Tối ưu hóa lọc sinh học: Hướng dẫn lọc sinh học lý tưởng

Người mới chơi nghe đến lọc sinh học, lọc cơ học, lọc hóa học thường dễ bị rối. Loại nào cũng cần thiết, vì cả ba cùng giữ cho nước sạch và giữ môi trường sống khỏe mạnh cho vật nuôi lẫn cây thủy sinh.

Chắc hẳn nhiều người chơi tự tin là mình đã hiểu quá trình nitrat hóa. Nhưng ngoài vi khuẩn nitrat hóa, trong bể còn có vi khuẩn dị dưỡng, và nhóm này cũng nên xếp vào vi khuẩn có lợi. Chắc chắn có không ít người, kể cả dân chơi lâu năm, sẽ lần đầu nghe tới chuyện này!

Phần dưới đây giải thích lọc sinh học là gì, nó hoạt động thế nào và vì sao nó là phần thiết yếu, thật ra là quan trọng nhất, của mọi hệ thống bể. Tiếp theo là các cách tối ưu bộ lọc sinh học để vật nuôi trong bể luôn khỏe mạnh và an toàn.

Lọc sinh học là gì?

Bộ lọc sinh học (biofilter) không phải là một món thiết bị cụ thể. Nó là cả một hệ thống tạo ra và nuôi giữ các quần thể vi khuẩn có lợi, tức vi khuẩn nitrat hóa Nitrosomonas và Nitrobacter. Nhóm vi khuẩn này chuyển chất độc như amoniac thành nitrit, rồi chuyển tiếp nitrit thành nitrat.

Quá trình này còn có tên là chu trình nitơ.

Sinh vật nào sống trong bể cũng thải ra chất thải. Cộng thêm chất hữu cơ phân hủy, trong bể sẽ sinh ra và tích tụ những chất cực độc. Lọc sinh học xử lý những chất này thành các hợp chất ít độc hơn theo các bước sau:

• Đầu tiên, vi khuẩn Nitrosomonas chuyển amoniac thành nitrit. Cả amoniac lẫn nitrit đều rất độc.
• Sau đó, vi khuẩn Nitrobacter chuyển nitrit thành nitrat. Ở nồng độ thấp, nitrat ít độc hơn.
• Cây thủy sinh hút bớt một phần nitrat. Phần còn lại phải bỏ ra khỏi bể bằng cách thay nước định kỳ.

Vi khuẩn dị dưỡng trong lọc sinh học

Phần lớn người chơi nghĩ chu trình nitơ do vi khuẩn nitrat hóa đảm nhận là hình thức lọc sinh học duy nhất.

Thật ra không hẳn vậy.

Trong bể còn một quá trình quan trọng khác, đó là loại bỏ cacbon hữu cơ hòa tan (DOC, dissolved organic carbon). Phần này do một nhóm vi khuẩn dị dưỡng lo.

DOC là một hỗn hợp phức tạp gồm nhiều hợp chất như protein, axit, chất mùn, v.v. DOC có từ các nguồn sau:

• Chất thải của cá, động vật không xương sống và cây (phân, chất bài tiết)
• Thức ăn thừa và chất hữu cơ đang phân hủy
• Các chất hữu cơ tự nhiên tiết ra từ nền, lũa, lá
• Nước máy cũng có thể chứa DOC, v.v.

Quá trình trao đổi chất của vật nuôi và sự phân hủy chất hữu cơ trong bể sinh ra cùng lúc cả hợp chất hữu cơ hòa tan lẫn amoniac.

Trong hầu hết trường hợp, DOC và amoniac có chung một gốc, đó là chất hữu cơ sinh ra rồi phân hủy ngay trong bể. Hai thông số chất lượng nước này gắn chặt với nhau.

Vi khuẩn nitrat hóa không lấy được cacbon hữu cơ hòa tan ra khỏi nước. Phần việc quan trọng này là của vi khuẩn dị dưỡng.

Vi khuẩn dị dưỡng lấy năng lượng và dinh dưỡng từ các hợp chất cacbon hữu cơ như chất thải của cá, thức ăn thừa, nấm, động vật nguyên sinh, tảo trôi nổi, v.v. Vi khuẩn nitrat hóa thì dùng được các hợp chất vô cơ như amoniac hay nitrit làm nguồn năng lượng. Vi khuẩn dị dưỡng thì khác, chúng sống nhờ DOC.

Nói gọn lại, vi khuẩn dị dưỡng biến chất hữu cơ thành amoniac. Lượng amoniac này sau đó đi tiếp vào chu trình nitơ để các vi khuẩn khác xử lý.

Vi khuẩn dị dưỡng mang lại những lợi ích sau:

• Chúng làm nước sạch và trong hơn. Chúng phân hủy và tiêu thụ rất nhanh các hợp chất hữu cơ hòa tan như protein và axit. Không có chúng, những chất này sẽ tích lại và làm đục nước.
• Trong lúc xử lý chất hữu cơ, chúng ngăn những vi khuẩn khác phát triển trong nước, vốn là loại có thể làm vật nuôi bị bệnh.
• Chúng lấn át và đẩy lùi mầm bệnh cùng nấm, không cho những thứ này bám vào lọc rồi lan ra bể.
• Chúng trao đổi chất rất nhanh nên chất hữu cơ không tích tụ quá nhiều. Nước chỉ cần chảy qua lọc một lượt là chúng đã xử lý được chất bẩn.

Vi khuẩn có lợi sống ở đâu

Vi khuẩn nitrat hóa và vi khuẩn dị dưỡng sống ở những vùng và những bề mặt khác nhau trong bể, tùy nhu cầu của từng nhóm.

Vi khuẩn nitrat hóa:

• Chủ yếu nằm trong vật liệu lọc,
• Nền,
• Thành bể,
• Lũa,
• Cây thủy sinh, v.v.

Gần như bề mặt nào trong bể cũng là chỗ bám cho vi khuẩn có lợi.

Có điều, những vật có cấu trúc xốp như mút lọc, bio-ball, vòng gốm độ xốp cao, v.v. có diện tích bề mặt lớn hơn, nên tự nhiên chứa nhiều vi khuẩn hơn. Vì vậy, dù vi khuẩn sống được trên nhiều bề mặt trong bể, phần lớn chúng vẫn tập trung trong lọc.

Vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí và kỵ khí:

• Kỵ khí. Chúng sống trong lớp nền dày, nơi thiếu oxy.
• Hiếu khí. Chúng sống trong vật liệu lọc, chính là lớp cặn nâu trong đó.

Lưu ý. Lớp cặn nâu cũng có thể xuất hiện trên mặt nền và bên dưới nền. Tuy vậy, phần lớn trường hợp đó là do lọc và sục khí trong bể kém. Nếu nuôi các loài sống ở đáy thì bạn nên dọn lớp cặn này đi.

Để làm tốt phần việc của mình, vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí cần diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với vi khuẩn nitrat hóa, tỉ lệ ít nhất 1:10.

Các yếu tố chính quyết định hiệu quả lọc sinh học

Lọc sinh học dựa vào các quần thể vi khuẩn có lợi. Bộ lọc sinh học chạy hiệu quả đến đâu phụ thuộc vào mấy yếu tố chính dưới đây.

1. Diện tích bề mặt

Như đã nói ở trên, vật liệu càng xốp thì càng nhiều vi khuẩn có lợi sống được trên đó.

Khi diện tích bề mặt đạt mức lớn nhất, quần thể vi khuẩn nitrat hóa cũng sẽ rất lớn. Chuyện này dễ hiểu. Bề mặt càng nhiều thì vi khuẩn càng có nhiều chỗ bám, chỗ sống.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng cho thấy vật liệu xốp đến một mức nào đó thì hiệu quả không tăng thêm nữa. Các vật liệu như thủy tinh thiêu kết hay bio-ball nhựa có lỗ và khe siêu nhỏ, nhờ vậy diện tích bề mặt lên tới 800-1200 m²/L, thậm chí hơn.

