HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ

KHOA SINH HỌC HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ Khóa luận tốt nghiệp

KHOA SINH HỌC

HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM

VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ

Khóa luận tốt nghiệp đại học chính quy

Ngành Công nghệ sinh học (Chương trình đào tạo chuẩn)

Hà Nội - 2019

KHOA SINH HỌC

HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC ĐÁY LỒNG GHÉP TRONG MÔ HÌNH AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ: HIỆU QUẢ XỬ LÝ Ô NHIỄM

VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ

Khóa luận tốt nghiệp đại học chính quy

Ngành Công nghệ sinh học (Chương trình đào tạo chuẩn)

Cán bộ hướng dẫn: TS Phạm Thế Hải

Hà Nội - 2019

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp

đỡ và ủng hộ nhiệt tình của nhiều tập thể và cá nhân

Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới TS Phạm Thế Hải – Bộ môn Vi sinh vật học, Khoa Sinh học, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành khóa luận

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của ThS Nguyễn Thu Thủy, CN Vũ Hà Phương cùng các bạn thuộc phòng thí nghiệm Bộ môn

Vi sinh vật học và phòng thí nghiệm GREENLAB trong suốt thời gian làm khóa luận

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô ở bộ môn Vi sinh vật học cũng như các thầy cô thuộc khoa Sinh học – trường Đại học Khoa học

tự nhiên, ĐHQGHN đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức chuyên môn và tạo điều kiện hết sức cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ tôi cả về mặt thể chất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản khóa luận này

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp

đỡ quý báu đó!

Hà Nội, tháng 5 năm 2019

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Thực trạng và nguyên nhân ô nhiễm tại các ao nuôi thủy sản nước lợ tại Việt Nam 3

1.1.1 Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay 3

1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay 4

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng môi trường ao nuôi thủy sản 5

1.3 Các biện pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản 5

1.3.1 Các phương pháp xử lý cơ học 5

1.3.2 Các phương pháp hóa học 6

1.3.3 Các phương pháp sinh học 6

1.4 Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực ở đáy (SBES) 8

1.4.1 Giới thiệu chung 8

1.4.2 Khả năng xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản của SBES

10

1.5 Ảnh hưởng của điều kiện ao nuôi trồng thủy sản tới hoạt động của hệ SBES 11

1.5.1 Các chế độ ăn 11

1.5.2 Các điều kiện sục khí 12

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 13

2.1 Vật liệu 13

2.1.1 Hóa chất, thiết bị 13

2.1.2 Hệ thống SBES 14

2.2 Phương pháp nghiên cứu 15

2.2.2 Phân tích hàm lượng COD [6] 16

2.2.3 Phân tích hàm lượng Ni-tơ tổng số [1] 17

2.2.4 Phân tích hàm lượng Amoniac [16] 18

2.2.5 Phân lập và nuôi cấy vi khuẩn 19

2.2.6 Phương pháp tách DNA tổng số của mẫu đa chủng 19

2.2.7 Phương pháp điện di trên gel biến tính (DGGE) 20

2.2.8 Phân tích số liệu dòng điện 23

2.2.9 Công thức tính hiệu suất 23

2.3 Thí nghiệm 23

2.3.1 Thí nghiệm đánh giá hoạt động của hệ SBES ở các chế độ cho ăn 23

2.3.2 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện sục khí 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Ảnh hưởng của các chế độ cho ăn tới hoạt động xử lý của hệ SBES 24

3.1.1 Dòng điện 24

3.1.2 Khả năng xử lý COD 24

3.1.3 Hiệu suất xử lý các chỉ tiêu về Ni-tơ 25

3.2 Ảnh hưởng của các chế độ sục khí tới hoạt động xử lý của hệ SBES 26

3.2.1 Dòng điện 26

3.2.2 Hiệu suất xử lý COD 28

3.2.3 Hiệu suất xử lý amoni 28

3.3 Ảnh hưởng của các chế độ sục khí tới quần xã vi sinh vật ở đáy

29

3.3.1 Các vi khuẩn nuôi cấy được 29

3.3.2 Kết quả PCR – DGGE phân tích quần xã vi sinh vật ở đáy 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 PHỤ LỤC 36

BES Bioelectrochemical system

BOD Biochemical Oxygen demand

bp base pair

COD Chemical oxygen Demand

DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis DNA Deoxyribonucleic Acid

