bai giang ky thuat tuan hoan nuoc 1

Đây là giáo trình của đại học giới thiệu về môn Kỹ thuật tuần oàn nước, tài liệu viết dưới dạng sile powerpoint dễ đọc, dễ hiểu. Bể nuôi cá: - Cá sinh trưởng và chất thải được tạo ra trong bể - Lượng nước chảy qua bể phụ thuộc lượng thức ăn cung câp

GiỚI THIỆU MÔN HỌC

Giới thiệu

Môn học: Kỹ thuật tuần hoàn nước (TS618)

(Water Recurculation in Aquaculture)

1 Điều kiện tham gia lớp học

Đối tượng

Sinh viên cao học Nuôi trồng thủy sản

Sinh viên cao học quản lý nguồn lợi thủy sảnNghiên cứu sinh về Nuôi trồng thủy sản nước ngọt và Nuôi trồng thủy sản mặn/lợ

Sinh viên cao học các ngành khác

Giới thiệu

Điều kiện tiên quyết

Người học phải có kiến thức cơ bản về các lãnh

vực sau:

• Quản lý chất lượng nước

• Nguyên lý nuôi trồng thủy sản

• Kỹ thuật nuôi thủy sản

• Quản lý dịch bệnh

Giới thiệu

2 Phương pháp học tập

Người học phải tham gia các nội dung sau:

• Bài giảng trên lớp

• Thực hành trên máy tính

• Thực hành nuôi cá trên hệ thống tuần hoàn

• Tóm tắt và thuyết trình kết quả thực hành

Giới thiệu

3 Mục tiêu của môn học

Người học đạt được kiến thức và kỹ năng sau:

• Khái niệm cơ bản và chức năng của hệ thống

tuần hoàn

• Thiết kế, vận hành và đánh giá hiệu quả của

hệ thống tuần hoàn

• Quản lý chất lượng nước, duy trì điều kiện môi

trường tốt cho sức khỏe của cá nuôi

Giới thiệu

4 Cấu trúc môn học (phần lý thuyết)

Giới thiệu

4 Cấu trúc môn học (phần thực hành máy tính)

Bài Nội dung

Giới thiệu

4 Cấu trúc môn học (thực hành ở trại)

• Khởi động hệ thống tuần hoàn (3 tuần)

• Vận hành hệ thống (5 tuần)

• Thu hoạch, phân tích số liệu, thuyết trình (1

tuần)

GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TUẦN HOÀN NUÔI TRỒNG

THỦY SẢN

Mục tiêu

Sinh viên nắm vững các nội dụng sau:

• Các thành phần khác nhau của hệ thống tuần hoàn và chức năng của các thành phần

• Các kiểu hệ thống tuần hoàn và ứng

dụng trong nuôi trồng thủy sản

Kết hợp basic RAS với

bèo tấm, periphyton,

phản nitrate để làm

tăng hiệu quả lọc

Các thành phần của hệ thống

1 Bể nuôi cá (Fish tank)

• Cá sinh trưởng và chất thải được

tạo ra trong bể nuôi

• Lưu lượng nước chảy qua bể phụ

thuộc lượng thức ăn cung cấp

Trao đổi nước qua bể nuôi đóng vai trò:

• Cung cấp đủ oxy cho trao đổi chất của cá

• Loại bỏ các chất thải hòa tan (CO2, N-NH4+ …)

• Tránh sự tích tụ chất lơ lửng trong bể nuôi

• Tạo dòng chảy cho cá hô hấp và cơ cá săn chắc

• Điều khiển nhiệt độ nước

Các thành phần của hệ thống

2 Bể loại bỏ chất lơ lửng (solid

removal)

Loại bỏ chất lơ lửng là bước đầu tiên

của quá trình làm sạch nước

Vai trò của bể loại bỏ chất lơ lửng gồm:

• Làm giảm chất lơ lửng trong nước trước khi đi vào bể lọc sinh học

• Ngăn ngừa sự tích lũy chất lơ lửng trong quá trình tuần hoàn

• Ngăn ngừa chất lơ lửng vượt quá mức cho phép (Climit)

