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O Mito da Superfície Específica

Nas rodas de conversa sobre mídia biológica de filtros de aquário o fator mais discutido é sempre a superfície específica da mídia, quanto mais superfície específica a mídia tiver, melhor vai ser a filtragem do seu aquário. Mas será que na prática é assim mesmo? Será que é um fator mais decisivo? A resposta é: Não!

A superfície específica de uma dada coisa é a quantidade de superfície contida em uma dada quantidade que pode ser volume ou peso. As mídias para aquários geralmente são comercializadas com seus dados na base de metros quadrados por litro (m²/l), mas podem ser encontrados na forma de metros quadrados por metro cúbico (m²/m³). Um metro cúbico equivale a mil litros.


 Então para que serve a superfície específica no aquarismo?


A superfície específica das mídias biológicas serve para a colonização das bactérias que vão fazer a filtragem da água, seja de amônia, nitrito, nitrato ou compostos orgânicos diversos. Ela só tem utilidade para permitir que as bactérias se fixem e estejam num ambiente mais favorável ao seu crescimento.


Quando falamos isso a raciocínio padrão é pensar que quanto mais superfície específica a mídia tem ou quanto mais superfície específica tiver no sistema de filtragem, melhor a filtragem, porém isso não é verdadeiro em nenhum dos dois casos.


Existem 3 pontos a se considerar nesse assunto: A necessidade do sistema de filtragem, a configuração do sistema de filtragem e a transferência de massa do sistema.


Necessidade de Superfície Específica do Sistema


A necessidade de superfície específica de cada aquário é muito menor que as pessoas pensam, muito menor. Alguns poucos metros são suficientes para criar um ambiente com condições favoráveis para a maioria dos aquários existentes.


Os pesquisadores em empresas de aquicultura mundo a fora mostram que a taxa de remoção de amônia varia entre 0,2 e 2 gramas de nitrogênio total por metro quadrado de superfície de mídia biológica por dia, sendo a média entre 0,5 gramas de nitrogênio por metro quadrado por dia. Isso é uma quantidade muito grande quando estamos falando de aquários.


Se você pegar um pote de ração de boa qualidade de 10 gramas que tenha 40% de proteína, 4 gramas são de compostos nitrogenados que vão se transformar em amônia. Se você jogar tudo isso no aquário, um filtro vai precisar de algo entre 2 e 20 metros quadrados de superfície específica para converter todo esse nitrogênio em nitrato. Se for olhar pelas mídias de vidro sinterizado seriam necessários no máximo meio litro de mídia, mas na realidade não é assim que funciona.


Esse pote de ração tem 100 gramas e cerca de 35 gramas de proteínas. Num filtro são necessários entre 35 e 100 metros quadrados de superfície específica para consumir tudo em um dia se você jogar o pote de ração inteiro no seu aquário. Mais uma vez seria necessários apenas 1 litro de uma mídia de vidro sinterizado.

Segue abaixo alguns textos com os resultados dos trabalhos com as devidas referências bibliográfica no final desse texto. É preciso lembrar que são trabalho de pesquisadores de universidades renomados e publicados em portais e revistas reconhecidos pela qualidade no mundo todo. Esses testes são feitos com equipamentos de excelente precisão e não se comparam com nenhum teste que possamos fazer em casa em questão de confiabilidade. Muitos desses trabalhos são repetidos várias vezes para assegurar a sua confiabilidade e os números são sempre parecidos em trabalhos realizados em diversos lugares, diversos jeitos e desde os anos 80.


Ling and Chen (2005)[1] fizeram uma comparação entre três tipos de filtro, sendo um com bolinhas de polietileno flutuantes(cerca de 1,3m²/l de superfície específica), um filtro de areia fluidizada( cerca de 6 m²/l de superfície específica) e um filtro submerso (com cerca de 0,36m²/l).  Os resultados podem ser vistos na Tabela 1 abaixo. É importante notar que quanto maior a quantidade de carbono na água, menor foi a nitrificação.

Guerdat, Todd C., et al[2] também compararam 3 filtros sendo o primeiro um Clearwater TM Low Space Bioreactor usando a mídia Kaldness (da mesma empresa que fabrica a k1 e bem parecida com esta), o segundo um PolyGeyser Floating Bead filter utilizando bolinhas de polietileno (as mesmas mencionadas anteriormente) e o terceiro um CycloBio 1 Fluidized Bed Biological filter utilizando areia de forma fluidizada. Os resultados podem ser vistos na Tabela 2 abaixo.

