Nắm vững biến số để quản lí chất lượng nước trong hệ thống RAS

Theo xu hướng phát triển hạn chế sử dụng tài nguyên như đất, rừng, nước nhưng vẫn đảm bảo sản xuất, ngành nuôi trồng thủy sản từ lâu đã bắt đầu các mô hình nuôi mới hiện đại tiên tiến như nuôi ao lót bạt mật độ cao, nuôi ao nổi, nuôi hệ thống bể,… Trong đó nuôi hệ thống bể áp dụng hệ thống tuần hoàn khép kín RAS mang lại hiệu quả và tính thiết thực cao.

Tuy nhiên đảm bảo các thông số về chất lượng nước trong hệ thống nuôi trồng khép kín RAS này là thách thức cực kì lớn trong vận hành và sản xuất.

Chất lượng nước

Kiến thức cơ bản về chất lượng nước trong RAS liên quan đến việc duy trì các biến số trong phạm vi thúc đẩy sự tăng trưởng trong khi có thể chống lại mầm bệnh đối với vật nuôi. Phân tích định kì chất lượng nước cần đo hàm lượng oxy hòa tan nhiều lần trong một ngày và thậm chí là đo các dạng nitơ hàng ngày, hàng tuần, điều này phụ thuộc vào lượng cho ăn.

Một trong những nguyên tắc quan trọng trong hệ thống RAS chính là làm sao giải quyết sự tích lũy nitơ gây độc, cũng như là yêu cầu sục khí trên một lượng thức ăn đưa vào chứ không phải là thu hoạch được bao nhiêu sinh khối. Ví dụ: Nếu cho một lượng nhỏ thức ăn khoảng 2g/m³ nước thì không cần bật sục khí để cung cấp oxy hay lọc sinh học loại bỏ nitơ, trong khi nâng lượng thức ăn lên nhiều hơn 200g/m³/ngày cả trong môi trường nước trong hay có tảo đều cần bật sục khí, lọc sinh học và loại bỏ vật chất rắn thông qua tốc độ tuần hoàn cao trong hệ thống.

Ngoài ra có thể áp dụng Biofloc trong hệ thống RAS, Biofloc kết hợp lượng thải nitơ và vật chất rắn trong những hạt floc bằng việc điều chỉnh tỉ lệ C/N trong nước nuôi. Hạt floc sẽ được tiêu thụ bởi các loài ăn tạp ăn được hạt chất rắn cao như cá rô phi và tôm. Hạt floc như bông, trôi nổi và đặc biệt là nơi trú ngụ của nhiều loài vi khuẩn và tảo. Biofloc điển hình có thể đạt lượng là 40ml/L được đo theo phương pháp ống đo hình nón của Imhoff khi lượng ăn càng tăng lên, nhưng thường sẽ được duy trì ở khoảng 10-20ml/L.

Áp dụng Biofloc trong hệ thống RAS.

Có lẽ cách đơn giản nhất để tránh được vấn đề này chính là thay nước, xả bỏ nước có hàm lượng dinh dưỡng thải cao ra ngoài và thêm nước không có bất kì nhu cầu oxy hay chất thải nitơ nào cả. Đề xuất giữ chất lượng nước này chính là thông qua sự thay nước 10% lượng nước mỗi ngày trong bể hay ao nuôi trong 1 ngày. Tuy nhiên, hàng năm ngành nuôi trồng đã tiêu tốn hàng tỉ đô la cho các thiệt hại từ dịch bệnh mà nguyên nhân là do sự thay nước. Thêm vào đó là sự phá hủy môi trường vùng ven biển do nguồn nước xả thải từ nuôi trồng thủy sản thường chứa nhiều hàm lượng chất hữu cơ cao, đòi hỏi nhu cầu oxy sinh học cao, dẫn đến sự chết ngạt của các loài hai mảnh vỏ như hàu và trai. Đây là một trong những lí do hệ thống RAS không thay nước ngày càng phổ biến.

Nhiệt độ

Nhiệt độ lí tưởng cho vật nuôi được xem là con số tạo nên sự phát triển nhanh và môi trường lành mạnh nhất. Càng gần với nhiệt độ lí tưởng thì hiệu quả sản xuất và kinh tế của RAS càng cao. Nhiệt độ cao hơn mức lí tưởng có thể được xem là bất lợi cho hiệu quả kinh tế và sinh học trong RAS. Trong khi đó nước lạnh hơn (trong ngưỡng cho phép) thì sẽ giữ được nhiều oxy hơn. Oxy là thông số năng động nhất trong các biến số và là yếu tố quan trọng để đo và duy trì một phạm vi bất kì trong RAS.

