Công nghệ sinh thái có thể là lựa chọn thay thế hiệu quả về mặt kinh tế cho RAS ở Châu Phi

Công nghệ sinh thái, bao gồm các hệ thống đất ngập nước được xây dựng và qua lại, có thể cung cấp các giải pháp thay thế kinh tế cho RAS, sử dụng một số nguyên tắc tương tự như các hệ thống tuần hoàn, nhưng với chi phí thấp hơn.

Cá da trơn Châu Phi có thể được sản xuất với mật độ cao trong hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)

Nuôi trồng thủy sản có thể đóng một vai trò quan trọng trong an ninh lương thực của châu Phi

Tình trạng mất an toàn vệ sinh thực phẩm trên thế giới ngày càng gia tăng. Cá là một nguồn protein tương đối rẻ ở các nước đang phát triển. Các cơ quan quốc gia và quốc tế đang hỗ trợ nỗ lực tăng sản lượng cá.

Ở Châu Phi, nuôi trồng thủy sản thương mại là tương đối mới và chưa phát triển. Tuy nhiên, sản xuất cá là một phần thiết yếu của nhiều cộng đồng. Nuôi cá là động lực chính cho sinh kế của địa phương và nguồn sống của hộ gia đình. Đàn ông và phụ nữ đã phát triển các cách thức sản xuất, bảo quản và chế biến cá truyền thống, nâng cao sản lượng và thu nhập. Nhưng những thực hành này chỉ dẫn đến tăng sản lượng cận biên so với tăng dân số theo cấp số nhân.

Nuôi trồng thủy sản là một giải pháp khả thi để tăng cường an ninh lương thực ở Châu Phi. Đóng góp của châu Phi vào sản lượng nuôi trồng thủy sản thế giới vẫn còn nhỏ (2,7%), [1] nhưng hiện đang tăng lên - với các khoản đầu tư quy mô lớn vào Ai Cập, Nigeria, Uganda và Ghana. [2] [3]

Để thay thế cho RAS, các nhà đầu tư và nhà sản xuất cá da trơn Châu Phi cần xem xét các lựa chọn công nghệ mới để cải thiện sản lượng cá với giảm chi phí vốn / hoạt động. Công nghệ sinh thái được sử dụng trong canh tác ngoài trời có thể cải thiện sản xuất, tính bền vững và lợi nhuận.

Nigeria, quốc gia đông dân nhất châu Phi và là nhà sản xuất cá lớn thứ hai, phải sản xuất hơn một triệu tấn mỗi năm để đáp ứng nhu cầu. Một số thách thức đang gia tăng mà ngành công nghiệp phải đối mặt là sử dụng nước không bền vững và thiếu các tiến bộ công nghệ trong quản lý chất lượng nước. Hầu hết nông dân dựa vào việc sử dụng không kiểm soát nước mặt và xả nước thải của trang trại của họ trở lại môi trường gần đó.

Công nghệ RAS ở Nigeria

Rất ít nông dân đã chuyển từ phương pháp nuôi cá trong ao truyền thống sang nuôi cá trên toàn thế giới chuyển sang sản xuất cá thâm canh hơn và thực hành bền vững. Công nghệ hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) tái sử dụng và xử lý nước bằng công nghệ lọc. RAS có thể tập trung các chất thải từ cá, với công nghệ xử lý, tiêu hủy và tái chế chất thải hiệu quả. [5] Chất thải hữu cơ của cá - cả chất rắn lắng và lơ lửng - được loại bỏ qua quá trình lọc cơ học. Các hạt hòa tan được loại bỏ bằng phương pháp chưng cất bọt. Các sản phẩm thải nitơ, amoniac độc hại (NH 3 ) và nitrit (NO 2 ), được chuyển đổi bằng cách lọc sinh học thành nitrat (NO 3). RAS cũng làm giảm diện tích sản xuất so với các hình thức nuôi trồng thủy sản trên đất liền khác.

Cá tra châu Phi ( Clarias gariepinus ) là một trong những loài cá nước ấm hiệu quả nhất được sản xuất trong RAS, với sản lượng đạt trên 200-350 kg / m 3 . [6] Các công ty nuôi trồng thủy sản châu Phi nên tuân theo lợi thế công nghệ này để cải thiện sản lượng và cung cấp cá.

