Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS)

A.GIỚI THIỆU CHUNG
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) kết hợp công nghệ xử lí bổ
sung ngoài được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản tái chế nước cục bộ (PRAS),
cho phép tái xử dụng lượng nước đáng kể. Hệ thống RAS này đạt mức độ kiểm
soát tốt hơn bất kì ứng dụng công nghệ nào khác trong nuôi trồng thủy sản,
mang lại hiểu quả sản xuất cao hơn và lợi ích kinh tế đáng kể. hệ thống RAS
cho phép điều kiện nuôi cấy được tối ưu hóa quanh năm và hoàn toàn độc lập
với các biến động về chất lượng nguồn nước và nhiệt độ môi trường xung
quanh, vì vậy, tốc độ tăng trưởng cá có thể gia tăng giúp nuôi nhiều cá hơn hoặc
đạt kích thước lớn hơn trong cùng 1 khoảng thời gian.

1.1. Nguyên lý chung của hệ thống tuần hoàn
Nước trong hệ thống tuần hoàn (recirculation aquaculture systems viết tắt là RAS)
thải ra từ bể nuôi cá được làm sạch và tái sử dụng liên tục và ổn định. Sự làm sạch
nước thải từ bể nuôi cá bằng phương pháp vật lý và sinh học. Khác với ao nuôi
thông thường, trong RAS bể cá và hệ thống xử lý nước được tách rời riêng biệt.
Các hệ thống xử lý nước được thiết kế cho các mục tiêu khác nhau bao gồm hệ
thống tách thải rắn, cung cấp oxy, hệ thống khử hữu cơ hòa tan, hệ thống sinh học
khử NH3-N và NO2-N bằng quá trình nitrate hóa tham gia chủ yếu là vi khuẩn tự
dưỡng và hệ thống sinh học yếm khí khử NO3-N tạo N2 bởi vi sinh vật kỵ khí tùy
nghi. Vài hệ thống nuôi tuần hoàn, tảo hay rong được kết hợp để xử lý nước. Lý
tưởng nhất, mỗi quá trình hoạt động, mỗi thiết kế xây dựng và mỗi hệ thống tách
biệt để tăng cường hiệu suất và dễ dàng khống chế. Nếu kết hợp nhiều quá trình


diễn ra trong cùng bể phản ứng thỉnh thoảng đạt được kết quả nhưng giảm năng
suất và khó quản lý bền vững.
Các thiết bị lọc trong hệ thống nuôi thủy sản tuần hoàn được thiết bảo đảm giữ an
toàn chất lượng nước và sức khỏe của động vật thủy sản, tỷ lệ sống cao và sinh
trưởng tối ưu. Chính vì thế quản lý chất lượng nước trong nuôi trồng thủy sản rất
quan trọng. Trong hệ thống nuôi tuần hoàn, chất lượng nước được duy trì đơn giản

bởi sự cân bằng các sản phẩm thải trong bể nuôi và chất thải được xử lý trong các
bộ phận xử lý bằng phương pháp sinh học và vật lý. Có thể biểu diễn đơn giản về
sự cân bằng như sau:
Khối lượng chất thải, thức ăn đưa vào hệ thống và động vật thủy sản hấp thụ tăng
trưởng có thể tính bằng gram trên kg động vật thủy sản sản xuất. Các loại chất thải
(g/kg thức ăn) phải được xử lý bằng nhiều hệ thống kết hợp bao gồm: thải rắn
(bùn, thức ăn thừa, phân) và các chất thải do quá trình thải từ mang và nước tiểu
của động vật thủy sản ( NH3-N, oxygen, carbonic...). Sự phân hủy chất hữu cơ
dạng rắn tạo thành hữu cơ hòa tan và chất thải vô cơ hòa tan.


