[Tạp chí Người Nuôi Tôm] – Nghề nuôi tôm nước lợ mang lại nguồn thu nhập lớn cho những người nông dân. Tuy nhiên, với những phương thức canh tác hiện nay, người ta đang e ngại rằng nó sẽ ảnh hưởng tới sự bền vững lâu dài…

Trang trại nuôi tôm công nghệ cao 3 giai đoạn của ông Trần Văn Huỳnh, Cồn Xanh, xã Nam Điền, huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định

Các khái niệm bền vững về tái chế chất dinh dưỡng và giảm thiểu chất thải trong nuôi trồng thủy sản

Hệ thống aquaponic tuần hoàn thường được sử dụng để sản xuất động vật thủy sản và thực vật theo hướng bền vững. Trong RAS, nước thải nuôi trồng thủy sản được tái tuần hoàn thông qua một bộ lọc sinh học, nơi nó trải qua quá trình phân hủy vi sinh vật, để tiếp tục được sử dụng làm nguồn dinh dưỡng cho sự hấp thụ của thực vật trong hệ thống thủy canh tích hợp, và sau đó được tái chế trở lại hệ thống bể. Sử dụng thực vật ăn được để xử lý nước đồng thời tạo ra giá trị gia tăng. Việc sử dụng nước mặn trong aquaponics (tức là maraponics) là một khái niệm mới, và mặc dù các đặc tính của nước thải lợ hạn chế các loài thực vật có thể sử dụng, nhưng đã thu được những kết quả đầy hứa hẹn khi sử dụng các loại thực vật có tiềm năng thị trường. Để đạt được năng suất cao, nồng độ đầu ra của nước thải là 10 mg tổng nitơ/L và 0,3 mg phốt phát/L, cũng như bổ sung sắt và mangan. Vì tổng lượng nitơ và photphat hấp thụ thấp (10% – 60%), cần phải tích hợp các bước xử lý bổ sung, chẳng hạn như nitrat hóa và khử nitơ, để cho phép tuần hoàn nước.

Một chiến lược đầy hứa hẹn để tối đa hóa tiềm năng của RAS tích hợp là sử dụng rong biển trong xử lý sinh học nước thải. Trái ngược với hầu hết các loại rau thủy canh, rong câu chỉ Gracilaria lemaneiformis phát triển nhanh hơn thực vật bậc cao, phát triển mạnh trong điều kiện dinh dưỡng hạn chế. Trong các hệ thống thương mại, vi tảo và vi tảo phát triển trong kịch bản RAS sẽ tương thích với việc sử dụng nước thải lợ, tránh cần các bước khử muối.

Tiềm năng của một số loài vi tảo quang dưỡng trong việc kết hợp xử lý nước thải lợ cũng đã được đánh giá, nhằm mục đích sản xuất nhiên liệu sinh học có giá trị. Nannochloropsis sp., Dunaliella sp. và Tetraselmis sp. đã được chứng minh là hấp thụ hơn 90% nitơ (3,50–7,34 mg/L/ngày) và orthophosphat (0,78–1,49 mg/L/ngày), cũng như 80% hàm lượng C (10,17–20,11 mg/L/ngày) từ nước thải lợ tổng hợp có chứa nồng độ ban đầu là 45 mg-nitrat/L, 10 mg-nitrit/L, 30 mg-amoniac/L, 17 mg-orthophosphat/L và 270 mg-COD/L (Sacristán de Alva và cộng sự, 2018). Tetraselmis sp. đã mô tả năng suất sinh khối cao nhất (132,8 mg/L/ngày) và năng suất lipid (29,5 mg/L/ngày) trong số một số loài. Spirulina platensis được nuôi trong ao mương mở có thể loại bỏ 130 mg nitrat, 880 mg nitơ tổng, 120 mg photphat và 2,86 g-COD mỗi ngày từ nước thải sinh hoạt. Vi tảo chứa 26,65% (w/w) lipid và sinh khối còn lại được sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất biomethane.

Một lượng đáng kể bùn giàu dinh dưỡng được tạo ra trong RAS, thường được loại bỏ dưới dạng nước thải. Việc khoáng hóa các chất dinh dưỡng quý giá này và cung cấp chúng trong một hệ thống tích hợp là mối quan tâm chính. Các đơn vị khoáng hóa tại chỗ được biết là làm tăng tính khả thi về kinh tế của RAS do tái chế chất dinh dưỡng, đặc biệt là giảm chi phí liên quan đến việc cung cấp phốt phát cho sự phát triển của cây trồng. SCCA, chủ yếu là VFA, có thể tích tụ dưới giá trị pH thấp dưới dạng các sản phẩm trung gian của AD. Nếu quá trình tạo methanogenesis bị ngăn chặn, quá trình này thường được gọi là quá trình lên men tối (DF). VFAs là khối xây dựng hóa chất quan trọng với nhu cầu thị trường ngày càng tăng. Các VFA như axit axetic, axit propionic và axit butyric được biết là có tác dụng ức chế một số vi khuẩn gây bệnh và có thể được sử dụng để khử trùng nước thải, cũng như để kiểm soát sự lây nhiễm vi khuẩn Vibrio trong nuôi tôm. Mặc dù một lượng lớn VFA có thể được sản xuất thông qua AD của tảo biển, quy trình này thường tập trung vào sản xuất khí mêtan, có thể dẫn đến thời gian khấu hao dài 20 năm, khi không có trợ cấp cung cấp năng lượng. Do đó, việc thiết kế AD cho sản xuất VFA mang lại những cơ hội tích hợp và định giá thú vị cho RAS nước lợ, kết hợp việc sử dụng năng lượng và nguyên liệu của các dư lượng sinh học.

Các chiến lược dựa trên việc sử dụng bùn hạt đã thích nghi đã được chứng minh là làm giảm thời gian khởi động của thiết bị phân hủy xuống còn từ 2 đến 3 tuần. Sử dụng bùn hạt mặn và tốc độ tải hữu cơ tăng lên từng bước, sản lượng khí mêtan đã được nâng cao cùng với sự ổn định về hiệu suất trong bể phân hủy xử lý bùn từ nước lợ RAS​. Trong các nghiên cứu trước đây sử dụng Lactobacillus plantarum, sự khoáng hóa cao của các nguyên tố đa lượng và vi lượng đã được quan sát thấy trong điều kiện axit ở giá trị pH là 4,0, với sự hòa tan của 81,9% P, 92,2% Fe, 93,0% Zn và 96,4% Ca. Việc sử dụng các lò phản ứng phủ bùn kỵ khí dòng chảy ngược (UASBR) kết hợp với sản xuất khí sinh học đã được đề xuất như một giải pháp thay thế tiềm năng cho nước thải lợ, chủ yếu là do chi phí thấp, vận hành đơn giản, hiệu quả loại bỏ chất rắn cao (> 92%) và tiềm năng tích hợp sử dụng năng lượng. Nhìn chung, nó đã được chứng minh rằng hệ thống RAS-UASBR tích hợp dẫn đến sản xuất bùn tối thiểu, đồng thời cho phép tuần hoàn nước hơn 99%, hiệu suất tái chế phốt phát lên đến 300%, thu hồi dinh dưỡng bổ sung 50% và giảm năng lượng khi so với các hệ thống thông thường.

Triển vọng áp dụng một hệ thống tích hợp kết hợp quá trình lên men sẫm màu và canh tác đơn canh

Thiết kế của một bể phân hủy kỵ khí tối đa hóa khoáng chất dinh dưỡng và sản xuất VFA từ bùn nước lợ RAS ​​vẫn chưa được báo cáo trong các tài liệu hiện tại. Gần đây, DF đã được sử dụng để sản xuất nước thải giàu VFA từ nước thải rỉ đường. Hệ thống hai giai đoạn hiệp lực mạnh và hiệu quả trong hoạt động liên tục, và được chứng minh là thành công trong việc xử lý nước thải, thu hồi năng lượng thông qua sản xuất hydro. Hydro xanh được sản xuất bền vững có thể được lưu trữ bằng các phương pháp như bể áp lực, hydrua kim loại (ví dụ: magiê, nhôm), hydrua hóa học (ví dụ: amoniac, metanol, axit formic) hoặc chất mang hydro hữu cơ lỏng. Quá trình lên men sẫm màu dựa trên việc ngăn chặn quá trình tạo methanogenesis để tăng cường sản xuất hydro. Dựa trên DF của một số chất thải có thể phân hủy sinh học, người ta ước tính rằng 2/3 lượng carbon đầu vào được lên men thành VFA như axit axetic, propionic, butyric, isovaleric, valeric và caproic. Để thu hồi các hợp chất có giá trị này từ phần lỏng của chất phân hủy, có thể sử dụng các phương pháp dựa trên màng như vi lọc, lọc nano, thẩm thấu qua màng và thẩm tách bằng điện, và các phương pháp không dựa trên màng như tách, hấp phụ và chiết dung môi.