Theo các nghiên cứu, tăng diện tích bề mặt quá 500 m²/L chưa chắc làm lọc sinh học mạnh hơn hay hiệu quả hơn. Lỗ quá nhỏ (dưới 0,5 mm) cản dòng nước và làm oxy khó khuếch tán sâu vào trong. Kết quả là lòng các lỗ này thành vùng chết thiếu oxy.

Vật liệu lý tưởng là loại có nhiều bề mặt cho vi khuẩn sống nhất mà nước vẫn lưu thông tốt và oxy vẫn đủ.

Vật liệu xốp vừa phải, cỡ lỗ 1-2 mm, như vòng gốm, đá núi lửa hay vật liệu sinh học bằng nhựa, có đủ diện tích bề mặt cho vi khuẩn phát triển mạnh. Cùng lúc đó, nước và oxy vẫn đi được khắp khối vật liệu.

2. Thể tích vật liệu lọc

Một bể cần bao nhiêu vật liệu lọc sinh học thì tùy vào 2 yếu tố chính:

• tổng thể tích nước,
• mật độ nuôi (tải sinh học).

Tải sinh học (bioload) là lượng chất thải mà cá, ốc, cua, tôm càng, ếch và các vật nuôi khác trong bể thải ra. Ví dụ, bể nuôi dày với con to, hoặc với đàn cá nhỏ đông đúc, có tải sinh học cao hơn. Vì vậy những bể này cần nhiều vật liệu lọc hơn để xử lý lượng amoniac và nitrit tăng thêm.

Thị trường bây giờ thương mại hóa cực độ. Người chơi liên tục bị thúc mua những sản phẩm không đúng với thực tế. Có loại lọc quảng cáo rằng hộp vật liệu nhỏ gọn của nó cân được cả bể lớn. Với bể ít vật nuôi thì có thể dùng được. Còn với bể nuôi dày thì đừng bao giờ làm vậy. Chuyện này càng quan trọng khi amoniac và nitrit tăng vọt, chẳng hạn lúc mới chạy chu trình nitơ cho bể mới hoặc sau khi thả nhiều cá mới cùng lúc.

Bộ lọc sinh học quá nhỏ so với tải sinh học thì vi khuẩn sẽ không xử lý kịp. Vật nuôi bị stress, thậm chí có thể chết.

Vì vậy, tốt nhất bạn nên chọn lọc dành cho bể lớn hơn bể mình đang có. Lý tưởng nhất là vật liệu lọc chiếm ít nhất 1/2 đến 2/3 khoang lọc.

Ví dụ, bể 40 lít thì chọn lọc dành cho bể từ 80 lít trở lên. Tiền chênh không bao nhiêu mà lợi thì rất lớn!

3. Lưu lượng nước và oxy

Nhiều người chơi vẫn tin lọc sinh học cần lưu lượng tới 10 lần dung tích bể mỗi giờ, thậm chí hơn. Họ cho rằng nước chảy nhanh thì mang được nhiều oxy và amoniac hơn tới cho vi khuẩn có lợi.

Tuy nhiên, các nghiên cứu khoa học cho thấy lưu lượng tuần hoàn có một ngưỡng tối đa. Vượt qua ngưỡng đó thì tăng lưu lượng cũng không làm quá trình nitrat hóa tốt hơn.

Mức tối thiểu khuyến nghị là 2-3 lần thể tích bể mỗi giờ.

Cuốn “Aquatic Systems Engineering: Devices and How They Function” của P.R. Escobal đưa ra một cách tính có xét đến chuyện nước từ lọc chảy về bể sẽ hòa lẫn với phần nước còn lại.

Vì thế, muốn lọc hết toàn bộ nước trong bể, lọc phải xử lý khoảng 9,2 lần tổng thể tích nước. Lúc đó khoảng 99,9% lượng nước đã đi qua lọc.

Thời gian để lọc trọn một vòng tính theo công thức sau.

