Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh

Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Họ và tên tác giả luận văn:

Nguyễn Thanh Hà

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN:

“Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi

trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh”

Chuyên ngành : Công nghệ Môi trường LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công nghệ môi trường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Tiến Sĩ Lê Văn Cát

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ khoa học: “Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh.” là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS Lê Văn Cát Đây không phải là bản

sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các kết quả thực nghiệm, số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôi tiến hành, trích dẫn, tính toán và đánh giá

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong luận văn này

Bảng 2 Chỉ tiêu chất lượng nước các dinh dưỡng khoáng cho nuôi cá

Bảng 5 Các nhóm vi khuẩn nitrat hóa 22

Bảng 11 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả xử lý amoni của vi

sinh khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu mang

k/thước: 1x1x1cm

56

Bảng 12 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả xử lý amoni của vi

sinh khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu mang

k/thước: 2x2x2cm

59

Bảng 13 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả xử lý NO 3 - bằng vi

sinh khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu mang

k/thước: 1x1x1cm

62

Bảng 14 Hiệu suất khử nitrat của hệ với các độ muối khác nhau - thí

nghiệm với vật liệu mang k/thước: 1x1x1cm

65

Bảng 15 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến hiệu quả xử lý NO 3 - bằng vi

sinh khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu mang

k/thước: 2x2x2cm

66

Bảng 16 Hiệu suất khử nitrat của hệ với các độ muối khác nhau - thí

nghiệm với vật liệu mang kích thước: 2x2x2cm

68

Bảng 17: tải lượng ôxy amoni và khử nitrat cột lọc vật liệu: 1x1x1cm 68

Bảng 18: tải lượng ôxy amoni và khử nitrat cột lọc vật liệu: 2x2x2cm 69

Bảng 19: giá trị mật độ vi sinh tổng trên đơn vị thể tích vật liệu mang 69

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 4 Hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật đĩa quay sinh học 19

Hình 9 Sơ đồ thí nghiệm - Hệ lọc sinh học ngập nước tầng tĩnh 35

Hình 10 Bề mặt ban đầu của giá thể vật mang vi sinh dạng xốp (ảnh

SEM)

38

Hình 14 Đường chuẩn NO 3

-Hình 15 Sự thay đổi nồng độ amoni theo thời gian với các độ muối khác

nhau khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu

k/thước 1x1x1cm

57

Hình 16 Ảnh hưởng của độ muối đến tốc độ ôxy hoá amoni của vi sinh

khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu k/thước

1x1x1cm

58

Hình 17 Sự thay đổi nồng độ amoni theo thời gian với các độ muối khác

nhau khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu

k/thước 2x2x2cm

60

khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu k/thước

2x2x2cm

Hình 19 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu quả khử nitrat của vi sinh khi

nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu k/thước

1x1x1cm

63

Hình 20 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu quả khử nitrat của vi sinh khi

nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l - vật liệu k/thước

2x2x2cm

67

1.1 Nhu cầu sử dụng nước trong nuôi trồng thuỷ sản

1.2 Các hợp chất nitơ trong nước nuôi thuỷ sản và độc tính của

chúng đối với động vật thuỷ sinh

4

1.2.2 Chu trình nitơ trong nước nuôi trồng thuỷ sản 5

1.2.3 Tiêu chuẩn chất lượng của các dinh dưỡng khoáng trong nuôi

trồng thủy sản

5

1.2.4 Độc tính của các hợp chất nitơ đối với động vật thủy sinh 6

1.3 Nghiên cứu xử lý amoni trong nước nuôi thuỷ sản 9

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.4 Khái quát về phương pháp xử lý hợp chất nitơ 10

1.4.4 Phương pháp sinh học 13

1.5 Lựa chọn công nghệ xử lý amoni cho nước nuôi trồng thuỷ sản 19

1.6 Phương thức và quy trình nuôi thuỷ sản 26

1.6.1 Phương thức nuôi thủy sản 26

1.7 Chất lượng nước nuôi trồng thuỷ sản 27

1.7.1 Một số thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước nuôi trồng thủy

2.1 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 33

2.2 Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong nước 41

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ muối lên khả năng ôxy hoá amoni

của vi sinh vật đối với nước nuôi thuỷ sản

55

3.1.1 Trường hợp 1: Ảnh hưởng của độ muối trong dung dịch đến hiệu

quả xử lý amoni của vi sinh khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7

mg/l với cột lọc sử dụng vật liệu mang kích thước 1x1x1cm

56

3.1.2 Ảnh hưởng của độ muối trong dung dịch đến hiệu quả xử lý amoni

của vi sinh khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l với cột lọc

sử dụng vật liệu mang có kích thước 2x2x2cm

59

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ muối lên khả năng khử nitrat của

vi sinh vật đối với nước nuôi thuỷ sản

62

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối trong dung dịch đến hiệu quả khử

NO3- bằng vi sinh vật khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l với cột lọc sử dụng vật liệu mang có kích thước 1x1x1cm

62

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ muối trong dung dịch đến hiệu quả xử lý NO3- bằng vi sinh vật khi nồng độ amoni ban đầu khoảng 7 mg/l với cột lọc sử dụng vật liệu mang có kích thước 2x2x2cm

Từ 230 nghìn ha năm 1981, đến nay diện tích nuôi đã đạt hơn 1 triệu ha Nuôi trồng thuỷ sản đang từng bước trở thành một trong những ngành sản xuất hàng hoá chủ lực, phát triển rộng khắp và có vị trí quan trọng và đang hướng đến xây dựng các vùng sản xuất tập trung

Gắn liền với sự phát triển này, thực trạng xuống cấp chất lượng nguồn nước dành cho nuôi trồng thuỷ sản cũng gia tăng Chất lượng nước nuôi trồng xuống cấp gây giảm sự phát triển của vật nuôi, giảm năng suất nuôi trồng và gây ô nhiễm các thuỷ vực

Để tăng năng suất nuôi trồng, người nuôi sử dụng nhiều thức ăn tổng hợp, hoá chất và chế phẩm sinh học hơn Hoá chất sử dụng thường xuyên đã gây ra nhiều ảnh hưởng đến môi trường, gián tiếp gây thiệt hại cho những vụ tiếp theo Các chất gây ô nhiễm gồm: amoni, phốt pho, chất kháng sinh Chất gây ô nhiễm chính là amoni (trong môi trường nước mặn phôtpho kết tủa dạng muối phôtphat) Do vậy nước thải nuôi thủy sản cần xử lý amoni trước khi tái sử dụng lại hoặc thải ra môi trường Amoni dễ bị chuyển hoá bởi vi sinh vật nên phù hợp với phương pháp xử lý sinh học