FCR Feed Conversion Ratio

LB Luria - Bertani medium

MFC Microbiology fuel cell

PCR Polymerase chain reaction

rDNA ribosomal Deoxyribonucleic Acid

SBES Sediment bioelectrochemical system

TAE Tris - acetate - EDTA

TN Total nitogen

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanke

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Tổng sản lượng thủy sản qua các năm (1990 – 2017) [3] 3

Hình 2 Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) [19] 8

Hình 3 Mô hình hệ thống SBES [13] 9

Hình 4 Phân giải tự nhiên trong ao nuôi [20] 10

Hình 5 Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [22] 11

Hình 6 Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [22] 11

Hình 7 Vật liệu thiết kế hệ thống SBES [15] 13

Hình 8 Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực đáy [15] 15

Hình 9 Cường độ dòng điện của 3 mức độ cho ăn 24

Hình 10 Hiệu suất xử lý COD 24

Hình 11 Hiệu suất xử lý tổng ni-tơ 25

Hình 12 Hiệu suất xử lý amoni 26

Hình 13 Cường độ dòng điện của hệ SBES trong 3 mức độ cấp khí 27

Hình 14 Hiệu suất xử lý COD 28

Hình 15 Hiệu suất xử lý amoni của hệ SBES trong các mức độ cấp khí 28

Hình 16 Thành phần quần xã của hệ SBES trong các mức độ cấp khí 29

Hình 17 Hình ảnh điện di DGGE quần xã vi sinh vật ở anode của hệ SBES trong thí nghiệm các mức độ cấp khí 31

Bảng 1 Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm ao nuôi 15Bảng 2 Thành phần môi trường LB 1,5% NaCl 19Bảng 3 Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR đoạn 1400bp 21

Bảng 4 Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR đoạn 550bp 21

Bảng 5 Thành phần dung dịch chất biến tính 0% và 60% 22Bảng 6 Thành phần gel điện di DGGE 22

1

MỞ ĐẦU

Ngành nuôi trồng thủy sản mang lại rất nhiều lợi ích cho sự phát triển của Việt Nam Nó đã tạo ra việc làm cho hàng triệu công nhân, đáp ứng nhu cầu thực phẩm trong nước và xuất khẩu đem lại nhiều lợi nhuận đáng kể cho nền kinh tế quốc dân

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển nhanh chóng và không có kế hoạch của các khu vực nuôi trồng thủy sản, tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi trồng đang xảy ra nghiêm trọng, kèm theo bệnh dịch gây thiệt hại rất lớn tới ngành thủy sản

Vì vậy, việc cải thiện môi trường nuôi thủy sản đang được ưu tiên hàng đầu nhằm làm giảm các thiệt hại và đảm bảo sản lượng nuôi trồng Tình trạng ô nhiễm ao nuôi xảy ra phần lớn là do các chất hữu cơ dư thừa từ thức ăn, phân và các rác thải đọng dưới đáy ao nuôi Ngoài ra, các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi trồng cũng tồn đọng mà không được xử lý Sự tích lũy này dẫn đến hình thành lớp trầm tích đáy ao là nơi sinh sống của rất nhiều nhóm vi sinh vật như

Pseudomonas, Vibrio, Aeromonas, E coli, … Trên thực tế có rất nhiều biện pháp

xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi như xử lý đất ngập nước nhân tạo, sục khí, nạo vét đáy ao được nghiên cứu và áp dụng Tuy nhiên các phương pháp này có có những hạn chế như: (i) nước và bùn ao nuôi phải được xử lý riêng dẫn đến việc phải xây dựng hệ thống xử lý riêng khá phức tạp, và như vậy (ii) quá trình nuôi trông bị gián đoạn hay (iii) phi phí vận hành cao (đặc biệt với biện pháp sục khí)

