Bộ lọc sinh học thường được sử dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS), vì những hạn chế của chúng nên các nhà đổi mới đang bận rộn phát triển các giải pháp thay thế khả thi – như oxy hóa điện – hoặc cải tiến, như đông tụ điện và lò phản ứng UASB.
RAS được sử dụng rộng rãi để nuôi cá giống, tuy nhiên khả năng sản xuất hiệu quả các loại cá cỡ thị trường như cá hồi vẫn là chủ đề tranh luận.
Trong một hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn điển hình (RAS), một loạt các quy trình xử lý được sử dụng để duy trì mức chất lượng nước cần thiết và cũng để duy trì sự phát triển của các loài cá nuôi, đồng thời duy trì tỷ lệ trao đổi nước rất thấp. Một khía cạnh quan trọng của quá trình xử lý là lọc sinh học.
Bộ lọc sinh học hoạt động như thế nào?
Bộ lọc sinh học sử dụng vi khuẩn nitrat hóa để chuyển đổi amoniac thành nitrat và tiếp tục phân hủy các chất dạng hạt hòa tan và còn sót lại. Hoạt động của bộ lọc sinh học bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm loại chất nền và chất lượng nước .Hầu hết các hệ thống hiện đại đều được tự động hóa để giữ các yếu tố chính này ở mức chính xác đã xác định trước và ngăn chặn mọi thay đổi nhanh chóng.
Vi khuẩn tạo thành màng sinh học trên bề mặt chất mang, được gọi là phương tiện sinh học. Kích thước lỗ, diện tích bề mặt riêng, khả năng chống cắt cơ học và tỷ lệ lấp đầy (phần trăm của thể tích bộ lọc sinh học trống) là một phần quan trọng để bộ lọc sinh học hoạt động tốt như thế nào.
Để tăng hiệu quả của bộ lọc sinh học, trước tiên các chất rắn được loại bỏ khỏi nước xử lý, làm giảm nhu cầu oxy sinh hóa, lượng nitơ và phốt pho của hệ thống. Các phương pháp loại bỏ chất rắn nhanh chóng bao gồm sàng lọc, lắng, tuyển nổi, keo tụ và hấp thụ. Những kỹ thuật này làm giảm sự tắc nghẽn của phương tiện sinh học và sự tích tụ các hạt lơ lửng và lắng đọng trong bộ lọc sinh học.
Áp dụng lọc sinh học trong nuôi trồng thủy sản
Lọc sinh học đã được sử dụng rộng rãi trong những thập kỷ gần đây vì tính hiệu quả và bảo trì tương đối đơn giản của nó trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm nitơ khỏi nước xử lý trong nuôi trồng thủy sản.
Kỹ thuật này đã được áp dụng từ các nhà máy xử lý nước thải, nơi nuôi cấy vi sinh vật tạo bông gọi là bùn hoạt tính được sử dụng để xử lý nước. Trong nuôi trồng thủy sản, thay vì sử dụng bùn hoạt tính, phương tiện sinh học nhân tạo thường được sử dụng làm vật mang vi khuẩn. Phương tiện sinh học có nhiều dạng và kích cỡ và thường được làm từ polyetylen hoặc polypropylen cấp thực phẩm. Hình dạng và kích thước lỗ trong phương tiện sinh học được quyết định bởi tốc độ tải chất hữu cơ và loại bộ lọc sinh học mà nó được sử dụng.
Hai dạng bộ lọc sinh học phương tiện sinh học phổ biến nhất được sử dụng trong RAS là lò phản ứng sinh học giường di chuyển (MBBR) và lò phản ứng sinh học giường cố định (FBBR). FBBR có mức sử dụng năng lượng thấp hơn, tỷ lệ phốt pho và khử nitrat cao hơn, trong khi MBBR có tốc độ tải thể tích cao hơn và tích tụ chất rắn thấp hơn (Choi, Lee, & Lee, 2012).
Các loại lọc sinh học khác đã được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản như biofloc , vùng đất ngập nước, nuôi trồng thủy sản đa dinh dưỡng tổng hợp , lớp cát tầng sỏi và lò phản ứng sinh học màng trao đổi ion. Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có hoạt động nuôi trồng thủy sản công nghiệp nào thành công, chủ yếu là do chúng có xu hướng tăng chi phí hoạt động và mang lại rủi ro thất bại cao hơn.
Bộ lọc sinh học là trung tâm của các cơ sở RAS
Hạn chế và thách thức của bộ lọc sinh học truyền thống
Một trong những trở ngại chính trong bộ lọc sinh học phương tiện sinh học là hiệu quả của chúng thay đổi theo loại chất nền và phụ thuộc vào mức độ oxy hòa tan, chất hữu cơ, nhiệt độ, độ pH, độ kiềm, nhiễu loạn và độ mặn (Qi, Skov, de Jesus Gregersen, & Pedersen, 2022). Bất kỳ sự thay đổi nhanh chóng nào của các yếu tố này đều ảnh hưởng đến cộng đồng vi khuẩn và từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình lọc. Trên hết, phương tiện sinh học cũng có thể chứa mầm bệnh và vi khuẩn tạo ra mùi vị khó chịu.
