Nguyên lý nuôi trồng thủy sản theo công nghệ Biofloc

Hỗ trợ quá trình tự nitrat hóa trong các ao nuôi cá tôm không thay nước. Trong các hệ thống biofloc, tảo phát triển đầu tiên, tiếp sau là một quá trình chuyển đổi với sự hình thành bọt, sau đó biofloc nâu phát triển. Quá trình này có thể mất vài tuần, tùy thuộc vào sinh khối nuôi trong nước ao.

Hệ thống biofloc tạo điều kiện môi trường ổn định và bền vững, có hai vai trò quan trọng là xử lý chất thải hữu cơ và là nguồn dinh dưỡng tốt cho cá tôm sử dụng. Chất lượng dinh dưỡng của biofloc rất tốt cho cá tôm nuôi. 

Hỗ trợ quá trình tự nitrat hóa trong các ao nuôi cá tôm không thay nước. Trong các hệ thống biofloc, tảo phát triển đầu tiên, tiếp sau là một quá trình chuyển đổi với sự hình thành bọt, sau đó biofloc nâu phát triển. Quá trình này có thể mất vài tuần, tùy thuộc vào sinh khối nuôi trong nước ao 

Hệ thống biofloc được phát triển để nâng cao khả năng kiểm soát môi trường trong nuôi trồng thủy sản, hệ thống nuôi dùng công nghệ biofloc là một hệ thống xử lý chất thải hiệu quả 

Hệ thống biofloc sẽ ngăn chặn sự xâm nhập của mầm bệnh vào ao nuôi thông qua quá trình trao đổi nước.  

Hệ thống biofloc tạo điều kiện các chất thải hữu cơ và quần thể vi sinh vật tồn tại trong ao nuôi, do quá trình xáo trộn nước và sục khí để duy trì sự hiện diện của các hạt floc, chất lượng nước được đảm bảo.  

Thành phần và giá trị dinh dưỡng của biofloc 

Biofloc là một hỗn hợp của tảo, vi khuẩn, nguyên sinh động vật (protozoans) và các hạt vật chất hữu cơ như phân tôm cá và các mảnh vụn thức ăn.  

Mỗi hạt floc được gắn kết lại với nhau trong một ma trận lỏng lẻo bởi các chất nhờn được tiết ra từ vi khuẩn, chúng bị ràng buộc bởi các vi sinh vật dạng sợi, hoặc do lực hút tĩnh điện. Cộng đồng vi sinh trên biofloc cũng bao gồm các động vật phù du và giun tròn.  

Các hạt biofloc lớn có thể nhìn bằng mắt thường, nhưng phần lớn phải dùng kính hiển vi. Biofloc trong hệ thống nước xanh (greenwater biofloc system) thường có kích thước lớn, vào khoảng 50 - 200 micron, và rất dễ lắng xuống trong nước tĩnh.   

Hệ thống biofloc có vai trò như thế nào? 

Biofloc cung cấp hai vai trò quan trọng là xử lý chất thải hữu cơ và là nguồn dinh dưỡng tốt cho tôm cá sử dụng. 

Hệ thống biofloc có thể vận hành với tỷ lệ trao đổi nước rất thấp (khoảng 0.51%/ngày). Trao đổi nước ít giúp cho sự phát triển và hoạt động của biofloc tốt hơn để tăng cường xử lý chất thải hữu cơ và các chất dinh dưỡng.  

Hệ thống biofloc, thay nước để duy trì chất lượng nước trong ao nuôi được giảm tối thiểu, thay vào đó, việc xử lý chất thải được thự hiện ngay bên trong hệ thống nhờ vào vai trò của các vi sinh vật dị dưỡng.  

ĐVTS nuôi trong hệ thống biofloc 

Những loài có thể sử dụng trực tiếp biofloc như nguồn dinh dưỡng từ các hạt biofloc.  

Hệ thống biofloc phù hợp nhất đối với những loài có khả năng chịu đựng hàm lượng chất rắn lơ lửng cao trong nước và điều kiện môi trường xấu.  

Tôm và rô phi có những đặc điểm sinh lý học phù hợp cho phép chúng tiêu hóa protein từ vi khuẩn và sử dụng các hạt biofloc như là một nguồn thức ăn. Hầu hết các hệ thống biofloc đều nuôi tôm, cá rô phi.  

Những loài không phù hợp với hệ thống biofloc vì chúng không thể chịu đựng được điều kiện môi trường có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao và không thể lọc được các hạt biofloc trong nước.

