Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng nuôi cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus) quy mô lớn tại Việt Nam, đạt diện tích nuôi 6.078 ha và sản lượng 1.250 nghìn tấn vào năm 2017 (VASEP, 2018). Kỹ thuật nuôi thâm canh với mật độ cao (50,3–66,3 con/m²) tiêu thụ lượng lớn thức ăn (1,5–1,6 tấn thức ăn công nghiệp hoặc 3,2–3,6 tấn thức ăn tự chế cho mỗi tấn cá thương phẩm), trong khi cá chỉ chuyển hóa được khoảng 27% Nitơ (N) và 15% Phốt-pho (P) từ thức ăn (De Silva et al., 2010; Anh et al., 2010). Lượng thức ăn dư thừa cùng chất thải bài tiết làm tích tụ nồng độ lớn các hợp chất đạm ($NH_4^+-N, NO_2^--N, NO_3^--N, TN$) và lân ($PO_4^{3-}-P, TP$) trong nước ao. Trung bình mỗi tấn cá Tra thương phẩm thải ra 9.133,3 m³ nước thải, tương ứng với tải lượng 36,5 kg N và 9,1 kg P (Anh et al., 2010), phần lớn lượng nước này chưa qua xử lý trước khi xả ra môi trường tiếp nhận (Cao Văn Thích, 2008).

Việc áp dụng hệ thống đất ngập nước kiến tạo (ĐNNKT) kết hợp thực vật thủy sinh để xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản đã được nghiên cứu trên thế giới nhưng chưa phổ biến trong nuôi cá Tra tại Việt Nam, do rào cản về yêu cầu diện tích mặt bằng lớn (thường đòi hỏi tối thiểu 10% diện tích ao nuôi) (Lê Anh Tuấn, 2007). Cỏ Mồm mỡ (Hymenachne acutigluma) là loài thực vật nửa ngập nước bản địa phổ biến tại ĐBSCL, có khả năng sinh trưởng nhanh trong điều kiện dinh dưỡng cao và có giá trị sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, các dẫn liệu khoa học về khả năng hấp thu N, P, ngưỡng nồng độ chịu đựng, dạng đạm vô cơ hòa tan thích hợp ($NH_4^+$ và $NO_3^-$), mật độ trồng và chế độ vận hành ĐNNKT dòng chảy mặt xử lý nước thải ao cá Tra của loài cỏ này chưa được xác lập đầy đủ.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu tổng quát: Góp phần giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước mặt từ các ao nuôi thâm canh cá Tra ở ĐBSCL thông qua cơ chế hấp thu dinh dưỡng của thực vật thủy sinh.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Xác định nhu cầu đạm, lân và dạng đạm vô cơ hòa tan (ammonium và nitrate) thích hợp cho sinh trưởng của cỏ Mồm mỡ.
    • Xác định khả năng hấp thu đạm, lân trong nước thải ao nuôi thâm canh cá Tra của cỏ Mồm mỡ ở các mật độ trồng khác nhau.
    • Xác định hiệu suất xử lý nước thải ao nuôi thâm canh cá Tra của cỏ Mồm mỡ kết hợp trong hệ thống ĐNNKT dòng chảy mặt theo chế độ nạp nước mẻ và liên tục ở điều kiện thực nghiệm ngoài đồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Thực vật: Hạt và chồi cỏ Mồm mỡ (Hymenachne acutigluma) thu thập tại các vùng đất ngập nước tự nhiên thuộc thành phố Cao Lãnh, tỉnh Đồng Tháp.
    • Nguồn nước thải: Nước thải từ các ao nuôi thâm canh cá Tra tại huyện Lấp Vò (ven sông Tiền), huyện Tam Nông (vùng nội đồng thị trấn Tràm Chim) và huyện Tân Hồng (ấp Rộc Muống, xã Tân Công Chí), tỉnh Đồng Tháp.
  • Phạm vi không gian: Các thí nghiệm nhà lưới được thực hiện tại Trường Đại học Đồng Tháp; các thử nghiệm pilot ngoài đồng được triển khai tại các vùng nuôi cá Tra thuộc các huyện Tân Hồng, Tam Nông và Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp. Phân tích mẫu nước, thực vật và bùn tại Trung tâm Phân tích Hóa học, Trường Đại học Đồng Tháp.
  • Phạm vi thời gian: Từ tháng 03/2015 đến tháng 11/2017.
  • Phạm vi nội dung: Tập trung vào động thái giảm các hợp chất Nitơ ($NO_2^--N, NO_3^--N, NH_4^+-N, TKN, TN$) và Phốt-pho ($PO_4^{3-}-P, TP$) trong nước thải qua quá trình sinh trưởng và tích lũy sinh khối của cỏ Mồm mỡ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

