Bài giảng Sức tải của hệ thống

SỨC TẢI CỦA HỆ THỐNG Mục tiêu Sinh viên nắm vững các nội dụng sau: • Yếu tố xác định lượng thức ăn cung cấp, sinh khối và thể tích nuôi tối đa • Mối quan hệ giữa kế hoạch sản xuất, sức tải của hệ thống, hiệu quả xử lý, lưu lượng, điều khiển lưu lượng và chất lượng nước Sức tải của hệ thống Nuôi trồng thủy sản: Kỹ thuật nuôi là quan trọng Mục tiêu:
Bền vững sinh thái
An toàn thực phẩm Chất thải trong các mô hình nuôi cá Hệ thống Thải COD (gO2/kg BW) Tỉ lệ thải (%) Ao nước tĩnh (3500kg/ha/năm) 286 1,0 Ao nước tĩnh (thay nước 1 lần/9 năm) 30 0,1 Ao thay nước 15%/ngày (30 tấn/năm) 3650 12,8 RAS nuôi cá trê phi (không phản nitrate) 150 0,52 RAS nuôi cá chình (phản nitrate) 30 0,1 Hệ thống tuần hoàn Cá nuôi Xử lýChất thải Thải bỏ Sinh trưởng, sức khỏe, sinh sản… Thông số kỹ thuật cho nuôi cá Thông số Đơn vị Cá trê phi Cá tra Nhiệt độ oC 25 25-30 Giai đoạn sinh trưởng g 10-1000 10-1000 Năng suất Kg/m2/năm 1000-1500 347 Sinh khối trung bình Kg/m2 bể 170 95 SGR %/ngày 3,0 2,56 FCR Kg/kg 0,85* 1,65** Oxygen Kg/kg thức ăn 0,3 0,18 • Thức ăn 49% protein ** Thức ăn 28% protein Thông số chính để thiết kế hệ thống Kế hoạch sản xuất Lượng thức ăn cung cấp tối đa? Sinh khối tối đa? Số lượng bể? Thể tích của hệ thống? Lượng chất thải? Giới hạn chất lượng nước? Thông số chính để thiết kế hệ thống Thiết kê hệ thống Lưu lượng? Sục khí? Kích thước bể lọc? Trao đổi nước? Thải chất thải? Thông số chính để thiết kế hệ thống Xây dựng hệ thống Kích thước nhà trại? Cách ly? Thông khí? Năng lượng? … Diện tích trại nuôi cá Tổng diện tích (m2) trại nuôi 100 tấn/năm Ước tính diện tích trại nuôi cá tra 100 tấn/năm khoảng 650 m2 Diện tích bể nuôi Diện tích (m2) bể, trại nuôi 100 tấn/năm Ước tính diện tích bể nuôi cá tra 100 tấn/năm khoảng 280 m2 Diện tích bề mặt giá thể Diện tích bề mặt giá thể lọc (m2), trại nuôi 100 tấn/năm Ước tính diện tích bề mặt giá thể lọc cho trại nuôi cá tra 100 tấn/năm khoảng 23.000 m2 Lưu lượng qua bể cá Lưu lượng (m3/ngày) qua bể cá, trại nuôi 100 tấn/năm Ước tính lưu lượng qua bể cá, trại nuôi cá tra 100 tấn/năm khoảng 4600 m3/ngày Các bước trong thiết kế hệ thống tuần hoàn Bước 1. Lập kế hoạch sản xuất Bước 2 Lượng chất thải (Cân bằng vật chất) Bước 3 Biến động lượng chất thải theo ngày- đêm Bước 4 Giới hạn chất lượng nước Bước 5 Ý tưởng thiết kế hệ thống Bước 6 Đánh giá hiệu quả kinh tế Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế 1. Loài cá nuôi? Hệ thống nuôi? 2. Mục tiêu? 3. Kế hoạch thả giống? Thu hoạch? 4. Giai đoạn nuôi? Tỉ lệ chết? 5. Thức ăn và phương pháp cho ăn? Sinh trưởng và sinh khối? 6. Mật độ thả và thể tích bể nuôi? Phân cỡ và thả lại? Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế • Dinh dưỡng và sinh trưởng • Sinh sản • Chi phí nuôi, chăm sóc • Thị trường… Pangasianodon hypophthalmus 1. Loài cá nuôi Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Mục tiêu đạt 100 tấn/năm 2. Mục tiêu Phụ thuộc vào: • Lợi nhuận • Quy mô kinh tế • Vốn • Lao động Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Xác định số lần thả giống, thu hoạch tùy thuộc: • Chi phí lao động • Nhu cầu thị trường • Kỹ thuật 3. Kế hoạch thả giống và thu hoạch Số lần thả và số lần thu hoạch: • Duy trì sinh khối ổn định càng cao thì năng suất càng