กระบวนการและการออกแบบพารามิเตอร์ของระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียนอุตสาหกรรมบนบก (RAS) (ส่วนที่ 3): พารามิเตอร์คุณภาพน้ำ

พารามิเตอร์คุณภาพน้ำหมุนเวียน

พารามิเตอร์คุณภาพน้ำและมาตรฐานการออกแบบเป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบระบบบำบัดน้ำหมุนเวียนและการจัดการปฏิบัติการ ด้านล่างนี้เป็นแผนผังอ้างอิงและพารามิเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายโดย  ทีมวิศวกรรม :

1. การออกแบบระบบกำจัดอนุภาคแข็ง

ของแข็งที่ลอยอยู่ในน้ำรวม (TSS) มักใช้เป็นพารามิเตอร์ในการวัดอนุภาคแข็งในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) โดยทั่วไปหมายถึงปริมาณรวมของอนุภาคแข็งที่มีขนาดอนุภาคใหญ่กว่า 1 ไมครอนในหน่วยน้ำหนึ่ง ในระบบหมุนเวียน TSS ประกอบด้วยอุจจาระปลา เศษอาหารที่เหลือ และฟล็อกทางชีวภาพ (แบคทีเรียที่ตายและยังมีชีวิต) เป็นต้น ขนาดของอนุภาคที่ลอยอยู่นั้นมีความแตกต่างกันมากตั้งแต่ระดับไมโครเมตรจนถึงเซนติเมตร อนุภาคที่ลอยอยู่สามารถส่งผลกระทบโดยตรงต่อสุขภาพและการเจริญเติบโตของปลา (โดยเฉพาะปลาในน้ำเย็น) และยังเพิ่มภาระให้กับไบโอฟิลเตอร์ อีกด้วย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรักษาระดับความเข้มข้นของอนุภาคที่ลอยอยู่ในน้ำหมุนเวียนให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม

ในบางประเทศของสหภาพยุโรป ระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS: Recirculating Aquaculture System) มีการควบคุมสารแขวนลอยอยู่ในระดับที่เข้มงวดพอสมควร เช่น ในแหล่งน้ำที่ใช้สำหรับระบบ RAS ความเข้มข้นของสารแขวนลอย (วัดโดยปริมาณสารแขวนลอยรวม TSS) มักคาดหวังให้อยู่ในระดับต่ำกว่า 15 มก./ล. เพื่อรักษาคุณภาพน้ำและสภาพแวดล้อมทางนิเวศให้ดี

สหรัฐอเมริกาเองก็มีกฎระเบียบเกี่ยวกับคุณภาพน้ำในด้านการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำและการบำบัดน้ำ ในระบบ RAS ความเข้มข้นของสารแขวนลอยที่เกี่ยวข้อง (แปลงจากค่าความขุ่นและตัวชี้วัดอื่นๆ) ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ช่วงความเข้มข้นที่เหมาะสมของสารแขวนลอยอยู่ประมาณ 8-12 มก./ล. ซึ่งใช้เพื่อรองรับการดำรงชีวิตและการสืบพันธุ์ของสัตว์น้ำ

ในปฏิบัติการจริงของโรงงานที่ใช้ระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) ในประเทศจีน ทั่วไปแล้วจะต้องควบคุมความเข้มข้นของอนุภาคแขวนลอย (สารแขวนลอย SS) ให้อยู่ต่ำกว่า 10 มก./ล. สำหรับบางสายพันธุ์ที่มีค่า เช่น แซลมอน ซึ่งต้องการคุณภาพน้ำสูง จะต้องควบคุมให้อยู่ต่ำกว่า 5 มก./ล.

2. พารามิเตอร์การกำจัดสารปนเปื้อนที่ละลายได้

ความสามารถในการละลายของน้ำรวมถึงสารอนินทรีย์ที่ละลายได้และสารอินทรีย์ที่ละลายได้ ซึ่งในนั้น สารที่ละลายในน้ำและเป็นอันตรายหลักคือ แอมโมเนียไนโตรเจน (NH3-N) และไนเตรตไนโตรเจน (NO2--N) แอมโมเนียไนโตรเจนสามารถเข้าสู่กระแสเลือดผ่านเหงือกและผิวหนังของปลา ทำลายวงจรกรดไตรคาร์บอกซิเลตปกติของปลา เปลี่ยนแปลงความดันออสโมติก และลดความสามารถในการดูดซับออกซิเจนจากน้ำ ส่งผลต่อการเจริญเติบโตและการอยู่รอดของปลา

ไบโอฟิลเตอร์แบบเยื่อหุ้มคงที่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) เป็นชุมชนแบคทีเรียที่เปลี่ยนแอมโมเนียไนโตรเจนซึ่งเจริญเติบโตบนพื้นผิวของวัสดุบรรจุทางชีวภาพชนิดหนึ่ง และแอมโมเนียไนโตรเจนจะถูกส่งผ่านไปยังไบโอฟิล์มแบบคงที่โดยการดิฟฟิวชันและเกิดการเปลี่ยนแปลง จุดประสงค์หลักของการออกแบบกระบวนการของไบโอฟิลเตอร์คือการรับรองว่าฟิลเตอร์มีแบคทีเรียไนเตริฟายที่เพียงพอในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนที่ปล่อยออกมาจากปลา รักษาระดับแอมโมเนียไนโตรเจนในระบบการเพาะเลี้ยงให้อยู่ในช่วงที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และรับประกันความปลอดภัยและการเจริญเติบโตที่มีประสิทธิภาพของปลา

