Bộ lọc giá thể tự do là một bộ lọc sinh học trong đó mục tiêu chính là kiểm soát nồng độ amoniac (NH3) chưa được ion hóa của nước, vì chất này rất độc đối với tôm cá.

Môi trường sinh học

Bộ lọc giá thể tự do có chứa các giá thể sinh học như hạt, vụn hoặc bọt xốp với diện tích bề mặt riêng cao mà vi khuẩn nitrat hóa có thể sống trên đó. Thông thường, bộ lọc chứa khoảng 50% nước và 50% giá thể sinh học, được khuấy đảo trong bể bằng máy thổi ở dưới đáy bể lọc. Bằng cách này, các vi khuẩn sống trên các giá thể sinh học được tiếp cận liên tục với oxy và amoniac. Hiệu quả của bộ lọc sinh học liên quan trực tiếp đến tổng lượng vi khuẩn trong bộ lọc. Để có một bộ lọc giá thể tự do nhỏ gọn, cần phải có một phương tiện lọc là giá thể có diện tích bề mặt cao, chất liệu an toàn,  trên đó vi khuẩn nitrat hóa có thể bám vào và phát triển. Có nhiều loại giá thể sinh học khác nhau, mỗi loại có thông số kỹ thuật riêng.

Bên cạnh diện tích bề mặt của môi trường lọc, các yếu tố quan trọng khác quyết định tốc độ chuyển hóa amoniac thành nitrat diễn ra là nồng độ amoniac, mức oxy, nhiệt độ nước, pH và chất hữu cơ trong nước. Điều quan trọng là phải nhận ra rằng trước khi nitrat hóa, phải loại bỏ càng nhiều chất hữu cơ càng tốt, vì nếu không nó sẽ gây trở ngại tiêu cực cho quá trình nitrat hóa. Chất hữu cơ trong bộ lọc có thể làm chết vi khuẩn nitrat hóa, và thậm chí nó có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn dị dưỡng phát triển nhanh hơn nhiều so với vi khuẩn nitrat hóa. Một lần nữa, bộ lọc này cần được theo dõi hàng ngày, và phải quản lý cẩn thận để vi khuẩn có điều kiện thích hợp để phân hủy amoniac. Nười nuôi sử dụng RAS không chỉ phải chăm sóc tôm cá mà còn phải chăm sóc vi khuẩn trong bộ lọc.

Chuyển động liên tục 

Bộ lọc giá thể tự do chủ yếu thực hiện quá trình nitrat hóa, nhưng cũng có một số quá trình sục khí và khử khí. Các hạt hoặc các giá thể sinh học khác cần phải chuyển động mọi lúc, trong mọi bộ phận của bộ lọc. Không cho phép có bất cứ khu vực “chết” nào, vì có thể xảy ra sự tích tụ không mong muốn của các chất hữu cơ và các điều kiện yếm khí có thể phát sinh. Do đó, cần phải có sục khí mạnh. Sục khí cũng duy trì mức oxy tối ưu cho vi khuẩn. 

Hình 1. Ví dụ về bộ lọc sinh học giá thể tự do. Chuyển động liên tục của tất cả các giá thể lọc sinh học là cần thiết cho quá trình nitrat hóa, sục khí và khử khí tối ưu. Bộ lọc giá thể tự do thường được đặt sau bộ lọc cơ học và trước bộ khử khí và làm giàu oxy, trước khi nước quay trở lại bể nuôi.

Một phần CO2 trong nước, cũng như bất kỳ khí N2 nào được tạo ra do quá trình khử nitơ trong bộ lọc cơ học sẽ bị loại bỏ. Do sự xáo trộn, các giá thể va đập vào nhau, dẫn đến chúng có thể tự làm sạch (không cần chùi rửa). Điều đó cũng có nghĩa là vi khuẩn nitrat hóa chỉ có thể bám vào bề mặt được bảo vệ của các gía thể sinh học. Khi sử dụng bộ lọc giá thể tự do, điều quan trọng là phải kiểm tra xem không có bọt khí nào được thực hiện theo dòng nước vào máy bơm, vì điều này có thể dẫn đến siêu bão hòa nitơ. Từ 102% trợ lên, hiện tượng khí siêu bão hòa nitơ có thể xảy ra, và điều này, tất nhiên, phải được ngăn chặn. Về nguyên tắc, bộ khử khí sẽ loại bỏ lượng nitơ dư thừa, nhưng phòng ngừa trước vẫn tốt hơn.

Nitrat hóa (quá trình hiếu khí) 

Amoniac được chuyển hóa thành nitrat (NO3-) theo hai bước bởi hai nhóm vi khuẩn nitrat hóa. Thứ nhất, amoniac bị oxy hóa thành nitrit (NO2-) bởi một số loài vi khuẩn, trong đó chi phổ biến nhất là Nitrosomonas. Thứ hai, nitrit - cũng là chất độc đối với cá nhưng không bằng amoniac (NH3) - sau đó tiếp tục bị oxy hóa bởi một số nhóm vi khuẩn, trong đó được biết đến nhiều nhất là Nitrobacter. Quá trình oxy hóa cuối cùng này tạo ra nitrat. Nitrat sẽ tích tụ nhưng không có độc tính cao đối với tôm cá, mặc dù nó có thể làm tôm cá giảm ăn ở nồng độ cao. Đó là lý do tại sao nitrat phải được kiểm soát bằng cách thay nước cũ hàng ngày hoặc liên tục hoặc bằng cách khử nitrat trong một bộ lọc sinh học khác. Vi khuẩn cần đủ oxy cho quá trình nitrat hóa.

Khử nitơ (quá trình thiếu khí)

Quá trình khử nitơ là sự phân hủy nitrat thành khí nitơ phân tử (N2). Nhiều loài vi khuẩn có thể thực hiện quá trình khử nitơ. Hầu hết các vi khuẩn khử nitơ là vi khuẩn dị dưỡng sống trong điều kiện thiếu khí hoặc nồng độ oxy rất thấp. Trong quá trình này, nitrat cung cấp phân tử oxy và chất hữu cơ được sử dụng làm nguồn cacbon, do đó cũng tạo ra CO. Quá trình thứ ba trong bộ lọc sinh học là sự phân hủy hữu cơ bởi vi khuẩn dị dưỡng. Đây là một quá trình hiếu khí. Trong nuôi cá hồi, người ta thường sử dụng kết hợp hai bộ lọc sinh học: bộ lọc giá thể cố định và bộ lọc giá thể tự do. 

Thiết kế để đáp ứng các tiêu chí hiệu suất cụ thể

Trong việc thiết kế bộ lọc sinh học, cần phải tính toán tổng tải lượng amoniac hàng ngày dự kiến ​​và diện tích bề mặt môi trường sinh học cần thiết để xử lý tải trọng đó ở nhiệt độ nước của trang trại. Để xác định kích thước thích hợp, thông tin liên quan đến sản lượng amoniac trên mỗi kg thức ăn là rất quan trọng và có thể thay đổi tùy theo loại thức ăn được sử dụng. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cá hồi sử dụng thức ăn bao gồm nhiệt độ nước, thành phần thức ăn, mức độ cho ăn, khả năng tiêu hóa thức ăn.