Tổng quan nghiên cứu

Nghề nuôi tôm đã trở thành ngành kinh tế mũi nhọn, đóng góp quan trọng vào phát triển kinh tế và nâng cao đời sống người dân, đặc biệt tại các vùng ven biển như tỉnh Bình Định. Diện tích nuôi tôm tại Bình Định năm 2017 đạt khoảng 2.234,7 ha, trong đó diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng là 385 ha và tôm sú là 1.447,9 ha. Tuy nhiên, sự phát triển nóng và thiếu quy hoạch hệ thống xử lý nước thải đã dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe thủy sản và con người. Nước thải hồ nuôi tôm chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy, dư lượng kháng sinh và các chất dinh dưỡng gây phú dưỡng, làm suy thoái môi trường nước và bùn đáy.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá chất lượng nước thải hồ nuôi tôm, 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, hướng tới đạt tiêu chuẩn xả thải. Nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm, tập trung tại thành phố Quy Nhơn và các vùng lân cận, trong giai đoạn năm 2019-2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải hồ nuôi tôm bền vững, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế ngành thủy sản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang xúc tác và lý thuyết vi sinh học xử lý nước thải.

  • Lý thuyết quang xúc tác TiO2: TiO2 ở dạng anatase có năng lượng vùng cấm khoảng 3,2 eV, khi được kích thích bởi ánh sáng tử ngoại tạo ra các cặp electron-lỗ trống quang sinh, thúc đẩy quá trình oxy hóa khử các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Việc biến tính TiO2 bằng hợp chất BiOI giúp thu hẹp vùng năng lượng vùng cấm, mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng vào vùng khả kiến, đồng thời giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

  • Lý thuyết vi sinh học xử lý nước thải: Sử dụng các chủng vi sinh vật có lợi như Bacillus subtilis, Nitrosomonas và Nitrobacter để phân giải các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat, giảm các chỉ tiêu ô nhiễm như BOD5, COD, NH4+. Chế phẩm vi sinh Remediate chứa các vi sinh vật này giúp cải thiện chất lượng nước hồ nuôi tôm.

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

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. 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 kết hợp xử lý sinh học.

Phương pháp phân tích chất lượng nước theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và các phương pháp quốc tế: pH (TCVN 6492:2011), NH4+ (TCVN 2662:1978), Nito tổng (SMEWW 4500-N), COD (TCVN 6491:1999), BOD5 (TCVN 6001:1995), TSS (TCVN 6625:2000), PO43- (SMEWW 4500-P), và xác định kháng sinh tetracyclin.

Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel và R. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu nước thải được lấy theo phương pháp ngẫu nhiên có kiểm soát, đảm bảo đại diện cho vùng nghiên cứu. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ tháng 1/2019 đến tháng 12/2019, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, khảo sát hoạt tính quang xúc tác, thử nghiệm xử lý nước thải và phân tích kết quả.

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+ trung bình khoảng 15 mg/L; COD đạt khoảng 120 mg/L; BOD5 khoảng 60 mg/L; TSS trung bình 50 mg/L; PO43- khoảng 3 mg/L; hàm lượng tetracyclin đo được khoảng 0,5 mg/L. Các chỉ tiêu này đều vượt ngưỡng cho phép của QCVN về nước thải nuôi trồng thủy sản.

  2. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu TiO2 biến tính: Khi tăng khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2 trên một đơn vị diện tích từ 0,5 g đến 2,0 g, hiệu suất quang xúc tác phân hủy tetracyclin tăng từ 65% lên 92% dưới nguồn sáng đèn UV trong 120 phút. Tương tự, dưới ánh sáng mặt trời, hiệu suất đạt 85% ở khối lượng 2,0 g. Nồng độ NH4+ giảm 40-55%, COD giảm 50-70% tùy theo khối lượng chất xúc tác.

  3. Ảnh hưởng của nguồn sáng: Nguồn sáng đèn UV cho hiệu quả xử lý cao hơn ánh sáng mặt trời khoảng 10-15% do cường độ và bước sóng phù hợp hơn với năng lượng vùng cấm của TiO2 anatase. Tuy nhiên, ánh sáng mặt trời vẫn đảm bảo hiệu quả xử lý đáng kể, thuận lợi cho ứng dụng thực tế.

  4. Hiệu quả kết hợp phương pháp vi sinh và quang xúc tác: Sử dụng đồng thời chế phẩm vi sinh Remediate và vật liệu TiO2 biến tính giúp giảm COD đến 85%, BOD5 giảm 80%, NH4+ giảm 70%, và tetracyclin giảm trên 95% sau 3 giờ xử lý. So với phương pháp đơn lẻ, hiệu quả xử lý tăng trung bình 20-25%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả cao của vật liệu TiO2 biến tính BiOI/TiO2 là do sự thu hẹp năng lượng vùng cấm, mở rộng hấp thụ ánh sáng khả kiến và giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, tăng sinh các gốc hydroxyl hoạt tính phân hủy các hợp chất hữu cơ và kháng sinh. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu TiO2 biến tính trong xử lý nước thải.

Sự khác biệt hiệu quả giữa nguồn sáng đèn UV và ánh sáng mặt trời phản ánh đặc tính quang học của TiO2 anatase, cho thấy cần thiết phải tối ưu hóa điều kiện chiếu sáng trong ứng dụng thực tế. Việc kết hợp phương pháp vi sinh giúp phân giải các hợp chất hữu cơ còn lại và chuyển hóa các chất dinh dưỡng, đồng thời cải thiện môi trường sống cho vi sinh vật có lợi, tăng cường khả năng xử lý bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện tỷ lệ phân hủy tetracyclin theo thời gian với các khối lượng chất xúc tác khác nhau và dưới các nguồn sáng khác nhau, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu chất lượng nước trước và sau xử lý bằng các phương pháp đơn lẻ và kết hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vật liệu TiO2 biến tính BiOI/TiO2 phủ trên pha nền xi măng trong hệ thống xử lý nước thải hồ nuôi tôm nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy các hợp chất hữu cơ và kháng sinh, giảm COD, BOD5 và NH4+ xuống dưới ngưỡng quy định. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: 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 tăng cường khả năng phân giải các chất ô nhiễm khó phân hủy, cải thiện chất lượng nước và giảm thiểu tác động môi trường. Thời gian áp dụng: liên tục trong quá trình nuôi. Chủ thể: người nuôi tôm và các tổ chức nghiên cứu.

  3. Tối ưu hóa điều kiện chiếu sáng trong hệ thống xử lý quang xúc tác, ưu tiên sử dụng nguồn sáng đèn UV hoặc thiết kế hệ thống thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả nhằm đảm bảo hoạt tính xúc tác cao. Thời gian triển khai: 3-6 tháng. Chủ thể: nhà 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 để đảm bảo hiệu quả lâu dài, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu xúc tác. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: các đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp.

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, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp và kỹ sư môi trường: Áp dụng công nghệ xử lý nước thải hồ nuôi tôm hiệu quả, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và tuân thủ quy chuẩn xả thải.

  3. Người nuôi tôm và các tổ chức quản lý thủy sản: Hiểu rõ tác động của nước thải và giải pháp xử lý tiên tiến, từ đó áp dụng các biện pháp bảo vệ môi trường nuôi trồng bền vững.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và nông nghiệp: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy định và hướng dẫn kỹ thuật xử lý nước thải phù hợp với thực tiễn địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiO2 biến tính có ưu điểm gì so với TiO2 thông thường?
    TiO2 biến tính, đặc biệt khi kết hợp với BiOI, có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến rộng hơn, giảm sự tái kết hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác so với TiO2 nguyên bản chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại.

  2. Phương pháp kết hợp vi sinh và quang xúc tác có hiệu quả như thế nào?
    Kết hợp hai phương pháp giúp xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ và kháng sinh, đồng thời cải thiện môi trường vi sinh vật có lợi, tăng hiệu quả xử lý COD, BOD5, NH4+ và giảm ô nhiễm lâu dài, vượt trội hơn so với từng phương pháp đơn lẻ.

  3. Nguồn sáng nào phù hợp nhất cho quá trình quang xúc tác?
    Nguồn sáng đèn UV có bước sóng phù hợp với năng lượng vùng cấm của TiO2 anatase, cho hiệu quả xử lý cao hơn ánh sáng mặt trời khoảng 10-15%. Tuy nhiên, ánh sáng mặt trời vẫn là nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm chi phí và thuận tiện cho ứng dụng thực tế.

  4. Chế phẩm vi sinh Remediate có tác dụng gì trong xử lý nước thải?
    Chế phẩm chứa các vi sinh vật có lợi giúp phân giải các hợp chất hữu cơ, chuyển hóa amoni thành nitrat, giảm các chỉ tiêu ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước, đồng thời tăng sức khỏe cho tôm nuôi.

  5. Làm thế nào để tái sử dụng vật liệu TiO2 biến tính trong xử lý nước thải?
    Vật liệu TiO2 biến tính phủ trên pha nền xi măng có thể tái sử dụng nhiều lần sau khi rửa sạch và phơi khô, giúp tiết kiệm chi phí và duy trì hiệu suất xử lý ổn định trong nhiều chu kỳ xử lý.

Kết luận

  • Nước thải hồ nuôi tôm tại Bình Định chứa nhiều hợp chất hữu cơ, amoni, phospho và kháng sinh vượt ngưỡng cho phép, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
  • Vật liệu TiO2 biến tính BiOI/TiO2 phủ trên pha nền xi măng thể hiện hiệu quả quang xúc tác cao, đặc biệt khi sử dụng nguồn sáng đèn UV, giảm đáng kể các chỉ tiêu ô nhiễm như COD, NH4+ và tetracyclin.
  • Kết hợp phương pháp vi sinh với quang xúc tác nâng cao hiệu quả xử lý, giúp đạt tiêu chuẩn xả thải và cải thiện môi trường nuôi tôm bền vững.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển công nghệ xử lý nước thải hồ nuôi tôm tại Việt Nam, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế thủy sản.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế trong 6-12 tháng, đồng thời nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện chiếu sáng và quy trình vận hành để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của hệ thống xử lý.

Hãy áp dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến này để bảo vệ môi trường nuôi tôm và nâng cao giá trị sản phẩm thủy sản!