2.1 การควบคุมแอมโมเนียไนโตรเจน (NH₃-N)

ไนโตรเจนแอมโมเนียเป็นหนึ่งในสารมลพิษหลักที่ละลายอยู่ในน้ำในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) โดยมาจากการขับถ่ายและอาหารที่เหลือของสัตว์น้ำที่เลี้ยง ความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียที่สูงสามารถเป็นพิษต่อสัตว์น้ำที่เลี้ยงได้ ส่งผลกระทบต่อการเจริญเติบโต ภูมิคุ้มกัน และความสามารถในการสืบพันธุ์ ในไบโอฟิลเตอร์ การกำจัดไนโตรเจนแอมโมเนียจะพึ่งพากระบวนการไนเตริฟิเคชันโดยจุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรียไนเตริฟายอิ้ง ซึ่งเปลี่ยนไนโตรเจนแอมโมเนียให้กลายเป็นไนเตรตและไนไตรท

เมื่อออกแบบไบโอฟิลเตอร์ ควรพิจารณาพื้นที่ผิวและปริมาตรของวัสดุกรองให้เพียงพอ เพื่อให้มีพื้นที่เพียงพอสำหรับแบคทีเรียไนเตริฟายติดงอกและขยายพันธุ์ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องควบคุมการโหลดไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำที่เข้าสู่ระบบ และหลีกเลี่ยงความเข้มข้นของแอมโมเนียที่มากเกินไปซึ่งอาจกระทบต่อไบโอฟิลเตอร์ได้ ตัวอย่างเช่น การลดความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำที่เข้าสู่ระบบสามารถทำได้โดยใช้เครื่องให้อาหารอัตโนมัติและใช้กลยุทธ์การให้อาหารแบบน้อยแต่บ่อยหลายมื้อ กำหนดความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียที่ยอมรับได้สำหรับไบโอฟิลเตอร์ โดยพิจารณาจากความสามารถในการทนต่อไนโตรเจนแอมโมเนียและความหนาแน่นของการเพาะเลี้ยงของสัตว์น้ำที่เลี้ยง ทั่วไปแล้ว สำหรับปลาเพาะเลี้ยงน้ำจืดส่วนใหญ่ ควรมีการควบคุมความเข้มข้นของแอมโมเนียรวมไม่เกิน 1 มก./ล. และแอมโมเนียแบบไม่มีประจุไม่ควรเกิน 0.025 มก./ล.

2.2 การควบคุมไนไตรท์ (NO₂⁻-N)

ไนเตรียตยังเป็นพารามิเตอร์คุณภาพน้ำที่ต้องเฝ้าระวังอย่างใกล้ชิดในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) อีกด้วย เป็นผลิตภัณฑ์ระหว่างทางในกระบวนการออกซิเดชันของแอมโมเนียไนโตรเจน และยังเป็นพิษต่อสัตว์น้ำที่เลี้ยงด้วย ไนเตรียตสามารถส่งผลกระทบต่อการขนส่งออกซิเจนในเลือดของสัตว์น้ำที่เลี้ยง ส่งผลให้เกิดอาการขาดออกซิเจน เช่น หายใจลำบาก ลอยหัว และอาจถึงตายได้

ในการออกแบบจำเป็นต้องแน่ใจว่าไบโอฟิลเตอร์สามารถเปลี่ยนไนเตรียตเป็นไนเตรตได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งต้องรักษาความกระตือรือร้นของแบคทีเรียลดไนเตรตในไบโอฟิลเตอร์และให้สภาพแวดล้อมที่เหมาะสมแก่พวกมัน เช่น ออกซิเจนละลายน้ำในระดับที่เหมาะสม โดยทั่วไปแล้วควรมีการควบคุมความเข้มข้นของไนเตรียตให้อยู่ต่ำกว่า 0.5 มก./ล.

2.3 ปัจจัยที่ควรพิจารณาสำหรับการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำในน้ำทะเล

