Ước tính kích cỡ bộ lọc sinh học dùng cho hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn

Tóm tắt: Để ước tính kích cỡ bộ lọc sinh học sử dụng trong một hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn thì mối quan tâm chính là cung cấp đủ công suất lọc sinh học để kiểm soát tổng nồng độ amoniac-nitơ (TAN) đến một giới hạn định sẵn. Ngoài ra việc then chốt là xác định mức thức ăn tối đa cho hệ thống. Tổng nồng độ TAN đi vào bộ lọc sinh học càng thấp thì tốc độ chuyển hóa thể tích TAN cho bộ lọc đó sẽ càng thấp. Quyết định kích cỡ tốt nhất là dựa trên kinh nghiệm trước đó với một giá thể lọc sinh học đã dùng trong một cấu hình lọc sinh học cụ thể.

Các bộ lọc nhỏ giọt là các bộ lọc sinh học mạnh và đơn giản dùng cho quá trình nitrat hóa, khử khí dioxide cacbon và tạo thêm oxy trong cùng một khối. Tuy nhiên, do diện tích bề mặt riêng của giá thể nhỏ, các bộ lọc thường to hơn so với hầu hết các bộ lọc hiện đại.

Việc nuôi các loài thủy sinh trong các hệ thống trên đất liền sử dụng các bể và công nghệ của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) tiếp tục mở rộng trên toàn thế giới. Xu hướng này được thúc đẩy do nhu cầu thực hành sản xuất thâm canh sử dụng và xả thải nước ít.

Mô tả về các công nghệ này có thể xem ở các bài trước đó của chúng tôi trên tạp chí Nuôi trồng thủy sản toàn cầu Advocate. Trong số đăng tháng 7-8/2015 đã mô tả làm thế nào để xác định dòng chảy tuần hoàn bắt buộc cho bộ lọc sinh học trong một hệ thống RAS thì bài viết này tập trung vào việc làm thế nào để ước tính kích cỡ của bộ lọc sinh học cần thiết cho một ứng dụng cụ thể.

Đủ công suất, mức thức ăn

Để tính kích cỡ một bộ lọc sinh học để sử dụng trong một hệ thống RAS, mối quan tâm chính của nhà thiết kế là phải cung cấp đủ công suất lọc sinh học để kiểm soát tổng nồng độ amoniac-nitơ (TAN) trong các bể nuôi đến một giới hạn cao hơn đã định trước. Biết được nồng độ này rất quan trọng, bởi tốc độ khử của bộ một lọc sinh học có liên quan đến nồng độ amoniac-nitơ sẵn có cho các vi khuẩn trong bộ lọc.

Giới hạn của nồng độ TAN do một nhà thiết kế lựa chọn càng thấp thì tốc độ khử sẽ càng thấp đối với bộ lọc sinh học đó.

Kết quả sẽ là cần có một bộ lọc sinh học lớn cho một ứng dụng cụ thể.

Cũng đóng vai trò quyết định đối với quá trình định cỡ một bộ lọc sinh học là xác định mức thức ăn tối đa cho hệ thống. Mức sản sinh amoniac-nitơ có thể được ước tính dựa trên mức thức ăn cho vào và hàm lượng protein trong thức ăn được sử dụng trong hệ thống.

Xác định VTR

Số báo tháng 5-6/2015 đã lưu ý về cách tốt nhất để định cỡ công suất nitrat hóa của một bộ lọc sinh học là bằng cách xác định tốc độ chuyển hóa thể tích TAN (VTR) của giá thể lọc sinh học theo các đơn vị là g TAN/m³/ngày. Điều quan trọng là nhà thiết kế nắm được các điều kiện mà theo đó tốc độ VTR này được xác định và so sánh chúng với những điều kiện được cung cấp trong hệ thống RAS được xem xét ở các thời kỳ tải cao điểm.

Nên nhớ nồng độ TAN đi vào bộ lọc sinh học càng thấp thì tốc độ VTR cho bộ lọc đó sẽ càng thấp. Đây là phần khó khăn nhất trong việc định cỡ một bộ lọc sinh học cho trường hợp sử dụng cụ thể, và trong hầu hết trường hợp, dựa trên kinh nghiệm trước đó với một giá thể lọc sinh học đã dùng trong một cấu hình lọc sinh học cụ thể.

Các bước định cỡ bộ lọc

Như vậy có bốn bước định cỡ bộ lọc sinh học đối với ứng dụng riêng trong các hệ thống sản xuất nuôi trồng thủy sản tuần hoàn:

1. Xác định nồng độ TAN tối đa có thể cho phép trong bể nuôi.

2. Ước tính mức thức ăn tối đa cho hệ thống và tính mức tối đa phát sinh tổng amoniac-nitơ.

3. Xác định từ kinh nghiệm trước đó hoặc các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất về tốc độ chuyển hóa thể tích TAN (VTR) của giá thể bộ lọc sinh học đang được sử dụng.

4. Tính nhu cầu thể tích giá thể lọc sinh học đã được ước tính.

Giá thể lọc sinh học của bể phản ứng đệm chuyển động này ban đầu màu trắng và nổi dễ dàng. Sau bốn tháng, giá thể “đã dùng lâu” (bên phải) trông hơi nâu và ít nổi.