Hơn nữa, vi khuẩn trong bộ lọc sinh học sử dụng một lượng đáng kể tổng nhu cầu oxy trong RAS (20-30%), bài tiết CO2 và các chất chuyển hóa khác. Điều này làm tăng công suất cần thiết của thiết bị khử khí và oxy hóa cũng như chi phí vận hành về nhu cầu năng lượng và bảo trì.
Alberto Monteleone, giám đốc cơ sở R&D tại Tập đoàn AquaBioTech ở Malta, người giám sát các thử nghiệm nghiên cứu tại hơn 30 cơ sở RAS – nghĩa là ông có hơn 30 bộ lọc sinh học để bảo trì và khởi động lại thường xuyên – giải thích rằng việc thay nước, dao động nhiệt độ và thay đổi độ pH có ảnh hưởng xấu đến thời gian phục hồi của bộ lọc sinh học.
Ông nhận xét: “Một trong những vấn đề lớn là thời gian khởi nghiệp kéo dài và không thể đoán trước, khiến việc lập kế hoạch thử nghiệm nghiên cứu trở nên đặc biệt khó khăn nhưng lại rất quan trọng để thành công”.
Monteleone kỳ vọng rằng sẽ có sẵn các cảm biến chất lượng nước đáng tin cậy hơn để xác định các vấn đề có thể dẫn đến sự sụp đổ của quần thể vi khuẩn trong bộ lọc sinh học.
Bộ lọc sinh học cũng có một số thách thức khá lớn từ quan điểm kỹ thuật. Thông thường, các thiết kế cần được tích hợp vào các cấu trúc hiện có, điều này gây ra những hạn chế như tải trọng cấu trúc và hạn chế về kích thước. Sau đó, những điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả cuối cùng của bộ lọc sinh học. Một vấn đề khác là các nhà khai thác nuôi trồng thủy sản có thể thay đổi tỷ lệ cho ăn và mật độ thả giống, điều này gây ra thách thức cho việc thiết kế bộ lọc sinh học ổn định và hiệu quả.
Michele Gallo, người phụ trách thiết kế cơ sở nghiên cứu thủy sinh tại AquaBioTech, giải thích: “Để giải quyết các hạn chế về không gian, mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán được sử dụng để đưa ra các thiết kế cung cấp hồ sơ thủy động lực phù hợp nhất cho các cửa ra cần thiết và không gian sẵn có.”
Ngoài ra, lọc vi hạt thông qua các phương pháp như tách protein, được sử dụng để cải thiện hiệu suất lọc sinh học.
Để bổ sung cho thiết kế, kế hoạch sản xuất cần phải được tối ưu hóa theo cách mang lại sự chuyển tiếp suôn sẻ giữa các giai đoạn phát triển khác nhau và giảm thiểu biến động tải của bộ lọc sinh học.
Gallo cũng lưu ý rằng ông đã chứng kiến sự tăng trưởng nhanh chóng của công nghệ AI được triển khai trong phần mềm quản lý nông nghiệp, nơi dữ liệu được thu thập bởi hệ thống giám sát được phân tích bằng mô hình AI để cải thiện quy trình ra quyết định cho người vận hành và hệ thống kiểm soát.
Những phát triển mới trong bộ lọc
Trong những năm gần đây, một số công nghệ tương đối mới đã nổi lên như là giải pháp thay thế cho lọc sinh học thông thường, mặc dù những công nghệ này vẫn chưa được triển khai trên quy mô lớn.
1. Quá trình oxy hóa điện
Quá trình oxy hóa điện là một quá trình có thể thay thế xử lý nước sinh học, giúp loại bỏ các chất dạng hạt và loại bỏ các tác nhân gây mùi vị. Quá trình oxy hóa điện amoniac xảy ra trong lò phản ứng thông qua quá trình điện phân, sử dụng dòng điện để thúc đẩy sự hình thành khí nitơ từ amoniac đồng thời loại bỏ tổng lượng carbon hữu cơ (TOC) và giảm số lượng mầm bệnh.
Quá trình oxy hóa điện ở Eloxiras, sản phẩm được phát triển bởi Apria Systems © Hệ thống Apria
Quá trình oxy hóa điện hứa hẹn sử dụng năng lượng thấp trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản biển, ngay cả ở mật độ thả giống cao.
