Các phương pháp loại bỏ chất thải trong nuôi thủy sản

A/ Hệ thống máy móc đào thải chất rắn

Lắng đọng/ Bồi lắng: Sự lắng đọng dựa vào sự khác biệt về mật độ giữa thức ăn hạt trong nước và nước. Việc chênh lệch mật độ trong nước càng lớn thì sự tách biệt càng nhanh hơn. Chất rắn trong hệ thống nuôi trồng thủy sản thường có một lực hấp dẫn cụ thể, khoảng 1.19 (Chen et al., 1993) do đó các lực hướng các chất lắng là sự chênh lệch trọng lực riêng khoản 0.19. Thông thường, thời gian lưu trữ cho các lưu vực trầm lắng được dùng trong nuôi trồng thủy sản từ 15- 60 phút.Thiết kế hệ thống tuần hoàn thường dùng một thời gian lưu trữ từ 15- 20 phút cho chất thải. Một bể lắng được thiết kế tốt thường sẽ loại bỏ hầu hết những thức ăn hạt xuống đến dưới 100 micron. Bể lắng rất đơn giản, có những bộ phận nofamoving, nhưng cần lao động để duy trì và/ hoặc làm sạch chất rắn cứng.

Bộ lọc cát: Bộ lọc lớp cát cố định và lớp hạt có thể được sử dụng trong ứng dụng nuôi trồng thủy sản nhưng không được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thương mại. Những máy lọc này bao gồm một hộp chứa đầy cát hoặc một số vật liệu hạt khác. Nước được cho qua một lớp cố định chảy theo hướng xuống (dòng chảy xuống) hoặc trong theo chiều hướng đi lên (dòng chảy lên). Những thức ăn hạt được tách ra khỏi nước khi nó được “chiếu” qua bộ lọc cát.. Những thức ăn hạt được loại bỏ từ những hạt có kích thước nhỏ đến những hạt có kích thước lớn hơn. Những hạt có kích thước nhỏ được loại bỏ dựa vào kích thước của cát, lưu lượng và tính chất của chất thải. Bộ lọc cát có thể được thiết kế để loại bỏ thức ăn hạt xuống khoản 30 micron (Wheaton, 1997). Bộ lọc hạt trung gian càng nhỏ thì có thể loại bỏ chất thải dạng hạt càng nhỏ. Tuy nhiên, tắt nghẽn, tầng số rửa lại và sự hao hụt sẽ tăng lên với việc giảm kích thước bộ lọc trung gian. Bộ lọc cát hoạt động tốt trong môi trường nước sạch, nhưng khoảng cách giữa việc rửa lại thường xuyên hơn hoặc hao hụt quá nhiều nếu dòng chất thải quá tập trung. Trọng lực và cát chân không hiếm khi được sử dụng trong môi trường nuôi trồng thủy sản, trong khi bộ lọc áp lực cát có thể tìm thấy trong hệ thống công nghệ thấp.

Màn lọc: Màng lọc loại bỏ các hạt có cùng kích thước hoặc lớn hơn với kích thước của mắt lưới của màn lọc. Màn lọc có hàng loạt có cấu hình và mỗi cái đều có ưu và nhược điểm riêng. Màn hình tĩnh hiếm khi được sử dụng trong hệ thống nuôi trồng thủy sản vì chúng sẽ bị kẹt lại nhanh chóng và đòi hỏi nhiều lao động tốn kém và bảo trì để duy trì và vận hành. Thỉnh thoàng còn có loại màn lọc tiếp tuyến – một loại màn lọc tĩnh có thể tự làm sạch, được sử dụng trong hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn nhỏ.

Màn lọc trống được sử dụng thường xuyên trong hệ thống sản xuất nuôi trồng thủy sản để loại bỏ các chất rắn. Đây là dạng màn lọc xoay, thường được gọi là màn lọc mirco trong xử lý nước thải, và liên tục được rửa sạch trở lại. Vì thế sự liên tục hoặc gián đoạn tự động rửa lại ngăn chặn các màn lọc xoay khỏi bị tắt nghẽn. Những đơn vị này khá đơn giản, nhưng một vài bộ phận rời và đòi hỏi một máy bơm rửa lại. Chi phí cho màn lọc đa dạng với từng loại công suất nhưng thông thường là trong khoảng từ $4000 đến $5000 cho loại 750 đến 1100 lít trên một phút đơn vị. Tốc độ dòng chảy là một chức năng của màn lọc lưới được sử dụng, tính chất của chất thải, dòng chải của nước và việc tập trung chất thải. Ứng dụng nuôi trồng thủy sản thông thường sử dụng màn lọc 60- 100 micron.

Bộ lọc hạt: Có một vài loại bộ lọc hạt. Loại phổ biến nhất có chứa những hạt nhựa có đường kính thường từ 3-5 mm. Những hạt này có dạng hình dạng tương tự hình cầu hoặc những hình dạng khác. Các hạt được hình thành từ một vài loại nhựa có trọng lực riêng gần bằng nước, thường nhẹ hơn nước nên chúng có thể nổi lên được. Đây là một loại màn lọc trên mặt và phía dưới của bộ lọc. Nước được bơm từ dưới lên trên bộ lọc làm cho những hạt này có thể giữ lại màn lọc phía trên miễn là nước còn chảy. Nước qua bộ lọc hoạt động giống như một màn lọc để loại bỏ các hạt lớn hơn qua khe giữa các hạt. Khi màn hạt trở nên cồng kềnh với các chất rắn, bộ lọc sẽ được rửa lại bằng cách ngừng nước chảy và khuấy đều các hạt để loại bỏ chất rắn vì thế chúng có thể lắng xuống đáy hồ hoặc loại bỏ khỏi nước từ các hạt và gây ra việc lớp hạt rã ra thành những hạt riêng lẻ bằng cách đó có thể tách ra các chất rắn. Chất rắng sau đó được xả ra khỏi bể và lưu lượng nước bắt đầu được đưa vào bộ lọc để hoạt động trở lại (Beecher et al, 2001). Bọ lọc này cũng hoạt động như một bộ lọc sinh học (xem bộ lọc sinh học ở dưới).

Một cấu hình của bộ lọc hạt khác bao gồm những bộ lọc dùng hạt xốp đường kính từ 1-2 mm và có thể nổi ở nơi mà những hạt nói trên. Có những bộ lọc khác được thiết kế để dòng nước khiến các hạt nổi lên tại trung tâm bộ lọc và lưu thông xuống xung quanh bên ngoài bộ lọc. Kiểu hình cuối cùng này cần phải tự rửa ngoại trừ phía đấy hồ phải giội rửa định kỳ.

Bộ lọc Diatomaceous Earth: Bộ lọc Diatomaceous Earth (D. E.) là bộ lọc hạt cơ bản rất tốt mặc dù nguyên lý hoạt động của nó hơi khác so vơi bộ lọc cát cố định điển hình. Bộ lọc đất Diatomaceous sẽ loại bỏ các hạt xuống khoảng 0.2 microns (Prchas, 1967). Không may, bộ lọc diatomaceous tương đối khó sử dụng, chúng thường dễ bị kẹt, và thường cần một lượng lao động đáng kể. Vì thế chúng cần thiết được sử dụng ở nơi nước trong sạch như trong ao thủy sinh nơi mà nước trong rất quan trọng. Vì hệ thống nuôi trồng thủy sản thương mại không yêu cầu nước trong suốt, nên bộ lọc D. E thỉnh thoảng mới được sử dụng vì những chi phí bổ sung cần thiết.

Máy ly tâm và Hyroclones: Thông thường các máy ly tâm dạng hình trụ. Các xi lanh quay trong nước được cho phép chạm đến đáy của một đầu xi lanh. Máy quay li tâm rất nhanh, thỉnh thoảng vài trăm ngàn vòng một phút, điều đó tạo ra một lực gia tốc rất cao ở những chỗ nước đi qua nó. Những hạt trong nước, hơi đậm đặc hơn nước di chuyển từ bên ngoài xinh lanh và nước sạch hướng về bên trong của xi lanh. Như thế, bằng cách lấy một lớp mỏng các nguyên liệu ra bên trong bức tường của xi lanh, phần lớn thức ăn hạt đều được loại bỏ. Nước sạch xuất hiện bên trong của xi lanh. Trong nuôi trồng thủy sản, thức ăn hạt thường không dày đặc hơn so với nước. Ưu điểm của máy ly tâm chính là sự tăng tốc trong máy có thể điều chỉnh bằng việc lựa chọn đường kính ống và tốc độ quay trong khi phần trăm nước bị loại bỏ cùng với chất thải có thể điều chỉnh được bằng cách lưa chọn độ sâu của nước thu vào bên trong các bức tường của máy ly tâm. Máy ly tâm không được sử dụng rộng rãi vì chúng khá mắc để mua và vận hành và chúng đòi hỏi bảo dưỡng một cách đáng kể.

