Duy trì chất lượng nước trong hệ thống tuần hoàn RAS: những điều cần thiết

Đảm bảo các chỉ số chất lượng nước tối ưu là thách thức lớn nhất trong việc đảm bảo hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) vận hành trơn tru.

Những tế bào tảo bám vào một hệ thống biofloc

Đã thiết kế và vận hành một loạt các hệ thống tuần hoàn RAS trong ba thập kỷ qua (gần đây nhất là một hệ thống mới ở Panama sản xuất cả tôm và cá rô phi), tôi muốn chia sẻ những yếu tố chính cần được xem xét với độc giả của tờ The Fish Site. Tôi hy vọng bạn có thể học hỏi từ những mẹo sau đây.

Giới thiệu về chất lượng nước

Những điều cơ bản để am hiểu về chất lượng nước trong hệ thống tuần hoàn RAS bao gồm việc duy trì các biến số trong phạm vi thúc đẩy tăng trưởng đồng thời ngăn ngừa bệnh tật ở vật nuôi. Phân tích chất lượng nước định kỳ thường bao gồm đo nồng độ oxy hòa tan nhiều lần cả buổi sáng và buổi chiều trong khi các dạng nitơ khác nhau có thể cần được đo hàng ngày hoặc hàng tuần, tùy thuộc vào tần suất cho ăn.

Một trong những quy tắc quan trọng nhất cần được giải quyết khi thảo luận về chất lượng nước trong hệ thống tuần hoàn RAS là sự tích tụ khí nitơ độc hại cũng như nhu cầu sục khí dựa trên lượng thức ăn được đưa vào RAS chứ không phải dựa trên sinh khối có thể thu hoạch. Ví dụ, một lượng nhỏ thức ăn với tỷ lệ thấp 2g trên mét khối nước (2g/m3) sẽ không cần bất kỳ máy sục khí nào để cung cấp khí oxy hoặc lọc sinh học để loại bỏ khí nitơ độc hại, còn khi tỷ lệ thức ăn tăng lên hơn 200g/m3/ngày trong hệ thống nước trong và có tảo sẽ yêu cầu tốc độ sục khí, lọc sinh học và loại bỏ chất rắn cao, những hoạt động này có thể được thực hiện dựa vào tốc độ tuần hoàn cao thông qua các thành phần của hệ thống tuần hoàn RAS khác nhau.

Ngược lại, các hệ thống biofloc kết hợp chất thải nitơ và chất rắn thành các flocs bằng cách điều chỉnh tỷ lệ các-bon trên nitơ trong nước nuôi. Các flocs sau đó được tiêu thụ bởi các loài ăn tạp có thể ăn được chất rắn cứng, chẳng hạn như cá rô phi và tôm. Bioflocs là các chất rắn dạng hạt trôi nổi, nhẹ, được sản sinh bởi nhiều loại vi khuẩn và tảo. Bioflocs điển hình có thể đạt tới 40 ml/L bằng với mức được đo bằng nón Imhoff khi lượng thức ăn tăng lên, nhưng thường được duy trì ở mức giữa 10-20 ml/L.

Có lẽ cách dễ nhất để tránh gặp phải các vấn đề biến đổi chất lượng nước nào đó là chỉ cần thay nước, thải chất thải giàu chất dinh dưỡng và các-bon đi-ô-xít vào các đường nước lân cận rồi đưa nước vào thì không còn nhu cầu tạo khí oxy và khử khí thải nitơ nào nữa. Các khuyến nghị được đề xuất để duy trì chất lượng nước thông qua việc thay nước là khoảng 10% mỗi bể hoặc dung tích nước ao được trao đổi trong ngày.

Tuy nhiên, thiệt hại do dịch bệnh trong nuôi trồng thủy sản khiến ngành tiêu tốn hàng tỷ đô la mỗi năm do dịch bệnh lây truyền thông qua quá trình thay nước (khi nước đi vào hệ thống nuôi trồng thủy sản cũng là lúc hệ thống bị lây nhiễm bệnh từ các trang trại khác). Ngoài ra, môi trường ven biển dễ nhạy cảm thường bị phá hủy do nước thải trong hệ thống nuôi trồng thủy sản thải ra có hàm lượng chất rắn cao và nhu cầu oxy sinh học cao mà những chất thải này có thể làm chết ngạt các sinh vật không cuống như nghêu, hàu. Đây chỉ là một trong số những lý do tại sao hệ thống tuần hoàn RAS không trao đổi nước hiện đang trở nên phổ biến.

