Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thảI trong ương nuôI cá biển

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thảI trong ương nuôI cá biển Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thảI trong ương nuôI cá biển Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thảI trong ương nuôI cá biển luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Thu Hiền

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC

XỬ LÝ TUẦN HOÀN NƯỚC THẢI TRONG

ƯƠNG NUÔI CÁ BIỂN

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường nước và Nước thải

Mã số: 62.85.06.01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Trần Văn Nhân

2 TS Nguyễn Đức Cự

Hà Nội – 2012

L Ờ I C Ả M Ơ N

Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS TS Trần Văn Nhân

và TS Nguyễn Đức Cự đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án

Để hoàn thành luận án, tác giả xin được bày tỏ sự biết ơn sự quan tâm giúp đỡ của Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I; Viện Tài Nguyên và Môi trường Biển; Trại Giống Ngọc Hải, Đồ Sơn, Hải Phòng đã giúp đỡ góp ý, tạo điều kiện về thời gian, hỗ trợ trang thiết bị, hóa chất, vật liệu, trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tác giả xin cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban lãnh đạo Viện, các Thầy, Cô giáo, các anh chị và các bạn tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và làm việc tại Trường

Lời cuối cùng, tác giả xin bày tỏ sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã khuyến khích, động viên, chia sẻ trong suốt thời gian qua

L Ờ I CAM Đ OAN

Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và

chưa ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả

Nguyễn Thị Thu Hiền

1.2 Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng bể lọc SBF trong hệ thống RAS xử lý

1.2.2 Quá trình chuyển hóa nitơ và phốt pho trong hệ thống lọc sinh học SBF 12

1.4 Định hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS tại

1.4.2 Một số thông số tiêu chuẩn bể lọc SBF của hệ thống RAS ứng dụng sản xuất 27

2.1.1 Phương pháp lựa chọn xử lý vật liệu đệm lọc đá san hô 30 2.1.2 Phương pháp chế tạo, xử lý vật liệu lọc bằng sét zeolit 31

3.1.2 Quá trình nitrat hóa của bể lọc SBF quy mô thí nghiệm 43

3.2.2.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa của bể lọc SBF 48

3.3 Mô hình công nghệ bể lọc SBF của hệ thống RAS quy mô ứng dụng sản xuất 59

3.3.2.1 Thông số của bể lọc SBF 60

3.3.2.3 Đánh giá quá trình nitrat hóa thông qua tốc độ chuyển hóa thể tích nitrit

SBF Lọc sinh học ngập nước (Submerged Biofilter)

SNR Tốc độ chuyển hóa riêng phần của bề mặt vật liệu

VNR Tốc độ chuyền hóa nitrit riêng phần của vật liệu lọc (Volume Nitrite

Rate)

VTR Tốc độ chuyển hóa riêng phần với vật liệu lọc của TAN (Volume

TAN Rate) VNRA Tốc độ chuyển hóa nitrit riêng phần của vật liệu lọc thực tế

DANH M Ụ C CÁC HÌNH, Ả NH

Hình 1.1 (a) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học SBF 1 đơn nguyên; 7

(b) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học 2 đơn nguyên 7

Hình 1.2 (a) Mặt cắt đứng hệ thống lọc ngập nước; 7

(b) Mặt cắt đứng hệ thống lọc kiểu ngập nước, cấp khí đáy bể 7

Hình 1.3 Cấu tạo màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc 10

Hình 1.4 Cấu trúc phân bố màng sinh học bên trong bể lọc sinh học 11

Hình 1.5 Quá trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc sinh học ngập nước 13

Hình 1.6 Hệ thống lọc sinh học nhập ngoại của Trạm Cửa Lò 19

Hình 1.7 Hệ thống lọc sinh học của một số cơ sở nuôi cá cảnh biển tại Việt Nam 20

Hình 1.8 (a) Vật liệu lọc ngẫu nhiên được định hình khác nhau 22

(b) Vật liệu lọc cố định dạng tấm 22

Hình 2.1 Đá san hô cỡ lớn, trung bình và nhỏ 30

Hình 2.2 Sét Zeolit đóng rắn cỡ lớn, trung bình và nhỏ 31

Hình 2.3 (a) Sơ đồ hệ thống RAS quy mô thí nghiệm: 32

Hình 2.4 (a) Sơ đồ hệ thống RAS quy mô thử nghiệm 34

(b): Ảnh bể lọc (SBF), bể nuôi cá quy mô thử nghiệm .34

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống RAS ứng dụng công nghệ bể lọc SBF quy mô sản xuất 36

Hình 2.6 (a): Sơ đồ mặt cắt ngang hệ thống bể lọc SBF, (b): Sơ đồ mặt cắt đứng hệ thống bể lọc; (c) Hệ thống cấp khí trong bể lọc sinh học SBF; (d) Lớp bông lọc 37

Hình 3.1 Thời gian cố định màng trên vật liệu đệm bể lọc SBF, quy mô thí nghiệm 42

Hình 3.2 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu suất chuyển hóa TAN (%) trong bể lọc SBF 43

Hình 3.3 Ảnh hưởng của độ muối đến tốc độ chuyển hóa TAN (VTR) 44

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chuyển hóa TAN trong bể lọc SBF 45

Hình 3.5 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu suất chuyển hóa O- phốt phát; 46

Hình 3.6 Thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF quy mô thử nghiệm 47

Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ chuyển hóa TAN (VTR) 48

Hình 3.8 Nồng độ TAN và tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc ở quy mô thử nghiệm 51

Hình 3.9 Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc và hệ số BOD 5 /N ở quy mô thử nghiệm 52

Hình 3.10 Ảnh hưởng của hệ số C/N đến VTR (g/m 3 ngày) 53

Hình 3.11 Hiệu suất chuyển hóa phốt phát và hệ số N/P 58

Hình 3.12 Thời gian ổn định màng sinh học trên vật liệu đệm trong bể lọc SBF 59

Hình 3.13 (a) Nồng độ TAN và tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc ở quy mô thử

nghiệm và sản xuất 61

Hình 3.13 (b) Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc và hệ số BOD 5 /N 61

ở quy mô thử nghiệm và Sản xuất .61

Hình 3.13 (c) Ảnh hưởng của hệ số C/N đến tốc độ chuyển hóa thể tích VTR (g/m 3 ngày) quy mô sản xuất và quy mô thử nghiệm .62

Hình 3.14 Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc trong quy mô sản xuất .63

Hình 3.15 Hiệu suất chuyển hóa phốt phát và hệ số N/P 65

Ảnh 3.1 Quá trình phát triển màng sinh học trên vật liệu đệm quy mô thử nghiệm 47

Ảnh 3.2 Quá trình phát triển màng sinh học trên vật liệu đệm quy mô sản xuất 60

chế tạo và các vật liệu lọc sinh học khác trên thế giới 26

Bảng 2.1 Một số thông số của hệ thống SBF nuôi giống cá giò quy mô sản xuất 38 Bảng 2.2 Các phương pháp sử dụng phân tích chất lượng nước 39 Bảng 3.1 Kết quả tính toán nồng độ ôxy hòa tan (mg/l) cần thiết cho quá trình nitrat hóa

quy mô thực nghiệm 50

Bảng 3.2 Giá trị các thông số phương trình động học ở quy mô thử nghiệm (pilot) 54 Bảng 3.3 Các thông số của hệ thống lọc sinh học SBF xử lý tuần hoàn nước nuôi giống cá

biển quy mô thử nghiệm 55

Bảng 3.4 Hệ số tương quan giữa VTR và các thông số của bể lọc SBF quy mô thử nghiệm

(Pilot) 56

Bảng 3.6 Khoảng tối ưu các thông số ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa 60 Bảng 3.7 So sánh phương trình ảnh hưởng các yếu tố cơ đến quá trình nitrat hóa 61 Bảng 3.8 Giá trị các thông số phương trình động học ở quy mô sản xuất và quy mô thử

nghiệm 63

Bảng 3.9 Giá trị VTR và VNR của bể lọc SBF ở quy mô sản xuất 64 Bảng 3.10 Giá trị hệ số N/P ở quy mô thử nghiệm và quy mô thực nghiệm và hiệu suất

chuyển hóa Phốt phát (PE) 65

Bảng 3.11 Các thông số của bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển 66 Bảng 3.12 Thông số chất lượng nước sau khi xử lý bằng bể lọc SBF trong hệ thống RAS

nuôi cá giò (giai đoạn cá giống) .67

M Ở ĐẦ U

1 Đặ t v ấ n đề

Nuôi trồng thủy sản thế giới trong hai thập kỷ qua đã có những thay đổi lớn, phát triển từ quy mô nhỏ hộ gia đình sang nuôi quy mô thương mại, sản lượng nuôi trồng thủy sản vượt qua khai thác thủy sản [98] Sản lượng từ đánh bắt tăng trưởng trung bình khoảng 1,2%/năm, trong khi sản lượng từ nuôi trồng thủy sản tăng với tỷ lệ 9,1%/năm Sản phẩm từ nuôi trồng thủy sản tăng nhanh hơn rất nhiều so với động vật nuôi trên cạn [43] Dự kiến sản phẩm nuôi trồng thủy sản sẽ tiếp tục tăng khi dân số tăng và mức tiêu thụ sản phẩm thủy sản nhiều lên trong khi tiêu thụ các nguồn protein khác giảm Ví dụ, sản phẩm từ cá tiêu thụ, trung bình tăng 24% từ năm 1970 đến năm 1998, trong khi sản phẩm từ rau đậu tăng 13%,

và sản phẩm như trứng và thịt đã giảm mạnh [43] Yêu cầu sản phẩm thủy sản thế giới cần phải đạt đến sự chủ động trong công nghệ và như vậy, trong tương lai nhu cầu sản phẩm thủy sản phải được cung cấp từ nuôi trồng thủy sản Cá biển là đối tượng có sản lượng lớn nhất thế giới (cùng với động vật thân mềm có vỏ) [43] Cá biển nuôi chủ yếu là các loài cá

có giá trị kinh tế, được nuôi ở vùng ven biển Theo Phillips và ctv năm 1991, đã cho rằng: nuôi trồng thuỷ sản sẽ phải đối mặt với những vấn đề khó khăn khi phát triển rộng khắp trên thế giới [111] Gia tăng nuôi trồng thủy sản sẽ tác động đến môi trường và cạnh tranh với nguồn lợi tài nguyên nước và đất Tác động của nước thải trong nuôi trồng thuỷ sản là một vấn đề quan trọng được các nước đã và đang phát triển rất quan tâm Nước thải từ nuôi trồng thuỷ sản truyền thống gia tăng có thể tác động bất lợi đến môi trường thuỷ sinh (bảng 0.1)

Bảng 0.1 Nhu cầu sử dụng nước trong nuôi trồng thuỷ sản ở một số quốc gia (Nguồn: [111])

Loài và hệ thống nuôi Quốc gia Năng suất

(kg/ha/năm)

Nhu cầu nước (lít/kg)

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

Để tăng sản lượng nuôi trồng thủy sản cần thiết phải có một ngành công nghiệp thủy sản Tuy nhiên, có một số yếu tố ảnh hưởng tới sự phát triển ngành công nghiệp thủy sản đó

là hạn chế về chất lượng nước, nguồn nước, diện tích đất, tác động của nước thải và tác động môi trường Trong những năm gần đây, mối quan tâm đến các tác động từ nuôi trồng thủy sản ngày càng gia tăng [32], [58], [63], [99] Một số kết quả nghiên cứu cho rằng 85% phốt pho, 80 - 88% cácbon, 52 - 95% nitơ và 60% thức ăn thừa trong nuôi trồng thủy sản được thải ra ở dạng chất rắn lơ lửng, vật chất hòa tan hoặc chất khí [90], [156] Áp lực quản

lý chất thải sẽ buộc các nhà sản xuất phải áp dụng các phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường [154] Đồng thời với sự phát triển ngành công nghiệp nuôi trồng thủy sản đang ở trong một trạng thái chuyển tiếp, ứng dụng công nghệ để gia tăng hiệu quả sản xuất, giảm thiểu tác động môi trường trong đó có công nghệ tuần hoàn tái sử dụng nước trong nuôi

trồng thủy sản (Recirculation Aquaculture System = RAS) đang được chú trọng nghiên cứu

phát triển Công nghệ RAS giúp giảm thiểu những tác động về chất lượng nước, nước thải,

nguồn nước, v.v Một số trang trại nuôi trồng thuỷ sản đã sử dụng công nghệ RAS để làm giảm nhu cầu nước cấp và nước thải ra [49] Công nghệ RAS được đề xuất và có thể làm giảm lượng nước thải khoảng 500 -1000 lần [26], [138] Vì vậy, công nghệ RAS là định hướng cần được đầu tư nghiên cứu triển khai để đáp ứng với sự phát triển ngành công nghiệp thủy sản trong xu thế mới

Thực tế, hiện tượng ô nhiễm nước, thiếu nước là tình trạng chung của hầu hết các cơ

sở nuôi thủy sản nói chung, cơ sở sản xuất giống và nuôi cá biển nói riêng Với hệ thống nuôi cá giống truyền thống cần cung cấp một lượng nước sạch lớn Tổng lượng nước cần cung cấp cho sản xuất phụ thuộc vào tùy từng loài nuôi, sự bốc hơi, mật độ nuôi và quy

trình công nghệ nuôi Công nghệ nuôi cá da trơn (Siluriformes Ictaluridae) trong bể ở Mỹ,

lượng nước cần trao đổi khoảng 250 - 600% tổng thể tích nước sử dụng trên một năm Trong bể nuôi cá bằng hệ thống nước chảy, lượng nước được sử dụng lớn hơn để loại bỏ hết các sản phẩm thải của cá trong môi trường nuôi, thường là 100% hoặc nhiều hơn thể tích nước của bể nuôi cá trong một ngày [78], [79] Nếu sản xuất thương mại theo phương pháp cấp nước và xả nước trực tiếp ở các vùng ven biển (đối với những vùng bị giới hạn tiêu chuẩn chất lượng nước xả thải hoặc luật bảo vệ môi trường) thì cần phải có hệ thống xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường và như vậy, chi phí sản xuất sẽ tăng [97] Tuy nhiên, Lisac và Muir năm 2000 [76] cho rằng chi phí sản xuất sẽ giảm khoảng 19% khi sử dụng công nghệ RAS

Công nghệ RAS đã được xác định là một trong hai lĩnh vực nghiên cứu chính trong nuôi trồng thủy sản và một trong những lĩnh vực nghiên cứu được Liên minh châu Âu đề nghị tại hội thảo phát triển nuôi trồng thủy sản năm 2000 [88], [102] Công nghệ RAS là một giải pháp giúp giảm thiểu đáng kể lượng nước tiêu thụ của các cơ sở nuôi cá biển, có thể là một trong những bước đi được thực hiện để giải quyết những vấn đề này Ứng dụng công nghệ RAS để nuôi các đối tượng thủy sản đã được chứng minh là thành công bởi một

số tác giả như Manthe và ctv năm 1985, Manthe và ctv năm 1988; Davis và Arnold, 1998; Michael và Losodor năm 1992 [33], [43], [86], [87] Ngoài việc giảm lượng nước biển từ tự nhiên sử dụng cho nuôi trồng thuỷ sản, tái sử dụng nước có thể làm giảm lượng xả thải các chất dinh dưỡng vào vực nước tiếp nhận càng ít càng tốt, sử dụng hệ thống RAS có thể giảm đến 90% lượng nước thải, do đó làm giảm ô nhiễm nước [81]