(Thể tích bể x 9,2) / Lưu lượng lọc (L/giờ) = số giờ cho 1 vòng lọc trọn vẹn

Từ đó suy ra số vòng lọc mỗi ngày.

24 giờ / Thời gian một vòng = số vòng lọc mỗi ngày

Ví dụ, bể 150 L (90x45x45 cm) dùng lọc có lưu lượng 360 L/giờ.

(150 L x 9,2) / 360 L/giờ = 3,83 giờ

24 giờ / 3,83 giờ = 6,26 vòng mỗi ngày

Như vậy, mỗi ngày lọc của bể này xử lý toàn bộ lượng nước khoảng 6 lần.

Dùng cách tính này, bạn kiểm tra được lọc của mình đã đủ vòng tuần hoàn cho kích thước bể và mật độ nuôi hay chưa. Bể có tải sinh học lớn có thể cần tuần hoàn nhanh hơn.

Lưu ý. Nhìn chung, lọc bể cá đều có lưu lượng vượt mức tối thiểu này ngay từ thiết kế. Hầu hết lọc bây giờ cho lưu lượng ít nhất 5-6 lần thể tích bể mỗi giờ. Mức này đủ tuần hoàn cho lọc sinh học trong một bể gia đình thông thường.

Tăng lưu lượng quá các mức này cũng không làm vi khuẩn xử lý chất thải tốt hơn bao nhiêu. Thứ giới hạn tốc độ trao đổi chất của vi khuẩn là lượng oxy có sẵn, chứ không phải dòng nước.

Quan trọng. Không có nước tươi giàu oxy chảy qua thì vi khuẩn sẽ chết rất nhanh. Khi đó vi sinh vật kỵ khí sẽ chiếm chỗ của vi khuẩn nitrat hóa có lợi, và chúng có thể bắt đầu sinh ra hydro sunfua và metan. Nếu bạn bật lại một bộ lọc đã tắt, nước đọng trong đó nhiều ngày mà không xả rửa, vật nuôi có thể bị ngộ độc.

Nhiệt độ

Vi khuẩn nitrat hóa phát triển tốt nhất ở khoảng 25-30°C. Trong khoảng này chúng trao đổi chất và sinh sản nhanh hơn, nhờ vậy chu trình nitơ cũng chạy nhanh hơn.

Nước lạnh hơn khoảng này thì vi khuẩn xử lý chất thải chậm đi rõ rệt. Ví dụ, ở 10°C, tốc độ phát triển của vi khuẩn nitrat hóa giảm 75%. Còn khi nhiệt độ quá cao, trên 35°C, sự phát triển của chúng sẽ bị kìm lại.

Nhiệt độ thay đổi đột ngột và mạnh cũng có thể làm sập bể, vì vi khuẩn không kịp điều chỉnh trao đổi chất.

Phải giữ vi khuẩn nitrat hóa trong vùng nhiệt độ dễ chịu của chúng thì chu trình nitơ mới chạy hiệu quả.

Quan trọng. Đừng quên quy luật chung giữa nhiệt độ và độ hòa tan oxy. Nước càng ấm thì càng giữ được ít oxy hòa tan.

Lọc sinh học, cây thủy sinh và thay nước

Cần nhớ là vi khuẩn có lợi không loại được nitrat, sản phẩm cuối của quá trình phân hủy chất hữu cơ, ra khỏi nước. Nitrat sẽ tích tụ dần.

Trong bể thông thường, chỉ có hai cách loại bỏ nitrat:

• cây thủy sinh,
• thay nước.

Lưu ý. Vi khuẩn kỵ khí (vi khuẩn dị dưỡng) cũng làm được việc này, nhưng cần một kiểu set bể đặc biệt với lớp nền dày.

Vì vậy, đừng bao giờ coi lọc sinh học là thứ thay thế được cho thay nước. Dù dùng loại lọc sinh học nào, bạn vẫn phải thay nước định kỳ.

Ví dụ, bể cá nên thay ít nhất 20-30% thể tích mỗi tuần một lần. Bể tép có thể thay 10-15%, vì tép không thải ra nhiều chất thải.

