Tổng quan nghiên cứu

Nghề nuôi tôm đã trở thành ngành kinh tế mũi nhọn tại Việt Nam, đặc biệt ở các tỉnh ven biển như Bình Định, với diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng tăng từ 102 ha năm 2005 lên 385 ha năm 2017, và diện tích nuôi tôm sú cũng tăng từ 953 ha lên 1.447,9 ha trong cùng giai đoạn. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng này kéo theo nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nước thải hồ nuôi tôm do dư lượng thức ăn, chất thải và kháng sinh. Nước thải chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, các chất dinh dưỡng như nitơ, phospho, và các loại kháng sinh như tetracyclin, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá chất lượng nước thải hồ nuôi tôm tại thành phố Quy Nhơn và các vùng lân cận, xác định điều kiện tối ưu cho vật liệu TiO2 biến tính phủ trên pha nền xi măng trong xử lý nước thải, đồng thời kết hợp với chế phẩm vi sinh để nâng cao hiệu quả xử lý. Nghiên cứu tập trung vào việc phân hủy các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa các chất dinh dưỡng và phân giải kháng sinh trong nước thải, nhằm đạt tiêu chuẩn xả thải theo quy định hiện hành.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm với nguồn mẫu nước thải thực tế từ các hồ nuôi tôm tại Bình Định trong năm 2020. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện chất lượng nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển bền vững ngành nuôi tôm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm pH, NH4+, N-tổng, COD, BOD5, TSS, PO43- và hàm lượng kháng sinh tetracyclin.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết xúc tác quang TiO2 và lý thuyết xử lý sinh học bằng chế phẩm vi sinh. Vật liệu TiO2 ở dạng anatase có năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, cho phép kích hoạt phản ứng quang xúc tác dưới ánh sáng tử ngoại, tạo ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh có khả năng oxy hóa và khử các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Việc biến tính TiO2 bằng hợp chất BiOI giúp thu hẹp năng lượng vùng cấm, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, đồng thời giảm khả năng tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

Chế phẩm vi sinh Remediate chứa các chủng vi khuẩn như Bacillus subtilis, Nitrosomonas và Nitrobacter, có khả năng phân hủy các chất hữu cơ, chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat, góp phần cải thiện chất lượng nước thải. Sự kết hợp giữa phương pháp quang xúc tác và vi sinh tạo ra quá trình xử lý nước thải hiệu quả, tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp.

Các khái niệm chính bao gồm: phản ứng quang xúc tác dị thể, năng lượng vùng cấm (Eg), hiệu suất lượng tử, quá trình nitrat hóa sinh học, và các chỉ tiêu chất lượng nước như COD, BOD5, NH4+, PO43-.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước thải hồ nuôi tôm lấy tại thành phố Quy Nhơn và các vùng lân cận tỉnh Bình Định trong năm 2020. Vật liệu TiO2 biến tính phủ trên pha nền xi măng được tổng hợp và khảo sát hoạt tính quang xúc tác trong phòng thí nghiệm. Chế phẩm vi sinh Remediate được sử dụng để xử lý nước thải kết hợp với vật liệu TiO2.

Phương pháp phân tích bao gồm xác định các chỉ tiêu pH (theo TCVN 6492:2011), NH4+ (TCVN 2662:1978), N-tổng (SMEWW 4500-N), COD (TCVN 6491:1999), BOD5 (TCVN 6001:1995), TSS (TCVN 6625:2000), PO43- (SMEWW 4500-P) và hàm lượng tetracyclin bằng phương pháp quang phổ. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel và R để đánh giá hiệu quả xử lý và các yếu tố ảnh hưởng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp vật liệu, khảo sát hoạt tính quang xúc tác, thử nghiệm xử lý nước thải với các điều kiện khác nhau về khối lượng chất xúc tác, nguồn sáng (đèn UV và ánh sáng mặt trời), nồng độ chế phẩm vi sinh và thời gian xử lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chất lượng nước thải ban đầu: Nước thải hồ nuôi tôm có pH dao động từ 7,2 đến 8,5; nồng độ NH4+ khoảng 15-25 mg/L; COD từ 120 đến 180 mg/L; BOD5 từ 60 đến 90 mg/L; TSS khoảng 50-70 mg/L; PO43- từ 3 đến 6 mg/L; hàm lượng tetracyclin khoảng 0,5-1,2 mg/L.

  2. Ảnh hưởng khối lượng vật liệu TiO2: Khi tăng khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị diện tích từ 0,5 g/m² lên 2,0 g/m², hiệu suất xử lý COD tăng từ 45% lên 78% dưới ánh sáng đèn UV, tương tự NH4+ giảm 60% đến 85%. Hiệu quả xử lý tetracyclin đạt 70-90% tùy theo khối lượng chất xúc tác.

  3. Ảnh hưởng nguồn sáng: Sử dụng ánh sáng mặt trời thay cho đèn UV, hiệu suất xử lý COD và NH4+ giảm nhẹ khoảng 5-10%, nhưng vẫn đạt trên 70% hiệu quả xử lý. Điều này cho thấy vật liệu biến tính có khả năng hoạt động tốt dưới ánh sáng khả kiến.

  4. Hiệu quả kết hợp phương pháp vi sinh và quang xúc tác: Khi kết hợp chế phẩm vi sinh Remediate với vật liệu TiO2 biến tính, thời gian xử lý rút ngắn từ 6 giờ xuống còn 3 giờ để đạt tiêu chuẩn xả thải, với hiệu suất xử lý COD đạt 85%, BOD5 giảm 80%, NH4+ giảm 88%, và tetracyclin giảm trên 90%.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của vật liệu TiO2 biến tính phủ trên pha nền xi măng được giải thích bởi khả năng hấp phụ tốt và hoạt tính quang xúc tác mạnh mẽ nhờ sự kết hợp với BiOI, giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến. Việc tăng khối lượng chất xúc tác làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nâng cao khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ và kháng sinh.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất xử lý COD và NH4+ của vật liệu composite BiOI/TiO2 trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội hơn các vật liệu TiO2 thuần túy, đặc biệt khi kết hợp với chế phẩm vi sinh. Việc sử dụng nguồn sáng mặt trời cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế trong điều kiện tự nhiên, giảm chi phí vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ COD, NH4+, BOD5 và tetracyclin theo thời gian xử lý với các điều kiện khác nhau về khối lượng chất xúc tác và nguồn sáng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vật liệu TiO2 biến tính phủ trên pha nền xi măng trong hệ thống xử lý nước thải hồ nuôi tôm nhằm nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ và kháng sinh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các cơ sở nuôi tôm và đơn vị xử lý môi trường.

  2. Kết hợp sử dụng chế phẩm vi sinh Remediate với phương pháp quang xúc tác để rút ngắn thời gian xử lý và tăng hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm. Thời gian triển khai: 3-6 tháng; chủ thể: các trại nuôi tôm và trung tâm nghiên cứu môi trường.

  3. Tăng cường nghiên cứu và ứng dụng nguồn sáng tự nhiên (ánh sáng mặt trời) trong quá trình xử lý để giảm chi phí năng lượng, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  4. Xây dựng quy trình vận hành và bảo trì hệ thống xử lý nước thải kết hợp quang xúc tác và vi sinh đảm bảo hiệu quả lâu dài và khả năng tái sử dụng vật liệu xúc tác. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: các đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Lý, Hóa Môi trường: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu TiO2 biến tính và ứng dụng quang xúc tác trong xử lý nước thải.

  2. Doanh nghiệp và kỹ sư môi trường trong ngành nuôi trồng thủy sản: Áp dụng các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và thủy sản: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy chuẩn xử lý nước thải hồ nuôi tôm phù hợp với thực tế và yêu cầu bảo vệ môi trường.

  4. Các tổ chức phát triển nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để hỗ trợ các dự án cải thiện môi trường nuôi trồng thủy sản, nâng cao nhận thức cộng đồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiO2 biến tính có ưu điểm gì so với TiO2 thông thường?
    TiO2 biến tính với BiOI mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác, giúp xử lý hiệu quả hơn các chất ô nhiễm hữu cơ và kháng sinh trong nước thải.

  2. Tại sao cần kết hợp phương pháp vi sinh với quang xúc tác?
    Phương pháp vi sinh giúp phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy, trong khi quang xúc tác xử lý các hợp chất khó phân hủy và kháng sinh. Kết hợp hai phương pháp giúp xử lý triệt để, rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu quả.

  3. Nguồn sáng nào phù hợp cho quá trình quang xúc tác?
    Nghiên cứu cho thấy đèn UV cho hiệu quả cao nhất, nhưng ánh sáng mặt trời cũng đạt hiệu quả trên 70%, phù hợp với điều kiện tự nhiên và tiết kiệm chi phí năng lượng.

  4. Chế phẩm vi sinh Remediate gồm những vi sinh vật nào?
    Chế phẩm chứa các chủng vi khuẩn Bacillus subtilis, Nitrosomonas và Nitrobacter, có khả năng phân hủy chất hữu cơ, chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat, cải thiện chất lượng nước thải.

  5. Hiệu quả xử lý nước thải đạt được sau khi áp dụng phương pháp kết hợp?
    Hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 85%, BOD5 giảm 80%, NH4+ giảm 88%, và tetracyclin giảm trên 90% trong thời gian xử lý 3 giờ, đạt tiêu chuẩn xả thải hiện hành.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá thành công chất lượng nước thải hồ nuôi tôm tại Bình Định với các chỉ tiêu ô nhiễm chính như COD, BOD5, NH4+, PO43- và tetracyclin.
  • Vật liệu TiO2 biến tính phủ trên pha nền xi măng thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao, đặc biệt khi kết hợp với BiOI, nâng cao hiệu quả xử lý các hợp chất hữu cơ và kháng sinh.
  • Kết hợp phương pháp quang xúc tác với chế phẩm vi sinh Remediate giúp rút ngắn thời gian xử lý và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải hồ nuôi tôm.
  • Nguồn sáng mặt trời có thể được sử dụng hiệu quả trong quá trình quang xúc tác, góp phần giảm chi phí vận hành.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu mở rộng nhằm phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững cho ngành nuôi tôm.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ sở nuôi tôm và đơn vị xử lý môi trường áp dụng công nghệ kết hợp này, đồng thời tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu và quy trình xử lý để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.