Các loại hệ thống biofloc cơ bản 

Hệ thống biofloc được sử dụng trong sản xuất và nghiên cứu, có hai hệ thống cơ bản là có sử dụng hoặc tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên và không dùng ánh sáng tự nhiên.  

Hệ thống biofloc tiếp xúc với ảnh sáng tự nhiên bao gồm nuôi ngoài trời (outdoor), ao lót bạt hoặc nuôi trong bể để nuôi tôm hoặc cá rô phi và hệ thống nuôi nước chảy (raceway) đối với tôm trong nhà kính (greenhouse).  

Hỗn hợp phức tạp trong hoạt động của tảo và vi khuẩn diễn ra trong môi trường được gọi là hệ thống biofloc nước xanh (greenwater biofloc system) để kiểm soát chất lượng nước.  

Hệ thống biofloc (raceway hay bể nuôi) được xây dựng trong nhà kín và không tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên. Những hệ thống này gọi là hệ thống biofloc "nước nâu" (brown - water). Trong hệ thống này chỉ có vi khuẩn tham gia vào quá trình kiểm soát chất lượng nước.

Khuấy trộn và sục khí 

Khuấy trộn trong nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc là điều bắt buộc.  Chất rắn phải được giữ ở trạng thái lơ lửng trong cột nước liên tục 24/24 giờ nếu không hệ thống sẽ không thể phát huy tác dụng. Không khuấy đảo, biofloc sẽ lắng xuống đáy và nhanh chóng tiêu thụ lượng oxy lớn trong hệ thống.  

Các khu vực yếm khí hình thành trong hệ thống nuôi làm cho hàm lượng các khí độc như H2S, NH4 và NH3 tăng cao gây độc cho tôm cá. Chất rắn có thể được loại bỏ bằng cách xả nước định kỳ hoặc bơm hút bùn từ trung tâm hệ thống.  

Khuấy trộn dễ thực hiện trong hệ thống nuôi nhỏ hay hệ thống raceway, tuy nhiên rất khó thực hiện trong ao nuôi ngoài trời có diện tích lớn. Xáo trộn nước cũng gây khó khăn cho việc bắt mồi của tôm cá trong ao.  

Tỷ lệ cho ăn và sự chuyển đổi từ nước xanh sang biofloc 

Những sự thay đổi theo thời gian trong hệ thống biofloc có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời có thể dự đoán được khi tỷ lệ cho ăn tăng lên.  

Tại một thời điểm nào đó, hệ thống sẽ đột ngột chuyển đổi từ nước xanh của tảo chiếm ưu thế sang nước có màu nâu với mật số vi khuẩn cao. Sự chuyển đổi trình bày ở đây dựa trên điều kiện của hệ thống nuôi tôm thâm canh raceway trong nhà kính.  

Điều kiện để dẫn đến sự chuyển đổi từ nước xanh của tảo sang nước màu nâu của biofloc thì khác nhau giữa các hệ thống (ví dụ như nuôi trong ao, raceway, hay bể). 

Chỉ số màu sắc của quần thể vi khuẩn (Microbial Community Color Index – MCCI) cho thấy sự chuyển hóa từ tảo chiếm ưu thế sang vi khuẩn chiếm ưu thế trong hệ thống nuôi khi gia tăng tỷ lệ cho ăn. Sự chuyển hóa từ tảo sang vi khuẩn xảy ra khi tỷ lệ cho ăn thức ăn từ 300-500 kg/ha/ngày, cho thấy chỉ số MCCI từ 1-1.2 

Động thái của ammonia 

Duy trì hàm lượng ammonia dưới mức gây độc cho tôm cá. Trong hệ thống biofloc, có 3 quá trình chính trong kiểm soát hàm lượng ammonia: sự hấp thu của tảo, sự đồng hóa của vi khuẩn và quá trình nitrat hóa.  

Sự chuyển đổi và động thái của ammonia trong hệ thống biofloc rất phức tạp, nó liên quan đến tảo và vi khuẩn trong sự cạnh tranh ammonia.  

Quá trình có mối liên hệ mật thiết với nhau và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tỷ lệ cho ăn hàng ngày, nồng độ chất rắn lơ lửng (biofloc), nồng độ ammonia, cường độ ánh sáng và tỷ lệ carbon : nitơ (C:N) bổ sung.  

a. Sự tiêu thụ của tảo 

Hệ thống biofloc có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, tảo sẽ nhanh chóng phát triển và "nở hoa" do nguồn dinh dưỡng dồi dào từ thức ăn.  