Harwanto, Dicky, Sung-Yong Oh, and Jae-Yoon Jo[3] fizeram um teste comparando areia, micro mídia plástica e mídia da Kaldness com superfície específica de 7,8m²/l, 3,3m²/l e 0,5m²/l respectivamente. OS resultados podem ser vistos no Gráfico 1 abaixo. A Kaldness teve um melhore resultado por metro quadrado de superfície específica, porém se considerar para cada litro de mídia teve o pior resultado.

Sandu, Simonel I., et al[4] utilizando mídia plástica fluidizada com superfície específica de 1,6m²/l conseguiram uma taxa de remoção de amônia e nitrito entre 0,18 e 0,36 gramas por metro quadrado por dia.


Summerfelt [5] fez um dos trabalhos mais completos que já lemos sobre filtros de areia fluidizada. Ele conseguiu uma remoção média de 0,3 gramas somando amônia e nitrogênio por litro de areia expandida do filtro.


A Organização das Nações Unidas para a Alimentação e Agricultura em sua cartilha disponível no site www.fao.org mencionam a taxa de remoção de amônia variando entre 0,2 e 2 gramas por metro quadrado de superfície específica.


A Universidade do Arizona em um de seus materiais[6] mencionam a taxa média de remoção de amônia média de 0,5g por metro quadrado por dia.


Vendo todos esses trabalhos as pessoas podem dizer que são na área de aquicultura e que não serve para aquário. Isso não é verdade. Grommen, Roeland, et al[7] mostram em seu estudo uma remoção média de 0,47 gramas de amônia por metro quadrado de mídia em aquários. Isso corrobora que o sistema é idêntico e os resultados semelhantes.


A grande maioria dos textos científicos não fala de mídias muito porosas com essa finalidade, muito poucos mesmos. Em um dos textos que tivemos acesso, Prinsloo, J. F., et al [8] faz uma comparação entre 3 filtros sendo 1 contendo cortes de cano de pvc totalizando 1220 m², um filtro rotativo totalizando 271,2 m² de superfície específica e um filtro com Siporax totalizando 32000m² de superfície específica. Você pode não acreditar, mas o filtro que teve pior resultado foi o filtro contendo Siporax. O filtro com siporax com 178 vezes mais superfície específica que o filtro rotativo e 26 vezes mais superfície específica que o filtro com pedaços de pvc teve um resultado pior que os outros dois filtros.

Para quem não conhece o filtro do tipo rotativo segue um vídeo abaixo:


Como definir a superfície específica necessária do aquário?


Com todos esses dados e nossa experiência prática de décadas nós da Aquários Sobrinho que um aquário deve ter na média de 1 a 5 metros quadrados de superfície específica para cada 100 litros de aquário, mas, como veremos à frente, a superfície específica sofre uma limitação de acordo com a vazão do sistema. Não adianta encher o sistema de mídia se o fluxo de água não vai ser suficiente porque não vai adiantar nada. Se seu sistema for suficiente para 10m² de superfície específica, você pode colocar 10m² ou 200m² que vai dar o mesmo resultado.


Segue abaixo uma tabela com algumas superfícies específicas de algumas mídias de acordo com o fabricante ou uma média geral e alguns preços médios.  

Todos os trabalhos caminharam para uma média comum independente do tipo de mídia usada. Vimos que em testes diferentes com mídias diferentes alguns resultados foram diferentes e essa será explicado mais à frente. 


Nós possuímos uma bateria de revenda de carpas com pouco mais de 1500 litros que chega a ter mais de 300 carpas variando entre 10 e 50 cm que funciona apenas com cerca de 60 litros de argila expandida, não possui filtro UV e a amônia e nitrito estão sempre menores que 0,5ppm. Esse sistema de filtragem deve ter entre 12 e 24 metros quadrados de superfície específica(algumas argilas estão quebradas), menos que 1 litro de qualquer mídia de vidro sinterizado.  Acredita que um sistema desse tamanho poderia funcionar com apenas um litro de cerâmica comercial? A bateria pode ser vista no vídeo abaixo:

Mas por que as mídias de vidro sinterizado possuem tanta superfície específica, mas não possuem o mesmo resultado?


