ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG xử lý AMONI BẰNG kỹ THUẬT MÀNG VI SINH TẦNG CHUYỂN ĐỘNG NHẰM mục tái sử DỤNG nước NUÔI TRỒNG THỦY sản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘIKHOA MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ AMONI BẰNG KỸ THUẬT MÀNG VI SINH TẦNG CHUYỂN ĐỘNG NHẰM MỤC TÁI SỬ DỤNG N

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ AMONI BẰNG KỸ THUẬT MÀNG VI SINH TẦNG CHUYỂN ĐỘNG NHẰM MỤC TÁI SỬ

DỤNG NƯỚC NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trịnh Thị Thủy Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Cát

NCV Lê Anh Vân Người thực hiện: Nguyễn Thị Thuận

Lớp: CD8KM2

Địa điểm thực tập: Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ VN

Hà Nội, tháng 05 - 2012

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường Đại học TàiNguyên và Môi Trường đã tận tình dạy em trong suốt các năm học vừa qua.

Em xin cảm ơn Viện Hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đãgiúp em có môi trường thực tập tốt

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tìnhcủa PGS.TS Lê Văn Cát và nghiên cứu viên Lê Anh Vân cùng tập thể các cán bộnghiên cứu khoa học Phòng Hóa Môi trường – Viện Hóa học đã tạo điều kiện tốtnhất để em học tập và thực hành trong lĩnh vực chuyên môn của mình

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, động viên và giúp đỡ củagia đình, bạn bè trong suốt thời gian qua

Hà nội, tháng 05 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Thị Thuận

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Nguồn gốc và chu trình Nitơ trong tự nhiên 3

1.1.1 Nguồn gốc của nitơ 3

1.1.2 Nguồn gốc hình thành Nitơ trong nước nuôi trồng thủy sản 3

1.1.3 Chu trình nitơ trong tự nhiên 3

1.1.4 Chu trình nitơ trong nước nuôi trồng thủy sản 6

1.2 Các hợp chất chứa nitơ trong nước 6

1.3 Độc tính của các hợp chất nitơ đối với động vật thủy sinh 8

1.4 Các phương pháp xử lý hợp chất của nitơ 9

1.5 Kỹ thuật xử lý hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học 10

1.5.1 Khái quát về phương pháp xử lý sinh học 10

1.5.2 Các kỹ thuật xử lý hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học 11

1.5.2.1 Hệ lọc sinh học 11

1.5.2.2 Kỹ thuật lọc nhỏ giọt 12

1.5.2.3 Đĩa quay sinh học 12

1.5.2.4 Kỹ thuật tầng linh động 13

1.5.2.5 Kỹ thuật tầng chuyển động 13

1.6 Ảnh hưởng của chất lượng nước đến nuôi trồng thủy sản 13

1.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 14

1.6.3 Ảnh hưởng của pH 14

1.6.4 Ảnh hưởng của độ kiềm 15

1.6.5 Ảnh hưởng của độ cứng 15

1.6.6 Ảnh hưởng oxy hòa tan (DO) 15

1.6.7 Ảnh hưởng của nhu cầu oxy hóa học (COD) 16

1.6.8 Ảnh hưởng của amoniac 16

1.6.9 Ảnh hưởng của nitrit 16

1.6.10 Ảnh hưởng của nitrat 16

Chương 2: THỰC NGHIỆM 17

2.1 Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu 17

2.1.1 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu 17

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 17

2.2 Tiến trình thực nghiệm 18

2.2.1 Chuẩn bị hóa chất 18

2.2.2 Nuôi cấy vi sinh vật 18

2.2.3 Chuẩn bị thiết bị phản ứng 19

2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong nước 22

2.3.1 Xác định pH bằng phương pháp điện thế 22

2.3.2 Xác định độ kiềm 23

2.3.3 Xác định độ oxi hóa COD (Mn) 24

2.3.6 Xác định nitrat theo phương pháp Brucine 32

2.3.7 Xác định mật độ vi sinh 34

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả xử lý amoni của vi sinh ở các độ muối khác nhau 37

3.2 Đánh giá ảnh hưởng của độ muối lên khả năng oxi hóa amoni 38

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

PHỤ LỤC 43

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong những quốc gia trên thế giới có nghề nuôi trồng thủy sảnphát triển và cũng là nước có lịch sử nuôi trồng thủy sản lâu đời Với hơn 3.260km bờbiển, 12 đầm phá và eo vịnh, 112 cửa sông, lạch và hàng ngàn đảo lớn nhỏ ven biển, lạithêm hệ thống sông ngòi kênh rạch chằng chịt cùng với các hồ thủy lợi, thủy điện nước

ta có tiềm năng rất lớn về nuôi trồng thủy sản

Nghề nuôi trồng thủy sản ở nước ta rất phát triển, hàng năm thủy sản là mặthàng xuất khẩu truyền thống của Việt Nam Theo tổng cục thống kê, thủy sản là mặthàng có kim ngạch xuất khẩu đứng thứ 3 sau dầu thô và dệt may Có thể thấy nghànhthủy sản đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu tổng sản phẩm quốc nội của Việt Nam

Phần lớn các trạm nuôi giống sử dụng nước mặn hoặc nước lợ trong sản xuấtgiống Hiện nay có khoảng 5 ngàn trại nuôi giống thủy sản đang hoạt động cung cấptrên 20 tỉ tôm giống và các loại giống nuôi khác cho nuôi trồng thủy sản hàng năm.Hình thức được áp dụng hiện nay là thay nước nuôi hàng ngày với một tỉ lệ nhất định.Phần lớn nước nuôi được thải thẳng ra ngoài môi trường, không qua xử lý Nước thảichứa thức ăn thừa, chất bài tiết, vi khuẩn gây bệnh, phân , … Các tạp chất trên gây hạivực nước: giảm chất lượng nước, gây tổn hải sinh cảnh, suy giảm đa dạng sinh học,nhiễm mặn đất, lan truyền bệnh, biến đổi gen của vi sinh do kháng sinh và đôi khi gâynên hiện tượng phú dưỡng cho khu vực nhận

Vì lợi ích bảo vệ môi trường nói chung và ngành sản xuất nuôi trồng thủy sảnphát triển bền vững thì việc xử lý và tái sử dụng nước thải từ các trại nuôi giống là mộttrong những nhu cầu cần thiết Ngoài ra tái sử dụng nước nuôi thủy sản còn mang lạilợi ích kinh tế nếu cơ sở nuôi cách xa nguồn nước cấp và cho các cơ sở bán đồ hải sảntươi sống tại các thành phố do giảm chi phí vận tải nước nuôi Tái sử dụng nước nuôitrồng thủy sản đã được phổ biến ở rất nhiều nơi trên thế giới trong khi đó phương thứcsản xuất này còn chưa được áp dụng rộng rãi tại Việt Nam

Nước nuôi thủy sản có mức độ ô nhiễm không quá nặng nề như các ngành sảnxuất khác nhưng những chất gây ô nhiễm lại là chất gây độc trực tiếp cho loài nuôi vớinồng độ rất thấp điển hình là amoniac – thành phần phân hủy từ chất thải Vì vậy xử lýnước tập trung vào xử lý amoni, cụ thể là chuyển hóa chúng thành dạng nitrat thông

qua con đường nitrat hóa nhờ vi sinh vật Tính chất đặc thù của nước nuôi trồng thủysản có nồng độ amoni thấp, độ muối cao, thường chứa các chất ức chế (sử dụng khinuôi như chất kháng sinh) nhưng yêu cầu làm sạch rất cao nếu nhằm mục đích tái sửdụng Các yếu tố này ức chế rất lớn đến hoạt động sinh trưởng và phát triển của vi sinhvật tự dưỡng (loài chuyển hóa amoni thành nitrat – vốn là chủng loại có tốc độ pháttriển chậm) Khó khăn khác khi sử dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước nuôi làsản xuất theo thời vụ, quy mô nhỏ, chủng loại vật nuôi đa dạng ngay trong một cơ sởsản xuất.

Những đặc điểm trên sẽ tác động đến hiểu quả của hoạt động công nghệ sinhhọc trong xử lý như chi phí xây dựng và vận hành hệ thống xử lý cao, khó ổn định

Các công nghệ hiện đang sử dụng trên thế giới và một vài cơ sở tại Việt Namnhư lọc nhỏ giọt, lọc qua tầng cố định, đĩa quay sinh học … đều có những hạn chế khi

sử dụng trong hoàn cảnh trên

Công nghệ xử lý nước thải và tái sử dụng thích hợp cho hoàn cảnh kinh tế vàđặc thù sản xuất trong các trại nuôi giống thủy sản đòi hỏi các tiêu chí:

 Hiểu quả xử lý cao

 Vận hành đơn giản và chi phí thấp

 Thích ứng với sản xuất mang tính thời vụ

 Thích hợp cho qui mô sản xuất nhỏ

 Dễ nhân rộng và triển khai ngoài thực tế

Một trong những công nghệ hiếm hoi có thể đáp ứng các tiêu chí trên là công

nghệ màng vi sinh tầng chuyển động (Moving Biofilm Bed Reactor – MBBR) Là

công nghệ sử dụng màng vi sinh bám trên chất mang, chất mang chuyển động trongnước khi hoạt động Hiểu quả của nó chỉ thấp hơn dạng kỹ thuật lưu thể, cao hơn nhiều

so với các kỹ thuật khác, bù lại nó vận hành đơn giản hơn nhiều so với kỹ thuật tầnglưu thể (đòi hỏi trình độ tự động hóa cao) và không cần thiết phải có thêm công đoạnlắng

Xuất phát từ thực tế và trong phạm vi cho phép của một bài báo cáo thực tập tôi

xin trình bày vấn đề: “Đánh giá khả năng xử lý amoni bằng kỹ thuật màng vi sinh tầng

chuyển động nhằm mục đích tái sử dụng nước nuôi trồng thủy sản”.

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Nguồn gốc và chu trình Nitơ trong tự nhiên.

1.1.1 Nguồn gốc của nitơ.

Cơ thể động vật, thực vật ngoài thành phần chính là các hợp chất hữu cơ chứa

C, H, N thì nitơ là thành phần luôn có mặt, nó có thể tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hữu

cơ và vô cơ trong các sản phẩm tự nhiên và công nghiệp

Nguyên tố nitơ có thể tồn tại ở 7 trạng thái hóa trị, từ dạng khử (N3-) là amoniacđến dạng oxi hóa (N5+) là nitrat

Ở trong nước tự nhiên các hợp chất amoniac, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, khínitơ, nitrat và nitrit có nồng độ không đáng kể nhưng chúng là nguồn nitơ cho phần lớnsinh vật trong đất nước Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ trên vào tổng hợp axit amin,protein, tế bào và chuyển hóa năng lượng Trong các quá trình đó, hợp chất chứa nitơthay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác nhau