Trong các phương pháp xử lý sinh học thì phương pháp lọc sinh học đáp ứng được hầu hết các yêu cầu làm sạch nước thải nuôi trồng thủy sản (nước sau xử lý được tuần hoàn lại để nuôi trồng thủy sản) Việc sử dụng phương pháp lọc sinh học hiếu khí có nhiều ưu thế xét cả về phương diện kinh tế lẫn môi trường, vì lọc sinh

học không cần nhiều diện tích xây dựng hệ thống xử lý nước thải như các hồ sinh học, chất thải ra có nồng độ ô nhiễm không quá cao, nên việc sử dụng các bể aeroten và bể mêtan trong giai đoạn hiện nay là quá tốn kém và không hợp lý [11]

Để xử lý amoni bằng phương pháp sinh học, chúng ta sử dụng hai quá trình

là ôxy hoá amoni và khử nitrat được thực hiện bởi hai chủng vi sinh khác nhau có tên là Nitrifyer và Denitrifyer

Thông thường, hai quá trình này được nghiên cứu, tiến hành độc lập trong các điều kiện khác nhau, gây khó khăn trong công tác vận hành thiết bị xử lý và lãng phí vật chất, năng lượng vận hành xử lý Xu hướng nghiên cứu mới là kết hợp hai quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong một môi trường phản ứng Nghiên cứu dựa trên cơ sở tốc độ khuyếch tán của nitrat vào bên trong màng vi sinh lớn hơn của ôxy

Xuất phát từ thực tế trên, với mong muốn hướng đến giải quyết một số vấn

đề đã nêu, tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình nitrat hóa và khử

nitrat đồng thời xảy ra trong môi trường nước mặn bằng kỹ thuật màng vi sinh”

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

Nguồn lợi thuỷ sản trong tự nhiên ngày càng ít đáp ứng đầy đủ nhu cầu của

con người Để thỏa mãn, ngành nuôi trồng thuỷ sản phát triển rất nhanh trong thời

gian gần đây ở các nước cũng như ở Việt Nam và đã trở thành một ngành công

nghiệp

Phần lớn các loài thủy sản có giá trị kinh tế đều được ương, nuôi trong ao hồ,

bể hoặc lồng, tùy theo từng giống, mật độ nuôi, tỷ lệ lưu chuyển nước, lượng mưa,

sự bốc hơi và cường độ nuôi thủy sản đòi hỏi mức độ cung cấp lượng nước sạch

khác nhau Ở Mĩ, nuôi cá Nheo trong bể đòi hỏi lượng nước cần cung cấp từ 2,5 –

600% tổng thể tích trong một năm Ở Việt Nam cá Giò nuôi giống hàng ngày cần

thay 200 - 600% thể tích nước

Phillips và ctv (1991) (trích Boyd, 1992) [14] cho rằng: “ Nuôi trồng thủy

sản sẽ phải đối mặt với nhiều khó khăn, hoạt động nuôi trồng thủy sản làm gia tăng

tác động bất lợi đến môi trường thủy sinh và cạnh tranh với nguồn lợi tài nguyên

nước và đất” Vì vậy để tránh tác động bất lợi đến môi trường, nước thải từ hoạt

động nuôi trồng thủy sản cần được xử lý trước khi thải ra môi trường hoặc tuần

hoàn lại nước nuôi, nhằm hạn chế ô nhiễm vùng xung quanh và các vụ nuôi tiếp

theo

Bảng 1 Nhu cầu sử dụng nước trong nuôi trồng thủy sản

Loài và hệ thống nuôi Quốc gia Năng suất

(kg/ha/năm)

Nhu cầu nước (l/kg)

Nuôi cá rô phi trong ao Đài Loan 30 – 50 3.000 – 5.000

Nuôi cá hồi vân nước chảy Mỹ 150.000 210.000

Nuôi tôm he trong ao Đài Loan 4.200 – 11.000 11.000 – 21.340

Nguồn : Phillips và ctv, 1991 trích Boyd, 1992 [14]

1.2 CÁC HỢP CHẤT NITƠ TRONG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN VÀ ĐỘC TÍNH CỦA CHÚNG ĐỐI VỚI ĐỘNG VẬT THỦY SINH

1.2.1 Nguồn gốc hình thành amoni trong nước nuôi trồng thủy sản

Ô nhiễm nguồn nước nuôi trồng nặng nề và thường trực là do hoạt động sản xuất nuôi trồng Trong quá trình sản xuất, nhất là nuôi thâm canh, một lượng rất lớn thức ăn, phân vô cơ, phân hữu cơ được đưa vào ao hồ nhằm tăng năng suất sản phẩm, nhưng do hiệu quả sử dụng của các thành phần đó thấp nên lượng dư và các chất bài tiết từ tôm cá lớn nên mức độ ô nhiễm ngày càng tăng nếu không có giải pháp hữu hiệu Ô nhiễm môi trường do yếu tố sản xuất sẽ làm mất cân bằng sinh thái nghiêm trọng, thậm chí đến mức không thể nuôi tiếp vụ sau khi chưa áp dụng các biện pháp xử lý triệt để

Kinh nghiệm chỉ ra là: lợi nhuận thu được từ nuôi trồng thủy sản không tỷ lệ thuận với suất đầu tư (bón phân, thức ăn) Khi tăng suất đầu tư, sản lượng thủy sản tăng lên nhưng chỉ tăng rất chậm Đến một mức độ nhất định khi suất đầu tư đã lớn, lợi nhuận sẽ giảm khi tăng suất đầu tư, nói cách khác lợi nhuận đạt tối đa khi suất đầu tư ở mức hợp lý Nguyên nhân của suy giảm lợi nhuận khi tăng suất đầu tư chủ yếu là do tác động xấu đến môi trường nuôi trồng: tăng cường thức ăn, phân bón gây ra hiện tượng phú dưỡng dẫn đến sự phát triển bùng nổ của tảo, thực vật phù du làm cạn kiệt nguồn oxy trong nước, tăng nồng độ các chất gây độc [2]

Nguồn nước thải từ các ao hồ nuôi thường ô nhiễm khá nặng nề nên cần hết sức hạn chế thải ra các vùng xung quanh hoặc trước khi thải cần được xử lý để đảm bảo an toàn cho khu vực nuôi trồng xung quanh

Do lượng nước thải từ ao hồ rất lớn và kinh phí xử lý khá cao nên việc lựa chọn các giải pháp thích hợp, đặc biệt về mặt giá thành sẽ là tiêu chí quan trọng để

có thể áp dụng trong thực tiễn

Muốn đạt được tiêu chí đó, việc hiểu biết tổng thể về chất lượng nước, sự biến động liên tục của môi trường nước khi có mặt của các yếu tố tác động là vấn đề quan trọng nhất

1.2.2 Chu trình nitơ trong nước nuôi trồng thủy sản

Hình 1 Chu trình nitơ trong môi trường nước (Ruth Francis-Floyd và Craig Watson, 1990)

