Nguyên lý và kỹ thuật nuôi tôm cá theo công nghệ Biofloc

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 sục 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 hỗn hợp của tảo, vi khuẩn, động vật nguyên sinh (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 thực 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 sục 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. Sục khí 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 sục 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 sục khí và tuần hoàn nước. Sục 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 sục 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 sục 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 sục 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 lượng 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 sục 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 sục 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 nâu với các hạt biofloc và hoàn toàn không còn tảo phát triển. Cung với sự gia tăng của tỷ lệ cho ăn, nhu cầu sục 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.

7. Động thái của ammonia

Điều quan trọng trong quản lý hệ thống nuôi trồng thủy sản là duy trì hàm lượng ammonia dưới mức gây độc cho tôm cá. Trong hệ thống biofloc, có 3 quá trình chính trong kiểm soát hàm lượng ammonia: sự hấp thu của tảo, sự đồng hóa của vi khuẩn và quá trình nitrate hóa. Sự chuyển đổi và động thái của ammonia trong hệ thống biofloc rất phức tạp, nó liên quan đến tảo và vi khuẩn trong sự cạnh tranh ammonia. Mỗi quá trình có mối liên hệ mật thiết với nhau và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tỷ lệ cho ăn hàng ngày, nồng độ chất rắn lơ lửng (biofloc), nồng độ ammonia, cường độ ánh sáng và tỷ lệ carbon : nitơ (C:N) bổ sung.

a. Sự tiêu thụ của tảo

Trong hệ thống biofloc có tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, tảo sẽ nhanh chóng phát triển và “nở hoa” do nguồn dinh dưỡng dồi dào từ thức ăn. Dinh dưỡng phân hủy từ các hợp chất hữu cơ (bao gồm xác tảo chết, phân tôm cá và thức ăn thừa) sẽ nhanh chóng được hấp thu và tích lũy trong tế bào tảo. Mức độ hấp thu dinh dưỡng của tảo trong hệ thống biofloc chịu ảnh hưởng rất lớn bởi cường độ ánh sáng. Trong những hệ thống biofloc mà tỷ lệ tảo cao có thể gây nên những vấn đề về ammonia trong những ngày thời tiết âm u do tảo bị hạn chế quang hợp và có thể bị lụi tàn. Sự biến động nồng độ oxy hòa tan và pH mặc dù được sục khí mạnh là một đặc điểm của hệ thống biofloc với sự hoạt động của tảo chiếm ưu thế. Một cách tổng quát, khi tỷ lệ cho ăn dưới 300 kg/ha (30 g/m2), hoạt động của tảo là yếu tố chính trong kiểm soát chất lượng nước.

b. Sự đồng hóa của vi khuẩn

Rất nhiều tên gọi trước đây của hệ thống biofloc bao gồm từ “dị dưỡng” (heterotrophic), để mô tả một nhóm vi khuẩn sử dụng carbon từ nguồn hữu cơ. Mặc dù số lượng lớn thức ăn được cung cấp cho tôm cá trong hệ thống nuôi thâm canh nhưng sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng trong hệ thống biofloc vẫn bị giới hạn bởi sự thiếu hụt hàm lượng carbon hữu cơ hòa tan. Để kích thích quần thể vi khuẩn dị dưỡng phát triển trong hệ thống biofloc, tỷ lệ C:N bổ sung được tăng lên bằng cách bổ sung nguồn carbohydrate hoặc giảm hàm lượng protein trong thức ăn. Bằng các thao tác này sẽ kích thích quần thể vi khuẩn dị dưỡng phát triển và sử dụng nitrogen (cũng như là ammonia), vì carbon hữu cơ và nitrogen vô cơ thường được sử dụng bởi vi khuẩn theo một tỷ lệ cố định cần thiết cho sự tổng hợp tế bào vi khuẩn. Hơn nữa, ammonia có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung carbon hữu cơ để kích thích sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng.

Một cách tương tự, trong khi ammonia được “cố định” trong tảo thì ammonia lại được “đóng gói” trong tế bào vi khuẩn dị dưỡng ở dạng protein. Bởi vì sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng tốt hơn rất nhiều so với vi khuẩn nitrate hóa, ammonia được kiểm soát bởi vi khuẩn dị dưỡng xảy ra nhanh chóng, thường chỉ vài giờ hay vài ngày nếu cung cấp đủ lượng cacbon hữu cơ đơn giản (như đường hoặc tinh bột). Sự “đóng gói” nitrogen trong tế bào vi khuẩn chỉ là tạm thời, bởi vì khi bị phân hủy chúng nhanh chóng chuyển thành các dạng nitrogen như là ammonia. Các tế bào vi khuẩn này cũng bị tiêu thụ bởi tôm cá hoặc bị loại bỏ khi siphon chất rắn trong ao. Cũng giống như nitrogen tích lũy trong tảo, nguồn protein từ vi khuẩn dị dưỡng trong các hạt biofloc như là một nguồn dinh dưỡng bổ sung cho tôm cá nuôi.

c. Quá trình nitrate hóa

Hai bước trong oxy hóa ammonia thành nitrate được gọi là quá trình nitrate hóa. Vi khuẩn sẽ chuyển hóa nitrogen dạng độc (ammonia) thành dạng nitrogen chỉ gây độc khi hàm lượng cao (nitrate). Theo thời gian, nitrate tích lũy trong hệ thống biofloc có tỷ lệ trao đổi nước thấp. Ngược lại với quá trình chuyển hóa ammonia nhanh chóng ở tảo hay sự đồng hóa ở vi khuẩn, quá trình nitrate hóa chịu trách nhiệm về dài hạn, chúng chuyển hóa một lượng lớn (25-30%) nitrogen từ thức ăn trong hệ thống nuôi thâm canh dùng công nghệ biofloc.

Để hiểu đơn giản các động thái của nitrogen trong hệ thống biofloc trao đổi nước thấp: Chất thải nitrogen liên tục quay vòng giữa ammonia hòa tan và dạng chất rắn của tảo hoặc vi khuẩn. Nếu chất rắn được loại bỏ, một phần đáng kể lượng nitrogen thêm vào có thể được đưa ra khỏi hệ thống. Nếu chất rắn không được loại bỏ, một phần lớn của nitrogen (như amoniac) cuối cùng được oxy hóa thành nitrate và tích tụ trong ao.

8. Chiến lược quản lý để kiểm soát ammonia trong hệ thống biofloc

a. Cân bằng tỷ lệ C:N

Trong hệ thống biofloc, yếu tố quan trọng trong kiểm soát ammonia là tỷ lệ C:N thêm vào thông qua thức ăn hay các nguồn khác. Một loại thức ăn có hàm lượng protein khoảng 30-35% có tỷ lệ C:N tương ứng thấp, chỉ khoảng 9-10:1. Gia tăng tỷ lệ C:N thêm vào khoảng 12-15:1 để kiểm soát hàm lượng ammonia thông qua các vi sinh vật dị dưỡng. Tỷ lệ C:N thấp có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung các nguồn nguyên liệu có tỷ lệ C:N cao hoặc gia tăng tỷ lệ C:N bằng cách dùng thức ăn có hàm lượng protein thấp. Ammonia được hấp thụ nhanh chóng bởi vi khuẩn sau khi bổ sung carbohydrate. Kiểm soát ammonia bằng vi khuẩn dị dưỡng thường ổn định và bền vững hơn so với tảo hay quá trình tritrate hóa.

Bảng 3: Tỷ lệ C:N của một số loại thức ăn

Có rất nhiều nguồn nguyên vật liệu có thể dùng để cung cấp carbohydrate vào hệ thống biofloc, bao gồm bột ngũ cốc, mật đường, bã mía, cỏ khô băm nhỏ (chopped hay) hay các nguồn khác. Nguồn carbohydrate phải có giá rẻ, dễ tìm và sẵn có. Nguồn chất hữu cơ bổ sung phân hủy nhanh và dễ dàng là tốt nhất. Vi khuẩn dị dưỡng trong hệ thống biofloc có thể phân hủy vật chất hữu cơ đơn giản một cách nhanh chóng, chỉ trong vài phút đến vài giờ. Carbohydrate đơn giản như đường (sucrose hay dextrose) hoặc tinh bột sẽ có tác dụng nhanh nhất. Nguồn carbon tốt nhất trong giai đoạn đầu của chu kỳ nuôi là đường đơn giản.

Để kiểm soát nồng độ ammonia thông qua con đường vi khuẩn dị dưỡng, carbohydrate bổ sung phải thực hiện theo tỷ lệ cho ăn. Đối với mỗi kg thức ăn có hàm lượng protein 30-38% thêm vào hệ thống, cần cung cấp 0.5-1 kg carbohydrate như là đường.

Lượng carbohydrate cần bổ sung nhiều hơn khi thức ăn có hàm lượng protein cao hơn để kiểm soát hàm lượng ammonia theo cách này. Tỷ lệ bổ sung carbohydrate giảm xuống khi ammonia được loại bỏ theo một con đường khác, chẳng hạn như siphon để loại bỏ các chất hữu cơ tích tụ ở đáy ao.

Có một số mặt hạn chế khi tiếp tục bổ sung carbon hữu cơ để kiểm soát ammonia, vì chúng có thể tích lũy một lượng chất rắn (có chứa vi khuẩn) lớn trong ao. Nếu như không kiểm soát lượng chất rắn này, chúng có thể gây ảnh hưởng đến mang tôm và gây cản trở quá trình trao đổi khí ở mang. Ngoài ra, lượng oxy hòa tan cũng cần cung cấp nhiều hơn cho quá trình hô hấp diễn ra trong ao, từ đó nhu cầu năng lượng cũng tăng lên để duy trì trạng thái lơ lửng của chất rắn trong ao. Đồng thời các hoạt động để loại bỏ, xử lý chất rắn tích tụ trong ao cũng phải được triển khai thực hiện.

Bổ sung carbon liên tục là cần thiết để kiểm soát ammonia với cách tiếp cận này. Nếu muốn dừng bổ sung carbon, phải thực hiện quá trình này một cách từ từ giống như cai sữa cho em bé vậy. Dừng bổ sung carbon đột ngột trước khi quá trình nitrate hóa diễn ra sẽ làm cho chất lượng nước không ổn định và có khả năng làm gia tăng đột biến hàm lượng ammonia hoặc nitrite gây độc cho tôm. Sau khi dừng bổ sung carbon, quá trình kiểm soát ammonia sẽ chuyển sang quá trình nitrate hóa trong hệ thống nuôi siêu thâm canh sử dụng công nghệ biofloc.

b. Thúc đẩy quá trình nitrate hóa

Ngược lại với phương pháp dùng vi khuẩn dị dưỡng để kiểm soát ammonia, cách tiếp cận này không cần cung cấp carbohydrate hoặc xem xét tỷ lệ C:N thêm vào hệ thống. Cách tiếp cận này sử dụng vi khuẩn nitrate hóa để kiểm soát ammonia. Một hệ thống biofloc được khuấy trộn tốt và không bổ sung carbohydrate có xu hướng kiểm soát ammonia theo cơ chế tự nhiên này.

Một trong những bất lợi của phương pháp tiếp cận này là làm giảm độ kiềm do quá trình nitrate hóa. Cả ba quá trình kiểm soát ammonia trong công nghệ biofloc đều làm giảm độ kiềm, nhưng quá trình nitrate hóa là gây giảm độ kiềm nhiều nhất. Quá trình phản nitrate hóa có thể sử dụng để phục hồi sự sụt gảm độ kiềm, nhưng nó làm tăng chi phí sản xuất. Bón vôi là biện pháp thích hợp để quản lý hệ thống biofloc sử dụng cách tiếp cận này để kiểm soát hàm lượng ammonia.

9. Quản lý hệ thống ở giai đoạn đầu

Ở giai đoạn đầu, chất lượng nước trong hệ thống biofloc thay đổi giống như trong hệ thống tuần hoàn. Đặc điểm của giai đoạn đầu là sự gia tăng đến đỉnh điểm nồng độ ammonia sau đó là nitrite do sự phát triển khác nhau của quần thể vi khuẩn. Nếu như tỷ lệ cho ăn tăng quá nhanh, nồng độ ammonia, đặc biệt là nitrite có thể tăng cao đỉnh điểm và chúng có thể gây độc, hoặc ảnh hưởng đến tăng trưởng, hệ số chuyển đổi thức ăn, khả năng đề kháng bệnh hoặc trong một vài trường hợp có thể làm giảm tỷ lệ sống của tôm cá.

Quá trình diễn ra ở giai đoạn đầu trong hệ thống phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm nhiệt độ, tỷ lệ cho ăn, bổ sung đúng loại và số lượng vi sinh vật trước khi thả giống. Không có một qui trình chuẩn cho công nghệ biofloc và sự kiểm soát các yếu tố cũng như quản lý hệ thống phụ thuộc rất lớn vào kinh nghiệm của mỗi người. Vi khuẩn nitrate hóa có thể phát triển độc lập trong hệ thống với nồng độ cao và duy trì chúng đến trước khi thả giống. Bổ sung bùn đáy ao hay nước từ các ao đang nuôi hoặc của vụ trước cũng là một cách làm hiệu quả để bổ sung vi sinh vật có ích cho bể hoặc ao nuôi mới. Tuy nhiên, nó có thể gây nên các lo ngại về vấn đề an toàn sinh học vì mầm bệnh có thể theo đó truyền vào bể hoặc ao nuôi mới.

Có thể tránh hoặc tối ưu hàm lượng ammonia hoặc nitrite tăng cao trong giai đoạn đầu bằng cách bổ sung carbohydrate. Để trung hòa 1 mg/L ammonia, cần bổ sung 15-20 mg/L đường. Bổ sung carbohydrate để làm giảm hàm lượng ammonia có thể kéo dài trong thời gian cần thiết cho đến khi hệ thống ổn định. Khi hệ thống đã hoạt động ổn định, bổ sung carbohydrate tùy theo nhu cầu bởi vì khi đó vi khuẩn nitrate hóa đã có thể duy trì hàm lượng ammonia và nitrite an toàn cho tôm cá. Carbohydrate có thể bổ sung khi cần thiết trong suốt quá trình nuôi, ví dụ: như khi hàm lượng ammonia tăng cao.

10. Quản lý chất rắn

Trong hệ thống biofloc, chất thải rắn sẽ được tích lũy và tăng lên do quá trình sục khí mạnh cộng với lượng bổ sung từ carbohydrate. Sau một thời gian, lượng chất rắn có thể tích lũy lên đến 2000-3000 mg/L. Chất rắn lơ lửng trong hệ thống biofloc thường được kiểm soát ở nồng độ nhỏ hơn 1000 mg/L, thông thường là dưới 500 mg/L. Nồng độ chất rắn lơ lửng từ 200-500 mg/L là tốt nhất cho hệ thống biofloc và nó sẽ kiểm soát hiệu quả hàm lượng NH3 trong ao nuôi. Tôm bắt mồi tốt nhất khi nồng độ chất rắn lơ lửng khoảng 100-300 mg/L đối với hệ thống raceway dùng công nghệ biofloc.

Bình Imhoff hay bình lắng hình nón là một thiết bị đơn giản để đo hàm lượng chất rắn lơ lửng (Hình 3). Thiết bị đơn giản này là một cái bình, thường được làm bằng nhựa có hình nón úp ngược, bên ngoài có thang chia vạch, chúng thường được dùng để kiểm tra hàm lượng chất rắn lơ lửng bằng cách cho lắng 1 lít nước từ hệ thống nuôi. Nước sau khi cho vào bình được để lắng khoảng 20-30 phút, sau đó ghi nhận thể tích chất rắn lắng xuống đáy bình. Ngoài ra, người ta còn dùng thước đo độ đục (turbidity meter) để đo hàm lượng chất rắn lở lửng.

Hình 3: Bình hình nón Imhoff để đo hàm lượng biofloc sau khi để lắng 10-20 phút. Hình này cho thấy hàm lượng biofloc sau khi lắng là 10-15 ml/L ở ao nuôi tôm và 25-50 ml/L đối với ao nuôi cá rô phi.

Duy trì hàm lượng chất rắn từ 25-50 ml/L (đo bằng bình Imhoff) là tốt nhất đối với hệ thống nuôi cá rô phi dùng công nghệ biofloc. Trong ao nuôi tôm có lót bạt dùng công nghệ biofloc, hàm lượng chất rắn thích hợp là 10-15 ml/L. Độ đục được khuyến cáo trong hệ thống biofloc là 75-150 NTU (Nephelometric Turbidity Units).

Nồng độ chất rắn trong hệ thống biofloc được quản lý sao cho cân bằng giữa chức năng lọc sinh học (để kiểm soát ammonia) và nhu cầu oxy của ao (nhu cầu oxy sẽ tăng khi hàm lượng chất rắn tăng). Nói cách khác, chúng ta phải quản lý sao cho hàm lượng chất rắn thấp nhất nhưng vẫn phải đảm bảo được chức năng lọc sinh học của biofloc mà không làm gia tăng nhu cầu sục khí và đảo trộn nước. Quản lý hệ thống nuôi tốt trong việc cân bằng mối quan hệ giữa duy trì hàm lượng chất rắn lơ lửng sẽ tránh được nguy cơ giảm hàm lượng oxy hòa tan đột ngột. Duy trì hàm lượng chất rắn lơ lửng thấp cũng cho phép quá trình quang hợp của tảo diễn ra và cung cấp một phần oxy hòa tan cho hệ thống.

Một trong những phương pháp đơn giản để loại bỏ chất rắn trong hệ thống biofloc là sử dụng bể lắng để kiểm soát chất rắn. Một bể lắng theo nguyên tắt trọng lực đơn giản có thể được sử dụng để kiểm soát hàm lượng chất rắn trong hệ thống nuôi siêu thâm canh có tỷ lệ cho ăn cao sử dụng công nghệ biofloc. Bể lắng có thể được sử dụng khi hàm lượng chất rắn đo bằng bình Imhoff vượt quá ngưỡng thích hợp cho hệ thống nuôi. Một cách khác là bể lắng có thể được sử dụng liên tục trong quá trình nuôi nếu như sử dụng bể lắng có thể tích nhỏ. Thông thường, bể lắng chiếm 1-5% thể tích của hệ thống nuôi và tốc độ dòng chảy với thời gian lắng khoảng 20-30 phút là có hiệu quả nhất trong việc lắng tụ hầu hết các chất rắn có trọng lượng lớn.

Bể lắng rất dễ sử dụng và hiệu quả trong việc loại bỏ các chất rắn. Tuy nhiên, sử dụng bể lắng chỉ có thể lắng các chất rắn có kích thước lớn (nặng), các chất rắn có kích thước nhỏ có thể được loại bỏ cùng với các bọt nước trong ao. Trong thực tế, chúng ta không quản lý được kích thước của chất rắn mà chỉ giới hạn trong việc kiểm soát thời gian tồn lưu của chúng trong hệ thống.

11. Quản lý độ kiềm 

Độ kiềm là khả năng đệm của nước để chống lại sự biến động của pH do sự thay đổi của các chất có tính acid hoặc base trong nước. Độ kiềm trong hệ thống biofloc phải được duy trì ở mức cao vì nó liên tục bị tiêu hao bởi các phản ứng sinh acid thêm vào nước. Các hoạt động của vi khuẩn nitrate hóa là nguyên nhân chính gây giảm độ kiềm trong hệ thống nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc. Theo thời gian, quá trình nitrate hóa làm cho độ kiềm giảm thấp trong nước. Khi độ kiềm giảm thấp, đồng nghĩa với việc pH cũng sẽ thấp trong ao làm ức chế hoạt động của vi khuẩn, trong đó có vi khuẩn nitrate hóa. Trong trường hợp này, sự tích lũy ammonia sẽ tăng cao do chất thải của tôm cá và thức ăn thừa không được vi khuẩn xử lý. Điều này làm giảm tỷ lệ cho ăn, hiệu quả sử dụng thức ăn và giảm năng suất.

Độ kiềm phải được giữ ổn định trong khoảng 100-150 mg/L CaCO3 bằng cách bổ sung natri bicarbonate (NaHCO3) thường xuyên. Những hóa chất khác để nâng độ kiềm thường không phù hợp. Các chất kiềm (ví dụ như calcium hydroxide – Ca(OH)2) có thể được sử dụng liên tục theo liều lượng phù hợp trong hệ thống. Trong hệ thống nuôi thâm canh dùng công nghệ biofloc với quá trình nitrate hóa chiếm ưu thế (sử dụng vi khuẩn dị dưỡng để kiếm soát ammonia), mỗi kg thức ăn thêm vào cần bổ sung 0.25 kg natri bicarbonate để duy trì độ kiềm trong hệ thống nuôi. Do đó, phải thường xuyên bổ sung natri bicarbonate để duy trì độ kiềm phù hợp cho hệ thống biofloc. Điều này cực kỳ quan trọng trong việc quản lý hệ thống biofloc.

12. Phản nitrate hóa và xử lý bùn đáy 

Độ kiềm có thể tăng lên nhờ vào quá trình phản nitrate hóa. Nitrate được tích lũy trong hầu hết các hệ thống nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc do quá trình nitrate hóa. Nếu không được kiểm soát, nồng độ nitrate sẽ tích lũy ngày càng nhiều cùng với sự gia tăng tỷ lệ cho ăn. Sự tích lũy nitrate có thể được kiểm soát bằng cách thay nước, nhưng điều này gây nên các mối nguy về an toàn sinh học và không phải là mục tiêu của công nghệ biofloc hướng đến.

Phản nitrate hóa được sử dụng như là một phần của việc bảo vệ nguồn nước và đảm bảo an toàn sinh học. Điều này thực sự cần thiết cho các hệ thống nuôi tôm biển siêu thâm canh, đặc biệt là ở những khu vực nội đồng, xa nguồn nước biển.

Quá trình phản nitrate hóa diễn ra trong điều kiện tĩnh và thiếu oxy. Chất rắn có thể được gom và lắng tụ ở một góc của hệ thống. Một dòng chảy chậm cho phép chất rắn lắng tụ và giữ lại trong khoảng 1-2 ngày là đủ thời gian cho quá trình phản nitrate hóa diễn ra và có thể kiểm soát được nồng độ nitrate. Tích tụ các chất rắn sẽ đạt đến một trạng thái ổn định. Trong điều kiện thiếu oxy, một nguồn cung ổn định của nitrate sẽ hoạt động như là một chất oxy hóa sẽ liên tục oxy hóa chất hữu cơ, mặc dù một số chất hữu cơ đơn giản như đường có thể cần thiết để thúc đẩy quá trình này diễn ra nhanh hơn. Bicarbonate (HCO3-) được sinh ra bởi vi khuẩn như là một sản phẩm phụ trong quá trình này. Do đó, độ kiềm bị giảm sút do quá trình nitrate hóa có thể được phục hồi nhờ vào quá trình phản nitrate hóa.

Nguồn nước nuôi trồng có thể bảo tồn bằng cách sử dụng một loạt các phản ứng theo trình tự để giảm khối lượng bùn đáy ao và phần lớn lượng chất rắn thải ra từ các hệ thống nuôi trồng thủy sản. Trình tự cụ thể các bước là:

– Làm đầy: Khối lượng bùn/chất rắn thu được từ bể lắng được cho vào bể phản ứng (hệ thống bể phản ứng kín hoạt động tốt hơn nhưng nó không thật sự cần thiết, tất cả các loại bể hay bình đều có thể sử dụng được).
– Phản ứng: Các chất rắn và biofloc được khuấy trộn mạnh và sụt khí từ 12-24 giờ để thúc đẩy quá trình phân hủy chất rắn.
– Lắng: Dừng quá trình sục khí và khuấy trộn. Phần lớn chất rắn sẽ nhanh chóng lắng xuống trong vòng 2-3 giờ.
– Thu hồi: Nước sạch sau khi lắng được sử dụng và cấp lại cho hệ thống biofloc.

Trình tự này được lặp lại mỗi khi thu được lượng chất rắn cần thiết. Cần lưu ý là khi nước có mùi trừng thối, cho thấy hàm lượng hydro sulfide (H2S) cao thì không được cấp trực tiếp vào hệ thống nuôi mà phải sụt khí mạnh để loại bỏ H2S. Tốt nhất là nên kiểm tra hàm lượng H2S ở ngưỡng an toàn trước khi cấp vào hệ thống nuôi.

13. Thông số kỹ thuật và hiệu suất của hệ thống biofloc

a. Hệ thống ao nuôi tôm công nghiệp có lót bạt 

Có rất nhiều nghiên cứu, phát triển hệ thống biofloc xuất phát từ Trung tâm Nuôi trồng hải sản Waddell (Waddel Mariculture Center) được áp dụng trong trang trại nuôi tôm thương phẩm Belize Aquaculture Limited vào giữa những năm 1990. Kể từ đó, công nghệ này được ứng dụng tại nhiều trang trại nuôi tôm ở Indonesia, Malaysia và Australia. Như đã nói ở trên, một động lực chính cho việc sử dụng công nghệ biofloc trong nuôi tôm là mối quan tâm về an toàn sinh học, đặc biệt là sự kiểm soát của virus đốm trắng (WSSV) và các bệnh virus khác.

Một cách tiếp cận cơ bản là sử dụng những ao nuôi tương đối nhỏ (0.5-1.5 ha) được lót đáy ao bằng nhựa HDPE có độ dày khoảng 30-40 mil (1 mil là một phần nghìn của một inch) và sục khí với công suất khoảng 28-32 hp/ha với hệ thống cánh quạt để duy trì trạng thái lơ lửng của các hạt biofloc. Theo một qui tắc, một mã lực (hp) của việc sục khí bằng hệ thống cánh quạt có thể cung cấp đủ nhu cầu cho khoảng 400-500 kg tôm. Vị trí của cách quạt rất quan trọng và phải bố trí tốt đảm bảo có thể tạo dòng chảy theo hình tròn để gom chất thải và tránh tạo nên những khu vực nước tĩnh trong ao. Hệ thống sục khí phải được điều chỉnh vị trí thường xuyên để tránh việc các chất rắn lơ lửng lắng xuống đáy và hình thành nên những vùng yếm khí có khả năng sinh khí độc.

Nồng độ biofloc khoảng 15 ml/L (đo bằng bình Imhoff) được duy trì bằng cách bổ sung bột ngũ cốc (khoảng 18% protein) và mật đường và duy trì tỷ lệ C:N lớn hơn 15:1. Khi sinh khối tôm đạt khoảng 10 tấn/ha, bùn đáy ao nên cần được loại bỏ ở khu vực giữa ao nếu có thể.

Tôm được thả nuôi với mật độ cao, khoảng 125-150 tôm post10/m2. Tỷ lệ cho ăn tối đa hàng ngày trước khi thu hoạch là 400-600 kg thức ăn/ha. Sau khoảng 90-120 ngày, năng suất đạt khoảng 20-25 tấn/ha/vụ với kích cỡ tôm kỳ vọng là 18-20 g/con, mặc dù năng suất thông thường đạt được là khoảng 15-20 tấn/ha (Bảng 4). Thậm chí năng suất có thể đạt tới 50 tấn/ha trong hệ thống nuôi thâm canh tôm sử dụng công nghệ biofloc với mật độ tôm là 280 con/m2. Năng suất này cao hơn nhiều so với nuôi tôm bán thâm canh trong ao chỉ đạt khoảng 4-8 tấn/ha.

Bảng 4: Tóm tắt các báo cáo về năng suất ước lượng của các hệ thống biofloc khác nhau. Để đơn giản, giả sử độ sâu của nước trong hệ thống nuôi là 1 m.

b. Hệ thống nuôi tôm raceway trong nhà kính

Dựa trên nền tảng kỹ thuật nuôi tôm trong ao lót bạt ngoài trời, các thành viên của Hiệp hội nuôi tôm biển Hoa Kỳ đã phát triển công nghệ nuôi tôm thâm canh raceway trong nhà kính tiêu chuẩn (dài 100 feet x 25 feet chiều rộng). Công nghệ này cho phép nuôi tôm ở vùng nội đồng để tiết kiệm chi phí đất đắt tiền ở khu vực ven biển và cả vùng ôn đới nếu đảm bảo cung cấp nhiệt độ thích hợp. Hệ thống raceway cho thử nghiệm hoặc sản xuất giống (40-50 m3) và hệ thống nuôi thương mại (250-300 m3) được coi là tiêu chuẩn.

Hệ thống raceway thường nông, chỉ khoảng 50-100 cm và có vách ngăn ở trung tâm hoặc theo phân vùng để cải thiện sự lưu thông nước trong hệ thống. Chuyển động của nước được cung cấp bởi các máy bơm khí được bố trí sao cho không khí thổi từ dưới đáy lên bề mặt bể hoặc máy bơm bơm nước được thiết kế để vừa tạo dòng chảy và cung cấp khí thông qua vòi phun. Dòng nước di chuyển dọc theo bể theo một hướng và một dòng chảy đối xứng ở phía bên kia của vách ngăn của bể. Raceway cũng có một mạng lưới sụt khí khuếch tán để duy trì trạng thái lơ lửng của các hạt biofloc. Khi mật độ tôm cao hay sinh khối trong bể lớn, oxy có thể được cung cấp thêm trong một thời gian ngắn sau khi cho tôm ăn hoặc sục khí liên tục nếu cần thiết.

Hàm lượng chất rắn biofloc được kiểm soát bằng bể lắng. Bể lắng có thể tích dưới 5% thể tích của hệ thống nuôi. Một số hệ thống còn có thêm bộ chưng cất phân đoạn để loại bỏ các hạt chất rắn có kích thước nhỏ và bọt không thể lắng xuống bể lắng. Hệ thống này hoạt động tốt với hàm lượng chất rắn từ 10-15 ml/L; tuy nhiên tôm bắt mồi tốt nhất khi hàm lượng chất rắn dưới khoảng này 10-15 ml/L.

Tôm giống sạch bệnh (SPF) được thả với mật độ 300-500 PL/m2 (có thể lên đến 750-1000 PL/m2). Năng suất thường đạt khoảng 3-7 kg/m2, có thể đạt 10 kg/m2 nếu bổ sung oxy tinh khiết (pure oxygen). Lượng nước sử dụng khoảng 200-400 L/kg tôm.

Bên cạnh dùng để nuôi tôm thương phẩm, công nghệ biofloc còn được dùng trong các hệ thống sản xuất giống thương mại. Kích thước nhỏ và độ sâu thấp của hệ thống raceway có nhiều đặc điểm phù hợp cho sản xuất giống. Điều quan trọng là hàm lượng dinh dưỡng trong các hạt biofloc phù hợp cho tôm giống hơn so với tôm có kích thước lớn.

c. Hệ thống nuôi tôm raceway trong nhà kính (Hệ thống Clemson)

Một phiên bản khác của hệ thống nuôi tôm dùng công nghệ biofloc trong nhà kính được phát triển bởi trường Đại học Clemson, thường được gọi là hệ thống Clemson. Hệ thống này bao gồm 3 bể nuôi tôm, mỗi bể 250 m2, có thể chứa 150 m3 nước.

Hàm lượng chất rắn được kiểm soát trong khoảng 200-500 mg/L (15-50 ml/L). Nước từ bể nuôi cho chảy qua bể lắng sơ cấp, bể này có thể sinh ra các khí độc do các chất thải từ bể nuôi. Quá trình phản nitrate hóa diễn ra và một phần độ kiềm của nước được phục hồi tại bể này. Nước sau đó cho chảy qua một bể có sục khí và nuôi cá rô phi để lọc và tái sử dụng nguồn dinh dưỡng. Tiếp theo, nước cho chảy qua một bể khuấy đảo mạnh với hàm lượng biofloc cao (1000-2000 mg/L) để oxy hóa ammonia như một cái lọc sinh học. Nước sau đó cho chảy vào một bể lắng khác trước khi quay về bể nuôi. Chất rắn được tái sử dụng để tạo nên biofloc dùng trong công đoạn oxy hóa ammonia.

Điểm khác biệt chính của hệ thống này so với hệ thống trình bày ở trên (mục b) là dùng biofloc với hàm lượng cao ở một bể riêng biệt với bể nuôi tôm để xử lý ammonia như là một hệ thống lọc sinh học.  Hệ thống Clemson cũng khác ở chổ có thêm một giai đoạn xử lý yếm khí. Hệ thống này có thể đạt năng suất 2.5-3.5 kg/m2 trong thời gian nuôi khoảng 150-180 ngày. Tỷ lệ cho ăn ổn định vượt mức 1000 kg/ha và đạt đỉnh khoảng 1800 kg/ha được ghi nhận.

d. Hệ thống bể nuôi cá rô phi

Hệ thống biofloc của trường Đại học Virgin Islands bao gồm một bể chính dùng để nuôi cá rô phi và một bể nhỏ hơn để lắng chất thải rắn, bổ sung các chất cơ bản và diễn ra quá trình phản nitrate hóa. Bể nuôi có đường kính là 16 m và duy trì độ sâu khoảng 1 m (thể tích khoảng 200 m3). Thành bể được xây dựng bằng bê tông cốt thép, có một thanh ngang giữa bể để giữ cho thành bể chắc chắn và làm nơi đi lại khi cần thiết ra giữa bể. Bể có nền đáy là đất, được lót bạt HDPE có độ dày 30 mil được thiết kế hơi nghiêng (khoảng 3%) hướng về cống trung tâm
Ba máy bơm sụt khí theo chiều dọc có công suất 3/4 mã lực được đặt trong bể nuôi, với 1 cái được sử dụng trong suốt 2 tháng đầu tiên và thêm 1 cái nữa được sử dụng trong 2 tháng tiếp theo của chu kỳ nuôi. Một cái máy bơm còn lại được đặt theo chiều ngang và chạy liên tục để xáo trộn nước. Những cái máy bơm này tạo nên một dòng nước để gom chất thải rắn về cống trung tâm.

Một đường dẫn từ cống trung tâm kéo dài đến bể lắng 1.9 m3 (chiếm 1% thể tích hệ thống nuôi). Nước được bơm lên bể lắng liên tục bằng một máy bơm ly tâm 1/4 mã lực với tốc độ khoảng 10 lít nước/phút. Bể lắng được thiết lập với thời gian lưu khoảng 50 phút, đủ để lắng khoảng 90% chất rắn bao gồm cả chất rắn thô và biofloc. Hầu hết chất rắn được lắng trong vòng 10 phút. Toàn bộ thể tích nước nuôi cá được chảy qua bể lắng trong thời gian khoảng 3-4 ngày. Bể lắng có thể giúp kiểm soát hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bể nuôi khoảng 500 mg/L. Bùn thải từ đáy bể lắng được đưa vào bể phản ứng phản nitrate hóa có kích thước 50 feet x 4 feet x 3 feet. Phản ứng phản nitrate hóa được kiểm soát dòng chảy sao cho thời gian tồn lưu kéo dài khoảng 1 ngày đủ để cho phản ứng xảy ra hoàn toàn.

Tỷ lệ phản ứng nitrate hóa diễn ra với tốc độ khoảng 3 mg/L/ngày. Nồng độ nitrate gia tăng cùng với sự gia tăng tỷ lệ cho ăn, với tỷ lệ tích lũy khoảng 25 g/kg thức ăn. Trước khi phản ứng phản nitrate hóa diễn ra, nitrate tích lũy khoảng 600-700 mg/L sau 6-7 tháng nuôi. Lượng nitrogen trong hệ thống này sẽ phân phối theo các con đường: khoảng 45% nitrogen cung cấp từ thức ăn chuyển thành nitrate, 24% tích lũy trong cá rô phi khi thu hoạch, và 31% trong bùn. Cần bón vôi Ca(OH)2 với liều lượng 1-2 kg/ngày để bù đắp sự tiêu hao độ kiềm do quá trình nitrate hóa và duy trì pH khoảng 7.5.

Tỷ lệ cho ăn ổn định hàng ngày khoảng 175-200 g/m3 (1750-2000 kg/ha) được ghi nhận. Năng suất cao nhất đạt khoảng 15 kg/m3 khi thả cá với mật độ 20-25 con/m3. Duy trì hàm lượng chất rắn lơ lửng trong hệ thống nuôi từ 300-500 mg/L, tương ứng với 25-50 ml/L khi đo bằng phương pháp lắng sử dụng bình Imhoff.

Nhu cầu năng lượng cần thiết cho sản xuất 1 kg cá là 3.5-4 kWh.  Hiệu quả sử dụng nước rất cao, chỉ tiêu tốn khoảng 100 L/kg cá. Cần cung cấp nước khoảng 0.2-0.4% thể tích của bể nuôi để bù đắp lượng nước mất đi do bốc hơi.

14. Những khó khăn

Chất rắn lơ lửng là yếu tố quan trọng nhất trong hệ thống biofloc. Quản lý hàm lượng chất rắn lơ lửng phụ thuộc vào cấu trúc của từng hệ thống nuôi. Hàm lượng chất rắn lỏ lửng quá cao có thể làm giảm năng suất của hệ thống do chúng có thể làm ảnh hưởng đến mang của tôm cá. Chát rắn cũng làm gia tăng nhu cầu năng lượng để duy trì trạng thái lơ lửng của nó và làm gia tăng nhu cầu oxy cho hô hấp trong nước. Hàm lượng chất rắn quá cao cũng làm cho thời gian đáp ứng nhu cầu oxy cho hệ thống rút ngắn, thường là dưới 1 giờ. Có nghĩa là chỉ cần ngưng sụt khí trong vòng 1 giờ là có thể phá hủy hoàn toàn hệ thống nuôi. Trong một vài trường hợp, sự phát triển quá mức của vi khuẩn dạng sợi trong biofloc làm cho các hạt biofloc khó lắng và gây khó khăn cho việc kiểm soát hàm lượng chất rắn trong hệ thống nuôi. Vi khuẩn dạng sợi cũng có thể ảnh hưởng đến mang và gây chết tôm cá.

Hệ sinh thái vi sinh vật trong các hạt biofloc chỉ mới được biết ở mức độ cơ bản. Đặc biệt là vai trò của biofloc trong việc ức chế hoặc kích thích sự phát triển của mầm bệnh vi khuẩn, đặc biệt là nhóm vi khuẩn Vibrio cần được nghiên cứu thêm. Vi khuẩn Vibrio sẽ tích lũy trong hệ thống nuôi tôm dùng công nghệ biofloc, chúng có thể bị ức chế hoặc kích thích phát triển để gây bệnh. Quá trình kích thích hoặc ức chế vi khuẩn này trong hệ thống biofloc có liên quan đến quản lý nồng độ chất rắn cao hay thấp trong hệ thống.

Trong hầu hết hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn, dinh dưỡng và khoáng chất (đặc biệt là kim loại) sẽ tích lũy trong nước của hệ thống nuôi thâm canh sử dụng công nghệ biofloc. Trong hệ thống nuôi tôm raceway có tỷ lệ thay nước thấp, hàm nitrate tích lũy có thể lên đến hàng trăm mg/L và làm giảm sự tiêu thụ thức ăn của tôm. Ngay cả việc bổ sung hệ thống phản nitrate hóa được khuyến cáo. Trong các hệ thống nuôi nước mặn, duy trì hàm lượng nitrate khoảng 50 mg/L là cách hiệu quả để giảm thấp nhất sự sản sinh ra chất độc hydrogen sulfide (H2S).

Mặc dù những nghiên cứu cơ bản về hệ thống biofloc đã được tiến hành từ đầu những năm 1990 và ứng dụng vào qui mô thương mại khoảng đầu năm 2000, nhưng những vấn đề quan trọng trong chức năng của hệ thống biofloc vẫn chưa được hiểu rõ.

Điều này có liên quan đến một thực tế là hiện tại chỉ có cá rô phi và tôm được nuôi rộng rãi trong nhiều hệ thống biofloc khác nhau được nghiên cứu và đánh giá. Vấn đề này gây khó khăn trong việc thiết lập và cấu hình một hệ thống biofloc tiêu chuẩn dùng chung cho các đối tượng nuôi khác nhau.

(Tài liệu tham khảo: Bài viết này tham khảo rất nhiều nguồn khác nhau từ các bài viết, bài trình bày của các tác giả: Yoram Avnimelech, Jim Rakocy, Dave Brune, Jim Ebeling, Craig Browdy, John Leffler, Andrew Ray, Tzachi Samocha, Nyan Taw và John A. Hargreaves. )