外，還要處理各式各樣的化學物質，例如: 激素、農藥、重金屬
- 汙水處理的生物膜基礎細菌量非常的高，且以腐生菌為主力，所以會長出大量生物膜
- 汙水處理使用的勞力越少越好
- 汙水處理使用的體積越少越好
而在水族飼養上主要關注的
只有有機物與氨氮廢物的處理
有機物的攔截可以透過物理過濾濾材與飼主的努力
只要物理過濾區設置合理
生物過濾區需要處理的有機物並不多
所以生物過濾區只要負責處理氨氮
加上水族箱中的汙染量遠少於汙水處理
而且過濾器的培菌空間超級充足
因此並不需要追求超高密度的培菌
適合水族的濾材反而是
- 高容錯率
- 好清洗操作
- 培菌穩定
- 性質不易變動
因此
改良後的無機濾材
細菌不可分解的有機濾材
都是不錯的選擇
無機濾材當中
沸石與多孔陶瓷 會是水族最好的選擇
沸石本身能吸收氨
因此在硝化系統出問題時
可以做到緩衝的功能
就算在海水系統裡也能加強氨的處理速度
不過沸石的種類繁多
並非所有的培菌效果都很好
需要特別挑選
西肯 matrix本身就是篩選過的沸石
Powerhouse也是類似沸石的材質
而韓國出品的Neo media則為類似改質沸石的成分
而在有機物多的環境下(生物量或餵食量超高)
陶瓷基的濾材表現會沸石好
但選擇時務必注意濾材的通透性(以初次放入水中會產生泡泡者為佳)
而用錯陶瓷種類會讓效果大打折扣
有些陶瓷的成分本身具有抗菌的能力
(氧化鈣與氧化鎂含量高者)
細菌反而不容易附著
所以遇到太便宜的陶瓷環千萬小心
細菌不可分解的有機濾材
在水族比較常用的材質有
聚氨酯polyurethane (黑色生化棉)
聚乙烯PE (K1的材質)
聚丙烯 PP (生化球的材質)
這幾個都很適合硝化細菌居住
而且在環境有機物高的時候
硝化反應也不容易被影響
不過目前的問題是
他們培菌面積相對少
所以在生物量較高的魚缸中
會需要比較大體積或是高交換率的過濾器
或者要搭配無機質濾材使用
清洗的時候
也不能一次大量清洗
因為其上的生物膜較容易剝落
不過換句話說就是
如果水流夠大的話不用特別清潔
因為這些濾材具有自我清潔的能力
參考文獻
Zhao, Y., Liu, D., Huang, W., Yang, Y., Ji, M., Nghiem, L. D., ... & Tran, N. H. (2019). Insights into biofilm carriers for biological wastewater treatment processes: Current state-of-the-art, challenges, and opportunities. Bioresource Technology, 288, 121619.