Có thể sử dụng các nguyên tắc nuôi trồng thủy sản tuần hoàn mà không tốn kém chi phí. Người nuôi có thể sử dụng bể lắng và lọc sinh thái để xử lý và tái sử dụng nước ao nuôi

Nhóm Patec [7] , đặt tại Nigeria, có kế hoạch thành lập trang trại RAS cá da trơn lớn nhất ở Châu Phi, sản xuất hơn 2.500 tấn mỗi năm. Các kế hoạch của công ty bao gồm trại giống, vườn ươm, nuôi thương phẩm và các cơ sở chế biến tích hợp. Đến năm 2024, nó đặt mục tiêu chế biến lên đến 5.000 tấn cá da trơn sống, được sản xuất từ cơ sở của chính mình và những người nuôi trồng khác, ban đầu cho thị trường địa phương. Sau đó, nó sẽ tìm cách mở rộng sang các khu vực khác của đất nước và Tây Phi, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc bán hàng xuất khẩu. Nghiên cứu sâu hơn về dự án của Patec sẽ được tiến hành để phân tích hiệu quả và xác định khả năng của nó. Sự thành công của cơ sở này có thể có ảnh hưởng trong việc tạo ra sự thay đổi trong ngành nuôi trồng thủy sản ở Nigeria.

Hạn chế sản xuất

Nhiều người nuôi cá châu Phi vẫn dựa vào hệ thống dòng chảy, nơi nước được bơm từ sông suối vào ao, sau đó thải ngược trở lại nguồn nước cũ. Một số cộng đồng sản xuất cá ở Nigeria sử dụng nước chảy theo cách này. Hầu hết các trang trại này nằm dọc theo các đồng bằng sông, lạch và hồ chứa. Một số yếu tố hạn chế quan trọng bao gồm nguồn cung cấp nước không ổn định, thay đổi theo mùa, lũ lụt và ô nhiễm chéo giữa các trang trại.

Cá da trơn Châu Phi ( Clarias gariepinus ) là loài được nuôi ưa thích - vì những loài cá này có khả năng thích nghi, kháng bệnh và có nhu cầu khách hàng cao. Tuy nhiên, hoạt động sản xuất của họ ở Nigeria đã bị ảnh hưởng tiêu cực do việc sử dụng kháng sinh không được kiểm soát, giao phối cận huyết và áp lực môi trường. Một ví dụ là ở bang Kwara, nơi nông dân không còn ưa chuộng sản xuất cá Trê do sinh trưởng kém và bệnh tật . Một số nông dân phàn nàn rằng trong những năm gần đây tỷ lệ chết ngày càng tăng, tốc độ tăng trưởng giảm. Một giải thích có thể cho rằng khả năng miễn dịch của cá da trơn châu Phi địa phương đã bị tổn hại do di truyền kém và quản lý nước kém.

RAS có phải là giải pháp tốt nhất?

RAS có thể mang lại nhiều lợi ích: quản lý nước tốt hơn, mật độ thả cao hơn, diện tích đất hạn chế, cá khỏe mạnh kháng bệnh và sản phẩm thực phẩm chất lượng. Mặc dù có một số trang trại sử dụng RAS cho cá tra giống và cá thức ăn, chi phí thiết lập ban đầu và chi phí vận hành cao của RAS công nghệ cao đương đại đã khiến nhiều người nuôi cá quy mô vừa và nhỏ phải trả giá. Hơn nữa, nguồn cung cấp điện thất thường và chi phí vận hành máy phát điện cao khiến hoạt động của RAS ở Nigeria gặp nhiều khó khăn.