ความเค็มของน้ำทะเลค่อนข้างสูง มีไอออนหลากหลายชนิด เช่น โซเดียมไอออน (Na ⁺ ) คลอไรด์ไอออน (Cl − ) แมกนีเซียมไอออน (Mg ² ⁺ ) แคลเซียมไอออน (Ca ² ⁺ ), เป็นต้น สิ่งมีชีวิตในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำทะเลได้พัฒนาโครงสร้างการควบคุมไอออนที่ซับซ้อนขึ้นจากการปรับตัวระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่มีเกลือสูง เมื่อไนเตรามาสู่สิ่งมีชีวิตทางทะเล สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถบรรเทาผลกระทบทางสรีรวิทยาของไนเตร้าบางส่วนโดยใช้ระบบควบคุมไอออนของตนเอง ในระบบการเพาะเลี้ยงแบบหมุนเวียน (RAS) ไอออนคลอร์ไรด์ (Cl -) สามารถลดความเป็นพิษของไนเตร้า (NO2-) ต่อสัตว์น้ำผ่านกลไกการยับยั้งแบบแข่งขัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทั้งไอออนคลอร์ไรด์และไนเตร้าจำเป็นต้องเข้าสู่ร่างกายปลาผ่านเซลล์คลอร์ไรด์บนแผ่นเหงือก การมีไอออนคลอร์ไรด์จะเพิ่มความยากลำบากในการที่ไนเตร้าจะเข้าสู่ร่างกายปลา ทำให้ลดความเป็นพิษลง โดยทั่วไปแล้ว เมื่อความเข้มข้นของไอออนคลอร์ไรด์ในน้ำเป็นหกเท่าของไนเตร้า จะสามารถยับยั้งความเป็นพิษของไนเตร้าต่อสัตว์น้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเปรียบเทียบระหว่างการเพาะเลี้ยงในน้ำจืดและการเพาะเลี้ยงในน้ำทะเล การเพาะเลี้ยงในน้ำทะเลมีความเสี่ยงจากความเป็นพิษของไนเตร้าน้อยกว่า เนื่องจากความเข้มข้นของไอออนคลอร์ไรด์ในน้ำทะเลสูงกว่า ดังนั้น ในระบบการเพาะเลี้ยงแบบหมุนเวียน (RAS) โดยการควบคุมความเค็มอย่างเหมาะสม ความเป็นพิษของไนเตร้าสามารถลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และสามารถปกป้องสุขภาพและความปลอดภัยของสัตว์น้ำได้

3. ออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (DO)

ในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) ออกซิเจนที่ละลายในน้ำ (DO) เป็นปัจจัยสำคัญของคุณภาพน้ำ สัตว์น้ำและปลาดูดซึมออกซิเจนที่ละลายในน้ำผ่านเหงือกเพื่อรักษาการทำงานเมตาบอลิกของพวกมัน ความเข้มข้นของออกซิเจนที่ละลายในน้ำที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตปกติของปลาน้ำอุ่นส่วนใหญ่อยู่ที่ประมาณ 5-8 มก./ล. เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนที่ละลายในน้ำต่ำกว่าระดับITICAL การหายใจของสัตว์น้ำจะถูก limitations อัตราการเจริญเติบโตจะช้าลง ภูมิคุ้มกันจะลดลง และมีแนวโนามากเกิดโรคได้ง่าย เช่น เมื่อออกซิเจนที่ละลายในน้ำต่ำกว่า 2 มก./ล. ปลาจำนวนมากจะแสดงอาการลอยหัว และหากอยู่ในสภาพออกซิเจนต่ำเป็นเวลานานอาจทำให้ปลาตายได้

ในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) แนะนำให้รักษาออกซิเจนละลายนอยู่ระหว่าง 8-10 มก./ล. ออกซิเจนละลายที่สูงกว่าจะช่วยเพิ่มระดับการให้อาหารและลดอัตราส่วนของอาหารที่ใช้

4. การควบคุมค่า pH

ในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) ช่วงค่า pH ที่เหมาะสมสำหรับปลาโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 7.0-8.5 เช่น สัตว์น้ำในน้ำจืดส่วนใหญ่มักเติบโตได้ดีในสภาพแวดล้อมที่มีค่า pH 7.2-7.8 เนื่องจากภายในช่วงค่า pH นี้ ฟังก์ชันทางสรีรวิทยาของปลา เช่น การหายใจและการควบคุมความดันออสโมติก สามารถดำเนินไปได้อย่างปกติ การแลกเปลี่ยนแก๊สเกิดขึ้นผ่านเหงือก และความเป็นกรดหรือด่างที่เหมาะสมในน้ำจะช่วยส่งเสริมกระบวนการแลกเปลี่ยนออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นไปอย่างปกติ

สำหรับการเลี้ยงกุ้ง เช่น กุ้งขาวอเมริกาใต้ ช่วง pH ที่เหมาะสมอยู่ที่ประมาณ 7.8-8.6 เนื่องจากโครงสร้างสรีรวิทยาและการทำงานของสัตว์พวกเปลือกแข็ง ทำให้พวกมันสามารถปรับตัวในสภาพแวดล้อมที่มี pH สูงกว่าเล็กน้อยได้ดี pH ที่เหมาะสมจะช่วยส่งเสริมการลอกคราบและการเจริญเติบโตของกุ้ง

อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการของระบบการเพาะเลี้ยงแบบหมุนเวียน (RAS) ค่า pH จะลดลงเรื่อย ๆ เมื่อการเพาะเลี้ยงดำเนินไป และจำเป็นต้องปรับค่า pH ของน้ำ อุปกรณ์ปรับ pH อัตโนมัติสามารถใช้งานได้ โดยปรับค่า pH ของแหล่งน้ำโดยอัตโนมัติตามข้อมูลจากเซ็นเซอร์ pH