Chất lượng nước trong mô hình trồng rau nuôi cá aquaponics

Bài viết này mô tả các khái niệm cơ bản về tầm quan trọng của nước trong mô hình trồng rau nuôi cá – aquaponics. Cách quản lý nước trong hệ thống trồng rau nuôi cá. Các thông số về chất lượng nước sẽ được thảo luận chi tiết hơn. Cuối cùng là thảo luận về các nguồn cung cấp nước để bổ sung cho hệ thống.

1. Phạm vi hoạt động chịu đựng của sinh vật.

Để một hệ trồng rau nuôi cá phát triển tốt, chúng ta cần phải tìm cách duy trì cân bằng hệ sinh thái của ba nhóm sinh vật là cá, thực vật và vi khuẩn. Tất nhiên mỗi sinh vật có một dải chịu đựng riêng nhưng tất cả đang hoạt động trong một hệ thống nên cần có sự thỏa hiệp. Do vậy một số sinh vật đương nhiên sẽ không hoạt động ở mức tối ưu.

Nhiệt độ thích hợp cho aquaponic là 18-30°C. Tuy nhiên nên dựa theo từng loại cá và cây trồng để điều chỉnh. Vi khuẩn cũng phát triển mạnh trong phạm vi này. Để tối ưu quan trọng chúng ta phải chọn loại cá thích hợp với thực vật được trồng.

Mục tiêu chung là duy trì một hệ sinh thái lành mạnh để đáp ứng yêu cầu cá, rau và vi khuẩn phát triển đồng thời. Vì vậy Bảng 2 minh họa thông số lý tưởng cho chất lượng nước trong aquaponics để hệ hoạt động ổn định. Hai thông số quan trọng nhất là là pH và nhiệt độ. Khuyến cáo độ pH nên duy trì ở mức 6-7 hoặc hơi axit.

2. Năm thông số chất lượng nước quan trọng nhất

a. Oxy hoà tan vào nước trong mô hình trồng rau nuôi cá 

Oxy là thành phần không thể thiếu cho cả thực vật, cá và vi khuẩn. Mức độ oxy hòa tan (DO) được đo bằng miligam/lít. Oxy có tác động ngay lập tức đối với aquaponics. Quả vậy, cá có thể chết chỉ trong vòng vài giờ nếu oxy quá thấp. Các thiết bị oxy hòa tan chính xác thường khó tìm và đắt đỏ vì vậy trong các hệ thống trồng rau nuôi cá quy mô hộ gia đình hoặc nhỏ thường theo dõi hành vi của cá để phát hiện sự cố do Oxy hoặc sử dụng các bộ test chỉ số DO giá rẻ.

Thường với các hệ thống tính toán cụ thể, thông số của bơm và sục khí việc duy trì hoạt động ổn định của chúng sẽ khiến cho sự cố do Oxy hiếm khi xảy ra.

Trong aquaponics mật độ cá quá cao do đó DO tự nhiên không đáp ứng nhu cầu của cá visinh và thực vật do đó cần bổ sung thông qua máy bơm nước, và sục khí.

Các phương pháp thiết kế và dự phòng đảm bảo chỉ số DO sẽ được thảo luận thêm trong Chương 4. Một số loài cá, bao gồm cả cá chép và cá rô phi, có thể chịu được mức oxy hòa tan từ 2-3 mg/lít, nhưng sẽ an toàn hơn khi có mức oxy cao. Mức oxy hòa tan tối ưu là 5-8 mg / lít.

Mức oxy hòa tan biến thiên theo nhiệt độ nước. Cụ thể nhiệt độ tăng DO giảm do vậy cần để ý vấn đề này khi thời tiết quá nóng thì cần phải tăng cường sục khí Oxy.

b. Độ Ph của nước trong mô hình trồng rau nuôi cá

Kiến thức về pH cần thiết cho việc quản lý hệ thống aquaponic. Độ pH của dung dịch có giá trị từ 1 đến 14.

• pH bằng 7 là trung hòa
• pH dưới 7 là tính axit
• pH trên 7 là bazơ

Thuật ngữ pH được định nghĩa từ lượng ion hydro (H+) trong dung dịch. Dung dịch càng có nhiều ion hydro, càng có tính axit.

Tầm quan trọng của pH

Độ pH của nước có tác động rất lớn đến tất cả các khía cạnh của aquaponics, đặc biệt là thực vật và vi khuẩn.

+ Đối với thực vật, độ pH kiểm soát sự hấp thụ vi chất và các chất dinh dưỡng đa lượng. Ở pH 6.0-6.5, tất cả các chất dinh dưỡng đều có thể hấp thụ, nhưng ngoài phạm vi này thì ngược lại. Trong thực tế, độ pH >= 7,5 có thể dẫn đến thiếu hụt sắt, photpho và mangan. Hiện tượng này được biết đến như là sự khóa hấp thụ của chất dinh dưỡng.

Vi khuẩn nitrat hóa thường gặp khó khăn khi pH ở mức dưới 6 điều đó có nghĩa là khả năng biến đổi amoniac thành nitrit rồi thành nitrat giảm khi nước có tính axit. Điều này có thể làm công suất của lọc sinh học khiến nồng độ amoniac tăng có khả năng làm ngộ độc cá và làm cho hệ thống không cân bằng.

Mỗi loại cá đều có một dải chịu đựng pH khác nhau riêng với cá nuôi trong aquaponics nên chọn những loại có mức pH phù hợp từ 6,0 – 8,5.  Độ pH ảnh hưởng đến cả độc tính của amoniac lên cá. pH càng cao độc tính của amoniac càng mạnh.

Tóm lại, độ pH lý tưởng trong hệ thống aquaponic là từ 6 – 7. Dải pH lý tưởng này sẽ giữ cho vi khuẩn hoạt động ở công suất cao, đồng thời cho phép cây trồng tiếp cận đầy đủ các vi chất và vi lượng cần thiết. Dải pH  từ 5,5 -7,5 sẽ được thảo luận thêm trong Phần 3.5. Độ pH dưới 5 hoặc trên 8 là một vấn đề nghiêm trọng và cần điều chỉnh ngay lập tức.

Ảnh hưởng của các quá trình sinh học và hóa học diễn ra trong aquaponics lên pH

• Quá trình nitrat hóa
  Quá trình này làm giảm độ pH của hệ thống do vi khuẩn tự giải phóng các ion hydro trong quá trình chuyển amoniac thành nitrat. Theo thời gian, hệ thống aquaponic sẽ dần dần trở nên có tính axit do sự hoạt động mạnh của vi khuẩn nitrat hóa.
• Mật độ cá
  Cá khi hô hấp giải phóng CO2  rồi tiếp đó CO2 chuyển thành axit cacbonic (H2CO3) khi tiếp xúc với nước. Mật độ thả càng cao CO2 càng nhiều do đó càng nhiều axit được sinh ra và hậu quả là giảm pH.
• Thực vật phù du
  Trong quá trình quang hợp của sinh vật phù du, tảo và các loài thực vật thủy sinh hút CO2 do đó làm tăng độ pH. Do quang hợp vào ban ngày nên pH sẽ cao hơn so với ban đêm. Tuy vậy trong aquaponics tảo và thực vật phù du ít nên tác động không đáng kể đến pH

c. Nhiệt độ của nước trong mô hình trồng rau nuôi cá

Nhiệt độ tối ưu cho aquaponics là từ 18-30°C. Nhiệt độ ảnh hưởng đến độc tính của amoniac cho cá và lượng oxy hòa tan. Ngoài ra nhiệt độ cao sẽ hạn chết hự hấp thu canxi của thực vật.

Việc thay đổi nhiệt độ nước kéo theo chi phí về năng lượng vì vậy nên lựa chọn cá và cây trồng phù hợp với nhiệt độ môi trường.

Rô phi, chép, trê nói riêng hay cá nước ấm nói chung và vi khuẩn nitrat hóa phát triển mạnh ở dài nhiệt từ 22 – 29°C. Một số loại rau như cải, đậu bắp và húng quế cũng phát triển tốt ở nhiệt độ này. Xà lách, dưa chuột phát triển mạnh ở nhiệt độ mát hơn từ 10 -26°C …

Cũng có những biện pháp kỹ thuật để giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ, kéo dài mùa vụ trồng như việc che chắn bể cá bộ lọc  … hoặc làm nhà màng, nhà kính . Sử dụng năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ khi thấp hơn 15°C…

Ngoài ra có thể sản xuất rau, cá theo mùa cho phù hợp với khí hậu địa phương. Cần chọn cá có thời gian thu hoạch ngắn, thực vật hợp theo mùa.

d. Nitơ: amoniac, nitrit, nitrat trong nước

Các chỉ số Nitơ là thông số chất lượng quan trọng thứ tư trong mô hình trồng rau nuôi cá. Nguồn nitơ đầu vào của hệ thống trồng rau nuôi cá là từ thức ăn cho cá (thường được tính theo phần trăm protein trong thức ăn). Nên chọn loại thức ăn có độ đạm cao, trên 30% đạm.

Cá sử dụng 1 phần protein để tăng trưởng, phần còn lại sẽ được thải ra hầu hết ở dạng amoniac trong nước tiểu , phân cá là chất thải rắn và một số trong chất thải rắn đó được chuyển thành amoniac do hoạt động của vi sinh vật.

Amoniac trải qua quá trình nitrat hóa bởi vi khuẩn và chuyển thành nitrit (NO2-) và nitrate (NO3-). Độ độc của amoniac và nitrit gấp xấp xỉ 100 lần so với nitrat. Trong hệ thống aquaponics nồng độ amoniac và nitrit phải ở mức gần bằng không hoặc tối đa là 0,25-1,0 mg/lít.

Tác động của nồng độ amoniac cao

• Amoniac là chất độc đối với cá. Ở mức 1.0 mg/l rô phi và chép đã có các dấu hiệu ngộ độc ở mang cá và các triệu chứng khác. Cá có các vệt đỏ trên cơ thể, lờ phờ và thở thoi thóp  hổn hển trên mặt nước.

1. 1. Độc tính amoniac thực sự phụ thuộc vào cả pH và nhiệt độ,cụ thể pH và nhiệt độ nước cao hơn sẽ làm cho amoniac trở nên độc hại hơn. Về mặt hóa học, amoniac có thể tồn tại ở hai dạng trong nước, bị ion hóa thành NH4+ và NH3. Tổng lượng nitơ ở dạng NH3 và NH4+ trong nước gọi TAN. Bộ dụng cụ xét nghiệm nước không thể phân biệt giữa hai dạng này. Trong điều kiện axit, amoniac liên kết với các ion hydro dư thừa (pH thấp có nghĩa là nồng độ H + cao) và trở nên ít độc hơn. Dạng ion hóa này được gọi là amoni. Tuy nhiên, trong điều kiện cơ bản (pH cao, trên 7), không có đủ các ion hydro thì amoniac vẫn ở trạng thái độc hại hơn.
   2. Nồng độ moniac quá cao có ảnh hưởng ngay lập tức và cá có thể chết rất nhanh. Ko những thế nồng độ thấp trong một thời gian dài vẫn có thể dẫn đến cá bị căng thẳng và tăng tỷ lệ mắc bệnh.
   3. Nồng độ amoniac cao cũng giảm đánh kể khả năng hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa. Ở mức cao hơn 4 mg/lít amoniac sẽ gây ức chế, giết chết vi khuẩn và nồng độ amoniac tăng lên nhiều hơn.

• Tác động của nitrit
  Nitrit là chất độc cho cá tương tự như amoniac, nitrit tác động đến cá khi nồng độ từ 0,25 mg/lít. Nitrit ngăn cản quá trình vận chuyển oxy trong máu cá nêu ở mức quá cao cá sẽ bị thiếu o2 mặc dù DO cao và sẽ chết rất nhanh .

• Triệu chứng ngộ độc nitrit là máu cá có màu nâu đen, triệu chứng cũng có thể thấy ở mang cá và các triệu chứng khác tương tự như ngộ độc amoniac, như thở hổn hển ngay cả khi nồng độ ôxy hòa tan cao. Sức khoẻ cá được đề cập chi tiết hơn trong Chương 7.
• Tác động của nitrat
  Nitrat ít độc hơn với cá. Đây là dạng nitơ dễ hấp thụ nhất với thực vật. Cá có thể chịu được mức nitrat cao thậm chí lên tới 300 – 400mg/l nhưng với mức cao hơn 250 mg/lít nitrat có tác động tiêu cực đến thực vật, dẫn đến tăng trưởng quá mức và tích tụ nitrat trong lá, gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người. Vì vậy trong aquaponics chỉ nên giữ nitrat ở mức 5-150 mg/lít.

e. Độ cứng của nước trong mô hình trồng rau nuôi cá

Độ cứng của nước bao gồm độ cứng tổng (GH) và độ cứng cacbonat (KH).GH không tác động lớn đến mô hình trồng rau nuôi cá. Ngược lại (KH) lại tác động khá nhiều đến mô hình này.

• Độ cứng tổng (GH) là thước đo của ion dương trong nước.
  GH chủ yếu là tổng lượng ion canxi (Ca2+) và magiê (Mg2+) có trong nước. Cả hai ion Ca2+ và Mg2+ đều là những chất dinh dưỡng thiết yếu của thực vật. Trong thực tế, canxi trong nước có thể ngăn ngừa cá mất đi các loại muối khác và làm cho cá khoẻ mạnh hơn.
• Độ cứng KH hay độ cứng cacbonat: Còn được gọi là độ kiềm, là thước đo khả năng đệm của nước
  Độ cứng cacbonat là tổng lượng cacbonat (CO32-) và hydro cacbonat (HCO3-) hoà tan trong nước. Nó cũng được đo bằng miligam CaCO3 / lít. Nói chung, mức KH được cân nhắc vào khoảng 121-180 mg/lít.
• Độ cứng carbonate trong nước có tác động đến mức độ pH. Nói một cách đơn giản, KH hoạt động như một tác nhân đối kháng với việc giảm độ pH. Nếu không có cacbonat và bicacbonat trong nước, độ pH sẽ nhanh chóng giảm xuống vì vậy cần duy trì nồng độ KH trong nướcđể giữ cho pH hệ thống ổn định chống lại quá trình axit hóa gây ra bởi quá trình nitrat hóa. Phần tiếp theo mô tả phương pháp ổn định pH dựa vào độ cứng KH này.

Mức tối ưu cho cả GH và KH là khoảng 60 -140 mg/lít. Nhưng điều quan trọng là nước bổ sung cho hệ trồng rau nuôi cá phải có nồng độ KH thích hợp. Nhằm trung hòa axit nitric trong quá trình nitrat hóa.