Chương 4: Các Mẫu Thiết Kế Cho Hệ Thống Aquaponics

Chương này thảo luận về lý thuyết và thiết kế hệ thống aquaponic. Có nhiều khía cạnh thiết kế cần xem xét, vì hầu như tất cả các yếu tố môi trường và sinh học sẽ có tác động đến hệ sinh thái aquaponic. Mục đích của chương này là trình bày các khía cạnh này theo cách dễ tiếp cận nhất và cung cấp một lời giải thích kỹ lưỡng về từng thành phần trong một hệ thống aquaponic.

Mục lục bài viết ẩn 4.1 Lựa chọn địa điểm 4.1.1 Tính ổn định 4.1.2 Mưa gió 4.1.3 Ánh sáng mặt trời và bóng mát 4.1.4 Tính tiện ích 4.1.5 Aquaponics trên sân thượng 4.1.6 Nhà kính và nhà lưới 4.2 Các thành phần cần thiết của aquaponic 4.2.1 Bể cá 4.2.2 Lọc – cơ học và sinh học 4.2.3 Mẫu trồng rau trong hệ thống: Media beds, NFT, DWC. 4.2.4 Dòng nước 4.2.5 Sục khí 4.2.6 Bể chứa hay bể hồi (Sump tank) 4.2.7 Đường ống 4.2.8 Bộ dụng cụ test nước 4.3 Hệ thống aquaponic sử dụng lớp giá thể (Media Bed) 4.3.1 Dòng nước 4.3.2 Xây dựng một hệ thống Lớp giá thể (Media bed) 4.3.3 Lựa chọn giá thể 4.3.4 Lọc cơ học và vi sinh 4.3.5 Ba tầng trong khay rau 4.3.6 Cấp nước cho khay giá thể 4.4 Hệ thống aquaponic màng dinh dưỡng NFT 4.4.1 Dòng nước 4.4.2 Lọc cơ học và vi sinh 4.4.3 Xây dựng một hệ thống NFT 4.5 Hệ thống aquaponic canh tác nước sâu DWC 4.5.1 Dòng nước 4.5.2 Lọc cơ học và vi sinh 4.5.3 Khay rau trong hệ DWC 4.5.4 Trường hợp đặc biệt DWC: mật độ cá thấp, không có bộ lọc 4.6 So sánh 3 kiểu mô hình trong aquaponic. 4.7 CHƯƠNG TÓM TẮT

Một số hình ảnh minh họa các mẫu thiết kế Aquaponics thường được sử dụng

Chương này chỉ giải thích các thành phần cơ bản của các mô hình aquaponic khác nhau. Để tìm hiểu thông tin về tỷ lệ, kích cỡ, vui lòng xem phụ lục 8 – cung cấp hướng dẫn từng bước để xây dựng một hệ thống aquaponics quy mô nhỏ của cả ba phương pháp được giải thích trong chương này.

4.1 Lựa chọn địa điểm

Lựa chọn địa điểm là một khía cạnh quan trọng phải được xem xét trước khi xây dựng một hệ thống aquaponic. Phần này thường đề cập đến các hệ thống aquaponic được xây dựng ngoài trời mà không có nhà kính. Tuy nhiên, có những nhận xét ngắn gọn về nhà kính và cấu trúc lưới che cho các hệ thống lớn hơn.

Điều quan trọng cần nhớ là một số thành phần của hệ thống có trọng lượng rất lớn  khó di chuyển vì thế cần cân nhắc tính toán thật kỹ trước khi thi công.

4.1.1 Tính ổn định

Nên chọn vị trí bằng phẳng có nền cứng để tránh bị lún. Tốt nhất là thi công trên lớp bê tông hoặc gạch cứng. Nếu xây dựng trên đất nền thì nên rải một lớp đá sỏi xung quanh để tránh cỏ dại.

4.1.2 Mưa gió

Mứa lớn gió mạnh có thể tác động xấu đến cây trồng, hư hỏng hệ thống điện, làm loãng dinh dưỡng và có thể làm tràn bể. Khu vực có mưa nhiều lớn khuyến cáo đặt hệ thông trong nhà màng để hạn chế tác động của mưa gió.

4.1.3 Ánh sáng mặt trời và bóng mát

+ Ánh sáng mặt trời là yếu tố rất quan trọng đối với cây trồng, hầu hết các loài thực vật đều phát triển tốt. Tuy nhiên, nếu cường độ sáng quá mạnh một số loại rau màu có thể héo rất nhanh, nhẹ hơn thì bị đắng và không ngon. Vì vậy, cần có biện pháp cắt năng hoặc phủ bóng hạn chế cường độ ánh sáng.

+ Ngược lại ở những vùng không có ánh sáng cây trồng sẽ tăng trưởng rất chậm, chỉ có thể trồng những loại cây chịu bóng hoặc sử dụng đèn led chuyên dụng cho cây trồng.

+ Nên thiết kế chiều dài hệ thống theo chiều Bắc – Nam để tận dụng ánh sáng của mặt trời vì mặt trời di chuyển từ Đông – Tây,  làm ngược lại nếu muốn hạn chế ánh sáng.

+ Cá không cần ánh sáng vì vậy cần sử dụng một lớp lưới dày hoặc che bể cá, điều này còn hạn chế sự phát triển của tảo duy trì nhiệt độ bể cá ổn định và ngăn cá nhảy ra ngoài quyên sinh 😀 .