Các thành phần của hệ thống

4 Bể lọc sinh học (Biofilter)

Vai trò của bể lọc sinh học gồm:

• Phân hủy hữu cơ hòa tan nhờ

Các thành phần của hệ thống

5 Bể chảy tràn (overflow tank)

Vai trò của bể chảy tràn gồm:

• Duy trì áp lực nước chảy về bể nuôi cá

• Nước chảy tràn trở lại bể chứa khi

dòng chảy trở về bể cá bị giảm hoặc

ngừng

Các thành phần của hệ thống

6 Bể phản nitrate (Denitrification unit)

Vai trò của bể phản nitrate:

-Các thành phần của hệ thống

6 Bể bèo tấm (Duckweed tank)

Vai trò của bể bèo tấm:

• Hấp thụ dinh dưỡng vô cơ (TAN, NO2-,

NO3-, PO43-…)

• Tạo ra sinh khối

thực vật

Các thành phần của hệ thống

7 Bể periphyton

Vai trò của bể periphyton:

• Hấp thụ dinh dưỡng vô cơ (TAN, NO2-,

Các kiểu hệ thống tuần hoàn

1 Hệ thống tuần hoàn cơ bản

Các kiểu hệ thống tuần hoàn

2 Hệ thống tuần hoàn cơ bản kết

hợp với bể phản nitrate

Các kiểu hệ thống tuần hoàn

3 Hệ thống tuần hoàn kết

hợp với bèo tấm

Các kiểu hệ thống tuần hoàn

4 Hệ thống tuần hoàn kết hợp với

periphiton

CHẤT THẢI VÀ CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG HỆ THỐNG

Mục tiêu

Sinh viên nắm vững các nội dụng sau:

• Loại chất thải sinh ra trong nuôi thủy sản

và biện pháp loại bỏ chất thải ra khỏi bể nuôi

• Phương pháp tính lượng chất thải sinh ra trong bể nuôi

Đị nh lượng chất thải

• Chất khí: NH3, CO2, N2…

• Chất hữu cơ hòa tan

• Phân cá hòa tan

Chất thải trong hệ thống tuần hoàn

Thức ăn thừa

Bài tiết và hô hấp Thải phân

D: Tiêu hóa; M: Trao đổi chất; G: tăng trưởng

MÔI TRƯỜNG

O 2

Đị nh lượng chất thải

Tiêu hóa thức ăn Thải phân (Fecal Loss)

Thức ăn sử dụng Bài tiết (Non-Fecal Loss)

Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả

sử dụng thức ăn của cá

• Loài cá

• Nhiệt độ

• Thời gian sinh trưởng

• Thành phần dinh dưỡng của thức ăn

• Tiêu hóa thức ăn

• Chuyển hóa thức ăn

• Thành phần dinh dưỡng của cá

Thành phần của thức ăn

g COD/g dinh dưỡng

g COD/kg thức ăn

Thức ăn thừa (Uneaten feed)

• Đối với các loài cá thức ăn thừa khoảng 5-30%

• Đối với loại thức ăn nổi, thức ăn thừa

gần như bằng 0

⇒ Khi thiết kế hệ thống tuần hoàn,

lượng thức ăn thừa được giả định

bằng 0

Độ tiêu hóa (apparent digestibility)

Thành phần thức ăn Độ tiêu hóa (%)

Tính toán lượng vật chất thải qua phân (fecal loss)

FLx = Fx, thức ăn * (1-Dx)

Trong đó:

FL (g/kg thức ăn): Phân thải

F (g/kg thức ăn): Dinh dưỡng trong thức ăn

D (tỉ lệ hoặc phần trăm): Độ tiêu hóa

x: loại chất dinh dưỡng (chất khô, N, P,

protein, tro…)

Tính toán lượng vật chất thải qua phân (fecal loss)

Độ tiêu hóa (Dx) phụ thuộc vào mức cho ăn

(feeding level) Do đó, độ tiêu hóa được tính theo công thức:

D DM = 53,68 - 1,041*R + 11,52*Q res

D N = 88,02 – 0,469 * R + 3.55 * Q res

Trong đó:

DDM (%): Độ tiêu hóa vật chất khô

DN (%): Độ tiêu hóa nitơ

R (g thức ăn/kg 0,8 /ngày): Mức cho ăn

Qres (m 3 /ngày): Lưu lượng qua hô hấp kế

Heinsbroek et al (1989), áp dụng cho cá trên phi

Tính toán lượng vật chất tích lũy trong cá (fish gain)

Fx, cá = ((Wx,f*Cx,f/100)–

Trong đó:

F (g/kg thức ăn): Dinh dưỡng trong cá

Cf (%): Tỉ lệ chất dinh dưỡng trong cá thu hoạch

Ci (%): Tỉ lệ chất dinh dưỡng trong cá giống

Wf (g): Khối lượng cá khi thu hoạch

Wi: (g): Khối lượng cá khi thả

FCR (kg/kg) : Tỉ lệ chuyển hóa thức ăn

x: loại chất dinh dưỡng (chất khô, N, P, protein, tro…)

Tính toán lượng vật chất tích lũy trong cá (fish gain)

Vật chất tích lũy trong cá (tăng trưởng) phụ thuộc vào cỡ cá:

Desmares (1994), áp dụng cho

cá trê phi cỡ >250g

Tính toán lượng vật chất bài tiết (Non-fecal loss)

NFLx = (Fx, thức ăn * Dx) – Fx, cá

Trong đó:

NFL (g/kg thức ăn): Chất bài tiết qua mang, thận

F (g/kg thức ăn): Dinh dưỡng trong thức ăn

D (tỉ lệ hoặc phần trăm): Độ tiêu hóa

x: loại chất dinh dưỡng (chất khô, N, P, protein, tro…)

Tiêu thụ oxy (Oxygen consumption)

• Mức tiêu thụ oxy phụ thuộc vào tỉ lệ cho ăn, thành phần dinh dưỡng, cỡ cá, nhiệt độ và hàm lượng oxy trong

CO 2 sinh ra từ hô hấp (CO 2 production)

Lượng CO2 sinh ra từ quá trình hô hấp

đượ c tính theo công thức:

(RQ= mL CO2 sinh ra/mL O2 tiêu thụ = 0,925)

Cân bằng khối lượng (mass balance)

Thức ăn tiêu thụ

(Feed intake) =

Tăng trưởng (Growth)

Phân thải (Fecal loss)

Bài tiết (Non-fecal loss)

+

+

• Giả định lượng thức ăn thừa (uneaten feed) = 0

Cân bằng khối lượng (mass balance)

Lứa/tuổi

(ngày)

Cỡ cá(g)

Số lượng cá

Mức cho ăn (%)

Lượng thức ăn (g/ngày)

Tỉ lệ cho ăn(g/kg0.8/ngày)

FCR (g/g)

Cỡ cá ngày tiếp theo(g)

Sinh khối (kg)

Tổng lượng thức ăn (kg/ngày) I/150 899.8 11114 1.146 10.31 11.22 0.98 910.3 10000 114.6 II/120 611.2 11546 1.337 8.17 12.12 0.93 619.9 7056.7 94.4 III/90 376.9 11994 1.623 6.12 13.35 0.88 383.8 4520.6 73.3 IV/60 197.7 12460 2.100 4.15 15.19 0.82 202.8 2463.8 51.7 V/30 74.9 12945 3.097 2.32 18.44 0.73 78.0 969.0 30.0 VI/0 10.0 13448 6.929 0.69 27.59 0.58 11.2 134.5 9.3

Cỡ cá, sinh khối, mức cho ăn và tổng lượng thức ăn (tính cho 1 ngày)

Cân bằng khối lượng (mass balance)

Lứa/tuổi

(ngày) Thức ăn tiêu thụ Thức ăn tiêu hóa

Thành phần dinh dưỡng trước thu

hoạch

Thành phần dinh dưỡng khi thu hoạch

Tỉ lệ tiêu hóa vật chất khô, nitơ và thành phần dinh

dưỡng của cá (tính cho 1 ngày)

DM: Vật chất khô; N: ni ơ

Cân bằng khối lượng (mass balance)

Phân bố chất thải và tăng trưởng của cá (tính trên vật

Cân bằng khối lượng (mass balance)

Phân bố chất thải và tăng trưởng của cá (tính trên nitơ)

Cân bằng khối lượng (mass balance)

Oxy tiêu thụ và CO2 sinh ra khi sinh khối đạt tối đa

Lứa/tuổi

(ngày)

Tỉ lệ cho ăn (g/kg0.8/ngày)

Oxy tiêu thụ (g/kg feed)

CO2 sinh ra (g/kg feed)

Tổng lượng thức ăn (kg/day)

Oxy tiêu thụ (kg/day)

CO2 sinh ra (kg/day)

Cân bằng khối lượng (mass balance)

KỸ THUẬT LOẠI BỎ CHẤT RẮN

Mục tiêu

Sinh viên nắm vững các nội dụng sau:

• Nguồn chất rắn sản sinh ra trong RAS và

những đặc điểm của chất rắn

• Những yếu tố để xác định chất rắn sản sinh ra trong RAS

• Các phương pháp loại bỏ chất rắn khác nhau

• Chọn lựa và áp dụng phương pháp phù hợp

để loại bỏ chất rắn

Hệ thống tuần hoàn- loại bỏ chất rắn

Nguồn và đặc điểm của chất rắn

• Nguồn sản sinh chất rắn trong RAS

Yếu tố ảnh hưởng đến sản sinh chất rắn

Lượng chất rắn sinh ra phụ thuộc vào các yếu tố:

• Tỉ lệ thức ăn thừa

• Tỉ lệ mảnh vụn thức ăn

• Độ tiêu hóa thức ăn của cá

• Thành phần và kỹ thuật sản xuất thức ăn

• Thời gian nằm thong hệ thống

Tại sao phải loại bỏ chất rắn?

Hao phí năng lượng

Lượng nước mất trong quá trình rửa ngược Chống lại sinh vật bám

Kỹ thuật loại chất thải rắn

Nguyên lý Kỹ thuật Cỡ hạt (µµµm)

Tốc độ lắng của chất rắn

Loại chất rắn Tốc độ lắng

(cm/sec)

Nguồn tài liệu

Thức ăn 14 Timmons et al.,

2001

Phân cá 1.7- 4.3 Warrer Hansen,

1982 Biofilm 0.05-0.1 IDEQ, 1998

Công thức thiết kế

Thông số quan trọng trong thiết kế:

)A(m

/day)

Q(mm/day)

(

3

V0: Tải lượng thủy lực hay tỉ lệ chảy tràn

Vs: Tốc độ lắng tới hạn (m/ngày hoặc cm/giây),

tốc độ lắng mà ở diện tích bề mặt nạp đó chất rắn bị lắng 100%

A: Diện tích bể lắng (m 2 )

Thông số kỹ thuật của bể lắng

Chức năng của từng vùng của bể lắng

Ư u điểm và nhược điểm

- Chiếm diện tích lớn

- Hiệu qua không cao trong RAS

- Hoạt động không liên tục

2 Tấm nghiêng - Ống lắng

Nước từ bể

cá vào Nước vào bể lọc sinh học

Chất lắng

Thông số của tấm nghiêng

Q V

Cos A

- Xả nước và rửa định kỳ

3 Bể xoáy (Swirl separator)

Nước từ bể

cá vào

Nước vào bể lọc sinh học

Thông số của bể xoáy

) ( 15

) ( 045

0

) ( 3

0 )

( 48

0

sec /

0

m W

L m

Q W

m D

D m

Q D

liter in

Q

o i

DiQ

Bể xoáy

Đặ c điểm của bể xoáy

- Lắng bằng lực ly tâm và trọng lực

- Dòng chảy đáy 5-15%

- Thời gian lưu nước tối thiểu 30 giây

- Không hiệu qua đối với chấ rắn <50µm

- TSS > 77µm ; hiệu suất loài bỏ là 87% ( Scott and Allard, 1984)