Tuy nhiên, có thể sử dụng các nguyên tắc nuôi trồng thủy sản tuần hoàn mà không tốn kém chi phí. Người nuôi có thể sử dụng bể lắng và lọc sinh thái để xử lý và tái sử dụng nước ao nuôi. Nông dân Trung Quốc đang sử dụng “công nghệ sinh thái” này để cải thiện sản xuất trong hệ thống của họ. [số 8]

Các loại công nghệ sinh thái

1. Hệ thống đất ngập nước được xây dựng (CWS)

Một lựa chọn công nghệ sinh thái khả thi là hệ thống đất ngập nước được xây dựng (CWS), sử dụng các lớp cát, thực vật thủy sinh và các tổ hợp vi sinh để xử lý nước thải từ các trang trại. Chúng tôi khuyến nghị rằng dòng chảy dưới bề mặt nằm ngang (SSF) được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm bằng cách tích hợp một hệ thống tuần tự: khu vực đầu tiên có các macrophyte được trồng trong lớp sỏi điển hình (pH trung tính) để loại bỏ chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ và nitơ; và khu vực thứ hai chứa một bồn chứa đầy xỉ thép và đá vôi không có thực vật, như một bước đánh bóng để loại bỏ tối đa phốt pho. [9]CWS có thể mô phỏng RAS bằng cách cung cấp quá trình lọc cơ học và sinh học trong thiết bị tích hợp này. CWS tiết kiệm chi phí, vận hành đơn giản, thích ứng với khí hậu và sự thay đổi của phụ tải. Chúng cũng giảm việc sử dụng máy bơm điện và cho phép quản lý hiệu quả các hệ thống nuôi ngoài trời.

Sơ đồ vùng đất ngập nước xây dựng dòng chảy dưới bề mặt (bấm vào hình để phóng to). Ảnh:  Tilley et al, 2014

3. Đất ngập nước bê tông (ReCip)

Một lựa chọn công nghệ sinh thái khác được cung cấp bởi các hệ thống đất ngập nước qua lại (ReCip). Chúng sử dụng nguyên tắc được tìm thấy trong các vùng đất ngập nước thủy triều tự nhiên và liên quan đến các cải tiến đã được cấp bằng sáng chế trong việc thiết kế và vận hành các vùng đất ngập nước được xây dựng theo dòng chảy dưới bề mặt (SSF), sao cho các ô liền kề được lấp đầy và thoát nước trên cơ sở lặp lại. Kỹ thuật làm đầy và thoát nước lặp lại này, với chu kỳ quay vòng từ 1 đến 12 giờ một lần, biến toàn bộ hệ thống đất ngập nước thành một lò phản ứng sinh học dạng màng cố định. Điều này cải thiện hiệu quả của các vùng đất ngập nước được xây dựng, do đó thúc đẩy sự đa dạng vi sinh vật cao và một loạt các phản ứng sinh học và phi sinh học.

Trong một thử nghiệm được thực hiện để xử lý nước thải từ một trang trại nuôi cá rô phi thâm canh quy mô thí điểm, tỷ lệ loại bỏ BOD, tổng nitơ và tổng phốt pho trung bình lần lượt là 99, 95 và 84%. Ngoài ra, nó đã được báo cáo rằng ReCip tăng cường độ dẫn thủy lực, lọc sinh học và ổn định độ pH. [11] Sức mạnh của đất ngập nước có thể được cải thiện với việc lựa chọn các cụm thực vật thủy sinh / trên cạn cụ thể để tăng cường xử lý (phytoremediation).

Một vùng đất ngập nước được xây dựng để xử lý nước thải từ các ao bê tông được sử dụng để nuôi cá da trơn châu Phi ở Nigeria. Ảnh: Abdulmalik Oladipupo

Yêu cầu về diện tích đối với đất ngập nước SSF gấp 10 lần yêu cầu đối với đất ngập nước qua lại. Hơn nữa, để có hiệu quả đất ngập nước SSF phải nông (25 cm). Đất ngập nước có pittông cần bơm nhưng có thể sâu 2 mét. Vì công nghệ đối ứng là hiếu khí, nên có thể trồng các loại cây rau và hoa truyền thống để có thêm nguồn thu nhập. [12]

Bằng cách mô phỏng nguyên lý thủy triều, các hệ thống này có thể sử dụng năng lượng hiệu quả, diện tích rất nhỏ gọn và nước tuần hoàn chất lượng cao. Các nhà khoa học tại Tennessee Valley Authority (TVA), phối hợp với Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, đã phát triển một ReCip có khả năng xử lý tới 300.000 gallon nước thải sinh hoạt mỗi ngày (80.000 lít mỗi ngày). [13]

