Luan an lê thanh huyền compressed

Công nghệ xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển đang trở thành một trong những giải pháp quan… 146 trang · Học viện Khoa học và Công nghệ · 2022.

• Tác giả: Lê Thanh Huyền
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Mạnh Hào
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Xử Lý Nitơ Vô Cơ Trong Quản Lý Môi Trường Nuôi Trồng Thủy Sản Ven Biển
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• Lý do lựa chọn đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
• Nội dung nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• Điểm mới của luận án
• Bố cục của Luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới và Việt Nam
• 1.1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới
• 1.1.2. Tình hình NTTS nước lợ ở Việt Nam và Hải Phòng
• 1.2. Ô nhiễm các hợp chất nitơ vô cơ trong nuôi trồng thuỷ sản nước lợ
• 1.3. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm nitơ vô cơ
• 1.3.1. Chu trình chuyển hoá nitơ sinh học trong đầm nuôi thuỷ sản nước lợ
• 1.3.2. Quá trình nitrate hoá
• 1.3.3. Quá trình khử nitrate
• 1.3.4. Quá trình tạo màng nitrate hóa
• 1.4. Các giải pháp xử lý chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong nuôi thuỷ sản nước lợ bằng vi sinh vật
• 1.4.1. Giải pháp tăng cường sinh học
• 1.4.2. Giải pháp kích thích sinh học
• 1.4.3. Giải pháp lọc sinh học
• 2. CHƯƠNG 2: TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu
• 2.1.1. Địa điểm nghiên cứu
• 2.1.2. Thời gian nghiên cứu
• 2.1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Các bước nghiên cứu
• 2.2.2. Phương pháp hồi cứu, kế thừa tài liệu liên quan
• 2.2.3. Làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hoá
• 2.2.4. Đánh giá hiệu quả xử lý amoni và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 100m3
• 2.2.5. Phương pháp quan trắc
• 2.2.6. Phương pháp đánh giá hiệu quả hệ thống RAS và quy trình nuôi
• 2.2.7. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu làm giàu và tạo màng trên giá thể bám của vi khuẩn nitrate hóa định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản
• 3.1.1. Làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hoá
• 3.1.2. Đa dạng hình thái quần xã vi khuẩn nitrate hoá
• 3.1.3. Đa dạng di truyền quần xã vi sinh vật
• 3.1.4. Cô đặc tạo chế phẩm
• 3.1.5. Nghiên cứu lựa chọn giá thể bám
• 3.2. Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả xử lý ammonia và nitrite trong hệ thống lọc tuần hoàn nuôi thuỷ sản quy mô nhỏ
• 3.2.1. Kích hoạt màng nitrate hoá
• 3.2.2. Kết quả nghiên cứu đối với tôm thẻ chân trắng
• 3.2.3. Kết quả nghiên cứu đối với cá rô phi
• 3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý ammonia và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 100m3
• 3.3.1. Kích hoạt màng nitrate hoá (break in)
• 3.3.2. Chất lượng môi trường
• 3.4. Thảo luận về quy trình làm giàu đa bước và hiệu quả xử lý ô nhiễm
• 3.4.1. Quy trình làm giàu đa bước
• 3.4.2. Hiệu quả của quần xã vi khuẩn nitrate trong hệ thống RAS
• 3.5. Đề xuất giải pháp quản lý môi trường NTTS tại Hải Phòng từ các kết quả nghiên cứu của luận án
• 3.5.1. Cơ sở đề xuất giải pháp
• 3.5.2. Đề xuất giải pháp quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH SÁCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển

Công nghệ xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển đang trở thành một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ hệ sinh thái ven biển. Nghiên cứu cho thấy, việc xử lý nitơ vô cơ không chỉ giúp nâng cao năng suất nuôi trồng mà còn bảo vệ môi trường sống của các loài thủy sản.

1.1. Khái niệm về nitơ và vai trò trong nuôi trồng thủy sản

Nitơ là một trong những yếu tố dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của thủy sản. Tuy nhiên, khi nồng độ nitơ trong nước vượt quá mức cho phép, nó có thể gây ra ô nhiễm nghiêm trọng. Việc hiểu rõ về vai trò của nitơ trong hệ sinh thái là rất quan trọng để phát triển các giải pháp xử lý hiệu quả.

1.2. Tình hình ô nhiễm nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển

Ô nhiễm nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển đang gia tăng do hoạt động nuôi trồng không bền vững. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, lượng chất thải từ nuôi trồng thủy sản có thể lên tới hàng trăm ngàn tấn mỗi năm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng nước và hệ sinh thái.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản

Xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là tốc độ sinh trưởng chậm của vi khuẩn nitrate hóa, điều này làm giảm hiệu quả xử lý ammonia và nitrite. Ngoài ra, điều kiện môi trường không thuận lợi cũng ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật này.

2.1. Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hóa

Vi khuẩn nitrate hóa có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa nitơ. Tuy nhiên, tốc độ sinh trưởng của chúng thường chậm hơn so với các nhóm vi khuẩn khác, dẫn đến hiệu quả xử lý thấp trong các hệ thống nuôi trồng.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến vi sinh vật

Điều kiện môi trường như thiếu oxy và nguồn chất hữu cơ dồi dào có thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn nitrate hóa. Việc duy trì môi trường tối ưu là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý nitơ.

III. Phương pháp xử lý nitơ hiệu quả trong nuôi trồng thủy sản

Để xử lý nitơ hiệu quả trong nuôi trồng thủy sản, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các giải pháp như làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hóa, sử dụng màng lọc nitrate hóa và các công nghệ sinh học tiên tiến đang được xem xét.

3.1. Giải pháp làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hóa

Làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hóa từ môi trường tự nhiên là một trong những phương pháp hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng vi khuẩn bản địa có thể nâng cao khả năng xử lý nitơ trong hệ thống nuôi trồng.

3.2. Ứng dụng màng lọc nitrate hóa trong hệ thống RAS

Màng lọc nitrate hóa được ứng dụng trong hệ thống nuôi tuần hoàn (RAS) giúp cải thiện hiệu quả xử lý ammonia và nitrite. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm nước mà còn bảo vệ môi trường ven biển.

IV. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản

Công nghệ xử lý nitơ đã được áp dụng thành công trong nhiều mô hình nuôi trồng thủy sản ven biển. Kết quả cho thấy, việc sử dụng công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ RAS

Nghiên cứu cho thấy, hệ thống RAS với công nghệ xử lý nitơ đã giúp giảm thiểu đáng kể nồng độ ammonia và nitrite trong nước nuôi. Điều này góp phần nâng cao sức khỏe và năng suất của thủy sản.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc áp dụng công nghệ xử lý nitơ

Việc áp dụng công nghệ xử lý nitơ không chỉ bảo vệ môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế cho người nuôi trồng. Năng suất cao hơn đồng nghĩa với lợi nhuận tăng lên, giúp phát triển bền vững ngành nuôi trồng thủy sản.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của công nghệ xử lý nitơ

Công nghệ xử lý nitơ trong nuôi trồng thủy sản ven biển đang mở ra nhiều triển vọng mới. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp xử lý hiệu quả sẽ góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao năng suất nuôi trồng.

5.1. Tương lai của công nghệ xử lý nitơ

Với sự phát triển của công nghệ sinh học, các giải pháp xử lý nitơ sẽ ngày càng hiệu quả hơn. Nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới sẽ giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ hệ sinh thái.

5.2. Định hướng phát triển bền vững ngành nuôi trồng thủy sản

Để phát triển bền vững ngành nuôi trồng thủy sản, cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý nitơ. Điều này không chỉ bảo vệ môi trường mà còn nâng cao giá trị sản phẩm thủy sản.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường (mã số: 9850101) của nghiên cứu sinh Lê Thanh Huyền với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển" được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đỗ Mạnh Hào và GS.TS. Lê Mai Hương (TS. Lê Mai Hương), bảo vệ năm 2022.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hoạt động nuôi trồng thủy sản nước lợ tại Việt Nam phát triển nhanh chóng; tính đến năm 2019, tổng diện tích nuôi trên toàn quốc đạt khoảng 720 nghìn ha với sản lượng khoảng 750 nghìn tấn. Trong đó, diện tích nuôi tôm thâm canh và bán thâm canh đạt hơn 217,4 nghìn ha (chiếm 30% diện tích) và sản lượng đạt 450 nghìn tấn (chiếm 62% tổng sản lượng nuôi tôm cả nước). Kim ngạch xuất khẩu tôm đạt trên 3,36 tỷ USD năm 2019 và được dự báo đạt trên 8,4 tỷ USD vào năm 2025, trên 12 tỷ USD vào năm 2030. Đi kèm với sự phát triển này là lượng chất thải phát sinh hàng trăm ngàn tấn mỗi năm. Trong thức ăn thủy sản, chỉ có khoảng 25% lượng đạm được chuyển hóa thành sinh khối động vật nuôi, còn lại khoảng 75% lượng đạm bị thải ra môi trường nước.

Tại thành phố Hải Phòng, với đường bờ biển dài hơn 250 km, diện tích nuôi trồng thủy sản năm 2021 đạt 11.430,3 ha; diện tích nuôi tôm các loại đạt 2.289,5 ha (tôm sú 1.888,1 ha; tôm thẻ chân trắng 401,4 ha) với sản lượng tôm đạt 6.130,4 tấn (tôm sú 520,4 tấn; tôm thẻ chân trắng 5.610 tấn). Phần lớn các cơ sở nuôi thâm canh (chiếm 80% sản lượng) chưa có hệ thống xử lý nước thải và bùn thải đạt chuẩn, xả trực tiếp ra môi trường. Hằng năm, ngành nuôi trồng thủy sản tại Hải Phòng sử dụng khoảng 100 tấn hóa chất diệt tạp, 10.000 tấn vôi bột, 200 tấn chlorine, 3,5 tấn thuốc tím và phát sinh khoảng 180 triệu m3 nước thải cùng gần 40.000 tấn bùn thải. Các nguồn thải từ lục địa ra biển chiếm 60 - 70%, trong đó hệ thống sông Thái Bình qua cửa Cấm và Bạch Đằng đóng góp 53 - 63%, các chất hữu cơ, nitơ và phốt pho chiếm 27 - 48%.

Công nghệ nuôi tuần hoàn hoàn lưu (RAS) là giải pháp giúp tái sử dụng nước và giảm thiểu xả thải. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của RAS là việc kiểm soát các hợp chất nitơ vô cơ độc hại gồm ammonia (NH4+/NH3) và nitrite (NO2-). Nhóm vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng có tốc độ sinh trưởng rất chậm (thời gian thế hệ kéo dài 12 - 32 giờ, chậm hơn các vi khuẩn dị dưỡng 5 - 10 lần), sinh khối thấp và dễ bị ức chế bởi điều kiện môi trường bất lợi. Các chế phẩm sinh học thương mại từ chủng thuần khiết thường kém thích ứng với môi trường nước lợ bản địa, dễ bị rửa trôi khi vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng tự do. Do đó, việc nghiên cứu làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hóa từ hệ vi sinh vật bản địa và tạo màng dính bám trên các giá thể thích hợp là khoảng trống kỹ thuật cần giải quyết để ứng dụng RAS trong quản lý môi trường ven biển.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá ứng dụng vào hệ thống nuôi trồng thuỷ sản hoàn lưu vùng ven biển để xử lý hiệu quả các hợp chất nitơ vô cơ.

Luận án thực hiện 4 nội dung nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hoá từ môi trường ven biển.
2. Nội dung 2: Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá trên giá thể nhằm định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản nước lợ.
3. Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 1m3.
4. Nội dung 4: Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 100m3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ vi sinh vật nitrate hóa bản địa thu thập tại vùng ven biển Hải Phòng; các vật liệu sẵn có trong nước có tiềm năng làm giá thể dính bám vi sinh vật (đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes, xốp bọt biển, xơ dừa); quy trình xử lý nước tuần hoàn nuôi tôm thẻ chân trắng và cá rô phi.
• Phạm vi không gian: Tập trung tại vùng ven biển Hải Phòng; mẫu trầm tích thu tại rừng ngập mặn Phù Long (huyện Cát Hải); các thử nghiệm làm giàu, tạo màng và vận hành hệ thống tuần hoàn thực hiện tại Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn thuộc Viện Tài nguyên và Môi trường biển.
• Phạm vi thời gian: Thực hiện trong giai đoạn 2017 – 2022 (các đợt quan trắc, phân tích và thực nghiệm tập trung từ 2017 đến 2020).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được luận án tổng hợp

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến ô nhiễm nitơ vô cơ, cơ chế chuyển hóa sinh học và công nghệ xử lý tuần hoàn:

• Nghiên cứu về sự tích tụ và độc tính của nitơ vô cơ: Nghiên cứu tại đầm tôm Quảng Ninh giai đoạn 2008 và 2014 cho thấy nồng độ NH4+ và N-NO2- trong đất đáy ao ở các tầng sâu 30 cm, 60 cm, 90 cm dao động từ 1,28 đến 9,64 mg/kg, tăng dần theo thời gian sử dụng ao. Nghiên cứu độc học xác định NH3 ở mức 0,09 mg/l làm giảm sinh trưởng và ở mức 0,1 mg/l có thể gây chết tôm (nồng độ an toàn yêu cầu NH3 < 0,1 ppm, tương đương 1,33 - 1,53 mg/l TAN ở pH = 8 và nhiệt độ 28 - 30°C). Ấu trùng tôm he Penaeus monodon có giá trị LC50 sau 96 giờ là 0,13 mg NH4+-N/l (tương đương 0,01 mg NH3-N/l); mức an toàn đối với tôm Penaeus paulensis là 0,03 mg NH3-N/l. Hợp chất N-NO2- gây tổn thương mang, tạo methemoglobin hoặc met-hemocyanin làm suy giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu động vật thủy sản với ngưỡng ảnh hưởng dài hạn từ 0,45 mg/l; giá trị LC50 sau 96 giờ của N-NO2- trên động vật không xương sống nước ngọt là 10,00 - 30,00 mg/l, trên cá là 0,25 - 100,00 mg/l, trên sinh vật biển là 10 - 300 mg/l. Nồng độ nitrate (NO3-) vượt quá 50 mg/l kích thích hiện tượng tảo nở hoa.
• Nghiên cứu sinh học vi sinh vật nitrate hóa: Quá trình nitrite hóa gồm bước oxy hóa ammonia thành hydroxylamine (NH2OH) xúc tác bởi ammonia monooxygenase, sau đó chuyển thành nitrite qua enzyme hydroxylamine oxydase và cytochrom P460, đặc trưng bởi các chi Nitrosomonas (Nitrosomonas europaea kích thước 0,4 - 0,6 x 1,0 - 1,8 µm), Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus. Quá trình nitrate hóa oxy hóa nitrite thành nitrate xúc tác bởi nitrite oxydase và cytochrom oxydase aa3, đặc trưng bởi chi Nitrobacter (kích thước 0,8 x 1,0 µm, Gram âm, không sinh bào tử), Nitrospira. Thời gian thế hệ của Nitrosomonas là 0,5 - 2,5 ngày (hệ số sinh khối 0,29 g tế bào khô/g N), của Nitrobacter là 0,3 - 1,5 ngày (hệ số sinh khối 0,08 g tế bào khô/g N). Một số vi khuẩn dị dưỡng có khả năng nitrate hóa và khử nitrate đồng thời như Methylomonas methanica, Pseudomonas methanicus, Thiosphaera pantotropha, Bacillus sp. (nghiên cứu thực nghiệm ghi nhận chủng Bacillus sp. loại bỏ 71,1% COD ban đầu 500 mg/l và 74,7% N-NH4+ ban đầu 45 mg/l). Quá trình phản nitrate hóa diễn ra theo chuỗi: NO3- (+5) -> NO2- (+3) -> NO (+2) -> N2O (+1) -> N2 (0) xúc tác bởi 4 enzyme tương ứng, hoạt động ở pH 6,0 - 8,0, nhiệt độ 5 - 60°C (ngừng hoạt động dưới 2°C) và nồng độ oxy hòa tan <= 0,1 mg/l.
• Nghiên cứu về vi khuẩn cố định trên giá thể: Nghiên cứu của Shan và Obbard (2001) cố định vi khuẩn oxy hóa ammonia trên giá thể đất sét, làm giảm nồng độ TAN trong ao nuôi tôm từ 6 mg/L xuống 0,2 mg/L trong 3 ngày; Kummar và cộng sự sử dụng bể phản ứng tầng đóng gói (PBBR) cố định tổ hợp AMONPCU-1 và NIONPCU-1; Manju và cộng sự thử nghiệm tổ hợp vi khuẩn cố định ở các độ mặn 10, 20 và 32‰, nâng hiệu quả loại bỏ TAN lên gấp hai lần so với đối chứng; các nghiên cứu cố định vi khuẩn trên bentonite, CaCO3, amberlite, zeolite, gỗ cây Ailantus altissima (loại bỏ 2,4 mg TAN/L trong 3 ngày), bông lọc polyetylen (tốc độ nitrate hóa đạt 0,035 mg N/cm3/ngày).
• Tình hình ứng dụng lọc sinh học tại Việt Nam: Viện Công nghệ sinh học nghiên cứu thiết bị lọc quy mô nhỏ nuôi sinh vật cảnh biển; Viện Tài nguyên và Môi trường biển chế tạo thiết bị lọc hoàn lưu từ năm 2004 phục vụ vận chuyển hải sản; Trại giống Thủy sản Ngọc Sơn (Đồ Sơn) vận hành hệ thống mương lọc 4 ngăn kết hợp đá san hô, zeolite, bông lọc và bể rong; Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản III thiết kế hệ thống tuần hoàn kín nuôi cá hồi, cá tầm, bào ngư; mô hình nuôi cá bớp tại Đồ Sơn ghi nhận tốc độ chuyển hóa thể tích TAN (VTR) đạt 60,87 ± 99,8 g/m3/ngày ở quy mô sản xuất; Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thử nghiệm đệm sợi acrylic xử lý nước thải nuôi tôm đạt hiệu suất khử COD 73,7% và N-NH4+ 97,4% ở tải trọng 1,2 kg COD/m3/ngày; Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản II nuôi cá tra tuần hoàn ao 200 m2 với lọc sinh học 28 m2 đạt năng suất 48,9 kg/m3 (tỷ lệ sống 81%, FCR 1,43); Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I ghi nhận hệ lọc hiếu khí xử lý nước nuôi tôm đạt hiệu suất khử N-NH4+ 80% sau 4 giờ; Đại học Cần Thơ thử nghiệm mô hình 0,5 m3 kết hợp bể lọc ngầm và lọc trickling cho tôm thẻ chân trắng.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây phần lớn tập trung vào thử nghiệm thiết bị lọc hoặc sử dụng chế phẩm sinh học từ các chủng thuần khiết phân lập riêng rẽ. Phương pháp này gặp hạn chế do vi khuẩn thuần khiết sinh trưởng chậm, khó lưu giữ và hiệu quả xử lý thực tế không cao. Đồng thời, các nghiên cứu giá thể chỉ khảo sát riêng rẽ từng loại vật liệu, chưa có nghiên cứu so sánh đồng thời 5 loại giá thể phổ biến trên cùng một tổ hợp vi khuẩn bản địa được làm giàu tự nhiên. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng việc xây dựng quy trình làm giàu đa bước từ trầm tích rừng ngập mặn Phù Long, đánh giá đồng thời 5 loại giá thể sẵn có trong nước và kiểm chứng hiệu quả tạo màng trong hệ thống RAS quy mô 1 m3 và 100 m3.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Lý thuyết chu trình chuyển hóa nitơ sinh học: Phân tích cơ chế hai bước của quá trình nitrate hóa tự dưỡng và quá trình phản nitrate hóa dị hóa; chu trình nitơ truyền thống và hiện đại theo Kazuo Isobe và Nobuhito Ohte (2014).
• Động học nitrate hóa: Tương quan giữa tốc độ nitrate hóa và nồng độ cơ chất tuân theo phương trình Monod; nồng độ cơ chất thấp làm tăng tốc độ tuyến tính, nồng độ cơ chất quá cao gây ức chế sinh trưởng.
• Cân bằng hóa lượng học: Quá trình oxy hóa 1 g TAN thành nitrate tiêu hao tối thiểu 4,18 g O2 và tiêu thụ 7,07 g kiềm tính theo CaCO3. Phương trình phản ứng tổng quát tiêu thụ bicarbonate để tổng hợp sinh khối tế bào vi khuẩn (USEPA, 1984): $$\text{NH}_4^+ + 1,83,\text{O}_2 + 1,98,\text{HCO}_3^- \rightarrow 0,021,\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 0,98,\text{NO}_3^- + 1,041,\text{H}_2\text{O} + 1,88,\text{H}_2\text{CO}_3$$
• Nguyên lý tạo màng sinh học: Trải qua 4 giai đoạn gồm (1) Kết dính ban đầu, (2) Phát triển, (3) Trưởng thành và (4) Phân tán.
• Ba nhóm giải pháp xử lý sinh học: Tăng cường sinh học (Bioaugmentation), kích thích sinh học (Biostimulation) và lọc sinh học (Biofilters).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Hạng mục nghiên cứu	Phương pháp, thiết bị và công cụ sử dụng	Chỉ tiêu và thông số kỹ thuật
Thu thập mẫu	Lấy mẫu trầm tích rừng ngập mặn Phù Long (Cát Hải, Hải Phòng), bảo quản trong ống Falcon 50 ml ở 4°C.	Trầm tích tự nhiên vùng ngập mặn nước lợ.
Làm giàu đa bước	Nuôi lắc trong bình tam giác 250 ml (chứa 100 ml môi trường dịch thể khoáng), máy lắc 120 vòng/phút, nhiệt độ 28 - 30°C. Bổ sung cơ chất NH4Cl và chỉnh pH 7,5 - 8,0 bằng dung dịch Na2CO3:NaHCO3 (tỷ lệ 1:1). Cấy truyền tỷ lệ 1:9 (v/v) qua 5 bước làm giàu liên tiếp.	Tốc độ loại bỏ cơ chất: $R = \frac{C_0 - C_n}{t_n}$ (mgN L-1 h-1); nồng độ cơ chất ban đầu bước 2 là 5 mg/L; giám sát TAN, N-NO2-, pH.
Tăng sinh khối	Hệ thống lên men BIOFLO 2000 dung tích 2 lít; ủ ở 28°C, khuấy 200 vòng/phút, cấp khí 0,60 L/phút; kiểm soát pH = 8 tự động bằng dung dịch Na2CO3 10%.	Môi trường: 1000 ml nước biển, (NH4)2SO4 4,72 mg hoặc NaNO2 4,93 mg, K2HPO4 0,88 mg.
Phân tích hình thái	Nhuộm màu, soi kính hiển vi phản pha và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phân lập trên môi trường thạch hóa tự dưỡng và thạch dị dưỡng.	Hình thái tế bào, phản ứng Gram, khả năng tạo màng khuẩn keo.
Cô đặc tạo chế phẩm	Phương pháp ly tâm 6.000 vòng/phút trong 15 phút (mẫu CU1); phương pháp lọc qua màng Nucleopore Whatman 0,2 µm (mẫu CU2).	Bảo quản sinh khối trong ống chứa ethanol tinh khiết.
Phân tích di truyền (NGS)	Tách chiết DNA bằng CTAB; đo quang phổ NanoDrop Spectrophotometer; PCR nhân đoạn V6-V8 gen 16S rRNA bằng cặp mồi U968F và U1391R (đoạn 423 bp); TaKaRa Ex Taq; tinh sạch bằng QIAEX II Gel Extraction Kit; DT-PCR; giải trình tự thế hệ mới.	Xử lý dữ liệu bằng USEARCH v11.667 (loại chimera), MOTHUR (cắt chuỗi 380 - 450 bp, điểm > 27), UPARSE (phân nhóm OTU tương đồng 97%), cơ sở dữ liệu Silva.
Đánh giá giá thể	Thử nghiệm 5 loại vật liệu: đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes, xốp bọt biển, xơ dừa.	Tiếp diện bề mặt riêng, độ rỗng, đường kính lối đi tự do, độ trơ, độ bền cơ học, trọng lượng.
Thử nghiệm hệ thống RAS	Hệ thống lọc tuần hoàn hoàn lưu quy mô nhỏ 1 m3 và pilot 100 m3 tại Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn.	Quan trắc TAN, N-NO2-, N-NO3-, COD, BOD5, mật độ vi khuẩn tổng số, vi khuẩn Vibrio; tăng trưởng, tỷ lệ sống, FCR của tôm thẻ chân trắng và cá rô phi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này phân tích tổng quan bối cảnh phát triển nuôi trồng thủy sản nước lợ tại Việt Nam và Hải Phòng, chỉ rõ áp lực ô nhiễm nitơ vô cơ đối với hệ sinh thái ven bờ. Tác giả trình bày chi tiết sinh lý độc học của ammonia và nitrite đối với động vật thủy sản; hệ thống hóa cơ chế sinh hóa của quá trình chuyển hóa nitơ gồm nitrite hóa, nitrate hóa và phản nitrate hóa. Chương 1 đánh giá toàn diện ba giải pháp xử lý sinh học (tăng cường sinh học, kích thích sinh học, lọc sinh học), làm rõ ưu nhược điểm của các mô hình tuần hoàn RAS trong và ngoài nước, từ đó khẳng định tính cấp thiết của việc tạo màng nitrate hóa từ nguồn vi khuẩn bản địa thích ứng môi trường nước lợ.

Chương 2: Tài liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết địa điểm thu mẫu tại rừng ngập mặn Phù Long và khu thực nghiệm Đồ Sơn. Tác giả thiết lập quy trình làm giàu đa bước 5 giai đoạn không qua phân lập thuần khiết; quy trình tăng sinh khối tự động trên thiết bị lên men BIOFLO 2000 thể tích 2 lít. Chương này trình bày chi tiết phương pháp phân tích hình thái tế bào bằng kính hiển vi điện tử quét SEM; quy trình tách chiết DNA bằng CTAB và kỹ thuật NGS khuếch đại vùng V6-V8 gen 16S rRNA bằng cặp mồi U968F/U1391R; các công cụ xử lý dữ liệu tin sinh học (USEARCH, MOTHUR, UPARSE, Silva); phương pháp khảo sát 5 loại vật liệu làm giá thể và thiết kế hệ thống thực nghiệm RAS quy mô 1 m3 và 100 m3.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được của luận án:

• Làm giàu và động học tiêu thụ cơ chất: Quy trình làm giàu đa bước trải qua 5 giai đoạn liên tục; tốc độ tiêu thụ và loại bỏ cơ chất TAN và nitrite của quần xã vi khuẩn tăng dần qua các bước làm giàu và đạt mức ổn định cao nhất ở bước thứ 5.
• Đặc điểm hình thái và cấu trúc quần xã: Hình ảnh kính hiển vi phản pha và SEM cho thấy sự đa dạng về hình thái tế bào của tổ hợp vi khuẩn ở cả dạng lơ lửng và dạng dính bám tạo khối màng nhầy keo tụ; quần xã vi khuẩn có sự hiện diện của các nhóm vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng cùng các nhóm vi sinh vật hỗ trợ.
• Phân tích đa dạng di truyền (NGS): Dữ liệu giải trình tự vùng V6-V8 gen 16S rRNA ở hai phương pháp thu hoạch sinh khối (ly tâm CU1 và lọc màng CU2) xác định các chỉ số đa dạng sinh học và độ phong phú loài; xác nhận sự hiện diện ưu thế của các đơn vị phân loại (OTU) liên quan đến chu trình chuyển hóa nitơ được đối chiếu từ cơ sở dữ liệu Silva.
• Lựa chọn giá thể bám: Kết quả so sánh 5 loại giá thể (đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes, xốp bọt biển, xơ dừa) dựa trên các tiêu chí diện tích bề mặt tiếp xúc riêng, độ rỗng, đường kính lối đi tự do và tính bền cơ học. Hạt nhựa kaldnes và đá sỏi thể hiện các đặc tính kỹ thuật phù hợp cho việc vận hành lâu dài và tạo màng nitrate hóa ổn định trong hệ thống lọc.
• Thử nghiệm trên hệ thống RAS quy mô nhỏ 1 m3: Quá trình kích hoạt màng (break-in) được thiết lập thành công. Nồng độ TAN và nitrite trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng và cá rô phi được kiểm soát ở ngưỡng an toàn sinh học; tôm và cá duy trì tốc độ sinh trưởng và tỷ lệ sống cao.
• Thử nghiệm trên hệ thống RAS quy mô pilot 100 m3 nuôi tôm thẻ chân trắng:
  • Quá trình break-in kích hoạt màng lọc sinh học diễn ra ổn định, các chỉ tiêu TAN và N-NO2- giảm nhanh và duy trì ở mức thấp, trong khi nitrate hóa làm gia tăng nồng độ N-NO3- tích lũy trong ngưỡng an toàn.
  • Chất lượng môi trường nước nuôi kiểm soát tốt các thông số COD, BOD5; mật độ vi khuẩn tổng số được giữ ổn định và ức chế mật độ vi khuẩn Vibrio gây bệnh trong hệ thống.
  • Đánh giá hiệu quả chăn nuôi ở mật độ 300 con/m3: Hệ thống đạt tốc độ nitrate hóa cao; tôm tăng trưởng tốt về chiều dài và khối lượng; tỷ lệ sống đạt mức cao, hệ số chuyển hóa thức ăn (FCR) giảm và mô hình mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với phương thức nuôi hở truyền thống.
• Đề xuất giải pháp quản lý: Từ kết quả thực nghiệm, tác giả đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật và chính sách quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển tại Hải Phòng, bao gồm việc quy hoạch vùng nuôi công nghệ tuần hoàn, ban hành hướng dẫn kiểm soát xả thải và nhân rộng công nghệ RAS màng lọc bản địa.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Luận án đã xây dựng thành công quy trình làm giàu đa bước để nhân nuôi quần xã vi khuẩn nitrate hóa từ hệ vi sinh vật bản địa trầm tích rừng ngập mặn Phù Long (Cát Hải, Hải Phòng), tạo ra chế phẩm vi sinh vật nitrate hóa bản địa có khả năng thích ứng cao với điều kiện nước lợ.
2. Xác lập cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm về cấu trúc hình thái (SEM) và đa dạng di truyền (NGS 16S rRNA) của quần xã vi khuẩn nitrate hóa bản địa ở các trạng thái lơ lửng, dính bám và sau các phương pháp cô đặc (ly tâm, lọc màng).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

1. Tạo thành công màng lọc sinh học nitrate hóa trên các giá thể sẵn có trong nước; cung cấp bảng đánh giá so sánh toàn diện 5 loại vật liệu lọc (đá sỏi, san hô chết, hạt kaldnes, xốp bọt biển, xơ dừa) trên cùng một tổ hợp vi khuẩn làm giàu.
2. Ứng dụng thành công màng lọc nitrate hóa bản địa vào hệ thống RAS quy mô pilot 100 m3 nuôi tôm thẻ chân trắng ở mật độ cao (300 con/m3), kiểm soát hiệu quả TAN, nitrite, COD, BOD5, hạn chế vi khuẩn Vibrio, giảm hệ số FCR và nâng cao hiệu quả kinh tế vụ nuôi.
3. Đề xuất khung giải pháp quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển tại Hải Phòng, làm cơ sở khoa học cho các cơ quan quản lý chuyển đổi phương thức nuôi hở sang nuôi tuần hoàn giảm thiểu ô nhiễm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Địa bàn lấy mẫu làm giàu vi khuẩn bản địa chỉ tập trung tại rừng ngập mặn Phù Long (huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng), chưa tiến hành khảo sát so sánh vi sinh vật nitrate hóa tại các vùng sinh thái ngập mặn khác ven biển miền Bắc.
• Thử nghiệm nuôi tuần hoàn thực tế mới dừng lại ở hai đối tượng là tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) và cá rô phi; quy mô lớn nhất khảo sát là hệ thống 100 m3.
• Hệ thống tuần hoàn kín làm gia tăng tích lũy nitrate (N-NO3-) theo thời gian nuôi, đòi hỏi giải pháp khử nitrate kỵ khí hoàn toàn nếu kéo dài chu kỳ nuôi khép kín tuyệt đối.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng nghiên cứu thu thập, làm giàu và đánh giá hoạt lực của các tổ hợp vi khuẩn nitrate hóa bản địa tại nhiều vùng sinh thái biển khác nhau để làm phong phú nguồn chế phẩm.
• Nghiên cứu tích hợp thêm modul phản nitrate hóa (denitrification) kỵ khí vào hệ thống RAS nhằm chuyển hóa triệt để nitrate tích lũy thành khí nitơ phân tử ($N_2$).
• Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh nitrate hóa bản địa dạng thương phẩm quy mô công nghiệp và thử nghiệm trên các đối tượng thủy hải sản có giá trị kinh tế khác.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Quản lý tài nguyên và môi trường, Kỹ thuật môi trường, Công nghệ sinh học và Nuôi trồng thủy sản: Có thể kế thừa phương pháp làm giàu đa bước không qua phân lập thuần khiết, quy trình vận hành hệ thống lên men BIOFLO 2000, kỹ thuật phân tích metagenomics NGS vùng V6-V8 gen 16S rRNA và các tính toán động học nitrate hóa.
• Các cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hải Phòng và các tỉnh ven biển): Tham khảo các luận cứ khoa học và số liệu quan trắc tải lượng chất thải để xây dựng quy chuẩn kỹ thuật xả thải và quy hoạch các vùng nuôi tôm công nghệ cao bền vững.
• Kỹ sư nuôi trồng thủy sản, các cơ sở sản xuất và chủ trang trại nuôi tôm: Ứng dụng trực tiếp quy trình khởi động màng lọc sinh học (break-in), phương pháp lựa chọn giá thể lọc và kỹ thuật vận hành hệ thống RAS quy mô 100 m3 nhằm giảm chi phí thay nước và kiểm soát dịch bệnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu vi sinh vật nitrate hóa phục vụ nghiên cứu của luận án được thu thập từ đâu và bảo quản như thế nào?
Mẫu trầm tích tự nhiên được tác giả thu thập tại khu vực rừng ngập mặn Phù Long, huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng. Mẫu sau khi thu thập được đưa vào các ống Falcon thể tích 50 ml, bảo quản lạnh ở nhiệt độ 4°C và vận chuyển về phòng thí nghiệm tại Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn để tiến hành làm giàu.

2. Luận án đã tiến hành thử nghiệm và so sánh đồng thời những loại giá thể lọc nào?
Luận án khảo sát và so sánh đồng thời 5 loại vật liệu sẵn có trong nước làm giá thể dính bám cho vi khuẩn nitrate hóa gồm: đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes, xốp bọt biển (sponge) và xơ dừa. Các vật liệu được đánh giá dựa trên tiếp diện bề mặt riêng, độ rỗng, đường kính lối đi tự do, độ trơ hóa học, độ bền cơ học và tính thuận tiện trong vận hành.

3. Kỹ thuật sinh học phân tử nào được tác giả sử dụng để đánh giá đa dạng di truyền của quần xã vi khuẩn làm giàu?
Tác giả sử dụng kỹ thuật giải trình tự thế hệ mới (NGS) khuếch đại vùng biến đổi V6-V8 của gen 16S rRNA bằng cặp mồi U968F (5’-AACGCGAAGAACCTTAC-3’) và U1391R (5’-ACGGGCGGTGWGTRC-3’) tạo đoạn gen 423 cặp nucleotide với enzyme TaKaRa Ex Taq. Dữ liệu đọc thô được xử lý qua phần mềm USEARCH v11.667, MOTHUR (lọc độ dài 380 - 450 bp, điểm chất lượng > 27), phân nhóm OTU bằng UPARSE ở độ tương đồng 97% và đối chiếu phân loại với cơ sở dữ liệu Silva.

4. Tại sao trong quá trình làm giàu đa bước, tác giả lại bổ sung dung dịch hỗn hợp Na2CO3 và NaHCO3 theo tỷ lệ 1:1?
Việc bổ sung dung dịch hỗn hợp kiềm Na2CO3 và NaHCO3 (1:1) nhằm hai mục đích: thứ nhất, đóng vai trò dung dịch đệm để trung hòa lượng axit sinh ra trong quá trình nitrate hóa, duy trì độ pH tối ưu trong khoảng 7,5 - 8,0; thứ hai, cung cấp nguồn carbon vô cơ (carbonate và bicarbonate) cần thiết cho sự sinh trưởng và gia tăng sinh khối của nhóm vi khuẩn hóa tự dưỡng nitrate hóa.

5. Luận án đã thử nghiệm nuôi thực tế hệ thống RAS quy mô pilot lớn nhất ở thể tích bao nhiêu và nuôi đối tượng nào?
Luận án đã thử nghiệm nuôi thực tế ở hệ thống tuần hoàn nước quy mô pilot 100 m3 đặt tại Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn để nuôi thương phẩm tôm thẻ chân trắng với mật độ nuôi thả 300 con/m3, thực hiện theo dõi quá trình break-in màng lọc, chất lượng nước, mật độ vi khuẩn và các chỉ tiêu tăng trưởng, tỷ lệ sống và hệ số FCR của tôm.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Lê Thanh Huyền đã giải quyết thành công bài toán xử lý các hợp chất nitơ vô cơ (TAN và nitrite) trong nuôi trồng thủy sản ven biển thông qua việc xây dựng quy trình làm giàu đa bước quần xã vi khuẩn nitrate hóa bản địa từ rừng ngập mặn Phù Long, Cát Hải, Hải Phòng. Công trình đã xác định hạt nhựa kaldnes và đá sỏi là các giá thể dính bám thích hợp trong số 5 loại vật liệu khảo sát, đồng thời làm rõ đặc điểm hình thái và đa dạng di truyền của tổ hợp vi sinh vật bằng kỹ thuật SEM và NGS 16S rRNA. Kết quả vận hành thực nghiệm hệ thống lọc tuần hoàn hoàn lưu quy mô 1 m3 và pilot 100 m3 ở mật độ 300 con/m3 đã chứng minh hiệu quả kiểm soát môi trường nước, ức chế vi khuẩn Vibrio và nâng cao hiệu quả kinh tế vụ nuôi tôm thẻ chân trắng, cung cấp luận cứ khoa học vững chắc cho công tác quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUANVẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới và Việt Nam 1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới Nuôi trồng thủy sản nói chung và nghề nuôi tôm nói riêng đã và đang tạo ra sự chuyển đổi hiệu quả và mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều quốc gia, cải thiện cuộc sống và mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người nuôi trồng.