As mídias de vidro sinterizado possuem de fato uma grande superfície específica, não há nenhum motivo para descordar disso, mas existe uma diferença entre superfície específica total e superfície específica efetiva.

A superfície específica total é a toda a superfície específica que o material possui. O carvão ativado possui uma média de 750m² de superfície específica por grama de carvão ativado. A zeolita tem uma média semelhante à do carvão ativado. Esses materiais são baratos, possuem uma superfície específica muito grande e não são usados para colonização de bactérias.


A superfície específica efetiva é aquela que tem real capacidade de abrigar uma colônia saudável de micro-organismos. Não é só porque existe superfície específica disponível, não quer dizer que essa área seja adequada para a manutenção dessas bactérias. Os microporos dessas mídias permitem uma grande superfície específica, porém prejudicam demasiado a transferência de massa do sistema. Falaremos sobre isso mais para frente. A superfície efetiva dessas mídias muito porosas é praticamente sua superfície específica externa.


As mídias de vidro sinterizado não são de todo ruim. Os poros permitem que a água passe por entre eles e isso reduz a perda de vazão do filtro e evita que ele entupa com facilidade, mas não há nenhuma diferença significativa direta na colonização de bactérias.


Configuração do Sistema de Filtragem


A configuração do sistema de filtragem é o que vai definir a quantidade de superfície específica suportada e a qualidade da filtragem. Como dissemos antes, não adianta ter muita mídia biológica se o sistema não vai ter como abastecer as bactérias com nutrientes.


Uma comparação que podemos fazer é como se as mídias biológicas fossem uma plantação, não adianta ter um terreno muito grande se você não dá conta de aguar e fertilizar ele todo, a plantação só vai crescer onde puder aguar e fertilizar. No caso do sistema de filtragem não adianta ter mídia demais se não vai ter oxigênio, amônia e micronutrientes para as bactérias.


Colocar muito mais mídias que o necessário é apenas desperdício de dinheiro.


O principal fator que vai definir a quantidade de mídia é a vazão do filtro. Quanto maior a vazão, maior a quantidade de superfície específica que vai ter resultado real. Simples assim. Filtros com grande vazão suportam uma quantidade maior de mídia que os filtros de baixa vazão.


Nós já escrevemos sobre alguns fatores limitantes que controlam o processo de filtragem biológica num outro texto e agora vamos citar mais alguns que influenciam direta ou indiretamente no resultado da filtragem.


Leia aqui o nosso texto sobre fatores limitantes!


Concentração de Amônia: A concentração de amônia na água também influencia muito na taxa de amônia removida. Quanto mais amônia na água, maior disponibilidade de amônia para as bactérias e maior a remoção. A Tabela 4 mostra um gráfico comparando uma fórmula e dados de um experimento.

Tamanho e forma do filtro: pode parecer apenas estética, mas o formato e tamanho do filtro influenciam grandemente na qualidade da filtragem. Filtros mais compactos tendem a ter um resultado melhor que um filtro igual em escala menor.


Os filtros mais finos possuem uma velocidade maior que os filtros mais largos considerando que eles tenham a mesma vazão. Quanto maior a velocidade do fluxo de água, melhor a transferência de massa. Falaremos disso daqui a pouco.


A concentração de oxigênio é um fator extremamente importante para a filtragem biológica do aquário. Veja aqui no nosso texto sobre a Oxigenção dos Aquários.


Na Tabela 5 abaixo vemos um gráfico que relaciona o coeficiente de Reynolds com a taxa de remoção de amônia e a concentração de amônia da água. O coeficiente de Reynolds é um número que representa o tipo de fluxo de um fluido como a água ou o ar e depende diretamente da velocidade e do diâmetro do lugar que está.

Se ficou curioso sobre o coeficiente de Reynolds, veja esse vídeo explicativo aqui:

Composição e formato da mídia: A material do qual a mídia biológica é feita influencia em muito na adesão das bactérias nelas. As mídias de plástico possuem uma adesão menor que as mídias de vidro sinterizado ou areia e argila e as mídias orgânicas (biopellets, madeira, bucha vegetal) proporcionam uma melhor adesão das bactérias que as outras mídias.