1.2. Cấu thành của hệ thống nuôi tuần hoàn
Hệ thống nuôi tuần hoàn cơ bản bao gồm các đơn vị cấu thành và chức năng riêng
biệt cùng để giải quyết một vấn đề tổng thể làm sạch môi trường nước nuôi thủy sản
và nâng cao khả năng sử dụng nước.
*Cấu thành của hệ thống nuôi thủy sản tuần hoàn nước đơn giản
Bao gồm:
+ Bể nuôi cá
+ Bể tách chất thải rắn
+ Bể chứa 1 (tùy theo sử dụng kiểu hệ thống lọc sinh học cần hay không cần)
+ Bể lọc sinh học
+ Bể chứa 2
 Cấu thành của hệ thống nuôi thủy sản tuần hoàn nước tiên tiến
Bao gồm
+ Bể nuôi cá
+ Bể tách chất thải rắn
+ Bể chứa 1 (tùy theo sử dụng kiểu hệ thống lọc sinh học)
+ Bể lọc sinh học
+ Bể chứa 2
+ Bể xử lý yếm khí tùy nghi khử NO3-N và bùn thải

+ Bể ozone sử dụng cho lọc hạt thải rắn siêu nhỏ và quản lý mầm bệnh


C. Hệ thống tổng thể RAS

Hình : Các quá trình sử dụng trong RAS
CÁC ĐƠN VỊ HỆ THỐNG
1 loại bỏ chất thải rắn
Trong hệ thống tuần hoàn, xử lý chất thải rắn là bước đầu tiên làm sạch nước, các
chất thải rắn được loại bỏ từ đầu ra của bể nuôi. Chất thải rắn được lắng hay lọc tùy
theo điều kiện ứng dụng cho thích hợp. Tác dụng của việc loại bỏ chất thải rắn và
chất lơ lững trong nước là:
+ Giảm thiểu tối đa vật chất thải rắn hay lơ lững trong nước trước khi chảy qua hệ
thống lọc sinh học;
+ Ngăn chặn sự tích lũy chất thải rắn trong hệ thống;


+ Ngăn chặn chất thải rắn và nồng độ vật chất nằm trong ngưỡng thích hợp cho từng
loại động vật thủy sản nuôi.
Nước sau khi qua hệ thống lọc chất thải rắn được chảy sang bể chứa bằng phương
pháp chênh lệch áp lực mực nước.
2.Hệ thống hai công thoát
Bể nuôi hai cống thoát sử dụng thiết bị tách bằng dòng nước xoáy và loai bỏ phần lớn
các chất rắn lắng động cống thoát trung tâm. Hệ thống thiết kế có khả năng áp dụng
cho chắc bể tròn và rất có hiệu quả trong việc loại bỏ phần lớn các hạt có kích thước
lớn,các hạt có khả năng lắng đọng nhanh như thức ăn thừa và các chất bài tiết mà chỉ
sử dụng một tỷ lệ rất nhỏ của tổng dòng chảy ( từ 10-25 ăn thừa và các chất bài tiết
mà chỉ sử dụng một tỷ lệ rất nhỏ của tổng dòng chảy ( từ 10-25%), chủ yếu tháo
nước ở một cống thoát cao hơn ở tường bên

Dòng chất thải này sau đó có thể gom lại bằng cách sử dụng bể lắng hoặc thiết bị
tách.Mục tiêu là tạo một lưu lượng nhỏ được xử lí dễ dàng ,pha loảng chất thải.
Tiêu chuẩn để thiết kế bể này đối với dòng chảy nên nhỏ nhất:6 Lpm/m2 (6
L/phút/m2) diện tích sàn bể.Thời gian lưu của thủy lực nước ở cống trung tâm nhỏ
hơn 200 phút. 15-25% tổng lượng dòng chảy.Sau khi tính toán giá trị lớn nhất của
3 giá trị này nên được sử dụng .


