Cấy Vi Sinh Vật Vào Bộ Lọc Sinh Học Trong Hệ Thống Nuôi Trồng Thủy Sản Tuần Hoàn

Sự tích tụ các hợp chất độc hại gây nguy hiểm cho sức khỏe động vật.

Hệ thống thí nghiệm sử dụng nhiều bể cá với các thiết bị xử lý nước và điều khiển hệ thống hiệu quả.

Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) khi vận hành đúng tiêu chuẩn bao gồm nhiều mô-đun liên kết chặt chẽ, mỗi mô-đun đảm nhận một vai trò quan trọng nhằm duy trì điều kiện sống tối ưu cho sinh vật thủy sinh. Các hệ thống này tích hợp các quá trình xử lý cơ học, sinh học và hóa học để kiểm soát chất lượng nước, đồng thời cho phép tái sử dụng nước hiệu quả.

Trong quá trình nuôi, chất thải từ cá như amoniac hòa tan và các hạt hữu cơ có thể tích tụ, tạo ra các hợp chất độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi. Lọc cơ học (như trống lọc hoặc lọc cát) giúp loại bỏ phần lớn chất rắn lơ lửng, trong khi lọc sinh học đảm nhiệm việc chuyển hóa các chất độc hòa tan thành dạng ít độc hơn nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa. Ngoài ra, hệ thống còn có thể được trang bị các thiết bị hỗ trợ khác như tách protein, khử trùng bằng tia UV và bộ lọc kỵ khí nhằm xử lý nitrat, góp phần hoàn thiện chu trình làm sạch nước.

Chuẩn bị nghiên cứu

Tùy theo điều kiện vận hành của từng hệ thống, quá trình hình thành một quần thể vi khuẩn ổn định thường mất khá nhiều thời gian, có thể kéo dài từ vài tuần đến vài tháng. Nhằm đánh giá tính thuận tiện và hiệu quả của các phương pháp cấy vi sinh vào bộ lọc sinh học hiếu khí khi khởi động hệ thống mới, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu trên ba hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) có cấu hình giống hệt nhau, mỗi hệ áp dụng một phương pháp khác nhau.

Mỗi hệ thống RAS bao gồm ba bể nuôi cá có thể tích 1,1 m³, một bộ lọc cartridge, một bộ lọc sinh học hiếu khí dạng tầng chuyển động phục vụ quá trình nitrat hóa, một bộ lọc sinh học kỵ khí dạng tầng chuyển động để khử nitrat, thiết bị tách protein có bổ sung ozone, bể chứa trung gian cùng hệ thống bơm nước và sục khí. Tổng thể tích nước của mỗi hệ thống là 5,3 m³ và được kết nối với hệ thống làm mát trung tâm thông qua bộ trao đổi nhiệt dạng tấm nhằm duy trì nhiệt độ ổn định.

Mỗi bộ lọc sinh học có thể tích nước 0,75 m³, thể tích vật liệu lọc đạt 0,54 m³, với diện tích bề mặt hoạt động xấp xỉ 315 m².

Cấy lọc

Trong hệ thống thứ nhất (S1), 10% vật liệu lọc mới được thay thế bằng vật liệu lấy từ một hệ thống RAS khác đã được gây nuôi vi khuẩn nitrat hóa. Ở hệ thống thứ hai (S2), cá bơn sao (Scophthalmus maximus) được thả nuôi với mật độ thấp. Trong khi đó, hệ thống thứ ba (S3) được bổ sung dung dịch vi khuẩn thương mại theo đúng khuyến nghị của nhà sản xuất. Tất cả các hệ thống đều được cung cấp lượng dinh dưỡng tương đương nhằm duy trì hoạt động của bộ lọc sinh học hiếu khí trong suốt 13 tuần. Riêng S1 và S3 được bổ sung amoni clorua hòa tan, dựa trên lượng chất thải phát sinh từ cá trong hệ thống S2.

Kết quả

Trong suốt quá trình thí nghiệm, các yếu tố phi sinh học được duy trì ổn định và nằm trong ngưỡng phù hợp cho nuôi cá nước lạnh như cá bơn. Nhiệt độ dao động trong khoảng 14,5–16,0°C, pH giảm nhẹ từ 8,1 xuống 7,5, trong khi độ bão hòa oxy luôn được giữ trên mức 100%.

Hình 1 cho thấy sự biến động nồng độ các chất dinh dưỡng ở từng hệ thống riêng biệt. Ở hệ thống S1, nồng độ amoni-nitơ (ammonia-N) ở mức cao, khoảng 20 mg/L, đồng thời nitrat-nitơ (nitrat-N) tăng dần và đạt gần 12 mg/L vào cuối thí nghiệm.