1.1.2 Nguồn gốc hình thành Nitơ trong nước nuôi trồng thủy sản.

Trong quá trình nuôi trồng thủy sản vấn đề ô nhiễm nguồn nước thường là dohoạt động sản xuất nuôi trồng Đặc biệt trong nuôi trồng thâm canh, một lượng rất lớnthức ăn tổng hợp được đưa vào ao nuôi nhằm tăng năng suất sản phẩm, nhưng do hiệuquả sử dụng của các thành phần đó thấp nên lượng dư cùng với lượng chất bài tiết từtôm cá cứ tăng dần đến mức độ ô nhiễm ngày càng tăng nếu không có giải pháp hữuhiệu

Nước thải từ các ao hồ nuôi thường bị ô nhiễm khá nặng nề nên cần hết sức hạnchế thải ra các vùng xung quanh hoặc trước khi thải cần được xử lí để đảm bảo an toàncho khu vực nuôi trồng xung quanh

1.1.3 Chu trình nitơ trong tự nhiên.

Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học, tham gia và chuyểnhóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa các dạng hợp chất

vô cơ và hữu cơ chứa nitơ Trong môi trường hiếu khí, thực vật chết và protein độngvật bị vi sinh vật phân hủy, thải ra amoniac và amoniac bị oxy hóa thành nitrit, nitrat

Nitrat, amoniac từ phân hủy hiếu khí và từ quá trình cố định đạm tham gia xây dựng tếbào thực vật, vi sinh vật nằm dưới dạng hợp chất hữu cơ Chất hữu cơ chứa nitơ trongthực vật, vi sinh vật được động vật tiêu thụ để sản xuất protein Đó là chu trình nitơtổng thể Mặc dù nhóm vi sinh vật cố định đạm từ khí nhỏ nhưng chúng có vai trò kháquan trọng, nổi bật trong trường hợp thiếu đạm.

Hợp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạtđộng của con người dưới dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin )các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo thành amoniac

Trong điều kiện nước chảy, amoniac sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo mộttrong ba phương thức:

- Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để tạo rasinh khối

- Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac nếu áp suất riêng của nó trongkhông khí thấp hơn mức bão hòa (hầu như luôn tồn tại) Mức độ bay hơi trước hết phụthuộc vào pH của môi trường Amoniac là một bazơ yếu có cường độ bazơ là 9,25 Tại

pH = 9,25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung hòa (NH3) có khả năng bay hơi và 50%tồn tại ở dạng ion amoni (NH4+) không bay hơi Tại pH = 7,2 tỉ lệ nồng độ giữa dạngion và trung hòa là 100/1, ngược lại tại pH = 11,25 thì tỉ lệ trên là 1/100 pH cao là điềukiện cần để amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi Sục khí và nhiệt độ cao thúcđẩy amoniac bốc hơi (giải hấp thụ)

- Sự có mặt của amoniac trong nước gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ(nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniacthành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (vi khuẩn Nitrobacter)

Để oxy hóa 1 g amoniac cần 4,5 g oxy Quá trình oxy hóa amoniac phụ thuộc trực tiếpvào mật độ của chủng vi sinh Nitrifier và nồng độ oxy tan trong nước.Trong các dòngchảy (sông, suối, mương ) có lớp nước nông quá trình oxy hóa diễn ra mạnh hơn sovới các nguồn nước sâu

Mức độ sinh trưởng và phát triển của chủng loại vi sinh Nitrifier (oxy hóaamoniac) thấp nên mật độ phân tán của chúng trong nước cũng thấp, hiệu quả oxy hóaamoniac không cao Vi sinh Nitrifier thường tập hợp lại thành màng bám vào đất đá

Tạosinh

Phân hủy vi sinhthủy phân

Phân hủy nội sinh

Khử nitrat

Chất hữu cơ carbon

ven bờ và cũng chính ở các địa điểm đó hàm lượng oxy cục bộ cũng cao hơn giá trịtrung bình của nguồn nước Vì lý do đó nên tốc độ oxy hóa amoniac phụ thuộc vào tỉ lệgiữa diện tích tiếp xúc và thể tích của dòng chảy, các nguồn chảy nông tạo điều kiện tốthơn cho quá trình so với dòng chảy sâu Mặt khác lớp nước trên bề mặt cũng có nhiệt

độ thường cao hơn so với dưới lớp nước sâu

Trong các nguồn nước lặng (ao, hồ, đập ) sự biến động của hợp chất nitơ,photpho luôn liên quan đến tảo và gây ra hiện tượng phú dưỡng Amoniac và nitratđược tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein, khi chết bị phân hủy thành amoniac từnguồn thực vật và vi sinh vật

Trong quá trình xử lý hợp chất nitơ trong nước thải, sự biến đổi của hợp chất

nitơ theo chu trình mô tả trong hình 1 1.

NO2

-NO3

-Khí nitơ

Vi sinh vật sử dụng amoniac để xây dựng tế bào, một phần tế bào bị chết (phânhủy nội sinh) tiết ra amoniac và một phần tạo ra lượng sinh khối thực Loại vi sinh tựdưỡng thực hiện phản ứng oxy hóa amoniac với oxy để sản xuất năng lượng cho mụcđích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi

là quá trình nitrat hóa Loại vi sinh tùy nghi, dị dưỡng khử nitrit và nitrat với chất hữu

cơ (chất cho điện tử) và tạo thành khí nitơ Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử

lý nitơ bằng phương pháp sinh học

1.1.4 Chu trình nitơ trong nước nuôi trồng thủy sản.

Chu trình nitơ luôn diễn ra trong các ao nuôi Phân cá, tôm hoặc các thành phầnhữu cơ (thức ăn thừa) sẽ bị chuyển hóa thành amonia (NH3) hoặc amonium (NH4+) rồithành nitrit (NO2-) hay nitrat (NO3-) trước khi được chuyển hóa tiếp thành khí nitơ bởicác cây thủy sinh hoặc một số vi khuẩn trong ao

1.2 Các hợp chất chứa nitơ trong nước

Trong nước hợp chất chứa nito thường tồn tại ở 3 dạng: nitơ hữu cơ, amoniac(amoni) và dạng oxi hóa (nitrat, nitrit) Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủyhợp chất chứa nitơ hữu cơ, thí dụ : protein và hợp phần của protein

đã kết thúc Tuy vậy, nitrat chỉ bền ở điều kiện thiếu khí, nitrat dễ bị khử thành N2O,

NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí

Amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH3 và NH4 (NH4OH, NH4NO3,

(NH4)2SO4…) tùy thuộc vào pH của nước NH3 hoặc NH4+ có trong nước cùng vớiphotphat thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước Trong nước mặt tự nhiên vùng không

ô nhiễm hàm lượng amoni nhỏ hơn 0,05 ppm; trong nước ngầm hàm lượng này cao

hơn nhiều; trong nước thải từ xí nghiệp chế biến thực phẩm, sản xuất hóa chất có hàmlượng amoni 10 - 100 mg/l.

Amoni là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ chứaNitơ có trong chất thải của người và động vật, thực vật Trong nước nuôi trồng thủysản, nồng độ amoni thường nhỏ hơn 5 mg/l

Trong nước tồn tại cân bằng : NH3 + H2O = NH4+ + OH- và có thể có sự chuyểnhóa NH4+ sang NO2 và NO3- là các ion được xem là tác nhân gây độc đặc biệt đối vớitrẻ em Sau khi đi vào cơ thể, nitrat được chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đườngruột gây ra bệnh thiếu máu ở trẻ em Nitrit còn có thể kết hợp với các amin, amit và cáchợp chất chứa nito khác tạo nitrosamin, trong nhóm casinogen được xem là tác nhân cókhả năng gây ung thư

- Tiêu chuẩn của EPA đối với NO2- trong nước cấp uống trực tiếp không đượcvượt quá 1 mg/l, trong khi tiêu chuẩn của Bộ y tế đối với nước cấp dùng trong sinhhoạt là 10 mg/l

- Hàm lượng NH4 trong nước cấp cho sinh hoạt, theo tiêu chuẩn của Bộ y tế,không được vượt quá 3 mg/l (đối với nước ngầm ) và 0 mg/l (đối với nước mặt) Theotiêu chuẩn Châu Âu, trong nước cấp uống trực tiếp hàm lượng NH4+ không vượt quá0,5 mg/l

Ion nitrat trong môi trường axit là một chất oxi hóa mạnh Tùy theo hoạt tínhcủa kim loại và nồng độ HNO3 mà axit nitric có thể bị khử về những mức oxi hóa khácnhau như:

Ion NO2- có số oxi hóa của nitơ là +4, đây là mức oxi hóa trung gian của nguyên

tố nitơ cho nên NO2- vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa Nhờ cặp electron tự do củanitơ, ion NO2- có khả năng tạo liên kết cho nhận với ion kim loại và một số hợp chấtkhác Với những chất khử mạnh như Fe2+, I- Ion NO2- bị khử thành NH3 nhưng nếu gặpcác chất oxi hóa mạnh hơn như KMnO4, PbO2 nó sẽ bị oxi hóa thành NO3-

Ion nitrit còn là sản phẩm trung gian của quá trình nitrat hóa từ NH4+ nhờ cácsinh vật

Ion NO2- có thể được tạo thành do quá trình hóa học và quang học

NO3- + H2O + 2e = NO2- + 2OH- (Eo = 0,01 V)

Nitrit cũng có thể có nguồn gốc từ nước thải của các quá trình công nghiệp,chất chống ăn mòn Nitrit là hợp chất không bền, nó sẽ bị oxi hóa tiếp tục thành nitratnếu quá trình không bị kìm hãm bởi các hợp chất hay các quá trình khác

1.3 Độc tính của các hợp chất nitơ đối với động vật thủy sinh.

Nước thải nuôi trồng thủy sản có chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ dễchuyển hóa sinh học và lượng lớn các hợp chất chứa nito có thể tồn tại ở các dạng nitơhữu cơ, NH4+, NO3-, NO2- Do trong nước nuôi trồng thủy sản chứa lượng lớn thức ănthừa, phân và chất bài tiết của thủy sản được vi sinh vật phân hủy thành amoniac (NH4+

và NH3)

Hàm lượng amoni trong nước thải được kiểm soát cẩn thận, vì amoni gây độccao đối với tôm cá Amoni tồn tại ở 2 dạng khác nhau trong nước là NH4+ và NH3 Haidạng này cùng tồn tại trong nước và chuyển từ dạng này sang dạng khác theo phươngtrình phản ứng:

Trong ao nuôi cũng như trong hệ thống xử lý, N-NH4+ và NH3 được vi khuẩnnitơ sử dụng như chất dinh dưỡng và nguồn năng lượng cho quá trình sinh trưởng,đồng thời chuyển hóa thành N - NO2- và N - NO3-.