Quan trọng nhất của mô hình công nghệ RAS là sự hiện diện của thiết bị lọc sinh học xử lý nước Đối với nuôi trồng thủy sản chủ yếu ứng dụng công nghệ lọc sinh học [82] Công nghệ lọc sinh học (chủ yếu là bể lọc sinh học) là một công cụ khả thi đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước tái sử dụng Bể lọc sinh học được xác định là thiết bị quan trọng, là trọng tâm và quyết định sự thành công của hệ thống RAS [81] Điều này đã được chứng minh bằng một số công trình khoa học nghiên cứu trên thế giới như mô hình nuôi cá Hồi vân (nước ngọt) tại Isreal [56], mô hình nuôi cá Vược tại Pháp [109] v.v Công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học của Chen năm 1990 cho rằng bể lọc sinh học hoàn toàn có khả năng ổn định chất lượng nước và loại bỏ chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ (BOD) và amoni [25]

Có nhiều kiểu loại lọc sinh học khác nhau đã được sử dụng để xử lý sinh học tái sử dụng nước trong RAS như bể lọc nhỏ giọt, bể lọc tầng sôi, bể lọc ngập nước,… Bể lọc sinh học ngập nước đã được ứng dụng để xử lý nước trong các trang trại sản xuất giống một số loài giáp xác và cá vùng ven biển [31], [142] Bể lọc sinh học ngập nước có các hoạt động của vi sinh vật, màng sinh học luôn ngập trong nước [50] Nước thải của quá trình ương nuôi cá biển ở giai đoạn con giống có nồng độ dinh dưỡng thấp, vì vậy sử dụng bể lọc sinh học ngập nước là lựa chọn có tính khả thi và thực tiễn do tải lượng xử lý thấp, chi phí quản

lý vận hành và bảo dưỡng thấp

Ở Việt Nam, chưa có công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học trong

hệ thống RAS nuôi cá biển Đây là hướng nghiên cứu góp phần thực hiện mục tiêu phát triển nghề nuôi cá biển tại Việt nam theo quyết định số 1690/QĐ-TTg ngày16/9/2010 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển thủy sản Việt Nam đến năm 2020 và quyết định 332/QĐ-TTg năm 2011 phê duyệt Đề án phát triển nuôi trồng thủy sản đến năm

2020 mục tiêu cụ thể phát triển nuôi cá biển đạt 200.000 tấn Luận án “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thải trong ương nuôi cá biển” phát

triển ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học ngập nước sẽ là một hướng đi mới cho nghề nuôi

cá biển ở Việt Nam góp phần đạt được các mục tiêu đề ra của Chính phủ về việc phát triển nghề nuôi cá biển

2 M ụ c đ ích nghiên c ứ u

Ứng dụng thành công mô hình công nghệ bể lọc sinh học ngập nước (Submerged

Biofilter = SBF) trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển ở nước độ mặn 20 – 32‰ Nghiên

cứu góp phần thực hiện mục tiêu chủ động sản xuất giống cá biển, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ sinh học trong phát triển thủy sản, sản xuất nuôi trồng thủy sản bền vững, bảo vệ môi trường trong chiến lược phát triển nuôi trồng thủy sản và đề án phát triển nuôi trồng thủy sản đến năm 2020 Mô hình công nghệ bể lọc tái sử dụng nguồn nước mặn với vật liệu và thiết bị trong nước phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam

Vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào các mục tiêu cụ thể như sau:

a, Xác định thời gian chuẩn bị bể lọc vận hành trước khi đưa vào sản xuất

b, Ảnh hưởng của độ mặn tới hiệu suất chuyển hóa tổng nitơ dạng amoni (Total

Nitrogen Ammonia = TAN) và ortho - phốt phát

c, Ảnh hưởng của một số yếu tố liên quan đến chế độ vận hành công nghệ bể lọc SBF đến sự chuyển hóa TAN và ortho – phốt Phát

d, Xác định phương trình động học của quá trình nitrat hóa trong bể lọc SBF

e, Xây dựng chế độ công nghệ quản lý và vận hành bể lọc SBF và ứng dụng vào quy

mô sản xuất để đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý

Để ứng dụng thành công mô hình bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển

ở quy mô ứng dụng sản xuất cần tiến hành nghiên cứu bể lọc SBF trên quy mô thí nghiệm

và quy mô thử nghiệm Các nghiên cứu ở quy mô thử nghiệm và sản xuất sẽ giới hạn trong

phạm vi nước thải nuôi giống cá biển: Cá hồng mỹ (Sciaenops ocellatus) và cá giò (Rachycentron canadum) Trong phạm vi khuôn khổ luận án tập trung nghiên cứu sâu và

toàn diện quá trình nitrat hóa chuyển hóa nitơ Quá trình chuyển hóa Phốtpho tập trung đánh giá hiệu suất và đề xuất phương án xử lý tiếp theo

Nội dung nghiên cứu cụ thể ở quy mô thí nghiệm, quy mô thử nghiệm và sản xuất như sau:

Quy mô thí nghiệm:

- Xác định thời gian kích hoạt màng sinh học của bể lọc SBF ở quy mô thí nghiệm

- Nghiên cứu quá trình nitrat trong bể lọc SBF:

++++ Xác định ảnh hưởng của độ mặn đến quá trình nitrat hóa

++++ Xác định khoảng pH tối ưu của quá trình nitrat hóa

- Nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa phốt phát trong bể lọc SBF

Quy mô thử nghiệm (Pilot)

- Xác định thời gian cố định màng sinh học trong bể lọc SBF quy mô thí nghiệm

- Nghiên cứu quá trình nitrat hóa trong bể lọc SBF

++++ Các yếu tố ảnh hưởng: ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ ôxy hòa tan, vật chất

hữu cơ [đặc trưng bởi hệ số nồng độ tổng nitơ dạng amoni (Total Ammonia

Nitrogen = TAN); BOD5/N; hệ số C/N và COD/N] đến quá trình nitrat hóa

++++ Xác định phương trình động học của quá trình nitrat hóa

++++ Xác định các thông số của mô hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS

- Đánh giá hiệu suất chuyển hóa phốt phát trong bể lọc SBF của hệ thống RAS

Quy mô ứng dụng sản xuất

Vận hành bể lọc SBF với các thông số tối ưu là kết quả của nghiên cứu thí nghiệm và quy

mô thử nghiệm:

- Đánh giá, xác định thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF trên quy mô sản xuất;

- Nghiên cứu đánh giá quá trình nitrat hóa:

++++ Đánh giá, so sánh ảnh hưởng của vật chất hữu cơ (nồng độ TAN, BOD5/N với quy mô thử nghiệm;

++++ Đánh giá các thông số phương trình động học quy mô sản xuất;

++++ Đánh các thông số mô hình bể lọc SBF trong hệ thống RAS khi vận hành ở quy mô sản xuất;

- Đánh giá hiệu suất chuyển hóa phốt phát;

- Đánh giá khẳng định thành công mô hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi cá biển giống

4 Các đ óng góp c ủ a lu ậ n án

- Tính mới của luận án: Công nghệ lọc sinh học trong hệ thống RAS ứng dụng nuôi cá biển mới chỉ chủ yếu được áp dụng ở các nước phát triển Lần đầu tiên, tại Việt Nam có mô hình RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học tái sử dụng nguồn nước biển có độ mặn 28 – 32‰

nuôi giống cá biển thành công ở quy mô sản xuất

- Tính sáng tạo: Việc sử dụng các vật liệu rẻ tiền trong nước để thiết lập mô hình công nghệ

bể lọc SBF tái sử dụng nước mặn trong hệ thống RAS ứng dụng nuôi giống cá biển thực hiện ở Việt Nam thể hiện tính sáng tạo của luận án

- Tính khoa học: Kết quả đã khẳng định công nghệ bể lọc SBF với vật liệu đệm sẵn có trong nước Đã xác định được phương trình mô hình hóa, phương trình động học phù hợp với bể lọc trong hệ thống RAS ương nuôi cá biển

- Giá trị thực tiễn: Bể lọc SBF đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển Nếu công nghệ bể lọc SBF thành công, nước biển được tái sử dụng trong hệ thống

RAS, sẽ giúp các trại giống tiết kiệm chi phí thay nước, ổn định hiệu quả sản xuất Bể lọc SBF trong hệ thống RAS sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ sống và mật độ ương nuôi gấp 8 – 10 lần so với công nghệ nuôi thay nước và nuôi nước chảy Phát triển bể lọc SBF trong hệ thống RAS ương nuôi cá giống tại các trang trại vùng ven biển để đạt mục tiêu phát triển sản xuất ổn định, bền vững

CH ƯƠ NG 1 : T Ổ NG QUAN

1.1 Công ngh ệ l ọ c sinh h ọ c ng ậ p n ướ c trong h ệ th ố ng RAS ươ ng nuôi cá bi ể n

Hệ thống RAS ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học ngập nước ương nuôi cá biển là

hệ thống thiết bị tự động hoặc bán tự động Nước thải từ các bể nuôi vào bể lọc được chuyển hóa bởi vi sinh vật trên màng sinh học Nước sau khi xử lý được tái sử dụng, trở lại

bể nuôi tạo thành một hệ thống tuần hoàn khép kín Các chất thải dinh dưỡng được chuyển hóa qua màng sinh học và giảm dần do chuyển thành sinh khối vi khuẩn Nhờ đó, nồng độ dinh dưỡng trong nước liên tục giảm thấp, chất lượng nước được duy trì bảo đảm tiêu chuẩn trong quá trình nuôi Công nghệ lọc sinh học đã được khẳng định có vai trò quan trọng nhất

và quyết định sự thành công của hệ thống RAS [80], [81], [92], [93]

Nghiên cứu đầu tiên công bố kết quả sử dụng bể lọc sinh học nhỏ giọt trong nuôi trồng thủy sản Liao và Mayo vào năm 1974 [74] Tác giả đã ứng dụng bể lọc sinh học nhỏ giọt để tái sử dụng nước ngọt trong trại giống nuôi cá Hồi Đây chính là kết quả đặt nền tảng cho công nghệ RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học nhằm khắc phục hiện tượng thiếu nước, nâng cao lợi ích kinh tế, giảm thiểu sự xuất hiện bệnh và góp phần kiểm soát ô nhiễm [130]

Đến nay, công nghệ lọc sinh học ứng dụng trong RAS rất đa dạng và có nhiều kiểu loại khác nhau Về cơ bản, lọc sinh học ứng dụng trong hệ thống RAS hiện nay chia làm hai loại 1) Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc ngập trong nước (phân loại thành kiểu đệm cố định, kiểu đệm chuyển động hoặc bộ lọc tầng sôi) 2) Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước (lọc đĩa quay sinh học, trống lọc, lọc nhỏ giọt) [8], [139] Các kiểu loại lọc sinh học khác nhau sẽ vận hành khác nhau Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn, nghiên cứu bể lọc SBF với vật liệu đệm cố định tiếp xúc ngập trong nước

Lọc sinh học với lớp vật liệu đệm cố định, vật liệu ngập trong nước gọi lọc sinh học

ngập nước (Submerged Biofilter = SBF) SBF rất phổ biến ở các cơ sở nuôi cá biển trên thế

giới Các bể lọc sinh học có thể vận hành theo mô hình lọc xuôi hoặc lọc ngược, hoặc nước chảy vòng quanh hoặc cắt ngang qua các lớp lọc SBF là toàn bộ vật liệu lọc luôn luôn ngập trong nước khi nước thải chảy qua Lớp vật liệu lọc ở trên là vùng hiếu khí thực hiện quá trình nitrat hóa, chuyển hóa TAN thành nitrat Lớp vật liệu lọc ở giữa là vùng kị khí có chức năng chuyển hóa nitrat và phốt pho dạng phốt phát Màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc sẽ chuyển hóa cơ chất hữu cơ (BOD, TAN) Mô hình bể lọc SBF đã được chứng minh khả năng chuyển hóa BOD, N - NH4+, N - NO3-, N - NO2-, P - PO4-3 hiệu quả bởi một số công trình nghiên cứu của Timmons và ctv năm 2002; Zhu và Chen năm 2002 [139], [165] Tùy theo tải lượng chất thải có thể ứng dụng mô hình bể lọc 1 đơn nguyên, 2 đơn nguyên hoặc 3 đơn nguyên (hình 1.1 và hình 1.2) Ứng dụng bể lọc sinh học ngập nước xử lý hiệu quả nước nuôi trồng thủy sản trong hệ thống RAS được chứng minh là quá trình chuyển hóa nitơ trong điều kiện hiếu khí, chủ yếu là quá trình nitrat hóa [149]

Hình 1.1 (a) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học SBF 1 đơn nguyên;

(b) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học 2 đơn nguyên

Hình 1.2 (a) Mặt cắt đứng hệ thống lọc ngập nước; (b) Mặt cắt đứng hệ thống lọc kiểu ngập nước,

cấp khí đáy bể [79]

Lọc sinh học ngập nước là công nghệ phổ biến trên thế giới áp dụng cho các trang

trại đơn giản hiện đang sản xuất giống cá biển và nuôi Aquarium Bể lọc có thiết kế đơn

giản, dễ xây dựng, quản lý, vận hành dễ dàng Giá thành xây dựng bể lọc SBF thấp, chi phí bảo dưỡng và thay thế các thiết bị sẵn có và giá thành thấp Bể lọc SBF vận hành với chi phí điện năng ít và thuận tiện với mô hình, công suất của từng trang trại khi sản xuất ở quy mô nhỏ hay quy mô lớn theo nhu cầu thị trường Bể lọc chiếm ít diện tích vì không cần bể lắng,

có thể đặt ngầm dưới mặt đất không ảnh hưởng đến không gian đặt các bể nuôi Đặc biệt, các bể được thiết kế giảm chi phí bơm nước bằng hệ thống nước thải tự chảy khi bể lọc đặt ngầm xuống đất, có khả năng giữ nhiệt (cách nhiệt) vào mùa đông Do bể được đặt dưới mặt đất nên bể có khả năng chịu được vật liệu đệm lọc có trọng lượng riêng lớn Vật liệu lọc có thể kiếm dễ dàng trong tự nhiên hoặc tự chế tạo lấy

Tuy nhiên, bể lọc SBF cũng có hạn chế là phải xây cố định trong từng trang trại, bể lọc di động thường có công suất thấp Các chất rắn lơ lửng rất dễ dàng làm tắc cục bộ hoặc toàn phần bể lọc do tích tụ vào khoảng trống các vật liệu lọc Vì vậy, phải sử dụng máy nén khí đẩy thông thoáng khe hổng của vật liệu lọc rất tốn kém chi phí điện năng

