Aquaponics là hệ thống trồng rau- nuôi cá tích hợp đồng thời cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh.
Thành phần của hệ thống gồm rau và cá.
Đặt vấn đề
Việt Nam là một nước đang phát triển, với nông nghiệp là ngành sản xuất vật chất cơ bản, giữ vai trò to lớn trong việc phát triển kinh tế – xã hội. Trong đó, sản xuất rau sạch, an toàn là lĩnh vực rất cần thiết cho cuộc sống ngày càng phát triển hiện nay.
Rau là nguồn thực phẩm không thể thiếu cho đời sống của con người, cung cấp rất nhiều chất dinh dưỡng mà các thực phẩm khác không thể thay thế như chất xơ, vitamin… Ăn nhiều rau giúp cơ thể tránh được các bệnh về tim mạch, ổn định huyết áp, ngăn ngừa một số bệnh ung thư… Hoạt động sản xuất rau được triển khai rộng khắp đất nước, nhưng tập trung chủ yếu ở những vùng nông thôn. Để có được rau sạch, an toàn thì cần phải giám sát, áp dụng quy trình chăm sóc, bảo vệ nghiêm ngặt. Tuy nhiên, hiện nay, việc chăm sóc rau trồng được tiến hành một cách rất thủ công, không áp dụng các kỹ thuật mới, các quy trình trồng rau an toàn, do đó, rau trồng thường bị sâu bệnh, không cho năng suất cao. Để khắc phục điều đó, thì người dân lại sử dụng phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, thuốc tăng trưởng, thuốc bảo vệ thực vật…thế nhưng điều này lại ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến sức khỏe người tiêu dùng. Đây là một vấn đề cấp thiết hiện nay!
Song song với sản xuất rau sạch thì việc cung cấp nguồn thủy sản tươi, sạch cũng là một vấn đề nóng hiện nay. Nước ta có mạng lưới ao hồ, sông suối dày đặc nên việc nuôi thủy sản nước ngọt rất phổ biến và đang dần phát triển mạnh. Tuy nhiên năng suất chưa cao do điều kiện thời tiết khắc nghiệt, trình độ khoa học kỹ thuật còn thấp và một vấn đề cấp bách đó là ô nhiễm nguồn nước thủy sản dẫn đến ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến đời sống, sự phát triển kinh tế của đất nước.
Để giải quyết hai vấn đề nêu trên, tại sao chúng ta không kết hợp hai mô hình nuôi trồng thủy sản, rau sạch làm một? Đề tài này sẽ cung cấp cho chúng ta một giải pháp mới, hiệu quả để giải quyết vấn đề sản xuất rau sạch, cung cấp nguồn thủy sản an toàn mà vẫn đảm bảo sức khỏe người tiêu dùng, không ảnh hưởng đến môi trường đồng thời tiết kiệm được nguồn tài nguyên.
Hoạt động của hệ thống AQUANOPICS
Nguyên tắc hoạt động:
- Đầu vào chính cho một hệ thống Aquaponics là thức ăn cho cá. Cá ăn thức ăn và thải chất thải. Hơn 50% chất thải do cá tạo ra ở dạng amoniac được tiết ra trong nước tiểu, và một lượng nhỏ thông qua các mang. Phần còn lại của chất thải được thải ra dưới dạng phân.
- Một yếu tố vô hình và giữ vai trò quan trọng trong hệ thống Aquaponics là các vi sinh vật. Chúng là các vi khuẩn nitrat hóa tự nhiên sống trong nước và không khí. Chúng tham gia vào quá trình chuyển hóa chất thải từ cá thành các chất dinh dưỡng cho cây trồng. Vi khuẩn Nitrosomonas sẽ chuyển amoniac đầu tiên thành nitrit và sau đó đến nitrate nhờ vi khuẩn Nitrobacter, các loài thực vật sau đó có thể tiêu thụ nitrate để phát triển. Ta không cần phải cung cấp phân bón hóa học vào hệ thống, vì điều này có thể làm phá vỡ sự cân bằng của quần thể vi sinh vật trong bể cá và ảnh hưởng tới sự phát triển của cá.
- Cây trồng thực hiện chuyển đổi nitrate thành nutrien, các nutrien đây sẽ là phân bón, là chất dinh dưỡng cho cây trồng phát triển. Mặt khác, cây trồng làm sạch nước và trả lại cho bể cá. Nước này có thể được tái sử dụng vô thời hạn.
Hình 2. Chu trình hoạt động của mô hình Aquanopics
Các yếu tố chính cho một hệ thống Aquanopics hoạt động:
- Oxy hòa tan: Cũng như con người, cá cần oxy để sống. Do đó cần phải chú ý đến việc đảm bảo hàm lượng oxy thích hợp cho cá phát triển.