German Santos Bregel, kỹ sư R&D cao cấp của Apria Systems, một công ty chuyên về điện cho biết: “Chúng tôi đã đạt được công suất khử trùng hơn 3 log (giảm 99,9% quần thể vi sinh vật) ngay cả đối với vi khuẩn có mức độ gây bệnh cao hơn” - công nghệ oxy hóa trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản.
Triển khai hệ thống oxy hóa điện trong RAS © Hệ thống Apria
Ưu điểm đáng kể nhất của quá trình oxy hóa điện là nó có thể được bắt đầu và dừng lại mà không có tác động đáng kể đến chu trình sản xuất trong RAS.
Bregel cho biết: “Một lợi thế đáng chú ý là khả năng quy trình hoạt động hết công suất, ngay cả với nhiệt độ thấp tới 5°C”. Việc loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm trong một quy trình cũng có nghĩa là chi phí vốn cho RAS có thể giảm do nhu cầu xử lý bằng ozone và tia cực tím có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ.
Một trong những nhược điểm lớn nhất của quá trình này là sự hình thành trihalomethanes (THM) – sản phẩm phụ gây độc cho sinh vật dưới nước. Cần có độ pH thấp trong quá trình điện phân để cản trở sự hình thành THM (Ben-Asher & Lahav, 2016). Có hai quá trình xử lý sau: là khử khí và hấp thụ các sản phẩm phụ. Quá trình khử khí đã tồn tại trong RAS thông thường, trong khi quá trình hấp thụ được thực hiện bằng than hoạt tính dạng hạt và là thành phần bổ sung cần được xem xét về mặt đầu tư và vận hành.
Bregel lưu ý: “Chúng tôi không có đủ tài liệu tham khảo cho công nghệ của mình vì lĩnh vực này vẫn phụ thuộc vào các phương pháp lọc truyền thống và do thiếu kinh phí để tiếp tục cải tiến, phát triển và tích hợp công nghệ này cho RAS”. Hệ thống này có vẻ hứa hẹn nhất đối với RAS biển, vì hiệu quả của chúng phụ thuộc vào độ mặn của nước.
2. Đông tụ điện
Quá trình cơ bản trong quá trình đông tụ điện là dòng điện đi qua các điện cực làm từ cùng loại vật liệu và chìm trong nước đã qua xử lý hoặc một số chất điện phân khác. Trong quá trình này, các oxit kim loại, hydro và oxy được hình thành. Các oxit kim loại thu hút các chất ô nhiễm và có xu hướng cao tạo thành các khối với chúng. Các khối bông nhẹ hơn sau đó sẽ nổi lên trên cùng của cột nước với sự trợ giúp của khí hydro và oxy được tạo ra trong quá trình điện phân. Các bông cặn sau đó có thể được loại bỏ dễ dàng bằng cách hớt váng. Các đàn nặng hơn chìm xuống đáy và sau đó được loại bỏ dưới dạng bùn bằng quá trình lắng hoặc thậm chí lọc cơ học (Boinpally, Kolla, Kainthola, Kodali, & Vemuri, 2023).
Trong lĩnh vực RAS, quá trình đông tụ điện rất thú vị ở hai khía cạnh: hỗ trợ loại bỏ các hạt vật chất và oxy hóa các chất ô nhiễm hòa tan như các hợp chất lưu huỳnh khác nhau và nitơ amoniac. Một lợi ích khác là tế bào điện phân có thể dễ dàng thích ứng với các điều kiện khác nhau như tốc độ cấp liệu và thay đổi nhiệt độ bằng cách cung cấp ít hoặc nhiều dòng điện vào các điện cực.
Phương pháp này có những thách thức, đó là hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm khác nhau do một số yếu tố như độ pH, nhiệt độ, tốc độ nước và mật độ dòng điện trong tế bào.
NaturalShrimp sử dụng phương pháp đông tụ điện để giúp lọc nước trong bể nuôi tôm © NaturalTôm Inc
Trong một bước phát triển gần đây, công nghệ này đã được triển khai trong RAS tôm bởi một công ty có tên NaturalShrimp . Mục đích chính của họ là tăng kích thước của tổng chất rắn lơ lửng để có thể loại bỏ chúng bằng bộ lọc trống siêu nhỏ. Quá trình này cũng đã tăng hiệu quả loại bỏ nhu cầu oxy hóa học, amoniac và nitrit (Ben-Asher & Lahav, 2016). Để giải quyết vấn đề môi trường luôn thay đổi trong nước nuôi trồng thủy sản, họ đo độ đục của nước và sau đó thay đổi dòng điện đặt vào các điện cực cho phù hợp.
Công ty đặt mục tiêu tiến hành một số thử nghiệm nhỏ hơn với các công ty nuôi tôm địa phương để xác nhận thêm công nghệ của họ.
