Hướng dẫn nuôi trồng thủy sản tuần hoàn - Phần 3

Bộ lọc cơ học

Lọc cơ học nước đầu ra từ bể cá đã được chứng minh là giải pháp thiết thực duy nhất để loại bỏ các chất thải hữu cơ. Ngày nay, hầu hết tất cả các trang trại chăn nuôi cá tuần hoàn đều lọc nước đầu ra từ các bể bằng cái thường được gọi là tấm chắn siêu nhỏ được trang bị một miếng vải lọc tiêu biểu từ 40 đến 100 micrômet. Hệ thống lọc trong là loại tấm chắn siêu nhỏ được sử dụng phổ biến nhất và thiết kế đảm bảo loại bỏ các hạt phân tử một cách êm ái.

Chức năng của hệ thống lọc trong:

1. Nước được lọc đi vào lòng máy.

2. Nước được lọc qua các thiết bị lọc của lòng máy. Sự chênh lệch mực nước bên trong / bên ngoài lòng máy là động lực của phương pháp lọc này.

3. Chất rắn được giữ lại trên các thiết bị lọc và được nâng lên khu vực nước xoáy ngược bằng cách xoay lòng máy.

4. Nước từ vòi rửa được phun từ bên ngoài các thiết bị lọc.  Chất hữu cơ được loại bỏ bị tống khỏi các thiết bị lọc vào trong máng chứa cặn.

5. Chất cặn cùng với nước phun ra bên ngoài bộ lọc bằng trọng lực, thoát ra khỏi trại cá đi đến hệ thống xử lý nước thải bên ngoài (xem chương 6).

Phương pháp lọc bằng tấm chắn siêu nhỏ có các ưu điểm sau:

• Giảm tải trọng chất thải hữu cơ của bộ lọc sinh học.

• Làm cho nước trong hơn vì các hạt phân tử hữu cơ được loại bỏ khỏi nước.

• Cải thiện điều kiện nitrat hóa (oxy hóa NH3 thành axit nitrit) nhờ bộ lọc sinh học không bị tắc.

• Ổn định hiệu quả trong quá trình lọc sinh học.

Phương pháp sinh học

Không phải tất cả các chất hữu cơ đều được loại bỏ trong bộ lọc cơ học mà các hạt phân tử nhỏ nhất sẽ đi qua cùng với các hợp chất hòa tan như phốt-phát và nitơ. Phốt-phát là một chất trơ, không có hiêu ứng độc hại nhưng nitơ dưới dạng amoniac tự do (NH3) thì lại là chất độc và cần phải được chuyển hóa trong bộ lọc sinh học trở thành nitrat vô hại. Sự phân hủy chất hữu cơ và amoniac là một quá trình sinh học được thực hiện bởi vi khuẩn trong bộ lọc sinh học. Vi khuẩn dị dưỡng oxy hóa các chất hữu cơ bằng cách tiêu thụ oxy và sản xuất CO2, NH3 và cặn. Vi khuẩn nitrat chuyển đổi amoniac thành nitrit và cuối cùng trở thành nitrat.

Hiệu quả của lọc sinh học phụ thuộc chủ yếu vào:

• Nhiệt độ nước trong hệ thống.

• Độ pH trong hệ thống.

Để đạt được tốc độ nitrat hóa chấp nhận được thì nhiệt độ nước phải được giữ trong khoảng từ 10 đến 35°C (tối ưu khoảng 30°C) và độ pH trong khoảng từ mức 7 đến 8. Nhiệt độ nước thường sẽ phụ thuộc vào loài được nuôi và do vậy nhiệt độ không được điều chỉnh để đạt tốc độ nitrat hóa tối ưu nhất, nhưng nó đưa ra mức tối ưu cho sự phát triển của cá. Việc điều chỉnh độ pH liên quan đến hiệu quả của bộ lọc sinh học tương đối quan trọng vì độ pH thấp hơn làm giảm hiệu quả của bộ lọc sinh học. Do đó, độ pH phải được giữ trên mức 7 để đạt được tốc độ nitrat hóa vi khuẩn cao. Mặt khác, việc tăng độ pH sẽ dẫn đến tăng hàm lượng amoniac tự do (NH3), điều này làm tăng hiệu ứng độc hại. Do đó, mục đích là tìm ra sự cân bằng giữa hai mục tiêu đối nghịch này để điều chỉnh độ pH. Điểm điều chỉnh được khuyến nghị là giữa pH 7,0 và pH 7,5.

Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến độ pH trong hệ thống tuần hoàn nước:

• Việc sản xuất CO2 từ cá và từ hoạt động sinh học của bộ lọc sinh học.

• Axit được tạo ra từ quá trình nitrat hóa.

