Cung cấp vật liệu lọc chất lượng tốt, giá cạnh tranh.

Cách tính kích thước bộ lọc sinh học dùng cho hệ thống nuôi thủy sản tuần hoàn


Giá thể vi sinh có màu trắng khi mới cho vào bể lọc sinh học

 Kích thước bộ lọc sinh học dùng cho hệ thống RAS

Kiểm soát tổng nồng độ amoniac-nitơ

Để ước tính kích thước 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 – total ammonia nitrogen) 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. Để xác định kích thước bộ lọc sinh học tốt nhất là dựa trên kiểm nghiệm trước đó với một giá thể vi sinh (đệm vi sinh) đã dùng trong một mô hình lọc sinh học tương tự.

Các bộ lọc nhỏ giọt (dạng hệ thống lọc vi sinh cũ hiện nay ít được sử dụng) 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 nhỏ giọt 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 – recirculation aquaculture system) trở nên rất phổ biến trên toàn thế giới. Xu hướng sử dụng RAS ngày càng phát triển do nhu cầu sản xuất thâm canh, khả năng kiểm soát cũng như tiết kiệm nguồn nước.

Xác định kích thước bộ lọc sinh học dựa trên mức thức ăn

Để tính kích thước một bộ lọc sinh học trong một hệ thống RAS, mối quan tâm chính của nhà thiết kế là bộ lọc sinh học phải cung cấp đủ công suất để kiểm soát tổng nồng độ amoniac-nitơ (TAN) trong các bể nuôi ở giới hạn cao nhất đã định trước.

Có thể hiểu là khả năng của bộ lọc sinh học có thể đáp ứng được khi nồng độ TAN của bể nuôi ở mức cao nhất trong suốt quá trình nuôi (người dịch). 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.

Một khi đã xác định giới hạn nồng độ TAN thấp hơn so với thực tế, thì hệ thống lọc sinh học thiết kế ra sẽ không đáp ứng được nhu cầu thực tế.

Xác định mức thức ăn tối đa khi nuôi cũng là yếu tố then chốt để xác định kích thước bộ lọc sinh học. Lượng amoniac-nitơ thải ra có thể được tính dựa trên mức thức ăn đầu vào và hàm lượng protein của thức ăn.

 

Xác định VTR (volumetric TAN conversion rate )

Cách tốt nhất để xác định 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 vi sinh 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.

Giá thể vi sinh có màu trắng khi mới cho vào bể lọc sinh học và chiếm không quá 70% kích thước bộ lọc sinh học
Giá thể vi sinh có màu trắng khi mới cho vào bể lọc sinh học

 

 

Nên nhớ nồng độ TAN đi vào bộ lọc sinh học càng thấp thì tỷ lệ VTR cho bộ lọc đó sẽ càng thấp. Đây là phần khó khăn nhất trong việc thiết kế 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.

Có thể hiểu, mỗi loại giá thể vi sinh có một chỉ số VTR khác nhau. Chỉ số VTR của bệ lọc = chỉ số VTR của giá thể x kích thước bộ lọc sinh học, là lượng TAN bể lọc sinh học hấp thụ được trong 1 ngày. Bên cạnh đó, lượng thức ăn đầu vào quá thấp so với công suất thiết kế cũng làm giảm chỉ số VTR của bộ lọc vi sinh đó đó. 

 

Các bước xác định kích thước bộ lọc sinh học

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:

Giá thể vi sinh sau 4 tháng sử dụng có màu vàng (vàng trà) và ít nổi hơn
Giá thể vi sinh sau 4 tháng sử dụng có màu vàng (vàng trà) và ít nổi hơn
  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 với các thông số (thông số giả định cho hệ thống đang xét, thông số này khác nhau đối với từng trường hợp cụ thể):

  • Nhiệt độ nước 25 °C.
  • Nồng độ oxy hòa tan trong nước trên 4 mg/L và không giới hạn cho bộ lọc sinh học.
  • pH 7.2độ kiềm 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  0,16g 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 90g TAN/m3/ngày.

Tương tự như vậy, ước tính vừa phải về VTR đối với giá thể ở bể phản ứng đệm chuyển động (giá thể vi sinh MBBR) trong điều kiện tương tự là 350g 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 chuyển động (giá thể MBBR) 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  ÷  350g 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.

Ở đoạn trên, tác giả phân tích để cho thấy lợi điểm (về kích thước bộ lọc) của hai loại bể lọc sinh học: bể lọc nhỏ giọt (trickling filter) và bộ lọc sinh học giá thể lơ lửng (bể lọc sinh học MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor). Do tỷ lệ VTR của hai công nghệ này chênh lệch nhau khá lớn, nên kích thước bộ lọc sinh học chênh lệch rất nhiều. Hơn thế, việc lựa chọn giá thể MBBR phù hợp cho bể lọc là việc hết sức quan trọng quyết định hiệu quả của bể lọc sinh học. (Người dịch)

Các triển vọng

Từ những ước tính về kích thước bộ lọc sinh học này, các độc giả có thể dễ dàng hiểu được tại sao các bể phản ứng đệm chuyển động (bể lọc sinh học MBBR) 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.

Để thiết kế bể lọc, bạn phải nắm rõ chỉ số VTR của từng loại giá thể vi sinh khi ứng dụng vào từng mô hình nuôi thực tế.

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

Tổng hợp và dịch bởi Lọc Sinh Học.

Các thông tin về hệ thống lọc sinh học trong RAS, vui lòng liên hệ Mr.Thanh Trí (0964 63 38 63)

Ý kiến của bạn?

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *