MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Nước chiếm đến ¾ diện tích bề mặt trái đất. Nước được xem là cội nguồn của sự sống. Nước là môi trường sinh sống của nhiều loài động, thực vật thủy sinh.
Tuy nhiên, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, gia tăng dân số, biến đổi khí hậu đã làm cho nguồn nước bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng và trở thành vấn đề báo động toàn cầu. Nuôi tôm ở Việt Nam đã phát triển mạnh và trở thành ngành kinh tế quan trọng, tạo công ăn việc làm, tăng thu nhập cho hàng triệu người dân ven biển và tạo nguồn thu ngoại tệ đáng kể cho đất nước thông qua xuất khẩu. Hoạt động nuôi trồng thủy sản đạt khá, nhất là nuôi tôm nước lợ và cá tra. Sản lượng thủy sản nuôi trồng năm 2017 đạt 3.835,7 nghìn tấn, tăng 5,2% so với năm trước, trong đó cá đạt 2.694,3 nghìn tấn, tăng 4,2%; tôm đạt 723,8 nghìn tấn, tăng 10,3%.
Kim ngạch xuất khẩu tôm đạt 3,85 tỷ USD, tăng 22,3% so với năm 2016. Diện tích nuôi thủy sản nước lợ là 1051,7 nghìn ha, diện tích nuôi tôm nước lợ là 704,7 nghìn ha [9]. Tuy nhiên, nghề nuôi tôm Việt Nam nói chung và Bình Định nói riêng đang phải đối mặt với nhiều thách thức, ảnh hưởng đến tính bền vững của ngành. Đó là các tác động kinh tế, xã hội, môi trường của ngành nuôi tôm.
Hoạt động xả thải nguồn nước trong ao và bơm bùn đáy ao trong nuôi tôm thâm canh và bán thâm canh ra kênh rạch tự nhiên mà không xử lý sẽ làm cho hệ thống kênh rạch bị bồi lắng, môi trường nước tự nhiên bị ô nhiễm nghiêm trọng. Chất thải từ hoạt động nuôi tôm (thức ăn thừa, phân tôm và quá trình chuyển hóa dinh dưỡng) chính là nguồn gốc chủ yếu của các chất gây ô nhiễm ở các trại nuôi tôm quản lý kém. Các chất hữu cơ, nitơ và photpho là những thành phần chủ yếu trong chất thải nuôi tôm. Nitơ trong nước thải có thể tồn 2 tại ở các dạng Nitơ hữu cơ, NH4+, NO2-, NO3-.
Các hợp chất này có thể gây một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nguồn nước. Chẳng hạn như các ion Nitrit có thể tác dụng với các amin hay ankylcacbonat trong cơ thể người để tạo thành các hợp chất chứa Nitơ gây ung thư. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ hoặc nước pha sữa, đứa trẻ trở nên xanh xao do các mô không được tiếp tế đủ oxi. Như vậy việc loại bỏ các hợp chất trên ra khỏi nước thải là vấn đề cần thiết.
Có nhiều biện pháp xử lý, tuy nhiên phương pháp sinh học là ưu thế hơn cả vì chúng có ưu điểm về kinh tế, kỹ thuật và thân thiện với môi trường. Trong những nghiên cứu gần đây cho thấy để xử lý nước thải nuôi tôm, các nhà khoa học trên thế giới đã lựa chọn sử dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải vận hành tuần tự theo mẻ xử lý hiếu khí kết hợp thiếu khí (Sequencing Batch Reactor - SBR) bởi những tính ưu việt của phương pháp mang lại cho xử lý nguồn nước thải này [17], [20], [21], [22], [23], [25], [27]. Cụ thể phương pháp SBR có nhiều ưu điểm trong việc tách bùn, quá trình nitrat hóa có thể được thực hiện nhờ vi sinh vật hiếu khí và khử nitrat hóa được thực hiện bởi quá trình thiếu khí [17], [31]. Khi hệ SBR hoạt động hiếu khí, quá trình nitrat hóa đã giúp chuyển hóa amoni thành nitrat, điều này giúp làm giảm lượng amoni trong nước thải.
Khi hệ vận hành trong điều kiện thiếu oxy, xảy ra sự khử nitrat hóa và lượng nitrat trong bùn được chuyển thành nitrit, nitơ oxit và khí nitơ. Kết quả là nitrat đã được loại bỏ hoàn toàn. Xuất phát từ những thực tế trên chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải hồ nuôi tôm bằng phương pháp vi sinh ở quy mô pilot”. Tổng quan tình hình nghiên cứu Ô nhiễm nitơ chiếm tỷ lệ lớn (30 – 40%) từ thức ăn thừa.
Việc cho thức ăn quá nhiều, tính chất nguồn nước không ổn định, thức ăn dễ tan, thức ăn 3 khó hấp thu và khả năng duy trì nitơ… là những yếu tố liên quan với nước thải có chứa nhiều nitơ. Người ta ước lượng rằng, có khoảng 63–78% nitơ cho tôm ăn bị thất thoát vào môi trường. Nitơ dưới dạng protein được tôm hấp thu và bài tiết dưới dạng amoniac. Có một số loài vi sinh vật có khả năng sử dụng các chất hữu cơ, chất khoáng hòa tan và không hòa tan từ phân tôm, các thức ăn thừa tích tụ đáy ao nuôi làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng, sinh trưởng nhờ vậy sinh khối của chúng tăng lên, tạo được sự ổn định, duy trì chất lượng nước và cả màu nước trong ao hồ nuôi.
Công nghệ xử lý nước thải SBR (Sequencing Batch Reactor) là bể xử lý nước thải theo phương pháp sinh học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên tục, diễn ra trong cùng một bể. SBR đã được nghiên cứu từ những năm 1920 và được sử dụng ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới. Ở Châu Âu và Trung Quốc, Hòa Kỳ, họ đang áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong những khu vực đặc trưng có lưu lượng nước thải thấp và biến động. Các khu đô thị, khu nghỉ dưỡng, khu nghỉ mát và một số ngành công nghiệp như sản xuất sữa, bột giấy đang sử dụng công nghệ SBR để xử lý nước thải.
Qua nghiên cứu đã cho thấy amoni và một số hợp chất hữu cơ có mặt trong nước nuôi trồng thủy sản dễ bị chuyển hoá bởi vi sinh vật nên phù hợp với phương pháp này, việc sử dụng công nghệ này sẽ giúp giảm thiểu các chất gây ô nhiễm như amoniac, nitrat, nitrit, cacbon ở hàm lượng lớn, giảm thiểu lượng bùn và các chất rắn lơ lửng nhờ vào sự kết hợp quá trình xử lý hiếu khí và thiếu khí. Quá trình xử lý hiếu khí xảy ra sự nitrat hóa đã giúp chuyển hóa amoni thành nitrat, điều này giúp làm giảm hàm lượng amoni. Hàm lượng COD cũng giảm đáng kể ở giai đoạn này. Với quá trình xử lý thiếu khí đã xảy ra sự khử nitrat hóa và lượng nitrat trong bùn được chuyển thành nitrit, nitơ oxit và khí nitơ [10], [21], [22], [31].
Mục tiêu đề tài - Xây dựng được hệ thống pilot và ứng dụng pilot để xử lý nước thải nuôi tôm theo phương pháp vi sinh. - Nghiên cứu xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải nuôi tôm nước lợ bằng phương pháp sinh học - Nghiên cứu tạo những điều kiện tối ưu trong nuôi cấy vi sinh hiếu khí và thiếu khí trên vật liệu xốp - Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu nước thải nuôi tôm 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu: Đề tài tập trung xây dựng hệ thống pilot xử lý. Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình nuôi cấy vi sinh và điều kiện xử lý nước thải trên hệ pilot.2 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xử lý chất hữu cơ và hợp chất chứa nitơ trong nước thải nuôi tôm nước lợ ở qui mô pilot trong phòng thí nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu 5. Nghiên cứu lý thuyết - Thu thập tài liệu về các nghiên cứu có liên quan đến hướng của đề tài. - Tìm hiểu các phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh hiện nay - Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước. - Ứng dụng các phương pháp phân tích trong thực nghiệm.
- Sử dụng công cụ toán học để xử lý số liệu thực nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm - Thiết kế và xây dựng pilot xử lý nước thải 5 - Xác định pH bằng máy đo pH - Xác định hàm lượng chất rắn lơ lửng TSS - Xác định amoni bằng phương pháp Nessler - Xác định nitrit bằng phương pháp đo quang với thuốc thử Griss - Tìm các điều kiện tối ưu để nuôi cấy vi sinh - Tìm các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý nước thải nuôi tôm - Theo dõi sự thay đổi nồng độ của các chất gây ô nhiễm như chất hữu cơ, các hợp chất chứa nitơ theo thời gian từ đó tìm ra quy luật biến đổi của chúng trong quá trình xử lý. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Xử lý hàm lượng hợp chất chứa nitơ và chất hữu cơ gây ô nhiễm bằng phương pháp màng lọc sinh học thân thiện với môi trường và ít tốn kém.2 Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu đã tìm ra được các vật liệu mới làm chất mang để tạo màng sinh học. - Kết quả nghiên cứu làm phong phú thêm về các hệ thống xử lý nước thải trong thực tế sản xuất.1 Sự ô nhiễm môi trường nước Nước là môi trường sinh sống của nhiều loài động, thực vật thủy sinh.
Cùng với quá trình phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay, vấn đề cung cấp nước sạch, bảo vệ môi trường và xử lý nước thải ngày càng được quan tâm. Do tác động của các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt… mà nguồn nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau, kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Vấn đề ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Thông qua các phương tiện truyền thông, chúng ta có thể dễ dàng thấy được các hình ảnh, cũng như các bài báo phản ánh về thực trạng môi trường hiện nay.
Mặc dù các ban ngành, đoàn thể ra sức kêu gọi bảo vệ môi trường, bảo vệ nguồn nước,. nhưng có vẻ là chưa đủ để cải thiện tình trạng ô nhiễm ngày càng trở nên trầm trọng hơn. Các khuynh hướng làm thay đổi chất lượng nước dưới tác động của con người bao gồm [5]: - Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm H2SO4, HNO3. - Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên như Pb, Cd, Hg, As, … và cả các anion PO43-, NO3-, NO2-… - Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí quyển và các chất thải rắn.
- Tăng hàm lượng các chất hữu cơ, nhất là các chất dễ bị phân hủy sinh học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu).