Nuôi trồng thủy sản ngày nay không chỉ giới hạn ở các ao hở hoặc lồng nuôi trên biển. Ngày càng nhiều chuyên gia trong ngành đang hướng đến các hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn như là lựa chọn hợp lý nhất để sản xuất nhiều hơn, kiểm soát tốt hơn và ít tác động đến môi trường hơn. Các hệ thống này kết hợp kỹ thuật, sinh học và quản lý nước để duy trì cá trong điều kiện tốt nhất có thể đồng thời giảm thiểu tiêu thụ tài nguyên.
Trong cuộc cách mạng công nghệ này, Hệ thống Nuôi trồng Thủy sản Tuần hoàn (RAS) đã trở thành tiêu chuẩn. Chúng không phải là một trào lưu nhất thời: chúng đã được sử dụng hàng thập kỷ trong các trại giống và trung tâm nghiên cứu, nhưng giờ đây chúng đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thương mại thâm canh, thủy canh kết hợp nuôi cá và các mô hình nuôi trồng thủy sản đa tầng tích hợp, mở đường cho một ngành nuôi trồng thủy sản bền vững hơn nhiều.
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) là gì?
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn về cơ bản là một cơ sở nơi nước được tái sử dụng liên tục sau khi trải qua một loạt các quá trình xử lý vật lý, hóa học và sinh học. Thay vì dựa vào lượng lớn nước ngọt liên tục chảy vào và ra khỏi hệ thống, cùng một lượng nước được tuần hoàn liên tục qua các bể nuôi và một đơn vị lọc nước.
Khác với ao nuôi truyền thống, trong hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS), cá được nuôi trong bể hoặc lồng trong nhà , thường là trong các tòa nhà kín hoặc không gian được kiểm soát khí hậu, nơi hầu hết mọi thứ (nhiệt độ, oxy, chất lượng nước, ánh sáng, mật độ nuôi, v.v.) đều nằm dưới sự kiểm soát của người vận hành. Nước ra khỏi bể được làm sạch bằng các bộ lọc cơ học, bộ lọc sinh học và các thiết bị khác, và được trả lại cho cá trong điều kiện thích hợp cho sức khỏe và sự phát triển của chúng.
Trong các hệ thống này, chỉ một phần nhỏ nước mới được thêm vào để bù đắp cho lượng nước thất thoát do bay hơi, bắn tóe và việc cần thiết phải xả thải chất thải đậm đặc. Điều này làm giảm đáng kể lượng nước tiêu thụ so với các hệ thống mở, cho phép các trang trại được đặt ngay cả ở những khu vực khan hiếm hoặc nước đắt đỏ.
Điều quan trọng cần hiểu là RAS không phải là một công nghệ hoàn toàn mới: nó đã được sử dụng trong nhiều năm ở các giai đoạn quan trọng như sản xuất cá bột và cá con , cả trong môi trường nước ngọt và nước mặn, và trong các phòng thí nghiệm thực nghiệm, nơi cần thiết phải giảm thiểu các biến động vật lý-hóa học bên ngoài có thể làm sai lệch kết quả khoa học.
Vai trò của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) trong nuôi trồng thủy sản bền vững
Nuôi trồng thủy sản đang có tiềm năng đáp ứng ngày càng tăng nhu cầu tiêu thụ cá toàn cầu, nhưng sự tăng trưởng này chỉ khả thi nếu áp dụng các mô hình sử dụng đất và nước hiệu quả . Trong bối cảnh đó, hệ thống RAS đã trở thành một trong những giải pháp thay thế mạnh mẽ nhất cho sản xuất trong nước, với khả năng kiểm soát quy trình cao và tác động môi trường tối thiểu.
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) có thể sử dụng ít hơn tới 90% lượng nước so với các hệ thống nuôi trồng thủy sản thông thường, điều này hoàn toàn phù hợp với các chính sách quản lý tài nguyên nước bền vững và các khung pháp lý như Chỉ thị Khung về Nước ở châu Âu. Hơn nữa, chúng tạo ra lượng nước thải ít hơn đáng kể, và nước thải này dễ thu gom, xử lý và thậm chí tái sử dụng hơn.
Bằng cách giữ các trang trại nuôi cá trong các khu vực khép kín hoặc bán khép kín, các hệ thống này giảm thiểu nguy cơ các loài ngoại lai thoát ra ngoài , giảm sự lây lan dịch bệnh ra môi trường tự nhiên và tạo điều kiện thuận lợi cho việc đảm bảo an toàn sinh học nghiêm ngặt hơn. Tất cả những điều này làm cho chúng trở thành một thành phần quan trọng cho ngành nuôi trồng thủy sản có trách nhiệm hơn, tương thích với các hoạt động ven biển và nội địa khác.
Mặt khác, khả năng kiểm soát cao đối với chất lượng nước, quản lý vệ sinh và thức ăn chăn nuôi mở ra cơ hội cho các mô hình sản xuất ổn định hơn , ít phụ thuộc vào thời tiết và chất lượng nguồn nước. Bằng cách này, các công ty có thể lập kế hoạch sản xuất ổn định quanh năm và cung cấp nguồn cung thường xuyên hơn cho thị trường.
Các thành phần chính của hệ thống RAS
Hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) hiện đại bao gồm nhiều thành phần được xác định rõ ràng, hoạt động cùng nhau để duy trì môi trường tối ưu cho cá . Ngoài các bể nuôi, trái tim của hệ thống RAS là bộ phận xử lý nước, tích hợp nhiều công nghệ khác nhau.
Một mô tả điển hình bao gồm, trước hết, các bộ lọc cơ học để tách chất rắn, chẳng hạn như bộ lọc trống. Trong các hệ thống này, nước từ các bể chứa đi qua một xi lanh có lót lưới, nơi các hạt lớn hơn (phân, cặn thức ăn) được giữ lại. Trống được làm sạch định kỳ bằng vòi phun nước áp lực cao, và hỗn hợp chất rắn và nước đậm đặc được đưa đi xử lý hoặc quản lý tiếp theo.
Sau khi loại bỏ các chất rắn thô, nước sẽ chảy đến bộ lọc sinh học , một cấu trúc chứa chất nền (cố định hoặc di động) nơi các cộng đồng vi khuẩn nitrat hóa phát triển. Các vi khuẩn này chuyển hóa amoniac do cá thải ra thành nitrit và sau đó thành nitrat, chất ít độc hại hơn ở nồng độ hoạt động thông thường. Bộ lọc sinh học là yếu tố then chốt cho phép hệ thống liên tục tái chế mà không làm cho amoniac đạt đến mức nguy hiểm.
Nhiều thiết kế cũng bao gồm bể khử khí , giúp giải phóng carbon dioxide và các khí không mong muốn khác, và thiết bị sục khí oxy để bổ sung oxy tinh khiết hoặc không khí vào cột nước. Tùy thuộc vào loài và mật độ nuôi, quá trình sục khí oxy có thể được thực hiện bằng cách sử dụng cột tiếp xúc, phễu oxy hoặc các thiết bị khác đảm bảo sự hòa tan khí hiệu quả.
Một đặc điểm phổ biến khác là khử trùng nước bằng tia cực tím (UV) hoặc ozone. Các hệ thống này làm giảm lượng vi khuẩn và virus trong nước tuần hoàn, dẫn đến ít bùng phát dịch bệnh hơn trong các đàn gia cầm mật độ cao. Tất cả điều này được bổ sung bởi các máy bơm tuần hoàn tự mồi, bộ trao đổi nhiệt hoặc máy bơm nhiệt để kiểm soát nhiệt độ và hệ thống đường ống đảm bảo dòng chảy liên tục.
Quản lý chất thải và chất lượng nước trong hệ thống RAS
Quản lý chất thải hiệu quả là một trong những nền tảng của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) thành công. Cá tạo ra cả chất thải rắn (phân, thức ăn thừa) và chất thải hòa tan (amoniac, các hợp chất nitơ và phốt pho), và cả hai đều phải được xử lý để duy trì chất lượng nước tốt mà không cần tăng lượng nước trao đổi từ bên ngoài.
Trong các hệ thống có cường độ thấp, việc loại bỏ chất rắn thậm chí có thể được thực hiện bằng bể lắng , nơi tốc độ dòng nước được giảm xuống và các hạt được phép lắng xuống, sau đó được loại bỏ bằng tay. Tuy nhiên, điều này chiếm nhiều không gian và không khả thi đối với các hệ thống RAS cường độ cao, nơi cần giảm thiểu diện tích chiếm dụng. Do đó, người ta sử dụng bộ lọc cát áp lực, bộ lọc trống hoặc các hệ thống tách tự động khác.
Đối với các hạt rất mịn hoặc chất keo, có thể sử dụng thiết bị tách protein , thường kết hợp với ozone. Thiết bị này tạo ra các bong bóng rất nhỏ mang theo chất hữu cơ và chất hoạt động bề mặt lên bề mặt, cải thiện độ trong của nước và giảm lượng chất hữu cơ hòa tan.
Về mặt hóa học, thách thức chính là kiểm soát amoniac và nitơ . Bộ lọc sinh học chuyển hóa amoniac thành nitrat thông qua quá trình nitrat hóa hiếu khí. Khi nồng độ nitrat trở nên quá cao, một phần nhỏ nước có thể được loại bỏ, hoặc các quá trình khử nitrat có thể được tích hợp, bao gồm cả công nghệ oxy hóa amoniac kỵ khí (anammox), hiện đang được thử nghiệm với kết quả rất khả quan.
Độ pH là một thông số quan trọng khác, bởi vì quá trình nitrat hóa tiêu thụ độ kiềm và có xu hướng làm giảm độ pH . Nếu hệ thống trở nên quá axit, lượng CO2 hòa tan sẽ tăng lên, có thể gây độc và làm giảm lượng oxy cung cấp cho cá. Do đó, độ pH được điều chỉnh bằng cách thêm các chất kiềm (như canxi cacbonat hoặc natri hydroxit) và thông qua các quá trình khử khí CO2, ví dụ như sử dụng cột sục khí.
Ứng dụng trong việc nhân giống cá hồi Đại Tây Dương và các loài khác.
Một trong những lĩnh vực mà hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) ngày càng trở nên quan trọng là nuôi cá hồi Đại Tây Dương . Trong nhiều năm, hệ thống RAS đã được sử dụng trong giai đoạn nước ngọt để nuôi cá bột và cá con, cho phép kiểm soát rất chính xác chất lượng nước, nhiệt độ và an toàn sinh học, dẫn đến cá con khỏe mạnh và đồng đều hơn.
Hiện nay, các dự án đang được triển khai để mở rộng việc sử dụng hệ thống nuôi trồng tuần hoàn (RAS) sang các giai đoạn sau của chu kỳ nuôi , đưa sản xuất đến gần hơn với thị trường tiêu thụ cuối cùng và giảm thiểu rủi ro môi trường ngoài khơi. Mặc dù các hệ thống này đòi hỏi đầu tư đáng kể, nhưng giá trị cao của cá hồi khiến phương pháp này khả thi về mặt kinh tế, đặc biệt khi kết hợp với năng lượng tái tạo để giảm chi phí điện năng.
Ngoài cá hồi, hệ thống RAS còn được sử dụng trong nuôi trồng thâm canh cá rô phi, cá chẽm, cá hồi, cá tráp vàng, cá mú châu Âu và các loài cá nước mặn và nước ngọt khác. Đối với các loài cá nhiệt đới nước ấm, khả năng duy trì nhiệt độ trên 24°C quanh năm cho phép tốc độ tăng trưởng rất cao, trong khi đối với các loài cá nước lạnh, nhiệt độ nước có thể được giữ ổn định dưới 16°C.
Tại nhiều quốc gia, hệ thống tuần hoàn đang được triển khai. khu vực đô thị hoặc ngoại ôTận dụng các tòa nhà công nghiệp hoặc nhà kho bỏ trống được chuyển đổi thành trang trại. de pecesVị trí gần các trung tâm tiêu thụ giúp giảm chi phí hậu cần, cải thiện độ tươi ngon của sản phẩm và tạo điều kiện thuận lợi cho các mô hình sản xuất "không khoảng cách".
Tác động môi trường và hiệu quả năng lượng
Từ góc độ môi trường, hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn và tái sử dụng (RAS) nổi bật nhờ lượng nước tiêu thụ thấp và lượng nước thải giảm đáng kể. Bằng cách tái chế tới 99% lượng nước hàng ngày trong các hệ thống tiên tiến nhất, tác động đến sông, hồ và vùng biển ven bờ được hạn chế tối đa, cả về lượng nước khai thác và lượng nước thải ra.
Chất thải rắn sinh ra dễ thu gom và xử lý hơn so với các hệ thống quy mô lớn. Thay vì phân tán trong lượng nước lớn, nó có thể được tập trung vào các dòng chảy cụ thể (ví dụ: rửa ngược bộ lọc trống) và được chuyển đến các nhà máy xử lý, cơ sở ủ phân hoặc thậm chí các quy trình để thu được khí sinh học hoặc phân bón.
Tuy nhiên, việc đảm bảo nguồn nước bền vững này đi kèm với lượng tiêu thụ năng lượng đáng kể , vì cần phải liên tục bơm, sục khí oxy, làm nóng và làm mát nước, cũng như vận hành các hệ thống lọc và khử trùng. Do đó, một trong những thách thức lớn là nâng cao hiệu quả năng lượng thông qua thiết kế thủy lực tối ưu, thiết bị hiệu suất cao và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, địa nhiệt, v.v.).
Tác động tổng thể đến môi trường của một hệ thống RAS được thiết kế tốt có thể thấp hơn nhiều so với các hệ thống truyền thống nếu tích hợp các chiến lược kinh tế tuần hoàn , chẳng hạn như tận dụng bùn thải, thu hồi nhiệt thải và kết hợp với hệ thống thủy canh hoặc nuôi trồng thủy sản đa tầng tích hợp để khép kín chu trình dinh dưỡng hơn nữa.
Sức khỏe của cá và mật độ thả nuôi
Một trong những ưu điểm chính của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) là khả năng hoạt động với mật độ thả nuôi cao mà không nhất thiết ảnh hưởng đến sức khỏe của cá, miễn là chất lượng nước và công tác quản lý được đảm bảo. Trong các ao nuôi truyền thống, mật độ thả nuôi tối đa thường bị giới hạn bởi khả năng thay thế nước tự nhiên; trong RAS, giới hạn này được thay thế bằng khả năng của hệ thống xử lý nước.
Việc kiểm soát oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH, nồng độ CO2, và nồng độ amoniac, nitrit và nitrat cho phép nuôi cá trong môi trường ổn định và ít gây căng thẳng hơn so với nhiều hệ thống nuôi mở. Với lượng oxy luôn ở mức tối ưu và các điều kiện khác được duy trì ổn định, hiệu quả chuyển hóa thức ăn được cải thiện , tốc độ tăng trưởng tăng lên và khả năng mắc bệnh giảm xuống.
Tuy nhiên, mật độ nuôi cao cũng tiềm ẩn rủi ro sức khỏe đáng kể nếu việc kiểm soát không hiệu quả. Dịch bệnh lây lan nhanh chóng, và bất kỳ sai sót nào trong quản lý chất lượng nước đều có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Do đó, nhiều hệ thống RAS được thiết kế với nhiều mô-đun độc lập trong cùng một hệ thống, để dịch bệnh bùng phát không ảnh hưởng đến toàn bộ trang trại.
Việc sử dụng tia cực tím hoặc hệ thống xử lý bằng ozone giúp giảm lượng mầm bệnh trong nước và, kết hợp với các quy trình an toàn sinh học nghiêm ngặt (vệ sinh thiết bị, luồng người, xử lý theo lô), cho phép duy trì mức độ vệ sinh rất cao ngay cả trong sản xuất thâm canh.
Các yếu tố kinh tế và sự mở rộng của RAS
Xét về khía cạnh kinh tế, hệ thống tuần hoàn đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao vào cơ sở hạ tầng và thiết bị. Bộ lọc trống, bộ lọc sinh học, máy bơm, hệ thống oxy hóa, khử trùng và điều khiển tự động chiếm một khoản chi phí vốn đáng kể so với các mô hình tuần hoàn rộng rãi hoặc bán thâm canh.
Thêm vào đó là chi phí vận hành, trong đó điện năng và bảo trì đóng vai trò quan trọng. Nhu cầu về nhân sự có trình độ chuyên môn để giám sát và quản lý hệ thống làm tăng thêm chi phí nhân công mà không phải trang trại nào cũng có khả năng đáp ứng, đặc biệt là trong bối cảnh giá năng lượng cao hoặc thiếu hụt lao động.
Tuy nhiên, những chi phí này có thể được bù đắp nhiều hơn nhờ việc tối ưu hóa sản xuất , được duy trì quanh năm không phụ thuộc vào mùa vụ, giảm thiểu tổn thất do dịch bệnh, cải thiện hiệu quả chuyển hóa thức ăn và khả năng bán sản phẩm có giá trị gia tăng cao hơn (ví dụ, liên quan đến các nhãn sinh thái công nhận tác động môi trường thấp của sản phẩm).
Tại các thị trường có nhu cầu cao về cá chất lượng cao, nguồn gốc địa phương và bền vững, tính khả thi của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS - Renewable Energy Sources) càng tăng. Hơn nữa, việc tích hợp năng lượng tái tạo có thể giảm đáng kể chi phí năng lượng, rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư. Không phải ngẫu nhiên mà nhiều trung tâm nghiên cứu và công ty công nghệ đang đầu tư mạnh vào lĩnh vực này, phát triển các giải pháp ngày càng tự động hóa và hiệu quả hơn.
Tích hợp với hệ thống thủy canh và hệ thống tuần hoàn.
Một trong những sự phát triển tự nhiên của hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn là sự kết hợp với trồng trọt, tạo ra hệ thống aquaponics . Trong trường hợp này, amoniac do cá thải ra được chuyển hóa thành nitrat thông qua quá trình nitrat hóa, và cây trồng sử dụng các chất dinh dưỡng này để phát triển, giúp loại bỏ nitơ khỏi nước.
Trong một hệ thống thủy canh được thiết kế tốt, cá sẽ bón phân hiệu quả cho cây trồng, và cây trồng sẽ làm sạch nước trước khi nước trở lại bể trồng. Do đó, đây là một hệ thống gần như khép kín , tạo ra rất ít chất thải và giảm thiểu các yếu tố đầu vào bên ngoài, đồng thời sản xuất sinh khối động thực vật có thể bán ra thị trường.
Tương tự như vậy, nuôi trồng thủy sản đa tầng tích hợp (IMTI) Phương pháp này đề xuất sử dụng chất thải của một loài làm nguồn tài nguyên cho một loài khác ở bậc dinh dưỡng khác. Ví dụ, vụ mùa đầu tiên. de peces hoặc các loài giáp xác có chất thải được sử dụng bởi các loài thân mềm ăn lọc và sau đó là tảo sử dụng các chất dinh dưỡng hòa tan dư thừa.
Sự kết hợp giữa hệ thống RAS và AMTI giúp khép kín chu trình dinh dưỡng, giảm thể tích và tải lượng hữu cơ trong nước thải, đồng thời tạo ra thêm sinh khối mà không cần tiêu thụ thêm nước . Hơn nữa, sự hiện diện của tảo và các quần thể vi sinh vật liên quan đã được chứng minh là giúp giảm thiểu một số nguy cơ bệnh lý ở cá, cải thiện sự cân bằng sinh thái của hệ thống.
Bằng cách thực hiện các chiến lược tuần hoàn này, nuôi trồng thủy sản tuần hoàn không chỉ tiết kiệm nước và đất mà còn cải thiện chất lượng nguồn nước sử dụng và giảm thiểu áp lực lên môi trường tiếp nhận, hoàn toàn phù hợp với các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn và quản lý nguồn nước bền vững.
Tổng hợp tất cả các đặc điểm này đã đưa hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn trở thành một trong những công cụ mạnh mẽ nhất để dung hòa sự tăng trưởng của ngành với việc bảo vệ nguồn nước, phúc lợi động vật và giảm thiểu tác động đến môi trường. Mặc dù đòi hỏi kỹ thuật và kinh tế cao, sự kết hợp giữa tiết kiệm nước, kiểm soát sản xuất toàn diện, tích hợp với hệ thống aquaponics và đa tầng dinh dưỡng, cùng với tính linh hoạt trong việc tiếp cận thị trường, đã khiến ngày càng nhiều dự án hướng đến hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn như nền tảng công nghệ cho ngành nuôi trồng thủy sản trong tương lai.