Đối với bể S2, với mật độ thả thấp, nồng độ amoni-N duy trì rất thấp, khoảng 0,05 mg/L, trong khi nitrat-N lại cao, xấp xỉ 35 mg/L. Trong khi đó, bể S3 (được bổ sung dung dịch vi khuẩn) ghi nhận amoni-N ở mức cao, khoảng 19 mg/L và nitrat-N ở mức trung bình, gần 15 mg/L. Nồng độ nitrit-N ở tất cả các hệ thống đều đạt đỉnh trước khi kết thúc thí nghiệm, sau đó ổn định trong khoảng 0,2–0,4 mg/L.

Thảo luận

Nhiệt độ được sử dụng để khởi động hệ thống lọc sinh học phù hợp với điều kiện nuôi cá bơn. Tuy nhiên, khi vận hành hệ thống lọc sinh học hiếu khí ở mức nhiệt độ thấp, thời gian cần thiết để đạt trạng thái nitrat hóa ổn định sẽ kéo dài hơn.

Ở mẫu S1, quá trình nitrat hóa diễn ra gần như ngay sau khi cấy vi khuẩn, nhờ sự hiện diện sẵn có của vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu lọc. Nhờ đó, nitrit xuất hiện sớm nhưng duy trì ở mức tương đối thấp trong khoảng ba tuần đầu sau khi cấy. Dù vậy, nồng độ amoni-N vẫn tăng liên tục trong suốt thí nghiệm, đạt đỉnh vào tuần thứ 11 trước khi giảm dần.

Trong khi đó, mẫu S2 thể hiện đặc trưng điển hình của một hệ lọc sinh học đang khởi động: nồng độ amoni tăng cao sau vài tuần vận hành, tiếp theo là sự xuất hiện ngắn hạn của đỉnh nitrit, và cuối cùng là sự gia tăng dần của nitrat. Quá trình hình thành và ổn định hệ vi sinh trong mẫu S2 hoàn tất sau khoảng 10 tuần.

Mẫu S3 ghi nhận sự gia tăng chậm của nồng độ nitrit-N và nitrat-N, thấp hơn đáng kể so với các hệ thống còn lại. Điều này cho thấy vi khuẩn nitrat hóa trong dung dịch cần thêm thời gian để lắng bám, trước khi hoạt động trao đổi chất có thể chuyển hóa amoniac-N thành nitrit-N và nitrat-N một cách hiệu quả.

Một số yếu tố có thể đã kéo dài thời gian thiết lập quá trình nitrat hóa ổn định. Tất cả các bộ lọc sinh học đều được thiết kế theo dạng tầng chuyển động, khiến vật liệu lọc luôn va chạm và ma sát liên tục. Sự mài mòn này làm bong tróc lớp vi khuẩn bám dính, từ đó làm chậm quá trình hình thành quần thể vi sinh ổn định. Bên cạnh đó, việc sử dụng thiết bị tách protein cũng góp phần làm giảm lượng vi khuẩn tự do có khả năng lắng đọng trong hệ thống, do cơ chế tạo bọt và loại bỏ bọt ra khỏi nước.

Kết quả

Việc vận hành một hệ thống lọc mới thường mất nhiều thời gian và đòi hỏi sự chuẩn bị kỹ lưỡng từ đầu. Theo các chuyên gia, bộ lọc sinh học nên được cấy vi sinh bằng cách bổ sung dần các chủng vi khuẩn mục tiêu với mật độ thấp trong vài tuần, tùy thuộc vào nhiệt độ nước. Đồng thời, giảm cường độ sục khí trong bộ lọc sẽ hạn chế mài mòn, tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn nitrat hóa lắng và phát triển nhanh hơn. Trong giai đoạn này, có thể tạm giảm hoạt động của thiết bị tách protein để duy trì mật độ vi khuẩn, tuy nhiên không nên tắt hoàn toàn vì dễ gây ra các vấn đề như đổi màu nước. Việc giảm lượng ozone cũng được xem là một giải pháp hỗ trợ hiệu quả.

Bên cạnh đó, việc kết hợp nhiều phương pháp có thể giúp rút ngắn thời gian ổn định hệ thống. Cụ thể, bổ sung vật liệu lọc đã qua sử dụng vào hệ thống có sinh khối thấp sẽ giúp quá trình nitrat hóa khởi động nhanh hơn. Ngoài ra, việc thêm các chế phẩm vi sinh vào hệ thống ít cá cũng góp phần tăng cường vi khuẩn có lợi, từ đó thúc đẩy hệ thống sớm đi vào hoạt động ổn định.

Theo Adrian A. Bischoff, Laura Koch, Marcus Thon, Bela H. Buck

Nguồn: https://www.globalseafood.org/advocate/biofilter-inoculation-in-recirculating-aquaculture-systems/

Biên dịch: Nguyễn Thị Quyên – Tôm Giống Gia Hoá Bình Minh

Xem thêm: