Hệ thống biofloc được phát triển để nâng cao khả năng kiểm soát môi trường trong nuôi trồng thủy sản. Ở những nơi mà tài nguyên đất và nước thiếu hụt hay đắt đỏ thì vấn đề hiệu quả kinh tế trong sản xuất được đặc biệt chú trọng. Thông thường, nuôi tôm cá với mật độ cao cần phải có một hệ thống xử lý chất thải. Tuy nhiên, hệ thống nuôi dùng công nghệ biofloc là một hệ thống xử lý chất thải hiệu quả.
Hệ thống biofloc cũng được phát triển để ngăn chặn sự xâm nhập của mầm bệnh vào ao nuôi thông qua quá trình trao đổi nước. Trước đây, tiêu chuẩn quản lý nuôi tôm là phải thay nước (khoảng 10%/ngày) để bảo đảm chất lượng nước. Ở những vùng ven biển với nhiều trang trại nuôi tôm, dịch bệnh từ nguồn nước dễ dàng lây lan thông qua nguồn nước. Do đó, giảm thay nước là một biện pháp để đảm bảo an toàn sinh học trong ao nuôi tôm cá. Nuôi tôm ngày càng được thâm canh hóa và vấn đề chất thải và xử lý chất thải trở nên cấp thiết.
Hình 1: Một hạt biofloc từ hệ thống nuôi thủy sản ngoài trời. Đường kẻ có kích thước 100 microns.
Hệ thống biofloc cho phép các chất thải hữu cơ và quần thể vi sinh vật tồn tại trong ao nuôi. Thông qua quá trình xáo trộn nước và sụt khí để duy trì sự hiện diện của các hạt floc, chất lượng nước được đảm bảo. Quản lý hệ thống nuôi theo công nghệ biofloc không đơn giản, đòi hỏi những kỹ thuật tương đối phức tạp cần thiết để đảm bảo cho hệ thống hoạt động tốt và đạt năng suất cao.
1. Thành phần và giá trị dinh dưỡng của biofloc
Biofloc là một hổn hợp của tảo, vi khuẩn, nguyên sinh động vật (protozoans) và các hạt vật chất hữu cơ như phân tôm cá và các mảnh vụn thức ăn. Mỗi hạt floc được gắn kết lại với nhau trong một ma trận lỏng lẻo bởi các chất nhờn được tiết ra từ vi khuẩn, chúng bị ràng buộc bởi các vi sinh vật dạng sợi, hoặc do lực hút tĩnh điện (Hình 1). Cộng đồng vi sinh trên biofloc cũng bao gồm các động vật phù du và giun tròn. Các hạt biofloc lớn có thể nhìn bằng mắt thường, nhưng phần lớn phải dùng kính hiển vi. Biofloc trong hệ thống nước xanh (greenwater biofloc system) thường có kích thước lớn, vào khoảng 50 – 200 micron, và rất dễ lắng xuống trong nước tĩnh.
Chất lượng dinh dưỡng của biofloc rất tốt cho tôm cá nuôi, nhưng chúng rất biến động. Hàm lượng protein khô trong biofloc chiếm khoảng 25-50%, phần lớn nằm trong khoảng 30-45%. Chất béo chiếm từ 0.5-15%, thông thường nằm trong khoảng 1-5%.
Có một vài báo cáo mâu thuẫn nhau về sự hiện diện của acid amin thiết yếu trong biofloc là methionine và lysine. Biofloc là một nguồn vitamin và khoáng chất rất tốt, đặc biệt là phosphorus. Biofloc cũng có tác dụng giống như là chế phẩm sinh học (probiotic).
Biofloc khô có thể dùng để thay thế bột cá hoặc bột đậu nành trong thức ăn thủy sản. Chất lượng dinh dưỡng của biofloc khô rất tốt, nhiều thử nghiệm cho thấy có thể thay thế đến 30% protein trong thức ăn tôm. Tuy nhiên, biofloc khô không thể thay thế nguồn protein từ động vật hay thực vật vì không thể cung cấp đủ số lượng lớn biofloc khô cho sản xuất thức ăn. Hơn nữa, chi phí để sản xuất ra vật chất khô của biofloc cũng là một câu hỏi lớn.
2. Hệ thống biofloc có vai trò như thế nào?
Biofloc cung cấp hai vai trò quan trọng là xử lý chất thải hữu cơ và là nguồn dinh dưỡng tốt cho tôm cá sử dụng. Hệ thống biofloc có thể vận hành với tỷ lệ trao đổi nước rất thấp (khoảng 0.5-1%/ngày). Trao đổi nước ít giúp cho sự phát triển và hoạt động của biofloc tốt hơn để tăng cường xử lý chất thải hữu cơ và các chất dinh dưỡng. Trong hệ thống biofloc, thay nước để duy trì chất lượng nước trong ao nuôi được giảm tối thiểu, thay vào đó, việc xử lý chất thải được thự hiện ngay bên trong hệ thống nhờ vào vai trò của các vi sinh vật dị dưỡng. Thuận lợi và khó khăn giữa hệ thống biofloc và hệ thống nuôi tuần hoàn được tóm tắt trong Bảng 1.
Bảng 1: Thuận lợi và khó khăn của hệ thống biofloc so với ao nuôi bán thâm canh và hệ thống nuôi tuần hoàn (RAS). Dấu check ✓chỉ những thuận lợi và khó khăn của hệ thống biofloc so với các hệ thống nuôi khác.
Nghiên cứu trên tôm cho thấy rằng, nước nuôi có chứa các nhân tố kích thích tăng trưởng như vi khuẩn và các protein từ động vật trong biofloc có thể làm gia tăng năng suất. Floc như là một nguồn thức ăn bổ sung cung cấp cho tôm cá bên cạnh thức ăn viên.
Lợi ích của biofloc là chuyển hóa chất dinh dưỡng từ chất thải hữu cơ thành nguồn protein của cá hoặc tôm. Khoảng 20-30% nitrogen trong thức ăn được đồng hóa (hấp thu) bởi tôm cá, khoảng 70-80% nitrogen trong chất thải ra môi trường. Trong hệ thống biofloc, phần lớn lượng nitrogen này được vi sinh vật sử dụng và nó là thành phần chính của các hạt biofloc.
Nghiên cứu trên tôm và cá rô phi cho thấy rằng mỗi đơn vị tăng trưởng có nguồn gốc từ thức ăn, protein từ vi khuẩn trong biofloc đóng góp từ 0.25-0.5 đơn vị. Nói cách khác, sự tăng trưởng của cá rô phi và tôm có sự đóng góp tới 20-30% từ protein của vi sinh vật trong hệ thống biofloc. Lợi ích này được phản ánh thông qua việc cải thiện hệ số chuyển đổi thức ăn FCR – một chỉ số quan trọng trong những dự đoán tốt nhất cho lợi nhuận và tính bền vững về mặt kinh tế mà hệ thống biofloc mang lại. Tuy nhiên, giá trị dinh dưỡng đóng góp bởi biofloc trong những hệ thống nuôi thâm canh cao bị giới hạn do áp lực tăng lượng thức ăn bên ngoài để thúc đẩy tăng trưởng của tôm cá.
3. Những loài thích hợp nuôi trong hệ thống biofloc
Yếu tố cơ bản trong việc thiết kế hệ thống biofloc là loài thủy sản sẽ được nuôi trong hệ thống này. Hệ thống biofloc hoạt động tốt nhất đối với những loài có thể sử dụng trực tiếp biofloc như nguồn dinh dưỡng từ các hạt biofloc. Hệ thống biofloc cũng phù hợp nhất đối với những loài có khả năng chịu đựng hàm lượng chất rắn lơ lửng cao trong nước và điều kiện môi trường xấu. Các loài như tôm và cá rô phi có những đặc điểm sinh lý học phù hợp cho phép chúng tiêu hóa protein từ vi khuẩn và sử dụng các hạt biofloc như là một nguồn thức ăn. Hầu hết các hệ thống biofloc đều nuôi tôm, cá rô phi hoặc cá chép. Cá da trơn (channel catfish) và cá vượt lai (hybrid striped bass) là ví dụ cho những loài không phù hợp với hệ thống biofloc vì chúng không thể chịu đựng được điều kiện môi trường có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao và không thể lọc được các hạt biofloc trong nước.
4. Các loại hệ thống biofloc cơ bản
Một vài hệ thống biofloc được sử dụng trong sản xuất thương mại hoặc được dùng trong nghiên cứu. Hai hệ thống cơ bản là có sử dụng hoặc tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên và không dùng ánh sáng tự nhiên. Hệ thống biofloc tiếp xúc với ảnh sáng tự nhiên bao gồm nuôi ngoài trời (outdoor), ao lót bạt hoặc nuôi trong bể để nuôi tôm hoặc cá rô phi và hệ thống nuôi nước chảy (raceway) đối với tôm trong nhà kính (greenhouse). Một hổn hợp phức tạp trong hoạt động của tảo và vi khuẩn diễn ra trong môi trường được gọi là hệ thống biofloc nước xanh (greenwater biofloc system) để kiểm soát chất lượng nước.
Tuy nhiên, một vài hệ thống biofloc (raceway hay bể nuôi) được xây dựng trong một tòa nhà kín và không tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên. Những hệ thống này gọi là hệ thống biofloc “nước nâu” (brown – water). Trong hệ thống này chỉ có vi khuẩn tham gia vào quá trình kiểm soát chất lượng nước.
5. Khuấy trộn và sụt khí
Khuấy trộn trong nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc là điều bắt buộc. Chất rắn phải được giữ ở trạng thái lơ lửng trong cột nước liên tục 24/24 giờ nếu không hệ thống sẽ không thể phát huy tác dụng. Không khuấy đảo, biofloc sẽ lắng xuống đáy và nhanh chóng tiêu thụ lượng oxy lớn trong hệ thống. Các khu vực yếm khí hình thành trong hệ thống nuôi làm cho hàm lượng các khí độc như H2S, NH4 và NH3 tăng cao gây độc cho tôm cá. Chất rắn có thể được loại bỏ bằng cách xả nước định kỳ hoặc bơm hút bùn từ trung tâm hệ thống. Khuấy trộn dễ thực hiện trong hệ thống nuôi nhỏ hay hệ thống reaceway, tuy nhiên rất khó thực hiện trong ao nuôi ngoài trời có diện tích lớn. Xáo trộn nước cũng gây khó khăn cho việc bắt mồi của tôm cá trong ao.
So với nuôi trong ao hay hầu hết các hệ thống raceway, hệ thống nuôi biofloc có tỷ lệ tiêu hao oxy do hô hấp trong nước cao hơn do hàm lượng chất rắn cao. Trong ao nuôi thâm canh tôm với hệ thống raceway nước xanh, tỷ lệ tiêu hao oxy do hô hấp trong nước từ 2-2.5 mgO2/L/giờ, cũng có khi lên đến 6 mgO2/L/giờ. Chỉ số này chưa tính đến sự hô hấp của tôm cá, tổng cộng tỷ lệ tiêu hao oxy do hô hấp trong hệ thống này khoảng 5-8 mgO2/L/giờ. Tỷ lệ tiêu hao oxy do hô hấp trong hệ thống biofloc nước nâu thông thường khoảng 6 mgO2/L/giờ. Do đó, sự cần thiết để cung cấp và duy trì hàm lượng oxy hòa tan ở ngưỡng an toàn cho tôm cá thông qua quá trình sụt khí. Nhu cầu oxy cao cho thấy, hệ thống sẽ không hoạt động khi không cung cấp đủ oxy chỉ trong vòng 1 giờ. Sụt khi liên tục 24/24 giờ là bắt buộc trong hệ thống biofloc. Các phương pháp kiểm soát, cảnh báo và nguồn điện dự phòng để chạy hệ thống sụt khí phải luôn luôn sẵn sàng trong hệ thống nuôi theo biofloc.
Trong thực tế, quạt nước được dùng để cung cấp oxy và xáo trộn nước. Tuy nhiên, hệ thống quạt nước chỉ cung cấp oxy hiệu quả mà không thể xáo trộn nước ao tốt. Các thiết bị chỉ có chức năng làm xáo trộn nước ít khi được sử dụng. Trang bị các hệ thống sụt khí và xáo trộn nước khác nhau tùy thuộc vào từng hệ thống biofloc riêng biệt. Trong ao nuôi lót bạt hoặc bể, nhiều hệ thống quạt nước được bố trí khắp ao và khuấy trộn theo vòng tròn. Hệ thống nuôi tôm raceway trong nhà kính thường sử dụng các máy thổi khí (airlift pumps) đặt xung quanh bể raceway để sụt khí và tuần hoàn nước. Sụt khí khuếch tán (diffused aeration) có thể sử dụng trong các bể nhỏ. Các thiết bị tuần hoàn nước như quạt nước tốc độ chậm và bơm thổi khí cũng có thể được sử dụng.
Yêu cầu về năng lượng điện cho sụt khí và đảo nước của hệ thống biofloc vượt xa các hệ thống nuôi thông thường và hầu hết các hệ thống nuôi tuần hoàn. Hệ thống ao nuôi tôm sử dụng công nghệ biofloc cần cung cấp sụt khí với công suất khoảng 25-30 hp/ha, và trong một vài hệ thống nuôi thâm canh cá rô phi công suất cần thiết lên tới 100-150 hp/ha. Tỷ lệ sụt khí cao như thế không thể áp dụng cho các ao đất không lót bạt vì sẽ gây nên xói mòn đất, do đó hầu hết các ao nuôi theo công nghệ biofloc đều có lót bạt. Công nghệ biofloc không khuyến cáo cho những khu vực nuôi có nguồn điện không ổn định và giá điện cao.