Nuôi trồng thủy sản sẽ tiếp tục là động lực thúc đẩy tăng trưởng sản lượng thủy sản toàn cầu, kéo dài xu hướng đã tồn tại trong nhiều thập kỷ. Sản lượng nuôi trồng thủy sản được dự báo sẽ đạt 109 triệu tấn vào năm 2030, tăng 32% (26 triệu tấn) so với năm 2018 [5]. Tại các nước châu Á, sản lượng tôm nuôi liên tục tăng nhanh trong giai đoạn từ 2003 – 2016. Năm 2011, sản lượng tôm nuôi đạt 3,7 triệu tấn, năm 2014 là 4,0 triệu tấn, năm 2016 đạt khoảng 4,5 triệu tấn, năm 2018 đạt 4,2 triệu tấn vào năm 2018 và đến năm 2019 đạt khoảng 4,6 triệu tấn với hình thức nuôi chủ yếu là thâm canh và siêu thâm canh [5].

Trái ngược với nhiều dự báo trước đó, sản lượng tôm thế giới năm 2016 có xu thế giảm. Mặc dù ngành tôm Thái Lan phục hồi và đẩy mạnh thu hoạch tôm tại Ecuado vẫn không bù đắp được sản lượng sụt giảm của các quốc gia khác. Tại Trung Quốc năm 2016, sản lượng tôm giảm từ 30 – 40% do ảnh hưởng của thiên tai, dịch bệnh. Tại Mexico dịch bệnh đã ảnh hưởng tiêu cực đến sản lượng nuôi tôm, các quốc gia khác ở Trung và Nam Mỹ sản lượng tôm cũng không được cải thiện nhiều [6].

Một trong những nguyên nhân chính làm giảm sản lượng tôm là do dịch bệnh và ô nhiễm môi trường. Trên thực tế 85% sản lượng tôm được thu hoạch từ phương thức nuôi thâm canh, đặc trưng nhất của phương thức này là nuôi với mật độ dày và siêu tải trọng thức ăn, 40% các ao nuôi sẽ phải thay nước hàng ngày để làm giảm các chất ô nhiễm độc hại [7]. Việc thay nước không những gây ô nhiễm môi trường xung quanh mà còn gây nguy cơ bùng phát dịch bệnh cho ao nuôi do nguồn nước cấp không đảm bảo chất lượng. Nghiên cứu cho thấy, tùy thuộc vào mật độ nuôi tôm mà tổng số các chất ô nhiễm hữu cơ của phosphor, nitrogen và chất rắn lơ lửng lên tới 321; 668 và 215.000 kg/ha tương ứng.

Khi nước bị ô nhiễm, các hợp chất ammonia tổng số tăng nhanh theo thời gian, trong khi đó để tôm sinh trưởng thì yêu cầu nồng độ NH3 phải nhỏ hơn 0,1 ppm tương đương với 1,33 – 1,53 mg/l TAN ở pH=8 và nhiệt độ 28 – 30oC trong nước ao nuôi [7]. Tình hình NTTS nước lợ ở Việt Nam và Hải Phòng 1.Tình hình nuôi trồng thủy sản nói chung Từ khi Nghị quyết số 09/2000/NQ-CP ra đời, cho phép các tỉnh ven biển ưu tiên chuyển đổi các diện tích hoang hóa, nông nghiệp và làm muối kém hiệu quả sang nuôi trồng thủy sản, thì diện tích nuôi tôm tăng đột biến, từ 280.000 ha (2005) tăng lên đến 605. Việc mở rộng diện tích nuôi được tiến hành chủ yếu trên các vùng ven biển ngập nước như các thủy vực nước mặn trên các vùng cát trũng và một phần diện tích từ canh tác nông nghiệp kém hiệu quả [8]. Diện tích nuôi tôm nước lợ của Việt Nam năm 2019 đạt 720 nghìn ha, năm 2020 đạt khoảng 750 nghìn ha.

Trong đó, diện tích nuôi tôm theo hình thức thâm canh, bán thâm canh đạt hơn 217,4 nghìn ha, chiếm 30% tổng diện tích nuôi cả nước và sản lượng đạt 450 ngàn tấn, chiếm 62% tổng sản lượng tuôi tôm cả nước [1]. Tôm Việt Nam đã có mặt trên 90 quốc gia và vùng lãnh thổ, đạt kim ngạch xuất khẩu trên 3,36 tỷ đô la Mỹ; Năm 2020 đã chững lại vào quý I do ảnh hưởng của dịch Covid – 19 nhưng sau đó hy vọng sẽ phục hồi và đạt 3,5 tỷ đô la Mỹ. Dự kiến đến năm 2025 đạt trên 8,4 tỷ đô la Mỹ và đến năm 2030 đạt trên 12 tỷ đô la Mỹ [9]. Đây vừa là cơ hội, vừa là thách thức không nhỏ đối với ngành nuôi tôm Việt Nam.

Tại Hải Phòng, theo số liệu của Chi cục Thủy sản - Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích nuôi trồng thủy sản cộng dồn cả năm 2021 đạt 11.430,3 ha bằng 98,01% so với kế hoạch. Sản lượng thủy sản nuôi trồng thu hoạch tháng 12/2021 ước đạt 6.722,3 tấn, bằng 101,48% so cùng kỳ năm 2020; Ước sản lượng cả năm 2021 bằng 75.423,7 tấn đạt 102,8% so với cùng kỳ năm trước. Diện tích nuôi tôm các loại năm 2021 đạt 2. Trong đó: diện tích nuôi tôm sú đạt 1.888,1 ha; diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng đạt 401,4 ha.

Sản lượng sản xuất và tiêu thụ tôm các loại năm 2021 đạt 6. Trong đó: sản lượng sản xuất và tiêu thu tôm sú đạt 520,4 tấn; tôm thẻ chân trắng đạt 5. Phương thức nuôi trồng hiện nay khoảng 80% tổng sản lượng nuôi theo hình thức thâm canh, 17 -18% nuôi quảng canh, phần rất nhỏ khoảng 2-3% nuôi theo hình thức nuôi tôm công nghệ cao [3]. Áp lực về bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề lớn đang đặt ra đối với hoạt động nuôi trồng thủy sản tại Hải Phòng.

Với thực tế các cơ sở nuôi trồng thủy sản của thành phố Hải Phòng chủ yếu nuôi theo hình thức thâm canh cải tiến, 7 diện tích vùng nuôi lớn nhưng năng lực đầu tư kém, không bố trí diện tích cho xử lý nước thải, và bùn thải, do vậy, phần lớn chất thải không được xử lý, xả thẳng ra môi trường và chỉ được được xử lý qua khả năng tự làm sạch tự nhiên. Việc xả nước thải, bùn thải chứa thức ăn dư thừa, xác, phân thải của động vật nuôi, các hóa chất, thuốc thủy sản, chất xử lý môi trường đang là vấn đề thực sự đáng lo ngại từ các cơ sở nuôi trồng thủy sản. Tại vùng biển ven bờ Hải Phòng, theo báo cáo của Sở Tài nguyên và Môi trường, các nguồn thải từ lục địa ra biển chiếm từ 60 - 70%. Trong đó, hệ thống sông Thái Bình đổ ra biển qua cửa Cấm và Bạch Đằng đóng góp khoảng 53 - 63%, các chất hữu cơ, dinh dưỡng nitơ và phốt pho chiếm khoảng 27% - 48%.

Báo cáo đã xác định, hoạt động nuôi trồng thủy sản là một trong những ô nhiễm nguồn lớn đang góp phần xả chất thải ra khu vực ven biển [4]. Theo số liệu quan trắc môi trường trong các vùng nuôi trồng thủy sản tại Hải Phòng từ năm 2017 đến nay, nuôi trồng thủy sản ước tính sử dụng 1 năm khoảng 100 tấn diệt tạp, 10.000 tấn vôi bột, 200 tấn chlorine và 3,5 tấn thuốc tím trong quá trình sản xuất để xử lý, cải tạo môi trường, ước tính lượng chất thải phát sinh một năm là 180 triệu m3 nước thải và gần 40.000 tấn bùn thải [3]. Như vậy có thể thấy hoạt động nuôi trồng thủy sản của Việt Nam nói chung và Hải Phòng nói riêng đang phát triển ngày càng lớn về quy mô, có đóng góp quan trọng trong nền kinh tế, tuy nhiên đây cũng là những nguồn gây ô nhiễm đáng quan tâm cần có các giải pháp xử lý, khắc phục phù hợp. Tình hình nuôi trồng thủy sản hoàn lưu Công nghệ nuôi trồng thuỷ sản hoàn lưu (RAS) là một trong những giải pháp công nghệ nuôi trông tiên tiến hiện nay.

Hệ thống nuôi bao gồm 2 thành phần chính là bể nuôi, và hệ thống xử lý nước để hoàn lưu. Trong đó, hệ thống xử lý nước hoàn lưu là thành phần cốt lõi quyết định chất lượng nguồn nước cho bể nuôi. Hiện nay, phần lớn các hệ thống xử lý nước tuần hoàn được thiết kế với nguyên lý lọc sinh học, có các mương sinh học chia làm nhiều ngăn, các ngăn được bố trí xen kẽ hở trên và dưới để giúp cho đường nước đi dài nhất. Hiệu quả xử lý của vật liệu lọc và hiệu quả hoạt động các vi sinh vật sẽ quyết định chất lượng nước tuần hoàn.

Khi hệ thống xử lý nước tuần hoàn hoạt động đảm bảo, toàn bộ nước nuôi sẽ được xử lý đảm bảo yêu cầu để có thể cấp lại cho hệ thống nuôi mà không thải ra 8 ngoài môi trường. Áp dụng công nghệ RAS là một trong những giải pháp công nghệ phù hợp giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ RAS chưa được phổ biến trong ngành nuôi trồng thủy sản của Hải Phòng nói riêng và Việt Nam nói chung. Trên quy mô của Hải Phòng hiện nay mới chỉ có khoảng 1-2 cơ sở nuôi trồng thủy sản bằng công nghệ này, với quy mô nuôi trồng khoảng 10 - 20 tấn/năm.

Trên quy mô cả nước, số cơ sở nuôi trồng bằng công nghệ này cũng không nhiều với số lượng cơ sở nuôi trồng khoảng hơn 10 cơ sở ở quy mô nhỏ. Một trong những đặc điểm của môi trường nước nuôi trồng thủy sản bằng công nghệ RAS là các chỉ tiêu nitơ vô cơ trong nước nuôi luôn có xu hướng tăng cao do sự phân hủy của thức ăn dư thừa và chất thải từ vật nuôi. Việc xử lý ammonia và nitrite lại thường gặp khó khăn do quá trình nitrate hoá bị giới hạn vì tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hoá được đánh giá là chậm hơn rất nhiều so với các nhóm vi khuẩn khác. Hơn nữa, sự sinh trưởng và hoạt lực của nhóm vi khuẩn này dễ bị ức chế trong điều kiện môi trường không thuận lợi như thiếu khí và nguồn chất hữu cơ dồi dào.

Hiệu quả xử lý nước để tuần hoàn trong hệ thống RAS đang là vấn đề quyết định tính phổ biến của công nghệ này. Ô nhiễm các hợp chất nitơ vô cơ trong nuôi trồng thuỷ sản nước lợ Ô nhiễm từ các hợp chất của nitơ vô cơ đang là một trong những điểm nóng của ngành nuôi trồng thủy sản ở nước ta do tình trạng lạm dụng thức ăn để nâng cao năng suất. Ô nhiễm ao nuôi tôm chủ yếu là do thức ăn thừa và các chất bài tiết của tôm tích tụ đáy ao gây ô nhiễm hữu cơ [10]. Quá trình tích tụ các chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong nuôi trồng thủy sản được thể hiện tại hình 1.

Trung bình 1 ha mặt nước hồ ao nuôi 1 vụ 6 tháng sẽ tạo ra một lượng chất thải khoảng 18.000 kg chất hữu cơ/ha, 1 ha nuôi tôm sú có năng suất 6 - 8 tấn/vụ sẽ thải ra khoảng 3,6 - 4,8 tấn chất thải.