Kết quả của quá trình nitrat hóa:

NH4 (amoni) + 1,5 O2 → NO2 (nitrit) + H2O + 2H + + 2e

NO2 (nitrit) + 0,5 O2 → NO3 (nitrat) + e

_________________________

NH4 + 2 O2 ↔ NO3 + H 2O + 2H +

CO2 được loại bỏ bằng cách sục khí, theo đó quá trình khử khí diễn ra. Quá trình này có thể được thực hiện theo nhiều cách như được mô tả sau trong chương này.

Quá trình nitrat hóa tạo ra axit (H+) và độ pH giảm xuống. Để ổn định độ pH cần phải thêm một bazơ. Đối với mục đích này, vôi hoặc natri hydroxit (NaOH) hoặc một bazơ khác cần được thêm vào nước.

Cá bài tiết hỗn hợp amoniac và amoni (Tổng nồng độ Ammonia Nitrate (TAN) = ammonium (NH4 +) + ammonia (NH3)), trong đó amoniac là thành phần chính tạo thành chất bài tiết. Tuy nhiên, lượng amoniac trong nước phụ thuộc vào độ pH như trong hình 2.8, cho thấy trạng thái cân bằng giữa amoniac (NH3) và amoni (NH4 +).

Hình 2.8 Cân bằng giữa amoniac (NH3) và amoni (NH4+) ở nhiệt độ 20°C. Amoniac độc hại không tồn tại ở độ pH dưới mức 7 nhưng tăng nhanh khi độ pH tăng.

Hình 2.9 Mối quan hệ giữa độ pH đo được và lượng TAN có sẵn để phân hủy trong bộ lọc sinh học, dựa trên nồng độ amoniac độc hại là 0,02 mg/L.

Nhìn chung, amoniac gây độc cho cá ở mức trên 0,02 mg/L.  Hình 2.9 cho thấy nồng độ tối đa của TAN được phép ở các độ pH khác nhau nếu nồng độ amoniac được đảm bảo dưới mức 0,02 mg /L. Độ pH thấp hơn giảm thiểu rủi ro vượt quá giới hạn amoniac độc hại 0,02 mg/L này, nhưng người nuôi cá được khuyến nghị duy trì độ pH tối thiểu ở mức 7 để đạt được hiệu quả lọc sinh học cao hơn như đã được giải thích trước đó.  Thật không may, tổng nồng độ TAN được cho phép do vậy cũng giảm đáng kể như có thể thấy trong hình 2.9. Do đó, có hai hướng hoạt động trái ngược nhau về độ pH mà người nuôi cá phải xem xét khi điều chỉnh bộ lọc sinh học của mình.

Nitrite (NO2 -) được hình thành ở giai đoạn trung gian trong quá trình nitrat hóa và gây độc cho cá ở mức trên 2,0 mg/L. Nếu cá trong hệ thống tuần hoàn đang thở hổn hển mặc dù nồng độ oxy vẫn ổn thì nồng độ nitrit cao có thể là nguyên nhân. Ở nồng độ cao, nitrite được vận chuyển qua mang vào máu cá nơi mà ở đó nitrite cản trở sự hấp thụ oxy. Bằng cách thêm muối vào nước với hàm lượng nhỏ bằng 0,3‰ sẽ làm ức chế sự hấp thu nitrite.

Nitrate (NO3 -) là sản phẩm cuối cùng của quá trình nitrat hóa. Mặc dù nó được coi là vô hại nhưng nồng độ cao (trên 100 mg/L) dường như có tác động tiêu cực đến sự tăng trưởng và chuyển đổi thức ăn. Nếu việc trao đổi nước mới trong hệ thống được giữ ở mức rất thấp thì nitrat sẽ tích lũy và đạt tới nồng độ không thể chấp nhận được. Một cách để tránh được sự tích tụ này là tăng sự trao đổi nước mới, theo đó nồng độ cao được pha loãng đến nồng độ thấp hơn và không có sự cố.

Mặt khác, toàn bộ ý tưởng về tuần hoàn là tiết kiệm nước và trong một số trường hợp thì tiết kiệm nước là một mục tiêu chính. Trong những trường hợp như vậy, nồng độ nitrat có thể được giảm xuống bằng quá trình khử nitrat hóa. Trong điều kiện bình thường, lượng nước tiêu thụ hơn 300 lít trên mỗi kg thức ăn được sử dụng là đủ để pha loãng nồng độ nitrat. Sử dụng ít nước hơn 300 lít trên mỗi kg thức ăn làm cho việc sử dụng khử nitơ đáng để xem xét.

Các vi khuẩn khử nitơ vượt trội nhất được gọi là Pseudomonas. Đây là một quá trình kỵ khí (không có oxy) biến đổi nitrat thành nitơ trong không khí. Trên thực tế, quá trình này loại bỏ nitơ từ nước vào không khí, nhờ đó hàm lượng nitơ đi vào môi trường xung quanh bị giảm xuống. Quá trình này đòi hỏi một nguồn nguồn chất hữu cơ (carbon), ví dụ mê-ta-non (metanol) có thể được thêm vào buồng khử nitrat.  Trong điều kiện thực tế, cần có 2,5 kg metanol cho mỗi kg nitrat (NO3 -N) bị khử.