Oxy và Carbon dioxide (CO₂)

Có nhiều loại sục khí được dùng trong hệ thống RAS, mỗi loại phụ thuộc vào kích cỡ và loài nuôi. Máy sục khí có 3 chức năng chính:

• Nâng hàm lượng oxy hòa tan trong nước.
• Trộn đều nước nuôi.
• Khuếch tán khí CO₂ từ nước vào không khí.

Vì có thiết kết khác nhau nên máy sục khí có những ưu và nhược điểm phù hợp các kiểu hệ thống RAS khác nhau. Máy sục khí hút thổi, hoặc thiết bị sục khí hoạt động như một venturi, đây là thiết bị chuyển đổi oxy hiệu quả nhất có thể sử dụng cho bất kì hệ thống nuôi trồng thủy sản nào, đặc biệt là trong nước lợ và mặn. Tuy nhiên, loại máy này lại không hiệu quả trong việc giải phóng khí CO₂ ra không khí do sự xáo động thấp. Trong khi đó, máy sục khí theo chiều đứng lại có hiệu quả trong việc loại bỏ CO2 nhiều hơn là cung cấp oxy hòa tan. Những máy sục khuếch tán hay đá sủi bọt được cho là ít có tác dụng chuyển đổi oxy hòa tan và loại bỏ CO₂.

Trong một số trường hợp, việc kết hợp các loại sục khí mang lại kết quả tối ưu nhất như một loại chuyển hóa oxy tốt và loại còn lại xáo động nước tốt. Oxy sẽ không được bơm trực tiếp vào hệ thống RAS nếu sinh khối thu hoạch không đạt 50kg/m³. Lí do là do chi phí cao từ việc vận hành các thiết bị xáo trộn và phân tách, giải phóng khí CO₂ khỏi nước nuôi. Tuy nhiên, oxy nguyên chất có thể mang lại nhiều lợi ích sử dụng trong hệ thống sinh khối thấp vào các trường hợp khẩn cấp. Trong thập kỉ vừa qua, các máy đo oxy rẻ tiền trở nên phổ biến, độ chính xác dao động trong 10% và rõ ràng chúng sẽ không bền bằng các loại đắc tiền hơn. Oxy hòa tan thường được duy trì ở mức trên 4mg/L cho cả cá và tôm, ở mức cao hơn đối với các loại nhạy cảm hơn như cá hồi. Lượng DO thấp, CO₂ cao sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự hô hấp của các loài động vật thủy sinh.

RAS dần trở nên phổ biến trong nuôi trồng thủy sản, từ những trang trại quy lớn, mức đầu tư cao... (Ảnh: Veolia Water Technologies)

Sự nguy hiểm của Carbon dioxide

CO₂ là sản phẩm hô hấp không chỉ từ các loài vật nuôi trong hệ thống RAS mà còn từ sự sinh trưởng của vi khuẩn, thực vật phù dù trong nước và bất cứ bề mặt nào. Tổng lượng oxy hấp thu và CO₂ thải ra từ vi khuẩn, tảo còn cao hơn nhiều so với động vật nuôi. Giới hạn lượng CO₂ ở vật nuôi là từ 15-20 mg/L. Ở các hệ thống sử dụng máy sục khuếch tán có độ xáo động thấp, làm cho CO₂ tích tụ sẽ tạo điều kiện làm giảm pH đến mức bất lợi, thường là dưới 7. Nếu lượng CO₂ vượt quá 50 mg/L sẽ làm tôm và cá rơi vào tình trạng hôn mê. CO₂ sẽ khó khuếch tán vào không khí khi đạt đến mức độ gây độc, do đó phòng ngừa chính là biện pháp hữu hiệu nhất để giải quyết vấn đề hàm lượng CO₂ cao.

Có nhiều cách và máy đo có sẵn để đo hàm lượng CO₂, như phương trình liên hệ giữa hàm lượng CO₂ với pH và độ kiềm. Việc sục khí đầy đủ, tăng sự xáo trộn, hay tăng tương tác giữa không khí và nước sẽ giúp loại bỏ lượng CO₂ trong nước và giữ chúng ở mức giới hạn cho phép. Với sục khí thích hợp, xáo động nước đầy đủ sẽ giữ mực oxy hòa tan tốt, CO₂ sẽ được giữ trong các hệ thống có sinh khối vừa (<5 kg/m³). Việc giữ độ kiềm (50-400 mg/L) thông qua việc thêm sodium bicarbonate (NaHCO₃) và calcium hydroxide (Ca(OH)₂) có thể giúp hạn chế việc dao động pH (giảm pH) từ việc tăng CO₂. Duy trì độ kiềm và giữ CO₂ ở mức thích hợp sẽ làm pH nằm trong khoảng tối ưu 7-8.4, thích hợp với hầu hết các loài nuôi trồng thủy sản.