Hydroclones tương tự như máy lý tâm trong việc tạo ra lực gia tốc cao mà buộc chất rắn tách ra khỏi nước. Hydroclone bao gồm một phần hình trụ và một phần hình nó. Nước dưới áp lực đi vào phần hình trụ tiếp tuyến và buộc phải xoay trong phần hình trụ. Khi nước lưu thông, lực hình trụ được tạo ra khiến các hạt di chuyển hướng ra bên ngoài của khu vực hình trụ. Lực hấp dẫn kéo cột nước xuống vào khu hình nón của hydroclone. Nước dọc tường của hydroclone được phép thả ra khỏi đáy của hydroclone (dòng nước phía dưới) mang phần lớn thức ăn hạt theo nó. Vì dòng chảy lớn hơn dòng nước ngầm, nước sạch ở trung tâm của hydroclone tăng lên và xuất hiện trên đỉnh của hydroclone (phần nước tràn). Phần hạt với kích thước nhỏ nhất được loại khỏi dưới áp lực của nước, sự chênh lệch giữa hạt thức ăn và nước, phần trăm của nguồn nước phía dưới và các biến số khác. Hydrocloes đôi khi được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản thương mại, chủ yếu cho các hệ thống nhỏ. Hydroclones không có bộ phận di chuyển được nên khá đáng tin cậy, nhưng có có một tỉ lệ đáng kể giữa nước phía dưới với phần thức ăn hạt. Nó đòi hỏi ít nhất 30 – 60 psi áp lực nước nhỏ qua hydroclone, một đòi hỏi tốn kém năng lượng.

B/ Bộ lọc hóa học

Bộ lọc hóa học được sử dụng chủ yếu để loại bỏ các chất hòa tan, hay thức ăn dạng mịn. Những bộ lọc điển hình này dựa trên các phản ứng hóa học để hấp thụ nguyên liệu từ nước, ví dụ như hấp thụ carbon và chưng cất bọt. Sự thu hút thứ hai là điện, với một hợp chất (một trong những thứ có thể loại bỏ khỏi nước) có khả năng ràng buộc lớn hơn với những loài đã có sự ràng buộc với chất nền, ví dụ như trao đổi ion.

Sự hấp thụ: có rất nhiều vật liệu có thể được sử dụng như một ma trận hấp thụ bao gồm than hoạt tính, phân compost, vỏ gỗ và các vật liệu khác. Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi nhất vì nó có diện tích bề mặt lớn cho mỗi đơn vị thể tích (thỉnh thoảng cao từ 1 đến 2.5 x10^6 m2 /kg) (EPA, 1973). Than hoạt tính sẽ hấp thụ một lượng lớn nhiều loại hóa chất trên bề mặt nó. Sử dụng việc hấp thụ của than hoạt tính trong nuôi trồng thủy sản thì giới hạn trong môi trường đòi hỏi phải sử dụng nước trong hay trong trường hợp khẩn cấp trong việc hấp thụ hóa chất nào đó vô tình rơi vào hệ thống nuôi trồng thủy sản. Chi phí, đòi hỏi lao động, nhanh bị nghẽn, và sử lý carbon đã dùng là một trong những lý do mà nó không được sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản.

Tách bọt: Tách bọt phụ thuộc vào sự hấp thụ của hạt hòa tan và rất mịn trên bề mặt của bong bóng. Một phân đoạn tách bọt đơn giản là đá khí ở bên dưới đáy một ống thẳng đứng. Khi bong bóng từ đá khí nổi lên thông qua đường ống chúng thu thập các chất hòa tan từ khối chất lỏng trên bề mặt chúng. Vì các thành phần hóa học, các chất gây ô nhiễm tập trung trên bề mặt bong bóng vượt quá nồng độ nó được tìm thấy trong chất lỏng.. Khi bong bóng nổi lên bề mặt, bong bóng bị vỡ và nồng độ dư thừa sẽ được loại bỏ chung với nó. Tách bọt hiện được sử dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản. Nó đơn giản, không tốn kém, là một trong số ít những cách loại bỏ chất ô nhiễm hòa tan từ nước nuôi cá. Thảo luận lý thuyết bổ sung của tách bọt có thể được tìm thấy ở Wheaton (1977) và Timmons (1994)

Trao đổi ion: Trao đổi ion là một phương pháp loại bỏ chất hòa tan trong nước. Thông thường nó bao gồm một lớp trung gian trao đổi ion, thông thường có một mặt cầu chứa nguyên liệu đường kính 1 đến 2mm. Việc trao đổi ion có điện tích trên bề mặt được gây ra bởi sự kết dính của các hạt mang điện tích. Khi nước di chuyển qua lớp đó, ions của nước được trao đổi cho ion được gắn vào vât trung gian. Các hệ thống trao đổi ion quen thuộc nhất chính là làm mềm nước nơi natri bị buộc vào các vật trung gian trao đổi ion. Nước có chứa canxi chảy qua vật trung gian và bề mặt của phương tiện thu hút canxi trở nên mạnh hơn natri. Vì thế, vật trung gian đã bỏ natri ra và hấp thụ canxi. Hệ thống này được nạp bằng cách chạy một nồng độ rất cao natri qua bộ lọc. Bởi vì nồng độ natri cao, nó chiếm chỗ của canxi với natri, do đó nạp năng lượng cho vật trung gian trao đổi ion. Các đặc trưng của việc trao đổi ion chính là việc nó hấp thụ một hay nhiều ion và Luôn luôn có một điện tích không đổi. Nếu canxi được thả ra (hóa trị 2), hai natri sẽ được hấp thụ (mỗi natri hóa trị 1). Vì thế, các điện tích trên vật trung gian trao đổi ion vẫn giữ nguyên. Dù có hay không việc các ion là chất độc thì vẫn cần phải xem xét lại. Rõ ràng rằng vật trung gian trao đổi ion có khả năng nhất định tức là số lượng ion sẽ hấp thụ trên một khối lượng của vật trung gian trước khi nó nó được sạc. Nước được dùng để nạp cho vật trung gian trao đổi ion có thể hoặc không ăn da, chua hoặc có một số đặc tính khác mà khiến nó khó xử lý.

Vật trung gian trao đổi ion có thể là sản phẩm tự nhiên (ví dụ như Clinoloptile) hoặc vật liệu nhân tạo. Nó có thể được sản xuất để chọn lọc hấp thụ các ion cụ thể, ví dụ amoniac.. Sự hấp thụ amoniac có thể là cách trao đổi thông thường nhất trong hệ thống nuôi trồng thủy sản. Vì nó là một hệ thống trao đổi ion và nước muối có nồng độ ion cao, việc trao đổi ion sẻ không hoạt động tốt trong hệ thống nước muối hay nước lợ. Nó hoạt động tốt trong hệ thống nước ngọt, nhưng mối quan tâm là về giá của vật trung gian trao đổi ion rất đắt đỏ. Có hàng loạt các yếu tố tác động hiệu quả hoặc loại bỏ các ion cụ thể bằng vật trung gian trao đổi ion đó. Vì thế, thiết kế của hệ thống này thường có phần cụ thể cho các đặc tính của nước thải.

C/ Bộ lọc sinh học

Có nhiều loại bộ lọc sinh học (hay biofilters) được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản và hệ thống xử lý nước thải. Chuyển đổi amoniac thành nitrit và sau đó thành nitrat là bộ lọc sinh học được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản nhiều nhất. Tuy nhiên, cũng có những bộ lọc dùng cho việc loại bỏ BOD (Biochemical Oxygen Demand- nhu cầu oxy hóa sinh), nitrat (một hệ thống kỵ khí), và công dụng khác. Ở đây tập trung vào bộ lọc sinh ọc sẽ loại bỏ amoniac và chuyển nó thành nitrit và sau đó chuyển thành nitrat. Amoniac là chất độc đối với các trong khoản 1 ppm (phần triệu), nitrit là chất độc ở phạm vi 1 đến 2 ppm trong khi cá thường có thể chịu đựng được trên 1000 ppm nitrat. Mức độ độc hại của các hợp chất nitơ còn phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, sức khỏe của cá và sự tập trung ion trong nước, và những yếu tố khác. Tuy nhiên, điểm ở đây là amoniac và nitrit độc hơn nhiều khi ở nồng độ tương tự nitrat.

Amoniac được sản sinh trong hệ thống nuôi trồng thủy sản do sự bài tiết trực tiếp từ cá và bởi sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ tạo ra bởi vi khuẩn dị dưỡng vì các hợp chất vô cơ đầu tiên được sản xuất qua quá trình tuần hoàn nitơ, amoniac sau đó được ôxy hóa thành nitrit (NO2) bởi một số loài vi khuẩn, loài nổi tiếng nhất là Nitrosomonas. Nitrit sau đó được oxy hóa bởi một vài nhóm vi khuẩn, được biết đến rộng rãi với tên Nitrobacter, để thành nitrat (NO3). Tốc độ chuyển đổi amoniac thành nitrat diễn ra phụ thuộc vào nồng độ nitơ trong nước, nồng độ oxy, nồng độ hữu cơ trong nước trong bộ lọc, nhiệt độ và một vài biến đổi khác. Độ lớn của một bộ lọc sinh học mà bạn phải có trong hệ thống tuần hoàn phụ thuộc vào các biến thiên giống nhau thêm vào những nhân tố khác như việc trang bị đầy đủ sự bao bọc của vật trung gian cố định bởi các vi khuẩn nitrat hóa, diện tích bề mặt của bộ lọc trên mỗi đơn vị thể tích, và những nhân tố khác. Mặc dù người ta có thể xây dựng một bộ lọc sinh học, nhưng thiết kế ra một loại hiệu quả là một điều khó khăn và tốt nhất là để các chuyên gia về bộ lọc thiết kế.

Bộ lọc sinh học được làm ra từ một loạt các cấu hình vật lý. Những loại lâu đời nhất có một lớp cố định được thiết kế với nước chảy từ định xuống đáy (dòng chảy xuống) hoặc từ dưới lên trên (dòng chảy lên). Lớn đó có thể làm từ bất kỳ vật liệu nào mà không chứa chất động cho cá hay vi khuẩn (ví dụ: vỏ sò, cát, đá, vật liệu lưới v..v) Đó là vì mong muốn có một bề mặt cao cho mỗi đơn vị thể tích vì điều này sẽ dẫn đến máy lọc nhỏ hơn cho cùng một việc. Tuy nhiên, đường kính của vật trung gian nhỏ hơn, thông qua nó có một bề mặt lớn so với tỉ lệ khối lượng, dễ dàng hơn để rửa sạch thường xuyền hơn.

Bộ lọc sinh học dạng hạt: Bộ lọc sinh học dạng hạt được miêu tả nằm ở bên trên phía dưới bộ lọc chất rắn. Giống hệt bộ lọc mà cũng có thể dùng như bộ lọc sinh học. Những vật trung gian bằng nhựa phải được xử lý nhẹ nhàng một chút trong việc rửa sạch vì thế tất cả vi khuẩn sẽ không được tẩy rửa ra khỏi các hạt, nhưng mặt khác những bộ lọc khác cũng như thế. Vi khuẩn phát triển trong các hạt nhựa trong bộ lọc và sử dụng amoniac và/ hoặc nitrite như nguồn thực phẩm và do đó nó loại bỏ chúng ra khỏi nước. Những bộ lọc này hoàn toàn hiệu quả vì chúng có một khu vực bề mặt cao so với thể tích, nhưng các hạt đó quá nhỏ nên chúng thường bị tồn đọng quá mức. Những bộ lọc này có sẵn trên thị trường với nhiều kích thước và kiểu dáng.

Bộ lọc sinh học cát hóa lỏng: Bộ lọc cát hóa lỏng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nuôi trồng thủy sản vì nó có một khu vực bề mặt cao so với thể tích, và do đó nó ảnh hưởng tương đối nhỏ đến mới trường trong việc loại bỏ amoniac mà nó thực hiện. Về căn bản, bộ lọc cát hóa lỏng là một hồ gồm phân nữa cát sạch và đã được phân loại. Nước nước bơm vào đáy hồ với tốc độ ngày một tăng lên. Tại một vài tốc độ dòng chảy nhất định, cát bắt đầu sôi lên và trở nên nóng chảy. Cát hóa lỏng làm cho bề mặt những hạt cát có sẵn cho vi khuẩn phát triển. Do diện tích bề mặt so với thể tích cao, nên bộ lọc cát hóa lỏng mất một không gian khá nhỏ cho việc loại bỏ amoniac mà nó có thể sản xuất được. Chúng đáng tin cậy nếu sử dụng đúng cách, tương đối rẻ tiền, và nếu thiết kế hợp lý, thì sẽ hoạt động khá dễ dàng.

Những bộ lọc sinh học khác: Có hàng trăm cấu hình cho bộ lọc sinh học. Mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Lý tưởng nhất là một bộ lọc sinh học không bị đọng hay sẽ được rửa lại không thường xuyên, đáng tin cậy ( sẽ không bị phá vỡ hoặc các vi khuẩn sẽ không chết đi không có lý do rõ ràng), không tốn kém để cài đặt và hoạt động và chiếm ít không gian. Cần phải loại bỏ amoniac và nitrit xuống đến mức chấp nhận được và giữ chúng ở đó ngay khi nó bị phá vỡ.

Nguồn (trích lục): Recirculating Aquaculture Systems: An Overview of Waste Management

Tác giả: Fred Wheaton
Professor and Chairman
Department of Biological Resources Engineering
University of Maryland
College Park, MD 20742

Biên dịch: VÂN ANH

Biên soạn: AQUATEC.VN

Tags: chất thải nuôi tôm, loại bỏ chất rắn ao tôm, tấm lắng Lamella, tấm lắng lamen, loại bỏ chất rắn trong ao nuôi