Как и в вопросах биофильтрации в целом, в этой области пионерами являются морские аквариумисты. Но еще раньше денитрифицирующие фильтры были разработаны и поныне применяются для очистки промышленных сточных вод. В морской аквариумистике нитратные фильтры или нитратредукторы, как их еще называют, обычно используются как часть системы фильтрации, состоящей из нескольких компонентов. Задача этих фильтров — превратить с помощью бактерий нитрат в газообразный азот и/или закись азота (веселящий газ), которые, испаряясь, покидают аквариумную систему. Принцип действия «классического» денитрифицирующего фильтра следующий: внутри него устанавливается крайне бедная кислородом среда, в которой живут денитрифицирующие бактерии-анаэробы, которые при отсутствии кислорода, необходимый для дыхания, извлекают его из нитрата. Под их воздействием происходит следующая химическая реакция:
5C + 4NO3— + 4H+ = 5CO2 + 2N2 + 2H2O
| Нитратредуктор Aqua Medic, предназначенный для аквариумов объемом до 1000 литров и шарики Deniballs |
Эту реакцию могут проводить аэробные гетеротрофные бактерии, среди них Pseudomonas denitrificans, Pseudomonas aeruginosa, Paracoccus denitrificans или Bacillus licheniformis. Главное условие для работы такого фильтра слабый проток воды. В зависимости от величины, объема и типа фильтра он может составлять от нескольких литров до 30 литров в час. Такая скорость необходима, чтобы гарантировать установление анаэробной среды, поскольку при сильном течении в него будет попадать много кислорода. В фильтре существует внутренняя циркуляция, способствующая равномерному распространению анаэробной среды. 
Раньше в денитрифицирующие фильтры углероды регулярно добавляли в форме лактозы (молочный сахар). Сегодня в качестве корма все чаще используются так называемые «Deniballs», шарики-наполнители для фильтра, состоящие из производного масляной кислоты. Очень важно поддерживать нужный редокс-потенциал в нитратредукторе. Для нормального течения денитрификации этот показатель должен удерживаться в пределах от -50 до -250 mV. Редокс-потенциал можно замерять электронно с помощью специальных устройств. Наиболее практично и безопасно — использовать автоматику, которая исходя из этого показателя, будет включать или выключать дозирующую помпу, подающую воду в фильтр-денитратор. Управлять работой нитратредуктора можно, варьируя количество подкормки или поток воды. Основные принципы: добавление питания в денитратор и уменьшение протоки – понижает окислительно-восстановительный потенциал, уменьшение питание и увеличение проточности – сдвигает вверх.
К этому типу денитрификационных фильтров относится нитратный редуктор производства фирмы Aqua Medic, предназначенный для аквариумов объемом до 1000 литров (на фото). Расходными материалами для этого фильтра являются Deniballs и порошок Denimar. Контролировать процесс можно используя редокс-электрод (не включен в комплект поставки), который вкручивается в предусмотренное в крышке отверстие с резьбой PG 13,5. Nitratreductor 1000 герметичен и может использоваться как часть общей фильтрующей системы или отдельно — в этом случае он устанавливается в тумбу под аквариум. А вообще выбор и ценовой диапазон денитрификационных фильтров для морских аквариумов сейчас довольно велик. От высокотехнологичных систем с автоматической регулировкой тока воды, автоматической подкормкой бактерий и возможностью непрерывного измерения редокс-потенциала, а также подключаемым компьютером, обрабатывающим данные от редокс-контроллера и управляющим всеми этим процессами. Этот вариант может быть реализован, например, на оборудовании фирмы AquaMedic. До совсем незамысловатых, как Sera Bio-Denitrator — устройство производительностью 36 литров в сутки, лишенное возможности всего того, о чем было сказано выше. Бактерий в нем нужно кормить вручную, скорость потока воды должна контролироваться постоянно. Запускается сложно, может внезапно перестать работать. Но использовать можно, и есть данные, что в 200–300 литровом аквариуме при средней загрузке и практически не подменяемой воде такой фильтр уверенно способен обеспечить содержание нитратов в пределах 50 мг/л. Кроме того, по традиции нашей страны, богатой различными «самоделками», существует множество кустарных конструкций, смастеренных самими аквариумистами.
До недавнего времени нитратные фильтры считались атрибутом морской аквариумистики, но в последнее время на них обратили внимание и пресноводные аквариумисты, в частности, дискусоводы. Такая система, описанная журнале «Diskus» Jahrbuch 2007, применяется аквариальном хозяйстве Йозефа Вастля. В качестве питания для бактерий здесь используется кукурузный крахмал особо тонкой пылевидной структуры. Подробнее о нитратном фильтре Йозефа Вастля можно прочесть на сайте Ассоциации любителей и разводчиков дискусов.
