CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nước thải trong nuôi giống thủy sản và tái sử dụng nước thải. Nuôi trồng thủy sản là một trong những ngành kinh tế quan trọng tại nhiều nước trên thế giới. Theo nguồn thống kê của tổ chức FAO thì ngành nuôi trồng thủy sản phát triển mạnh mẽ ở một số nước như: Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Nhật Bản, Việt Nam. [118] Ở Việt Nam, ngành nuôi trồng thủy sản đóng vai trò quan trọng trong ngành kinh tế.
Hàng ngàn trại nuôi giống thủy sản tập trung ở các vùng ven biển và đồng bằng đang hoạt động nhằm cung cấp các loại giống thủy sản cho ngành sản xuất trên. Giống nuôi không chỉ nhiều về số lượng mà còn rất phong phú về chủng loại như: cá, cua, sò, ngao, tu hài, mực, tôm, trong đó cá và tôm là hai loài nuôi chủ đạo. Sức khỏe hay chất lượng của con giống rất nhạy cảm với chất lượng nước nuôi, đặc biệt với thành phần amôniac và nitrit, hình thành từ thức ăn dư thừa, các chất bài tiết trong quá trình nuôi giống. [40, 88, 89, 90] Các kết quả đánh giá cho thấy, thuỷ động vật nuôi chỉ hấp thu được khoảng 25-40% lượng nitơ, 17-25% lượng photpho trong thức ăn tổng hợp.
Do hiệu quả hấp thu N, P từ thức ăn không cao, phần còn dư nằm trong nước nuôi với hàm lượng biến động, tăng khi lượng thức ăn sử dụng lớn [13, 103]. Hàm lượng amôni trong nước thải không cao (ít khi vượt quá 8 mg/l), nhưng loài nuôi chịu đựng được ngưỡng dưới 0,02 mg/l và liều dễ gây tử vong là 2,65 mg/l, ô nhiễm nitrit 0,2-0,5 mg/l, nồng độ cho phép nhỏ hơn 0,6 mg/l và dễ dàng gây tử vong ở nồng độ 5,95 mg/l [34, 37, 92], ô nhiễm nitrat 3-4 mg/l và có khoảng cho phép rộng hơn đến 60 mg/l [56, 60, 92], COD 10-15 mg/l có ảnh hưởng tuy nhiên chưa có tiêu chuẩn nào đề cập đến. Tỷ lệ amôni/amôniac, nitrit/axit nitrơ phụ thuộc vào pH của môi trường. 4 Chất lượng nước cho mục đích tái sử dụng thông qua các biện pháp xử lý thích hợp cần đảm bảo môi trường nước nuôi an toàn về các chỉ tiêu sinh hóa: chất cặn bã, amôni, nitrit, nitrat, COD (Mn), các độc tố và chất kháng sinh., tránh những tác động xấu có thể xảy ra như gây mầm bệnh, làm ô nhiễm môi trường hay làm thoái hóa chất lượng đất và nước.
Tái sử dụng nước thải trong nuôi trồng thủy sản là một trong những đích đang hướng tới không chỉ ở Việt Nam mà ngay cả ở các nước đang phát triển vì tình trạng khan hiếm nước đang là vấn đề lớn đặt ra. Tại nhiều quốc gia như Úc, Mỹ, Nhật Bản, Thái Lan, Hàn Quốc đã nhìn nhận ra vấn đề rằng tái sử dụng nước thải là bộ phận không thể thiếu trong kế hoạch quản lý và sử dụng nguồn nước trong nuôi trồng thủy sản. Để tái sử dụng nguồn nước thải đó, công nghệ lọc sinh học đã và đang được áp dụng ở những nước phát triển như kỹ thuật lọc ngập nước, lọc nhỏ giọt, đĩa quay sinh học, lọc tầng tĩnh, tầng lưu thể, màng vi sinh di động [7, 8, 9, 12, 17, 22, 62].2 Công nghệ màng vi sinh di động. Kỹ thuật màng vi sinh chuyển động với ưu điểm tăng cường chuyển động để thúc đẩy tốc độ chuyển khối, tích lũy vi sinh cao nhờ sử dụng vật liệu mang xốp và diện tích bề mặt lớn đang là công nghệ được ứng dụng nhiều cho xử lý nước thải nuôi giống thủy sản [7, 24, 30, 34, 47, 83, 95, 97].