cao • Hệ thống xử lý phải càng lớn Thả giống và thu hoạch 6 lần/năm, mỗi tháng thu hoạch 16,67 tấn Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Cỡ cá thu hoạch: • Nhu cầu thị trường • Giá bán • Rủi ro 4. Giai đoạn nuôi Cỡ giống thả: • Nhu cầu chất lượng nước • Tỉ lệ chất • Giá giống Thu hoạch cá cỡ 1kg, 16,67 tấn = 16667 con Thả giống cỡ 10 g Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế 4. Giai đoạn nuôi (tt) Tỉ lệ chết phụ thuộc vào: • Giai đoạn nuôi (từ cỡ giống đến cỡ thu hoạch) • Chăm sóc (thiết kế bể nuôi, phân cỡ, cách cho ăn, quản lý chất lượng nước…) • Dinh dưỡng • Bệnh Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế 5. Thức ăn, phương pháp cho ăn, sinh trưởng và sinh khối Thành phần g/kg g COD/g g COD/kg Protein 280,0 1,25 350 Ni tơ 44,8 Mỡ 52,4 2,9 152,0 Carbohydrate 434,7 1,07 465,13 Tro 132,9 0 Chất khô 900 967,09 Protein thô chứa 16% N, vì vậy có 44,8 g N/1kg thức ăn TOD = Tổng COD (g/kg thức ăn + 4,57g O2/gN * 44,8 gN/kg thức ăn TOD = 967,09 + 4,57 * 44,8 = 1171,83g O2/kg thức ăn Thành phần, loại thức ăn Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Phương pháp cho ăn • Cho ăn bằng tay dẫn đến sự biến động lượng chất thải theo chu kỳ • Cho ăn liên tục thì lượng chất thải sinh ra không biến động • Máy tự động cho ăn liên tục 24 giờ mỗi ngày Cho ăn bằng tay Tự động cơ học Máy tự động Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Mức cho ăn và FCR Mức cho ăn (sinh trưởng) phụ thuộc vào nhiệt độ và cỡ cá Khối lượng cơ thể (g) M ứ c c h o ă n ( % ) Khối lượng cơ thể (g) F C R ( g / g ) Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Sinh trưởng và sinh khối Đường cong sinh trưởng Thức ăn cho ăn Mô tả Sinh khối Tính lượng thức ăn Tỉ lệ chết Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Đàn cá Ngày Mức cho ăn (%) Sinh trưởng (%) FCR (g/g) Khối lượng cơ thể (g) Tỉ lệ chết (%/60 ngày) Số lượng cá Sinh khối (kg) I (thu hoạch) 180 2,47 1,24 1,98 1000,33 16661 16666,7 II 120 3,10 1,7 1,82 428 7,09 17933 7679 III 60 4,35 2,73 1,59 120 7,20 19325 2317,7 IV (thả) 0 8,47 6,91 1,22 10 7,21 20826 208,3 Năng suất 100 tấn/năm = 16666,7 tấn/60 ngày = 20826 cá giống/60 ngày Sinh trưởng, FCR và sinh khối tối đa vào thời điểm ngày nuôi 180 Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Sinh trưởng Ngày K h ố i l ư ợ n g c ơ t h ể ( g ) Ngày thu hoạchKhối lượng thu hoạch Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Đàn cá Ngày Khối lượng cơ thể (g) Tỉ lệ chết (%/60 ngày) Số lượng cá Sinh khối (kg) Lượng thức ăn (kg/ngày) I (thu hoạch) 180 1000,33 16661 16666,7 411,0 II 120 428 7,09 17933 7679 237,7 III 60 120 7,20 19325 2317,7 100,9 IV (thả) 0 10 7,21 20826 208,3 17,6 Sinh khối tối đa và lượng thức ăn cho ăn mỗi ngày 26871,7 767,2 Lượng thức ăn và sinh khối tối đa vào thời điểm ngày nuôi 180 Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế 6. Mật độ thả và thể tích nuôi Thời gian (ngày) S i n h k h ố i ( k g ) Biến động sinh khối trong quá trình nuôi Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Biến động lượng thức ăn trong quá trình nuôi Thời gian (ngày) L ư ợ n g t h ứ c ă n ( k g ) Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Khối lượng cơ thể (g) Mật độ tối đa (kg/m3) Sinh khối (kg) Diện tích nuôi (m2) Thể