Nghiên cứu so sánh quá trình nitrat hóa với hai kiểu loại vật liệu đệm lọc cố định và vật liệu đệm chuyển động đã được thực hiện bởi Suhr K.I năm 2010 [133] Vận hành hệ

thống ở nhiệt độ 8°C, nước thải từ hệ thống RAS nuôi cá hồi vân ngoài trời (năng suất trung bình 32 kg/m3, nước thải nuôi cá là nước ngọt) Bể lọc sinh học được xây dựng giống nhau với 4 bể 5,5 m3, vật liệu đệm khác nhau được đánh giá đồng thời hai lần lặp lại Bể lọc hình trụ đứng đệm tĩnh với 4.2 m3 polyethylene dạng mạng lưới (Bioblok®, 200 m2/m3), và bể lọc đệm chuyển động với 2 m3

polypropylene (Biomedia, 850 m2/m3) Tốc độ nitrat hóa đã được theo dõi trong 3,5 tháng sau khi kích hoạt Nước vào được cung cấp dinh dưỡng là amoni chloride (NH4Cl) với mục đích xác định tốc độ nitrat hóa tối đa (Phương trình động lực học bậc 0) Nồng độ TAN vào là 2,89 ± 0.1 mg/l và lưu lượng nước tuần hoàn là 1 – 4 l/giây Kết quả cho thấy, tốc độ chuyển hóa TAN trong hệ thống lọc với đệm chuyển động cao hơn (231 ± 17 g N/m3.ngày) so với đệm tĩnh (92 ± 2 g N/m3.ngày) Khi nồng độ TAN vào bể lọc sinh học khoảng 6,27 ± 0,39 mg/l trong 2 tuần, bể lọc sinh học với đệm cố định tăng (146 ± 3 g/m3.ngày hoặc 0,73 ± 0,01 g/m2.ngày) trong khi đệm chuyển động không có

sự thay đổi Kết quả chỉ thị cho thấy rằng bể lọc sinh học đệm tĩnh màng sinh học có sự phân tầng (lớp trên hiếu khí, lớp dưới kị khí) nên có khả năng thích ứng với sự thay đổi của nồng độ TAN vào Nồng độ ôxy hòa tan trong bể lọc đệm tĩnh tối thiểu là 5,35 ± 0,06 mg/l

để thực hiện quá trình nitrat hóa hoàn toàn khi nồng độ TAN 2,89 mg/l Quá trình tiêu hao ôxy khoảng 60% nồng độ ôxy bão hòa, nồng độ ôxy trong nước bể xử lý đạt 7,1 mg O2/l Tốc độ nitrat hóa giảm nhanh nếu nồng độ ôxy thấp dưới 2mg/l [133]

Kuo-Feng Tsengvà Kuo-Lin Wu năm 2004 thực hiện thí nghiệm nuôi cá Chình

thuộc họ Anguillidae trong hệ thống RAS ứng dụng công nghệ SBF [67] Nghiên cứu quá

trình nitrat hóa thông qua tốc độ chuyển hóa TAN nhận thấy, tốc độ chuyển hóa TAN tăng theo thời gian Khi đạt đến một giá trị tối đa, không đổi trong một khoảng thời gian và sau

đó giảm mạnh Quá trình chuyển hóa TAN thay đổi bởi nồng độ TAN trong nước thải vào

bể lọc sinh học Quá trình chuyển hóa TAN trong bể lọc sinh học ảnh hưởng bởi nhiệt độ nước, nồng độ TAN và chất rắn lơ lửng Các phương trình hồi quy xác định kết quả ở quy

mô phòng thí nghiệm Đánh giá tốc độ chuyển hóa TAN của các bể lọc sinh học và ứng dụng kết quả thực hiện nuôi cá Chình ở quy mô thương mại Các điều kiện ứng dụng ở quy

mô sản xuất là điều kiện tối ưu được xác định ở quy mô thí nghiệm Thời gian kích hoạt (khởi động) bể lọc thường thấp hơn 3-5 ngày so với quy mô thí nghiệm Nhiệt độ, chất rắn

lơ lửng và các giá trị TAN trong các phương trình đã được tính toán Kết quả cho rằng các

bể lọc sinh học trong hệ thống RAS cần được thiết kế với nhiều đơn nguyên riêng biệt, khi

xả bùn (backwashing) từng đơn nguyên, vẫn đảm bảo hoạt động của hệ thống RAS Khi ứng dụng mô hình, điều kiện thủy lực và nhiệt độ, chất rắn lơ lửng và nồng độ TAN là những thông số quan trọng cần phải được kiểm soát chặt chẽ Nếu các thành phần của thức ăn khác nhau, chất rắn lơ lửng sẽ làm thay đổi hiệu suất của bể lọc sinh học, và các hệ số của phương trình động học phải được hiệu chuẩn trước khi mô hình được áp dụng sản xuất

Hệ thống RAS vận hành trong môi trường nước biển nuôi cá biển quy mô thí nghiệm, tái sử dụng nước biển bằng hệ thống xử lý màng sinh học phản ứng (MBRs - Membrane biological reactors) Ở các khoảng độ mặn được thí nghiệm từ 0‰; 8‰; 16‰ và 32‰ kết quả cho thấy hiệu quả chuyển hóa rất tốt của TSS (99,65 ± 0,1% đến 99,98 ± 0,01%) ở tất cả khoảng độ mặn thí nghiệm Hiệu quả loại bỏ nitơ tổng số dao động từ 91,8 ± 2,9% đến 95,5 ± 0,6 % ở các khoảng độ mặn Hiệu quả chuyển hóa phốt pho tổng số giảm dần khi độ mặn tăng tương ứng với các khoảng độ mặn thí nghiệm là 96,1 ± 1,0%; 72,7 ± 3,5%; 70,4 ± 2,3%; 65,2 ± 5,4% Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng, tiềm năng của màng sinh học phản ứng được ứng dụng trong tái sử dụng tuần hoàn nước biển là rõ ràng Khả năng xử lý nitơ bằng quá trình nitrat hóa hoàn toàn khả thi trong từng khoảng độ mặn Chuyển hóa phốt pho giảm khi ở độ mặn cao hơn và cần thiết có những nghiên cứu khẳng định tác động của độ mặn lên sự loại bỏ phốt pho [89]

Hệ thống RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học ngập nước ương nuôi ấu trùng cá biển đã được chứng minh có khả năng duy trì hệ vi sinh vật ổn định hơn so với nuôi theo

phương pháp nước chảy truyền thống Ấu trùng cá biển (cá tuyết, Atlantic cod, Gadus

morhua) đã phát triển tốt hơn so với các đợt ương nuôi trước theo phương pháp ương nuôi

nước chảy truyền thống Kết quả nghiên cứu khẳng định, có thể sử dụng hệ thống RAS để quản lý vi sinh vật trong trại ương nuôi cá biển và cần có những nghiên cứu thêm để chứng minh, thiết kế và vận hành quản lý chất lượng nước [64]

Như vậy, trên thế giới hiện nay các công trình công bố ứng dụng công nghệ lọc sinh học ở quy mô sản xuất thương mại chủ yếu trên đối tượng cá Hồi (nuôi ở vùng nước lạnh, nước ngọt), cá Chình nuôi nước ngọt Các công trình ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học

xử lý tuần hoàn nước nuôi trồng thủy sản RAS ở nước mặn chủ yếu thực hiện ở quy mô thí nghiệm Ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học ngập nước ương nuôi nuôi cá biển ở quy mô sản xuất còn rất ít

Hầu hết các bể lọc sinh học trong hệ thống RAS đều ứng dụng quá trình nitrat hóa để làm sạch nước Năng lực thực hiện quá trình nitrat hóa trong bể lọc sinh học được đánh giá bởi tốc độ chuyển hóa TAN trên một đơn vị thể tích được gọi là tốc độ chuyển hóa riêng

phần của vật liệu lọc, viết tắt là VTR (VTR = Volume TAN Rate) VTR phụ thuộc nhiều vào

các thông số môi trường như pH, nhiệt độ, nồng độ ôxy, nitơ và cácbon của nước thải đầu vào, cũng như quản lý vận hành bể lọc sinh học (ví dụ như lưu lượng nước tuần hoàn, quản

lý rửa tróc màng, v.v…) Tùy thuộc vào từng hệ thống, màng sinh học hoạt động khác nhau,

đó là lý do tại sao so sánh các nghiên cứu khác nhau về quá trình nitrat hóa trong bể lọc sinh học rất khó Tốc độ chuyển hóa riêng phần của bề mặt vật liệu đối với TAN trong bể lọc sinh học ngập nước là 0,71 g/m2.ngày ở điều kiện nhiệt độ 24°C; pH 8; cơ chất dinh dưỡng nhân tạo So sánh với bể lọc nhỏ giọt tốc độ chuyển hóa riêng phần của bề mặt vật liệu đối với TAN là 0,14 g/m2.ngày ở điều kiện nhiệt độ 15°C; pH 7; nuôi cá Hồi vân năng suất 20kg/m3 [40] Đồng thời, một số thông số đánh giá, so sánh hiệu suất của các kiểu loại bể lọc sinh học đã cho thấy, bể lọc ngập nước có những yêu cầu thiết kế nhất định về vật liệu đệm, các thông số vận hành [31], [83]

Sử dụng tốc độ chuyển hoá TAN làm thông số cơ bản để đánh giá bể lọc sinh học ứng dụng trong hệ thống RAS [82] Tuỳ thuộc vào tốc độ chuyển hoá sẽ kiểm soát kích thước của bể lọc sinh học ngập nước, và xây dựng bể lọc sinh học theo theo quá trình chuyển hóa này Tuỳ thuộc mức độ vào hàm lượng dinh dưỡng, dinh dưỡng trung bình, hoặc dinh dưỡng có giới hạn phân loại bể lọc sinh học theo các mức tương ứng Các công trình nghiên cứu nhiều nhất chủ yếu tập trung vào bể lọc sinh học ứng dụng cho nuôi các loại cá

có giá trị kinh tế cao như cá biển (vùng ven biển), cá Hồi vân ở vùng nước lạnh, cá Chình, v.v… Hàm lượng dinh dưỡng (chủ yếu là TAN) của nước nuôi cá biển giống thường ở mức dưới 0,3g/m3 nên nước thải thuộc loại dinh dưỡng thấp Nồng độ dinh dưỡng TAN cao nhất trong hệ thống RAS chỉ đạt 1g/m3 [112], [143], [152] Như vậy, lựa chọn ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học ngập nước nuôi cá biển giống là phù hợp và có tính khả thi cao

1.2 C ơ s ở lý thuy ế t và th ự c nghi ệ m ứ ng d ụ ng b ể l ọ c SBF trong h ệ

th ố ng RAS x ử lý tu ầ n hoàn n ướ c nuôi gi ố ng cá bi ể n

Phần lớn các vi sinh vật có khả năng trao đổi chất hữu cơ, nghĩa là chúng có thể làm sạch nước thải có chứa các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ bởi quá trình sinh hoá Vi sinh vật có các loài: hiếu khí, kị khí tuỳ tiện và kị khí tuyệt đối Vi sinh vật hiếu khí cần có ôxy để thực hiện quá trình trao đổi chất, vi sinh vật kị khí lấy năng lượng cần thiết cho quá trình hoạt động của chúng từ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có ôxy Vi sinh vật tuỳ tiện có khả năng trao đổi chất hiếu khí (có ôxi) và trao đổi chất kị khí (không có ôxi) Đa số vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học đều thuộc loại tuỳ tiện Các biện pháp xử lý sử dụng sinh vật dị dưỡng (heterotrophes), sử dụng cacbon hữu cơ làm nguồn năng lượng cũng như nguồn cacbon để tổng hợp tế bào Vi sinh vật tự dưỡng, không sử dụng cacbon hữu cơ mà

sử dụng nguồn cácbon từ CO2, cacbonat Vi sinh vật chimiotrophes lấy năng lượng từ ôxy

hoá các hợp chất vô cơ từ nitơ [8]

Trong dòng nước thải sẽ có những vật rắn làm giá đỡ (giá mang), các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn sẽ dính bám trên bề mặt) Trong số các vi sinh vật đó có các loài sinh

ra polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng sinh

học Màng này dày lên thực chất là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang và có khả năng ôxi hoá các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc Màng có thể dày từ 1 - 3mm và có màu sắc thay đổi theo thành phần nước thải từ màu vàng xám đến nâu tối Trong quá trình nước thải chảy qua lớp vật liệu đệm lọc có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ với kích thước 15 – 30µm có màu vàng sáng hoặc nâu [8]

Bể lọc SBF phát triển các vi sinh vật có sinh khối cao, vi sinh vật đó thực hiện nhiệm

vụ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải thành các hợp chất không độc hại, hoặc ít độc hơn Các vật liệu đệm lọc sau khi đã phát triển màng sinh học dính bám trên bề mặt được gọi là vật liệu đệm lọc sinh học (hình 1.4)

Hình 1.3 Cấu tạo màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc [8]

Trên bề mặt của các giá mang và giữa chúng phát triển một màng nhầy như gelatin

và lớn dần lên được gọi là màng sinh học Màng sinh học được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, vi sinh vật và cả động vật nguyên sinh Thành phần loài và số lượng loài trong màng sinh học tương đối đồng nhất (khác với bùn hoạt tính) Khi nước thải chảy qua màng lọc, do hoạt động sống của quần thể vi sinh vật sẽ thay đổi thành phần chất hữu cơ có trong nước Các chất hữu cơ dễ phân hủy được vi sinh vật sử dụng trước, với vận tốc nhanh, đồng thời số lượng của quần thể tương ứng phát triển nhanh và ngược lại Màng sinh học thường được phân chia thành hai lớp: lớp bên ngoài hiếu khí, lớp bên trong kị khí

và trên bề mặt màng sinh học là lớp gelatin trơn, dính dễ hấp thụ các chất dinh dưỡng và hữu cơ khi đi qua màng sinh học (hình 1.3) Theo thời gian, chiều dày của lớp hiếu khí và kị khí sẽ thay đổi phụ thuộc độ sâu phân bố vật liệu làm giá mang và dòng chảy của nước thải trong bể lọc Nếu điều kiện cung cấp ôxy hoà tan trong nước thải tốt thì màng sinh học sẽ

có lớp hiếu khí chiếm ưu thế và ngược lại điều kiện cung cấp oxy hoà tan kém thì lớp kị khí

sẽ chiếm ưu thế (hình 1.4) Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loại trực

khuẩn Bacillus Lớp trung gian là vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas Alcaligenes,

Flavobacterium, Micrococcus, và Bacillus Lớp trong cùng là lớp vi khuẩn kị khí khử lưu

huỳnh và khử nitrat [8]

Hình 1.4 Cấu trúc phân bố màng sinh học bên trong bể lọc sinh học[2]

Các chất hữu cơ và dinh dưỡng từ nước thải được thẩm thấu và hấp phụ vào màng sinh học để các tập đoàn vi khuẩn trong màng lọc tiêu thụ bằng quá trình ôxy hoá sinh học Các chất hữu cơ và dinh dưỡng là thức ăn nuôi dưỡng các tập đoàn vi khuẩn trong màng sinh học còn được gọi là cơ chất hay chất nền (substrate - ký hiệu là S) Chính quá trình đó

đã làm cho nước thải được tự làm sạch bao gồm: các chất hữu cơ bị ôxy hoá thành khí CO2, các dinh dưỡng khoáng N - NH4+, N - NO2-, N - NO3- thành khí nitơ tự do (N2) Đây là các phản ứng sinh hoá học rất phức tạp cho đến nay vẫn còn là vấn đề còn đang được nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới Các màng sinh học liên tục phát triển làm tăng chiều dày của màng theo thời gian Khi màng lọc quá dày, các chất hữu cơ, dinh dưỡng và ôxy hoà tan không đủ thẩm thấu vào lớp trong cùng giữa màng sinh học và vật liệu làm giá mang sẽ làm cho các tập đoàn vi khuẩn thiếu cơ chất và chết dần Vì vậy, sự dính bám và liên kết giữa màng lọc và giá mang bị lỏng lẻo, không chặt và màng lọc bắt đầu bị bong ra khỏi giá mang Đây là hiện tượng bị tróc màng lọc và bản thân nó lại trở thành cơ chất làm thức ăn cho các tập đoàn vi khuẩn trong bể lọc sinh học Bề mặt vật chất làm giá mang sẽ lại phát triển màng sinh học mới, trẻ hơn và tiêu thụ các chất dinh dưỡng và hữu cơ trong nước thải lớn hơn Hiện tượng này xảy ra liên tục hàng ngày của tất cả các màng sinh học có trong bể lọc sinh học và cũng là quy luật phát triển tự nhiên

Nước thải từ hệ thống RAS nuôi cá biển giống chủ yếu là hợp chất dinh dưỡng hữu

cơ, sẽ tăng lên trong nước nếu quá trình quản lý, vận hành sản xuất không tối ưu Hợp chất dinh dưỡng chủ yếu là nitơ và phốt pho, có nguồn gốc từ vật nuôi và chất rắn hữu cơ như thức ăn thừa [47] Nước thải của hệ thống nuôi không xử lý có khoảng 60% là nitơ và chủ yếu là nitơ dạng hữu cơ, 40% là hợp chất vô cơ như là nitơ dạng amoni (N- NO4+) Hợp chất hữu cơ bao gồm amino axít, protein, ADP/ATP là nguồn cơ bản của hợp chất nitơ và phốt pho trong nước thải Vì vậy, nghiên cứu quá trình chuyển hóa chất hữu cơ trong bể lọc SBF chủ yếu tập trung nghiên cứu quá trình chuyển hóa của nitơ và phốt pho

1.2.2 Quá trình chuyển hóa nitơ và phốt pho trong hệ thống lọc sinh học SBF

1.2.2.1 Quá trình chuy ể n hóa nit ơ trong b ể l ọ c SBF

Nitơ được hoà tan trong nước thành nitơ dạng amoni (N - NH4+), nitơ dạng nitrit

(N-NO2-) và nitơ dạng nitrat (N - NO3-) và tồn tại dưới dạng phân tử hữu cơ như các amino acid Quá trình nitrat hóa của bể lọc sinh học có khả năng chuyển hoá nitơ dạng amoni và nitơ dạng nitrit giảm xuống dưới 1mg/l [164] Đối với ương nuôi cá biển có thể chuyển hoá đến nồng độ dưới 0,1mg/l [80]

Tổng nitơ dạng amoni (TAN): Sự tồn tại của NH4+ trong nước phụ thuộc vào giá trị

pH trong nước Khi pH = 7,0 hầu hết TAN đều ở dạng ion (N - NH4+) ít độc cho cá, nhưng khi pH = 8,75, khoảng 30% TAN sẽ chuyển thành dạng khí amoniac (NH3) bền vững, khí này rất độc với cá nuôi Tuy nhiên, khi hàm lượng TAN cao quá ngưỡng cho phép cũng gây độc cho động vật thuỷ sinh, nồng độ gây chết (LC50) cá giò giống là 34,83mg/l [2] Nồng

độ gây chết của NH4+ ở dạng phức đã được xác định cho nhiều loài và khoảng nồng độ dưới ngưỡng gây chết đến nồng độ cho phép chưa được xác định và ở mức này nó có thể làm giảm tốc độ sinh trưởng của cá nuôi [158]

Nitơ dạng nitrit (N - NO2-): Nitrit được sinh ra từ TAN trong môi trường nước Hàm

lượng N-NO2- thường ít thấy trong môi trường nước nuôi Nitrit chỉ có mặt trong nước nuôi trồng thủy sản khi hàm lượng ôxy hoà tan trong nước thấp (< 2mg/l) Khi thực hiện quá trình nitrat hóa, nếu môi trường thiếu ôxy thì quá trình chuyển hoá chỉ dừng lại ở sản phẩm nitrit (phương trình 1.1) [80], [117], [151], [158] Nitơ dạng nitrit gây độc tố cấp tính cho một số động vật thủy sinh ở mức hàm lượng 3 – 6mg/l [71], [72]; hầu hết loài nuôi biển khi nồng độ nitrit ở mức hàm lượng 2,2 – 50mg/l thì ấu trùng các loài đó bị tổn thương [41]; với

cá giò giống nitrit là thông số trở thành độc tố khi mức hàm lượng vượt quá 36,1mg/l [2] Nitrit có nồng độ cao trong nước làm giảm tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ sống của động vật thủy sinh [121] Trong nước mặn, nước lợ, hàm lượng Ca+ và Cl- cao, hai ion này có xu hướng làm giảm độc tố của N - NO2- [92] nhưng chỉ ở mức hàm lượng không gây tác động

Để an toàn cho hệ thống RAS, bể lọc SBF tốt nhất không có quá trình tích lũy nitrit

Nitơ dạng nitrat (N - NO3-): Nitrat thường không gây độc cho động vật thủy sản nhưng khi nồng độ quá cao sẽ có tác động đến động vật thủy sản [9] Nồng độ gây độc tố cấp tính (LC 50) với cá giò giống là 1590mg/l [4] Thomas M Losodor năm 1998 đã nhận định rằng: “Khi hàm lượng nitrat cao không có lợi cho nuôi trồng thuỷ sản” [80] Độ mặn càng cao tính độc của nitrat càng giảm, có thể giảm đến 300 - 400 lần trong điều kiện nước biển có độ mặn 32‰ [6] Một số nghiên cứu khác chỉ ra rằng, trong hệ thống nuôi, các loài thuỷ sinh vật có thể chịu ngưỡng N - NO3- ở nồng độ cao (lớn hơn 100 - 300 mg/l tùy thuộc theo từng loài) [66]

Quá trình chuyển hoá nitơ trong bể lọc SBF bao gồm: quá trình vận hành kích hoạt

bể lọc phát triển vi khuẩn trên màng sinh học (gọi tắt là quá trình cố định màng sinh học); quá trình nitrat hoá; quá trình tích luỹ nitrit và quá trình khử [14] Trong đó quá trình nitrat hoá và quá trình khử là hai quá trình chủ yếu chuyển hoá nitơ (hình 1.5)

Hình 1.5 Quá trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc sinh học ngập nước[155]

Quá trình cố định màng sinh học trên vật liệu đệm: Quá trình nitrat hóa sinh học được thực hiện bởi vi khuẩn tăng trưởng dính bám, vi sinh vật phát triển trên một lớp màng sinh học được gắn trên bề mặt của vật liệu đệm Như vậy, quá trình này gọi là quá trình cố định màng khi tập hợp lượng vi khuẩn phát triển đủ lớn đóng vai trò quyết định Sinh trưởng dính bám, màng sinh học cố định trên vật liệu đệm có một số lợi thế so với tăng trưởng lơ lửng, nếu quá trình vận hành ổn định, các điều kiện phù hợp, thì hệ vi khuẩn không sốc và không bị rửa trôi [45], [103] Bởi vì, hầu hết các loài cá nuôi chỉ chịu được nồng độ TAN ở mức thấp, phù hợp với quá trình tăng trưởng dính bám liên tục Bể lọc SBF hoạt động trên nguyên lý màng sinh học tăng trưởng dính bám đã được áp dụng thành công trong hệ thống RAS Tất cả các bể lọc SBF phải được cố định màng trước khi đưa vào vận hành Ở điều kiện bình thường, 30 ngày là cần thiết để hàm lượng TAN và hàm lượng nitrit được chuyển hóa ở nồng độ chấp nhận được (đạt tiêu chuẩn chất lượng nước tái sử dụng) [86], [122] Cố định màng sinh học trên vật liệu đệm trong bể lọc SBF là quá trình kích hoạt (khởi động) bể lọc SBF phát triển màng sinh học Quá trình cố định màng có thể kéo dài đến 2 - 3 tháng, tùy thuộc vào từng điều kiện [84], nhưng với các chất dinh dưỡng hữu cơ, cơ chất thuận lợi

có thể thúc đẩy quá trình cố định màng sinh học sớm hơn [85]

Quá trình nitrat hóa, TAN đầu tiên được ôxy hóa thành nitrit bởi vi khuẩn tự dưỡng,

quan trọng nhất là vi khuẩn Nitrosomonas Sau đó nitrit được ôxy hóa thành nitrat bởi các vi khuẩn khác và quan trọng nhất là Nitrobacter Phương trình 1.1 và 1.2 là phương trình hóa

học cơ bản chuyển hóa trong quá trình nitrat hóa [1], [155]

NH4+ + 1.5O2 → 2H+ + H2O + NO2− (1.1)

Năng lượng giải phóng được chuyển hóa bởi vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter

trong quá trình sống của nó Ngoài ra, các phản ứng này cần ôxy, sản phẩm tạo thành các ion hydro (làm pH giảm) và nitrit là sản phẩm trung gian Theo USEPA năm 1984, quá trình nitrat hóa hoàn toàn được thể hiện ở phương trình (1.3) như [146]:

NH4+ + 1,83O2 + 1.98HCO3− → 0,021C5H7O2N + 0,98NO3− + 1,041

H2O + 1,88H2CO3− (1.3) Trong đó, C5H7O2N là công thức hóa học của tế bào vi khuẩn của Nitrosomonas và

Nitrobacter Phương trình (1.3) được sử dụng để ước lượng nồng độ ôxy và nhu cầu độ

kiềm, sinh khối tế bào sản xuất Đối với mỗi gam TAN ôxi hóa thành nitrat, cần khoảng 4,57gO2 hoặc tiêu thụ 4,18 g độ kiềm theo Losodor năm 1994 [78] và 7,07g độ kiềm (tính theo CaCO3) theo lý thuyết để tạo thành 0,17 g sinh khối vi khuẩn

Khi thiết kế ứng dụng bể lọc SBF trong hệ thống RAS, cơ sở lý luận mối quan hệ giữa tốc độ nitrat hóa và nồng độ DO là một tiêu chuẩn Ở phương trình (1.3), ôxy là một yêu cầu trong quá trình ôxy hóa TAN Nhu cầu ôxy lý thuyết theo phương trình cân bằng hóa học nitrat hóa là: 3,43 mg O2 cần để ôxy hóa 1 mg NH3 và 1,14 mg O2 để ôxy hóa 1 mg N -

NO2- Mặc dù tốc độ tiêu thụ O2 khi ôxy hóa TAN thấp hơn nhiều trong nghiên cứu thực nghiệm [125]

Nồng độ ôxy thấp là nguyên nhân tích lũy nitrit trong bể lọc sinh học Nghiên cứu ảnh hưởng của ôxy hòa tan (Dissovel Oxygen = DO) đến quá trình tích lũy nitrit khi DO < 2mg/l [162] DO > 2 mg/l đã được đề xuất là nồng độ ôxy tối thiểu trong bể lọc sinh học sử dụng quá trình nitrat hóa ứng dụng trong hệ thống RAS [153]

Như vậy, nếu nồng độ TAN trong nước dao động trong khoảng 0,5 – 1mg/l trong nước vào bể lọc thì nồng độ DO cần thiết cho quá trình ôxy hóa hoàn toàn sẽ dao động từ 2,285 – 4,57mg/l Vì vậy, nồng độ DO trong bể lọc > 2,3mg/l sẽ ngăn ngừa quá trình tích tụ nitrit

Quá trình khử, N - NO2-, N - NO3- bị giảm đi, và chuyển thành khí N2 bởi vi khuẩn khử nitơ trong điều kiện kị khí [40] Các quá trình nitrat hóa và quá trình khử đều xảy ra trong màng sinh học [54] và các vi khuẩn sống trong môi trường nước thải

Phương trình động học quá trình nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa được đặc trưng bằng tốc độ chuyển hóa cơ chất TAN Trong bể lọc SBF, động học quá trình chuyển hóa cơ chất được mô tả bởi phương trình Monod có dạng phương trình (1.4) [38], [116], [131]:

S + K

S Y

X

µ

= R

S S

Trong đó R: tốc độ chuyển hóa cơ chất (g/m 3 ngày); µ max : tốc độ tăng trưởng tối đa, lớn nhất (ngày -1 ); X: nồng độ sinh khối vi khuẩn (g tế bào/m 3 ); Y S : lượng sinh khối vi khuẩn trên 1 đơn vị chất nền sử dụng (g/tế bào.g cơ chất); S: nồng độ cơ chất giới hạn (g/m 3 ); K S : hằng số bán phân hủy (g/m 3 )

Phương trình Monod sử dụng để mô tả động lực học của quá trình nitrat hóa khi

TAN được coi là các cơ chất cho quá trình tăng trưởng giới hạn đối với Nitrosomonas trong khi nitrite là cơ chất hạn chế với Nitrobacter Tốc độ tăng trưởng của Nitrobacter lớn hơn so với Nitrosomonas [155], và quá trình chuyển hóa TAN thường có tốc độ giới hạn Trong

phương trình (1.4), tốc độ chuyển hóa TAN là thông số tốc độ giới hạn trong quá trình nitrat hóa [153] Các phân tích toán học và các dữ liệu thực nghiệm cho thấy có hai đặc điểm chính của phương trình (1.4) Thứ nhất, ở một nồng độ cơ chất đủ lớn phương trình (1.4) trở thành bậc 0, có nghĩa là tốc độ phản ứng không tăng khi nồng độ cơ chất đạt đến mức giới hạn, khi đó tốc độ chuyển hóa TAN không còn liên quan đến nồng độ cơ chất Trong trường hợp này, các yếu tố khác sẽ là yếu tố hạn chế Thứ hai, ở một nồng độ chất nền đủ thấp, mối quan hệ giữa tốc độ chuyển hóa và nồng độ cơ chất trở thành tuyến tính, là phương trình bậc

1

TAN được coi là cơ chất của quá trình nitrat hóa là yếu tố quan trọng nhất khi thiết

kế và vận hành bể lọc SBF trong hệ thống RAS [95] Có hai vấn đề cơ bản liên quan đến quá trình nitrat hóa: nồng độ TAN tối thiểu của bể lọc sinh học có thể duy trì tốc độ nitrat hóa và nồng độ TAN thích hợp Thứ nhất, nồng độ TAN tối thiểu phải không gây độc hại cho hầu hết các loài sinh vật nuôi (giới hạn cho phép theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 10:2001 đối với sinh vật vùng ven bờ biển là < 1mg/l) [10] Bể lọc SBF phải có khả năng

duy trì hoạt động của vi khuẩn với nồng độ cơ chất TAN đủ thấp đó Thứ hai, bể lọc sinh học phải có nồng độ TAN phù hợp, ở nồng độ đó bể lọc có thể thực hiện được quá trình chuyển hóa và không gây tích lũy TAN

Chất lượng nước tốt nhất có thể được duy trì trong bể lọc SBF của hệ thống RAS, về

khía cạnh TAN, là nồng độ tối thiểu để vận hành bể lọc sinh học, ký hiệu là S min Khái niệm nồng độ tối thiểu của cơ chất đảm bảo trạng thái ổn định màng sinh học được đề xuất và chứng minh bởi Rittmann và McCarty năm 1980; Rittmann và Manem năm 1992 [115]

Rittmann và McCarty năm 1980 đã đưa ra công thức tính S min cho màng sinh học như trong phương trình (1.5) [116] :

b - µ

b K

= S

maxS

Trong bể lọc SBF của hệ thống RAS nuôi trồng thuỷ sản thường yêu cầu mức nồng

độ TAN thấp để duy trì và vận hành hệ thống, điều này đã được khẳng định trong hầu hết các công trình nghiên cứu Khi nồng độ TAN tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa nhưng nồng độ TAN là tốc độ giới hạn của quá trình nitrat hóa Mối quan hệ giữa tốc độ nitrat hóa và nồng độ TAN được xác định bởi phương trình (1.6)

S + K

S R

= R

s

Tuy nhiên, trong thực tế bể lọc SBF của hệ thống RAS nuôi trồng thủy sản vận hành

ở nồng độ thấp hơn so với nồng độ TAN sử dụng trong xử lý nước thải công nghiệp, phương trình (1.6) này có thể được đơn giản hóa cho các ứng dụng nuôi trồng thủy sản Ở nồng độ cơ chất TAN thấp (S KS), động lực học quá trình nitrat hóa có thể đơn giản là phương trình phản ứng bậc 1

K

R R

Phương trình (1.7) được viết lại thành phương trình (1.8) Phương trình (1.8) biểu thị tốc độ nitrat hóa tăng lên với tăng nồng độ cơ chất TAN Mối quan hệ này được xác định với thí nghiệm thực tế trong hệ thống RAS

) TAN - TAN ( K

VTR

=

s max

Trong đó: VTR là tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc (g/m 3 ngày); TAN là nồng độ TAN vào bể lọc sinh học (g/m 3 ); TAN min là nồng độ TAN nhỏ nhất để bể lọc có thể duy trì quá trình nitrat hóa (g/m 3 )

Este và ctv năm 1994 nghiên cứu hiệu suất hệ thống đĩa quay sinh học (RBC) ứng dụng trong RAS ở khoảng nhiệt độ nước 24-30°C và thấy rằng động học quá trình nitrat hóa là bậc 1 ở nồng độ TAN thấp [42] Liu và Capdeville năm 1994 cũng đưa ra mối quan

hệ tuyến tính giữa nồng độ TAN tốc độ chuyển hóa TAN ở hệ thống đĩa quay sinh học [77]

Sự ức chế quá trình nitrat hóa trong bể lọc sinh học ảnh hưởng bởi nồng độ TAN hoặc nitrit cao [21], [125] Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu quan tâm đến sự ức chế cơ chất,

ức chế quá trình nitrat hóa, vì các thiết kế bể lọc sinh học cho nuôi trồng thủy sản với nồng

độ TAN thấp [153] Khoảng nồng độ TAN phổ biến trong nước thải của hệ thống RAS là nồng độ cơ chất trong giới hạn của bể lọc SBF

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Quá trình nitrat hóa trong màng sinh học là trạng thái cân bằng giữa nhu cầu cơ chất được tạo ra bởi sự tăng trưởng của sinh khối vi khuẩn và tốc độ chuyển hóa cơ chất [114] Nhu cầu cơ chất được xác định bởi các yếu tố có liên quan đến các đặc tính, số lượng của vi khuẩn nitrat hóa, tốc độ tăng trưởng và hệ số tương quan Cung cấp cơ chất cho vi sinh vật (lượng cơ chất cần thiết để vi sinh vật trong bể lọc SBF sinh trưởng và phát triển) được xác định bởi tốc độ chuyển hóa chất dinh dưỡng Có hơn 20 thông số vật lý, hóa học và các yếu

tố sinh học có thể ảnh hưởng đến sự phát triển, cung cấp cơ chất, hiệu suất của quá trình nitrat hóa trong bể lọc sinh học [153] Các yếu tố quan trọng có thể được phân thành ba loại chính Thứ nhất, ảnh hưởng đến quá trình sinh hóa của vi khuẩn như pH, nhiệt độ và độ mặn Thứ hai, ảnh hưởng đến việc cung cấp cơ chất cho màng sinh học như: nồng độ cơ chất (nồng độ TAN), ôxy hòa tan Thứ ba, ảnh hưởng đến tăng trưởng và nguồn cung cấp cơ chất, sự cạnh tranh cơ chất (biểu thị bằng tỷ lệ các bon và tổng nitơ, C/N), nồng độ cơ chất

và các chất hữu cơ khác (đặc trưng bằng thông số tỷ lệ nhu cầu ôxy sinh hóa BOD và tổng nitơ, BOD5/N) Vì vậy, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng làm cơ sở vận hành hiệu quả bể lọc SBF trong hệ thống RAS là cần thiết và được định hướng nghiên cứu của luận văn

Đặc điểm của quá trình nitrat hóa trong màng sinh học đã được nghiên cứu nhằm nâng cao sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của màng Kỹ thuật sử dụng đo phản ứng động học màng sinh học có hai kiểu chủ yếu được phân tích: (1) phân tích hóa học và vật lý bên trong màng sinh học được đo bởi các thiết bị đầu đọc siêu nhỏ (2) phân tích hóa học thông qua các thông số chất lượng nước Đầu đọc siêu nhỏ đã được sử dụng để phân tích màng sinh học trong những năm gần đây [69], [34], [114] Kỹ thuật đầu đọc điện tử siêu nhỏ được áp dụng đo khuyếch tán trong màng sinh học [69], [114] Tuy nhiên, trong nghiên cứu

kỹ thuật nuôi trồng thủy sản, hầu hết các nghiên cứu xác định quá trình chuyển hóa thông qua phân tích các thông số chất lượng nước trước và sau khi xử lý Vì vậy, định hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu quá trình nitrat hóa thông qua tốc độ chuyển hóa TAN bằng phương pháp phân tích các thông số chất lượng nước trước và sau khi xử lý, tính toán tốc độ chuyển hóa TAN trên một đơn vị thể tích trong khoảng thời gian cố định

Ôxy hòa tan (DO)

Khi thiết kế RAS, hiểu biết về mối quan hệ giữa tốc độ nitrat hóa và nồng độ DO là một quan tâm lớn Ở phương trình (1.3), ôxy là một thông số quan trọng trong quá trình chuyển hóa TAN Nhu cầu ôxy lý thuyết của phương trình hóa học nitrat hóa là: 3,43 mg ôxy cần thiết để ôxy hóa 1 mg TAN và 1,14 mg O2 cần cho quá trình ôxy hóa 1 mg N - NO2-Mặc dù, tốc độ tiêu thụ O2 để chuyển hóa nitơ trong nghiên cứu thực nghiệm thấp hơn

Error! Reference source not found

Ảnh hưởng của nồng độ DO đến quá trình nitrat hóa trong quá trình sinh trưởng dính

bám đã được nhiều tác giả nghiên cứu [18], [107], Error! Reference source not found

Schoberl and Engel năm 1964 đã nghiên cứu vai trò của nồng độ DO đến tốc độ tăng trưởng

của vi khuẩn Nitrosomonas khoảng 1,0 mg/l, trong khi tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn

Nitrobacter là 2,0 mg/l Knowles và ctv năm 1965 đã nghiên cứu nuôi vi khuẩn Nitrosomonas với nồng độ DO là 2 mg/l, nhưng Nitrobactor giảm đi nhiều nếu DO nhỏ hơn

4 mg/l [65] Nồng độ DO vào lớn hơn 2 mg/l được đề xuất là nồng độ DO tối thiểu trong bể lọc sinh học ứng dụng nuôi trổng thủy sản [153]

Quá trình nitrat hóa sẽ chuyển hóa TAN thành nitrit nếu trong trong điều kiện giới hạn DO, kết quả này đã được nghiên cứu bởi một số các tác giả như Zhang và ctv năm 1995

và Nogueira và ctv năm 1998 [103], [162] Nogueira và ctv năm 1998 cho rằng nồng độ DO cần thiết để chuyển hóa TAN hoàn toàn về dạng nitrat là 1,5 - 2 g O2/(g TAN) trong phản ứng màng sinh học đệm cố định ở cả hai quy mô phòng thí nghiệm và quy mô thử nghiệm [103]

Nồng độ DO thấp có thể gây tích tụ nitrit trong bể lọc sinh học khi thực hiện quá trình nitrat hóa Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ DO đến tích lũy nitrite trong bể lọc sinh học không được cấp khí, kết quả nồng độ DO nhỏ hơn 2 mg/l và đã xảy ra hiện tượng tích lũy nitrit [166] Zhang và ctv năm 1995 chỉ ra rằng, tốc độ chuyển hóa TAN tăng tương ứng với tăng nồng độ DO từ 0,5; 1,0 và 2,0 mg/l, nồng độ nitrat không thay đổi, có nghĩa là quá trình chuyển hóa nitrit bị ức chế trong môi trường DO thấp (< 2mg/l) [154] Mặc dù, không

có nghiên cứu xác định nồng độ ôxy tối ưu trong bể lọc sinh học đối với quá trình nitrat hóa

sử dụng trong hệ thống RAS nhưng nồng độ DO lớn hơn 2,3 mg/l được đề nghị để ngăn chặn quá trình tích lũy nitrit Và khi vận hành hệ thống RAS, nồng độ ôxy trong nước ra (là nước vào bể lọc) được đề xuất có nồng độ ôxy lớn hơn 3mg/l Nếu nồng độ ôxy nhỏ hơn 3mg/l, ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của các loài cá nuôi [80]

1.2.2.2 Quá trình chuyển hóa phốt pho trong bể lọc SBF

Các dạng tồn tại của phốt pho được trình trong bảng 1.1 Phốt pho tồn tại trong nước

ở dạng không tan (phốt pho vô cơ và hữu cơ) và dạng phốt pho hòa tan Phốt pho hòa tan trong nước có hai dạng chủ yếu là poly phốt phát (vô cơ) và ortho – phốt phát (có cả dạng hữu cơ và vô cơ) Phốt pho không tan trong nước thải tồn tại ở 2 dạng: ortho – phốt phát, poly – phốt phát Hai thành phần này chiếm đến trên 70% phốt pho trong nước thải

Bảng 1.1 Các dạng tồn tại của phốt pho trong nước thải [116]

Tổng phốt pho

Phốt pho hoà tan

Ortho – phốt phát hoà tan

Ortho phốt phát

P – POxy- (vô cơ)

Ortho phốt phát

P - POxy- (hữu cơ)

O - phốt phát hữu cơ ở dạng P- PO43-, HPO42-, H2PO4-, tuỳ thuộc vào giá trị pH Phốt pho trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng ortho phốt phát, poly phốt phát và phốt pho hữu

cơ Vi sinh vật sử dụng phốt pho cho quá trình tổng hợp tế bào và chuyển hoá năng lượng và

có giữ lại sử dụng cho quá trình tiếp theo Khoảng 10 - 30% phốt pho trong nước thải được chuyển hoá trong quá trình xử lý sinh học [145] Dưới điều kiện hiếu khí thì phốt pho cần

cho hoạt động của vi sinh vật Vi khuẩn Acinetobacter là vi khuẩn chuyển hoá phốt pho Nó

chuyển hoá thành axit béo không no [volatile fatty acids (VFA) ] Ở điều kiện kị khí vi khuẩn có thể thực hiện quá trình giải phóng phốt pho và phốt pho được giải phóng ra khỏi tế bào Chuyển hoá sinh học phốt pho là quá trình tích luỹ phốt pho trong các sản phẩm bởi các phản ứng xảy ra trong môi trường chuyển hoá Như vậy, chuyển hoá phốt pho sinh học yêu cầu cả 2 phản ứng vùng hiếu khí và kị khí

Trong nước thải nuôi trồng thủy sản, chủ yếu là ortho – phốt phát dạng hữu cơ dạng hòa tan Phần phốt pho không tan chủ yếu tích lũy trong chất rắn lơ lửng và được loại bỏ trước khi vào bể lọc sinh học Vì vậy, nghiên cứu quá trình chuyển hóa phốt pho trong bể lọc SBF tập trung đánh giá chuyển hóa ortho – phốt phát

Trong quá trình xử lý vi sinh, lượng phốt phát giảm thấp trong nước là lượng được vi sinh vật hấp thu để xây dựng tế bào Hàm lượng phốt phát trong tế bào chiếm khoảng 2% (1,

- 2,5%) trọng lượng khô Trong quá trình xử lý hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu phốt phát cao hơn mức bình thường trong tế bào vi sinh vật (2-7%), lượng phốt phát

dư được vi sinh vật dự trữ để sử dụng cho quá trình sau Trong điều kiện kị khí, với sự có mặt của chất hữu cơ, lượng phốt phát dư lại được thải ra ngoài cơ thể vi sinh dưới dạng phốt phát đơn

Quá trình chuyển hóa ortho – phốt phát

Phương pháp truyền thống chuyển hoá phốt pho trong nước thải là quá trình xử lý kết tủa phốt pho muối sắt và muối nhôm Hơn nữa, do vấn đề công nghệ và kinh tế, sử dụng các biện pháp hoá học không thích hợp Vì vậy, nghiên cứu phương pháp xử lý phốt pho sinh học được quan tâm Một số phương pháp cải tiến về chuyển hoá phốt pho sinh học [Enhanced biological phosphorus removal (EBPR)] đang phổ biến Phương pháp này cơ bản

là tích luỹ polyphotphat (polyphosphate accumulating organisms = PAO) ở vùng thiếu khí, hiếu khí hoặc kị khí [141] Ở điều kiện thiếu khí PAO chuyển thành acetat, các hợp chất hữu cơ phân tử thấp chuyển thành poly hydroxyalk anoates (PHA) Quá trình xảy ra đồng thời làm giảm polyphosphate và glycogen và giải phóng phốt phát Ở điều kiện hiếu khí hoặc kị khí, PHA chuyển hoá thành glycogen, phốt phát được tích luỹ, và poly - phốt phát là sản phẩm nội bào Ở những giai đoạn sau, vi khuẩn phát triển và giữ lại phốt phát bởi quá trình giải phóng năng lượng từ quá trình phá vỡ PHA [95] Một quá trình khác chuyển hoá phốt phát bởi quá trình khử được mô tả bởi Barak and Rijn năm 2000, đã tìm thấy trong quá trình khử có khả năng giữ lại phốt phát vượt quá nhu cầu tổng hợp trong điều kiện kị khí [17] Không giống với PAO, phốt phát được giữ lại bởi quá trình khử không yêu cầu có ôxy như PHA, ở giai đoạn này, cacbon hữu cơ giống như là nguồn năng lượng cacbon Giai đoạn đầu, nồng độ tổng phốt pho cao và nồng độ Ortho – phốt phát hoà tan thấp trong điều kiện kị khí, vì hầu hết phốt pho được tích luỹ dưới dạng vật chất hữu cơ không tan

Nồng độ ortho - phốt phát hòa tan trong nước vào bể lọc thường không vượt quá 15mg/l Hầu hết phốt pho không tan đã được giữ lại trong bùn thải (dưới dạng vật chất lơ lửng, lắng đọng trong bùn thải) và được loại bỏ trước khi đưa vào bể lọc SBF

Nhìn chung, nồng độ phốt pho trong nước vào bể lọc SBF cao bởi vì hầu hết phốt pho được thêm vào trong thức ăn và không được cá sử dụng (chủ yếu là phốt pho hữu cơ) Dạng tồn tại của phốt pho trong nước vào bể lọc SBF là ortho – phốt phát hòa tan dạng hữu

cơ Hơn nữa, phương pháp nghiên cứu chuyển hoá phốt pho trong hệ thống RAS ứng dụng

bể lọc sinh học có rất ít công trình nghiên cứu phát triển [118] Vì vậy, nghiên cứu quá trình hiệu suất chuyển hóa phốt pho sẽ tập trung nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa của ortho – phốt phát, đây sẽ là định hướng nghiên cứu của luận văn

1.3 Công ngh ệ b ể l ọ c SBF trong h ệ th ố ng RAS t ạ i Vi ệ t Nam

Công nghệ lọc sinh học để xử lý nước thải đã được nghiên cứu áp dụng cho nhiều thành phố và đô thị lớn ở Việt Nam Tuy nhiên, công nghệ này chủ yếu được áp dụng xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp Công nghệ lọc sinh học còn ít được nghiên cứu và ứng dụng trong nuôi trồng thuỷ sản

Hiện nay, đã có một số cơ quan nghiên cứu xây dựng bể lọc sinh học để nuôi sinh vật cảnh biển như: Viện Hải dương học tại Nha Trang có bể lọc sinh học tự thiết kế phục vụ nuôi cá cảnh biển Viện Công nghệ Sinh học với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị lọc sinh học để làm sạch nước nuôi động vật biển” của Trần Văn Nhị và những người khác đã nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị lọc sinh học cho nuôi cá cảnh bằng nước biển tái sử dụng toàn bộ tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, ứng dụng trên phương tiện vận chuyển đường dài và các bể nuôi giữ cá tươi sống tại các cơ sở kinh doanh hải sản Kết quả nghiên cứu đã đạt được hiệu suất chuyển hóa hệ thống khoảng 10 - 15% [7] Một số tồn tại của hệ thống này là hiệu suất chuyển hóa chất hữu cơ thấp chỉ có thể nuôi giữ cá có tải lượng chất hữu cơ thấp như nuôi cá cảnh, lưu giữ cá sống và vận chuyển cá sống, chưa thể ứng dụng thiết bị công nghệ cho sản xuất giống, nuôi cá biển ở qui mô lớn với tải lượng vật chất hữu

cơ cao

Dự án tài trợ bởi tổ chức hợp tác hải ngoại của Nauy (NORAD) đã hỗ trợ Phân Viện Nghiên cứu Thủy sản Bắc Trung Bộ tại Cửa Lò, Nghệ An hệ thống lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước nuôi cá biển với công suất lớn 40 m3/giờ có chi phí vận hành cao (Hình 1.6) Hệ thống máy bơm nước có 6 máy công suất mỗi máy 20 m3/giờ, bao gồm 02 máy bơm nước thải sau nuôi qua hệ thống lọc các chất rắn lơ lửng và lắng đọng, sau đó 02 máy bơm cấp nước lên hai tháp lọc sinh học ngập nước và tự chảy xuống tháp lọc sinh học nhỏ giọt, cuối cùng 02 máy bơm nước cấp qua hệ thống bổ sung oxy và khử trùng bằng tia cực tím UV vào bể ương nuôi cá Công suất bể lọc sinh học đó khoảng 40 m3/giờ, phải sử dụng đến 06 máy bơm tổng công suất đến 120 m3/giờ (điện năng tiêu tốn gấp 3 lần) Tuy nhiên, khi ứng dụng vào thực tiễn còn có nhiều bất cập như chi phí tiêu thụ điện lớn; do các thiết bị đều được nhập từ nước ngoài nên khi phải bảo trì, sửa chữa và thay thế các phụ kiện rất tốn chi phí và phụ thuộc vào nhập khẩu (một số trường hợp phải dừng sản xuất chờ thiết bị nhập khẩu, v.v ); hệ thống thiết kế công suất lớn 40 m3/giờ và rất bất cập nếu vận hành ở công suất nhỏ; hệ thống công nghệ rất khó ứng dụng vào các cơ sở sản xuất trong điều kiện kinh

tế của Việt Nam

Hình 1.6 Hệ thống lọc sinh học nhập ngoại của Trạm Cửa Lò

Trung tâm Quốc gia Giống Hải sản Miền Nam tại Vũng Tàu thuộc Viện Nghiên cứu

Nuôi trồng Thuỷ sản II vào năm 2002 - 2004 cũng đã nhập hệ thống thiết bị lọc sinh học khá hiện đại phục vụ cho nghiên cứu triển khai về sinh sản và nuôi giống hải sản Các thiết bị của trung tâm có nhiều hệ thống công suất nhỏ 5m3/h, 10m3/h, 15m3/h,… thuận lợi cho vận hành nghiên cứu thực nghiệm cũng như sản xuất thử và tuỳ theo nhu cầu có thể vận hành hệ thống công suất lớn hoặc nhỏ cho phù hợp Nhưng cũng tương tự như hệ thống lọc sinh học của Phân viện Nghiên cứu Thủy sản Bắc Trung Bộ, chi phí điện năng cao thường gấp 03 lần công suất của hệ thống, duy tu, sửa chữa và thay thế thiết bị rất lớn Sau 1 thời gian vận hành, hệ thống hoạt động không hiệu quả

Các cơ sở nghiên cứu và nuôi cá cảnh biển hầu hết sử dụng một mô hình hệ thống lọc sinh học bằng bể kính với vật liệu lọc sinh học bằng đá san hô tương tự như nhau bao gồm: Viện Hải dương học Nha Trang, Viện nghiên cứu Hải sản tại Hải Phòng và Trung tâm Nghiên cứu Việt - Nga tại Hà Nội (hình 1.7)

Hình 1.7 Hệ thống lọc sinh học của một số cơ sở nuôi cá cảnh biển tại Việt Nam

Mô hình lọc sinh học hiện nay tại một số cơ sở nghiên cứu của nước ta đơn giản và đều sử dụng chất liệu là bể kính sáng màu rất nhậy cảm và gây ức chế với vi khuẩn nitrat hoá, chưa có công trình nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ lọc sinh học ứng dụng trong RAS nuôi cá biển ở quy mô sản xuất Các mô hình đang được ứng dụng tuần hoàn nước nuôi thủy sản với hiệu suất thấp, trong khi nuôi và sản xuất giống cá biển ở quy mô lớn tải lượng vật chất cao hơn nhiều, yêu cầu công nghệ chính xác và hiệu quả Hơn nữa, cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học nuôi giống cá biển tại Việt Nam

Hiện nay, các cơ sở sản xuất và ương nuôi giống cá biển của Việt Nam hầu hết sử dụng trực tiếp nguồn nước tự nhiên qua các bước xử lý trực tiếp, bơm nguồn nước và lọc cơ học qua cát lấy nước trong sạch đưa vào bể chứa Hoá chất dùng để xử lý, chủ yếu là hypoclorit (NaOCl, CaOCl2) hoặc đèn cực tím (UV) để diệt trừ vi khuẩn, mầm bệnh trước khi cấp cho các bể nuôi và sản xuất Nguồn nước thay hàng ngày cho ương nuôi giống cá biển yêu cầu rất lớn, thay nước khoảng 100 - 500% ngày Chi phí sản xuất cao và không thể đáp ứng mô hình sản xuất lớn, con giống không bảo đảm chất lượng khoẻ và sạch bệnh Chất lượng nước không được duy trì liên tục do không có hệ thống xử lý nước tái sử dụng Hàng ngày, nước cho sản xuất tại các cơ sở vẫn là vấn đề đáng lo ngại do khối lượng nước phải thay mới hàng ngày khoảng 500% /ngày Hơn nữa, nếu nuôi bằng công nghệ thay nước, không thể nuôi được mật độ cao và thường chỉ bằng 1/3 - 1/4 mật độ nuôi khi ứng dụng công nghệ lọc sinh học tái sử dụng nước (do chi phí tốn kém để xử lý nước) Vì vậy,

công suất ương nuôi và sản suất giống cá biển hiện nay của nước ta chỉ bằng 1/10 đến 1/15

so với các trại sản suất và ương nuôi giống cá biển của các nước trên thế giới sử dụng hệ thống lọc sinh học tuần hoàn tái sử dụng nước

Như vậy, công nghệ lọc sinh học trong hệ thống RAS hiện nay của nước ta đang được các nhà nghiên cứu tìm cách tiếp cận áp dụng vào thực tiễn sản xuất Trong đó có cả nhập thiết bị đồng bộ từ nước ngoài và tự thiết kế trong nước để đáp ứng đòi hỏi cấp bách hiện nay cho nuôi trồng thuỷ sản Nhưng các thiết bị lọc sinh học ứng dụng trong hệ thống RAS ở nước ta nếu nhập khẩu thì rất đắt và tốn kém, phụ thuộc vào các linh kiện thay thế, duy trì, sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ Nếu người dân tự nghiên cứu, thiết kế trong nước thì công suất nhỏ, hiệu suất lọc thấp và không thể áp dụng cho ương nuôi và sản xuất giống

cá biển Các cơ sở sản xuất giống cá biển ở Việt Nam không phải dễ dàng nhập được các thiết bị lọc sinh học do thủ tục và tốn kém kinh phí Vì vậy, hầu hết các cơ sở sản xuất giống

cá biển hiện nay sử dụng phương pháp thay nước hoặc nuôi nước chảy liên tục rất tốn kém

và hiệu quả không cao

Một số cơ sở nuôi sinh vật cảnh biển tại các Viện Nghiên cứu và các Trung tâm du lịch lớn gần như nhập ngoại các thiết bị công nghệ lọc sinh học Khả năng áp dụng không cao, chi phí tốn kém, nhất là triển khai mở rộng cho các cơ sở nhỏ, các trung tâm du lịch trong toàn quốc ở mọi vùng lãnh thổ gặp rất nhiều khó khăn về công nghệ và kinh phí Một

số Viện nghiên cứu có xây dựng công nghệ lọc sinh học chỉ phục vụ quy mô nuôi một số bể sinh vật cảnh biển có thể tích không lớn từ 100 - 500 lít Các hệ thống đó không đồng bộ và không đảm chất lượng cho nuôi sinh vật cảnh biển ở quy mô lớn Gần đây nhất, năm 2010 Công ty TNHH Một thành viên Du lịch Giải trí Thiên đường Bảo Sơn đã nhập khẩu công nghệ lọc sinh học ứng dụng trong hệ thống RAS từ Isarel để nuôi, lưu giữ cá biển phục vụ nhu cầu xem và giải trí Nhưng khi vận hành đã xuất hiện những bất cập, cá nuôi trong hệ thống đã chết Đặc biệt, công trình nghiên cứu các quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong bể lọc sinh học phục vụ tính toán thiết kế hệ thống RAS phù hợp áp dụng vào sản xuất còn hạn chế, nghiên cứu ở các quy mô khác nhau chưa được tiến hành

Ứng dụng công nghệ lọc sinh học tuần hoàn nước biển trong nuôi trồng thủy sản là vấn đề cần thiết và là tiền đề định hướng cho sự phát triển ngành công nghiệp nuôi trồng thủy sản trong tương lai tại Việt Nam

1.4 Đị nh h ướ ng nghiên c ứ u ứ ng d ụ ng công ngh ệ b ể l ọ c SBF

trong h ệ th ố ng RAS t ạ i Vi ệ t Nam

1.4.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu đệm lọc

Các kiểu vật liệu lọc sử dụng làm vật liệu lọc sinh học cho nuôi trồng thuỷ sản trên thế giới hiện nay rất đa dạng và phong phú, tuỳ từng điều kiện của mỗi quốc gia và từng cơ sở sản xuất Nhưng tổng quan chung có các kiểu vật liệu lọc sau đây:

Đá và cuội sỏi: Sử dụng những kích thước khác nhau của cuội và đá tảng trong tự nhiên đã được làm vật liệu lọc sinh học từ thế kỷ 19 Đây là nguyên liệu tự nhiên có sẵn, rẻ tiền và có thể có thiết diện bề mặt riêng cao một cách tương đối (thiết diện bề mặt riêng ngược lại với kích thước cuội), trơ và có sức bền cơ học lớn, có khả năng thấm nước nhanh Hạn chế của đá và cuội sỏi là độ rỗng thấp, nên có xu hướng tắc nhanh Để tránh tắc, phải lựa chọn vật liệu lọc đá tảng, cuội có độ rỗng không gian lớn Nếu sử dụng đá tảng và đá cuội kích thước lớn, để khoảng trống đủ lớn thoát nước nhanh chống tắc, thì diện tích bề mặt riêng lại quá thấp và bể chứa vật liệu lọc trở nên quá lớn Hạn chế khác của đá và cuội

là trọng lượng cao Các bể chứa và những hệ thống giá đỡ, rãnh thải thoát nước phải đủ chắc

để đỡ vật liệu lọc Đồng thời, đá tảng và đá cuội là một vật liệu lọc tương đối bền lâu dài, một khi sắp xếp vào trong một bể lọc nó rất khó di chuyển Nhìn chung, giá bảo dưỡng và

giá của các bể chứa vật liệu lọc sinh học rất cao làm cho chúng ít thích hợp cho mô hình

nuôi trồng thủy sản

Những tấm đệm sợi lưới (Fiber Mesh Pads): Những tấm đệm sợi lưới được sử dụng làm vật liệu lọc sinh học khá phổ biến trên thế giới Những tấm đệm này là những sợi mỏng được tạo thành những miếng dày Chúng có cả chức năng sử dụng làm lưới chắn để loại bỏ các chất lơ lửng trong nước trước khi tiến hành xử lý Đây là vật liệu có trọng lượng nhẹ, diện tích bề mặt riêng lớn trên một đơn vị thể tích trong các loại vật liệu lọc Hạn chế có tấm đệm sợi lưới đường kính thoát nước tự do rất nhỏ và nhanh chóng bị tắc và mất hiệu lực lọc Quá trình sử dụng luôn có xu hướng bị tắc, rất khó khăn để làm sạch và tái sinh những tấm đệm Tiêu biểu, những tấm đệm sợi lưới yêu cầu rất nhiều lao động để làm sạch Hạn chế nữa là khó khăn khi lắp đặt số lượng lớn những tấm đệm lưới cho một hệ thống sản xuất Bởi vì những tấm đệm rất cần sự hỗ trợ các giá đỡ trong không gian rộng lớn của bể lọc để

giữ cho chúng luôn hướng dòng chảy nước chính xác

Vật liệu lọc có cấu trúc ngẫu nhiên tách rời (Random or Dumped Packing): là những vật liệu làm bằng chất nhựa dẻo thành nhiều khuôn mẫu đa dạng tách rời nhau riêng biệt Những vật liệu lọc này được sử dụng rất nhiều trong công nghệ xử lý nước thải Có rất nhiều hình dạng khác nhau của chất dẻo được ép bằng bơm áp lực và định hình với các diện tích bề mặt riêng bề mặt giêng khác nhau (hình 1.8a) Đây là những vật liệu lọc có thể xếp vào bất kỳ hình dạng nào của các bể lọc khác nhau một cách tốt nhất Một đặc tính có giá trị nhất của những vật liệu lọc này là độ rỗng, đường thoát nước rất lớn và xắp xếp trật tự cao Khả năng chống tắc tốt hơn lọc đệm sợi lưới và đá lọc Vật liệu lọc dạng mảnh và nhỏ, kích thước ngẫu nhiên có thể thích nghi với các dạng bồn chứa rất thuân tiện Đây là vật liệu lọc tương đối hiện đại, một trong những hạn chế chính của nó là giá thành Sự bơm đúc áp lực

là một cách làm đắt tiền và phải có dây truyền công nghệ chế tạo để tạo ra diện tích bề mặt riêng cao.Vật liệu lọc ngẫu nhiên được sử dụng tốt trong hệ thống nuôi nhỏ có giá trị và tải lượng vật chất thấp Chúng dễ sử dụng trong những bể chứa có dạng hình ống nhỏ và chúng

có thể lấp đầy bồn không bị lãng phí vật liệu Nhưng giá tiền cao của vật liệu này có thể đạt đến 30.000.000đ cho một m3

với diện tích bề mặt riêng cao khoảng 400 - 600m2/m3 Đây không thể là vật liệu lọc thích hợp với các trại sản xuất giống cá của nước ta hiện nay Hạn chế của vật liệu đệm lọc này là sức bền cơ học yếu, trọng lượng nhẹ (nên dễ nổi), khả năng thấm nước kém (thời gian thấm ướt hoàn toàn có thể đến vài tháng) Vật liệu đệm này chỉ phù hợp với hệ thống lọc sôi, không phù hợp với bể lọc SBF

Hình 1.8a Vật liệu lọc ngẫu nhiên được định

hình khác nhau

Hình 1.8b Vật liệu lọc cố định dạng tấm

Vật liệu lọc có cấu trúc cố định (Structured Packing): Vật liệu lọc có cấu trúc cố định được sử dụng rộng rãi cho nhiều bể lọc sinh học tuần hoàn nước trong nuôi trồng thủy sản, chúng có đầy đủ những đặc trưng của một vật liệu lọc "lý tưởng" Những vật liệu lọc

có cấu trúc cố định đã được sử dụng vào thực tiễn cho nuôi trồng thủy sản được hơn 30 năm Đây là một kiểu vật liệu lọc cấu trúc cố định và liên kết chặt chẽ với nhau qua các

đường cắt chéo nhau với nhiều nhiều nếp gấp (hình 1.8b) Những vật liệu lọc có cấu trúc cố định là kiểu cấu trúc thông nhau cho thoát nước dễ dàng, được tạo thành bởi những tấm

nhựa PVC (clorua polivinin) Vật liệu lọc này có giá thành thấp trên một đơn vị diện tích bề

mặt PVC là loại nhựa có giá tiền tương đối thấp hơn PP hoặc HDPE Ban đầu PVC là không thấm nước, nhưng ngâm nước theo thời gian sẽ trở lên thấm ướt hoàn toàn (thời gian khoảng 1 tới 2 tuần) Một trong những lợi thế lớn của vật liệu lọc có cấu trúc cố định là sức bền cơ học lớn và trọng lượng nhẹ Một vật liệu lọc với một diện tích bề mặt riêng bề mặt 68m2/m3 sẽ có trọng lượng đạt 40kg/m3 Không giống bất cứ kiểu vật liệu lọc khác, những vật liệu lọc cấu trúc cố định có thể kéo dài bể lọc cao tới trên 3m thậm chí đến 12m Lợi thế khác đối với vật liệu lọc có cấu trúc cố định là chúng có thể xếp đặt vào bất cứ hình dạng nào của bể chứa theo thiết kế Nhược điểm loại vật liệu này là diện tích bề mặt riêng rất thấp, vì vậy khi thiết kế bể lọc phải rộng và rất cao mới bảo đảm công suất cho xử lý nước thải sau nuôi có tải lượng vật chất lớn Do đó khi vận hành hệ thống RAS phải sử dụng điện năng lớn cho bơm nước tuần hoàn trong hệ thống Hơn nữa vật liệu này phải nhập khẩu từ

nước ngoài, thị trường nước ta chưa có

Ở Việt Nam hệ thống xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản bằng hệ thống lọc sinh học không phát triển, thậm chí còn ít được áp dụng trong sản xuất giống cá biển Vì vậy các loại vật liệu lọc sinh học chưa được sản xuất ở Việt Nam vì không có thị trường tiêu thụ

Phân tích và lựa chọn kiểu loại vật liệu lọc cho bể lọc SBF

Những kiểu lọc đệm lưới hoặc tấm lưới là những kiểu giá thể lọc có sẵn ở Việt Nam được sử dụng nhiều vào nuôi cá cảnh có bán phổ biến trên thị trường các đô thị lớn trên toàn quốc Kiểu vật liệu lọc này lọc rất tốt, nhưng nhanh chóng bị tắc Vì vậy chúng được sử dụng làm lớp lọc ban đầu để lọc sạch các chất lơ lửng của nước thải với chiều dày của lớp lọc khoảng 15 - 20cm Với lớp lọc mỏng như vậy việc xử lý hiện tượng bị tắc rất dễ dàng, đồng thời lọc tốt được các chất lơ lửng trong nước thải ban đầu trước khi vào bể lọc sinh học

Những kiểu lọc ngẫu nhiên và đổ đống được đúc bằng bơm áp lực có diện tích bề mặt riêng bề mặt lớn, ít bị tắc rất ưu việt cho nuôi trồng thủy sản, nhưng giá rất đắt khoảng 25 -

30 triệu đồng cho 1m3 có diện tích bề mặt riêng khoảng 600 - 800m2/m3 Hơn nữa, nếu chế tạo ban đầu phải chi phí khuôn đúc giá có thể còn cao hơn nhiều Trong điều kiện kinh tế của nước ta hiện nay, trình độ sản xuất, nuôi trồng thuỷ sản thấp, thu nhập kinh tế chưa cao, giá thành sản phẩm thấp với các kiểu vật liệu lọc này không thể đưa vào áp dụng cho sản xuất

Kiểu vật liệu lọc có cấu trúc cố định sử dụng cho nuôi trồng thủy sản rất tốt, không bị tắc, nhưng diện tích bề mặt riêng bề mặt nhỏ, để tăng cao diện tích bề mặt riêng bề mặt phải tăng cao chiều cao của bể lọc khoảng 4 - 8m thậm chí 10 - 12m Vì vậy, phải sử dụng máy bơm đưa nước thải lên rất cao chi phí tiền điện rất tốn kém Hơn nữa, giá chế tạo kiểu loại vật liệu lọc này cao vì phải sử dụng khuôn và đúc bằng bơm áp lực Tương tự như các loại vật liệu lọc đổ đống, khả năng áp dụng của nghề nuôi trồng thủy sản của nước ta rất hạn chế nếu nghiên cứu chế tạo kiểu loại vật liệu lọc này

Kiểu vật liệu lọc bằng đá tảng và cuội được áp dụng sớm nhất trên thế giới và cũng là những vật liệu lọc rẻ tiền dễ kiếm được ở nhiều nơi Tuy nhược điểm dễ bị tắc, nhưng bù lại

có sức bền cơ học cao, dễ thấm nước thuận tiện cho màng sinh học phát triển Để chống tắc chúng ta có thể khắc phục bằng thiết kế hệ thống và chế tạo vật liệu có diện tích bề mặt riêng bề mặt vừa phải Nhưng quan trọng nhất là giá vật liệu lọc phải rẻ phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam và các trại sản xuất có thể chấp nhận được, cũng như chức năng lọc sinh học phải tốt

Có hai loại vật liệu được lựa chọn làm vật liệu lọc đó là vật liệu lọc có sẵn trong tự

nhiên (đá san hô chết) và vật liệu lọc sẽ chế tạo thử nghiệm (Đá sét zeolit) Các loại vật liệu lọc sinh học này dễ dàng khai thác trong tự nhiên hoặc chế tạo đơn giản mà các trang trại nuôi trồng thủy sản có thể tự sản xuất lấy khi có nhu cầu phát triển và ứng dụng trong hệ thống xử lý tuần hoàn nước

Đá san hô chết:

Đá san hô chết là nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên và phân bố phổ biến dọc dải ven biển Việt Nam Chúng thường tập trung số lượng lớn trên các bãi biển ven bờ và các đảo, nhiều nhất ở các bãi biển trên các khu vực có rạn san hô sống Đá san hô có nhiều kích thước khác nhau, đa dạng về hình dáng có độ rỗng và đường kính thoát nước tự do tương đối cao Đặc biệt, đá san hô có bề mặt lồi lõm, bên trong có nhiều lỗ nhỏ thông nhau, đây là các xúc tu bắt mồi của san hô khi còn sống Dọc theo chiều dài của các cục đá san hô là đường ống rỗng vốn sẵn là thân sống của san hô Vì vậy, đá san hô có diện tích bề mặt riêng, độ rỗng cao hơn hẳn so với đá cuội cùng kích thước Kết quả nghiên cứu xác định diện tích bề mặt riêng của đá san hô dao động trong khoảng 200 - 350m2/m3 [2] Tuy nhiên, nhược điểm của đá san hô khi sử dụng làm vật liệu lọc sinh học là các vấn đề sau đây:

++++ Thành phần hoá học của đá san hô chủ yếu là CaCO3 và MgCO3 khi lọc hoàn lưu nước biển sẽ hoà tan cacbonat Ca và Mg làm mất cân bằng ion trong nước biển của các bể ương nuôi và tăng cao độ cứng

++++ Tuy đá san hô có diện tích bề mặt riêng bề mặt lớn, nhưng bên trong và bề mặt đá san

hô có rất nhiều lỗ rỗng khi các màng sinh học phát triển, chúng không được tróc ra dẫn đến tích luỹ các chất hữu cơ cao bên trong đá Vì vậy, tiêu hao oxy rất lớn làm tăng tải lượng lọc Ngoài ra, trong từng viên đá lọc sẽ phát thải ra các chất kị khí như

H2S, S - SO32-, Si - Si2O32-… và các chủng vi khuẩn có hại cho sức khoẻ của cá trong các bể nuôi

++++ Mặc dù đá san hô có phân bố rất phổ biến dọc ven biển và các đảo của nước ta, nhưng không phải nơi nào cũng có thể khai thác được dễ dàng để làm vật liệu lọc Hơn nữa, khi khai thác đá san hô trên các bãi biển sẽ làm mất đi cảnh quan thiên nhiên bãi biển

sẽ tác động tiêu cực đến các hệ sinh thái san hô Thường các bãi biển phân bố đá san

hô đều là các trung tâm du lịch biển rất có giá trị của nước ta Khai thác đá san hô là phá đi các bãi tắm biển mà bãi tắm là tài nguyên có giá trị nhất của các khu du lịch biển

++++ Hệ thống bể lọc sinh học sử dụng đá san hô làm vật liệu lọc dễ bị tắc, quá trình vận hành phải thường xuyên bảo dưỡng Các chi phí thổi khí, cấp thêm ôxy nguyên chất

và tăng công suất máy bơm… khá tốn kém

Tuy có các nhược điểm kể trên, nhưng đá san hô là vật liệu có sẵn không phải chế tạo mới và là vật liệu lọc có giá trị đối với nuôi cá biển Đặc biệt có giá trị đối với hệ thống ương nuôi có tải lượng cơ chất thấp Khi đó các màng sinh học rất mỏng, chúng vẫn bị bóc màng ra khỏi các lỗ nhỏ bên trong đá san hô, không làm tăng cao tải lượng lọc lên quá lớn

Vật liệu lọc bằng sét zeolit

Sét zeolit được thành tạo từ sét - bùn biển đại dương ngoài biển khơi từ xác của các loài tảo diatom hoặc từ sét caolinit qua công nghệ hoá học Vì vậy, thành phần hoá học chính là Si - SiO32- vô định hình thường chiếm đến 70 - 80%, phần còn lại chủ yếu là các khoáng vật sét có thành phần hoá học là Al2O3 và Fe2O3 chiếm đến 20 - 30% Các khoáng vật sét zeolit có tính hấp phụ cao và trao đổi ion tốt, bản thân khoáng vật sét zeolit luôn mang điện tích âm (-) Khi ở trong môi trường nước chúng có tính hấp phụ các ion dương (+) và các ion hấp phụ đó sẽ được trao đổi nếu có các ion mạnh mang điện tích (+) được đưa vào môi trường nước

Trong nước thải sau nuôi luôn chứa đựng hàm lượng cao các chất hữu cơ và dinh dưỡng khoáng N - NH4+ Sự vô cơ hoá bởi quá trình oxy hoá sinh học của các màng sinh học luôn giải phóng dinh dưỡng khoáng N - NH4+ Vì vậy, khoáng vật sét zeolit có thể hấp phụ hoàn toàn và tự làm sạch môi trường nước, nếu sử dụng sét zeolit làm vật liệu lọc Nước ta có mỏ sét zeolit ở Tây Nguyên với trữ lượng rất lớn đang được khai thác làm nguyên liệu ở dạng bột phục vụ cho nhiều ngành kinh tế khác nhau Hiện nay bột sét zeolit được sử dụng xử lý nền đáy các đầm nuôi tôm để giảm thiểu ô nhiễm N- NH4+

và khí NH3 là nhờ tính hấp phụ của sét zeolit rất hiệu quả

Đặc điểm quan trọng nhất của vật liệu lọc sinh học là diện tích bề mặt riêng cho vi khuẩn dính bám và phát triển Nếu diện tích bề mặt riêng càng cao thì càng có giá trị, tuy nhiên bề mặt riêng càng cao hệ thống lọc càng dễ bị tắc Sử dụng sét zeolit chế tạo vật liệu lọc, chúng ta có thể chế tạo được vật liệu lọc ở nhiều kích thước khác nhau, đạt được diện

tích bề mặt riêng mong muốn vừa có hiệu xuất lọc cao và hệ thống lọc không bị tắc

Bản chất của lọc sinh học là màng lọc vi sinh vật dính bám trên vật liệu lọc sẽ oxy hoá các chất hữu cơ giải phóng khí CO2 và ion NH4+ Tiếp theo ion NH4+ sẽ được oxy hoá bởi các vi sinh vật trong màng sinh học chuyển thành NO2- và NO3- Khi nitơ tồn tại ở dạng ion dương NH4+ trái dấu điện tích với khoáng vật sét zeolit, chúng luôn bị lực hút tĩnh điện đưa ion NH4+ từ môi trường nước thải đi qua vào bề mặt màng sinh học Vì vậy, ion NH4+ bị oxy hoá bởi các vi sinh vật đạt hiệu suất rất cao chuyển hoá thành NO2- và NO3- Nhưng các ion

NO2- và NO3- ở bên trong màng sinh học có điện tích âm (-) cùng dấu với điện tích của khoáng vật sét zeolit, do đó các ion NO2- và NO3- bị đẩy ra khỏi màng sinh học vào môi trường nước

Như vậy, vật liệu lọc sinh học được chế tạo bằng sét zeolit ngoài chức năng lọc sinh học, còn có chức năng hấp phụ và trao đổi ion Chính chức năng hấp phụ và trao đổi ion của khoáng vật sét zeolit đã làm tăng cao giá trị vật liệu lọc sinh học khi sử dụng môi trường lọc bằng sét zeolit Tính hấp phụ của sét zeolit còn hấp phụ các kim loại nặng, các hợp chất hữu

cơ độc hại và các chất ô nhiễm khác làm cho nước trong hệ thống hoàn lưu lọc sinh học hoàn toàn sạch Khi kết thúc mùa vụ sản suất các vật liệu lọc sinh học bằng sét zeolit được hoàn nguyên trở lại bằng hoá học nhờ đặc điểm trao đổi ion Do đó, duy tu và bảo dưỡng tốt hơn và sử dụng được lâu dài

Vật liệu đệm lọc đá san hô chết và đá sét zeolit đạt các tiêu chí về độ cứng, độ thấm nước, độ rỗng và thiết diện (bảng 1.2)

Bảng 1.2 Một số tiêu chí vật liệu lọc bằng đá san hô và zeolite [2]

Có rất nhiều kiểu vật liệu đệm lọc làm giá mang cho màng sinh học được sử dụng trong nuôi trồng thuỷ sản Mỗi kiểu khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm nhưng quan trọng là phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt nam So sánh kiểu loại vật liệu đệm lọc phổ biến trên thế giới với hai kiểu vật liệu lọc được chế tạo tại Việt Nam (bảng 1.2) để đưa vào sử dụng

So với các loại vật liệu lọc phổ biến được sử dụng hiện nay thì hai kiểu vật liệu lọc được chế tạo có giá trị tương đương với kiểu vật liệu lọc có cấu trúc cố định và dạng khuyên, vòng quả cầu, bằng nhựa

Xếp theo thứ tự thì kiểu vật liệu bằng sét zeolit chỉ đứng sau kiểu vật liệu lọc có cấu trúc cố định

Bảng 1.3 So sánh và đánh giá một số đặc điểm quan trọng của vật liệu lọc sinh học được chế tạo

và các vật liệu lọc sinh học khác trên thế giới [2]

Đá cuội nhỏ

Đá cuội lớn

Đệm lưới tổng hợp

Đệm bông tổng hợp

Vòng, cầu, khuyên nhựa…

Cấu trúc

cố định bằng nhựa Diện tích bề

Như vậy, vật liệu đệm lọc bằng đá san hô và sét zeolit đóng rắn đáp ứng các tiêu chuẩn sử dụng trong bể lọc sinh học ngập nước (SBF) của hệ thống RAS Vật liệu đệm lọc bằng sét zeolit lần đầu tiên được chế tạo thử nghiệm và áp dụng tại Việt Nam

1.4.2 Một số thông số tiêu chuẩn bể lọc SBF của hệ thống RAS ứng dụng sản

Chuyển hóa TAN thành nitrat tiêu thụ độ kiềm theo phương trình (1.3) Trong thực

tế, độ kiềm ở dạng cacbonat và bicacbonat là một nguyên tố dinh dưỡng cho vi khuẩn nitrat hóa Ngoài ra, độ kiềm cung cấp khả năng đệm cần thiết để ngăn chặn những thay đổi pH do

sự sản sinh axít trong quá trình nitrat hóa Vì vậy, tác động của độ kiềm đến tốc độ nitrat hóa liên quan đến pH Villaverde và ctv năm 1997 đã nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình nitrat hóa trong bể lọc sinh học nhỏ giọt, kết quả cho rằng hiệu suất nitrat hóa tăng tuyến tính khoảng 13% trên mỗi đơn vị giá trị pH tăng từ 5,0 - 8,5 [150] Một vài công trình khác nghiên cứu mối quan hệ giữa pH và độ kiềm và thấy rằng giữa độ kiềm (tính theo mg CaCO3/l) và pH chúng có mối tương quan tuyến tính Hệ số phương trình hóa học là để ôxy hóa 1mg TAN tiêu thụ khoảng 7,1 mg CaCO3 Chen và ctv năm 1989 cho rằng tốc độ nitrat hóa giảm khi độ kiềm dưới 40 g/m3 [25] Gujer và Boller năm 1986 kết luận rằng trong bể lọc sinh học thực hiện quá trình nitrat hóa sử dụng xử lý nước thải dân sự, yêu cầu độ kiềm

ít nhất 75 mg/l (đây là độ kiềm cần thiết để duy trì tốc độ nitrat hóa tối đa) [55] Yêu cầu độ kiềm trong nước nuôi trồng thủy sản theo tiêu chuẩn ngành 28TCN 171: 2001 trong khoảng

80 -120 mg/l [1] Vì vậy, độ kiềm trong nước thải của RAS là khoảng độ kiềm tối ưu của bể lọc SBF

Bể lọc SBF ứng dụng trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển thực hiện tại Việt Nam trong điều kiện nước có độ muối 20 – 32‰ Vì vậy, nguyên vật liệu, thiết bị phải có khả năng chịu được nước mặn Bể lọc sinh học ổn định nhiệt độ, v.v… Ngoài ra, một số quan điểm lựa chọn bể lọc SBF phù hợp với điều kiện phát triển nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam

đó là: kiểu loại phổ biến trên thế giới áp dụng cho các trang trại sản xuất đơn giản, hiện đang nuôi giống cá biển và nuôi cá thương mại Thiết kế đơn giản, dễ xây dựng, quản lý và vận hành thuận tiện Các nguồn vật liệu xây dựng, vật liệu lọc, máy móc thiết bị phải phổ biến Chi phí xây dựng thấp, vận hành tiết điện năng

Qua phân tích các công trình nghiên cứu đã công bố của thế giới, quan điểm lựa chọn bể lọc sinh học ứng dụng trong hệ thống RAS, đề tài lựa chọn mô hình bể lọc SBF với đệm lọc cố định Một số tiêu chuẩn bể lọc SBF trong hệ thống RAS ứng dụng sản xuất như sau:

- Bể lọc SBF đặt dưới mặt đất để không ảnh hưởng đến không gian các bể nuôi và tiết kiệm diện tích, khả năng cách nhiệt tốt

- Nước thải vào từ các bể nuôi được thiết kế tự chảy vào bể lọc SBF để giảm chi phí bơm nước

- Bể lọc SBF thiết kế đơn giản, dễ vận hành, bảo dưỡng và quản lý thuận tiện, bảo đảm

mỹ quan, không gây mùi khó chịu

- Bể lọc SBF có cấu trúc phân ngăn (lọc xuôi, lọc ngược) để tăng thời gian lưu của nước qua vật liệu đệm lọc, tăng hiệu suất chuyển hóa

- Vật liệu đệm lọc phổ biến trong tự nhiên hoặc dễ mua, có cấu trúc trơ, không bị ăn

mòn, có độ cứng cao để chịu lực, chịu mặn và chịu được ngập nước Vật liệu phải trơ với các tia cực tím, không thối rữa, chịu được tác dụng với các hoá chất như: kiềm mạnh, axit yếu, hypoclorite….độ bền cơ học, chịu mài mòn

Mặt khác, một số nhược điểm cần khắc phục của bể lọc SBF là nước thải đi qua khoảng trống giữa các vật liệu lọc có tải lượng nhỏ Do đó, các chất rắn lơ lửng dễ dàng tích

tụ bên trong vật liệu lọc tạo thành những điểm, khu vực tắc cục bộ sẽ tốn chi phí cấp khí áp lực đẩy thông khe hở của vật liệu lọc, tốn chi phí điện năng Vì vậy, chất rắn lơ lửng được lọc qua lớp bông tổng hợp trước khi vào bể lọc sinh học

Bể lọc SBF thực hiện quá trình nitrat hóa tiêu thụ ôxy, cần có hệ thống cấp khí liên tục Cần phải dự phòng hệ thống cấp khí liên tục O2 từ không khí hoặc O2 nguyên chất sẽ gây thêm sự tốn kém về chi phí xây dựng và vận hành

1.4.3 Cách tiếp cận hướng nghiên cứu của luận văn

Trên cơ sở phân tích tổng quan những vấn đề còn tồn tại của các hệ thống RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học trên thế giới và tại Việt Nam Cách tiếp cận nghiên cứu của luận văn được đặt ra là:

a) Cách tiếp cận thiết kế nghiên cứu:

Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô thí nghiệm, ứng dụng kết quả ở quy mô thí nghiệm, thực hiện ở quy mô thử nghiệm Ứng dụng kết quả nghiên cứu ở quy mô thử nghiệm thực hiện ở quy mô ứng dụng sản xuất

b) Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu:

- Ở quy mô thí nghiệm: Mô hình thí nghiệm sử dụng cơ chất nhân tạo (pha cơ chất bằng hóa chất tinh khiết) để hạn chế ảnh hưởng của các tạp chất khác Bể nuôi không thả cá vì (thí nghiệm độ mặn từ 0 – 32‰, không thể thả cá trong khoảng độ mặn đó, pH thực hiện thí nghiệm từ pH thấp 6,4 – 8,5 trong khi pH đối với môi trường sống của cá từ 7,0 – 8,5) Các thí nghiệm được thực hiện bao gồm:

1) Thí nghiệm xác định thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF;

2) Thí nghiệm ảnh hưởng độ mặn đến quá trình nitrat hóa, khoảng pH tối ưu của quá trình nitrat hóa;

3) Thí nghiệm ảnh hưởng của độ muối đến quá trình chuyển hóa ortho – phốt phát

- Ở quy mô thử nghiệm (Pilot): Mô hình thí nghiệm nuôi thả cá, cơ chất hữu cơ cho quá trình vận hành là thức ăn thừa và chất thải của cá Bể nuôi cá nước mặn Các thí nghiệm được tiến hành ở quy mô thử nghiệm là:

1) Xác định thời gian cố định màng sinh học trong bể lọc SBF quy mô thử nghiệm; 2) Nghiên cứu quá trình nitrat hóa: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng (nhiệt độ, nồng

độ ôxy hòa tan, vật chất hữu cơ);

3) Nghiên cứu phương trình động học của quá trình nitrat hóa;

4) Xác định các thông số của mô hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS; 5) Nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa phốt phát trong bể lọc SBF của hệ thống RAS

- Ở quy mô ứng dụng sản xuất: Vận hành bể lọc SBF với các thông số tối ưu là kết quả của nghiên cứu thí nghiệm và quy mô thử nghiệm Ứng dụng sản xuất nuôi cá giò giống tiến hành:

1) Đánh giá, xác định thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF trên quy mô sản xuất

2) Đánh giá quá trình nitrat hóa: ảnh hưởng của vật chất hữu cơ (nồng độ TAN BOD5/N và C/N) với quy mô thử nghiệm; đánh giá các thông số phương trình động học quy mô sản xuất;

3) Đánh các thông số mô hình bể lọc SBF trong hệ thống RAS khi vận hành ở quy

mô sản xuất;

4) Đánh giá hiệu suất chuyển hóa phốt phát;

5) Đánh giá khẳng định thành công mô hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi cá biển giống

Địa điểm tiến hành triển khai nghiên cứu tại trại giống Ngọc Hải – Đồ Sơn – Hải Phòng Các mẫu phân tích được thực hiện tại Phòng thí nghiệm của 1) Viện Tài Nguyên và

Môi trường Biển; 2) Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I

CH ƯƠ NG 2: V Ậ T LI Ệ U VÀ PH ƯƠ NG PHÁP NGHIÊN C Ứ U

2.1 V ậ t li ệ u nghiên c ứ u

2.1.1 Phương pháp lựa chọn xử lý vật liệu đệm lọc đá san hô

Lựa chọn vật liệu đệm cho bể lọc SBF của hệ thống RAS nuôi giống cá biển là cơ sở quyết định sự thành công của mô hình sản xuất

Vật liệu đệm được lựa chọn là đá san hô chết Đây là nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên và phân bố phổ biến dọc dải ven biển Việt Nam Thường tập trung số lượng lớn trên các bãi biển ven bờ và các đảo, nhiều nhất ở các bãi biển trên các khu vực có rạn san hô sống Đá san hô có nhiều kích thước khác nhau, đa dạng về hình dạng, cấu trúc bề mặt lồi lõm, có độ rỗng và đường kính thoát nước tự do cao, bên trong có nhiều lỗ nhỏ thông nhau, đây là các xúc tu bắt mồi của san hô khi còn sống Ở những lỗ rỗng đó, thường là những nơi thiếu ôxy, và quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ được thực hiện bằng quá trình khử (kị khí) Đá san hô có khả năng bền trong môi trường nước độ mặn cao và thường sử dụng được ngay mà công phải gia công Diện tích bề mặt riêng của đá san hô khoảng 200 - 350m2/m3

Xử lý đá san hô:

- Lựa chọn các bãi đá san hô chết dạng cành trên các bãi biển có nhiều kích thước khác nhau, sạch và được sóng biển đánh nhẵn có mầu trắng Đá san hô dạng cành cây có giá trị cao để làm vật liệu đệm lọc

- Tiến hành phân loại theo kích cỡ bằng sàng với nhiều kích thước khác nhau và tốt nhất phân loại đủ số lượng ba kích thước: dạng cành nhỏ (đường kính khoảng 3 – 5mm), dạng cành trung (đường kính 5 – 10mm) và dạng cành lớn (từ 15mm trở lên) (hình 2.1)

Hình 2.1 Đá san hô cỡ lớn, trung bình và nhỏ

- Ngâm đá san hô trong nước vôi hoặc trong dung dịch kiềm (NaOH) 50 - 100ppm để

xử lý các chất hữu cơ trong thời gian 1 tháng

- Ngâm đá san hô trong nước biển từ một đến hai tuần (khi không xuất hiện mùi thối, quá trình phân hủy các chất hữu cơ kết thúc), khử trùng bằng dung dịch clorin B 200 - 500ppm Khi đó, đá san hô đạt tiêu chuẩn sử dụng làm vật liệu đệm lọc