  1. Đặc tính nước thải và độc tính đạm, lân trong ao nuôi cá Tra: Các nghiên cứu của Huỳnh Trường Giang và ctv. (2008), Trần Kim Hoàng (2008), Nguyễn Hữu Lộc (2009), Phạm Quốc Nguyên và ctv. (2008, 2014a, 2017) đã chỉ ra thành phần hóa lý nước ao cá Tra biến động theo mùa vụ, giai đoạn nuôi và tình trạng bệnh của cá. Độc tính của $NH_3$ và $NO_2^--N$ đối với cá Tra và các loài cá nhiệt đới đã được ghi nhận qua các giá trị $LC_{50}$ (Phạm Quốc Nguyên và ctv., 2012, 2017; Đỗ Thị Thanh Hương và ctv., 2012; Pinto et al., 2007; Qin et al., 1997). Tải lượng $TN$ và $TP$ phát thải dao động từ 25,2–46,8 kg N/tấn cá và 9,9–18,4 kg P/tấn cá (Cao Văn Thích, 2008; Anh et al., 2010; De Silva et al., 2010).
  2. Vai trò của thực vật trong đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải thủy sản: Các công trình kinh điển của Brix (1994, 1997), Vymazal (1995, 2007, 2010, 2011), Kadlec và Wallace (2009) đã phân tích các cơ chế xử lý chất ô nhiễm trong ĐNNKT: cản dòng tạo lắng cơ học, cung cấp giá thể hình thành màng sinh học (biofilm), hấp thu dinh dưỡng vào mô thực vật và vận chuyển oxy từ khí khổng xuống vùng rễ tạo vi môi trường hiếu khí/kỵ khí xen kẽ. Nhiều loài thực vật thủy sinh đã được thử nghiệm xử lý nước thải thủy sản: Cỏ họ Hòa thảo Phalaris arundinacea (Schulz et al., 2004), Cỏ Nến Typha angustifolia và Sậy Phragmites australis (Lin, 2005), Bồn bồn Typha orientalis (Nguyễn Thị Thảo Nguyên và ctv., 2012), Lục bình Eichhornia crassipes (Díaz et al., 2013; Châu Minh Khôi và ctv., 2013; Phạm Quốc Nguyên và ctv., 2015b), Rau muống Ipomoea aquatica (Zhang et al., 2014), Kèo nèo Limnocharis flava (Md Sa’at and Ismail, 2016).
  3. Ảnh hưởng của dạng dinh dưỡng và nồng độ lên thực vật thủy sinh: Marschner (1995), Jampeetong và Brix (2009), Konnerup và Brix (2010), Britto và Kronzucker (2002), Wang et al. (2009) đã chứng minh thực vật có sự thích ứng và đáp ứng khác nhau đối với hai dạng đạm vô cơ $NH_4^+$ và $NO_3^-$. Hầu hết thực vật bán ngập thích nghi hấp thu $NH_4^+$, nhưng nồng độ $NH_4^+$ quá cao dễ dẫn đến ngộ độc rễ và ức chế sinh trưởng.
  4. Nghiên cứu về cỏ Mồm mỡ (Hymenachne acutigluma): Phân loại, phân bố sinh thái học của cỏ Mồm mỡ được ghi nhận bởi Phạm Hoàng Hộ (2003), Võ Văn Chi (2004), Cameron (2003), Finlayson (1993). Đặc tính sinh khối, hàm lượng protein thô và giá trị dinh dưỡng làm thức ăn gia súc được khảo sát bởi Nguyễn Thị Hồng Nhân (2009a, 2009b), Lưu Hữu Mãnh và ctv. (2007). Khả năng xử lý nước thải hầm tự hoại và chuồng bò của cỏ Mồm mỡ bước đầu được kiểm nghiệm bởi Bùi Trường Thọ (2012), Trương Hoàng Đan và ctv. (2013), Nguyễn Thị Diệp Chi và Nguyễn Thị Hồng Nhân (2014).

