Kalojen normaalin aineenvaihdunnana seurauksena veteen erittyy kaloille haitallisia typpiyhdisteitä. Normaalisti nämä laimenevat veteen kaloja häiritsemättä, mutta RAS-laitoksissa typpiyhdisteet kumuloituisivat kiertoveteen ilman niiden käsittelyä. Typpiyhdisteiden määrää voidaan hallita joko lisäämällä kiertoon raikasta korvausvettä tai käsittelemällä typpiyhdisteitä.

Veden sisältämä ammoniakki (NH3) ja ammonium (NH4) muodostavat kokonaistypen, eli puhutaan TAN-arvosta (Total Ammonia Nitrogen).

Typpiyhdisteistä ammoniakki saadaan kiertovedessä hapetettua bakteerien toimesta vaarattomampaan muotoon. Tätä kutsutaan nitrifikaatioksi:

Ammoniakki (NH₃)+Ammonium (NH₄) -> Nitriitti (NO₂) -> Nitraatti (NO₃)

Veden pH-tasosta riippuu, esiintyykö ammoniumtyppi vaarallisena ammoniakkina (NH₃) vaiko vähemmän vaarallisena ammoniumina (NH₄). Kun veden pH on alle 6,9 ammoniumtyppi on kokonaan ammoniumina.

NH3 osuus kokonaistypestä (TAN) eri pH-tasoilla
Kuva (c) Aquaworld Aquarium

Nitrifikaation lopputuote, eli nitraatti (NO3) ei ole läheskään niin vaarallista kaloille kuin ammoniakki & ammonium. Nitraattitasojen määrää säädellään joko vedenvaihdolla tai pelkistämällä nitraatti typpikaasuksi ilmaan (denitrifikaatio).


Kaavio nitrifikaatiosta ja denitrifikaatiosta
Kuva (c) Itämeriportaali


Nitrifikaatio
Nitrifikaatiossa Nitrosomonas-bakteerit hapettavat ammoniakin/ammoniumin ensi nitriitiksi, joka on haitallista kaloille. Nitrobacter-bakteerit kuitenkin hapettavat nitriitin nitraatiksi, joka on kaloille vähemmän haitallinen muoto. Nitrifikaatio voidaan toteuttaa RAS-laitoksilla erilaisilla biosuodattimilla ja biofilttereillä ja tehdään kiertovedelle mekaanisen suodatuksen jälkeen. Kaikissa biosuodatinmalleissa periaate on sama, eli suodattimen kantoaine toimii nitrifikaatiobakteereiden kasvualustana ja kalojen erittämä typpi nitrifikaatiobakteerien ravintoaineena. Keskeistä suodatuksen toiminnassa on bakteerikasvuston hallinta. Kasvuston tulee olla riittävän kokoinen suhteessa veteen liukeneviin typpiaineenvaihdunnan tuotteisiin. Nopeat muutokset ruokinnan tasossa vaikuttavat veteen vapautuvien typpiyhdisteiden määrään. Nitrifikaatio prosessi kuluttaa happea ja muodostaa hiilidioksidia. Tämä on huomioitava suodatuksessa ja biosuodattimen päälle voidaan tarvittaessa asennetaa poistoilmaimuri hiilidioksidipitoisen ilman poistamiseksi. 

Denitrifikaatio
Nitrifikaatiossa syntyvän nitraattitypen määrää voidaan kiertovedessä säädellä raikkaan korvausveden määrällä tai käyttämällä denitrifikaatiosuodattimia. Denitrifikaatiossa vaatii hapettomat olosuhteet ja orgaanista hiiltä jolloin nitraattityppi pelkistyy typpikaasuksi ilmaan.

Liejupetisuodatin nitrifikaatioon 
Leijupetisuodatin (Fluidized bed) perustuu bakteerien kiinnittymiseen hienojakoiseen hiekkaan (1,0 - 0,1 mm), joka leijuu vesivirrassa. Liejupetisuodatin on lieriön mallinen ja hiekan liike vesipatsaassa toteutetaan kevyellä vesivirtauksella alhaalta ylöspäin. Suodattimen yläosasta vesi johdetaan ilmastukseen. Leijupetisuodatin vie vähän lattiapinta-alaa ja hiekassa on suuri pinta-ala bakteereita varten - kuutiossa hiekkaa on arviolta 15 000-20 000 m² tarttumapinta-alaa bakteereille. Liejupetisuodattimen kuluttaa kuitenkin energiaa, sillä toimintaperiaatteen mukaan vettä tarvitsee nostaa usean metrin (4 - 5 m) ylöspäin. Leijupetisuodattimen seurantaan kuuluu tarkistaa, että virtaama lieriössä on sopiva. Suodattimen virtaus on sopiva kun koko hiekkamassa leijjuu vesimassan mukana, mutta ei kulkeudu vesivirran mukana pois suodattimesta. Aika-ajoin suodattimeen voidaan lisätä hiekkaa, jos sitä on päässyt huuhtoutumaan pois suodattimesta vesivirtauksen mukana.


Leijupetisuodatin
Kuva (c) Pekka Marttinen





Leijupetisuodatin (Cyclonic bioreactor)
Kuva (c) Pentair AES

Video Cyclonic bioreactorin esittely.

Liikkuvapeti -suodatin nitrifikaatioon
Liikkuvapeti-suodatin (Moving Bed Bioreactor / MBBR) koostuu vesialtaasta, jossa kelluu bakteerien kiinnittymiseen tarkoitettuna kantoaineena muovigranulaatteja tai bioelementtejä. Nimensä mukaan kantoaine pidetään liikkeessä ilmapuhalluksen avulla. Liikkuvapeti -suodatin on yleensä suorakaiteen mallinen ja maksimissaan n. 2,5-3,0 m syvä allas. Tämä suodatin vie tilaa tuontatiloista, mutta on energiakulutukselta pieni.

Vesi voidaan johtaa painovoimaisesti rumpusiivilältä suoraan suodattimelle, josta se laskee pois niin ikään painovoimaisesti. Altaan ilmapuhallus toteutetaan sivukanavapuhaltimilla, joista ilma johdetaan altaan pohja reijitettyyn putkistoon tai diffuusoireille (lautaset/ patruunat tms). Ilmapuhallus tuo myös happea kantoaineeseen kiinnittyneelle bakteerimassalle. Riippuen kantoaineesta, sen pinta-ala suodattimessa on noin 700-800 m²/m³. Nyrkkisääntöjä voidaan pitää, että 1 m3 kantoainetta riittää noin 5 rehukilon ruokintaan jos veden lämpötila on vähintään 15-astetta (kantoaineen pinta-ala n. 700-800 m²/m³).



Kantoaine-elementtejä (pinta-ala n. 700-800 m²/m³)
Kuva (c) RK-Bioelements


Liikkuvapeti -suodattimen toiminnassa on tärkeää että koko kantoainemassa liikkuu suodattimessa, eikä vedelle synny ohivirtauskanavia. Suodattimen kantoainetta ei tarvitse vaihtaa eikä pestä. Veden kiintoainepitoisuus tulisi olla mahdollisimman alhainen MBBR-suodattimessa, sillä jos vedessä on paljon partikkeleita (kiintoainetta), kantoaine-elementit helposti "jauhavat" partikkelit pienemmiksi, mikä heikentään vedenlaatua. 


Liikkuvapetisuodatin (MBBR / Moving Bed Bioreactor)
Kuva (c) Pekka Marttinen


Liikkuvapetisuodatin (MBBR / Moving Bed Bioreactor)
Kuva (c) Pentair AES

Video MBBR-suodattimen toiminnasta.

Kiinteäpeti -suodatin nitrifikaatioon (ja hienojakoisen kiintoaineen poistoon)
Kiinteäpeti-suodatin (Fixed Bed Bioreactor / FBBR)  koostuu vesialtaasta, jossa on upotettuna bakteerien kiinnittymiseen tarkoitettuna kantoaineena muovigranulaatteja tai bioelementtejä. Nimensä mukaan kantoaine makaa paikallaan ja vesi virtaa hiljalleen kantoaineen läpi (joko ylhäältä alaspäin tai alhaalta ylöspäin, riippuen suodatinmallista).