Nitrit (NO2-) gây hại tới động vật thủy sinh nên nó cần thường xuyên được kiểmsoát trong ao nuôi, nhiều trường hợp duy trì dưới 1 mg/l

Nitrat thường không gây độc cho động vật thủy sinh nhưng khi nồng độ nitrattrong môi trường nước quá cao gây tác động vật thủy sinh Nó chỉ không gây độc khinồng độ thấp

1.4 Các phương pháp xử lý hợp chất của nitơ.

Xử lý hợp chất nitơ có thể thực hiện bằng các biện pháp hóa lý (hóa học), vật

lý hoặc sinh học dựa trên các nguyên tắc chuyển hóa thành hợp chất khác hoặc táchloại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước

- Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành dạng khí, thâm nhập vào bầu khí quyển.Con đường chuyển hóa này có thể thực hiện bằng phương pháp sinh học thông qua cácquá trình liên tiếp nitrat hóa (oxy hóa amoniac) và khử nitrat (khử nitrat với tư cách làchất oxy hóa và chất hữu cơ carbon là chất khử) Thực hiện phản ứng oxy hóa trực tiếpgiữa amoniac với nitrit bằng phương pháp vi sinh (quá trình Anamox) Oxy hóa xúc táctrực tiếp amoniac thành khí nitơ Oxy hóa amoniac với clo hoạt động (clo hóa tại điểmđột biến )

- Chuyển hóa các hợp chất nitơ thành các thành phần trong tế bào của thực vật

và động vật Quá trình chuyển hóa trên gắn liền với các phản ứng sinh hóa xảy ra trong

tế bào động, thực vật, trong quá trình quang hợp của thực vật hay đồng hóa của vi sinhvật Quá trình trên tồn tại trong tự nhiên, là cở sở của phương pháp xử lý bằng các loạithủy thực vật

- Bốc hơi amoniac vào bầu khí quyển Phương pháp này thật ra là chuyển chất ônhiễm từ nước vào không khí, sau đó phần lớn lại được hấp thụ trở lại vào môi trườngnước ở những vị trí khác Để thực hiện phương pháp trên, amoniac phải tồn tại ở dạngbay hơi (trung hòa và do độ tan của amoniac trong nước rất lớn nên để thúc đẩy cầnphải sục khí với lượng rất lớn và ở nhiệt độ cao) Chi phí của phương pháp này tươngđối cao mà lại gây ô nhiễm thứ cấp nên chúng ít được quan tâm

- Tách amoniac ra khỏi môi trường nước có thể thực hiện bằng phương pháptrao đổi ion trên cationit Các loại nhựa cationit có độ chọn lọc trao đổi thấp đối vớiamoni, dung lượng trao đổi động thấp, bị cạnh tranh mạnh bởi các ion khác có mặt vớinồng độ cao như canxi, magie Loại zeolit tự nhiên clinoptilolite có khả năng chọn lọccao đối với amoni có thể được sử dụng trong một số trường hợp Nitrat cũng là cấu tử

có độ chọn lọc trao đổi ion thấp hầu hết trên các loại nhựa tổng hợp Trên thị trường cómột số anionit đặc thù dành cho trao đổi nitrat

Sử dụng một số loại màng thích hợp : màng nano, màng thẩm thấu ngược hayđiện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nito đồng thời với các hợp chất khác

Hiệu quả xử lý và giá thành của từng phương pháp rất khác nhau và khả năng sửdụng từng phương pháp còn phụ thuộc vào nồng độ của nitơ (amoni) trong nước

Nồng độ amoni trong nước thải không cao, nhỏ hơn 100mgN/l như trong nướcthải sinh hoạt hoặc nước nuôi thủy sản thì phương pháp vi sinh là thích hợp Nồng độamoni nằm trong khoảng 100 – 5000 mgN/l như trong nước thải từ quá trình phân hủybùn (vi sinh) thì phương pháp được cho là khả dĩ vẫn là phương pháp vi sinh Kết luậnnày được đưa ra sau rất nhiều công trình nghiên cứu sâu sắc và toàn diện Phương phápbốc hơi hoặc kết tủa dưới dạng struvite cũng là phương án khả dĩ song giá thành khôngthuận lợi

- Nước thải có nổng độ amoni cao, lớn hơn 5000 mgN/l có thể xử lí theophương pháp hóa lý sẽ thuận lợi cả về kỹ thuật và kinh tế Đã có hệ thống công nghiệpđược xây dựng để xử lí nước thải chứa 1,5 % NH3 bằng phương pháp sục khí nóng đểbốc hơi amoni và thu hồi NH3 từ pha khí

Cho tới nay phương pháp sinh học được sử dụng rộng rãi hơn các phương phápkhác

1.5 Kỹ thuật xử lý hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học

1.5.1 Khái quát về phương pháp xử lý sinh học.

Quá trình xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học thực chất là tách các chất ônhiễm ra khỏi nước hoặc chuyển hóa chúng thành những chất không độc hoặc ít độchơn Các chất tan trong nước là đối tượng chính trong xử lí nước thải Trong quá trình

xử lí sinh học, một phần chất tan gây ô nhiễm được chuyển hóa thành sinh khối, đượctách ra dưới dạng chất rắn thông qua các kĩ thuật thích hợp như lắng, lọc, một phầnđược chuyển hóa thành các chất không độc thông qua các phản ứng sinh hoá xảy ratrong tế bào của vi sinh vật.

Quá trình sinh hóa cung cấp nguyên liệu và năng lượng để xây dựng tế bào vàduy trì hoạt động của vi sinh vật, tức là để chúng phát triển và tồn tại

Nhóm sinh vật tham gia vào quá trình xử lí nước thải gồm vi khuẩn, tảo, độngvật nguyên sinh, động vật, thực vật bậc thấp và siêu vi khuẩn (vi rút) Vi sinh vật làdạng cơ thể sống trải qua các giai đoạn: sinh ra, lớn lên và chết đi Để sinh sản và pháttriển chúng cần có nguồn cơ chất, chất dinh dưỡng (có sẵn trong nước thải hoặc bổsung thêm) cùng một loạt điều kiện khác từ môi trường Các vi khuẩn thường sử dụng

trong xử lí nước thải là: Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrosospira, Nitrosolobus

Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus…Trong các loài vi khuẩn đó thì Nitrosomonas và Nitrobacter là 2 loại phổ biến nhất tham gia vào quá trình xử lý nước thải Các vi sinh

vật này là loại tự dưỡng vì chúng tiếp nhận năng lượng cho sự sinh trưởng và tổng hợp

tế bào từ sự oxi hóa các hợp chất vô cơ hoặc CO2 hơn là từ các hợp chất hữu cơ Hailoài vi sinh vật này đều có yêu cầu về môi trường riêng biệt cho sự sinh trưởng như pH,nhiệt độ, oxi hòa tan

1.5.2 Các kỹ thuật xử lý hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học.

Để xử lí nguồn ô nhiễm chứa các hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp sinh học

có nhiều kĩ thuật nhưng một số kĩ thuật thường được sử dụng như là hệ lọc sinh học, kĩthuật nhỏ giọt, đĩa quay sinh học, lọc tầng tĩnh, tầng chuyển động…

1.5.2.1 Hệ lọc sinh học.

Hệ lọc sinh học có đặc trưng quan trọng nhất là vi sinh vật bám vào bề mặt củachất rắn, gọi là chất mang, tạo thành màng vi sinh Màng sinh học là lớp màng chứacác vi sinh vật bám vào chất rắn khá chặt để không bị bong ra Thời gian lưu thủy lực(tiếp xúc) với nước ngắn nên vi sinh vật tự do trong nước ít có cơ hội khuếch tán vàosâu bên trong màng vi sinh, dễ bị rửa trôi theo dòng chảy Yếu điểm của kĩ thuật lọcsinh học là hiệu quả xử lí không cao vì trước khi cơ chất được vi sinh vật sử dụng đãxảy ra một loạt các quá trình chuyển khối trong lớp lọc Tốc độ của hầu hết các quá

trình chuyển khối rất chậm, đặc biệt là quá trình khuếch tán qua màng nên thường làyếu tố khống chế toàn bộ tiến trình động học xử lí nước thải

1.5.2.2 Kỹ thuật lọc nhỏ giọt.

Lọc nhỏ giọt là kĩ thuật thông dụng trong xử lí nước thải bậc hai với nhiều phiênbản khác nhau Hệ phản ứng lọc nhỏ giọt bao gồm ba pha: chất rắn (màng vi sinh bámtrên chất mang), nước thải chứa cơ chất cần xử lí (khoảng rỗng của tầng chất rắn),không khí sục vào hệ xử lý

Tầng lọc chất rắn là tầng cố định, thường là vật liệu bằng đá với kich thước

5-20 cm với chiều cao từ 1,2 – 1,5 m(thường là 1,8 m) hoặc vật liệu nhựa với các kiểucấu hình khác nhau, chiều cao của tầng lọc từ 4- 12m

Nước thải được phân tán thành các giọt nhỏ, phun đều lên toàn bộ tiết diện cộtlọc – trên bề mặt của chất mang và được thu lại ở dưới đáy bể lọc Không khí thâmnhập vào bể lọc từ phía đáy lên trên tạo ra dòng khá ổn định Lọc nhỏ giọt có hiệu quảcao về phương diện cố định vi sinh vật, khả năng tiếp xúc giữa nước và màng vi sinh

và hiệu quả hấp thu oxy của nước

1.5.2.3 Đĩa quay sinh học.

Đĩa quay sinh học là thiết bị được gắn rất nhiều đĩa hình tròn trên một trụcquay Vật liệu chế tạo đĩa là polyethylen hoặc polyninylclorua Thiết bị đĩa quay sinhhọc được đặt chìm trong nước (40% tổng diện tích bề mặt) và quay với tốc độ chậm.Màng vi sinh vật hình thành trên mặt đĩa nhựa với độ dày 1-4mm tương đương với mật

độ bùn 2500- 10000mg/l trong kĩ thuật dạng huyền phù Do chuyển động quay, đĩachứa màng vi sinh được tiếp xúc với cơ chất (chất gây ô nhiễm) khi chuyển động trongnước và tiếp xúc với oxy của khí quyển khi quay trong không khí để các phản ứng hiếukhí xảy ra Tác động quay của thiết bị cũng là cơ chế kiểm soát độ dày của màng visinh vật, loại bỏ sinh khối dư thừa bám trên đĩa Lượng sinh khối bong ra khỏi đĩađược tách loại nhờ bể lắng thứ cấp khác

Màng vi sinh bám trên đĩa có dạng thô nhám, chứa ít vi sinh vật dạng sợi Diệntích riêng của thiết bị (dùng nhựa polyethylen) đạt 121m2.m-3 Mỗi thiết bị đơn lẻ cókích thước : đường kính tới 3,7 m và chiều dài tới 7,6 m, tổng diện tích đĩa trong thiết

bị một thiết bị có diện tích tới 9290 m 2 Đặc điểm nổi trội nhất của loại hình kĩ thuật

xử lý đĩa quay sinh học là tiết kiệm năng lượng

1.5.2.4 Kỹ thuật tầng linh động

Kỹ thuật tầng linh động hay lưu thể sử dụng vật liệu mang có kích thước nhỏ,thường là cát với kích thước 0.5 mm, vật liệu này chuyển động hỗn loạn trong nước.Nhờ có diện tích bề mặt lớn, vi sinh có điều kiện bám dính và phát triển trên đó với tốc

độ cao và thúc đẩy tốc độ oxi hóa BOD

Tuy vậy vận hành hệ thống hoàn toàn không đơn giản và kinh nghiệm thiết kếcũng như vận hành được tích lũy chưa nhiều Tuy nhiên tiềm năng sử dụng kỹ thuậtnày rất lớn

1.5.2.5 Kỹ thuật tầng chuyển động

Tầng chuyển động cũng sử dụng vật liệu mang có kích thước thích hợp để cốđịnh vi sinh vật Các vi sinh vật bám dính trên các màng vi sinh gọi là chất mang Cácchất mang này có diện tích bề mặt lớn là điều kiện tốt để các vi sinh vật sinh trưởng vàphát triển Để giữ cho trạng thái chuyển động của vật liệu lọc, ngoài biện pháp sử dụngdòng chảy mạnh còn có thể áp dụng biện pháp khuấy cơ học hoặc sục khí giống như hệbùn hoạt tính, điểm khác nhau là trong khối phản ứng có mặt chất mang với nhiệm vụ

cố định vi sinh vật

Ưu điểm của kỹ thuật tầng chuyển động so với các kỹ thuật khác là chi phí vận

hành thấp phù hợp với điều kiện ở Việt Nam Sử dụng kích thước vật liêu mang lớn ≥1cm nên không phải thiết kế thêm bể lắng bùn (do lượng bùn sinh khối sinh ra nhỏ ).Điều kiện vận hành đơn giản không đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao mà vẫn đạt hiệu quả

xử lý như mong muốn Do đó trong bài báo cáo này tôi đi sâu nghiên cứu xử lý amoni

bằng kỹ thuật vi sinh tầng chuyển động

1.6 Ảnh hưởng của chất lượng nước đến nuôi trồng thủy sản.

Chất lượng nước nuôi trồng thủy sản được đặc trưng qua một tập hợp các thôngsố: nhiệt độ, pH, độ muối, độ kiềm, oxy hòa tan, cacbon dioxit, độ cứng, ammoniac,amoni, nitrit, nitrat, …

1.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản Vật nuôichỉ thích nghi trong một khoảng nhiệt độ nào đó, khoảng nhiệt độ tốt để phát triểnthường rất hẹp Cá tôm dễ bị sốc do nhiệt, do vậy khi chuyển và thả cá giống cần phảigiúp chúng có điều kiện để thích nghi Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng nhiễm bệnhcủa vật nuôi tác động đến quá trình sinh hóa trong ao hồ cũng như phản ứng hóa họctrong môi trường Tôm cá không thay đổi nhiệt độ theo môi trường bên ngoài, chúngvẫn giữ nguyên nhiệt độ 37,50C dù môi trường bên ngoài có thể lạnh như vùng Bắc cựchoặc nóng như miền sa mạc Nhiệt độ ảnh hưởng đến hô hấp, tiêu thụ thức ăn, đồnghóa thức ăn, sự tăng trưởng,… Nhiệt độ thay đổi theo mùa, vì thế tại miền Nam ViệtNam có thể nuôi tôm quanh năm trong khi miền Bắc chỉ khai thác được vào mùa nóng

Trong một hệ xử lý vi sinh, sự thay đổi nhiệt độ tác động đồng thời lên rất nhiềuquá trình: trao đổi chất của cơ thể sinh vật, phản ứng sinh hóa, quá trình vật lý (ví dụchuyển khối do khuyếch tán)

1.6.2 Ảnh hưởng của độ muối.

Độ muối trong nước là tổng hàm lượng tất cả các ion vô cơ trong nước như:

Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, … Trong cơ thể tôm, cá sống trong nước ngọt hàm lượng muốithấp hơn nhiều so với bên ngoài nên chúng phải hấp thu muối giữ lại trong cơ thể.Ngược lại tôm cá sống trong nước mặn cao hơn nhiều so với bên ngoài môi trường vìvậy chúng phải tìm cách thoát ra ngoài, ngăn chặn sự xâm nhập của muối vào cơ thể.Các loài tôm cá sống trong môi trường nước mặn dễ sống sót hơn trong môi trườngnước ngọt Độ muối thích hợp cho từng loại khác nhau, tôm, cá sống trong điều kiệnthích hợp về độ muối sẽ sinh trưởng và phát triển tốt

1.6.3 Ảnh hưởng của pH.

pH của nước thể hiện độ chua (axit) và độ chát (kiềm) của nước pH là yếu tốtác động gián tiếp đến đời sống của thủy động vật: ảnh hưởng đến quá trình cân bằngsinh học, sinh hóa, và hóa học xảy ra trong môi trường nước

pH có tác động lên động vật thủy sinh thông qua các quá trình hóa học: pH caolàm tăng nồng độ amoni (dạng trung hòa) có tính độc cao, ngược lại làm tăng nồng độsunfua (S2-) ít gây độc với thủy động vật.

Đối với hệ xử lý vi sinh, pH tối ưu để vi sinh vật sinh trưởng và phát triển tốt là

pH = 7,6 – 8,6

1.6.4 Ảnh hưởng của độ kiềm.

Độ kiềm của nước trong tự nhiên được quyết định chủ yếu bởi thành phầnbicacbonat

Thủy động vật có thể sống trong khoảng độ kiềm rộng Độ kiềm không tác độngtrực tiếp lên đời sống thủy động vật, chúng tác động gián tiếp như: đóng vai trò đệm,tác động đến sự phát triển của thủy thực vật, có thể làm biến đổi độc tính của kim loạinặng

Trong tế bào vi sinh vật nước chiếm 80%, 20% khối lượng là chất khô, trongchất khô thành phần hữu cơ chiếm khoảng 90%, còn 10% là các chất vô cơ Trong đóhàm lượng carbon chiếm 53%, nitơ chiếm 12%

1.6.6 Ảnh hưởng oxy hòa tan (DO).