- Hiệu quả phụ thuộc vào thủy học

- Không tích dinh dưỡng, hòa tan dinh dưỡng

4 Lọc lưới (Screen filttration)

Hiệu quả lọc TSS

(Theo Summerfelt et al., 2001 In: Fish hatchery management)

Cơ chế lọc qua lưới

Thể tích nước rửa thay đổi theo dòng nước và thể tích nước vào:

- Tốn năng lượng và nước

- Chất lắng ít

5 Lọc hạt (Granular filtration)Lọc cát:

Lọc gián đoạn Lọc liên tục

- Tổn hao cột nước cao

Tải lượng thủy lực (HSL) 100-700 m 3 /m 2 /ngày

Hiệu quả loại bỏ chất rắn 50-95%

Lọc cát không dùng nhiều trong nuôi trồng thủy sản

Lọc hạt (granular filtration)

Lọc hạt nhựa:

Kết hợp lọc cơ học và lọc sinh học

Hạt lọc nhựa

Số lượng hạt = 20 x 10 6 /m 3

Đường kính hạt = 3-5 mm Diện tích bề mặt = 1150 m 2 /m 3

Trang thái xốp = 35%

Khối lượng riêng = 0.91

Đặc điểm của hạt lọc Hạt lọc

Hạt nhựa và biofilm

O2Org Wastes

CO2

BOD Phân hủy

NH3

O2Bicarbonates

Cơ chế bắt giữ chất rắn:

Hoạt động của lọc hạt nhựa

6 Lọc tạo bọt (foam fractionation)

Nguyên lý giao diện khí- chất lỏng

Hiệu quả loại bỏ chất rắn

Hiệu quả loại bỏ chất rắn phụ thuộc:

- Loại bỏ protein tương ứng với lượng khí (Weeks et al, 1992)

- pH =8,3 hiệu quả gấp đội so với pH =5,3 (trong nước mặn loại bỏ chất rắn hiệu quả hơn nước ngọt)

- Bọt khí nhỏ (2-3 mm) loại bỏ chất rắn hiệu quả hơn bọt khí to

- Thời gian bọt khí tồn tại trong nước dài (bọt khí nhỏ)

- Đoàn đường bọt khí di chuyển dài

Ngăn ngừa tạo bọt trong bể nuôi

Tránh sự hình thành bọt trong bể nuôi

− Tránh cho ăn thừa

− Loại bỏ cá chết

− Loại bỏ TSS hiệu quả nhất

− Xả nước khi phân cỡ

− Công lao động thấp

− Loại bỏ chất rán cỡ nhỏ hơn 30 µm

− Sục khí và khử khí

Thông số thiết kế

Rule of thumb for design:

Per kg of feed (assume 3% TSS removed as fine solids):

QUÁ TRÌNH NITRATE HÓA

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Mục tiêu

Sinh viên nắm vững các nội dụng sau:

• Nguồn NH3/NH4+ trong hệ thống thủy sản

• Quá trình nitrate hóa và các sản phẩm trung gian

• Sức sản xuất thu được từ quá trình nitrate hóa

và ảnh hưởng lên độ kiềm và DO

• Nhân tố ảnh hưởng đến quá trình nitrate hóa

• Ảnh hưởng của vật chất hữu cơ lên quá trình nitrate hóa

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Chất thải từ cá

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

NH4+ , PO43- , CO2

Vật chất hữu cơ

Lơ lửng

? Phóng thích từ nền đáy Lắng tụ

TAN – Tổng đạm Amôn

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

NH4+/NH3 NH3 + H+ ↔ NH4+Rất độc cho tôm cá

Loại bỏ hoặc chuyển hóa (TAN<1mg/L)

Nitrate hóa hoặc phản nitrate hóa

Nitrate hóa

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Bước 1: NH4+ + 3/2O2 → NO2- + H2O + 2H + (Nitrosomonas)

∆Go(W) = -270 KJ/mol N-NH4+

Bước 2: NO2- + 1/2O2 → NO3- (Nitrobacter)

∆Go(W) = -80 KJ/mol N-NO2

-Loại vi khuẩn nitrate hóa:

Chemo-litho-autotrophs (Hóa vô cơ tự dưỡng)

Chuyển hóa dinh dưỡng

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Oxy hóa ammonia:

80.7NH4+ + 114.55O2 + 160.4HCO3- → C5H7NO2 + 79.7NO2- + 82.7H2O + 155.4H2CO3

Sức sản xuất = 0,1 g sinh khối vi khuẩn/g N-NH4+ Oxy hóa nitrite:

134.5NO2- + NH4+ + 62.25O2 + HCO3- + 4H2CO3 → C5H7NO2 + 134.5NO3- + 3H2O

Sức sản xuất = 0.06 g sinh khối vi khuẩn/g N-NO2 Tổng quát:

-NH4+ + 1.86O2 + 1.98HCO3- → 0.02C5H7NO2 + 0.98NO3- + 1.88H2CO3 + 1.04H2O

Sức sản xuất = 0.16g sinh khối vi khuẩn/g N-NH4+

Tiêu hao oxy cho nitrate hóa

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

• Lượng oxy tiêu hao khi 1 g N-NH4+ chuyển hóa thành N-NO3-?

• Lượng oxy tiêu hao khi 1g N-NO3- đượ c tạo thành?

Yếu tố ảnh hưởng đến nitrite hóa

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Ả nh hưởng của nhiệt độ

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Ả nh hưởng của N-NH3 và nhiệt độ

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Ả nh hưởng của oxy hòa tan

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

2

4 4

4

O O

O

NH - N NH

N

-NH - N max

K S

S K

S

S

µ

+ +

=

+ +

Ả nh hưởng của oxy hòa tan

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Phản ứng nitrate hóa

NH4+ + 1.86O2 + 1.98HCO3- → 0.02C5H7NO2 + 0.98NO3- + 1.88H2CO3 + 1.04H2O

1 mole N-NH4+ bị oxy hóa cần 1,86 mole O2

1 g N-NH4+ bị oxy hóa cần bao nhiêu g O2?

⇒ Cần giữ hàm lượng DO> 2 mg/L cho quá trình nitrate hóa

Ả nh hưởng của chất hữu cơ

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Vật chất hữu cơ dễ phân hủy nhiều

⇒ Vi khuẩn dị dưỡng phát triển

⇒ Cạnh tranh O2, chất dinh dưỡng và không gian với

vi khuẩn Nitrat hóa

Quy luật:

C:N<9 vi khuẩn nitrate hóa phát triển C:N>9 Vi khuẩn dị dưỡng phát triển Trong nước tỉ lệ C:N ~ 1 nhưng tỉ lệ này cao trong chất thải rắn

Ả nh hưởng của vật chất lơ lửng

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Vật chất lơ lửng

⇒ Gây tắc giá thể lọc

⇒ giới hạn sự khuếch tán

của cơ chất

Nitrate hóa và độ kiềm

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

NH4+ + 1.86O2 + 1.98HCO3- → 0.02C5H7NO2 + 0.98NO3- + 1.88H2CO3 + 1.04H2O

− 1,88 eq (đương lượng) acid sinh ra khi 1 mole N-NH4+

đượ c chuyển hóa thành NO3

-− 1,98 eq (đương lượng) HCO3- bị phá hủy khi 1 mole

N-NH4+ đượ c chuyển hóa thành NO3

-≈ 7,14 g CaCO3/g N-NH4+

⇒ pH của nước giảm

Yếu tố ức chế quá trình nitrate hóa

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Vi khuẩn nitrate hóa trong tự nhiên

Học viên không sử dụng điện thoại trong giờ học

Vi khuẩn nitrate hóa sống ở đâu?

− Hạt vật chất lơ lửng, bùn đáy ao

− Bề mặt vật thể, giá thể

− Flocs

− Trong nước (mật độ rất thấp)