Kiinteäpeti -suodatin on yleensä suorakaiteen muotoinen ja suodatinallas jaetaan useampaan osastoon, joihin jokaiseen on rakennettu oma tyhjennysputkisto. Suodatin toimii nitrifikaation lisäksi mekaanisena suodattimena, eli kerää hienojakoista kiintoainetta. Kiinteäpetisuodan vaatii tilaa tuotantotiloista, mutta on energiakäytöltään pieni ja toimii sekä biologisena että mekaanisena suodattimena.


Leijupetisuodatinaltaita
Kuva (c) WATER Proved Gmbh


Suorakaiteenmallisia kiinteäpetisuodattimia (Fixed Bed Bioreactor/ FBBR)
Kuva (c) Pekka Marttinen

Riippuen kantoaineesta sen pinta-ala on noin 700-800 m²/m³. Nyrkkisääntöjä voidaan pitää, että 1 m3 kantoainetta riittää noin 5 rehukilon ruokintaan jos veden lämpötila on vähintään 15-astetta ja kantoaineen pinta-ala noin 700-800 m²/m³.



Kantoaine-elementtejä
Kuva (c) KSK- Aqua

Kiinteäpeti-suodattimen huoltotoimenpiteisiin kuuluu säännöllisesti puhaltaa kantoaine puhtaaksi ja laskea lietevesi pois viemäriin tai poistovesijärjestelmään. Tästä syystä suodattimessa tulee olla monta osastoa, jotta joka päivä voidaan tarvittaessa huuhdella yksi-kaksi osastoa ja järjestelmää voidaan ajaa jäljellä olevien osastojen kautta ja nitrifikaatio ei pääse häiriintymään. Puhdistuksen aikana suodattimen (yhden osaston) vesivirtaus pysäytetään, kiintoaines irroitetaan kantoaineesta ilmapuhalluksella ja huuhteluun käytettävä kiintoainespitoinen vedet lasketaan pois suodattimesta. Huuhteluvettä kuluu huomattava määrä (noin 100-200 litraa/ käytetty rehu-kg), joten se on huomioitava vedenkäytön suunnittelussa.

Mikäli suodatinta ei puhdisteta riittävän usein, kiintoaines kertyy lietemassaksi johon muodostuu hapettomat olosuhteet. Hapettomassa lietteessä on oma bakteerikantansa, joka synnyttää kaloille erittäin vaarallista rikkivetyä. Rikkivedyn vaarallisuus lisääntyy jos kyseessä suolainen vesi (eli merivesi RAS).

Granulaattisuodattimet nitrifikaatioon (ja hienojakoisen kiintoaineen poistoon)
Granulaattisuodattimet (mm. Bead filter) ovat pystymallisia muutaman kymmenen kuutiometrin kokoisia suljettuja säiliöitä. Partikkelisuodattimet toimivat sekä biologisina suodattimina, että mekaanisina suodattimina (saadaan n. 5-10 µm asti olevat partikkelit talteen). Yleensä granulaattisuodattimet toimivat ns. Upflow-periaatteella, eli vesi pumpataan suodattimeen ja kulkeet suodattimessa alhaalta ylöspäin. Suodattimen sisällä olevat kantoainegranulaatit /elementit ovat kelluvia, ja sijaitsevat suodattimen yläosassa. Koska granulaattisuodattimien koko on yleensä rajoittunut (max. noin 10-30 m3), kaikkea kiertovesijärjestelmän vettä ei yleensä johdeta granulaattisuodattimien kautta, vaan ne voivat toimia ns. "veden kiillotukseen", eli hienojakoisen kiintoaineen poistoon sivuvirtauksessa.

Granulaattisuodattimien kantoaineeseen tarttuva hienojakoinen kiintoaine irroitetaan joko ilmapuhalluksen tai mekaanisen sekoittajan avulla. Syntyvä lietepitoinen vesi ohjataan pois suodattimesta. Huuhteluvettä kuluu huomattavia määriä (noin 50-200 litraa/ käytetty rehu-kg), joten se on huomioitava vedenkäytön suunnittelussa.


Granulaattisuodattimen (Propeller Bead Filter) toimintaperiaate
Kuva (c) Aquaculture Systems Technologies, LLC



Granulaattisuodatin (Bubble Bead Filter) mekaaniseen & biologiseen suodatukseen
Kuva (c) Pekka Marttinen