Nitơ gây độc

Một trong những quan ngại hàng đầu trong thiết kế và vận hành hệ thống RAS chính là độc tố nitơ. Có 3 dạng nitơ cơ bản: dạng đầu tiên là sản phẩm thải từ việc chuyển hóa nitơ hoặc phân hủy protein chính là ammonia (NH₃). NH₃ sẽ tồn tại ở 2 dạng trong nước là NH₃ gây độc và NH₄⁺ dạng không độc. khi môi trường pH thấp sẽ có nhiều dạng NH₄⁺ hơn là NH₃. Mối quan hệ giữa NH₃ và pH chính là khía cạnh quan trọng thứ 2 cần phải nắm rõ trong nuôi trồng thủy sản. Khi pH tăng thì độc tính NH₃ sẽ tăng. Ví dụ: nếu trong quá trình nuôi khi ta nâng pH bằng việc thêm các thành phần kiềm như Ca(OH)₂ và phần NH₃ hiện diện trong nước nuôi có thể dễ dàng tăng lên đến 50% do đó tăng tỉ lệ chết cho vật nuôi. Giới hạn trên của NH3 trong RAS được quy định là ít hơn 0.05mg/L.

Nitrite (NO₂^-) là dạng thứ 2 của nitơ, rất độc đối với tất cả sự sống và có ít vi khuẩn có thể chuyển hóa thành dạng nitrate, yêu cầu NO₂^- phải ít hơn 2mg/L đối với tôm và cá rô phi; đối với những loài nhạy cảm hơn như cá hồi thì phải bằng không. Bằng việc tăng lên diện tích bề mặt trong hệ thống RAS, vi khuẩn tự dưỡng có thể tăng số lượng và chuyển hóa NH₃ thành NO₂^- và thành nitrate (NO₃^2-, dạng thứ 3 của nitơ và ít độc hơn). Nitrate là sản phẩm cuối cùng của chuyển đổi nitơ gây độc hiếu khí nên cần thay nước hoặc xử lí bằng quá trình kị khí để loại bỏ chúng thành dạng khí nitơ trở lại không khí. Các dạng nitơ đều có thể được đo bằng công cụ hay thuốc thử có chi phí thấp.

... đến những thiết kế trang trại nuôi theo mô hình RAS tiết kiệm hơn.

Chất thải rắn trong nước nuôi

Chất thải rắn này có thể tích lũy nhiều trong hệ thống nuôi trồng, chúng có thể trở thành nguồn cung cấp dinh dưỡng cho các loài ăn tạp như tôm và cá rô phi, và thật sự có hại đối với các loại nhạy cảm như cá hồi. Khoảng 50% thức ăn trong hệ thống RAS sẽ trở thành chất thải rắn. Chúng lắng đọng ở đáy bể nuôi, nếu không có sự chuyển động của nước trong vòng 30 phút thì chúng sẽ lắng đọng lại, những hạt mịn hơn sẽ không lắng được được gọi là chất rắn lơ lững. Thông thường, tôm có thể hấp thụ tới 400mg/L chất rắn lơ lững và 10 -50ml/L chất lắng đọng trong khi cá hồi sẽ không chịu được khi chất lơ lững hơn 20mg/L và có chất rắn lắng tụ. Chất rắn có thể được giữ đơn giản thông qua lắng trọng lực hoặc qua các máy phức tạp hơn như thùng quay hay lọc cát, do đó có thể phân tách và lấy chất thải rắn này ra.

Hiểu được chất lượng nước trong hệ thống RAS đòi hỏi phải nắm vững việc sử dụng bất kì biến số nào để có thể duy trì trong ngưỡng sản xuất có sự tăng trưởng cao nhất và môi trường sạch bệnh nhất. Hiểu được mối quan hệ giữa các biến số như CO₂, pH và NH₃ sẽ giúp tránh được các vấn đề trong quá trình sản xuất khi sinh khối ngày càng tăng, đặc biệt là các loài được nuôi trong hệ thống không có bất kỳ sự thay nước nào.