Mẹo xử lý sự cố

Nếu amoniac hoặc nitrit lên cao, bạn hãy kiểm tra mấy nguyên nhân có thể sau:

• Không đủ diện tích bề mặt. Bạn hãy đổi sang vật liệu xốp hơn như vòng gốm.
• Quá ít vật liệu. Bạn hãy cho vật liệu lấp ít nhất 2/3 khoang lọc.
• Thiếu oxy. Bạn hãy tăng tuần hoàn nước và tạo xáo động trên mặt nước.
• Nhiệt độ thấp. Bạn hãy nâng nhiệt từ từ lên khoảng lý tưởng cho vi khuẩn có lợi.

So sánh nhanh các hệ thống lọc sinh học

Bể nào cũng có lọc sinh học diễn ra, nhưng có loại lọc làm việc này tốt hơn loại khác. Dưới đây là phần so sánh dựa trên kinh nghiệm thực tế.

• Lọc thùng. Lọc thùng chứa được nhiều vật liệu, lưu lượng chỉnh được, nên rất hợp cho lọc sinh học. Hiệu quả 9/10, dễ bảo trì 7/10, chi phí 6/10.
• Lọc treo (HOB). Lọc treo đơn giản nhưng ít chỗ chứa vật liệu và khó chỉnh dòng hơn. Bạn có thể nhét thêm vật liệu, ví dụ túi vật liệu xốp. Hiệu quả 7/10, dễ bảo trì 8/10, chi phí 8/10.
• Lọc mút (lọc bọt biển). Lọc mút có diện tích bề mặt cho vi khuẩn, nhưng lọc cơ học rất ít. Hiệu quả 6/10, dễ bảo trì 9/10, chi phí 9/10.
• Lọc sump. Lọc sump cũng rất mạnh nhờ các ngăn lọc nằm riêng ngoài bể chính và tùy biến thoải mái. Loại này thường dùng cho bể biển hoặc bể nước ngọt rất lớn có tải sinh học cao. Lọc sump có thể lọc sinh học hiệu quả và giữ thông số nước ổn định. Hiệu quả 8/10, dễ bảo trì 7/10, chi phí 6/10.
• Lọc tầng sôi. Loại lọc này tạo môi trường lý tưởng cho vi khuẩn có lợi phát triển. Nó xử lý amoniac và nitrit cực kỳ hiệu quả. Tuy vậy, lọc tầng sôi không phổ biến bằng các loại kia. Hiệu quả 8/10, dễ bảo trì 7/10, chi phí 7/10.

Kết luận

Lọc sinh học là loại lọc quan trọng nhất để giữ môi trường bể khỏe mạnh.

Muốn lọc sinh học chạy hiệu quả thì phải tạo điều kiện tốt nhất cho vi khuẩn nitrat hóa phát triển. Cụ thể là đủ diện tích bề mặt, đủ vật liệu lọc, đủ dòng nước, đủ oxy và nhiệt độ nằm trong khoảng lý tưởng.

Tuy vậy, trong hầu hết trường hợp, chỉ có lọc sinh học thì chưa đủ. Bạn vẫn cần thay nước một phần định kỳ để pha loãng lượng nitrat tích tụ và bù lại nguyên tố vi lượng.

Tài liệu tham khảo

• Escobal, P.R. Aquatic Systems Engineering: Devices and How They Function. Dimension Engineering Press, 2000.
• Hovanec, Timothy A., and Edward J. DeLong. “Comparative Analysis of Nitrifying Bacteria Associated with Freshwater and Marine Aquaria.” Applied and Environmental Microbiology, vol. 62, no. 8, 1996, pp. 2888–2896.
• Spotte, Stephen. Seawater Aquariums: The Captive Environment. John Wiley & Sons, 1979.
• Diana L. Walstad, “Ecology of the Planted Aquarium: A Practical Manual and Scientific Treatise for the Home Aquarist”, 1999, p.63.