Hình 5. Đất ngập nước qua lại (nguồn: Nước bền vững Hoa Kỳ, được cấp bằng sáng chế bởi Tennessee Valley Authority)

Nitrat hóa ở vùng đất ngập nước SSF và ReCip

Nitrat hóa một phần có thể đạt được thông qua hệ thống đất ngập nước SSF tải thẳng đứng và gián đoạn và qua lại. Quá trình nitrat hóa hoàn toàn và hiệu quả trong đất ngập nước không thể đạt được và phụ thuộc vào tốc độ tải và thời gian lưu giữ cao, điều này là không thể thực hiện được đối với ứng dụng này. Quá trình nitrat hóa, quan trọng đối với xử lý nước thải cá, là cần thiết để đáp ứng yêu cầu tái sử dụng trong ao cá. Nhu cầu năng lượng thông qua sục khí trong xử lý này là cao, điều này đòi hỏi phải có một hệ thống đất ngập nước hỗn hợp. [14] Việc tích hợp công suất cơ học đầu vào thông qua việc bơm không khí để cải thiện các hoạt động nitrat hóa là rất quan trọng. Đầu vào kỹ thuật này cung cấp một môi trường hiếu khí cho sự phát triển của vi khuẩn và oxy hóa carbon hữu cơ.

Yêu cầu năng lượng cho quá trình nitrat hóa trong các vùng đất ngập nước được thiết kế (dòng chảy thủy triều và xung nhịp)

Yêu cầu năng lượng không phụ thuộc chặt chẽ vào công nghệ. [15] Thay vào đó, điều kiện địa điểm, quyết định thiết kế và yêu cầu loại bỏ tổng nitơ ảnh hưởng đáng kể đến yêu cầu năng lượng thiết kế. Các hệ thống ứng biến khác nhau bao gồm các vùng đất ngập nước có sục khí (AW) [16] , và dòng chảy thủy triều (TF) [17] . Nhu cầu oxy hòa tan cho quá trình nitrat hóa trong các hệ thống này thấp hơn. Sự tích hợp của quá trình sinh thái này giúp hạn chế nguồn điện cần cung cấp và nâng cao hiệu quả của máy bơm và máy thổi. Ở Châu Phi, nơi nhiệt độ trên 25 oC, sục khí được khuyến khích để cải thiện oxy của dòng chảy và đất ngập nước. Quá trình quang hợp của thực vật và cung cấp một phần không khí cơ học từ quạt gió sẽ làm tăng cung cấp oxy và phân hủy các hợp chất hữu cơ.

Một vùng đất ngập nước qua lại được cấp bằng sáng chế bởi Cơ quan Thung lũng Tennessee. Ảnh: US Sustainable Water

Phần kết luận

Quản lý nước (số lượng và chất lượng) có ảnh hưởng quan trọng đến sản xuất cá. Điều quan trọng là phải xem xét RAS để cải thiện sức khỏe cá, tăng trưởng, tỷ lệ sống và tính bền vững. Sản xuất cá thâm canh trong các cơ sở RAS khép kín đang được chú ý nhiều hơn do nhu cầu thủy sản toàn cầu, và sản xuất cá da trơn châu Phi sẽ là một ngành quan trọng. Nhu cầu protein vẫn cao ở Châu Phi do dân số tăng theo cấp số nhân, và cá là loại protein tốt nhất và giá cả phải chăng nhất hiện có. Với chủ yếu là các trang trại quy mô vừa và nhỏ, các hệ thống ao nuôi hiện tại sẽ không đủ để đáp ứng các yêu cầu về cá trong tương lai.

Để thay thế cho RAS, các nhà đầu tư và nhà sản xuất cá da trơn Châu Phi cần xem xét các lựa chọn công nghệ mới để cải thiện sản lượng cá với giảm chi phí vốn / hoạt động. Công nghệ sinh thái được sử dụng trong canh tác ngoài trời có thể cải thiện sản xuất, tính bền vững và lợi nhuận. Nó cũng là một hệ thống xử lý chất thải hiệu quả và giá cả phải chăng. Các nguyên tắc của hệ thống đất ngập nước được xây dựng và các vùng đất ngập nước qua lại có thể là chìa khóa cho tương lai của ngành nuôi trồng thủy sản châu Phi.