Một máy sục khí có máy bơm thẳng đứng Kasco

Nhiệt độ

Biến số dễ hiểu và dễ sử dụng nhất khi thảo luận về chất lượng nước trong hệ thống tuần hoàn RAS là nhiệt độ. Nhiệt độ lý tưởng dành cho bất kỳ loài vật nuôi nào thường được coi là con số tạo ra sự tăng trưởng nhanh nhất đồng thời thúc đẩy môi trường lành mạnh nhất. Càng gần với nhiệt độ lý tưởng dành cho vật nuôi thì hệ thống tuần hoàn RAS càng đạt hiệu quả kinh tế và năng suất cao.

Để nhiệt độ cao hơn mức được coi là nhiệt độ lý tưởng sẽ gây bất lợi đến hiệu quả kinh tế và hiệu ứng sinh học của hệ thống tuần hoàn RAS vì khi nước càng lạnh thì lượng oxy có thể giữ được càng nhiều. Oxy là biến số biến động nhất trong tất cả các biến số và là yếu tố quan trọng nhất để đo lường và duy trì trong một phạm vi nhất định trong hệ thông tuần hoàn RAS.

Oxy và các-bon đi-ô-xít

Có nhiều hệ thống máy sục khí khác nhau có thể được sử dụng để cung cấp khí oxy cho hệ thống tuần hoàn RAS, tùy thuộc vào kích thước và loài mà bạn đang chăn nuôi. Máy sục khí cung cấp ba chức năng cần thiết:

⦁ tăng nồng độ oxy hòa tan, 

⦁ khuấy trộn nước nuôi 

⦁ làm khuếch tán khí các-bon đi-ô-xít từ trong nước vào khí quyển.

Do sự khác biệt về mẫu thiết kế nên máy sục khí có những ưu và nhược điểm khiến chúng có thể phù hợp với nhiều hệ thống tuần hoàn RAS khác nhau. Máy sục khí bơm hút hoặc bất kỳ thiết bị sục khí nào sử dụng venturi đều là những thiết bị sục khí tạo oxy hiệu quả nhất có thể được sử dụng cho bất kỳ hệ thống nuôi trồng thủy sản nào, đặc biệt là ở nước mặn. Tuy nhiên, chúng không hoạt động tốt trong việc giải phóng khí các-bon đi-ô-xít từ trong nước vào khí quyển do độ khuấy động thấp hơn.

Trong khi đó, máy sục khí có máy bơm thẳng đứng thì có hiệu quả hơn nhiều trong việc loại bỏ khí các-bon đi-ô-xít vì chúng có lượng không khí tiếp xúc với nước nhiều hơn, nhưng lại kém hiệu quả hơn trong việc chuyển oxy vào trong nước. Máy sục khí khuếch tán hoặc sử dụng máy bơm không khí có bọt khí hoặc các thiết bị khác tương tự như vậy được đánh giá là thiết bị có khả năng chuyển oxy vào trong nước thấp nhất đồng thời khả năng loại bỏ khí các-bon đi-ô-xít cũng rất kém.

Trong một số trường hợp, sự kết hợp của các thiết bị sục khí có thể là tối ưu nhất nhờ một số thiết bị truyền oxy tốt hơn và một số khác hoạt động tốt hơn trong việc khuấy trộn và khuếch tán khí các-bon đi-ô-xít từ trong nước vào khí quyển. Phun khí oxy không được sử dụng thường xuyên trong các cơ sở tuần hoàn RAS trừ khi sinh khối thu hoạch vượt quá 50 kg/m3. Điều này là do chi phí và nhu cầu khuấy động hoặc các thiết bị chuyên biệt để giải phóng khí các-bon đi-ô-xít từ trong nước nuôi.

Tuy nhiên, khí oxy tinh khiết có thể có lợi khi sử dụng trong các hệ thống có sinh khối thấp hơn trong trường hợp khẩn cấp. Trong vòng một thập kỷ qua, các máy đo nồng độ oxy rẻ tiền đã trở nên có độ chính xác trong khoảng 10% giá trị thực tế nhưng không bền bằng các mẫu đắt tiền hơn. Nồng độ oxy thường được duy trì ở mức trên 4 mg/L đối với cá và tôm và cao hơn đối với các loài khác nhạy cảm hơn. Nồng độ oxy thấp hơn thì sẽ nguy hiểm hơn nhiều khi hàm lượng các-bon đi-ô-xít cao hơn vì các-bon đi-ô-xít cao hơn cản trở quá trình hô hấp bình thường của các sinh vật sống dưới nước.