Oxy hòa tan trong nước thường là thiếu trong các hồ nuôi thâm canh Thiếu oxigây tác hại: vật nuôi lười ăn, lớn chậm và có thể chết Đầy đủ oxy tôm cá lớn nhanh ítbệnh tật, mức oxy gây chết với tôm là 0,5 – 1,0 mg/l

Trong ao hồ nuôi thâm canh, lượng oxy hòa tan có thể dao động từ 4 -15 mg/ltrong ngày Nồng độ oxy quá mức bão hòa cũng không tốt Nồng độ oxy siêu bão hòa300% sẽ gây độc và sốc bởi bọt khí đối với tôm cá.

1.6.7 Ảnh hưởng của nhu cầu oxy hóa học (COD).

Nhu cầu oxy hoá học (COD) là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hoàntoàn các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và H2O bằng tác nhân oxy hóa mạnh

Trong thực tế COD được dung rộng rãi để đánh giá mức độ ô nhiễm các chấthữu cơ có trong nước do việc xác định chỉ số này nhanh hơn so với việc xác định BOD

1.6.8 Ảnh hưởng của amoniac.

Ammoniac là chất bài tiết từ cơ thể động vật, thức ăn thừa, phân hủy tảo, phân.Trong ao hồ nuôi bằng thức ăn tổng hợp thì ammoniac có nguồn gốc từ thức ăn là rấtlớn

1.6.9 Ảnh hưởng của nitrit.

NO2- là tác nhân gây độc, gây ra máu nâu Trong ao hồ hoạt động bình thườnghàm lượng là thấp Nồng độ nitrit chỉ tăng cao khi có hiện tượng tảo chết hàng loạthoặc thức ăn và phân tích tụ nhiều ở đáy ao

1.6.10 Ảnh hưởng của nitrat.

Nitrat là loại hợp chất ít độc và thường có hàm lượng không cao

Chương 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu.

2.1.1 Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu

c Mục tiêu nghiên cứu.

 Dài hạn: Nghiên cứu khả năng xử lý amoni của vi sinh trong môi trường nước

mặn bằng phương pháp tầng vi sinh chuyển động (Moving Biofilm Bed

Reactor).

 Trước mắt: Khảo sát sự ảnh hưởng của độ muối lên tốc độ phát triển của vi sinh

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu.

 Phương pháp điều tra thu thập số liệu

- Phương tiện thông tin

- Các báo cáo liên quan tới nội dung nghiên cứu

 Phương pháp tham khảo kế thừa

Dựa vào kết quả điều tra hiện có, tài liệu nghiên cứu của các nhà khoa học cóliên quan để kết quả nghiên cứu mang tính khách quan hơn

 Phương pháp xử lý số liệu

- Xử lý số liệu trên phần mềm máy tính như Excel

 Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm

Với đặc trưng nước thải nuôi trồng thủy sản là nồng độ chất ô nhiễm (amoni vàhữu cơ) thấp, độ mặn cao tôi đã lựa chọn phương pháp vi sinh để xử lý với những ưuđiểm thân thiện với môi trường, hiệu quả xử lý cao.

2.2 Tiến trình thực nghiệm.

2.2.1 Chuẩn bị hóa chất.

Nguồn thức ăn bổ sung cho vi sinh vật được pha từ các hóa chất: nguồn nitơđược pha từ NH4Cl hoặc (NH4)2CO3, cung cấp các dinh dưỡng cần thiết như C, P, Mg,

… trực tiếp vào nước cho vi sinh vật hấp thu

Bảng 3.1: Hàm lượng hóa chất tương ứng để pha chế mẫu nước tương tự nguồn thải nuôi thủy sản.

Độ muối được pha từ NaCl theo các nồng độ muốn khảo sát tương ứng là 15‰,20‰ , 25‰ và 30‰

2.2.2 Nuôi cấy vi sinh vật.

Nguồn vi sinh vật được lấy từ trạm xử lý nước thải đem về thuần dưỡng để phânlập nguồn vi sinh tự dưỡng (Nitrifier) và nuôi trong điều kiện chứa chất dinh dưỡngthông dụng ở điều kiện hiếu khí (nồng độ oxi hòa tan DO ≥ 6 mg/l trên vật liệu mang

để các vi sinh vật bám dính, sinh trưởng và phát triển trên đó Sử dụng vật liệu mang cóhình khối lập phương có kích thước 1 x 1 x 1 cm, độ xốp 98%, diện tích bề mặt khoảng6000m2/m3

Thời gian cho vi sinh vật phát triển khoảng 2 tháng ở nhiệt độ 30 ± 30C trongmôi trường nước ngọt Sau đó chúng tiếp tục nuôi ở các nồng độ muối tăng dần từ15‰, 20‰, 25‰ và 30‰ trong một thời gian đến khi vi sinh vật phát triển ổn định,sau đó đem đi khảo sát.

Bổ sung nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật từ các hóa chất vừa pha: N, P, Mg,

C, … cho vi sinh vật hấp thụ

2.2.3 Chuẩn bị thiết bị phản ứng.

Sau đây là mô hình tổng thể của kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động:

Hình 1.2: Mô hình công nghệ xử lý màng vi sinh tầng chuyển động.