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Mặc dù cỏ Mồm mỡ cho thấy tiềm năng sinh trưởng tốt tại vùng ngập nước ĐBSCL, chưa có công trình nào đánh giá có hệ thống về:

  • Giới hạn chịu đựng, nhu cầu tối ưu về nồng độ N, P và tỷ lệ N:P của cỏ Mồm mỡ trong môi trường nước thải nuôi cá Tra.
  • Sự ưu tiên hấp thu giữa hai dạng đạm vô cơ hòa tan $NH_4^+-N$ và $NO_3^--N$ cùng các triệu chứng hình thái học khi mất cân bằng dạng đạm.
  • Mật độ trồng ngoài đồng tối ưu và các thông số vận hành thủy lực (thời gian lưu nước HRT, chế độ nạp nước mẻ và liên tục) trong hệ thống ĐNNKT dòng chảy mặt xử lý nước thải ao cá Tra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết động học hấp thu chất dinh dưỡng khoáng của thực vật thủy sinh (Phytoremediation), lý thuyết chuyển hóa vật chất trong đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt (Surface Flow Constructed Wetland - SF CW), bao gồm chu trình biến đổi Nitơ (ammonification, nitrification, denitrification, hấp thu sinh học, bay hơi $NH_3$) và chu trình Phốt-pho (lắng tụ, hấp phụ bề mặt nền đất, hấp thu vào sinh khối).

Tác động qua lại giữa nồng độ $NH_3$ và ion $NH_4^+$ theo nhiệt độ và pH được xác định theo mô hình toán học của Emerson et al. (1975): $$f_{NH_3} = \frac{1}{10^{pK_a - pH} + 1}$$ Trong đó: $pK_a = 0,09018 + \frac{2729,92}{T_{Kelvin}}$ ($T_{Kelvin} = 273,15 + T^\circ C$).

Thiết kế chuỗi thí nghiệm thực nghiệm

Luận án được tổ chức thành 5 bước thí nghiệm nối tiếp từ quy mô nhà lưới có kiểm soát đến mô hình pilot ngoài đồng ruộng:

Ký hiệu TN Mục tiêu nghiên cứu Quy mô & Bố trí nghiệm thức Thời gian & Địa điểm
TN 1.1 Nhu cầu nồng độ N 5 mức N: 5, 10, 20, 30, 60 mg N/L; theo dõi 6 tuần. 03/2015–05/2015 (Nhà lưới ĐH Đồng Tháp)
TN 1.2 Nhu cầu nồng độ P 5 mức P: 1, 2, 4, 8, 10 mg P/L; theo dõi 6 tuần. 03/2015–05/2015 (Nhà lưới ĐH Đồng Tháp)
TN 1.3 Tỷ lệ nồng độ N:P Tỷ lệ N:P (1,6:1 đến 60:1), môi trường thủy canh và có bùn. 06/2015–08/2015 (Nhà lưới ĐH Đồng Tháp)
TN 1.4 N, P đến sinh trưởng, phát triển 3 tổ hợp: 60N:5P, 120N:5P, 180N:10P (mg/L); theo dõi đến trổ hoa. 07/2016–11/2016 (Nhà lưới ĐH Đồng Tháp)
TN 2 Tỷ lệ $NH_4^+-N : NO_3^--N$ 5 tỷ lệ: 4:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:4 (nền 120 mg N/L, 5 mg P/L, có bùn). 06/2016–07/2017 (Nhà lưới ĐH Đồng Tháp)
TN 3 Mật độ trồng ngoài đồng 4 mật độ: 10, 20, 30, 40 chồi/m² trên ruộng ngập nước. 02/2017–05/2017 (Tân Hồng, Đồng Tháp)
TN 4.1 Thăm dò ĐNNKT mẻ Mật độ 18, 36, 54 chồi/m² (che phủ 25%, 50%, 75%); HRT 21, 45, 69, 93h; sục khí/không sục khí. 09/2015–07/2017 (Lấp Vò, Đồng Tháp)
TN 4.2 Pilot ĐNNKT theo mẻ Ô $30\text{ m}^2$ ($15 \times 2 \times 0,6\text{ m}$), mật độ 36 chồi/m², HRT 93h, không sục khí. 06/2017–08/2017 (Tam Nông, Đồng Tháp)
TN 5 Pilot ĐNNKT liên tục Kênh $4\text{ m}^2$ ($8 \times 0,5 \times 0,35\text{ m}$), mật độ 36 chồi/m², tải nạp 7 và 14 L/phút (HRT 3,5 và 7,0h). 07/2017–09/2017 (Lấp Vò, Đồng Tháp)