Hình 2 Chu trình nitơ trong môi trường nuôi trồng thủy sản

1.2.3 Tiêu chuẩn chất lượng của các dinh dưỡng khoáng trong nuôi trồng thủy sản

Dinh dưỡng khoáng là một trong những yếu tố không thể thiếu để kích thích

sự tăng trưởng và phát triển của động vật phù du trong ao nuôi Tuy nhiên khi hàm lượng dinh dưỡng khoáng quá cao sẽ làm tảo phát triển mạnh, dấn đến hiện tượng tảo nở hoa, gây thiếu oxy làm chậm quá trình sinh trưởng thậm chí gây chết thực vật thủy sinh Vì thế, các dinh dưỡng khoáng luôn được kiểm soát trong hệ thống nuôi

[29]

Bảng 2 Chỉ tiêu chất lượng nước các dinh dưỡng khoáng cho nuôi cá nước mặn

1.2.4 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 dễ

chuyển hoá sinh học và lượng lớn các hợp chất chứa nitơ có thể tồn tại ở các dạng

nitơ hữu cơ, NH4+, NO2-, NO3- Do trong nước nuôi trồng thủy sản chứa lượng lớn

thức ăn thừa, phân và chất bài tiết của thủy sản được vi sinh vật phân hủy thành

amoniac (NH3 và NH4+) (Losodor 1998) [19]

William A Wurts, (2005) [38] cho rằng: NH3 thường được giải phóng trực

tiếp ra môi trường nước từ mang cá, cuối vụ nuôi trồng lượng NH3 cao hơn, vì khi

đó lượng thức ăn thừa và sản phẩm bài tiết của tôm cá là lớn nhất

Hàm lượng amoni trong nước phải được kiểm soát cẩn thận, vì amoni gây

độc cao đối với tôm, cá Amoni tồn tại ở hai dạng khác nhau trong nước là NH3 và

NH4+ Hai dạng này có mặt đồng thời trong nước và chuyển từ dạng này sang dạng

khác theo phương trình phản ứng:

NH3+H2O↔NH4+ +H2O

Chỉ có NH3 là độc đối với tôm và cá, mức độ gây độc phụ thuộc vào độ tuổi

của tôm, cá

Lượng amoniac (NH3) khoảng từ 0,4 – 2 mg/l có thể gây tử vong cho tôm

Độ pH và nhiệt độ trong ao càng cao sẽ làm cho độ độc hại của amoniac

(NH3) tăng lên vì amoni phóng thích tự do có thể thâm nhập vào thân tôm và đi vào

mô cơ, máu dễ dàng, dẫn đến làm giảm sự hấp thu khí oxy khiến tôm yếu đi và có

thể dẫn đến tử vong

Sự hình thành nitrit trong ao bắt nguồn từ amonia Vi sinh thuộc nhóm nitrosomonas, nitrobacter sp sẽ tác động đến amonia để biến thành nitrit

] [ ]

a

TAN N

pH trong ao nuôi dễ dàng bị biến động liên tục trong ngày do liên quan đến quá trình quang hợp và hô hấp của động thực vật thủy sinh Độ pH thường cao về buổi chiều muộn và thấp vào buổi sáng sớm (William A Wurts, 2005) [38]

Bảng 3 Tỷ lệ % của NH 3 và tổng nitơ amoni phụ thuộc vào nhiệt độ và pH

Nhiệt độ ( o C)

pH

26 28 30 32

7,0 0,6 0,7 0,81 0,95 7,2 0,95 1,1 1,27 1,5 7,4 1,5 1,73 2,0 2,36 7,6 2,35 2,72 3,13 3,69 7,8 3,68 4,24 1,88 5,72 8,0 5,71 6,55 7,52 8,77

8,4 13,2 14,98 16,96 19,46 8,6 19,42 21,83 24,45 27,68 8,8 27,64 30,68 33,9 37,76

Nguồn: Boyd C.E và Turker C.S., 1992 [14]

Nitrit (N-NO 2 )

Trong ao nuôi cũng như trong hệ thống xử lý, N-NH4+ và NH3 được vi khuẩn nitơ 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 (Boyd, 1990) [13]

Tùy thuộc vào pH, tổng nitơ nitrit tồn tại ở hai dạng khác nhau là NO2- hoặc HNO2 theo phương trình sau:

) ( 2

10 1

] [ ] [

a

pK pH

TNN N

Khi động vật thủy sinh hấp thu nitrit sẽ phản ứng với Hemoglobin trong máu tạo thành Methemoglobin:

Hb + NO2- → Met- Hb Phản ứng này làm cho Fe trong nhân Hb của máu cá bị oxy hóa thành Methemoglobin không có khả năng vận chuyển oxy làm cho máu của cá chuyển sang màu nâu, gây độc cho cá (Boyd, 1990) [13] và Jane Frances và ctv (1998) [18] Trong nước mặn và nước lợ, hàm lượng ion Ca2+ và Cl- cao, hai ion này có xu hướng làm giảm tính độc của nitrit (Tomassco vµ ctv, 1979, trÝch tõ Michael vµ Losordo 1994) [23]

Mặc dù N-NO2 không độc bằng N-NH4+ nhưng nó cũng gây hại tới động vật thủy sinh vì thế chúng cần kiểm soát trong bể nuôi Trong thời gian dài và nhiều trường hợp duy trì dưới 1 mg/l (Losordo Thomas M., 1998) [19]

™ Nitrate (N- NO3)

Nitrat thường không gây độc cho động vật thủy sinh nhưng khi nồng độ nitrat trong môi trường nước quá cao gây tác động đến động vật thủy sinh Điều này cũng được Thomas M L (1998) [19] nhận định: “ khi hàm lượng nitrat trong môi trường nuôi cao sẽ không có lợi cho nuôi trồng thủy sản” Độ mặn càng cao

tính độc của nitrat càng giảm từ 300-400 lần ( Su-Jun Tsai và ctv, 2002 [32])

Đối với cá nước mặn nồng độ N-NO3 nên ít hơn 500 mg/l (Pierce et al., 1993)

1.3 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Vấn đề xử lý amoni trong nước nuôi trồng thuỷ sản, nhất là môi trường nước mặn, đặc biệt là ở nồng độ thấp và rất thấp khoảng 0,5-2 mg/l còn khá mới mẻ không những ở Việt Nam mà còn cả trên thế giới và chỉ được quan tâm, nghiên cứu trong khoảng ba thập kỉ gần đây

Năm 2002 trong chương trình nghiên cứu công nghệ sinh học thuộc đề tài

KC 04.02, phòng Công nghệ Tảo-Viện Công nghệ sinh học đã tiến hành nghiên cứu

xử lý nước nuôi tôm bằng phương pháp lọc sinh học với chất mang là san hô, sỏi nhẹ, lô nhựa trên qui mô pilot phòng thí nghiệm

Năm 2006 Viện công nghệ môi trường-Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Nguyễn Văn Hà cùng các cộng sự đã nghiên cứu xử lý nước thải nuôi tôm bằng phương pháp lọc sinh học để tái sản xuất trong các trại tôm giống với chất mang là sỏi nhẹ và bi nhựa

Trạm Nghiên cứu và sản xuất giống hải sản Cửa Lò, Nghệ An – Viện Nghiên cứu Nuôi trồng thủy sản I là cơ sở sản xuất giống hải sản đang sử dụng hệ thống lọc sinh học tuần hoàn nước cho ương nuôi các loại giống cá biển, hệ thống này được nhập từ Na Uy, giá thành cao Trong quá trình vận hành đã có sự cố, nước đầu ra để quay vòng lại bể nuôi không đạt tiêu chuẩn, do có thể có những vấn đề không phù hợp với điều kiện khí hậu của Việt Nam

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hệ thống xử lý nước nuôi thuỷ sản tuần hoàn bao gồm các công đoạn cơ bản: tách cặn, lọc sinh học để loại cơ chất, thêm dưỡng khí và khử trùng rất ưu việt khi dùng nuôi trồng công nghiệp với lợi thế giảm thiểu chất thải gây ô nhiễm, giảm nguy cơ gây tác động xấu đến đất, nước nói riêng và môi trường nói chung Đây là một quá trình xử lý tổng hợp sử dụng trong sản xuất thuỷ sản với mục đích chủ động kiểm soát chất lượng nước, được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu (Van

Rijn, 1996; Davis and Arnold, 1998) [35], [16]

Các nhà khoa học châu Á: Menasveta et al (1989, 1991) [20], Chen et al (1989) và Millamena et al (1991) [24] đã công bố các công trình nghiên cứu xây dựng các hệ lọc nước biển tuần hoàn, khép kín cho nuôi tôm thương phẩm Các hệ lọc nước tuần hoàn khác cũng đã được thiết kế cho sản xuất tôm biển (Mock et al (1977); Neal và Mock (1979); Reid và Arnold (1998)) [26] Các hệ này điều gặp trở ngại trong vấn đề loại bỏ nitơ tổng số Để kiểm soát hàm lượng nitỏ tổng số cần có hai quá trình sinh học chính: nitrat hóa và quá trình khử nitrat (Spote, 1979)

Một số hãng nước ngoài giới thiệu nhiều kỹ thuật lọc sinh học khác nhau dùng cho xử ký nước nuôi trồng thủy sản: tầng linh động (San Diego, CA), tầng chuyển động ( Kaldnes MBBR, cơ sở để thiết kế và vận hành trong Rusten et al (2005)) [17]

1.4 Khái quát về phương pháp xử lý hợp chất 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 tách loại, cách ly chúng ra khỏi môi trường nước

™ Sử dụng một số loại màng thích hợp: màng nanô, màng thẩm thấu ngược hay điện thẩm tích cũng tách được các hợp chất nitơ đồng thời với các hợp chất khác

1.4.1 Phương pháp clo hóa tới điểm đột biến

Khi hòa tan clo hoặc các hợp chất clo trong nước, tùy theo pH mà clo có thể nằm ở dạng HClO hay ClO- theo phương trình:

Cl2 + H2O (pH < 5) ↔ HOCl + HCl (pH < 7) (1)

HOCl ↔ H+ + ClO- (pH > 8)

Ca(OCl)2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2HOCl (2)

NaOCl + H2O → HOCl + NaOH (3)

Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau:

NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O monocloramin (4)

- Liều lượng clo hoạt động cần sử dụng rất lớn và hình thành nhiều sản phẩm

có tính độc cao: tricloamin là chất dễ bay hơi có mùi rất khó chịu (hắc) Phản ứng giữa clo hoạt động với chất hữu cơ trong nước thải tạo ra các sản phẩm hữu cơ chứa clo, điển hình là hợp chất trihalometan (CHX3), (X là nguyên tố thuộc nhóm halogen) và các chất khác có tiềm năng gây ung thư Phương pháp này hầu như không được sử dụng trong thực tế

1.4.2 Phương pháp ozon hóa với xúc tác Br

-Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hóa điểm đột biến, có thể thay thế một tác nhân oxy hóa khác như ozon với sự có mặt của Br-.Về cơ bản xử lý

NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương pháp xử lý dùng clo Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxy hóa thành BrO- theo phản ứng sau:

Đây chính là điểm tương đồng giữa hai phương pháp clo hóa và zon hóa xúc tác Br- do Galat – Gorhev và Moris tìm ra năm 1975

1.4.3 Phương pháp trao đổi ion

™ Nhựa trao đổi ion bao gồm: những hợp chất có khả năng trao đổi cation – gọi là cationit còn những hợp chất có khả năng trao đổi anion - gọi là anionit

™ Vật liệu trao đổi ion là dạng rắn không tan trong nước, dạng vô cơ hoặc hữu cơ

- Nhựa cationit là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có công thức chung là RSO3Na, RSO3H, RCOO(H,Na) trong đó R là gốc hữu cơ phức tạp

Trao đổi ion xảy ra như sau:

Cat-Na (Ca-H) + Men+ (Ca2+, NH4+) → Cat- Men+ + Na+ (H+) (13)

- Nhựa anionit là những hợp chất cao phân tử hữu cơ có công thức chung là An-OH- hoặc An-Cl-

Trao đổi ion xảy ra như sau:

An-OH- (An-Cl-) + A- → An-A- + OH- (14)

- Vật liệu vô cơ có tính năng trao đổi chủ yếu là loại trao đổi cation Điển hình của loại vật liệu trao đổi cationit vô cơ là họ zeolit, các alumosilicat

Tùy theo mạng cấu trúc zeolit có các dạng zeolit khác nhau như zeolit A, X,

Y, Mordenit, Chabazit Ngoài dung lượng trao đổi của một loại vật liệu, đặc trưng rất quan trọng khác là tính chọn lọc của quá trình trao đổi vì trong nước luôn tồn tại nhiều loại ion có hóa trị và kích thước khác nhau

Từ số liệu của bảng 4 cũng cho thấy độ chọn lọc của ion amoni rất thấp, chỉ cao hơn một chút so với ion natri

Mặt khác nồng độ amoni trong nước tự nhiên và nước thải ít khi cao hơn so với natri và canxi, điều đó có nghĩa là việc sử dụng nhựa cationit mạnh để trao đổi amoni có hiệu quả thấp, chi phí cao đặc biệt đối với quá trình tái sinh

Bảng 4 Độ chọn lọc trao đổi ion

Nhựa cationit

mạnh Nhựa anionit mạnh

Nhựa cationit mạnh Nhựa anionit mạnh

Cation i chọn

lọc i/Na Anion i

chọn lọc i/Cl- Cation i

chọn lọc i/Na Anion i

chọn lọc i/Cl-

Cs+>Rb+>K+>NH4+>Ba2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+>Mg2+>Li+

Từ dãy trên cho thấy độ chọn lọc trao đổi của ion amoni khá cao, hơn hẳn các loại nhựa tổng hợp Ngoài Clinoptilolite, chabazite cũng là một loại zeolit tự nhiên khác có độ chọn lọc với cation theo:

Tl+>K+>Ag+>NH4+>Pb2+>Na+>Ca2+>Fe2+>Al3+>Mg2+>Li+Nhìn chung các loại zeolit có độ chọn lọc trao đổi khá cao với ion amoni Dung lượng trao đổi của Clinoptilolite được nhiều tác giả xác định, nằm trong khoảng 1 - 2,7 đl/kg, tương đương 14 - 32 g NH4+/kg Tuy vậy dung lượng hoạt động trong thực tiễn của nó ít khi vượt quá 50% của dung lượng tổng, thường là 1 - 7g/kg do khi gần bão hòa amoni bị chiết ngược ra ngoài dung dịch

1.4.4 Phương pháp sinh học

Nitơ tồn tại trong nước là chất dinh dưỡng chủ yếu cho nhiều loại vi khuẩn

Có hai loại vi khuẩn chính là vi khuẩn tự dưỡng và vi khuẩn dị dưỡng Vi khuẩn tự

dưỡng là vi khuẩn có khả năng tổng hợp tế bào từ các chất vô cơ đơn giản, còn vi

khuẩn dị dưỡng sử dụng cơ chất là các chất hữu cơ

Xử lý amoni bằng phương pháp vi sinh sẽ xảy ra các quá trình sau:

™ Quá trình nitrat hóa:

- Nitrat hóa là giai đoạn thứ nhất của quá trình loại bỏ amoni trong nước được thực hiện bởi hai loại vi khuẩn là nitrosomonas và nitrobacter

- Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại vi sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng nguồn carbon vô cơ (chủ yếu là HCO3- và CO2) cùng với các chất dinh dưỡng (N, P,

vi lượng ) để xây dựng tế bào

- Nếu lấy hiệu suất sinh khối của cả hai loại vi sinh trên là 0,17 g/g NO3-N tạo thành thì phản ứng tổng thể của quá trình oxy hóa amoni thành nitrat sẽ là :

1,02NH 4+ +1,89O 2 +2,02HCO 3-→0,021C 5 H 7 O 2 N+1,06H 2 O+1,92H 2 CO 3 + 1,00NO 3- (19)

- Tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng tuân theo qui luật động học Monod đối với từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho vi sinh vật

- Hai yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh tự dưỡng là nồng độ amoni và oxy hòa tan, chúng tác động lên tốc độ sinh trưởng của

vi sinh theo dạng qui luật hàm Monod:

=

DO N

N

N m

K DO

DO K

S

S

.

µ

µ (20)

µ, µm: Hằng số phát triển riêng và cực đại của vi sinh tự dưỡng SN là nồng

độ amoni, DO là nồng độ oxy hòa tan, KN, KDO là hằng số bán bão hòa của amoni

™ Quá trình khử nitrat

Vi sinh vật thực hiện quá trình khử nitrat có tên chung là Denitrifier bao gồm

ít nhất là 14 loại vi sinh vật, ví dụ Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Thiobacillus Phần lớn loại vi sinh trên thuộc loại tùy nghi với nghĩa là chúng sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hóa (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hóa) để sản xuất năng lượng

- Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hóa), chất khử

có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2, S, Fe2+

- Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp nhau với mức độ giảm hóa trị của nguyên tố nitơ từ +5 về +3, +2, +1 và 0:

NO3- → NO2- → NO (khí) → N2O (khí) → N2 (khí) + Phản ứng khử nitrat với chất hữu cơ là metanol hay axit axetic xảy ra theo phương trình :

6NO3- + 5CH3OH → 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH- (21) 8NO3- + 5CH3COOH → 4N2 + 10CO2 + 8OH- (22) + Nếu sử dụng một chất hữu cơ nào đó từ nguồn nước thải với công thức chung là C18H19O9N thì quá trình khử nitrat xảy ra :

Năng lượng thu được từ phản ứng khử là 24,6 kcal/mol tính theo NO3--N

- Song song với quá trình khử nitrat, quá trình tổng hợp tế bào cũng diễn ra, khi đó lượng chất hữu cơ tiêu hao cho cả quá trình cao hơn so với lượng cần thiết cho phản ứng hóa học

+ Sử dụng metanol làm chất cho điện tử của quá trình khử nitrat và nitrit cùng với tổng hợp tế bào sẽ thu được:

trộn lẫn với nước thải và dòng khí được bơm liên tục Vi sinh vật tiếp xúc với các tạp chất có trong nước thải và phân hủy chúng, khả năng lắng của bùn hoạt tính chậm Cần có bể lắng thứ cấp vì lượng bùn hoạt tính có thể theo nước đi ra ngoài nên cần bổ sung lại một lượng bùn hoạt tính vào bể bằng cách tuần hoàn lại vào bể phản ứng một phần bùn hoạt tính từ bể lắng thứ cấp

™ Lọc sinh học (biofitter)

- Math Smith (2003) [31], Thomas M L và M P Masser & Racoky (1992

và 1998) [19], [22] đã định nghĩa về lọc sinh học phục vụ cho nuôi trồng thủy sản là quá trình nuôi các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí sống bám ở các màng sinh học trên bề mặt vật liệu lọc, sinh trưởng và phát triển do có các chất dinh dưỡng trong nước thải từ hệ thống bể nuôi

- Nước thải qua hệ thống lọc này sẽ được loại trừ các chất hữu cơ hoà tan và muối dinh dưỡng vô cơ (NH4+, NH3, NO2-, NO3- và PO43-) bởi các vi khuẩn nitrite

và nitrate, sau đó nuớc sạch được cấp trở lại hệ thống bể nuôi (Math Smith, 2003) [31]

- Lọc sinh học dựa vào quá trình hoạt động của vi sinh vật (vi khuẩn hiếu

khí) ở màng sinh học dính bám trên bề mặt vật liệu lọc để phân hủy các chất hữu cơ

có trong nước thải (Fred W., 2003 và Math Smith, 2003 [31])

¾ Lọc nhỏ giọt (Trickling filter):

Một cột lọc sinh học chỉ hoạt động có hiệu quả khi đáp ứng được các tiêu chí:

- Vi sinh vật phải được cố định (bám) trên chất mang với mật độ cần thiết do quá trình xử lý đòi hỏi

- Tiếp xúc tốt giữa nước thải chứa cơ chất và màng vi sinh bám trên chất mang

- Kiểm soát được sự phát triển của màng vi sinh sao cho không để xảy ra hiện tượng bị tắc hoặc bị rửa trôi

- Cung cấp đủ oxy cho nước để đáp ứng nhu cầu cho phản ứng xảy ra trong màng

Lọc nhỏ giọt là kỹ thuật thông dụng trong xử lý nước thải bậc hai với nhiều phiên bản khác nhau Hệ phản ứng lọc nhỏ giọt bao gồm ba pha: pha rắn (màng vi sinh bám trên chất mang), pha nước thải chứa cơ chất cần xử lý và pha khí (khoảng rỗng của tầng chất rắn)

Tầng lọc chất rắn là tầng cố định, vật liệu lọc thường là vật liệu bằng đá với kích thước 5 - 20 cm với chiều cao từ 1,2 - 2,5m (thường là 1,8m) hoặc vật liệu nhựa với các kiểu cấu 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 của cột lọc - trên bề mặt của chất mang và được thu lại ở dưới đáy của bể lọc

Không khí thâm nhập vào bể lọc từ phía dưới đáy lên trên tạo ra dòng khá ổn định

¾ Lọc ngập nước (Submerged biofilter ):

Đặc trưng của kỹ thuật lọc ngập nước là vật liệu lọc nằm ở phía dưới lớp mặt nước, vật liệu lọc được cố định thành tầng lọc hoặc có khả năng dịch chuyển

ƒ Tầng cố định ( fix bed )

Đối với tầng lọc cố định chiều của dòng khí được bố trí chảy ngược từ dưới lên, chiều của dòng nước có thể cùng hoặc ngược chiều với dòng khí, nước sau khi qua cột có thể có hoặc không được hồi lưu trở lại cột

Tầng lọc không cố định được chia thành hai dạng: dãn nở và lưu thể

ƒ Tầng giãn nở (expand)

Tầng giản nỡ sử dụng vật liệu có kích thước không lớn, chiều của dòng nước

và khí đều hướng lên Trong trạng thái không hoạt động tầng lọc có tính năng của một tầng tĩnh Khi hoạt động dưới áp lực của dòng khí, dòng nước hướng ngược làm dãn nở thể tích của tầng lọc, tăng hơn so với trạng thái tĩnh 30 - 40% Vật liệu lọc (cát) bị mất tiếp xúc với nhau, các hạt lọc có thể dịch chuyển ở một mức độ nào

đó Do va chạm lẫn nhau nên màng vi sinh bám trên chất mang bị bào mòn Kinh nghiệm hiện tại cho phép tính toán được quá trình kiểm soát độ dày của lớp màng vi sinh trong thực tế

ƒ Tầng linh động ( fluidized bed)

Khi lực đẩy của dòng chảy ngược lớn hơn trọng lực của vật liệu lọc (lắng) thì vật liệu lọc chuyển động trong nước như một loại chất huyền phù, mức độ chuyển động phụ thuộc vào kích thước và khối lượng riêng của vật lọc Các hạt lọc tách rời khỏi nhau với khoảng cách lớn và chuyển động hỗn loạn trong nước, giống tính năng của một chất lỏng hoặc khí về mặt lưu động Hệ phản ứng có tên là dạng lưu thể (trong pha khí còn có tên là dạng tầng sôi) Thể tích chứa vật liệu lọc có thể tăng đến 100%

Tầng lưu thể tạo điều kiện tiếp xúc rất tốt giữa cơ chất với màng vi sinh vật nhưng cũng không tự động kiểm soát được độ dày của màng vi sinh vật Kỹ thuật phản ứng dạng lưu thể có hiệu suất xử lý tính theo thể tích cao nhất so với các kỹ thuật khác với mật độ sinh khối hữu hiệu có thể đến 40 kg/m3

Tuy vậy vận hành hệ thống hoàn toàn không đơn giản và kinh nghiệm thiết

kế cũng như vận hành được tích lũy chưa nhiều Tuy nhiên tiềm năng sử dụng của

kỹ thuật này rất lớn là điều không nghi ngờ

Phản ứng dạng lưu thể

ƒ Tầng chuyển động ( moving bed)

Giá thể mang vi sinh trong tầng chuyển động, chuyển động chậm hơn so với trong

hệ lưu thể

™ Đĩa quay sinh học (Rotating biological contacter)

Đĩa quay sinh học là thiết bị được gắn rất nhiều đĩa hình tròn trên một trục quay Vật liệu chế tạo đĩa là polyethylen hoặc polyninyl clorua Thiết bị đĩa quay sinh học được đặt chìm trong nước (40% tổng diện tích bề mặt) và quay với tốc độ

chậm

vào

ra

Bùn

Hiệu quả xử lý của thiết bị được xác định bởi các yếu tố:

- Tốc độ quay

- Thời gian lưu thủy lực

- Mắc nối tiếp thiết bị

- Nhiệt độ

- Tỉ lệ phần diện tích nằm trong nước

Thiết bị đĩa lọc sinh học thường được lắp nối tiếp nhau, mỗi thiết bị được lắp đặt trong một khoang riêng biệt (hình 4 )

Lắp đặt hệ thiết bị trong từng khoang riêng biệt tạo điều kiện cho hệ xử lý có tính chất gần giống dòng đẩy lý tưởng

Hình 4 Hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật đĩa quay sinh học

1.5 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ AMONI CHO NƯỚC NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

1.5.1 Trao đổi amoni trên zeolit

Gần đây các nhà sản xuất thường giới thiệu phương pháp xử lý amoniac bằng zeolit, vật liệu này được nhập khẩu từ Thái Lan Tuy nhiên trong quá trình giới thiệu sản phẩm các nhà sản xuất khuyên rằng: nên xử lý nguồn nước thải để quay

vòng thay nước nhằm giảm bớt chất cặn bã và amoni trong ao nuôi

Trong một nguồn nước chứa đồng thời nhiều loại cation như Na+, K+, Ca2+,

Mg2+ thì xảy ra quá trình trao đổi ion cạnh tranh, ion nào có độ chọn lọc cao hơn thì

sẽ được trao đổi nhiều hơn Các ion khác amoni thường có độ chọn lọc cao hơn so với ion amoni, đặc biệt là các ion hóa trị cao như Ca2+, Mg2+ Amoni chỉ có thể tham gia trao đổi khi nó nằm ở dạng hóa trị dương NH4+

Lắng

Đĩa quay

Bùn Lắng thứ cấp

Trong ao nuôi amoniac (amoni) có nồng độ không cao, 1- 5 mg/l, thường là thấp hơn so với các ion khác như Na+, K+, Ca2+, Mg2+ Do có sự cạnh tranh của các ion có độ chọn lọc cao hơn (Ca2+, Mg2+), có nồng độ cao hơn ( trong nước biển nồng độ Ca2+, Mg2+ có thể lên tới 1000 - 2000 mg/l) nên khả năng loại bỏ amoni của zeolit là rất thấp Có loại zeolit là Cliptotilolite có độ chọn lọc cao với ion amoni, tuy vậy dung lượng trao đổi của nó không cao vì nó là một chất khoáng tự nhiên có thành phần thương phẩm không ổn định

Khả năng trao đổi ion của zeolit trong nước lợ thấp hơn rất nhiều so với trong nước ngọt do sự có mặt của muối: dung lượng trao đổi 0,12 g/kg với độ muối

là 4o/oo; 0,1 g/kg với độ muối là 8o/oo ; 0,08 g/kg với độ muối là 16o/oo và chỉ 0,04 g/kg khi độ muối là 32o/oo Vì vậy có thể nói rằng sử dụng zeolit để loại bỏ amoni trong ao nuôi tôm có hiệu quả rất thấp Zeolit chỉ có hiệu quả xử lý amoni trong các

bể nuôi cá cảnh có độ muối thấp

1.5.2 Sử dụng formalin

Ở vùng đông nam Á đôi khi người ta sử dụng formalin để loại bỏ amoiac trong các hồ nuôi tôm Có những nghiên cứu cho rằng sử dụng formalin với liều lượng 5 – 10 mg/l có khả năng loại bỏ được 50% trong ao nuôi Tuy nhiên formalin độc đối với thủy động vật, giết chết tảo làm cạn kiệt oxy trong nước và để lại dư lượng trong sản phẩm Để có thể ứng dụng trong thực tiễn cần phải tiếp tục có những nghiên cứu tỉ mỉ hơn

1.5.3 Kỹ thuật lọc sinh học ngập nước

Phương pháp sinh học nói chung, thân thiện với môi trường không gây ô

nhiễm thứ cấp và đã được nhiều tác giả nước ngoài nghiên cứu Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ amoni trong nước nuôi trồng thủy sản không cao nên kỹ thuật bùn hoạt tính tỏ ra không hiệu quả và ít được ứng dụng trong thực tế

Kỹ thuật lọc sinh học với nhiều dạng khác nhau như: lọc nhỏ giọt, lọc ngập nước đã được nhiều tác giả nghiên cứu (M.T Gutierrez – Wing and R.F Malone ) Từ thực tế trên để xử lý amoni trong nước nuôi trồng thủy sản, kỹ thuật lọc sinh học ngập nước đã được lựa chọn

Trong nuôi thủy sản, hệ lọc ngập nước được xem là cách lựa chọn khá tốt cho các hệ lọc nhỏ vì tính cơ động rất cao của nó Hệ lọc ngập nước có thể được lắp đặt thành bình lọc riêng hoặc đặt ngay trong bể nuôi Chúng có thể thiết kế cho chảy ngang, chảy thẳng đứng từ dưới lên hoặc từ trên xuống

Chúng có thể được thổi khí hoặc không Điều quan trọng nhất cần lưu ý khi thiết kế là sự phân bố đồng đều nước trong bình lọc Không nên thiết kế hệ lọc ngập nước có giá thể rộng và mỏng mà nước lại chảy theo chiều thẳng đứng Trong trường hợp này nước rất khó phân bố đồng đều trên bề mặt giá thể lọc, chiều dài dòng chảy quá ngắn cũng là nguy cơ làm xuất hiện các vùng kị khí trong hệ lọc

™ Một số điểm quan trọng khi thiết kế hệ lọc sinh học:

- Để giảm tối đa tiêu hao năng lượng, cần sử dụng công suất bơm nhỏ nhất có thể

- Hệ lọc cần thiết kế theo dạng đứng để diện tích bề mặt sàn đến mức nhỏ nhất

- Chiều cao cột lọc đủ lớn để quá trình xử lý nước hoàn thiện hơn

™ Vi khuẩn nitrat hóa trong cột lọc sinh học

Nhóm vi sinh vật được gộp lại dưới tên gọi là vi sinh vật nitrat hóa (nitrifier) thực ra bao gồm hai đối tác vi sinh riêng rẽ, chúng cùng nhau đóng vai trò quan trọng trong mỗi hệ sinh thái, kể cả nước và đất, chúng ăn các hợp chất nitơ (ưa chuộng nhất là ở dạng amoni) gồm amoni và nitrit

Tập đoàn vi khuẩn nitrat hóa có khả năng nitrat hóa các chất chứa nitơ thông qua một loạt các phản ứng oxy hóa sinh hóa tinh vi thành sản phẩm cuối cùng là nitrat hòa tan (NO3-)

™ Các nhóm vi khuẩn nitrat hóa

Tập hợp vi khuẩn nitrat hóa bao gồm hai tập hợp con khác nhau riêng biệt dựa trên khả năng tiêu thụ amoni hay nitrit

Bảng 5 Các nhóm vi khuẩn nitrat hóa

Nhóm phân loại

Nước ngọt

Nước mặn

Đất và bùn

Hình 5 Hình ảnh về vi khuẩn nitrosomonas

Hình 6 Hình ảnh về vi khuẩn nitrobacter

™ Quá trình động học trong cột lọc sinh học

Lọc ngập nước với tầng cố định có thể được xem là gắn với trạng thái dòng

đẩy lý tưởng, phương trình cân bằng vật chất được thiết lập trên cơ sở:

Lượng cơ chất đầu vào - lượng mất do phản ứng = lượng cơ chất tại đầu ra Phương trình toán học mô tả tương ứng:

Q

A v x

Q: Lưu lượng nước chảy qua cột

A: Tiết diện của cột

vi: Tốc độ phản ứng của cột lọc tính theo thể tích

Phương trình (26) cũng có thể viết theo dạng không có đơn vị bằng cách đưa các biến số (x và S) về biến số khác theo một tỷ số nhất định Ví dụ thay vì nồng độ

S trong cột sử dụng tỷ số S/S1 (S1 là nồng độ đầu vào, có giá trị xác định):

s = S/S1, X = x/H, H.A = V, θ = V/Q H: chiều cao của tầng lọc, V: thể tích tầng lọc, θ: thời gian lưu thủy lực

Viết (26) theo các biến mới: θ

1

S

v X

Hiệu quả xử lý : E = X

S

k s S

S

1 1

1− = 1 − = (30)

- Phản ứng bậc 0,5: 0 , 5 0 , 5

5 , 0 1

5 ,

S

k X

cơ chất còn đủ lớn tạo điều kiện cho khuyếch tán tới tận điểm cuối cùng sâu trong lớp màng Trong vùng đó phản ứng hóa học là bậc không Vùng phía dưới xa về phía đầu vào, nồng độ cơ chất đã giảm, quá trình khuyếch tán chậm lại, mức độ hoạt động của màng vi sinh giảm theo, khi đó phản ứng chuyển về bậc 0,5 Phía về sát cuối cột lọc nồng độ giảm tới mức phản ứng có thể chuyển thành bậc 1 trong màng

vi sinh

1.6 PHƯƠNG THỨC VÀ QUI TRÌNH NUÔI THUỶ SẢN

1.6.1 Phương thức nuôi thủy sản

ƒ Quảng canh

ƒ Bán thâm canh

ƒ Thâm canh

1.6.2 Qui trình nuôi trồng thủy sản

™Qui trình nuôi tôm giống thủy sản

Bể nuôi ấu trùng (larvae rearing tank)

Thu hoạch ấu trùng post (harvesting post-larvae)

Bể chứa

(holding tank)

Bể đẻ trứng (hatching tank)

Thích nghi ấu trùng post, nuôi

ấu trùng post

Kiểm soát chất lượng nước

Hình 7 Qui trình nuôi tôm giống

™ Qui trình nuôi thủy sản thương phẩm

Quy trình công nghệ nuôi thâm canh tôm sú (Tiêu chuẩn ngành 28 TCN 17:

2001)

Hình 8 Qui trình công nghệ nuôi thâm canh tôm sú

Định kỳ quan trắc các chỉ tiêu, để điều chỉnh cho phù hợp yêu cầu môi trường:

- Oxy hòa tan: > 5 mg/l

1.7 CHẤT LƯỢNG NƯỚC NUÔI TRỒNG THỦY SẢN

1.7.1 Một số thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước nuôi trồng thủy sản

Chất lượng nước nuôi trồng được đặc trưng qua một tập hợp các thông số: nhiệt độ, độ muối, pH, độ kiềm, độ cứng, oxy hoà tan, cacbon dioxit, amoiac, nitrit,

Chuẩn bị ao nuôi

Cho tôm ăn

Chọn tôm giống

Quản lý ao nuôi

Xây dựng ao Cải tạo ao Nuôi cấy vi thực vật

Thả tôm vào ao Thu hoạch

Ao lắng

Ao nuôi

Ô nhiễm nước, dịch bệnh

nitrat, hydro sunfua, độ đục, các kim loại nặng

™ Độ muối

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

Ca2+, Mg2+, Cl-,Na+, SO42-…Trong cơ thể tôm, cá sống trong nước ngọt hàm lượng muối cao hơn so với bên ngoài nên chúng phải hấp thu muối giữ lại trong cơ thể Ngược lại tôm cá sống trong nước mặn thì hàm lượng muối thấp hơn ngoài môi trường, vì vậy chúng phải tìm cách thải ra ngoài, ngăn chặn sự xâm nhập của muối vào cơ thể Tôm cá có thể ngăn hoặc giữ được muối là nhờ cấu trúc màng Các loài tôm cá sống trong môi trường nước mặn dễ sống sót hơn trong nước ngọt Độ muối thích hợp cho từng loại là khác nhau, tôm, cá sống trong điều kiện thích hợp về độ muối sẽ sinh trưởng và phát triển tốt

™ pH

pH của nước là thông số thể hiện độ chua và độ chát của nước pH là yếu tố tác động gián tiếp đên đời sống của thủy động vật: ảnh hưởng đến các quá trình cân bằng sinh học, sinh hoá và hoá học xảy ra trong môi trường nước

pH có tác động gián tiếp lên đời sống động vật thủy sinh thông qua các quá trình hoá học: pH cao làm tăng nồng độ amoniac (dạng trung hoà) có độc tính cao, ngược lại làm tăng nồng độ sunfua (S2-) ít gây độc tính đối với thủy động vật

™ Độ kiềm

Độ kiềm của nước trong tự nhiên được quyết định chủ yếu bởi thành phần bicacbonat Thủy động vật có thể sống trong một khoảng độ kiềm rộng Độ kiềm không tác động trực 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 loại nặng

™ Độ cứng của nước

Độ cứng của nước được hiểu là nồng độ canxi và magiê trong nước Trong các nguồn nước ngọt, hàm lượng canxi thường cao hơn magiê Trong nước biển thì ngược lại, nồng độ magiê cao hơn canxi cỡ khoảng 4 lần Mức độ cứng của nước được quyết định từ nguồn nước, nơi tiếp xúc và nước chảy qua

Canxi trong nước có tác dụng làm vật liệu xây dựng cơ thể cho tôm, một số loại nhuyễn thể (vỏ sò, cua), tuy nhiên lượng canxi cần thiết trên cũng có thể lấy từ thức ăn Vì lý do trên nên phần lớn thủy sản có thể sống trong nước có độ cứng thay đổi trong khoảng rộng

™ DO (disolved oxygen ): oxy hoà tan

Oxy hoà tan trong nước thường là thiếu trong các ao hồ nuôi thâm canh thiếu oxy gây ra tác hại: vật nuôi lười ăn, lớn chậm và có thể chết Đầy đủ oxy tôm,

cá lớn nhanh ít bệnh tật, mức oxy gây chết đối với tôm là 0,5-1,0 mg/l

Trong ao hồ nuôi thâm canh, lượng oxy hoà tan có thể dao động từ 4 đến 15 mg/l trong ngày Nồng độ oxy quá mức bão hòa cũng không tốt Nồng độ oxy siêu bão hoà 300% sẽ gây độc và sốc bởi bọt khí đối với tôm cá

™ BOD (biochemical oxygen demand): nhu cầu oxy sinh hóa

Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy cần thiết vi sinh vật sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước

Phương trình tổng quát có thể biểu diễn như sau:

Chất hữu cơ + O2 Vi sinh vật CO2 + H2O + Sinh khối

Ag2SO4

Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước Chỉ

số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước ô nhiễm càng lớn Trong thực tế khó có thể xác định được toàn bộ lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ trong nước mà chỉ xác định được lượng oxy cần thiết trong năm ngày ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối Mức độ oxy hóa các chất hữu cơ không đều theo thời gian Thời gian đầu, quá trình oxy hóa xảy ra với cường độ mạnh hơn và sau đó giảm dần

™ COD (chemical oxygen demand): nhu cầu oxy hóa học

Nhu cầu oxy hóa học COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa toàn

bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và H2O bằng tác nhân oxy hóa mạnh Trong thực tế COD được dùng rộng rãi để đánh giá mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có trong nước do việc xác định chỉ số này nhanh hơn so với việc xác định BOD Chỉ số COD được xác định bằng cách dùng một chất ôxy hóa mạnh trong môi trường axit để oxy hóa chất hữu cơ

CO2 tan trong nước thúc đẩy quá trình tảo phát triển nhưng có tác hại trực tiếp đối với vật nuôi trong ao hồ Với nồng độ 60-80mg/l có thể gây mê đối với tôm

1.7.2 Kết quả phân tích mẫu nước nuôi tôm ở một số huyện ở vùng bán đảo

Cà Mau (đề tài “ Hóa học môi trường nước nuôi tôm vùng bán đảo Cà Mau”,

Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia- Viện Công nghệ hóa học)

NH1

NH2 (6/99)

NH3 (6/99)

NH4 (06/99)

Giá trị thích hợp

NH4: Cửa sông Bồ Đề - Ngọc Hiển

Số liệu bảng 6 cho thấy pH dao động trong một khoảng rộng, chủ yếu từ 7-8 Nồng độ amoni không cao, dao động trong khoảng 0,4 – 1,8 mg/l