Dinh dưỡng từ phân hủy các hợp chất hữu cơ (bao gồm xác tảo chết, phân tôm cá, và thức ăn thừa) sẽ nhanh chóng được hấp thu và tích lũy trong tế bào tảo. 

b. Sự đồng hóa của vi khuẩn 

Hệ thống biofloc bao gồm từ "dị dưỡng" (heterotrophic), từ một nhóm vi khuẩn sử dụng carbon từ nguồn hữu cơ.  

Số lượng lớn thức ăn được cung cấp cho tôm cá trong hệ thống nuôi thâm canh nhưng sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng trong hệ thống biofloc vẫn bị giới hạn bởi sự thiếu hụt hàm lượng carbon hữu cơ hòa tan.  

Để kích thích quần thể vi khuẩn dị dưỡng phát triển trong hệ thống biofloc, tỷ lệ C:N bổ sung được tăng lên bằng cách bổ sung nguồn carbohydrate hoặc giảm hàm lượng protein trong thức ăn. 

c. Quá trình nitrat hóa 

Oxy hóa ammonia thành nitrate. Vi khuẩn sẽ chuyển hóa nitrogen dạng độc (ammonia) thành dạng nitrogen chỉ gây độc khi hàm lượng cao (nitrate). Theo thời gian, nitrate tích lũy trong hệ thống biofloc có tỷ lệ trao đổi nước thấp.  

Ngược lại, với quá trình chuyển hóa ammonia nhanh chóng ở tảo hay sự đồng hóa ở vi khuẩn, quá trình nitrat hóa chịu trách nhiệm về dài hạn, chúng chuyển hóa một lượng lớn (25-30%) nitrogen từ thức ăn trong hệ thống nuôi thâm canh dùng công nghệ biofloc. 

Kiểm soát ammonia trong hệ thống biofloc 

a. Cân bằng tỷ lệ C:N 

Trong hệ thống biofloc, yếu tố quan trọng trong kiểm soát ammonia là tỷ lệ C:N thêm vào thông qua thức ăn hay các nguồn khác.  

Một loại thức ăn có hàm lượng protein khoảng 30-35% có tỷ lệ C:N tương ứng thấp, chỉ khoảng 9-10:1. Gia tăng tỷ lệ C:N thêm vào khoảng 12-15:1 để kiểm soát hàm lượng ammonia thông qua các vi sinh vật dị dưỡng.  

Tỷ lệ C:N thấp có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung các nguồn nguyên liệu có tỷ lệ C:N cao hoặc gia tăng tỷ lệ C:N bằng cách dùng thức ăn có hàm lượng protein thấp. Ammonia được hấp thụ nhanh chóng bởi vi khuẩn sau khi bổ sung carbohydrate.  

Kiểm soát ammonia bằng vi khuẩn dị dưỡng thường ổn định và bền vững hơn so với tảo hay quá trình tritrate hóa.  

b. Thúc đẩy quá trình nitrat hóa

Phương pháp dùng vi khuẩn dị dưỡng để kiểm soát ammonia, cách tiếp cận này không cần cung cấp carbohydrate hoặc xem xét tỷ lệ C:N thêm vào hệ thống.  

Sử dụng vi khuẩn nitrat hóa để kiểm soát ammonia.  

Hệ thống biofloc được khuấy trộn tốt và không bổ sung carbohydrate có xu hướng kiểm soát ammonia theo cơ chế tự nhiên này.  

Quản lý hệ thống ở giai đoạn đầu 

Ở giai đoạn đầu, chất lượng nước trong hệ thống biofloc thay đổi giống như trong hệ thống tuần hoàn.  

Đặc điểm của giai đoạn đầu là sự gia tăng đến đỉnh điểm nồng độ ammonia sau đó là nitrite do sự phát triển khác nhau của quần thể vi khuẩn. Nếu như tỷ lệ cho ăn tăng quá nhanh, nồng độ ammonia, đặc biệt là nitrite có thể tăng cao đỉnh điểm và chúng có thể gây độc, hoặc ảnh hưởng đến tăng trưởng, hệ số chuyển đổi thức ăn, khả năng đề kháng bệnh hoặc trong một vài trường hợp có thể làm giảm tỷ lệ sống của tôm cá.  