4. Bể và khu vực lắng
Một bể lắng chỉ đơn giản để tạo ra một khu vực yên tĩnh , nơi tốc độ dòng chảy
chậm lại và các chất rắn lắng xuống trọng lực.Để tăng quá trình lắng, ống hoắc đĩa
lắng gồm các chuổi ống nghiêng hoặc đĩa được xếp chồng lên nhau vài cm thường
được sử dụng .Điều này làm tăng hiệu quả diện tích lắng trên mỗi đơn vị diện
tích.Ưu điểm của việc sự dụng khu vực láng là chúng ta hoạt động đơn giản , nhu
cầu năng lượng và chi phí xây dựng thấp.sự bất lợi ba gồm kích thước tương đối
lớn của khu bực lắng ,hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt nhỏ và các hạt có mật ,
thấp kém,rò rỉ các chất dinh dưỡng từ các chất lắng đọng trở lại vào hệ thống nuôi
khi chúng giữ được trong khu vực lắng.
Một phương pháp khác để tăng tốc độ lắng là thông qua việc sử dụng các dòng
thủy lực xoáy. Nước thải từ bể nuôi được đứa ra ngoài vào một bể hình nón , cho
dòng nước chảy vòng xung quanh các vể này,các chát sẽ nhanh chóng lắng xuống
đáy và loại bỏ thường xuyên
4. Lọc cơ học
Hai loại bộ lọc cơ học thường được sử dụng trong NTTS để loại bỏ chất rắn lơ
lửng: bộ lọc sử dụng các tấm chắn và bộ lọc môi trường hạt. Các chất rắn lơ lửng
từ hệ thống nuôi không có khả năng lắng xuống trong thời gian lưu lại của nước
(30-60 phút) chúng cần phải được loại bỏ khỏi nước nuôi vì chúng có nhu cầu xử
dụng oxy cao và khả năng khoáng hóa (tỷ lệ tăng amonia-nitơ tạo ra trong nước
như các protein và urê trong phân)
 Bộ lọc sử dụng màng chắn

Các màng chắn kích thước nhỏ hiện đang được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các chất
rắn lơ lửng trong cả hai hệ thống tuần hoàn dùng cho nghiên cứu và thương mại.
Màng chắn có kích thước nhỏ hoạt động theo hình thức của cái sàng để giữ lại các
hạt lớn hơn kích thước lưới chắn. Sử dụng màng với bộ lọc quay có sẵn với nhiều
kích cỡ và tốc độ dòng chảy khác nhau. Chúng có rất nhiều lợi thế, quan trọng nhất
là dễ dàng bố trí và vận hành. Hầu như tất cả các bộ lọc sử dụng màng lọc có kích
thước nhỏ làm việc trên nguyên tắc vật lý bằng việc giữ lại các hạt trên một màn
chắn và loại bỏ bằng cách sử dụng vòi phun để rửa.
Các màn chắn có thể thay thế được và kích thước mắt lưới thường được lựa chọn
dựa trên các đặc tính của nước được xử lý, yêu cầu chất lượng nước ra, chi phí và
khối lượng chất thải. Màng lọc kích thước nhỏ đặc biệt tiện lợi khi sử dụng để loại
bỏ các chất rắn từ dòng chảy có lưu lượng lớn. Ngoài ra, chúng có kích thước nhỏ