Ngoài ra cần ngăn lá cây, bụi bẩn, nilon bay vào bể cá vì chúng sẽ làm thay đổi thành phần hóa học trong nước hoặc gây tắc nghẽn hệ thống bơm.

4.1.4 Tính tiện ích

Lựa chọn vị trí thi công hệ thống cần để ý một số yếu tố như nguồn điện (trang bị CB chống giật giảm thiểu nguy cơ điện giật) nơi thoát nước vì aquaponic thỉnh thoảng cũng vệ sinh bộ lọc vi sinh hay bể cá. Vì thế cầntính toán để tận dụng dòng nước thải sử dụng cho các loại rau xung quanh.

Hệ thống nên đặt ở nơi dễ đi lại vì phải theo dõi hệ thống thường xuyên và cho cá ăn hàng ngày.

4.1.5 Aquaponics trên sân thượng

Sân thượng rất thích hợp cho aquaponic vì cách ly khá xa với đất. Tuy nhiên, cần phải để tâm đến khả năng chịu lực của nó

4.1.6 Nhà kính và nhà lưới

Hệ thống aquaponics quy mô nhỏ có thể không cần thiết làm nhà kính hoặc nhà lưới. Tuy nhiên với những nơi có khi hậu lạnh hoặc muốn kéo dài mùa vụ trồng, giảm thiểu sâu bệnh, tăng năng suất thì nhà kính nhà lưới là cần thiết.

Với những vùng khí hậu lạnh nhà kính cho phép ánh sáng mặt trời ( bức xạ mặt trời) đi vào để tăng nhiệt độ bên trong nhà kính. Ngoài ra nó còn có tác dụng bảo vệ hệ thống khỏi mưa gió, cách ly sâu bệnh.

Tuy nhiên, nhà kính có những hạn chế là chi phí ban đầu cao, chi phí vận hành cũng tăng do phải dùng quạt đối lưu tránh cho môi trường trong nhà kính quá nóng hoặc quá ẩm ướt.

4.2 Các thành phần cần thiết của aquaponic

Tất cả các hệ thống aquaponic đều có những thành phần chung đó là: Bể cá, bộ lọc cơ, bộ lọc vi sinh và giá thể trồng cây. Tất cả đều sử dụng điện để tuần hoàn nước và sục khí.

4.2.1 Bể cá

Bể cá là một thành phần không thể thiếu trong aquaponic, bể cá chiếm khoảng 20% chi phí của cả hệ thống. Các khía cạnh cần xem xét khi chọn bể cá gồm hình dạng, vật liệu và màu sắc.

• Hình dạng Bể tròn đáy phẳng là loại bể cá được khuyên dùng bởi hình dạng tròn cho phép nước chảy vòng quanh và đưa chất thải rắn vào tâm bể. Bồn vuông chữ nhật chấp nhận được nhưng khó khăn cho việc loại bỏ chất thải rắn. Hình dạng bể cá sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng tuần hoàn nước vì vậy tránh chọn bể có hình thù kì dị có nhiều điểm chết.
• Vật liệu Vật liệu tốt nhất là nhựa LDPE vì độ bền cao vần toàn, tuy nhiên nếu muốn giảm chi phí thì nên sử dụng vật liệu sợi thủy tinh hoặc nhựa vì giá rẻ và cũng rất bền. Xem xét khả năng chống tia UV của nhựa nếu đặt ngoài trời. Bể xi măng cũng tạm chấp nhận, khi tận dụng thùng nhựa cũ cho tiết kiệm hơn nữa cần đảm bảo thùng đó không được dùng để đựng hóa chất độc hại vì một số loại dung môi có thể ngấm sâu không cách nào rửa sạch.
• Màu sắc Các màu sáng ví dụ như màu trắng được khuyên dùng vì chúng dễ dàng cho phép quan sát hành vi của cá và lượng chất thải ở đáy bể. Màu trắng cũng phản xạ ánh sáng tốt hơn qua đó giữ nước mát hơn.

Mái che

Bể cá ngoài trời nên có mái che để hạn chế tảo phát triển và tránh cả cá nhảy ra ngoài, ngăn lá cây,bụi, mèo và chim tấn công cá.

Đảm bảo nguồn nước.

Luôn đảm bảo nguồn nước đủ cho hệ thống hoạt động ổn định, nêu có hệ thống tự động bù nước hao hụt

4.2.2 Lọc – cơ học và sinh học

Lọc cơ

Lọc cơ là bộ phận có nhiệm vụ tách và loại bỏ chất thải rắn, chất thải từ bể cá . Chất thải có thể làm tắc nghẽn ống dẫn nước vi vậy lọc cơ là cần thiết với mỗi hệ aquaponics.

Có nhiều kiểu thiết kế lọc cơ, đơn giản nhất chỉ là 1 thùng lọc cơ đặt giữa bể cá và khay rau. Đối với các hệ thống lớn lơn , bộ lọc phải thiết kế phức tạp hơn bao gồm nhiều cấp như bể lắng, bể lọc ly tâm, lọc cát, lọc vách… Trong phần này chúng ta chỉ đề cập đến bộ lọc cơ phù hợp với aquaponic quy mô nhỏ.

Nước chảy nhanh sẽ mang đi nhiều hạt và ngược lại vì vậy chúng ta dùng nguyên lý này để thiết kế bộ lọc cơ để giữ lại cặn. Tăng tốc nước chảy từ bể cá sang lọc và  sau đó giảm tốc độ trong bộ lọc để các hạt lắng xuống.

Đối với dạng lọc ly tâm, chuyển động tròn của nước làm cho chất thải rắn đọng vào giữa đáy, chỉ cần lắp 1 vòi hút nhỏ ở giữa lọc cơ là có thể xả phân đáy vệ sinh lọc rất dễ dàng, việc khoáng hóa lượng chất thải rắn này sẽ nói trình bày ở phần sau.

Lọc vi sinh

Lọc vi sinh là nơi diễn ra quá trình nitrat hóa chuyển đổi amoniac thành nitrat nhờ vi khuẩn. Bộ lọc cơ không thể lọc phần lớn chất thải cá vì chất thải được hòa tan trong nước, kích thước hạt quá nhỏ để có thể loại bỏ bằng lọc cơ hoặc máy móc. Trong aquaponic, lọc vi sinh là chỗ trú ngụ và cung cấp điều kiện tốt nhất cho vi khuẩn phát triển. Với hệ thống mediabed đúng tỉ lệ thì lọc vi sinh là không cần thiết vì giá thể sỏi hoặc đất nung đóng vai trò như lọc vi sinh .

Bộ lọc vi sinh được thiết kế nằm giữa lọc cơ và khay trồng cây. Bên trong lọc visinh chứa các hạt có diện tích bề mặt lớn và phải có kèm theo sục khí để cung cấp môi trường nhiều oxy cho vi khuẩn phát triển mạnh.

Thể tích tối thiểu của lọc vi sinh phải bằng 1/6 thể tích bể cá.

Giá thể vi sinh cần chọn những loại hạt có diện tích bề mặt lớn ví dụ thường dùng là hạt kaldnes, biochip. Có thể tận dụng nắp chai, ống hút … nhưng chắc chắn phải đủ diện tích bề mặt và dễ vệ sinh.

Như đã nói ở trên bộ lọc vi sinh không thể ko có sục khí, vi khuẩn cần nồng độ DO cao và ổn định mới phát triển mạnh mẽ được, sục khí còn giúp tự làm sạch hạt lọc và phá vỡ chất thải rắn, chất lơ lửng

Khoáng hóa

Lượng chất thải rắn trong aquaponics là khá lớn, và thật bất ngờ hàm lượng dinh dưỡng ở loại chất thải này lại rất cao. Tuy vậy việc xử lý chất thải rắn này khác với cách xử lý trong bộ lọc vi sinh.

Theo lý thuyết chất thải rắn cần thời gian rất lâu để khoáng hóa. Vì vậy lượng chất thải này tồn tại trong hệ thống càng lâu thì khả năng khoáng hóa càng lớn và càng có nhiều chất dinh dưỡng. Nhưng lượng chất thải này tăng nguy cơ tắc ống nước, khử oxy, khử nito nên với mô hình aquaponics quy mô nhỏ sử dụng nft và dwc tốt nhất nên tách ra một thùng riêng sục khí đầy đủ. Sau một thời gian lọc lấy phần nước trong đổ lại vào hệ

Không nhất thiết phải khoáng hóa mà có thể dùng chất thải rắn như là một loại phân bón rất tốt cho cây.

4.2.3 Mẫu trồng rau trong hệ thống: Media beds, NFT, DWC.

Phần này sẽ thảo luận về 3 mẫu thiết kế trong bộ tài liệu này đó là

• Media beds : Sử dụng lớp giá thể ví dụ như hạt dất nung, sỏi núi lửa
• Màng dinh dưỡng NFT : Trồng rau trên ống PVC, ống thủy canh chuyên dụng
• Dòng chảy sâu DWC : Sử dụng bè xốp làm giá thể

Xem Mục 4.3-4.6 để biết thêm chi tiết.

4.2.4 Dòng nước

Dòng nước ví như mạch máu trong aquaponic,nước chảy từ bể cá đi qua lọc cơ, lọc vi sinh, đến khay rau rồi hồi lại bể cá. Nếu dòng chảy đột nhiên bị dừng chất thải trong bể cá sẽ bị tích tụ lại, oxy trong nước giảm bất lợi cho cả cá., rau và vi sinh.

Nước trong hệ thống phải tuần hoàn liên tục. Trong 1h tổng lưu lượng dòng nước xoay vòng phải gấp 2 lần tổng lượng nước của hệ đối với hệ thống thả cá với mật độ cao, và xoay vòng 1 lần với hệ thống mật độ thấp.

Ví dụ: tổng thể tích nước trong hệ là 2000l thì với mật độ nuôi cá cao cần phải luẩn chuyển nước 4000l/h và 2000l/h nếu mât độ thấp

Máy bơm nước chìm

Thông thường máy bơm nước chìm sử dụng cánh quạt đóng vai trò trái tim của hệ thống aquaponics vì nó tạo nên dòng chảy của nước trong hệ. Máy bơm chìm được khuyên dùng hơn là bơm cạn bởi công suất lớn, hoạt động trong nước sẽ được làm mát nên tuổi thọ bền hơn.

Ngược lại bơm ngoài chi phí cao hơn và phù hợp hơn cho các hệ thống lớn hơn.

Các loại bơm công suất cao chất lượng tốt được khuyên dùng hơn các loại bơm nhỏ kém chất lượng. Ống dẫn nước từ bơm được khuyên sử dụng size to nhất với thông số của bơm hạn chế co nối vật cản để tối ưu lượng nước luân chuyển. Ngoài ra ống to cũng bớt vấn đề cặn đọng trong ống hơn

Lưu ý lắp đặt bơm ở vị trí dễ tiếp cận để có thể dễ dàng vệ sinh bơm.

4.2.5 Sục khí

Thiết lập sục khí cho bể cá và vi sinh cũng như dwc để tăng nồng độ DO hòa tan lên mới >5mg/l .

Venturi siphons

Để tăng oxy hòa tan trong aquaponics có thể áp dụng kỹ thuật Venturi.  Venturi sử dụng nguyên lý để hút khí từ bên ngoài với chi phí cực thấp, nên áp dụng venturi với đường cấp nước vào DWC. Tự chế venturi có hướng dẫn rất nhiều nên sẽ không đề cập ở tài liệu này

4.2.6 Bể chứa hay bể hồi (Sump tank)

Nước chảy từ cao xuống thấp vì vậy bể chứa thường đặt ở nơi thấp nhất hệ thống để gom nước sau một chu trình tuần hoàn và đây cũng là nơi thường đặt bơm chìm của hệ . Thể tích bể chứa bằng 1/4 – 1/3 thể tích bể cá. Cũng phải tính toàn bể hồi đủ lớn để chứa được hết nước trong khay rau.(Phần 4.3)

Sump tank chủ yếu được sử dụng trong mô hình Media bed; Tuy nhiên, mô hình DWC cũng có thể được sử dụng như là một Sump tank. Hệ thống bể cá có thể tích dưới 200l có thể không cần bể hồi nhưng với hệ thống lớn bể hồi rất có ích.

Đặt bơm chìm trong bể chứa là phương pháp tối ưu nhất. Phương pháp này giữ cho mực nước trong bể cá ổn định ngay cả khi nước rò rỉ ở bất cứ chỗ nào trừ bể cá.

Lượng nước thiếu hụt có thể quan sát được ở bể hồi. Cách đảo bảo mực nước được an toàn sẽ được thảo luận ở phần 9.2

4.2.7 Đường ống

Hệ thống aquaponic yêu cầu sử dụng đường ống bằng PVC, phụ kiện khác như van nước, co nối, kết nối ống … cũng làm bằng PVC.

Ngoài ra cần 1 số dụng cụ như búa, máy khoán, máy cắt, cưa tay, kìm điện , tua vít …  Phần phụ lục 8 sẽ trình bày chi tiết hơn về các dụng cụ này.

4.2.8 Bộ dụng cụ test nước

Một số bộ dụng giá thành không quá cao và dễ sử dụng có thể mua ở những hàng cá cảnh như bộ test của Sera, API có thể kiểm tra nồng độ amoniac, nitrat, nitrit, pH , Fe …

4.3 Hệ thống aquaponic sử dụng lớp giá thể (Media Bed)

Mô hình aquaponic quy mô nhỏ phổ biến kiểu thiết kế này. Chi phí ban đầu cho thiết kế . Đây là kiểu thiết kế tương đối đơn giản và có hiệu quả ngay khi mới khởi động hệ .

Tuy nhiên, chi phí cho thiết kế này ở quy mô lớn lại quá đắt đỏ, nặng nề và có khả năng gặp sự cố tắc giá thể khi mật độ cá quá lớn.

4.3.1 Dòng nước

Dòng cước chảy từ bể cá qua một bộ lọc cơ đơn giản rồi đến các khay rau tiếp tục đi xuống bể chứa, và cuối cùng được bơm lại bể cá – hoàn tất một chu kỳ tuần hoàn nước . Nước trong khay rau được thiết kế dâng ngập xả cạn liên tục bằng cách sử dụng siphon, kiểu thiết kế dùng siphon có tạc dụng tăng oxy cho rễ cây và thúc đẩy vi khuẩn nitrat hóa trong khay phát triển.

Cũng có thể thiết kế nước chảy tràn hoặc sử dụng cách tưới nhỏ giọt.

4.3.2 Xây dựng một hệ thống Lớp giá thể (Media bed)

Vật liệu khay rau

Khay rau có thể được làm từ nhựa LDPE, HDPE, sợi thủy tinh, hoặc khung gỗ lót bạt HDPE.  Hầu hết các mô hình media beds đều làm từ nhựa, tuy nhiên có thể lựa chọn bất cứ loại vật liệu nào đảm bảo đủ được các yêu cầu sau:

• Chịu được trọng lượng của nước và giá thể bên trong
• Chống chịu được thời tiết khắc nghiệt
• Vật liệu an toàn cho cá, rau và vi khuẩn.
• Vật liệu trơ về mặt hóa học với nước, dung dịch thủy canh
• Dễ dàng kết nối với hệ thống dẫn nước.

Kích thước và hình dạng

Kích thước chuẩn của khay rau media beds là hình chữ nhật rộng 1m dài 1-3m.  Không nên làm khay quá dài dễ tích tụ chất thải rắn tại các điểm đặt siphon tạo điều kiện cho vi khuẩn kỵ khí dễ dàng phát triển. Không nên làm khay quá rộng vì khó thu hoạch.

Độ sâu

Các loại cây lớn bộ rễ dài như đậu bắp cà chua, cải bắp thì chiều sâu khay rau nên có chiều sâu là 30cm nếu không đủ chiều sâu rất dễ thiếu dinh dưỡng. Còn các loại rau ăn lá nhỏ hơn thì chỉ cần sâu 15 – 20cm. Thực tế nếu đủ dinh dưỡng một số cây lớn vẫn sống tốt khi độ sâu khay không đủ.

4.3.3 Lựa chọn giá thể

Gía thể lựa chọn cần có diện tích bề mặt rộng, thông thoáng, có chỗ trú ngụ cho vi khuẩn .  Mặt khác giá thể phải trơ về mặt hóa học không bụi không độc hại và có độ pH trung tính để không ảnh hưởng đến chất lượng nước.

Điều quan trọng là cần thiết phải rửa giá thể để loại bỏ cát bụi, những hạt nhỏ có khả năng gây hại cho cá trước khi sử dụng

Cụ thể các tiêu chí của giá thể:

• Diện tích bề mặt lớn, có các lỗ li ti cho vi khuẩn trú ngụ và phát triển
• PH trung tính, trơ và không độc hại với toàn hệ thống
• Có khả năng thoát nước tốt
• Trọng lượng nhẹ càng tốt
• Vật liệu dễ tìm,rẻ

Một số loại giá thể thường được sử dụng

Sỏi núi lửa

Sỏi núi lửa là giá thể phổ biến nhất để sử dụng cho các hệ thống sử dụng lớp giá thể nếu có sẵn(Hình 4.53).

Ưu điểm tốt nhất của sỏi núi lửa

Tỷ lệ diện tích bề mặt rất cao khoảng 300 m2 / m3, tùy thuộc vào kích thước hạt, có nhiều lỗ nhỏ cung cấp không gian rộng rãi cho vi khuẩn trú ngụ.

Sỏi núi lửa có rất nhiều ở nhiều nơi trên thế giới. Sau khi được rửa sạch bụi bẩn, sỏi núi lửa gần như hoàn toàn trơ về mặt hóa học, ngoại trừ việc giải phóng các nguyên tố nhỏ như sắt và magiê và sự hấp thụ các ion photphat và kali trong vài tháng đầu khi hệ thống hoạt động.

Kích thước được khuyến nghị của sỏi núi lửa có đường kính 8-20 mm. Sỏi nhỏ hơn có khả năng bị tắc với chất thải rắn.

Đá vôi

Đá vôi là giá thể không được khuyến khích nhưng lại được sử dụng khá phổ biến vì giá thành rẻ có sẵn. Diện tích bề mặt thấp (150 – 200m2/m3), không trơ và rất nặng. Đá vôi có  thành phần CaCO3 tan trong nước chất làm làm tăng pH vì vậy sử dụng nhiều sẽ thường xuyên phải giảm pH.

Tuy nhiên, một lượng nhỏ đá vôi có thể bổ sung để cân bằng axit trong quá trình nitrat hóa của vi khuẩn.

Sỏi nhẹ và đất sét nung

Ban đầu sỏi nhẹ và đất sét nung hay còn gọi là LECA được sản xuất để cách nhiệt cho mái nhà, nhưng gần đây nó đã được sử dụng trong aquaponics. Những viên sỏi này có hình dạng tròn và rất nhẹ so với các giá thể khác. Diện tích bề mặt của LECA là khoảng 250-300 m2 / m3 ngang ngửa sỏi núi lửa tuy nhiên lại nhẹ hơn nhiều nên thích hợp sử dụng cho hệ aquaponics trên sân thượng.

Điểm trừ của đất sét nung là tương đối đắt tiền và không có sẵn phải đặt mua. Kích cỡ sỏi nhẹ được khuyên dùng là từ 1 đến 8cm, sỏi nhỏ hơn khuyến khích để trồng những loại rau gieo hạt thẳng vào khay.

Giá thể khác

Ngoài ra còn có các loại giá thể khác như cát ( diện tích bề mặt lớn nhưng khó sử dụng) nắp chai nhựa (có giá khá rẻ) nhưng ít được sử dụng do diện tích bề mặt thấp (nắp chai 50-100m2/m3) hay xơ dừa diện tích bề mặt lớn nhưng tuổi thọ lại ngắn …

Bảng thông số một số giá thể có thể sử dụng trong aquaponics

Loại vật liệu	Diện tích bề mặt (m2/m3)	pH	Chi phí	Trọng lượng	Tuổi thọ	Khả năng giữ nước	Hỗ trợ thực vật	Khả năng thi công
Đá túp	300-400	Trung tính	Trung bình	Trung bình	Dài
Sỏi núi lửa	200-300	Trung tính	Cao vừa	Nhẹ	Dài
Đá vôi	150-200	Bazơ	Rẻ	Rất nặng	Dài
Sỏi nhẹ,Đất nung (LECA)	250-300	Trung tính	Cao	Nhẹ	Dài
Nắp chai nhựa	50-100	Trơ	Rẻ	Nhẹ	Dài
Sơ dừa	200-400	Trung tính	Rẻ vừa	Nhẹ	Ngắn

Tỷ lệ nước và giá thể trong khay rau

Thể tích của  nước trong khay rau chiếm khoảng 30 – 60% tuy vào loại giá thể. Tỷ lệ này quyết định thể tích của bể hồi ( sump tank) vì thể tích sump tank phải lớn hơn tổng thể tích nước trong khay rau

Ví dụ với một khay rau 1000 lít thì  giá thể sẽ chiếm 300 – 600 lít,  vậy nước trong khay sẽ là từ 400 đến 700l => Bể chứa phải có thể tihcs ít nhất khoảng 700 lít (70% thể tích khay rau).

4.3.4 Lọc cơ học và vi sinh

Giá thể trong media beds có khả năng khoáng hóa và lọc rất hiệu quả đóng vai trò là cả lọc cơ học lẫn vi sinh. Tuy nhiên nếu độ thả cá quá cao thì lượng chất thải cá có thể làm tắc các lỗ nhỏ của giá thể và tạo điều kiện cho vi khuẩn kỵ khí phát triển khử ngược NO3.

Lọc cơ học

Khay rau hoạt động tương tự một bộ lọc cơ. Khả năng lọc của khay phụ thuộc vào kích cỡ của giá thể, giá thể có hạt càng nhỏ thì khả năng lọc càng cao do diện tích bề mặt cao và giữ được nhiều chất rắn hơn.

Nhưng nếu mật độ cá cao khoảng 15kg/m3 cần thêm bộ lọc phụ để giảm bớt lượng chất thải , đơn giản là dùng một miếng vải lọc đặt dưới vòi nước hoặc dùng 1 cái xô nhỏ  rồi đục lỗ và để miếng vải lọc vào

Lọc vi sinh

Hạt đất nung có diện tích bề mặt rất lớn nên đóng vai trò như lọc visinh rất tốt và dĩ nhiên vẫn phải phụ thuộc vào nhiệt đồ và chất lượng nước.

Khoáng hóa

Theo thời gian, chất thải rắn và lơ lửng và tất cả các chất thải vụn khác dần dần bị phân hủy bởi các quá trình sinh học và vật lý thành các chất dinh dưỡng dưới dạng các phân tử và ion đơn giản mà thực vật có thể dễ dàng hấp thụ.

Nếu lượng chất thải rắn tích tụ nhiều trên khay có nghĩa là quá trình khoáng hóa là không đủ. Trong trường hợp này, khuyến nghị là sử dụng lọc cơ học hiệu quả hơn và sử dụng một thùng khoáng hóa riêng. Quá trình này được mô tả chi tiết hơn trong phần 4.2.2 và Chương 5.

4.3.5 Ba tầng trong khay rau

Mỗi một tâng của khay rau lại có một chức năng hoặc chứa một nhóm sinh vật

he thong ngap rut dinh ky flood and drain

Tầng khô

Khoảng 2 – 5 cm trên cùng là tầng khô, tầng này hoạt động như một hàng rào ánh sáng, ngăn không cho ánh sáng chiếu vào nước có thể dẫn đến sự phát triển của tảo, nấm và vi khuẩn có hại ở gốc cây, có thể gây ra thối gốc và các bệnh khác.

Lý do khác nên có 1 tầng khô là để giảm thiểu sự bốc hơi nước và tránh cho vi khuẩn nhạy cảm với ánh sáng trực tiếp.

Tầng trung gian

Hầu hết vi khuẩn có ích , các quá trình phản ứng sinh học hoạt động trong tầng trung gian này. Tầng trung gian nằm ngay dưới tầng khô có độ cao khoảng 10 – 20 cm tùy theo chiều sâu khay. Ở tầng này người ta cũng thường bổ sung trùn quế, giun đất để xử lý chất thải rắng từ cá hoặc từ lá cây rễ chết.

Tầng ướt

Tầng ướt là tầng dưới cùng cao từ 3 – 5cm tính từ đáy lên, tầng này là nơi quá trình khoáng hóa xảy ra, các vi khuẩn dị dưỡng hoạt động rất mạnh ở tầng này phá vỡ chất thải rắn thành các yếu tốt vi lượng để cây có thể hấp thụ được .

4.3.6 Cấp nước cho khay giá thể

Có nhiều cách cấp nước cho khay rau. Đơn giản nhất là cấp nước liên tục không dùng siphon, chọn chiều cao nước cố định của khay và cấp nước vào kiểu xả tràn. Các chuyên gia cho rằng phương pháp này có hiệu quả tương đương với các phương pháp khác.

Dâng ngập xả cạn sử dụng siphon là phương pháp rất được ưa chuộng. Mực nước thay đổi liên tục theo chu kỳ nên cây trông được cung cấp cả dinh dưỡng và oxy. Một hệ thống thông thường toàn bộ nước được xoay vòng 2 lần trong 1h  nhưng cũng có hệ thống hoạt động ổn với 3 4 chu kỳ nạp xả một ngày.

Bell siphon

Đây là kiểu siphon khá phổ biến. Khi nước bơm vào khay đạt độ cao mong muốn bell siphon sẽ tự đọng xả nước trong khay đến gần đáy rồi dừng lại. Cứ thế nước dâng lên hạ xuống theo chu kỳ gọi là dâng ngập xả cạn (flood and drain).

Bell siphon cấu tạo bởi 3 bộ phận chính, kích thước bell siphon phụ thuộc vào thể tích khay rau và tốc độ cấp nước cho khay . Ví dụ dưới đây được thiết kế cho khay rộng từ 1 – 3m2, sâu 30cm, lưu lượng nước 200 – 500 lít/giờ. Thông tin chi tiết hơn xem phụ lục 8.

• Standpipe – Standpipe làm bằng ống PVC, đường kính 2,5 cm ( ống 27), chiều cao 22 cm. Ống hút có tác dụng hút nước từ khay xả xuống bể chứa.
• Chuông – Chuông là một ống nhựa PVC, đường kính 7,5 cm (Ống 75), chiều cao 25 cm bịt kín 1 đầu. Ống bell được khoét 2 khoảng trồng 1x4cm cách đáy 1,5cm, 2 khoảng trống khoét đối diện nhau qua đó nước sẽ được hút vào bell thông qua 2 lõ này. Một lỗ 1 cm cuối cùng được khoan 5 cm từ đáy để giúp phá vỡ ống hút một khi nước trong khay thoát ra gần hết để tạo vùng ướt kho khay.
• Ống bảo vệ: Làm bằng PVC, đường kính 11 cm ( Ống 110) , chiều cao 32 cm với nhiều lỗ nhỏ được khoan ở hai bên. Ống có tác dụng ngăn chặn sỏi từ khay  xâm nhập và làm tắc nghẽn ống thoát , mà không cản trở dòng chảy của nước.

4.4 Hệ thống aquaponic màng dinh dưỡng NFT

NFT là phương pháp trồng rau trên các ống được đục lỗ, lắp theo chiều ngang. Nước trong hệ được bơm liên tục vào từng ống để cung cấp dinh dưỡng cho rễ cây.

Mô hình NFT  thích hợp cho nhà ở đô thị có không gian theo chiều dọc . Do hệ thống này rẻ hơn nên thường được ứng dụng vào mục đích thương mại.

Cả NFT và DWC đều yêu cầu phải có bộ lọc riêng, khác với mô hình Media beds.

4.4.1 Dòng nước

Nước từ bể cá -> bộ lọc cơ -> qua bộ lọc vi sinh. Từ lọc visinh nước được bơm lên bể cá và dàn ống rau với tỉ lệ 80% vào cá và 20% vào rau. Nước bơm vào dàn ống cung cấp dinh dưỡng cho rau rồi lại chảy trở về bộ lọc visinh kết thúc một chy kỳ của nước.

4.4.2 Lọc cơ học và vi sinh

Khác với mô hình Media bed, mô hình NFT bắt buộc phải có bộ lọc cơ và lọc vi sinh riêng. Như đã nói ở phần 4.3, có rất nhiều loại lọc cơ nhưng loại thường sử dụng nhất là lọc ly tâm. Với bộ lọc vi sinh thì giá thể chủ yếu là các loại hạt lọc kaldnes, bichip hoặc nắp chai … và phải được sục khí liên tục.

4.4.3 Xây dựng một hệ thống NFT

Một trong những ưu điểm của NFT là các ống trồng cây có thể bố trí theo nhiều kiểu, thích hợp với nhiều không gian khác nhau như trên tường, rào, ban công.

Kích thước ống

Ống vuông là tốt nhất nhưng ống PVC hình tròn vẫn chấp nhận được. Yêu cầu ống 110mm với các loại rau lớn và 75mm vơi các loại nhỏ hơn. Tuy nhiên nên dùng ống 110mm để đa dạng loại rau hơn.

Nhưng cây có bộ rễ lớn có thể làm tắc ống thì nên nối dài rọ trồng như hình dưới

Chiều dài ống NFT tối đa là 12m nếu vượt quá những cây trồng cuối ống sẽ thiếu dinh dưỡng. Sử dụng ống trồng rau chuyên dụng hoặc  PVC được bọc cách nhiệt độ dốc của ống 1cm, các lỗ trổng rau cách nhau tối thiểu 10cm để rau có đủ nắng.

4.5 Hệ thống aquaponic canh tác nước sâu DWC

Mô hình DWC rất phổ biến với mục đích thương mại có quy mô lớn.

aquaponic DWC

4.5.1 Dòng nước

Dòng nước chảy trong DWC khá giống với mô hình NFT, nước từ bể cá chảy xuống bộ lọc cơ chảy tiếp qua bộ lọc vi sinh. Từ bộ lọc vi sinh nước được bơm 80% qua bể cá 20 % còn lại qua các máng rau sau đó chảy ngược về bộ lọc visinh.

Khác biệt lớn nhất của DWC so với NFT là nước trong DWC rất dồi dào nên rễ có thể tiếp cận được nhiều chất dinh dưỡng hơn.

Tốc độ dòng chảy trong DWC cũng rất thấp, mỗi khay rau có 1 – 4 giờ để giữ nước, ví dụ như khay có thể tích 500l thì trong 1 – 4 giờ cần phải bơm vào và đẩy ra 500l.

4.5.2 Lọc cơ học và vi sinh

Giống như hệ thống NFT xem phần 4.4.2

4.5.3 Khay rau trong hệ DWC

Do lượng nước trong dwc lớn vì vậy chiều dài khay rau có thể vài chục mét tạo thành các con kênh. Tuy nhiên trong DWC phải có sục khí để rễ cây có oxy để thở

Chiều rộng tùy vào kích thước của tấm bạt HDPE . Tuy nhiên, chiều rộng càng hẹp thì dòng chảy càng mạnh, không gây ứ đọng, dinh dưỡng trong nước được phân bố đều hơn. Chiều sâu máng DWC đề nghị là 30cm.

Máng DWC cần được sục khí với lưu lượng 4 lít/phút với mỗi 2 – 4m2. Cũng có thể giảm nhu cầu sục khí bằng phương pháp Kratky ( Hình trên)  – tạo ra một lớp không khí đệm cao 3-4 cm giữa gốc thực vật và mặt nước. Phương pháp này cũng có ưu điểm là hạn chế các bệnh ở gốc và tăng khả năng giải nhiệt – phù hợp với những nơi có khí hậu nóng.

Trong máng DWC có thể nuôi cá bẩy màu, molly để giảm ấu trùng muỗi trong nước. Lưu ý không nuôi các loại cá ăn tạp như chép rô phi vì chúng có thể rỉa hết rễ cây.

Thu hoạch cần rửa sạch bè xốp và loại bỏ toàn bộ rễ và lá cây còn sót lại trong nước.

4.5.4 Trường hợp đặc biệt DWC: mật độ cá thấp, không có bộ lọc

Các hệ thống DWC Aquaponic có thể được thiết kế mà không cần lọc bổ sung bên ngoài (Hình 4.76). Các hệ thống này có mật độ thả cá rất thấp (tức là 1-1,5 kg cá trên mỗi m3 bể cá), lúc này không gian rễ cây và khu vực trong máng chính là bề mặt để vi khuẩn nitrat hóa hoạt động. Trong các máng có đặt các tấm lưới để thu chất thải rắn

Thông thường, phương pháp này đòi hỏi phải bổ sung chất dinh dưỡng để đảm bảo sự phát triển của cây.

4.6 So sánh 3 kiểu mô hình trong aquaponic.

Kiểu hệ thống	Ưu điểm	Khuyết điểm
Media beds	Thiết kế đơn giản, dễ làm. Có thể tận dụng đồ cũ. Có thể trồng các loại cây lớn. Có thể trồng được tất cả các loại cây. Có thể sử dụng nhiều phương pháp tưới khác nhau. Có thể dùng nhiều loại giá thể khác nhau. Nồng độ ôxy trong khay trồng cao nếu dùng siphon Tốn ít điện. Có khả năng khoáng hóa chất thải rắn.	Rất nặng, nhất là sử dụng đá làm giá thể. Giá thể có thể rất đắt, hoặc không có. Không phù hợp với quy mô lớn. Nước bị bốc hơi nhanh hơn so với mô hình NFT và DWC. Tốn công xây dựng. Chu kỳ ngập xả phải tính toán cẩn thận. Giá thể có thể bị tắc nếu cá được thả ở mật độ cao. Nếu phân phối nước không đều, một số nơi có thể thiếu dinh dưỡng.
NFT	Chi phí thấp hơn mô hình Lớp giá thể nếu xây dựng trên quy mô lớn. Phù hợp với các loại rau gia vị và rau sống. Tiết kiệm nước. Trọng lượng nhẹ nhất. Thích hợp để trồng trên mái nhà nhất. Dễ thu hoạch. Tốn ít sức lao động. Dễ ứng dụng vào mô hình quy mô lớn.	Phương pháp lọc phức tạp hơn. Bắt buộc phải dùng sục khí. Cần phải gieo hạt bên ngoài trước khi đưa vào trồng trong hệ thống. Thể tích nước ít hơn so với các mô hình khác, ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước. Nhiệt độ nước thay đổi nhanh (biên độ cao) Gây áp lực lên cá Ống dẫn nước dễ bị tắc. Hệ thống dễ bị tổn thương nếu mất điện.
DWC	Chi phí thấp hơn mô hình Lớp giá thể nếu xây dựng trên quy mô lớn. Lượng nước lớn cho phép nhiệt độ điều hòa hơn. Có thể chịu đựng mất điện trong thời gian dài hơn. Tiết kiệm nước. Phù hợp với quy mô thương mại. Dễ trồng và thu hoạch. Các tấm xốp tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển, làm tăng khả năng lọc vi sinh.	Phương pháp lọc phức tạp hơn. Hệ thống rất nặng. Cần ôxy bổ sung trong kênh nước. Các lớp lót nhựa phải an toàn với thực phẩm. Tấm lót HDPE dễ bị rách. Khó trồng các loại cây cao. Lượng nước lớn làm tăng độ ẩm, tăng nguy cơ bị các bệnh về nấm.

4.7 CHƯƠNG TÓM TẮT

• Các yếu tố chính khi quyết định nơi đặt một hệt thống là: vị trí địa lý, đất nền, khả năng tiếp cận ánh sáng mặt trời, điều kiện thời tiết , nhà kính nhà lưới • Có ba kiểu thiết kế hệ thống aquaponics chính:  Aquaponics sử dụng lớp giá thể – media beds, phương pháp kỹ thuật màng dinh dưỡng (NFT); và phương pháp dòng chảy sâu (DWC), còn được gọi là phương pháp thả bè hoặc hệ thống nổi. • Các thành phần thiết yếu cho tất cả các hệ thống aquaponic là: bể cá, lọc cơ học và sinh học, các  hệ thống trồng cây (media beds, ống NFT hoặc kênh DWC) và máy bơm nước / máy sục khí. • Media bed có khay trồng sử dụng giá thể trơ có diện tích bề mặt cao, độ sâu 30cm có đủ 3 vùng riêng biệt, cung cấp nước đầy đủ liên tục • Hệ thống NFT và DWC bắt buộc sử dụng lọc cơ và sinh học • Đối với hệ thống NFT, tốc độ dòng chảy cho mỗi ống là 1-2 lít / phút để đảm bảo cây phát triển tốt. • Đối với hệ thống DWC, mỗi kênh phải có thời gian lưu nước là 2-4 giờ. • Nồng độ DO cao là điều cần thiết để bảo đảm sự phát triển của cá, thực vật và vi khuẩn tốt. Trong bể cá DO được cung cấp sủi khí. Các khay media beds cần có đủ 3 vùng và cấp nước theo kiểu dâng ngập xả cạn để cung cấp nhiều oxy vào khay hơn Trong hệ thống NFT, sục khí bổ sung bên trong bộ lọc sinh học, trong khi với DW