Bài giảng Chất thải và cân bằng vật chất trong hệ thống

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 Định lượng chất thải • Chất khí: NH3, CO2, N2… • Chất hữu cơ hòa tan • Phân cá hòa tan Rất khó định tính và định lượng Định tính và định lượng bằng cách nghiên cứu sự chuyển hóa dinh dưỡng giữa thức ăn, cá và môi trường Chất thải trong hệ thống tuần hoàn D M G Thức ăn thừa Bài tiết và hô hấp Thải phân D: Tiêu hóa; M: Trao đổi chất; G: tăng trưởng MÔI TRƯỜNG O2 Định lượng chất thải Thức ăn tiêu thụ Thức ăn thừa Tiêu hóa thức ăn Thải phân (Fecal Loss) Thức ăn sử dụng Bài tiết (Non-Fecal Loss) Hô hấp CO2 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 Thành phần dinh dưỡng g/kg thức ăn g COD/g dinh dưỡng g COD/kg thức ăn Protein 490 1,25 612,5 Nitrogen 78,4 Fat 120 2,9 348 Carbohydrate 233 1,07 249,3 Ash 77 0 Vật chất khô 920 1209,8 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 (%) Protein 80 Mỡ 95 Carbohydrate 60 Tro 50 Thức ăn tiêu thụ = Thức ăn tiêu hóa được + Phân thải 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: DDM = 53,68 - 1,041*R + 11,52*Qres DN = 88,02 – 0,469 * R + 3.55 * Qres Trong đó: DDM (%): Độ tiêu hóa vật chất khô DN (%): Độ tiêu hóa nitơ R (g thức ăn/kg0,8/ngày): Mức cho ăn Qres (m3/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)– (Wx,f*Cx,f/100))/(Wx,f-Wx,i)*(1000/FCR) 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 W f (g): Khối lượng cá khi thu hoạch W i: (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: DM = 100 * 0.17 W0.088 Protein = 100 * 0.13 W0.057 DM = 100 * 0.1471 W0.100 (%) Pro= 100 * 0.111 W0.059 (%) Trong đó: DM (%): Tỉ lệ tích lũy vật chất khô Pro (%): Tỉ lệ tích lũy protein W (g): Khối lượng cá Hogendoorn (1983), áp dụng cho cá trê phi cỡ <250g 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 nước O2 = 1531,02 R-0.656 R (g thức ăn/kg0,8/ngày)T i ê u t h ụ o x y ( g / k g t h ứ c ă n ) CO2 sinh ra từ hô hấp (CO2 production) Lượng CO2 sinh ra từ quá trình hô hấp được tính theo công thức: CO2 = 1937.18 R-0.657 (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 Tổng 73507 25144.7 373.3 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 DM N DM N DM N DM N g/kg g/kg % % % % % % I/150 920.0 78.4 70.8 91.63 29.02 2.65 29.1 2.65 II/120 920.0 78.4 69.9 91.21 27.92 2.59 28.0 2.60 III/90 920.0 78.4 68.6 90.63 26.60 2.52 26.7 2.52 IV/60 920.0 78.4 66.7 89.77 27.07 2.81 27.1 2.82 V/30 920.0 78.4 63.3 88.25 24.85 2.66 24.9 2.67 VI/0 920.0 78.4 53.8 83.96 20.82 2.37 21.0 2.39 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 chất khô) Lứa/tuổi (ngày) Phân bố vật chất khô/kg thức ăn Phân bố tổng vật chất khô (g) Tổng FL NFL FG Tổng FL NFL FG I/150 920 268.6 324.58 326.8 105392 30770 37183 37439 II/120 920 277.2 313.74 329.0 86814 26162 29606 31047 III/90 920 289.0 299.18 331.8 67480 21199 21944 24336 IV/60 920 306.6 253.18 360.2 47604 15866 13100 18638 V/30 920 337.8 211.43 370.8 27612 10139 6346 11127 VI/0 920 425.4 100.31 394.3 8573 3964 935 3674 343475 108100109113 126262 Trung bình g/kg feed 920 290 292 338.2 FL: Chất thải qua phân; NFL: Chất thải qua hô hấp và bài tiết; FG: tăng trưởng của cá Cân bằng khối lượng (mass balance) Phân bố chất thải và tăng trưởng của cá (tính trên nitơ) Lứa/tuổi (ngày) Phân bố vật chất khô/kg thức ăn Phân bố tổng vật chất khô (g) Tổng FL NFL FG Tổng FL NFL FG I/150 150 78.4 6.6 43.09 8981.2 751.3 4935.9 3294.0 II/120 120 78.4 6.9 42.10 7398.1 650.2 3972.8 2775.2 III/90 90 78.4 7.3 40.81 5750.4 538.6 2993.2 2218.7 IV/60 60 78.4 8.0 34.05 4056.7 414.9 1762.0 1879.8 V/30 30 78.4 9.2 30.66 2353.0 276.6 920.1 1156.3 VI/0 0 78.4 12.6 22.26 730.5 117.2 207.4 405.9 29270.0 2748.7 14791.4 11729.9 Trung bình g/kg feed 78.4 7.4 39.6 31.4 FL: Chất thải qua phân; NFL: Chất thải qua hô hấp và bài tiết; FG: tăng trưởng của cá 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) I/150 11.2162 313.5 395.7 114.6 35.9 45.3 II/120 12.1182 298.0 376.1 94.4 28.1 35.5 III/90 13.3484 279.7 353.0 73.3 20.5 25.9 IV/60 15.1865 257.0 324.3 51.7 13.3 16.8 V/30 18.4428 226.3 285.4 30.0 6.8 8.6 VI/0 27.5851 173.7 219.1 9.3 1.6 2.0 373.3 106.3 134.1 284.6 359.2 Cân bằng khối lượng (mass balance) Vật chất khô Nitơ g/kg feed % g/kg feed % Thức ăn 920.0 78.4 Chất thải qua phân (FL) 289.5 31.5 7.4 9.4 Lắng (42% DM, 56% N) 121.6 4.1 Không lắng 167.9 3.2 Chất thải qua bài tiết (NFL) 292.3 31.8 39.6 50.5 Sinh trưởng 338.2 36.8 31.4 40.1 O2 tiêu thụ (PO2) 284.6 CO2 sinh ra (PCO2) 359.2 Cân bằng khối lượng vật chất khô (DM) và nitơ (N)