6. Ảnh hưởng của tỷ lệ cho ăn và sự chuyển đổi từ nước xanh sang biofloc
Những sự thay đổi theo thời gian trong hệ thống biofloc có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời có thể dự đoán được khi tỷ lệ cho ăn tăng lên (Bảng 2, Hình 2). Tại một thời điểm nào đó, hệ thống sẽ đột ngột chuyển đổi từ nước xanh của tảo chiếm ưu thế sang nước có màu nâu với mật số vi khuẩn cao. Sự chuyển đổi trình bày ở đây dựa trên điều kiện của hệ thống nuôi tôm thâm canh raceway trong nhà kính. Điều kiện để dẫn đến sự chuyển đổi từ nước xanh của tảo sang nước màu nâu của biofloc thì khác nhau giữa các hệ thống (ví dụ như nuôi trong ao, raceway, hay bể).
Hình 2: Chỉ số màu sắc của quần thể vi khuẩn (Microbial Community Color Index – MCCI) cho thấy sự chuyển hóa từ tảo chiếm ưu thế sang vi khuẩn chiếm ưu thế trong hệ thống nuôi khi gia tăng tỷ lệ cho ăn. Sự chuyển hóa từ tảo sang vi khuẩn xảy ra khi tỷ lệ cho ăn thức ăn từ 300-500 kg/ha/ngày, cho thấy chỉ số MCCI từ 1-1.2 (Số liệu từ D.E. Brune & K. Kirk).
Khi tỷ lệ cho ăn hàng ngày tăng từ 100-200 kg/ha (10-20 g/m2), nước sẽ có màu xanh với sự nở hoa của tảo. Sự hiện diện của tảo ở giai đoạn này là cơ chế chính trong sự kiểm soát ammonia. Công suất sụt khí cần thiết khoảng 25-30 hp/ha.
Khi tỷ lệ cho ăn hàng ngày khoảng 300 kg/ha, sẽ dẫn đến sự thiếu hụt ánh sáng cho quang hợp của tảo do mật độ của chúng quá dày đặc. Khi đó, vi khuẩn bắt đầu phát triển và biofloc cũng bắt đầu hình thành, cùng với đó là hàm lương chất rắn lơ lửng tăng lên khoảng 250-500 mg/L và tỷ lệ tiêu hao oxy do hô hấp tăng lên khoảng 6 mgO2/L/giờ. Giai đoạn này, cần tăng công suất sụt khí lên khoảng 5 lần từ 30 lên 150 hp/ha để cung cấp đủ nhu cầu oxy. Do dó, nhu cầu năng lượng cho sụt khí cũng tăng lên đáng kể để duy trì các hạt biofloc ở trạng thái lơ lửng. Mặc dù có những thay đổi này, nước vẫn tiếp tục xuất hiện màu xanh lá cây và hàm lượng oxy có hơi dư thừa nhưng không ảnh hưởng đến tôm.
Khi tỷ lệ cho ăn tăng lên khoảng 400-600 kg/ha/ngày, nước sẽ chuyển sang màu nâu. Và khi tỷ lệ cho ăn đạt 700 kg/ha/ngày, nước sẽ có màu nau với các hạt biofloc và hoàn toàn không còn tảo phát triển. Cung với sự gia tăng của tỷ lệ cho ăn, nhu cầu sụt khí cũng tăng lên (Bảng 2).
Bảng 2: Sự chuyển hóa từ nước xanh sang nước nâu của hệ thống biofloc do sự gia tăng tỷ lệ cho ăn. Ví dụ dưới đây mô tả những điều kiện của hệ thống nuôi tôm raceway. Các giá trị hô hấp của nước (tiêu hao oxy cho hô hấp trong nước) và quang hợp khác nhau tùy theo cấu trúc của hệ thống. Giá trị âm (-) chỉ sự tiêu hao oxy; giá trị dương (+) chỉ sự sản sinh ra oxy. Giá trị quang hợp thuần chỉ cường độ tiêu hao oxy hoặc sản sinh ra oxy thuần. (Số liệu trong Bảng này dựa trên kinh nghiệm thực tế trình bày bởi K. Kirk).
Việc chuyển đổi đôi khi rất khó để cảm nhận trực quan. Sự chuyển đổi từ nhu cầu oxy đầy đủ sang thiếu hụt trong khi nước nhìn vẫn có màu xanh lá cây. Sự chuyển đổi màu nước chuyển từ xanh của tảo chiếm ưu thế sang nâu của vi khuẩn trong biofloc đang diễn ra. Do đó, màu nước không thể đánh giá tình trạng của hệ thống nuôi. Khi tỷ lệ sụt khí cao, sự xuất hiện của một lượng lớn bọt khí là dấu hiệu tốt để xác định hệ thống đã chuyển sang biofloc.
(Còn nữa)