3. Lò phản ứng UASB
Một quy trình tiềm năng khác được phát triển gần đây cho RAS là lò phản ứng bùn kỵ khí dòng chảy ngược (UASB). Nó được sử dụng để xử lý nước thải rời khỏi cơ sở RAS (cuối xử lý đường ống) hoặc như một bước đánh bóng để đưa nước trở lại hệ thống.
Kết quả xử lý nước thải RAS, Landing Aquaculture, 2024
UASB tích hợp lò phản ứng sinh học và bể lắng, làm cho nó rất nhỏ gọn trong lĩnh vực lò phản ứng kỵ khí.
“Một lợi thế đáng kể là khả năng tách thời gian lưu thủy lực khỏi thời gian lưu bùn, cho phép thực hiện các mục tiêu lọc khác nhau. Ví dụ, việc duy trì thời gian lưu chất rắn khoảng bốn ngày sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất các axit béo dễ bay hơi hỗ trợ quá trình khử nitrat. Thời gian lưu ngắn hơn thúc đẩy sản xuất axit hữu cơ, giúp hòa tan các chất dinh dưỡng cho các ứng dụng nuôi trồng thủy sản aquaponic hoặc nuôi trồng thủy sản đa dinh dưỡng tích hợp (IMTA). Thời gian lưu lâu hơn rất hữu ích cho việc sản xuất khí sinh học. Ngoài ra, dòng chảy qua lò phản ứng có thể được kiểm soát trong khi vẫn giữ lại bùn, cho phép tối ưu hóa tốc độ loại bỏ và nồng độ đầu ra cho các thông số cụ thể.” Carlos Espinal, giám đốc đổi mới của Landing Aquaculture, một công ty tư vấn và kỹ thuật tập trung vào nuôi cá thâm canh trên đất liền cho biết.
Hiệu suất của lò phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ. Nếu vận hành ở nhiệt độ dưới mức tối ưu (dưới 20 và trên 35°C), quần thể vi khuẩn sẽ thay đổi và quần xã phù hợp hơn với nhiệt độ nhất định sẽ sinh sống trong lớp bùn. Để duy trì tốc độ loại bỏ nitơ, nhiệt độ cần phải ở mức tối ưu và sự thay đổi nhiệt độ phải diễn ra từ từ. Nếu dự đoán nhiệt độ sẽ giảm đáng kể thì lò phản ứng phải có kích thước phù hợp để thích ứng với những thay đổi đó.
Ngoài ra, Espinal nhấn mạnh vấn đề bùn cặn trong các lò phản ứng nước ngọt và chi phí ban đầu cao của thiết bị tự động hóa cần thiết để kiểm soát và giám sát thích hợp. Để ngăn chặn điều này, Landing Aquaculture đang sử dụng hệ thống xả nước tự động và thiết kế một lối thoát cụ thể. Khi chi phí tự động hóa bổ sung quá cao, việc giám sát và vận hành thủ công các lò phản ứng này có thể được thực hiện.
Không giống như quá trình oxy hóa điện, UASB đã được triển khai trong lĩnh vực này.
Espinal cho biết: “Những hệ thống này đã được sử dụng ở Hà Lan để xử lý cuối đường ống trong các trang trại nuôi cá và nằm trong số các biện pháp thực hành được khuyến nghị theo Tiêu chuẩn Nuôi trồng Thủy sản Bền vững của Hà Lan”.
Triển vọng tương lai
Hiện tại, có vẻ như phương pháp lọc sinh học thông thường vẫn tiếp tục tồn tại do truyền thống lâu đời và tính hiệu quả đã được chứng minh của nó. Quá trình oxy hóa điện và đông tụ điện có khả năng thay thế bộ lọc sinh học hoặc ít nhất là làm giảm bớt những thiếu sót của phương pháp lọc được sử dụng trong RAS. Dường như không có công nghệ nào khác có thể cạnh tranh được với vai trò đặc biệt của vi khuẩn nitrat hóa trong bộ lọc sinh học. Dự kiến sẽ có những cải tiến trong bộ lọc sinh học truyền thống dưới dạng phương tiện sinh học cải tiến và cấu hình dòng chảy tốt hơn của bộ lọc sinh học.
Các lò phản ứng UASB rất có thể sẽ tìm được vị trí xử lý cuối đường ống khi các tiêu chuẩn môi trường trở nên nghiêm ngặt hơn và các trang trại RAS ngày càng lớn hơn, khiến các loại lò phản ứng này trở nên khả thi hơn. Những phát triển tiếp theo về cảm biến chất lượng nước sẽ mang lại những hiểu biết sâu sắc hơn về sức khỏe của vi khuẩn và mang lại cho nông dân nhiều cơ hội hơn để áp dụng các biện pháp khắc phục.
PKT CTY THẦN VƯƠNG
NGUỒN: THE FISHSITE