Quản lý chất rắn 

Trong hệ thống biofloc, chất thải rắn sẽ được tích lũy và tăng lên do quá trình sục khí mạnh cộng với lượng bổ sung từ carbohydrate.  

Lượng chất rắn có thể tích lũy lên đến 2000-3000 mg/L. Chất rắn lơ lửng trong hệ thống biofloc được kiểm soát ở nồng độ <1000mg/L, thông thường <500 mg/L.  

Nồng độ chất rắn lơ lửng từ 200-500 mg/L là tốt nhất cho hệ thống biofloc và nó sẽ kiểm soát hiệu quả hàm lượng NH₃ trong ao nuôi. 

Tôm bắt mồi tốt nhất khi nồng độ chất rắn lơ lửng khoảng 100-300 mg/L đối với hệ thống raceway dùng công nghệ biofloc. 

Bình hình nón Imhoff để đo hàm lượng biofloc sau khi để lắng 10-20 phút; ở ao nuôi tôm hàm lượng biofloc sau khi lắng là 10-15 ml/L và đối với ao nuôi cá rô phi 25-50 ml/L.

Quản lý độ kiềm 

Độ kiềm là khả năng đệm của nước để chống lại sự biến động của pH do sự thay đổi của các chất có tính acid hoặc base trong nước.  

Độ kiềm trong hệ thống biofloc phải được duy trì ở mức cao vì nó liên tục bị tiêu hao bởi các phản ứng sinh acid thêm vào nước.  

Các hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa là nguyên nhân chính gây giảm độ kiềm trong hệ thống nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc.  

Độ kiềm phải được giữ ổn định trong khoảng 100-150 mg/L CaCO₃ bổ sung natri bicarbonate (NaHCO₃) thường xuyên. Ca(OH)₂ sử dụng liên tục theo liều lượng phù hợp trong hệ thống.  

Phản nitrat hóa và xử lý bùn đáy  

Độ kiềm có thể tăng lên nhờ vào quá trình phản nitrat hóa.  

Nitrate được tích lũy trong hầu hết các hệ thống nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc do quá trình nitrat hóa. Nếu không được kiểm soát, nồng độ nitrat sẽ tích lũy ngày càng nhiều cùng với sự gia tăng tỷ lệ cho ăn.  

Sự tích lũy nitrate có thể được kiểm soát bằng cách thay nước, những điều này gây nên các mối nguy về an toàn sinh học và không phải là mục tiêu của công nghệ biofloc hướng đến.  

Thông số kỹ thuật và hiệu suất của hệ thống biofloc 

a. Hệ thống ao nuôi tôm công nghiệp có lót bạt. 

Liên quan về an toàn sinh học, đặc biệt là sự kiểm soát của virus đốm trắng (WSSV) và các bệnh virus khác 

b. Hệ thống nuôi tôm raceway trong nhà kính 

Công nghệ này cho phép nuôi tôm ở vùng nội đồng để tiết kiệm chi phí đất đắt tiền ở khu vực ven biển và cả vùng ôn đới nếu đảm bảo cung cấp nhiệt độ thích hợp. Hệ thống raceway cho thử nghiệm hoặc sản xuất giống (40-50 m³) và hệ thống nuôi thương mại (250-300 m³) được coi là tiêu chuẩn.

c. Hệ thống nuôi tôm raceway trong nhà kính (Hệ thống Clemson) 

Hệ thống này bao gồm 3 bể nuôi tôm, mỗi bể 250m², có thể chứa 150 m³ nước.  

Hàm lượng chất rắn được kiểm soát trong khoảng 200-500 mg/L (15-50 ml/L). Nước từ bể nuôi cho chảy qua bể lắng sơ cấp, bể này có thể sinh ra các khí độc do các chất thải từ bể nuôi.  

Quá trình phản nitrat hóa diễn ra và một phần độ kiềm của nước được phục hồi tại bể này. Nước sau đó cho chảy qua một bể có sục khí và nuôi cá rô phi để lọc và tái sử dụng nguồn dinh dưỡng.  

Tiếp theo, nước cho chảy qua một bể khuấy đảo mạnh với hàm lượng biofloc cao (1000-2000 mg/L) để oxy hóa ammonia như một cái lọc sinh học. Nước sau đó cho chảy vào một bể lắng khác trước khi quay về bể nuôi.  

Chất rắn được tái sử dụng để tạo nên biofloc dùng trong công đoạn oxy hóa ammonia.