gọn và nên ít mất mát về áp lực. các nhược điểm của hệ thống này là các yêu cầu
để duy trì cao, vốn và chi phí vận hành tương đối lớn. Hoạt động của bộ lọc sử
dụng màng có kích thước nhỏ phần lớn phụ thuộc vào kích thước của màng lọc,
ảnh hưởng đến công suất thủy lực, các hạt loại bỏ, tỷ lệ nước bùn sinh ra và nồng
độ.
 Bể lọc môi trường hạt
Bể lọc sử dụng môi trường hạt hoạt động bằng cách cho nước đầy cần xử lý đi qua
một lớp vật liệu dạng hạt, các hạt lơ lửng trong nước bị giử lại trong môi trường
lọc. Bộ lọc hạt là hình thức phổ biến nhất , do mất mát áp lực thấp và yêu cầu
lượng nước ít khi rửa bể. Bể lọc sử dụng môi trường hạt đã thay thế viêc sử dụng
các bể lọc cát cho tất cả các mục đích thực tế. Bể lọc cát thường một lớp cát dày
trong bể có thể hoạt động tốt trong việc loại bỏ các chất rắn. Bể lọc cát cũng được
sử dụng trong các bể bơi, hoạt động theo nguyên tắc tương tự nhưng sử dụng áp
lực nước giữ các hạt lơ lửng trong nước. Khi mà yêu cầu áp lực để đẩy nước qua
lớp cát lọc, bể lọc cát sẽ hoạt động theo kiểu lọc ngược sử dụng áp lực của máy
bơm. Với hai phương pháp sử dụng bể lọc cát có thể sẽ mất nhiều nước trong quá

trình vận hành và quản lý bể lọc cát luôn luôn là một thách thức.
Các hạt trong môi trường lọc có kích thước nhỏ từ 3 đến 5 mm có mật độ thấp, các
hạt polyethilene được sử dụng như là môi trường lọc, bộ lọc ngược. Đây là loại
môi trường nhựa thường được sử dụng như là nguyên liệu cho quá trình phun.
Phương pháp lọc được thực hiện bằng cách giử các hạt chất rắn lơ lửng trong nước
và sau đó định kỳ rung lắc, khuấy gỡ ra các vật chất rắn bị mắc kẹt trong môi
trường .
Nhiều chất lơ lững kích thước nhỏ và các hợp chất hữu cơ hào tan mà xây dựng lên
theo thời gian trong các hệ thống tuần hoàn nước sâu không được loại bỏ bởi lọc
cơ hoặc các bộ lọc môi trường hạt. Sử dụng phương pháp tuyến nổi để loại bỏ
những chất rắn.
 Xử lý chất thải rắn
Thông thường, chất thải rắn trong NTTS được xử lý như một chất thải nông
nghiệp và được coi là một nguồn chất dinh dưỡng không độc hại. Việc áp dụng này
được điều chỉnh bởi các quy định hạn chế số lượng tác nhân gây bệnh, kim loại


nặng và các chất bẩn khác, hàm lượng dinh dưỡng, loại đất và các đặc điểm hấp
thu chất dinh dưỡng của thực vật để hạn chế ô nhiễm nước bề mặt và nước ngầm.
Một trong những công nghệ mới nhất đối với bùn lắng đó là sử dụng các túi vải kỹ
thuật .
5. Lọc sinh học
 Cơ sở áp dụng
Nitơ là một chất dinh dưỡng cần thiết cho tất cả các sinh vật sống và được tìm thấy
trong các protein, axit nucleic. Trong môi trường NTTS, có bốn nguồn chính của
chất thải ni tơ :
-

Urê, axit uric và amino axit được bài tiết bởi các cá
Các mảnh vụn hữu cơ từ sinh vật chết