Phương pháp phân tích và xử lý dữ liệu

  • Chỉ tiêu chất lượng nước: Đo đạc tại chỗ pH, DO, nhiệt độ, EC bằng máy đo chuyên dụng. Phân tích phòng thí nghiệm theo Tiêu chuẩn Chuẩn (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater): $TSS$ (sấy $105^\circ C$), $COD$ (chuẩn độ permanganate/đo quang), $NH_4^+-N$ (phenate), $NO_2^--N$ (so màu sulfanilamide), $NO_3^--N$ (khử cadmium), $TKN$ (Kjeldahl), $PO_4^{3-}-P$ (ascorbic acid), $TP$ (công phá persulfate).
  • Chỉ tiêu thực vật và bùn: Xác định sinh khối tươi (SKT), sinh khối khô (SKK, sấy $70^\circ C$), tốc độ tăng trưởng tương đối (RGR), TKN, TP trong thân lá và rễ; hàm lượng chất xơ (ADF, NDF, Hemicellulose, Cellulose) và khoáng tổng.
  • Xử lý thống kê: Phân tích phương sai một nhân tố và đa nhân tố (ANOVA), kiểm định Duncan/Tukey, phân tích tương quan tuyến tính Pearson ($r_p$), phân tích thành phần chính (PCA) trên các phần mềm thống kê chuyên ngành (SPSS/Statgraphics).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Trình bày bối cảnh phát triển nuôi thâm canh cá Tra tại ĐBSCL, tính toán định lượng về phát thải N và P từ hoạt động nuôi chưa qua xử lý, phân tích các rào cản công nghệ hiện tại và sự cần thiết phải lựa chọn các loài thực vật bản địa có giá trị kinh tế như cỏ Mồm mỡ (Hymenachne acutigluma) tích hợp vào hệ thống ĐNNKT. Xác định rõ mục tiêu tổng quát, 3 mục tiêu cụ thể, 5 nội dung nghiên cứu, đối tượng, phạm vi không gian - thời gian, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và 5 điểm mới của đề tài.

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Tổng hợp toàn diện các cơ sở lý luận và bằng chứng thực nghiệm về:

  1. Sinh thái và môi trường sống của cá Tra (Pangasianodon hypophthalmus), ngưỡng giới hạn chịu đựng đối với nhiệt độ, $H_2S$, $TAN$, $NO_2^--N$, đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02-20:2014/BNNPTNT về cơ sở nuôi cá Tra.
  2. Đặc tính nước thải ao nuôi thâm canh: nồng độ $TN$ (7,86–26,34 mg/L), $TAN$ (0,033–7,56 mg/L), $NO_2^--N$ (0,001–0,35 mg/L), $NO_3^--N$ (0,031–0,9 mg/L), $PO_4^{3-}-P$ (0,001–0,744 mg/L), $TP$ (0,319–4,26 mg/L); sự biến động tải lượng N, P phụ thuộc vào chu kỳ thay nước theo vùng (ven sông lớn đạt 9.133,3 m³/tấn cá; vùng nội đồng thay ít hơn, tải lượng tích tụ trong bùn).
  3. Động học chuyển hóa các chất ô nhiễm trong ĐNNKT: so sánh ưu - nhược điểm của hệ thống chảy mặt và chảy ngầm (ngang, đứng), vai trò của màng sinh học bám rễ, khả năng giải phóng oxy từ rễ thực vật thủy sinh ($0,02\text{--}12\text{ g } O_2/\text{m}^2/\text{ngày}$).
  4. Đặc điểm thực vật học, sinh thái và dinh dưỡng của cỏ Mồm mỡ: khả năng phân bố ở các vùng đất ngập nước từ Bắc vào Nam, chịu ngập sâu đến 2 m, năng suất sinh khối đạt 85,9–297,3 tấn SKT/ha/năm, hàm lượng protein thô cao (13,11%), thích hợp làm thức ăn gia súc.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp

Mô tả chi tiết vị trí thu thập mẫu (cỏ Mồm mỡ tại Cao Lãnh; nước thải tại Lấp Vò, Tam Nông, Tân Hồng), quy trình bố trí 5 thí nghiệm thành phần, hệ thống thiết bị và quy trình phân tích trong phòng thí nghiệm. Thiết kế chi tiết hệ thống ĐNNKT chảy mặt pilot nạp nước theo mẻ (kích thước $15 \times 2 \times 0,6\text{ m}$, nền đất ngập nước tự nhiên, độ dốc đáy thích hợp) và hệ thống liên tục (kênh dẫn $8 \times 0,5 \times 0,35\text{ m}$, điều chỉnh lưu lượng 7 và 14 L/phút). Định nghĩa các công thức tính toán RGR, hiệu quả sử dụng đạm (NUE), hiệu quả sử dụng lân (PUE), cân bằng khối lượng đạm - lân đầu vào/đầu ra và các phương pháp thống kê sinh học áp dụng.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương này tổng hợp các kết quả thực nghiệm đạt được qua các giai đoạn nghiên cứu:

1. Nhu cầu N, P và tỷ lệ N:P của cỏ Mồm mỡ (TN1.1 - TN1.4)

  • Nồng độ tối ưu: Nồng độ N và P thích hợp nhất cho sinh trưởng, tích lũy sinh khối và phát triển hoàn chỉnh của cỏ Mồm mỡ là 120 mg N/L và 5 mg P/L.
  • Ảnh hưởng đơn lẻ: Đạm đóng vai trò chi phối mạnh mẽ đến sự gia tăng chiều cao, số chồi, số lá và sinh khối khô của cây, trong khi nồng độ P ảnh hưởng ít rõ rệt hơn. Nồng độ N thấp (30 mg N/L) hoặc quá cao (180 mg N/L) cùng nồng độ P cao (10 mg P/L) đều gây ức chế tăng trưởng tương đối (RGR).
  • Tỷ lệ N:P: Tỷ lệ mol N:P ở mức 13,3 (trong môi trường có nồng độ 30 và 60 mg N/L) giới hạn sự sinh trưởng và khả năng hấp thu N, P của cỏ Mồm mỡ. Khi phối hợp dinh dưỡng hợp lý, cây hoàn thành chu kỳ sinh trưởng từ giai đoạn đâm chồi đến trổ hoa và tạo hạt hoàn chỉnh.

2. Ảnh hưởng của dạng đạm vô cơ hòa tan $NH_4^+-N : NO_3^--N$ (TN2)

  • Cỏ Mồm mỡ sinh trưởng và hấp thu đạm tốt hơn trong môi trường có ưu thế dạng đạm $NO_3^--N$.
  • Ở các nghiệm thức có nồng độ $NH_4^+-N$ cao (tỷ lệ $NH_4^+-N : NO_3^--N$ là 4:0 và 3:1), đến tuần thứ 8 cây xuất hiện triệu chứng ngộ độc amôn rõ rệt: rễ chuyển sang màu nâu đen, chiều dài rễ bị co ngắn lại, diện tích tiếp xúc giảm và phiến lá bị úng hoại tử (necrosis).

3. Ảnh hưởng của mật độ trồng ngoài đồng (TN3)

  • Mật độ trồng 20–40 chồi/m² cho sinh khối khô tích lũy và hiệu suất hấp thu N, P trên một đơn vị diện tích vượt trội so với mật độ thấp (10 chồi/m²). Mật độ 30–40 chồi/m² nhanh chóng tạo độ che phủ thảm thực vật khép tán trên mặt ruộng ngập nước.