Thông thường, buồng khử nitơ được trang bị vật liệu lọc sinh học được thiết kế với thời gian lưu trú từ 2-4 giờ. Lưu trình phải được kiểm soát để giữ nồng độ oxy đầu ra tại ứng dụng là 1 mg/L. Nếu oxy hoàn toàn cạn kiệt thì việc sản xuất hydro sunfua (H2S) sẽ diễn ra, điều này cực kỳ độc hại đối với cá và cũng gây ra mùi hôi khó chịu (mùi trứng thối). Kết quả tạo ra cặn là khá cao và thiết bị phải được lạm sạch lại, thường là mỗi tuần một lần.

Hình 2.10 Thiết bị lọc đáy di động bên trái và thiết bị lọc đáy cố định bên phải.

Bộ lọc sinh học thường được sử dụng thiết bị nhựa tạo thành, cung cấp diện tích bề mặt cao trên mỗi m3 của bộ lọc sinh học. Các vi khuẩn sẽ phát triển như một màng mỏng trên thiết bị do đó chiếm một diện tích bề mặt cực kỳ lớn. Mục đích của một bộ lọc sinh học được thiết kế hợp lý là để đạt được diện tích bề mặt càng cao càng tốt trên mỗi m3 mà không nén bộ lọc sinh học quá chặt đến mức nó sẽ bị tắc nghẽn bởi vật chất hữu cơ đang hoạt động. Do đó, điều quan trọng là phải có tỷ lệ lớn không gian trống để nước chảy qua và có một dòng chảy xuyên suốt qua bộ lọc sinh học cùng với việc thực hiện đầy đủ các quy trình làm sạch lại. Các thủ tục làm sạch lại như vậy phải được thực hiện đầy đủ trong khoảng thời gian một lần một tuần hoặc một lần một tháng tùy thuộc vào tải trọng trên bộ lọc. Khí nén được sử dụng để tạo ra sự chuyển động không đều trong bộ lọc, theo đó chất hữu cơ được tách ra. Bộ lọc sinh học bị xáo trộn trong khi quy trình làm sạch đang diễn ra và nước bẩn trong bộ lọc được thoát đi và thải ra ngoài trước khi bộ lọc sinh học được kết nối lại với hệ thống.

Bộ lọc sinh học được sử dụng trong các hệ thống tuần hoàn có thể được thiết kế như bộ lọc đáy cố định hoặc bộ lọc đáy di động. Tất cả các bộ lọc sinh học được sử dụng trong tuần hoàn ngày nay hoạt động như các thiết bị ngầm dưới nước.  Đối với bộ lọc đáy cố định, thiết bị nhựa được cố định và không di chuyển. Nước chảy qua các thiết bị như một dòng chảy phân lớp (tầng lưu) để tiếp xúc với màng vi khuẩn. Đối với bộ lọc đáy di động, thiết bị nhựa đang di chuyển trong nước bên trong bộ lọc sinh học bằng dòng chảy được tạo ra bởi ống bơm không khí. Do sự di chuyển liên tục của thiết bị, bộ lọc đáy di động có thể được nén cứng hơn bộ lọc đáy cố định do đó đạt được tốc độ quay vòng trên mỗi m3 của bộ lọc sinh học cao hơn. Tuy nhiên, không có sự khác biệt đáng kể về tốc độ quay vòng được tính trên mỗi m2 (diện tích bề mặt bộ lọc) vì hiệu quả của màng vi khuẩn ở một trong hai loại bộ lọc ít nhiều giống nhau. Đối với bộ lọc đáy cố định, các hạt phân tử hữu cơ mịn cũng được loại bỏ khi các chất này bám vào màng vi khuẩn. Do đó, bộ lọc đáy cố định sẽ hoạt động như một bộ lọc cơ học loại bỏ chất hữu cơ siêu nhỏ và làm cho nước rất sạch. Bộ lọc đáy di động sẽ không có tác dụng tương tự như khi sự chuyển động không đều liên tục của nước sẽ làm vô hiệu bất kỳ độ bám dính nào.

Hình 2.11 Bộ lọc đáy sinh học di động (trên) và bộ lọc đáy sinh học cố định (dưới).

Cả hai hệ thống lọc có thể được sử dụng trong cùng một hệ thống hoặc chúng có thể được kết hợp; sử dụng bộ lọc đáy di động để tiết kiệm không gian và bộ lọc đáy cố định để hưởng lợi từ hiệu ứng vững chắc. Có một số giải pháp dành cho thiết kế cuối cùng của hệ thống lọc sinh học tùy thuộc vào quy mô trang trại, loài cần nuôi, kích cỡ của cá, v.v.