- Nhiệt độ nước: Nhiệt độ nước rất quan trọng trong hệ thống. Nhiệt độ cao quá sẽ làm cho cá bị sốc và có thể chết, nó ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Ngược lại, nhiệt độ xuống thấp cũng gây hại cho cá và cây trồng. chúng ta nên theo dõi nhiệt độ thường xuyên và có biện pháp ổn định nhiệt độ cho hệ thống.
- Dinh dưỡng trong nước: Có 2 dạng dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng đó là macro nutrients (NO3/NH4) và vi lượng micro nutrients. Phần lớn nguồn dinh dưỡng này được lấy từ chất thải cá và một phần hòa tan từ thức ăn của cá.
- Nguồn nước: Nước sử dụng trong hệ thống Aquaponics phải không chứa chất độc hại, có rất it hoặc không có chất rắn lơ lững. Chất lượng nước tốt thì ta mới có thể quan sát cá, kiểm soát chất thải dưới đáy bể và xem lượng thức ăn có thể dư thừa trong bể.
Trồng rau gì? nuôi loại cá nào trong hệ thống?
-
Trồng rau gì?
Câu hỏi đặt ra là loại cây trồng nào có thể phát triển trong hệ thống Aquaponics? Và câu trả lời là hầu hết các loại cây trồng đều có thể thích ứng tốt với Aquaponics. Tuy nhiên, sự phát triển của cây trồng còn phụ thuộc rất nhiều vào việc thiết kế và vận hành hệ thống Aquaponics. Quan trọng nhất là mật độ cá nuôi và mật độ cây trồng phải phù hợp và cân bằng. Ta cần phải theo dõi sự phát triển của cây trồng để biết được rằng mật độ cá đó có cung cấp đủ chất dinh dưỡng cho hệ thống hay không. Mặt khác, điều kiện thời tiết khu vực sinh sống cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn giống cây trồng phù hợp. - Nuôi cá gì?
Đây là câu hỏi mà bất kì ai cũng thắc mắc khi muốn xây dựng một hệ thống Aquaponics. Có rất nhiều loài cá khác nhau có thể nuôi trong hệ thống Aquaponics, nó tùy thuộc vào điều kiện thời tiết khu vực sinh sống và trang thiết bị hiện có. Và loại cá được nuôi phải là loài nước ngọt. Ngoài ra, chúng ta còn phải xác định mục đích phát triển hệ thống Aquaponics cho gia định để chọn loại cá phù hợp: nuôi cá để ăn thịt hay nuôi cá cảnh. Một số loại cá có thể được nuôi như: nhóm cá da trơn (cá trê, cá tra…), nhóm cá rô phi, diêu hồng, cá tai tượng, cá rô đồng, cá lóc…
Mật độ nuôi cá cũng là một vấn đề cực kì quan trọng. Không có công thức chung nào để xác định mật độ nuôi cá thích hợp mà nó hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm và quy mô của hệ thống. Nếu mật độ không phù hợp thì sẽ phát sinh ra các vấn đề về chất thải của cá và chất lượng nước. Vì vậy, ban đầu chúng ta nên thả cá với mật độ thấp và theo dõi một thời gian xem tốc độ tăng trưởng của cá và cây trồng để quyết định có tăng mật độ cá nuôi lên hay không.
Áp dụng khoa học công nghệ trong hệ thống
Bài toán đặt ra
- Thu thập thông tin nhiệt độ, độ ẩm của môi trường
- Truyền dữ liệu thu được đến người quản lý
- Điều khiển động cơ bơm nước theo lịch trình hoặc thông qua internet.
- Tự động bật tắt đèn tùy thuộc vào điều kiện ánh sáng.
- Hiển thị trực tiếp thời gian, thông tin nhiệt độ, độ ẩm trên màn hình LCD
- Nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của hệ thống
Lưu đồ thuật toán
Giải pháp thực hiện
- Phương pháp thiết kế
Hình 3. Thiết kế mô hình Aquanopics
- Thiết bị công nghệ
Hình 4. Thiết bị công nghệ được sử dụng
- Nhiệm vụ từng khối
Khối thu thập:
- DHT 11, DS18B20: thu thập nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường, nước trong bể cá.
- Quang trở: theo dõi cường độ ánh sáng, giúp khối xử lý điều khiển việc bật, tắt đèn.
- SRF05: Đo mực nước trong bể cá.
Khối xử lý:
- Arduino: nhận thông tin gửi về từ khối thu thập dữ liệu, từ đó thực hiện các công việc:
- Đưa thông tin nhiệt độ, độ ẩm, mực nước trong bể lên màn hình LCD
- Thực hiện bật/ tắt đèn.
- Đọc dữ liệu thời gian thực từ module DS1307
- Hiển thị thời gian thực lên LCD
- Thực hiện bật tắt động cơ bơm nước theo lịch hẹn giờ.
- Truyền thông tin nhiệt độ độ ẩm theo truyền dẫn UART đến module sim ở khối truyền dẫn.
Khối truyền dẫn:
- Node MCU
- Nhận thông tin nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng hoạt động của động cơ, sau đó gửi lên website.
- Thực hiện điều khiển động cơ bơm nước từ website.
- Module sim: Nhận thông tin nhiệt độ, độ ẩm sau đó gửi đến người quản lý 2 giờ/ lần.
Động cơ:
- Thực hiện đóng/ mở theo lịch hẹn giờ, theo tín hiệu điều khiển từ khối truyền dẫn, hoặc trực tiếp bằng công tắc.
Khối hiển thị:
- Màn hình LCD hiển thị thông tin thời gian, nhiệt độ, độ ẩm, mực nước trong bể cá giúp người quản lý có thể theo dõi trực tiếp tại mô hình.
Khối nguồn:
- Hệ thống sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để duy trì hoạt động. Nguồn điện lấy từ tấm pin năng lượng mặt trời được lắp ở tầng cao nhất, sử dụng mạch chuyển đổi thành nguồn 12V điều khiển động cơ, đèn chiếu sáng và một mạch sạc cho acquy – nguồn dự phòng cho những ngày không có mặt trời.
Kết quả nghiên cứu
Kết quả thực hiện:
Hình 5. Mô hình sản phẩm
Hình 6. Giới thiệu mô hình
Hình 7. Website theo dõi nhiệt độ, độ ẩm; điều khiển động cơ bơm nước
Đánh giá sản phẩm:
- Trồng được rau củ hoàn toàn tươi sạch.
- Cung cấp cá tươi, không chứa chất độc hại.
- Tiết kiệm nguồn nước so với sản xuất truyền thống.
- Không cần đất để trồng cây nên tiết kiệm được diện tích đất ở.
- Bảo vệ môi trường, sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên.
- Hệ thống tích hợp các công nghệ mới nhất, thuận tiện cho việc quản lý
Ý nghĩa thực tiễn:
- Aquaponic phù hợp với các nơi có đất trồng khan hiếm và thiếu nguồn nước, đây chính là tình trạng thực tế ở Việt Nam. Sử dụng Aquaponic có thể khắc phục được những khó khăn về nguồn nước đang diễn ra tại rất nhiều địa phương, nhất là vùng trung du và miền núi. Không cần diện tích không gian lớn nên mỗi gia đình có thể xây dựng một hệ thống riêng cho mình để sản xuất ra thực phẩm tự nhiên sạch, an toàn cho gia đình, tiến tới phục vụ xã hội.
- Đây được đánh giá là một hệ thống canh tác mới, đầy tiềm năng trên thế giới, có ý nghĩa lớn trong phát triển nông nghiệp theo hướng công nghệ cao, bền vững, thân thiện với môi trường.
Ứng dụng:
-
Áp dụng cho từng hộ gia đình, các trang trại nhỏ, lẻ.
-
Mở rộng quy mô thành một hệ thống nhà vườn.
Kết luận
Aquaponics là sự kết hợp từ hệ thống nuôi trồng thủy sản và thủy canh tạo thành hệ thống canh tác mới mang lại lợi ích thiết thực và đầy tiềm năng phát triển trong tương lai.
Với sự kết hợp của các thiết bị công nghệ mới nhất, sử dụng nguồn năng lương tự nhiên, được giám sát chặt chẽ, đây sẽ là một hệ thống canh tác hiện đại, phát triển bền vững, thân thiện môi trường.
Thông tin tác giả
Kết quả đạt được
Đề tài đã tham gia các cuộc thi Nghiên cứu khoa học, Hội nghị Nghiên cứu khoa học của Khoa Điện tử – viễn thông, tham gia triển lãm BK Techshow 2017.
Thành tích: Giải nhất Pioneer Contest 2017
Kinh nghiệm của nhóm khi thực hiện đề tài
Với sự đam mê nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi, từng thành viên đã tích lũy cho mình những kiến thức về sử dụng linh kiện, công nghệ cùng với những kiến thức trong việc trồng rau, nuôi cá.
Tuy nhiên, với sự giới hạn của nhiều yếu tố về thời gian, kiến thức cũng như trong kinh phí nên hệ thống còn tồn tại nhiều mặt chưa được giải quyết. Nhóm hi vọng sẽ nhận được nhiều sự quan tâm, hỗ trợ từ các cơ quan, nhà tài trợ, người quan tâm đến hệ thống để nhóm có thể tiến hành một bước xa hơn trong việc hoàn thiện hệ thống của mình.
Chân thành cảm ơn!
Đề tài dự thi TAPIT Share Contest của nhóm có mã số 02
Hoàng Trung Hiếu, Nguyễn Trần Trung Ngôn, Phạm Lê Phú Vinh!