Thức ăn thừa và phân
Khí ni tơ từ khí quyển

Các sản phẩm chất thải chứa ni tơ khác nhau được khuếch tán qua mang, nước tiểu
và phân.
Amoniac, nitrit, nitrat đều có khả năng hòa tan trong nước cao. Amoniac tồn tại
trong hai hình thức, dạng không ion hóa NH3 và dạng ion hóa NH4+. Với nồng độ
của chúng thường liên quan đến chức năng của pH và nhiệt độ. Qúa trình nitrat hóa
gồm 2 bước: nơi amoniac lần đầu tiên bị oxy hóa thành nitrite và sau đó nitrit bị
oxy hóa thành nitrat. Hai bước được thực hiện tuần tự.
Khả năng loại bỏ amoniac của bể lọc sinh học là chủ yếu phụ thuộc vào tổng diện
tích bề mặt có sẵn cho sự phát triển của vi khuẩn nitrat. Đối với hiệu quả tối đa,
môi trường sử dụng phải cân bằng một diện tích bề mặt riêng cao, độ rỗng đáng kể
để đảm bảo hiệu suất thủy lực của hệ thống. Môi trường lọc phải trơ, không bị nén
và không bị phân hủy sinh học. Môi trường lọc phổ biến là cát hoặc nhựa hoặc vật
liệu gốm. Một số hệ thống lọc sinh học: lọc sinh học nhỏ giọt, công nghệ đệm di
động(MBBR), lọc sinh học ngập nước, bộ lọc hạt nổi,…
 Bể lọc nhỏ giọt: là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật
sinh trưởng cố định trên lớp vật liệu học


Bể lọc bao gồm: một lớp vật liệu dễ thấm nước với vi sinh vật bám trên đó. Nước
thải đi qua lớp vật liệu này sẽ thấm hoặc nhỏ giọt ở trên đó. Vật liệu lọc thường là
đá dăm hoặc là khối vật liệu lọc có hình thù khác nhau. Nếu vật liệu lọc là đá hoặc
sỏi hoặc sỏi thì kích thước hạt dao động trong khoảng 0,5-2,5 cm, trung bình là
1,8cm. Bể lọc với vật liệu là đá dăm thường có dạng hình tròn. Nước thải được
phân phối trên lớp vật liệu lọc nhờ bộ phận phân phối. Bể lọc với vật liệu lọc là
chất deorcos thể có dạng tròn, vuông hoặc có nhiều dạng khác với chiều cao biến
đổi từ 4-12m. Ba loại vật liệu với chất dẻo thường dùng là: (1) vật liệu với dòng
chảy thẳng đứng; (2) vật liệu với dòng chảy ngang; (3)vật liệu đa dạng. Chất hữu

cơ sẽ bị phân hủy với quần thể vi sinh vật sống trên lớp vật liệu học. các chất hữu
cơ có trong chất thải sẽ bị hấp thụ vào màng vi sinh vật dày 0,1-0,2mm và bị phân
hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển , bề dày lớp
màng tăng lên, do đó, oxy đã bị tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp
màng sinh vật. Như vậy, môi trường kị khí được hình thành ngay trên lớp vật liệu
lọc. Khi chiều dày lớp màng tăng lên, quá trình đồng hóa chất hữu cơ xảy ra trước
khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt vật liệu lọc. kết quả là vi sinh vật ở
đây bị phân hủy nội bào, không còn khả năng dính bám lên bề mặt vật liệu lọc và
bị rửa trôi.
 Công nghệ đệm di động (MBBR): quá trình xử lí sử dụng các loại vi sinh vật
bám dính, tuy nhiên giá thể vi sinh được sử dụng trong công nghệ này là giá
thể đệm di động có diện tích bề mặt rất lớn, do chúng luôn chuyển động
trong bể nên đã tận dụng được tối đa diện tích bề mặt của giá thể vi sinh, do
đó mật độ sinh vật trong công trình xử lí MBBR rất lớn, bên cạnh đó việc
giá thể chuyển động tăng khả năng hòa tan oxy vào nước, điều này khến
hiệu quả xử lí theo công nghệ này cao hơn nhiều so với các công nghệ khác.
 Lựa chọn kiểu lọc sinh học: Mỗi bể lọc sinh học được mô tả có những ưu
điểm và nhược điểm cần được cân nhắc trong giai đoạn thiết kế. Một trong
những ưu điểm của lọc sinh học và MBBR là cả hai đều thêm oxy vào nước
trong quá trình hoạt động bình thường. Ngược lại, các bể lọc sinh học ngập
nước, bộ lọc hạt nổi, bộ lọc vi hạt và lọc sinh học tầng sôi đều tiêu hao oxy
và phải phụ thuộc vào oxy trong dòng chảy đến để duy trì điều kiehí trong
các màng sinh học. Nếu vì bất cứ lí do gì, các dòng chảy đến có hàm lượng
oxy thấp hoặc dòng chảy đến cho lọc sinh học là quá thấp, kỵ khí làm gián
đoạn lọc sinh học.