tích nuôi (m3) I 1000,33 150 16666,7 74 Thu hoạch 111 II 428 90 7679 57 85 III 120 40 2317,7 39 58 IV 10 20 208,3 7 Thả giống 10 26871,7 177 264 Mật độ thả, thể tích nuôi và sinh khối tối đa vào thời điểm ngày nuôi180 Dữ liệu cơ sở cho việc thiết kế Phân cỡ - thả lại và thu hoạch Hạn chế của việc phân cỡ thả lại là: Gây sốc cho cá Tốn công lao động (Đan Mạch, 1985) (Đan mạch, 2002) Phân cỡ tự động Phân cỡ bằng tay Tóm tắt kế hoạch sản xuất 1. Mục tiêu sản xuất 100 tấn/năm 2. Thu hoạch 16666,7 kg/60 ngày 3. Số lượng cá khi thu hoạch 16661 con 4. Số cá giống (10g) thả 20826 con 5. Tỉ lệ sống (10-1000g) 75% 5. Thời gian nuôi (10-1000g) 180 ngày 6. Lượng thức ăn tối đa 411 kg/ngày 7. Sinh khối tối đa 26871,1 kg 8. Thể tích nuôi 264 m3 9. Diện tích nuôi 177 m2 Cân bằng vật chất Nguyên lý: Vật chất không tự sinh ra cũng không tự mất đi Trang thái thông thường: Tích lũy = Đầu vào – đầu ra + tạo ra – tiêu thụ Trạng thái ổn định: 0 = Đầu vào – đầu ra + tạo ra – tiêu thụ (see Losordo and Westers, 1994; Timmons et al. 2001) Đơn vị thiết kế: Sản xuất ra g/ngày; nồng độ g/m3; Lưu lượng m3/day Ước tính lưu lượng Nước mới Nước thải CTAN,in Qin Cân bằng nitrogen CTAN,in Qout CLimit,TAN Xử lý Qf Qf (Mô hình lưu tốc cho điều khiển TAN) PTAN CLimit,TAN Ước tính lưu lượng Chú thích: PTAN : Lượng TAN hình thành CLimit, TAN : Giới hạn nồng độ TAN Qin : Lưu lượng nước cấp vào CTAN, in : Nồng độ TAN cấp vào Qout : Lưu lượng nước thải ra Qf : Lưu lượng nước qua hệ thống xử lý Ước tính lưu lượng CTAN,in Xử lý Qf Qf PTAN CLimit, TAN Giả định không trao đổi nước Qout = Qin = 0 Ngăn ngừa sự tích lũy TAN bằng cách xử lý hiệu quả Ước tính lưu lượng Tích lũy = đầu vào – đầu ra + tạo ra – tiêu thụ Giả định trạng thái ổn định ⇒ tích lũy = 0 QIN = Qout= 0 Qf*CTAN,IN + PTAN = Qf*CLIMIT, TAN =Cout bể xử lý=Cin bể xử lý Qf*(CLIMIT, TAN -CTAN,IN) = PTAN Ươc tính lưu lượng COUT Hiệu quả xử lý CIn Xử lý QInQOut COut = CIN + TE (CBEST - CIN) TE = Hiệu quả xử lý (decimal fraction) CBEST = Nồng độ tối ưu - Oxygen = (tính) - TSS = 0 g/m3 - CO2 = 0.5 g/m3 - TAN = 0 g/m3 (Timmons et al, 2001) Ước tính lưu lượng Tích lũy = Đầu vào – đầu ra + Tạo ra – Tiêu thụ Cân bằng oxygen Giả định trạng thái ổn định Tích lũy =0 QIN = Q0ut= 0 Qox*CO2,IN + PO2= Qox*CO2,LIMIT Qox*(CO2,LIMIT-CO2,IN) =- PO2 Qox*(CO2,IN-CO2,LIMIT) = PO2 Tương tự cho trường hợp tính TSS and CO2 Ước tính lưu lượng Cân bằng nitrate QExchange = PNO3-N /CLimit, NO3-N (m3/ngày) Giả định: PNO3-N = PTAN in g/day và QNO3-N, IN = 0 g/m3 và Không xảy ra quá trình phản nitrate hóa và không có bể xử lý nitrate hóa Qexchange : cấp nước mới (see Bovendeur et al, 1987 and Heinsbroek and Kamstra,1990) Ước tính lưu lượng PO2, tổng = PO2, cá hô hấp + PO2, vi khuẩn (g/day) = PO2, cá hô hấp + BOD + 4.57 * TAN BOD = Tiêu hao oxy sinh hóa học (g/ngày) 4.57 * TAN = 4.57 g O2/gTAN * g TAN/ngày = Tiêu hao oxy nitrate hóa Ước tính tổng lượng oxy tiêu thụ Ước tính lượng chất thải • Định lượng chất thải hòa tan và rắn sinh ra (g/kg thức ăn) - O2 - CO2 - TSS - N - Cân bằng vật chất - COD - Cân bằng vật chất • Xác định giới chất lượng nước (Climit) Ước tính lưu lượng và thiết kế bể xử lý Điều khiển lưu lượng Phụ thuộc vào: Thành phần thức ăn, Mức cho ăn Loài, giới tính, Kiểu gen, Tuổi Nhiệt độ