Ví dụ định cỡ bộ lọc sinh học

Trong một ví dụ xem xét một hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn RAS nước ngọt vận hành ở nhiệt độ nước 25 °C, cho là không hạn chế oxy, nồng độ oxy hòa tan trong nước trên 4 mg/L cho bộ lọc sinh học. Giả sử tiếp theo pH và độ kiềm của hệ thống tương ứng là 7,2 và 100 mg/L, nồng độ TAN mong muốn tối đa là 2 mg/L. Ngoài ra, giả sử mức thức ăn tối đa cho toàn bộ hệ thống ở bộ lọc sinh học này sẽ ở mức cao nhất là 60 kg/ngày với thức ăn 40% đạm.

Bây giờ chúng ta cần phải ước lượng mức phát sinh TAN được tạo ra hàng ngày do mức thức ăn này. Xem phương trình 1 dưới đây (Tạp chí Advocate số tháng 7-8/2015).

Phương trình 1

TAN được sinh ra (kg/ngày) = 60 kg thức ăn/ngày x 40% Protein x 50% Nitơ đã hao phí x 0,16 g Nitơ/g Protein x 1,2 g TAN/g Nitơ

TAN được sinh ra = 2,3 kg TAN/ngày

Lưu ý phần trăm protein và nitơ đã hao phí trong phương trình trên nên được đưa vào tương ứng dưới dạng số thập phân – 0,4 và 0,5.

Có lẽ nhiệm vụ khó khăn nhất trong bài tập này là vấn đề thứ ba – xác định VTR sẽ được sử dụng. Như đã lưu ý trước đây, tốc độ này là chức năng của loại giá thể lọc sinh học được lựa chọn và các điều kiện trong hệ thống.

Kinh nghiệm của các tác giả và các kết quả nghiên cứu được công bố cho thấy tốc độ chuyển hóa thể tích TAN (VTR) đối với giá thể của bộ lọc sinh học nhỏ giọt với diện tích bề mặt riêng 200 m² trong điều kiện chất lượng nước đưa ra ở trên là khoảng 90 g TAN/m³/ngày. Tương tự như vậy, ước tính vừa phải về VTR đối với giá thể ở bể phản ứng đệm chuyển động trong điều kiện tương tự là 350 g TAN/m³/ngày. Phương trình 2 dưới đây có thể được sử dụng để ước tính thể tích của giá thể lọc sinh học cần thiết để chuyển đổi TAN đã sinh ra sang dạng nitrat – nitơ tương đối vô hại.

Phương trình 2

Thể tích giá thể lọc sinh học (m³) = công suất TAN (g TAN/ngày) ÷ VTR (g TAN/m³/ngày)

Chúng ta có thể sử dụng phương trình này để tính thể tích của giá thể cho một bộ lọc nhỏ giọt cần có là:

2.300 g TAN /ngày ÷  90 g TAN khử/m³/ngày = 25 m³

Nếu bộ lọc nhỏ giọt này có kích cỡ 2,5 m ngang, chiều cao giá thể sẽ là 4,0 m. Ở thiết kế bộ lọc nhỏ giọt này chừa khoảng không ở cả trên và dưới giá thể lọc sinh học. Tóm lại, bộ lọc nhỏ giọt này có thể cao là 5,3 m, để chừa 0,3 m cho việc phân bố nước trên giá thể và 1 m dưới giá thể để thu và dẫn nước trở lại hệ thống sản xuất.

Tương tự như vậy, chúng ta có thể tính thể tích cho bộ lọc giá thể đệm chuyển động cần có cho hệ thống trong ví dụ này. Thể tích đó được ước tính bằng cách sử dụng phương trình 2 như sau:

2.300 g TAN/ngày ÷ 350 g TAN khử/m³/ngày = 6.57 m³

Để còn chỗ cho giá thể kết hợp với sục khí trong các thiết kế bể phản ứng đệm chuyển động, bể phản ứng được thiết kế sao cho giá thể chiếm không quá 70% thể tích bể phản ứng. Do đó, thể tích của bể phản ứng có 6,6 m³ giá thể sẽ là 9,4 m³. Nếu bể phản ứng này có đường kính 2,5 m, thể tích cần cho giá thể và nước sẽ đòi hỏi chiều cao 1,9 m. Thêm 0,3 m “phần nổi” trên mặt nước và giá thể của bể phản ứng thì tổng thể chiều cao bể phản ứng sẽ là 2,2 m.

Các triển vọng

Từ những ước tính về kích cỡ bộ lọc sinh học này, các độc giả có thể dễ dàng hiểu được tại sao các bể phản ứng đệm chuyển động đã và đang thống trị ngành này. Những ước tính tương tự có thể được thực hiện đối với giá thể lọc sinh học khác.

Tuy nhiên, nhà thiết kế phải có một ý tưởng tốt về công suất VTR của một giá thể cụ thể trong điều kiện cụ thể sẽ gặp phải trong sản xuất thương phẩm một vụ nuôi trồng thủy sản được dự kiến cho hệ thống.

Lưu ý của Biên tập viên: Bài viết này được dựa vào một phần nghiên cứu của tác giả được thực hiện tại Đại học bang North Carolina và được xuất bản trong số 23, 2000 tạp chí Kỹ thuật Thủy sản. Bảng tính trong ấn phẩm đó trình bày tất cả những gì đã được mô tả ở đây dưới định dạng bảng tính.

Nguồn: Tiến sĩ Thomas M. Losordo, nhà khoa học cấp cao và kỹ sư trưởng, Pentair Aquatic Eco-Systems, Inc., 1791 Varsity Drive, Suite 140, Raleigh, North Carolina 27606 USA – Dennis P. DeLong, MSM, Giám đốc Dịch vụ Hỗ trợ Khách hàng, Pentair Aquatic Eco-Systems, Inc. – Theo Advocate Global Aquaculture – Tháng 9-10/2015