Устройство гравийных (грунтовых) фильтров предшествуют определение общих параметров, подготовка фильтровальной платы и расчет эрлифта. Устройство эрлифтов рассмотрено в разделе 5.1.

Основные требования. Гравийные фильтры полностью обеспечивают биологическую и механическую очистку воды, необходимую для большинства даже очень больших аквариумных систем, поэтому требования к биологической и механической очистке одинаковы и заключаются в следующем: площадь поверхности фильтра должна быть равна площади аквариума, размеры частиц гравия должны составлять 2-5 мм., гравий должен быть отсортирован по размерам частиц, толщина фильтрующего слоя должна быть одинаковой по всей площади фильтра, частицы гравия должны быть неправильной угловатой формы, расход воды должен составлять примерно 0,7*10-3 м/с, минимальная толщина фильтра должна быть 7,6 сантиметров.

Распределение бактерий в фильтрующем слое непосредственно зависит от его толщины, которая косвенно влияет и на эффективность переработки органических веществ в воде. Каваи с соавторами показал, что в морском аквариуме гетеротрофные бактерии были наиболее многочисленны на поверхности фильтрующего слоя, а на глубине 10 см. их число снижалось почти до 90%. Подобная тенденция сохранялась и для автотрофных видов. Популяция бактерий-окислителей аммония и нитритов, плотность которых в поверхностном слое составляла 10 в 5 степени и 10 в 6 степени экз./гр., уменьшалась на 90% на глубине 5 см. Исходя из этого Каваи и др. рекомендовали устраивать неглубокие фильтры с большой поверхностью. Иошида (Yoshida, 1967) сообщал, что в морских аквариумах максимальная активность нитрифицирующих бактерий отмечена в верхних слоях фильтра (см. рис. 1.4). С увеличением толщины слоя активность резко снижалась. Таким образом, требование, чтобы поверхность фильтрующего слоя равнялась площади аквариума, является основным.

Хираями (Hirayama, 1965) показал, что зависимость эффективности переработки органических веществ от толщины фильтра носит непрямой характер в тех случаях, когда критерием служила ОСФ (окислительная способность фильтра). ОСФ можно выразить, как скорость биологического потребления кислорода – БПК/мин. И наоборот, время, необходимое для прохождения воды через фильтр, должно положительно коррелировать с ОСФ.  Хираяма показал, что толстые фильтры не имеют преимуществ, так как время, необходимое для прохождения воды через фильтр, пропорционально его толщине. В доказательство этой точки зрения Хираяма поставил эксперимент, в котором отработанная вода проходила через четыре фильтра, различавшихся только по толщине. Время, необходимое для прохождения воды через фильтр, поддерживали постоянным путем измерения расхода воды. В конце опыта оказалось, что ОСФ оставалась одинаковой, несмотря на то, что толщина фильтров была разной. Таким образом, толстые фильтры требуют больших расходов воды, чем тонкие.

Фильтровальные платы. Фильтровальная плата отделяет фильтрующие слои от дна аквариума. Примечание: в современной аквариумистике такое обустройство донного фильтра называют – фальшдно. В аквариумистике фальшдно применяется редко.  Важно плотно склеить края платы со стеклами аквариума, чтобы под нее не просыпался гравий (грунт). Для большинства аквариумов фильтровальная плата может быть изготовлена из любого пористого материала, не подвергающегося коррозии в воде. В аквариумах «Ниагара-Фолс» и «Мистик МаринЛайф» применены гофрированные листы из армированного стекловолокна и сетка их эпоксидной смолы и армированного стекловолокна. В гофрированных листах с помощью настолькой циркулярной пилы, оборудованной фрезой для резьбы по пластмассе, следует прорезать щели  перпендикулярно ребрам жесткости. Ширина щели (рис. 1.6.) 1 мм, длина 2,5 см., расстояние между щелями пять сантиметров. После этого панели укладывают прорезями вниз аквариум и заделывают стыки с помощью ленты из стекловолокна (ширина 5 см) и силиконового клея. После того, как клей полностью затвердеет, можно наспать слой гравия (грунта) и разровнять его по плате.