Dentro do filtro o formato da mídia vai definir a perda de força do fluxo de água. Há uma série de formatos industriais de mídias muito estudados e desenvolvidos para aproveitar melhor a superfície específica e o fluxo do sistema. veja abaixo alguns deles:

Um sistema de filtragem com mesma mídia, mesma vazão e mesma água pode ter resultados diferentes de acordo com o modelo do filtro. É isso que explica que alguns filtros são melhores que os outros.


Transferência de Massa


A transferência de massa é o processo pelo qual os nutrientes como oxigênio e amônia são levados da água para dentro das colônias de bactérias. Esse é o fator decisivo de uma filtragem eficiente. A maioria dos fatores limitantes antes citados se relacionam com mecanismos que melhoram ou piram a transferência de massa.


Semelhantes às plantas e corais, as bactérias dos filtros biológicos ficam paradas e precisam que os nutrientes cheguem até elas através do processo da difusão. No vídeo abaixo vemos uma rápida exemplificação de como é o processo da difusão entre a água e as colônias de bactérias.


Existem uma série de fatores que influenciam na difusão como a espessura e composição do biofilme, velocidade e pressão da água e concentração dos nutrientes na água. E estes serão descritos nesse texto:


Espessura e composição do biofilme: Quanto mais espesso for o biofilme, maior é a dificuldade dos nutrientes chegarem para as bactérias mais profundas do biofilme. Quanto mais fino o biofilme, melhor a transferência de nutrientes.


Quando há uma grande quantidade de carbono orgânico na água, há um desenvolvimento muito grande das bactérias heterotróficas e estas, por se multiplicarem mais rápido, se posicionam nas camadas superiores do biofilme onde há uma maior oferta de nutrientes. É por isso que a nitrificação é prejudicada nos casos onde há uma concentração alta de matéria orgânica. Esse é caso é visto e constatado na Tabela 1 que foi apresentada lá em cima.


Muita gente pensa que as colônias de bactérias nos filtros são apenas de bactérias nitrificantes, mas isso não é verdade. As colônias são formadas por diversas bactérias de vários tipos e as nitrificantes não chegam a 20% das bactérias do filtro. Por isso é preciso fazer um controle rigoroso da quantidade de carbono orgânico do sistema, para que não favoreça o desenvolvimento das bactérias heterotróficas que atrapalham as bactérias nitrificantes.

Nessa imagem é mostrado que as bactérias heterotróficas(HET), a faixa mais escura, ficam na camada mais próxima da água onde tem maior oferta de nutrientes e as bactérias oxidadoras de amônia (AOB) e bactérias oxidadoras de nitrito (NOB) ficam mais para dentro da colônia de bactérias onde há menos oxigênio.

Veja nosso texto sobre as bactérias do aquário aqui!


Velocidade e pressão da água: Esses dois fatores influenciam grandemente na transferência de nutrientes. Quanto maior a velocidade, maior a chance da molécula do nutriente, seja amônia ou oxigênio, entrar na colônia de bactérias. Quanto menor a área de superfície do filtro, maior a velocidade. Esse é outro motivo que faz com que o sump seja menos eficiente que os filtros pressurizados.


 A água em um filtro pressurizado de 150mm de diâmetro com bomba de 4000l/h tem uma velocidade 6 vezes maior que um sump que tenha o compartimento de mídia de 20cm de comprimento e 50cm de largura e use a mesma bomba.


A pressão é importante primeiro porque aumenta em muito a difusão dentro da colônia de bactérias e segundo porque remove o excesso das colônias e evita que elas se estabilizem. Não é preciso se preocupar em remover toda a colônia de bactéria do filtro, a pressão necessária para remover completamente ou mesmo boa parte das colônias da mídia é maior que qualquer bomba que você vai encontrar, então uma bomba com alta pressão (coluna d’agua acima de 4 metros) só vai remover o excesso de bactérias e contribuir para uma melhor filtragem.


A pressão de uma bomba é dada pela coluna d’agua dela, quanto mais alto a bomba consegue jogar, maior a pressão que ela faz. Esse também é um dos motivos que faz o filtro pressurizado ser mais eficiente que o sump ou dry wet.