Водочный фильтр-денитратор
Еще одной версией денитрифицирующего фильтра является так называемый водочный фильтр. Его единственное отличие в источнике питательных веществ для бактерий. Если в классическом варианте это лактоза, то здесь используется алкоголь (этанол С2Н5ОН), который добавляется в фильтр, чаще всего в виде водки. Этанол — это наиболее легко расщепляемое бактериями вещество. А в остальном также работает принцип, заложенный в ранее приведенной химической реакции.
Запуск и наладка работы водочного фильтра — это достаточно сложное дело. Надо действовать осторожно и вносимую дозировку водки увеличивать постепенно, а в противном случае реакция денитрификации может пойти иным образом и привести к образованию ядовитых веществ. По мнению Дитера Брокманна, следует избегать попадания водки непосредственно в аквариум, поскольку это может привести к интенсивному размножению гетеротрофных бактерий и к сильному помутнению воды. На начальной фазе работы фильтра, пока денитрифицирующие бактерии еще не начали нормально работать, на выходе в воде может наблюдаться небольшое повышение уровня нитрита. Здесь нужно следить за тем, чтобы в аквариуме не накопилось опасное для рыб количество этого токсичного соединения. Затем концентрация нитратов в аквариумной воде должна медленно понижаться, и соответственно количество вливаемой в фильтр водки тоже нужно сократить. Следует регулярно тестировать воду на нитраты, чтобы определить минимальную дозировку водки, при которой поступающая из фильтра вода будет практически свободна от нитратов. Отечественный рецепт водочного фильтра для пресноводного аквариума можно почерпнуть у Владимира Ковалева. Здесь спиртосодержащую подкормку предлагается лить непосредственно в аквариум.
Серный фильтр-денитратор
Еще один ныне достаточно распространенный тип нитратного фильтра — серный, известный также как ASD (Autotrophic Sulfur Denitrification). Суть его работы заключается в восстановлении нитратов до газообразного азота с помощью серы, являющейся питательной средой для серных бактерий. В отличие от гетеротрофных денитрифицирующих бактерий, серные бактерии — автотрофы. Само по себе изучение этих бактерий относится к началу 1950-х гг., но применение их природных способностей в аквариумной технике началось лишь сорок лет спустя. В настоящее время такие фильтры производятся ведущими брендами морской аквариумистики. По сравнению с классическими нитратредукторами — это следующее поколение. Они удобнее в эксплуатации и эффективнее в работе. Принципиальная идея такая, же как и у обычного «углеродного» денитратора. В качестве субстрата и одновременно корма для микрофлоры здесь используются шарики серы, а реакцию денитрификации осуществляют так называемые серные бактерии, как Thiomicrospira denitrificans и Thiobacillus clenitrificans. Они расщепляют нитраты до водорода и в то же время окисляют серу, превращая ее в сульфат:
5S + 6NO3— + 2H2O = 3N2 + 5SO42- + 4H+
Для этой реакции требуется анаэробная среда и очень медленный ток воды через фильтр. В начале эксплуатации серного фильтра может наблюдаться повышенный уровень нитрита на выходе. В этом случае необходимо понизить объем протока воды. Помимо этого (пожалуй, главный недостаток серного денитратора), отфильтрованная вода получается кислой из-за образования серной кислоты. Для ее нейтрализации некоторые модели фильтров имеют еще один отсек, наполненный карбонатом кальция. С одной стороны, происходит нейтрализация серной кислоты, а, с другой, в аквариуме повышается содержание кальция. В других моделях шарики серы смешиваются вместе с карбонатом кальция и при этом кислая среда, развивающаяся в фильтре нейтрализуется напрямую. Однако все равно карбонатная жесткость может падать очень быстро. За ней необходимо следить и при необходимости доводить до нормы.
Уход за серным фильтром, в принципе, несложен (если обслуживание денитратора вообще можно назвать простым). Кроме регулярного замера нитритов и нитратов в отфильтрованной воде, это восполнение использованных шариков серы и гранулированного карбоната кальция. Регулярная подкормка бактерий молочным сахаром или алкоголем, как в двух предыдущих случаях, не нужна. Однако проблематичным является насыщение аквариумной воды ионами сульфата (в частности, это может вызвать некоторое понижение уровня кальция, т.к. растворимость сульфата кальция невелика). Насколько пагубным для биосистемы аквариума может быть такое насыщение, или каким образом расщепляется сульфат, на настоящий момент детально не исследовано.
Примером серного фильтра промышленного производства могут служить Denitrateur H&S 110-F1000 и H&S 150-F2000, предназначенные соответственно для аквариумов объемом до 1000 и 2000 литров. Внутренний объём такого денитратора заполняется на 2/3 серным наполнителем HS-025018, на 1/3 — коралловой крошкой (эти два наполнителя разделены в фильтре губкой). Устройство устанавливают во внешний орошаемый фильтр так, чтобы помпа оказалась погружена в воду.