Sự nguy hiểm của khí các-bon đi-ô-xít

Các-bon đi-ô-xít là sản phẩm của quá trình hô hấp không chỉ từ vật nuôi mục tiêu được cho ăn trong hệ thống tuần hoàn RAS mà còn từ cả vi khuẩn và thực vật phù du phát triển trong nước và trên bất kỳ bề mặt nào. Tổng lượng khí oxy hấp thụ và khí các-bon đi-ô-xít do vi khuẩn và tảo tạo ra thường cao hơn so với vật nuôi được cho ăn. Giới hạn các-bon đi-ô-xít đối với hầu hết các vật nuôi (chẳng hạn như cá và tôm) sẽ là 15-20 mg/L. Trong các hệ thống tuần hoàn RAS có độ khuấy động thấp, chẳng hạn như các hệ thống sử dụng không khí khuếch tán, nồng độ các-bon đi-ô-xít có thể gây ra các điều kiện nguy hiểm bằng cách giảm độ pH xuống mức bất lợi thường là dưới mức 7.

Cá và tôm trong các hệ thống tuần hoàn RAS có thể có biểu hiện lờ đờ khi lượng các-bon đi-ô-xít tăng lên trên mức 50 mg/L trong hệ thống tuần hoàn RAS. Các-bon đi-ô-xít rất khó khuếch tán nhanh chóng vào khí quyển một khi nó đạt đến mức độ độc hại, vì vậy phòng ngừa là biện pháp tốt nhất để đối phó với các vấn đề về khí CO2 hàm lượng cao.

Có sẵn các máy thử nghiệm và máy đo để đo hàm lượng khí CO2, cũng như các phương trình sẽ tạo ra hàm lượng các-bon đi-ô-xít khi biết trước độ pH và độ kiềm. Sục khí đầy đủ, tạo ra khuấy trộn hoặc tăng độ tiếp xúc giữa không khí với nước sẽ liên tục loại bỏ khí các-bon đi-ô-xít để giữ nó ở mức giới hạn. Vì vậy, cần sục khí thích hợp và tạo mức khuấy trộn đầy đủ để duy trì nồng độ oxy hòa tan ổn định, khí các-bon đi-ô-xít thường được giữ trong các cơ sở tuần hoàn RAS có sinh khối vừa phải (<5 kg/m3). Duy trì độ kiềm phù hợp (50-400 mg/L) thông qua việc bổ sung natri bicacbonat hoặc canxi hydroxit có thể giúp hạn chế hạ thấp độ pH thông qua việc tăng hàm lượng các-bon đi-ô-xít.

Một mẫu nước lấy từ hệ thống tuần hoàn RAS ứng dụng công nghệ biofloc cho thấy floc vẫn ở trạng thái lơ lửng

Khí nitơ độc hại

Một trong những mối bận tâm lớn nhất trong việc thiết kế và vận hành hệ thống tuần hoàn RAS là ba dạng cơ bản của khí nitơ độc hại. Chất thải đầu tiên là sản phẩm của quá trình chuyển hóa khí nitơ hoặc phân hủy protein thành amoniac. Amoniac tồn tại ở hai dạng trong nước: dạng đơn chất (NH3) độc hại và dạng ion hóa (NH4+) không có độc. Ở độ pH thấp hơn, xuất hiện dạng ion amoniac nhiều hơn và ít xuất hiện dạng đơn chất hơn.

Mối quan hệ giữa độ pH và amoniac này có thể là khái niệm quan trọng thứ hai cần tìm hiểu trong sản xuất nuôi trồng thủy sản. Khi độ pH tăng lên, phần trăm amoniac được ion hóa tăng lên (đôi khi đem lại kết quả ấn tượng). Ví dụ, nếu người quản lý nuôi trồng thủy sản tăng độ pH lên bằng cách thêm vào một hợp chất có tính kiềm cao như canxi hydroxit thì phần amoniac độc hại có trong nước nuôi có thể dễ dàng tăng lên tới 50% mà con số này có thể gây ra tử vong. Giới hạn trên đối với amoniac được ion hóa trong hệ thống tuần hoàn RAS đã được báo cáo là nhỏ hơn 0.05 mg/L.