При использовании сетки ее разрезают сверху пластиковым ситом и закрепляют его на сетке с помощью лески или стальной нержавеющей проволоки. Затем стыки герметизируют силиконовым клеем. И листы и сетки должны быть отделены от дна аквариума специальными подставками, например из бетона, или половинками полихлорвиниловых труб требуемой длины, разрезанных вдоль и установленных на рая. 

Рис. 1.6. Поперечный разрез аквариума, показывающий устройство фильтрованной платы из гофрированного стеклопластика.

Важно, чтобы вода могла свободно циркулировать между прокладками. Бетонные подставки покрывают тремя слоями эпоксидного клея, особенно в морских аквариумах,  для предохранения бетона от эрозии. Подставки не следует прикреплять ни к фильтровальной плате, ни к дну аквариума.

Производительность фильтра. Важным аспектом биологической очистки является производительность фильтра, которую определяют по максимальному количеству животных, способных жить в данной аквариумной системе. Хираяма предположил следующую формулу для расчета производительности фильтра в морских аквариумах (Уравнение пригодно и для пресноводных аквариумов, однако нуждается в уточнении).

Левая часть уравнения описывает окислительную способность фильтра (ОСФ), выраженную количеством О2 (в мг), потребляемых в минуту.

Правая часть уравнения (4) характеризует скорость «загрязнения» воды животными. Она также выражается количеством О2 (в мг), потребляемых в минуту.

Как видно из формулы (4), окислительная способность фильтра может быть больше или равна скорости «загрязнения» воды животными. Важно также отметить, что чем меньше масса отдельных животных,  тем ниже производительность аквариумной системы. Другими словами, производительность биологического фильтра не является простой функцией массы животных.

Система которая может обеспечит жизнедеятельность одной рыбы массой 100гр., может не выдержать нагрузку от 10 рыб массой по 10гр.  Предположим, в гипотетическом аквариуме W=0,36м2, V=10,5 см/мин, D=36 см. Если грунт однороден по размеру и R=4мм, то  из уравнения (5) следует, что G=(1/4)*100=25. Подставив эти данные в левую часть уравнения (4), получим окислительную способность фильтра (ОСФ), которая эквивалента скорости биологического потребления кислорода – БПК/мин.

Предположим далее, что в аквариуме содержаться рыбы массой 200гр. И их суточный рацион составляет 5% массы тела. Из правой части уравнения (4) (ОСФ обозначена Х) следует, что:

В таблице 1.2 приведены значения Х для одной рыбы в зависимости от ее массы (в гр.) и величины суточного рациона (в % массы тела). Из табл. 1.2. следует, что одна рыба массой 200гр., суточный рацион которой составляет 5% массы ее тела, создает «нагрузку» на фильтр, равную 0,69 ОСФ/мин. При этом q=Х/0,69=3,2/0,69=4,6 рыбы, то есть в аквариуме можно содержать четырех рыб.

Таблица 1.2. Нагрузка на фильтр в зависимости от массы одной рыбы и величины суточного рациона (в % массы тела).

Применять эту методику следует с осторожностью. Нагрузка на фильтр изменяется по мере роста животных, а его производительность может внезапно превышена из-за гибели рыбы или при резком снижении содержания кислорода.  

В качестве еще одного примера определим, можно ли в аквариуме из первого примера содержать 10 рыб по 50 гр. и одну массой 600гр. при той же норме кормления – 5% массы тела ежесуточно. Как видно из табл. 1.2., нагрузка на фильтр составит 10(0,21)+1(1,85)=3,95 ОСФ/мин. Ответ будет отрицательным, поскольку нагрузка на фильтр превышает его производительность, которая составляет 3,2 ОСФ/мин.