Sản xuất axit béo dễ bay hơi thông qua DF nhạy cảm với một số yếu tố hoạt động, cụ thể là chất nền, giá trị pH, nhiệt độ, tốc độ tải hữu cơ và thời gian lưu, thường mô tả tác động tổng hợp đối với quần thể vi sinh vật. Các điều kiện hoạt động tốt nhất để sản xuất VFA từ chất thải thực phẩm đã được đánh giá và nhiệt độ ưa nhiệt, giá trị pH trong khoảng từ 6,0 đến 7,0 và thời gian lưu giữ hoặc dưới 10 ngày. Tuy nhiên, các điều kiện tối ưu để tăng cường sản xuất VFA phụ thuộc vào chất nền được sử dụng, vì điều này ảnh hưởng mạnh mẽ đến các con đường trao đổi chất được điều chỉnh. Khi sử dụng bùn từ ao nuôi, hệ vi sinh vật cũng bị ảnh hưởng bởi các vi sinh vật trong phân sinh ra từ phân tôm. Sự thay đổi liên quan đến cơ chất và sự liên kết của vi sinh vật ảnh hưởng đến thành phần và nồng độ VFA; do đó, nó được coi là một nút thắt lớn đối với ứng dụng quy mô lớn. Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng của chất nền lên hệ vi sinh vật trong DF và các tương tác của nó với sản xuất VFAs có ý nghĩa rất lớn.

Phân đoạn sinh học là một chiến lược đầy hứa hẹn được sử dụng trong các hệ thống kỵ khí để cải thiện việc sản xuất các hợp chất cụ thể hoặc để ngăn chặn sự ức chế vi sinh vật gây ra bởi sự tích tụ sản phẩm, có thể đạt được bằng cách sử dụng các mẫu cấy đã được điều chỉnh trước. Chiến lược này đã được sử dụng thành công để tăng cường sản xuất VFA, làm tăng hiệu giá axit butyric và axit caproic lần lượt lên 1,4 lần và 3 lần. Bùn làm giàu VFA có thể được tách ra khỏi chất rắn (ví dụ: sử dụng máy ép trục vít và chưng cất một giai đoạn) và tiếp tục được áp dụng làm nguyên liệu cho việc nuôi cấy vi tảo dị dưỡng làm giàu PUFA. Phần chất rắn còn lại có thể dùng để sử dụng toàn bộ AD và năng lượng. Nước thải giàu axit được sử dụng làm thức ăn cho nuôi trồng tảo hỗn hợp. Hỗn hợp axit cacboxylic tổng hợp đã được áp dụng cũng như axit từ quá trình lên men. Sản lượng lipid tương tự hoặc thậm chí cao hơn thu được từ nước thải lên men, điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng chung của một khái niệm quy trình sinh học nuôi cấy đơn khí kỵ khí kết hợp như vậy – hỗn hợp axit từ DF đạt được sản lượng lipid (liên quan đến sinh khối khô) là 26% (w/w) so với hỗn hợp axit axetic, butyric và axit propionic với hiệu suất lipid là 23% (w/w). Sự phát triển dị dưỡng trên axit của hai loài Chlorella sản xuất lipid trên các sản phẩm cuối cùng lên men, trong trường hợp này là axit axetic, butyric và axit lactic đã được nghiên cứu. Các protothecoides Chlorella sorokiniana và Auxenochlorella đồng hóa hiệu quả axit axetic và axit butyric với sản lượng từ 0,4 đến 0,5 g-DW/ g cơ chất. Việc loại bỏ axit butyric bắt đầu sau khi cạn kiệt hoàn toàn axit axetic. Một số nghiên cứu đã được thực hiện để điều tra việc xử lý nước thải, trong khi tảo đồng hóa carbon, cũng như các nguồn nitơ và phosphor. Sự tích tụ lipid cùng với sự phát triển sinh khối thể hiện sản lượng lipid từ 4% đến 30% (w/w).

Khái niệm tích hợp được trình bày ở đây bao gồm một số thông số, cần được điều tra trước khi thực hiện, cụ thể là việc đánh giá các dòng chất thải nuôi trồng thủy sản và thủy sản làm chất nền cho AD, cũng như việc sử dụng SCCA do DF sản xuất cho thức ăn vi tảo bao gồm tất cả các bước cần thiết cho một quá trình khớp nối hiệu quả và mạnh mẽ. Cuối cùng, yêu cầu về thiết bị và trình độ của nhân viên để làm việc với hệ thống này cao hơn nhiều so với nhu cầu đối với hệ thống nuôi trồng thủy sản thông thường, dẫn đến chi phí đầu tư và vận hành cao. Tuy nhiên, chi phí cao của các thành phần thức ăn cho cá và nâng cao nhận thức về biến đổi khí hậu, các vấn đề sử dụng nước và đất có thể dẫn đến sự phát triển kỹ thuật nhanh chóng của các khái niệm tổng hợp trong nuôi tôm nước lợ.

Chinh Lê

Khoa Thủy sản, Học viện Nông Nghiệp Việt Nam

Đón đọc phần 1 bài viết tại link sau: http://nguoinuoitom.vn/quan-diem-cai-thien-hinh-thuc-kinh-te-tuan-hoan-trong-nuoi-tom-nuoc-lo-phan-1/