Nitrit là dạng nitơ thứ hai được hình thành từ amoniac bởi các vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng. Nó là chất độc đối với hầu hết mọi sự sống và có thể được rất ít vi khuẩn chuyển hóa thành dạng nitrat (dạng chứa ít độc hơn). Giới hạn an toàn trên dành cho nitrit là dưới 2 mg/L đối với các loài như tôm và cá rô phi, trong khi đó giới hạn này phải gần bằng 0 đối với các loài nhạy cảm hơn như cá hồi.

Bằng cách tăng diện tích bề mặt có sẵn trong hệ thống tuần hoàn RAS, vi khuẩn tự dưỡng có thể tăng số lượng và biến đổi amoniac thành nitrit rồi sau đó chuyển hóa thành nitrat chứa ít độc hơn. Môi trường sinh học có hình bánh xe là một bộ lọc sinh học sẵn có và đáng tin cậy để chuyển hóa khí nitơ. Nitrat là sản phẩm cuối cùng của quá trình biến đổi nitơ độc hại hiếu khí và cần thay nước hoặc quá trình xử lý kỵ khí để khử nitrat thành nitơ dạng khí bay trở lại vào khí quyển.

Theo kinh nghiệm của tôi thì giới hạn trên để ngăn ngừa độc tính dành cho tôm là <200 mg/L, trong khi cá hồi thường cần ít hơn 10% giá trị đó trên cơ sở lâu dài. May mắn thay, các bộ dụng cụ thử nghiệm rẻ tiền và đáng tin cậy để đo tất cả các dạng khí nitơ độc hại đã có sẵn.

Chất thải rắn trong nước nuôi

Chất rắn thải tích tụ trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản có thể là một lợi ích về mặt cung cấp dinh dưỡng trong trường hợp các vật nuôi ăn mùn bã (thể thực khuẩn mảnh vụn) như tôm và cá rô phi, nhưng chất rắn cũng có thể là một vấn đề đối với các loài nhạy cảm hơn như họ cá hồi. Khoảng 50% tất cả các thức ăn được cung cấp cho một hệ thống tuần hoàn RAS trở thành chất thải rắn trong nước nuôi. Chất rắn lắng xuống đáy của vật chứa mà không có bất kỳ chuyển động nào trong nước trong vòng khoảng 30 phút thì được gọi đơn giản là chất rắn có thể lắng được, còn khi các hạt mịn hơn không dễ lắng được thì được gọi là chất rắn lơ lửng.

Thông thường thì tôm có thể hấp thụ tới 400 mg/L chất rắn lơ lửng và 10-50 ml mỗi lít chất rắn có thể lắng được, còn cá hồi thì không chịu được chất rắn lơ lửng trên 20 mg/L và không chịu được chất rắn có thể lắng được ở mọi thời điểm. Chất rắn có thể được duy trì thông qua quá trình lắng trọng lực đơn giản hoặc thông qua các phương tiện cơ học phức tạp hơn như trống quay hoặc bộ lọc cát và nhiều vật chứa hình trụ khác nhau sử dụng lực hướng tâm để tách và thu gom chất rắn.

Để am hiểu chất lượng nước trong hệ thống tuần hoàn RAS đòi hỏi phải nắm vững thao tác sử dụng một số biến số nhất định để chúng có thể được duy trì trong phạm vi tạo ra tốc độ tăng trưởng cao nhất và môi trường tốt nhất để ngăn ngừa dịch bệnh. Cách hiểu nâng cao về sự tương tác của các biến số, chẳng hạn như CO2, pH và amoniac là điều cần thiết để có thể tránh được các vấn đề trong sản xuất nuôi trồng thủy sản khi sinh khối tăng lên trong hệ thống tuần hoàn RAS, đặc biệt là những hệ thống không trao đổi nước. Để đọc thêm, hãy xem Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn của Timmons và cộng sự (Năm 2002).

Thông tin thêm

Tiến sĩ Bill McGraw sẽ cho ra mắt một khóa học trực tuyến về những kiến thức cơ bản trong nuôi trồng thủy sản (bao gồm 14 lớp học trong 7 tuần) vào tháng này. Mỗi lớp học có giá 20 đô la và sẽ được phát vào Thứ Hai và Thứ Tư hàng tuần từ 10 giờ sáng đến 11 giờ sáng theo múi giờ miền Đông (EST). Học sinh có thể chọn những lớp học mà họ muốn tham gia và tất cả học sinh tham gia mỗi lớp học sẽ nhận được chứng chỉ hoàn thành khóa học.