So với phương pháp huyền phù, trong đó vi sinh vật được phân bố khá đồng đều trong thể tích của khối phản ứng, phương pháp màng vi sinh cho phép tăng đáng kể mật độ sinh khối trên một đơn vị thể tích khối phản ứng. So với kỹ thuật lọc tầng tĩnh ngoài đặc điểm tích lũy mật độ vi sinh cao, kỹ thuật màng vi sinh di động thúc đẩy quá trình chuyển khối nhờ chuyển động vật liệu mang trong môi trường phản ứng. So với kỹ thuật tầng lưu thể, kỹ thuật màng vi sinh di động cũng tích lũy mật độ vi sinh cao do sử dụng vật liệu mang có diện tích bề mặt lớn (10.000 m2/m3), tuy kém hơn về mặt chuyển động (chuyển khối ngoài), nhưng bù lại 5 vận hành đơn giản, không đòi hỏi trình độ tự động hóa cao như khi sử dụng kỹ thuật tầng lưu thể. Chính vì những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật màng vi sinh tầng chuyển động, hơn hẳn so với các kỹ thuật lọc sinh học khác nên luận án chọn kỹ thuật này làm chìa khóa giải quyết vấn đề xử lý nước nuôi giống thủy sản [36].1 Màng vi sinh, chất mang vi sinh sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh di động.
Trong kỹ thuật màng vi sinh di động, để duy trì mật độ vi sinh cao, chiều dày màng vi sinh mỏng đòi hỏi vật liệu mang xốp có diện tích bề mặt lớn và để duy trì chuyển động của vật liệu mang trong hệ cần loại vật liệu nhẹ.1 Màng vi sinh Màng vi sinh có một độ dày nhất định, từ vài chục µm tới vài mm, phụ thuộc vào mật độ sinh khối: tỷ lệ thuận với mật độ sinh khối và tỷ lệ nghịch với diện tích bên trong của vật liệu mang. Màng vi sinh mỏng là điều kiện thuận lợi để tăng hiệu quả phản ứng, vì vi sinh dọc theo chiều dày của lớp màng có nhiều cơ hội tiếp cận nguồn dinh dưỡng nhờ quá trình khuếch tán phân tử của các thành phần dinh dưỡng (dòng khuếch tán) trong màng xảy ra thuận lợi. Vi sinh vật trong màng được tổ chức theo xu hướng cấu trúc loài mang tính cục bộ. Trong quá trình xử lý nước thải sử dụng màng vi sinh có thể xảy ra các trường hợp điển hình sau: Trong môi trường hiếu khí, loài vi sinh hiếu khí tập trung ở phía ngoài cùng của màng, nơi chúng có điều kiện thuận lợi tiếp cận với nguồn oxy trong khi loài vi sinh tùy nghi phát triển ở lớp màng sâu hơn phía bên trong nơi có hàm lượng oxy thấp do bị tiêu hao trong quá trình khuếch tán dọc theo chiều dày của lớp màng.
Đối với màng vi sinh có độ dày khá lớn, nồng độ cơ chất giảm dần theo chiều sâu của lớp màng do bị tiêu thụ trên đường khuếch tán vào bên 6 trong màng, khi đó vi sinh vật ở sâu không được cung cấp thức ăn, bị chết sau một thời gian. Khi chết, vi sinh vật mất tính chất bám dính với chất mang, dẫn tới quá trình bong màng. Đó là trường hợp thường xảy ra với loại vi sinh vật có tốc độ phát triển nhanh, ví dụ loại vi sinh dị dưỡng hiếu khí. Đối với màng có độ dày thấp, tốc độ tiêu thụ cơ chất chậm, nồng độ cơ chất dọc theo chiều dày màng không khác nhau nhiều, khi đó cơ hội tiếp cận nguồn thức ăn của vi sinh tại các vị trí khác nhau trong màng gần giống nhau.
Tốc độ phát triển của chúng không bị chi phối bởi nguồn thức ăn. Đó là trường hợp đối với loại vi sinh có sức phát triển chậm như chủng vi sinh nitrat hóa hay loại bị ức chế bởi các yếu tố có mặt trong nước thải, ví dụ trong môi trường có độ muối cao (nước biển).2 Chất mang vi sinh Chất mang được sử dụng trong kỹ thuật màng vi sinh di động gồm có hai loại: xốp và không xốp. Loại không xốp là loại có diện tích bề mặt được bảo vệ để khi chuyển động tránh hiện tượng bong màng vi sinh do cọ sát. Một trong những sản phẩm được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là vật liệu Kaldnes và Biochip, vật liệu Kaldnes có ba dạng: K1, K2 và K3.
Vật liệu được chế tạo từ nhựa polyetylen có khối lượng riêng lớn (0,96 g/ml), với những đặc trưng được trình bày trong bảng 1.1 Diện tích bề mặt của một số loại chất mang. Vật liệu mang Diện tích bề mặt (m2/m3) Kaldness K1 500 Kaldness K2 350 Kaldness K3 500 BioChip 3000 7 Hình 1.1 Vật liệu Kaldnes sử dụng trong công nghệ màng vi sinh di động (MBBR).2 Vật liệu mang vi sinh Biochip. Vật liệu xốp có đặc trưng là nhẹ vì bản thân nó chứa nước khi hoạt động trong môi trường xử lý, nên nó thích hợp cho các loại hình kỹ thuật xử lý tương ứng như trong kỹ thuật màng vi sinh chuyển động và kỹ thuật đòi hỏi tập trung được mật độ vi sinh cao trên cơ sở diện tích bề mặt lớn. Vật liệu xốp có kết cấu đặc thù là xốp, dẫn đến một loạt đặc trưng mang tính đặc thù như khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, diện tích 8 bề mặt trong, diện tích bề mặt ngoài, hệ thống mao quản, sự phân bố độ lớn mao quản theo thể tích, kích thước mao quản.
Một số tính chất vật lý của vật liệu cũng thay đổi khi nó tồn tại ở dạng xốp hay dạng đặc, ví dụ như độ bền cơ học, chống mài mòn, mức độ biến dạng. Trong quá trình vận hành, cấu trúc vật liệu mang xốp cũng biến động mạnh hơn so với loại vật liệu có cấu trúc đặc do sự có mặt và phát triển của vi sinh trong đó. Đánh giá cấu trúc của vật liệu mang dạng xốp mang lại các thông tin hữu ích không những cho kỹ thuật xử lý nước thải trong giai đoạn thiết kế mà cả trong giai đoạn vận hành, ví dụ cho quá trình chuyển khối, hiệu quả sử dụng khí cấp, quá trình bong màng vi sinh, sự chuyển động của vật liệu trong môi trường chất lỏng. Những đặc trưng chính liên quan đến tính chất xốp của chất mang vi sinh bao gồm: độ xốp, diện tích bề mặt riêng, kích thước mao quản và sự phân bố của chúng theo thể tích, khối lượng riêng thực, khối lượng riêng biểu kiến, hình thái bề mặt.
Vật liệu mang dạng xốp có diện tích bề mặt cao do phần đóng góp của diện tích nằm ở phía trong của vật liệu. Vật liệu polyuretan xốp được sử dụng vào mục đích trên với tên thương mại là Linpor và Captor [69, 116] được nghiên cứu bởi tác giả L. Jun-Wei Lim và cộng sự, các tác giả đã chỉ rõ sử dụng vật liệu mang polyuretan có hiệu quả cao cho xử lý nitơ khi sử dụng kỹ thuật màng vi sinh di động dạng mẻ [112]. Trong nghiên cứu của Libing Chu và cộng sự đã so sánh hai loại vật liệu sử dụng là polyuretan và polyme dễ bị phân hủy sinh học cho loại nước thải ô nhiễm hữu cơ với tỷ lệ C/N thấp cho thấy hiệu quả của hệ thống sử dụng PU cao hơn so với hệ sử dụng polyme dễ bị phân hủy sinh học.3 Vật liệu mang xốp Linpor và Captor.