Việc sử dụng hệ thống sinh điện hóa (BES) để xử lý ô nhiễm hữu cơ trong

ao nuôi thủy sản nước lợ là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn do những ưu điểm của chúng như: xử lý ô nhiễm tại chỗ, hệ thống đơn giản, tiết kiện chi phí lắp đặt

và vận hành Điều này là do BES có thể được lắt đặt trong ao nuôi thủy sản để xử

lý các chất ô nhiễm ngay tại chỗ Tuy nhiên, hiệu suất xử lý ô nhiễm của hệ thống sinh điện hóa chịu sự tác động của rất nhiều yếu tố như: các thông số kĩ thuật của

mô hình lắp đặt (vật liệu, điện trở, khoảng cách điện cực), các yếu tố vận hành (pH, nhiệt độ, độ ẩm), các điều kiện nuôi trồng thủy sản (chế độ thức ăn, mức độ cấp khí), … Trong các yếu tố này, chế độ sục khí là một yếu tố quan trọng trong nuôi trồng thủy sản nhưng ảnh hưởng của yếu tố này tới một BES chưa từng được nghiên cứu Để đánh giá được khả năng áp dụng BES trong các ao nuôi thủy sản thực tế, rõ ràng không thể bỏ qua vấn đề trên

2

Đó là lý do chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu: “Hệ thống sinh điện hóa

với điện cực đáy lồng ghép trong mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ: hiệu quả xử lý ô nhiễm và ảnh hưởng của các chế độ sục khí” được báo cáo trong

khóa luận này

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Thực trạng và nguyên nhân ô nhiễm tại các ao nuôi thủy sản nước

lợ tại Việt Nam

1.1.1 Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay

Sở hữu đường bờ biển dài 3,260km và khu đặc quyền kinh tế với diện tích 1 triệu km vuông, Việt Nam là một đất nước đầy tiềm năng để phát triển ngành thủy sản Trong những năm gần đây ngành thủy sản Việt Nam đã được đẩy mạnh và đã đạt được những kết quả ấn tượng, đóng góp đáng kể vào tổng GDP quốc gia

Biểu đồ (Hình 1) cho thấy tiềm năng phát triển sản xuất nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam Số liệu của Tổng cục thống kê năm 2017 cho thấy, tổng diện tích nuôi trồng thủy sản cả nước là 1.0728 nghìn ha trong đó diện tích nước mặn, lợ là 731,9 nghìn ha và diện tích nước ngọt là 319,8 nghìn ha [3] Có thể thấy rằng nước ta tập chung chủ yếu vào nuôi trồng thủy sản nước lợ

Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của các hoạt động nuôi trồng thủy sản, tình trạng ô nhiễm tại các ao nuôi đang ở mức báo động, các bệnh dịch trên thủy sản có nguy cơ bùng phát và lan rộng

Hình 1 Tổng sản lượng thủy sản qua các năm (1990 – 2017) [3]

4

1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay

Hiện môi trường nuôi trồng thủy sản đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm

và dịch bệnh có chiều hướng gia tăng rất khó kiểm soát, đã gây thiệt hại vô cùng lớn đến ngành thủy sản Nguyên nhân chính đến từ các chất hữu cơ dư thừa có nguồn gốc thức ăn chăn nuôi và các rác thải đọng lại dưới đáy ao nuôi Ngoài ra còn có các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi trồng Việc hình thành lớp bùn đáy do tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn

bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây thối và các vi sinh vật gây bệnh như

Vibrio, Aeromonas, Ecoli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococus … cùng

nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật [5]

Các chất gây ô nhiễm ao nuôi tích tụ dưới đáy ao chủ yếu là các chất hữu

cơ như lipid, axit béo, phospholipid, sterol, … Sự tích tụ này sẽ làm tăng hàm lượng ni-tơ (N-NH4, N-NO2, N-NO3) và chất hữu cơ (BOD, COD) [23] Hai thành phần dinh dưỡng quan trọng được kết hợp trong thức ăn cho cá là ni-tơ

và phốt pho, rất cần thiết cho sự tăng trưởng của thủy sản Tuy nhiên, Ackefors

& Enell (1994) ước tính được rằng 72%N và 70%P trong chế độ ăn không được

cá hấp thụ [7] Việc dư thừa của các chất này gây ra hiện tượng tảo nở hoa hoặc phú dưỡng dẫn đến thiếu oxy trầm trọng gây ảnh hưởng tới sức khỏe của thủy sản Một hệ quả nguy hiểm khác là sự phát triển mạnh của vi sinh vật, trong đó

có các tác nhân gây bệnh gây nên các bệnh dịch

Ngoài ra sự phân hủy của các chất hữu cơ có thể tạo ra các hợp chất độc hại cho tôm cá như NH3, H2S, NO2-, … Chất lượng môi trường nuôi kém là điều kiện rất thích hợp cho dịch bệnh bùng phát, gây hại trực tiếp cho tôm cá

và thiệt hại kinh tế đối với người nuôi trồng thủy sản Bên cạnh đó, nước từ ao nuôi được xả thải ra môi trường có thể gây ra những hậu quả ô nhiễm nghiêm trọng và nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người Vì vậy, việc tìm ra một giải pháp để hạn chế được vấn đề ô nhiễm (đặc biệt là ô nhiễm bùn đáy) trong

ao nuôi thủy sản sẽ góp phần quan trọng trong việc đảm bảo, nâng cao sản lượng và chất lượng của thủy sản nuôi trồng

5

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng môi trường ao nuôi thủy sản

Ô nhiễm môi trường ao nuôi gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến sản lượng và chất lượng của thủy sản nuôi trồng Do đó, việc quản lý và đánh giá chất lượng ao nuôi là một việc rất quan trọng Hiện nay, chất lượng môi trường

ao nuôi được đánh giá bởi một số chỉ tiêu như nhu cầu oxy hóa học (COD), hàm lượng Ni-tơ tổng số (TN) và hàm lượng Amoniac

Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất có trong nước Phương pháp phân tích COD là phương pháp được sử dụng rộng rãi để

đo lượng các chất hữu cơ có trong nước một các gián tiếp [6]

Hàm lượng Ni-tơ tổng số (TN) là tổng lượng Ni-tơ có mặt trong tất cả các hợp chất có chứa Ni-tơ Trong nước, Ni-tơ có thể tồn tại ở các dạng hợp chất hữu cơ (axit amin, protein, …) và dạng vô cơ (nitrat, nitrit, amoniac, ure) [25]

Amoniac tồn tại tỏng nước dưới 2 dạng là NH3 và NH4+, tùy thuộc vào các yếu tố pH, nhiệt độ và độ mặn Trong ao nuôi, NH3 là một loại khí độc ảnh hưởng lớn tới sự sinh trưởng của vinh vật, còn NH4+ tuy không gây độc cho sinh vật nhưng ở nồng độ cao sẽ dẫn đến hiện tượng nước phú dưỡng [11]

1.3 Các biện pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản

1.3.1 Các phương pháp xử lý cơ học

Các biện pháp vật lý được dùng để loại bỏ các tạp chất không tan Các phương pháp này thường được ứng dụng ở giai đoạn đầu của quá trình khi nước thải được lấy ra từ ao nuôi để tiến hành xử lý và nguyên vật liệu sử dụng là vật chắn, hệ thống lắng và hệ thống lọc cơ học [14]

• Sử dụng vật chắn: Để loại bỏ những vật chất hữu cơ thô, rắn trước các

công đoạn xử lý tiếp theo

• Sử dụng hệ thống lắng: Thường được sử dụng để tách các vật chất lơ

lửng Nguyên tắc dựa trên sự khác nhau về trọng lượng của các hạt vật chất lơ lửng Quá trình này có thể loại bỏ 90-99% lượng cặn chứa trong nước [2]

• Sử dụng hệ thống lọc: Thường sử dụng để loại bỏ chất cặn lơ lửng còn

sót lại trong nước sau công đoạn lắng, và những vật chất hữu cơ nhỏ đang trong công đoạn phân huỷ

6

1.3.2 Các phương pháp hóa học

Các phương pháp này liên quan đến việc sử dụng một số hóa chất đưa vào môi trường nước thải để gây ra các phản ứng oxy hóa, các quá trình khử vật chất gây ô nhiễm hoặc trung hòa tạo chất kết tủa Phương pháp oxy hóa thường được sử dụng nhiều hơn bởi vì các chất có khả năng oxy rất phổ biến trên thị trường

Việc sử dụng ozone để lọc nước và nước thải đã được giới thiệu từ hơn

100 năm trước Trong nuôi trồng thủy sản, ozone là một chất oxy hóa mạnh, được ứng dụng trong việc lọc nước, loại bỏ các chất rắn, oxy hóa nitrat và các hợp chất hữu cơ hòa tan Mặc dù vậy, một số nhà nghiên cứu không đánh giá cao việc sử dụng ozone đẻ xử lý môi trường nuôi trồng thủy sản Bởi vì trong môi trường này, ozone sẽ tạo ra các hợp chất có hại cho sự sinh trưởng của thủy sản nuôi trồng [30]

Các quá trình xử lý hóa học đòi hỏi một lượng lớn hóa chất, khó khăn trong việc định lượng và không phù hợp với xu hướng phát triển trong tương lai Do đó, các phương pháp này chỉ được sử dụng trong những trường hợp khi các tạp chất gây ô nhiễm không thể tách hay xử lý bằng các phương pháp khác

1.3.3 Các phương pháp sinh học

Các phương pháp sinh học sử dụng để xử lý ô nhiễm chủ yếu tập trung khai thác những khả năng của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước

Việc sử dụng các chế phẩm vi sinh trong nuôi trồng thủy sản diễn ra rất phổ biến Các vi sinh vật trong các chế phẩm này thường là những chủng được chọn lọc có thể phân hủy các chất ô nhiễm rất hiệu quả Tuy nhiên, với sự tràn lan của các chế phẩm được bày bán trên thị trường, người nuôi trồng thủy sản rất khó để có thể tiếp cận được tới những chế phẩm vi sinh thực sự có hiệu quả

Quá trình phân hủy vi sinh vật hữu cơ và vô cơ trong điều kiệm yếm khí như với công nghệ UASB kỵ khí [18] cũng được ứng dụng trong xử lý ô nhiễm Tuy nhiên, các hệ thống này đều đòi hỏi tiêu tốn năng lượng, các vật liệu không sẵn có và yêu cầu có sự giám sát của chuyên gia Do đó, công nghệ này sẽ rất khó để có thể áp dụng rộng rãi với các ao nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam

7

Ngoài ra trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về các biện pháp làm giảm ô nhiễm môi trường nước ao nuôi thủy sản Từ những năm 1980, các

hệ thống sục khí nhân tạo đã được nghiên cứu và áp dụng để tăng hiệu quả loại

bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và ni-tơ trong các ao nuôi [10] Tuy nhiên phương pháp này lại đòi hỏi sự tiêu tốn năng lượng để quay các cánh sục và chi phí bảo trì Một số hướng tiếp cận khác cũng được nghiên cứu và áp dụng như hệ xử lý hóa lý sinh học của Van Riji (1996) với việc sử dụng màng lọc sinh học, đệm sinh học, đĩa quay sinh học [24] hay hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” [16] do Lin và các cộng sự đề xuất năm 2002 Mặc dù các hệ thống này đã cho thấy hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm nhưng tỏ ra phức tạp và tốn kém trong việc lắp đặt, vận hành và không phù hợp đối với các hộ nuôi trồng nhỏ

Một trong những hệ thống đang tỏ ra có tiềm năng lớn trong việc xử lý các vấn đề ô nhiễm chính là các hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems – BESs) Hệ thống sinh điện hóa có đặc tính độc đáo là chuyển đổi hóa năng từ các hợp chất hữu cơ trong nước thải và bùn đáy thành điện năng hay sản xuất các sản phẩm sinh học nhờ hoạt động của vi sinh vật ở anode [8] BES

có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ với lượng bùn thải ra thấp hơn từ 2,4 đến 26,5 lần so với phân giải kị khí bằng bùn hoạt tính tùy thuộc vào chất cho điện

tử (với acetate là 10,6 – 26,5 lần, với glucose là 2,4 – 7,6 lần) [11] Do đó BES được sử dụng rộng rãi và trở thành một công nghệ để xử lý nước thải hiệu quả Gần đây, một hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system) quy mô phòng thí nghiệm đã được nghiên cứu để trở thành giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi cá nước ngọt [26] Đây là một phát hiện đáng chú ý đối với các bên liên quan đến nuôi trồng thủy sản bởi những

ưu điểm mà hệ thống mang lại như xử lý ô nhiễm tại chỗ, hoạt động đơn giản, chi phí xây dựng và vận hành thấp

8

1.4 Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực ở đáy (SBES)

1.4.1 Giới thiệu chung

Ghi chú: Anode: cực âm; Cathode: cực dương; Water: nước; Sediment: bùn đáy

Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical

system (SBES) hoặc benthic bioelectrochemical system (BBES)), được đề xuất

bởi Reimers (2001) hay Sajana (2013) [23, 26],thực chất là một dạng ứng dụng

của pin nhiên liệu vi sinh vật (microbio fuel cell - MFC) Không giống như

MFC, có một màng bán thấm hoặc tấm ngăn cách giữa Anode và Cathode (Hình

2A), SBES dựa vào một thế oxi hóa tự nhiên để ngăn cách Anode và Cathode

(Hình 2B) [8]

Trong mô hình SBES, các vi sinh vật điện hóa được làm giàu ở anode

(điện cực đáy) Tại anode các vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ trong bùn

đáy và nước, tạo ra electron và proton Electron sẽ được chuyển từ anode sang

cathode thông qua một mạch ngoài và proton sẽ chuyển từ bùn đáy tới cathode

và kết hợp với oxi trên cathode để tạo ra nước (Hình 3)

Hình 2 Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) [19]

9

Ghi chú: Water: nước; Sediment: bùn đáy; Organic: chất hữu cơ;

Bacteria: vi khuẩn; Anode: cực âm; Cathode: cực dương; Resistor: điện trở

SBES đang trở thành một công nghệ thu hút nhiều sự quan tâm của các

nhà khoa học Hiện nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về SBES để khai

thác tiềm năng và tìm ra những hướng ứng dụng của mô hình này trong thực

tiễn Năm 2012, một nhóm nghiên cứu của Nhật Bản đã chứng minh được khả

năng loại bỏ khí metan Mặc dù mới chỉ là kết quả ở quy mô phòng thí nghiệm,

những kết quả này đã cho thấy tiềm năng của hệ thống sinh điện hóa với điện

cực đáy trong việc xử lý khí thải trong môi trường tự nhiên đặc biết là khí thải

nhà kính [33]

Một hướng ứng dụng khác của SBES là sản xuất năng lượng dưới dạng

điện năng Hệ thống này cho phép tạo ra dòng điện trong một thời gian dài từ

những nguồn cơ chất bền vững Dòng điện tạo ra có thể được cung cấp cho các

thiết bị cảm biến, máy phát dữ liệu, … [12].Tuy nhiên, lượng điện sinh ra từ

thiết bị còn thấp Các nghiên cứu đã và đang được thực hiện để khắc phục điều

này bằng giải pháp sử dụng các tụ điện và bộ chuyển đổi [28, 31]

Hình 3 Mô hình hệ thống SBES [13]

10

1.4.2 Khả năng xử lý ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản của SBES

Trong các ao nuôi thủy sản, sự phân giải các chất hữu cơ luôn được thực hiện bởi vi khuẩn, tảo Thức ăn dư thừa và chất thải được các vi sinh vật trong

ao nuôi sử dụng làm cơ chất để thực hiện trao đổi chất (Hình 4) Tuy nhiên quá trình này đòi hỏi nhiều thời gian và hiệu quả xử lý không cao

Để cải thiện tốc độ và hiệu suất của các quá trình phân giải tự nhiên trong

ao nuôi thủy sản, các hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) đã được nghiên cứu và áp dụng

Nghiên cứu của Song và các cộng sự (2010) chỉ ra rằng sau 2 tháng vận hành hệ thống sinh điện hóa trong hồ nước ngọt 28,3% lượng các chất hữu cơ

đó chứng minh rằng hệ thống đã xử lý các chất hữu cơ rất hiệu quả [26]

Trong một nghiên cứu khác năm 2014 của Sajana và các cộng sự, ảnh hưởng của các yếu tố như pH của nước, khoảng cách giữa 2 điện cực đã được nghiên cứu để đánh giá sự tác động đến hiệu suất xử lý của hệ thống Ngoài ra nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc bổ sung chất nền cellulose có thể làm tăng khả năng loại bỏ COD và ni-tơ của hệ thống [27]

Hình 4 Phân giải tự nhiên trong ao nuôi [20]

11

Những nghiên cứu trên cho thấy tiềm năng của viện sử dụng SBES để cải thiện chất lượng nước ao nuôi Với những ưu điểm như khả năng xử lý tại chỗ, tiết kiệm chi phí và vận hành đơn giản, hệ thống này rất phù hợp với các

hộ nuôi trồng thủy sản ở nước ta Tuy nhiên, những nghiên trên mới chỉ thử nghiệm trên ao nuôi nước ngọt, trong khi phần lớn mô hình nuôi trồng thủy sản của nước ta là nước lợ Tuy nhiên đến nay chưa có nhiều những nghiên cứu đánh giá hiệu quả hoạt động xử lý ô nhiễm của hệ thống sinh điện hóa trong

mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ

1.5 Ảnh hưởng của điều kiện ao nuôi trồng thủy sản tới hoạt động của

để lại khoảng 70% chất thải hữu cơ với tỉ lệ chuyển đổi thức ăn (FCR) là 1:1 [22] Rõ ràng lượng thức ăn thừa và chất thải đóng vai trò rất lớn trong hàm lượng các chất hữu cơ gây ô nhiễm ao nuôi Tuy nhiên có rất ít những báo cáo

về ảnh hưởng của hàm lượng các chất hữu cơ đối với hiệu suất xử lý ô nhiễm của hệ thống sinh điện hóa trong ao nuôi thủy sản nước lợ

Hình 5 Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm [22]

12

1.5.2 Các điều kiện sục khí

Hàm lượng oxy trong ao nuôi là một trong những yếu tố quan trọng ảnh

hưởng tới năng suất cũng như chất lượng của thủy sản nuôi trồng [26] Chính

vì vậy, các biện pháp quạt nước, sục khí trong ao nuôi luôn được áp dụng trong

các mô hình nuôi trồng thủy sản

Sục khí có tác dụng cung cấp nguồn oxy cho thủy sản, giải phóng khí

độc, điều hòa và cân bằng các yếu tố môi trường trong ao như nhiệt độ, pH, độ

mặn, tảo và các vi sinh vật Ngoài ra, việc sử dụng các biện pháp sục khí hay

quạt nước còn góp phần tăng tốc độ phân giải các chất hữu cơ tồn đọng, các

chất gây ô nhiễm trong ao nuôi [9]

Nghiên cứu của Sajana và các cộng sự trong mô hình ao nuôi nước ngọt

đã chỉ ra rằng với cùng nồng độ COD ban đầu là 103 mg/L, trong điều kiện sục

khí, nồng độ COD giảm 74% sau 17 ngày và khi không sục khí sau 19 ngày

giảm 72% Khi với kết hợp hệ thống sinh điện hóa, hiệu suất xử lý COD đạt tới

84% trong điều kiện sục khí Trong khi đó hiệu quả loại bỏ COD tối đa đạt

được trong điều kiện không sục khí là 73% [26]

Hiệu quả xử lý hàm lượng Ni-tơ tổng số cũng đã được báo cáo trong thí

nghiệm của Sajana Cụ thể là, trong điều kiện sục khí, hiệu suất xử lý TN đạt

tới 95% và khi không sục chỉ đạt từ 71,7 – 80% [26]

Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có báo cáo nào về ảnh hưởng của việc sục

khí tới hiệu quả hoạt động của hệ thống sinh điện hóa trong ao nuôi nước lợ

13

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Vật liệu

2.1.1 Hóa chất, thiết bị

Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh vật học

và phòng thí nghiệm GREENLAB – Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Sự sống, Khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên

- Các vật liệu được sử dụng để thiết kế và vận hành hệ thống SBES bao gồm: bể thủy tinh, que than chì (Trung Quốc), vải than chì (Nhật Bản), bột than chì (Việt Nam), vụn than chì (Việt Nam), keo Epoxy (Trung Quốc), các loại điện trở (Việt Nam và Nhật Bản) (Hình 7)

Ghi chú: (A) vải than chì (Nhật Bản); (B) thanh than chì (Trung Quốc);

(C) vụn than chì (Việt Nam); (D) bột than chì (Việt Nam); (F) keo Epoxy (Trung Quốc); (E) Các vật liệu khác: điện trở (10Ω), dây dẫn, ngoàm (Trung Quốc)

- Các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu: máy đo điện vạn năng Extech (Hoa Kỳ), máy đo hiệu điện thế tự động KEITHLEY 2700 (Hoa Kỳ),

Hình 7 Vật liệu thiết kế hệ thống SBES [15]

- Hóa chất được sử dụng để vận hành hệ thống bao gồm muối biển nhân tạo, thức ăn cho tôm Gamma 6 (công ty TOMBOY, Việt Nam)

- Hóa chất sử dụng để phân lập, nuôi cấy vi sinh vật: NaCl, pepton, agar, cao nấm men

- Hóa chất sử dụng trong các thí nghiệm sinh học phân tử: Acrylamide, Bis-AA, 50x TAE buffer, Formamide, TEMED (tetramethyl ethylenediamine), APS (Ammonium persulfate) do hãng Affymetric (USB, Mỹ) cung cấp, bộ hóa chất sử dụng tách ADN (Glycogen 20 mg/ml, Ethanol 100 %, Ammonium acetate), phản ứng PCR (USB Taq PCR Master Mix 2x), điện di kiểm tra sản phẩm PCR (HydraGreen Safe ADN Stain 20.000x, Loading Dye 6x, GeneRuler 1kb ADN Ladder Tất cả đều được cung cấp bởi Affymetric USB, Merck và Fermentas (Mỹ)

2.1.2 Hệ thống SBES

Mô hình bể thí nghiệm được thiết kế và lắp đặt như Hình 7 Điện cực anode được đặt dưới đáy bể và phủ hạt than chì lên trên, điện cực cathode đặt trên mặt nước Hai điện cực được nối với nhau bởi bộ góp điện có điện trở để tạo thành mạch kín Các điện cực đều được tạo thành từ vật liệu có nguồn gốc

từ cac-bon như que than chì, vải than chì và hạt than chì

15

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Vận hành hệ SBES

Để mô phỏng gần sát với ao nuôi thực tế chúng tôi tính toán lượng thức

ăn Gamma 6 dựa vào thể tích của ao nuôi thực với diện tích mặt S = 1000 m2

và chiều sâu h = 1.3 m so với thể tích các mô hình thí nghiệm

Bảng 1 Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm ao nuôi

Đối với tôm 60 – 65 ngày tuổi, lượng thức ăn trung bình là 22kg / ngày/ 1000m2, tương đương 22 g/ m2

/ ngày Lượng thức ăn cho 1,014 m3 (Bảng 1) là: 17,16 g/ngày, cuối cùng lượng thức ăn cho 0,006 m3 mô hình thí nghiệm là: 0,102 g/ ngày Tương tự như trên, chúng tôi còn vận hành mô phỏng hệ với tôm

76 – 80 ngày tuổi, lượng thức ăn tính toán như trên là: 0,22g/ngày [4]

Tuy nhiên, trong mô hình SBES của chúng tôi không tiến hành nuôi tôm, nên lượng thức ăn cho vào hàng ngày được tính tương đương với lượng thức

Nội dung Diện tích(m 2 ) Độ sâu (m) Thể tích(m 3 )

Hình 8 Hệ thống sinh điện hóa lồng ghép điện cực đáy [15]

2.2.2 Phân tích hàm lượng COD [6]

Nguyên tắc: Các hợp chất hữu cơ sẽ bị oxy hóa bởi kali dicromat

(K2Cr2O7) và bạc sunfat (AgSO4) trong môi trường axit ở nhiệt độ cao (150°C trong 2 giờ) Sau khi phân hủy, mẫu được đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 600nm, sau đó giá trị COD của mẫu được tính dựa trên đường chuẩn được thiết lập trước Tuy nhiên sự có mặt của ion clorua cao sẽ ảnh hưởng tới kết quả COD Vì vậy trước khi tiến hành phân tích mẫu cần loại bỏ sự ảnh hưởng của ion clorua [34]

Hóa chất:

- Thủy ngân sunfat (HgSO4)

- Dung dịch AgSO4/H2SO4: Cho 10g Ag2SO4 vào 35ml nước cất, sau

đó thêm 965ml H2SO4 96% và để tan hoàn toàn trong 1 - 2 ngày Bảo quản trong chai tối màu

- Dung dịch Kali dicromat (K2Cr2O7): Hoà tan 80g HgSO4 trong 800ml nước cất, thêm từ từ 100ml H2SO4 96% Thêm tiếp 11,768g K2Cr2O7 (đã sấy 2h tại 105°C) vào và khuấy đều đến khi tan hết Định mức lên 1000ml bằng nước cất

- Dung dịch COD chuẩn (500mg/l): Hòa tan hoàn toàn 0,4251g

KC8H5O4 trong 1000ml nước muối biển 20‰ (thay bằng 1000ml nước cất đối với mẫu bùn)