Chương 3: Chất lượng nước trong aquaponics

Nước giống như mạch máu của hệ aquaponic, đây là môi trường cung cấp dinh dưỡng cho thực vật và ôxy cho cá. Vì vậy, đây là một trong những chủ đề quan trọng cần phải hiểu. Năm thông số về chất lượng nước chủ yếu là oxy hoà tan (DO), pH, nhiệt độ, lượng nitơ và độ kiềm của nước. Tất cả thông số đều ảnh hưởng đến sinh vật (cá, thực vật và vi khuẩn). Hiểu được tác động của mỗi thông số là rất quan trọng. Mặc dù một số kiến thức về chất lượng nước khá phức tạp, nhưng việc quản lý thực tế rất đơn giản với sự trợ giúp của các bộ dụng cụ thử nghiệm.
 

3.1 Hoạt động trong phạm vi chịu đựng của sinh vật.
Như đã thảo luận trong Chương 2, aquaponics chủ yếu là cách cân bằng hệ sinh thái của ba nhóm sinh vật: cá, thực vật và vi khuẩn. Mỗi sinh vật có một dải chịu đựng riêng, nhưng trong một hệ thống cần có sự thỏa hiệp và do đó một số sinh vật sẽ không hoạt động ở mức tối ưu.

Nhiệt độ thích hợp cho aquaponic là 18-30°C và nên điều chỉnh theo từng loài cá hoặc cây trồng; Vi khuẩn phát triển mạnh trong phạm vi này. Điều quan trọng là chọn loại cá thích hợp với thực vật được trồng. Chương 7 và Phụ lục 1 mô tả nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của một số loài cá và thực vật phổ biến.

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.

3.2 Năm thông số chất lượng nước quan trọng nhất
3.2.1 Oxy
Oxy là thành phần cần thiết cho cả thực vật, cá và vi khuẩn. Mức độ ôxy hòa tan (DO) được đo bằng miligam trên lít. Đó là tham số có tác động ngay lập tức đối với aquaponics.

Thật vậy, cá có thể chết trong vòng vài giờ nếu ôxy quá thấp. Các thiết bị đo ôxy hòa tan chính xác có thể rất đắt hoặc khó tìm. Thường thì các mô hình quy mô nhỏ thường dựa vào việc theo dõi hành vi và sự phát triển của cá, và đảm bảo máy bơm nước và sục khí liên tục hoạt động.

Trong điều kiện tự nhiên, cá lấy oxy hòa tan từ mặt nước, nhưng trong các hệ thống sản xuất mật độ cao thì không đủ. Do đó, oxy cần được bổ sung. Có 2 cách là sử dụng máy bơm nước, và sục khí.

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

Nhiệt độ nước và ôxy hòa tan (DO) có một mối quan hệ độc đáo. Khi nhiệt độ nước tăng, DO giảm. Vì vậy, nên tăng cường thông khí nếu thời tiết quá nóng.

3.2.2 Độ pH
Kiến thức về pH rất hữu ích 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; dưới 7 là tính axit, trên 7 là bazơ. Thuật ngữ pH được định nghĩa từ lượng ion hydro (H+) trong dung dịch; Càng có nhiều ion hydro, càng có tính axit.

Tầm quan trọng của pH
Độ pH của nước có tác động 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. Trên 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 chặt của chất dinh dưỡng.

Vi khuẩn nitrat hóa gặp khó khăn khi dưới pH 6, khả năng biến đổi amoniac thành nitrat giảm khi pH có tính axit. Điều này có thể làm giảm quá trình lọc sinh học, và kết quả là nồng độ amoniac tăng, dẫn đến hệ thống không cân bằng.

Mỗi loài cá đều có một dải chịu đựng pH khác nhau, nhưng hầu hết cá được nuôi trong aquaponics có mức pH phù hợp từ 6,0 - 8,5. Tuy nhiên, độ pH ảnh hưởng đến độc tính của amoniac lên cá, pH càng cao - độc tính amoniac càng mạnh. Tóm lại, độ pH lý tưởng trong aquaponic là từ 6 - 7. Phạm vi 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. Giá trị pH giữa 5,5 và 7,5 sẽ được thảo luận trong Phần 3.5. Tuy nhiên độ pH dưới 5 hoặc trên 8 là một vấn đề quan trọng và cần điều chỉnh ngay lập tức.

Có rất nhiều quá trình sinh học và hóa học diễn ra trong một hệ thống aquaponics ảnh hưởng đến độ pH của nước, một số ảnh hưởng khá đáng kể, bao gồm: quá trình nitrat hóa, mật độ thả cá, và thực vật phù du.

Quá trình nitrat hóa
Quá trình nitrat hóa của vi khuẩn làm giảm độ pH của hệ thống. 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 hơn chủ yếu là do hoạt động vi khuẩn này.

Mật độ cá
Cá khi hô hấp giải phóng CO² trong nước. CO² chuyển thành axit cacbonic (H²CO³) khi tiếp xúc với nước. Mật độ thả càng cao và cá hoạt động càng mạnh thì giải phóng CO² càng nhiều, do đó sẽ làm giảm pH.

Thực vật phù du
Ngược lại, sự quang hợp của các sinh vật phù du, tảo và các loài thực vật thủy sinh sẽ loại bỏ CO² ra khỏi nước và làm tăng độ pH. pH tăng lên trong buổi ngày khi tảo và thực vật quang hợp, và đến tối thì pH lại giảm khi cây hô hấp và giải phóng axit cacbonic. Trong hệ thống aquaponic, lượng thực vật phù du thường thấp, ảnh hưởng lên độ pH không đáng kể.

3.2.3 Nhiệt độ
Nhìn chung, nhiệt độ cho aquaponic là từ 18-30°C. Nhiệt độ ảnh hưởng đến lượng ôxy hòa tan cũng như độc tính của amoniac. Ngoài ra, nhiệt độ cao có thể hạn chế sự hấp thụ canxi trong thực vật. Cá và cây trồng nên được chọn để phù hợp với nhiệt độ môi trường, thay đổi nhiệt độ nước tốn rất nhiều năng lượng và tốn kém.

Cá nước ấm (ví dụ cá rô phi, cá chép, cá trê) và vi khuẩn nitrat hóa phát triển mạnh ở nhiệt độ cao 22-29°C, cũng như một số loại rau phổ biến như đậu bắp, rau cải và húng quế. Ngược lại, một số loại rau thông thường như xà lách, dưa chuột phát triển tốt hơn ở nhiệt độ 18-26°C, cá nước lạnh như cá hồi sẽ không chịu được nhiệt độ cao hơn 18°C. Để biết thêm thông tin về phạm vi nhiệt độ tối ưu cho từng loại cá và thực vật, xem Chương 7, Phụ lục 1 về các loại rau phổ biến.

Mặc dù tốt nhất là chọn cây trồng và cá đã thích nghi với khí hậu địa phương. Tuy nhiên cũng có những kỹ thuật có thể giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ và kéo dài mùa vụ trồng, như che chắn tất cả các bể cá, rau và bộ lọc vi sinh, hoặc làm nhà kính, sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ khi thấp hơn 15°C.

Cũng có thể áp dụng chiến lược sản xuất cá theo mùa đông và mùa hè, đặc biệt nếu mùa đông có nhiệt độ trung bình dưới 15°C trong hơn ba tháng. Trong mùa hè với nhiệt độ rất nóng (trên 35°C), cần chọn cá, cây trồng thích hợp để phát triển và che chắn tất cả các thùng chứa, không gian trồng cây.

3.2.4 Nitơ: amoniac, nitrit, nitrat
Nitơ là thông số chất lượng quan trọng thứ tư. Nitơ ban đầu đi vào hệ thống aquaponic từ thức ăn cho cá, thường được tính theo phần trăm protein trong thức ăn. Một phần protein được cá sử dụng để tăng trưởng, và phần còn lại được thải ra. Chất thải này hầu hết ở dạng amoniac (NH³) trong nước tiểu. Chất thải rắn cũng được thải ra, một số trong đó được chuyển thành amoniac do hoạt động của vi sinh vật. Amoniac sau đó được nitrat hóa bởi vi khuẩn và chuyển thành nitrit (NO^2-) và nitrate (NO^3-). Amoniac và nitrit có độ độc gấp xấp xỉ 100 lần so với nitrat. 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. Cá rô phi và cá chép có thể thấy các triệu chứng ngộ độc từ mức 1.0 mg/lít. Kéo dài sẽ gây ảnh hưởng cho hệ thần kinh và mang cá, dẫn đến mất cân bằng, suy hô hấp và co giật. Triệu chứng tổn thương của mang là màu đỏ và viêm trên mang, sẽ hạn chế hoạt động chính xác của các quá trình sinh lý khác, dẫn đến hệ thống miễn dịch bị ức chế và chết. Các triệu chứng khác bao gồm các vệt đỏ trên cơ thể, lờ phờ và thở hổn hển trên mặt nước. Ở nồng độ amoniac quá cao sẽ ảnh hưởng ngay lập tức và cá có thể chết rất nhanh. Tuy nhiên, mức độ thấp trong một thời gian dài vẫn có thể dẫn đến căng thẳng và tăng tỷ lệ mắc bệnh.

Hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa giảm đáng kể khi nồng độ amoniac quá cao. Ở mức cao hơn 4 mg/lít nó sẽ gây ức chế, vi khuẩn chết và amoniac tăng lên nhiều hơn.

Tác động của nitrit
Nitrit là chất độc cho cá, tương tự như amoniac, vấn đề có thể nảy sinh với nồng độ từ 0,25 mg/lít. Ở mức nitrit quá cao, cá có thể chết rất nhanh. Tuy nhiên, mức độ thấp trong một thời gian dài vẫn có thể dẫn đến căng thẳng và tăng tỷ lệ mắc bệnh

Nitrit ngăn cản quá trình vận chuyển oxy trong máu, làm cho máu biến thành màu nâu. Ảnh hưởng này cũng có thế thấy ở mang cá. Triệu chứng 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 các dạng nitơ khác. Đây là dạng nitơ dễ hấp thụ nhất với thực vật, và việc sản xuất nitrat là nhiệm vụ của bộ lọc vi sinh. Cá có thể chịu được mức độ lên đến 300 mg/lít, một số loài có thể chịu được 400 mg/lít. Tuy nhiên, mức cao hơn 250 mg/lít sẽ 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. Chỉ nên giữ nitrat ở mức 5-150 mg/lít.

3.2.5 Độ cứng của nước
Có hai loại: Độ cứng tổng (GH), và độ cứng cacbonat (KH). GH là thước đo của ion dương trong nước. KH còn được gọi là độ kiềm, là thước đo khả năng đệm của nước. Kiểu cứng đầu tiên không có tác động lớn đến aquaponic, ngược lại với loại thứ 2.

Độ cứng tổng (GH)
GH chủ yếu là tổng lượng ion canxi (Ca²⁺) và magiê (Mg²⁺) có trong nước. Nồng độ GH cao được tìm thấy ở núi đá vôi hoặc sông suối. Cả hai ion Ca²⁺ và Mg²⁺ đều là những chất dinh dưỡng thiết yếu của thực vật. Trên 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 cacbonat
Độ cứng cacbonat là tổng lượng cacbonat (CO₃^2-) 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.

Phần tiếp theo mô tả quá trình này một cách chi tiết hơn. Đây là một quá trình khá phức tạp, nhưng điều mà nông dân aquaponic phải hiểu là nước trong tự nhiên thường rất cứng, phương pháp giảm độ cứng sẽ được nhắc đến ở phần dưới.

Tóm tắt về độ cứng
Độ cứng tổng (GH) là phép đo các ion dương, đặc biệt là canxi và magiê. Độ cứng cacbonat (KH) đo nồng độ cacbonat, hydro cacbonat và được phân loại theo thang đo dưới đây:

Mức tối ưu cho cả hai là khoảng 60 -140 mg/lít. Nhưng điều quan trọng là nước bổ sung cho aquaponic phải có nồng độ KH thích hợp nhằm trung hòa axit nitric trong quá trình nitrat hóa.

3.3 Tảo và ký sinh trùng
3.3.1 Hoạt động quang hợp của tảo
Hoạt động quang hợp của tảo trong aquaponic ảnh hưởng đến các thông số về chất lượng nước, độ pH, ôxy hòa tan, và nitơ. Tảo là một loại sinh vật quang hợp tương tự như cây cối, chúng dễ dàng phát triển trong nguồn nước giàu chất dinh dưỡng và có ánh sáng mặt trời. Một số loài tảo là những sinh vật đơn bào, được gọi là thực vật phù du, làm nước chuyển thành màu xanh. Một số loại tảo lớn hơn nhiều, tạo thành các sợi dài.

Đối với aquaponics, cần phải ngăn tảo phát triển vì chúng sẽ tiêu thụ chất dinh dưỡng trong nước cạnh tranh với rau. Ngoài ra, tảo tiêu thụ ôxy vào ban đêm trong quá trình hô hấp, do đó có thể gây chết cá. Việc tăng và giảm khí cácbonic trong quá trình quang hợp - hô hấp cũng làm thay đổi pH giữa ngày và đêm. Tảo lớn có thể làm tắc nghẽn ống dẫn và bộ lọc, dẫn đến vấn đề tuần hoàn nước.
 

Ngừa tảo phát triển tương đối dễ. Mặt nước phải được che bóng. Bể cá và bộ lọc không để tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng. Điều này sẽ hạn chế tảo nở hoa trong hệ thống.

3.3.2 Ký sinh trùng, vi khuẩn và các sinh vật nhỏ sống trong nước
Aquaponics là một hệ sinh thái bao gồm cá, vi khuẩn nitrat hóa và thực vật. Tuy nhiên, theo thời gian, có thể nhiều sinh vật khác sinh sôi trong hệ sinh thái này. Một số có ích, như giun đất tạo điều kiện để phân hủy chất thải cá. Một số không có lợi cũng không có hại, chẳng hạn như các loài giáp xác sống trong bộ lọc vi sinh. Một số khác như ký sinh trùng, sâu bệnh và vi khuẩn là không thể tránh khỏi vì aquaponics không phải là một hệ thống vô trùng. Cách tốt nhất để ngăn ngừa những mối đe dọa này là bảo đảm đủ ôxy, dinh dưỡng và khả năng hấp thụ cho cá và cây trồng. Bằng cách này có thể tăng khả năng miễn dịch cho các sinh vật khỏi bệnh tật.

3.4 Nguồn nước cho aquaponic
Trung bình, một hệ thống aquaponic hao hụt 1-3% tổng lượng nước mỗi ngày, tùy thuộc vào loại cây và nơi trồng. Nước được giữ lại trong mô thực vật, thoát hơi nước ở lá, bốc hơi tự nhiên, hay bị bắn tung tóe. Như vậy, aquaponic cần được bổ sung nước định kỳ. Dưới đây mô tả về một số nguồn nước và thành phần hóa học đi kèm. Các nguồn nước mới cần phải được kiểm tra độ pH, độ cứng, độ mặn, clo và các chất gây ô nhiễm để đảm bảo an toàn.

Ở đây, nước có thêm một thông số nữa - độ mặn. Độ mặn cho biết nồng độ muối trong nước, bao gồm muối ăn (NaCl) và một số loại muối khác. Độ mặn cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến rau, đặc biệt là NaCl, vì natri không tốt cho thực vật. Độ mặn nước có thể đo bằng bút đo độ dẫn điện (EC), bút đo TDS, khúc xạ kế, hoặc tỷ trọng kế.

Mặc dù tác động của độ mặn lên mỗi loại cây rất khác nhau, nhưng chỉ nên sử dụng nước có nồng độ muối thấp. Thông thường, độ mặn quá cao nếu nước có độ dẫn điện lớn hơn 1500 μS/cm hoặc nồng độ TDS cao hơn 800 ppm.

3.4.1 Nước mưa
Nước mưa là nguồn nước tuyệt vời cho aquaponics, thường có pH trung tính, nồng độ rất thấp của cả hai loại độ cứng (KH và GH), độ mặn hầu như bằng không. Tuy nhiên, một số nơi có thể ảnh hưởng từ mưa axit như ở Đông Âu, Đông Hoa Kỳ và Đông Nam Á, nước mưa sẽ có độ pH axit. Nói chung, nên sử dụng nước mưa và tăng độ cứng tổng (KH) của nước lên. Ngoài ra, sử dụng nước mưa sẽ làm giảm chi phí đầu vào, cho mô hình bền vững hơn.

3.4.2 Bể chứa hoặc nước giếng khoan
Chất lượng nước lấy từ giếng hoặc bể chứa sẽ phụ thuộc vào chất liệu làm bể hoặc tầng đá ngầm. Nếu tầng đá ngầm là đá vôi thì nước sẽ có độ cứng cao, cũng có thể ảnh hưởng đến độ pH. Độ cứng của nước không phải là vấn đề lớn trong aquaponics, bởi vì kiềm sẽ bị trung hòa với axít nitric do vi khuẩn nitrat hóa tạo ra. Tuy nhiên, nếu độ cứng quá cao thì có thể làm tăng pH từ 7-8. Trong trường hợp này, có thể phải dùng axit để giảm độ kiềm trước khi đưa nước vào hệ thống để tránh dao động pH quá lớn

3.4.3 Nước máy
Nước máy đô thị thường được xử lý bằng nhiều hóa chất khác nhau để loại bỏ các mầm bệnh. Các hóa chất thông dụng nhất là chlorine và chloramines - là các hóa chất độc hại đối với cá, thực vật và vi khuẩn; Các hóa chất này được sử dụng để diệt khuẩn nên gây bất lợi cho hệ sinh thái aquaponic. Dùng bộ dụng cụ kiểm tra clo, nếu quá cao thì cần phải xử lý. Phương pháp đơn giản nhất là trữ nước trong các bồn chứa, xô, chậu.... không đậy nắp để khí clo bốc hơi dễ dàng, nếu để ngoài ánh nắng càng tốt, sau 24 - 48h có thể đưa nước vào hệ thống.

Chloramine khó bay hơi hơn. Nếu công ty cấp thoát nước sử dụng chloramines, có thể cần phải sử dụng các kỹ thuật xử lý hóa học như lọc than hoặc các hóa chất khử clorua khác. Luôn kiểm tra độ cứng và độ pH trước khi thêm nước, có thể dùng axit để thay đổi pH nếu muốn.

3.5 Điều chỉnh độ pH
Có những phương pháp đơn giản để thay đổi pH trong aquaponic. Ở những vùng đá vôi, nước tự nhiên thường có độ pH cao. Do đó, bổ sung axit định kỳ là cần thiết để làm giảm độ pH. Nếu nước quá mềm, bổ sung thêm dung dịch đệm hoặc bazơ. Điều quan trọng là độ pH phải ổn định, nếu thay đổi quá nhanh dẫn đến cá dễ bị sốc.
Xem cách kiểm soát pH