Việc áp dụng môi trường lọc có kích thước bề mặt thấp là một bất lợi cho cả lọc
sinh học nhỏ giọt và MBBR. Bởi vig, chi phí đầu tư là tỉ lệ thuận với tổng diện
tích bề mặt của các bộ lọc, kết quả là bể lớn và đòi hỏi bể lọc tốn kém hơn.

Ngược lại, bộ lọc hạt nổi và đặc biệt là bộ lọc tầng sôi và bộ lọc vi hạt, sử dụng
môi trường có diện tích bề mặt lớn dẫn đến giảm các yêu cầu về chi phí và
không gian cho bể.
6. Sục khí và thêm oxy
Oxy hòa tan là yếu tô hạn chế đầu tiên trong các hệ thống nuôi thâm canh.
Nồng độ oxy hòa tan tối thiểu là 4-6 mg/L được yếu cầu cho sự tăng trưởng tối
ưu của hầu hết các loài thủy sản. Ở mật độ lên đến 45kg/m3, sục khí là cần thiết
cho sự tăng trưởng của cá. Ở mật độ nuôi cao hơn, oxy tinh khiết được yếu cầu
bổ sung.
Trong thời gian sục khí, không khí được đưa vào tiếp xúc với nước, hoặc bằng
bóng khí vào nước hoặc đưa các giọt nước nhỏ qua không khí. Trong mỗi
trường hợp,oxy được chuyển vào trong nước và CO2 và nito dư thừa được loại
ra. Trong quá trình oxy hóa, oxy tinh khiết được sử dụng để tăng tốc độ truyền
và bão hòa nồng độ oxy. Oxy có thể được tạo ra tại chỗ bằng sử dụng thiết bị
áp lực hấp phụ hoặc mua dạng lỏng hoặc khí số lượng lớn từ nguồn thương mại.
Nhiều laoij thiết bị chuyển oxy có sẵn trên thị trường.
7. Loại bỏ CO2
CO2 là một sản phẩm của sự hô hấp của cá và các sinh vật khác trong hệ thống
sản xuất, chẳng hạn như vi khuẩn trong màng sinh học. Ở nồng độ thấp, CO2
được loại bỏ bằng lắc, khuấy đảocơ học và cho nước tiếp xúc với không khí.
Nhưng những tiến bộ trong thiết kế và quản lí hệ thống tuần hoàn có có thể nuôi
mật độ ngày càng tăng và giảm tỉ lệ trao đổi nước. Kết quả là CO2 thường trở
thành một yếu tố hạn chế trong các hệ thống thâm canh.
Đối với mỗi gam oxy tiêu thụ, 1,38 g CO2 đượcc sản xuất. CO2 cản trở việc hô
hấp của cá bằng cách cản trở chức năng của máu để vận chuyển oxyqua một
hiện tượng sinh lí nổi tiếng là hiệu ứng Bohr. CO2 cũng ảnh hưởng trực tiếp đến
hệ thống đó là giảm Ph, gây ức chế cho cấ và giảm vi khuẩn Nitrat trong bể lọc
sinh học.

CO2 có thể được kiểm soát bằng cách trao đổi khí qua tháp nước hoặc thiết bị
sục khí. Khi nước có chứa CO2 chảy qua các môi trường trong cột lọc, không
khí được đẩy lên hoặc xuống cột và CO2 được loại bỏ bằng cách chuyển khí qua
các giao diện nước/ không khí trên bề mặt môi trường lọc. Nồng độ CO2