Em filtros pressurizados a pressão é dada pela pressão da bomba mais a pressão da altura da superfície da água do aquário até o chão. A pressão dos sump geralmente é apenas a pressão atmosférica mais a pressão da coluna d’água do sump, a bomba não soma sua pressão porque o sump não é pressurizado. Os filtros pressurizados possuem pressão muito maior que a dos sump.


Concentração de Nutrientes: quanto maior a quantidade de nutrientes dissolvidos, mais fácil a difusão dentro das colônias.Isso é muito importante em se levar em conta principalmente na questão do oxigênio. Um dos maiores problemas de filtragem que encontramos é a falta de oxigênio no sistema de filtragem.


Os contaminantes e nutrientes em aquários são encontrados em quantidades muito pequenas, em mg/l (miligramas por litro) ou ppm(partes por milhão) que significam a mesma coisa, então é preciso usar um filtro bem desenvolvido, com boa vazão e pressão para ter bons resultados. Se parar pra pensar, se a água do aquário tem 1ppm de amônia, quer dizer que a cada 1 milhão de moléculas de água, existe uma molécula de amônia. 


As mídias muito porosas possuem uma dificuldade maior na transferência de massa dentro dos seus poros devido ao aumento da viscosidade nessa situação, o que diminui drasticamente a transferência de nutrientes e também devido à queda de pressão natural de um meio poroso.


Assim, terminamos mais um texto um tanto polêmico pouco ou nunca antes debatido no aquarismo: a real necessidade e eficiência das mídias super porosas. Tentamos explicar de maneira técnica e bem fundamentada porque existe um mito sobre a eficiência de mídias com grande superfície específica e explicar porque isso é apenas uma ferramenta de marketing sem real funcionalidade.


Características da mídia como capilaridade em nada influenciam na colonização ou eficiência das mídias, tudo se resume nas variáveis que influenciam na transferência de massa do sistema de filtragem, e não foi sequer mencionada em nenhuma das centenas de textos que lemos sobre o assunto.


Enfim, a mídia em si importa muito pouco, quase tudo serve para a colonização de bactérias e a necessidade de superfície específica não é tão grande como se imagina, o que faz diferença são as configurações de filtragem que melhoram a transferência de massa, principalmente a velocidade e pressão da água.


Nós da Aquários Sobrinho levamos todos esses dados em consideração quando planejamos um sistema de filtragem para um aquário. É preciso trabalhar com seriedade, sem querer enganar as pessoas e compartilhando informação e sem ter rabo preso com marcas e patrocinadores para que o aquarismo brasileiro evolua sempre.  


Referências bibliográficas:

[1] Ling, Jian, and Shulin Chen. "Impact of organic carbon on nitrification performance of different biofilters." Aquacultural Engineering 33.2 (2005): 150-162.

[2] Guerdat, Todd C., et al. "An evaluation of commercially available biological filters for recirculating aquaculture systems." Aquacultural engineering 42.1 (2010): 38-49.

[3] Harwanto, Dicky, Sung-Yong Oh, and Jae-Yoon Jo. "Comparison of the nitrification efficiencies of three biofilter media in a freshwater system." Fisheries and aquatic sciences 14.4 (2011): 363-369.

[4] Sandu, Simonel I., et al. "Factors influencing the nitrification efficiency of fluidized bed filter with a plastic bead medium." Aquacultural Engineering26.1 (2002): 41-59.

[5] Summerfelt, Steven T. "Design and management of conventional fluidized-sand biofilters." Aquacultural Engineering 34.3 (2006): 275-302.

[6] Material disponível em https://ag.arizona.edu/azaqua/ista/ISTA7/RecircWorkshop/Workshop%20PP%20%20&%20Misc%20Papers%20Adobe%202006/7%20Biofiltration/Nitrification-Biofiltration/Biofiltration-Nitrification%20Design%20Overview.pdf

[7] Grommen, Roeland, et al. "An improved nitrifying enrichment to remove ammonium and nitrite from freshwater aquaria systems." Aquaculture 211.1 (2002): 115-124.

[8] Prinsloo, J. F., et al. "Changes in some water quality conditions in recycling water using three types of biofiltration systems during the production of the sharptooth catfish Clarias gariepinus(Burchell). Part II: Growth and production of sharptooth catfish over a period of 78 days." Water S. A. 25.2 (1999): 253-256.

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