4. Hiệu quả xử lý nước thải trong hệ thống ĐNNKT chảy mặt (TN4 & TN5)

Các thông số vận hành và hiệu suất xử lý chất ô nhiễm của các mô hình ĐNNKT được tổng hợp trong bảng số liệu thực nghiệm:

Mô hình thử nghiệm Điều kiện vận hành Thông số chất lượng nước Hiệu suất loại bỏ (%)
ĐNNKT nạp nước theo mẻ (TN4.2 - Quy mô $30\text{ m}^2$, Tam Nông) - Mật độ: 36 chồi/m² (che phủ 50–75%)
- Thời gian lưu (HRT): 93 giờ
- Không cần bổ sung sục khí nhân tạo		 - $NO_2^--N$
- $NO_3^--N$
- $NH_4^+-N$
- $TN$
- $PO_4^{3-}-P$
- $TP$		 85,0%
82,0%
64,0%
47,0%
71,0%
33,0%
ĐNNKT nạp nước liên tục (TN5 - Kênh $4\text{ m}^2$, Lấp Vò) - Mật độ: 36 chồi/m²
- Tải nạp thủy lực: 7–14 L/phút
- Thời gian lưu (HRT): 3,5–7,0 giờ		 - $TSS$
- $COD$
- $NH_4^+-N$
- $TN$
- $PO_4^{3-}-P$
- $TP$		 49,0–63,5%
30,8–48,5%
91,9–96,6%
38,9–40,7%
14,0–20,3%
11,7–14,9%
  • Năng suất sinh khối và thu hồi dinh dưỡng: Hệ thống ĐNNKT theo mẻ đạt năng suất sinh khối tươi cỏ Mồm mỡ 73,7 tấn/ha/lần cắt (tương đương 12,3 tấn chất khô/ha/lần thu hoạch), trực tiếp loại bỏ 20,3% lượng N và 20,2% lượng P đưa vào qua nước thải đầu vào.
  • Quy chuẩn đầu ra: Nước thải sau xử lý qua hệ thống có trồng cỏ Mồm mỡ đạt tiêu chuẩn QCVN 02-20:2014/BNNPTNT (nước cấp cho nuôi cá Tra) và QCVN 08-MT:2015/BTNMT (chất lượng nước mặt bảo tồn động vật thủy sinh), có thể tuần hoàn tái sử dụng cấp lại cho ao nuôi.
  • Giá trị dinh dưỡng sinh khối: Sinh khối thân lá cỏ Mồm mỡ thu hoạch từ hệ thống ĐNNKT có hàm lượng protein thô cao, xơ tiêu hóa tốt, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn thức ăn thô xanh cho gia súc.

Chương 5: Kết luận và đề xuất

Tổng kết toàn bộ 5 kết luận cốt lõi về ngưỡng dinh dưỡng, dạng đạm, mật độ trồng và hiệu quả xử lý của hai phương thức vận hành hệ thống ĐNNKT. Nêu các kiến nghị ứng dụng mô hình theo mẻ cho các vùng nội đồng (lưu lượng thải thấp, ô nhiễm cao) và mô hình liên tục cho các trang trại lớn ven sông.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xác lập giới hạn sinh lý dinh dưỡng của loài cỏ Mồm mỡ (Hymenachne acutigluma): Chứng minh ngưỡng nồng độ tối ưu cho sinh trưởng và phát triển hoàn chỉnh là 120 mg N/L và 5 mg P/L; làm sáng tỏ sự mẫn cảm của cây đối với nồng độ đạm và tỷ lệ mol N:P.
  2. Làm rõ cơ chế đáp ứng dạng đạm vô cơ hòa tan: Xác định cỏ Mồm mỡ thích ứng tốt hơn với đạm dạng $NO_3^--N$. Cung cấp bằng chứng thực nghiệm về hiện tượng ngộ độc amôn ($NH_4^+-N$) ở nồng độ cao (tỷ lệ 4:0 và 3:1 sau 8 tuần), gây thối đen rễ và hoại tử mô lá. Đây là cơ sở khoa học then chốt để kiểm soát điều kiện sục khí/oxy hóa nhằm thúc đẩy quá trình nitrate hóa trong các hệ thống ĐNNKT.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Quy trình thiết kế và thông số vận hành hệ thống ĐNNKT chảy mặt:
    • Vận hành theo mẻ: Mật độ trồng 36–54 chồi/m² (độ che phủ 50–75%), thời gian lưu nước 93 giờ, không cần tiêu tốn năng lượng sục khí, thích hợp áp dụng cho các cơ sở nuôi cá Tra vùng nội đồng có lượng nước thải phát thải theo đợt và nồng độ ô nhiễm cao.
    • Vận hành liên tục: Thời gian lưu nước ngắn từ 3,5 đến 7,0 giờ (tải nạp 7–14 L/phút), hiệu suất loại bỏ $NH_4^+-N$ đạt 91,9–96,6%, nước đầu ra đạt QCVN 02-20:2014/BNNPTNT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT, cho phép tuần hoàn tái sử dụng nước nuôi.
  2. Mô hình kinh tế tuần hoàn sinh thái: Thu hoạch định kỳ sinh khối cỏ Mồm mỡ (đạt 12,3 tấn chất khô/ha/lần cắt) vừa loại bỏ triệt để N, P ra khỏi hệ thống sinh thái ao nuôi, vừa cung cấp nguồn thức ăn xanh giàu dinh dưỡng cho ngành chăn nuôi gia súc tại ĐBSCL.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng hệ thống ĐNNKT chảy mặt kết hợp cỏ Mồm mỡ vào quy hoạch phân vùng xử lý nước thải ao nuôi thâm canh cá Tra tại các địa phương vùng ĐBSCL.
  • Thiết lập chế độ cắt tỉa thu hoạch sinh khối định kỳ (chu kỳ 60–75 ngày) nhằm duy trì tốc độ sinh trưởng tối đa của thảm cỏ, ngăn chặn hiện tượng tái giải phóng dinh dưỡng khi cây già cỗi phân rã.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các thí nghiệm thực địa mới được triển khai trong phạm vi tỉnh Đồng Tháp (huyện Tân Hồng, Tam Nông, Lấp Vò) trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến 2017, chưa bao quát toàn bộ các tiểu vùng sinh thái khác nhau của vùng ĐBSCL (vùng ảnh hưởng xâm nhập mặn hoặc vùng ngập lũ sâu).
  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các chỉ tiêu dinh dưỡng đa lượng (N, P), chất hữu cơ ($COD, TSS$), chưa đánh giá động thái của các hóa chất, kháng sinh hoặc kim loại nặng thường phát sinh trong bùn đáy ao nuôi thâm canh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Khảo sát sự tích tụ và khả năng chuyển hóa các hợp chất kháng sinh, hóa chất xử lý ao nuôi trong mô thực vật cỏ Mồm mỡ để đảm bảo an toàn sinh học khi sử dụng làm thức ăn chăn nuôi.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế kết hợp đa tầng: lắng cơ học kết hợp ĐNNKT chảy mặt trồng cỏ Mồm mỡ và hồ sinh học hoàn thiện nhằm giảm thiểu hơn nữa diện tích đất chiếm dụng của hệ thống xử lý.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và giá trị ứng dụng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Đất đai và Nguồn nước, Nuôi trồng Thủy sản: Tham khảo phương pháp thiết kế thí nghiệm từ phòng thí nghiệm/nhà lưới đến mô hình pilot ngoài đồng ruộng; phương pháp cân bằng khối lượng đạm, lân ($mass\text{ }balance$) và kỹ thuật phân tích hóa lý môi trường nước/thực vật.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy về công nghệ sinh thái xử lý nước thải, kỹ thuật đất ngập nước kiến tạo (Constructed Wetlands) và sinh thái học thực vật thủy sinh bản địa.
  • Cán bộ quản lý môi trường, Chi cục Thủy sản và người nuôi cá Tra: Ứng dụng các thông số kỹ thuật (HRT 93h cho vận hành mẻ, HRT 3,5–7h cho vận hành liên tục, mật độ 36 chồi/m²) để thiết kế hồ sinh học xử lý nước thải đạt chuẩn xả thải và tái tuần hoàn nguồn nước, giảm chi phí xử lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Nồng độ N, P tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của cỏ Mồm mỡ là bao nhiêu?

Theo kết quả các thí nghiệm nhà lưới trong luận án (TN1.1 đến TN1.4), nồng độ thích hợp nhất cho sinh trưởng, phát triển hoàn chỉnh và tạo hạt của cỏ Mồm mỡ là 120 mg N/L và 5 mg P/L. Sinh trưởng của cây bị ức chế ở nồng độ N thấp (30 mg N/L), nồng độ N quá cao (180 mg N/L) hoặc nồng độ P cao (10 mg P/L).

2. Cỏ Mồm mỡ thích nghi tốt hơn với dạng đạm vô cơ hòa tan nào ($NH_4^+-N$ hay $NO_3^--N$)?

Cỏ Mồm mỡ thích hợp và hấp thu tốt hơn với đạm dạng $NO_3^--N$. Trong điều kiện nồng độ $NH_4^+-N$ chiếm ưu thế cao (tỷ lệ $NH_4^+-N : NO_3^--N$ là 4:0 và 3:1), sau 8 tuần cây biểu hiện ngộ độc amôn rõ rệt: rễ chuyển sang màu nâu đen, ngắn lại và phiến lá bị úng hoại tử.

3. Mật độ trồng cỏ Mồm mỡ tối ưu ngoài đồng là bao nhiêu?

Mật độ trồng tối ưu được xác định từ 20 đến 40 chồi/m². Trong hệ thống ĐNNKT pilot ngoài đồng, mật độ 36–54 chồi/m² (tương ứng độ che phủ mặt nước 50–75%) giúp thảm thực vật sinh trưởng ổn định, đạt hiệu suất xử lý cao nhất và không đòi hỏi sục khí bổ sung.

4. Hiệu suất xử lý nước thải ao cá Tra của hệ thống ĐNNKT vận hành theo mẻ đạt được như thế nào?

Với thời gian lưu nước (HRT) 93 giờ ở mật độ 36 chồi/m², hệ thống ĐNNKT nạp nước theo mẻ sau 2 tháng vận hành đạt hiệu suất loại bỏ: $NO_2^--N$ đạt 85%, $NO_3^--N$ đạt 82%, $NH_4^+-N$ đạt 64%, $TN$ đạt 47%, $PO_4^{3-}-P$ đạt 71% và $TP$ đạt 33%. Sinh khối thu hoạch giúp loại bỏ trực tiếp 20,3% N và 20,2% P trong nước đầu vào.

5. Nước thải sau xử lý bằng hệ thống ĐNNKT liên tục có đạt tiêu chuẩn xả thải không?

Hệ thống ĐNNKT chảy mặt vận hành liên tục với thời gian lưu nước từ 3,5 đến 7,0 giờ đạt hiệu suất xử lý $NH_4^+-N$ lên tới 91,9–96,6%, $COD$ đạt 30,8–48,5% và $TSS$ đạt 49,0–63,5%. Nước đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 02-20:2014/BNNPTNT và QCVN 08-MT:2015/BTNMT, cho phép xả an toàn ra môi trường hoặc tuần hoàn lại ao nuôi.

Kết luận

Luận án đã xác định được các thông số sinh lý dinh dưỡng của cỏ Mồm mỡ (Hymenachne acutigluma) với ngưỡng tối ưu 120 mg N/L, 5 mg P/L và sự thích ứng ưu thế đối với đạm dạng $NO_3^--N$. Ứng dụng cỏ Mồm mỡ trong hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt ở mật độ 36–54 chồi/m² cho hiệu quả xử lý các hợp chất đạm, lân và chất hữu cơ cao ở cả chế độ vận hành theo mẻ (HRT 93 giờ) và vận hành liên tục (HRT 3,5–7,0 giờ). Nước sau xử lý đạt các quy chuẩn xả thải và cấp nước nuôi thủy sản hiện hành, đồng thời việc thu hoạch sinh khối (đạt 12,3 tấn chất khô/ha/lần cắt) tạo ra nguồn thức ăn xanh giá trị cho chăn nuôi, cung cấp giải pháp xử lý nước thải sinh thái bền vững cho ngành nuôi cá Tra tại ĐBSCL.