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 trong nuôi tôm đã dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe sinh vật thủy sinh. Nước thải hồ nuôi tôm chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy, dư lượng kháng sinh và các chất dinh dưỡng như nito, phospho gây phú dưỡng và suy thoái môi trường.

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 trong xử lý nước thải, nghiên cứu khả năng chuyển hóa các hợp chất hữu cơ và kháng sinh trong nước thải, đồng thời kết hợp phương pháp vi sinh và xúc tác quang để nâng cao hiệu quả xử lý. Nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm với mẫu nước thải lấy từ thành phố Quy Nhơn và các vùng lân cận, tập trung vào việc ứng dụng vật liệu composite BiOI/TiO2 phủ trên pha nền xi măng và chế phẩm vi sinh Remediate.38.

Việc xử lý nước thải hồ nuôi tôm hiệu quả không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn nâng cao năng suất và chất lượng tôm nuôi, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải hiện hành, từ đó thúc đẩy phát triển bền vững 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 xúc tác quang và lý thuyết vi sinh trong xử lý nước thải. Vật liệu TiO2 kích thước nano, đặc biệt 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. Việc biến tính TiO2 bằng hợp chất BiOI (với năng lượng vùng cấm 1,82 eV) giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác.

Khái niệm chính bao gồm:

  • Phản ứng quang xúc tác dị thể: sự kích hoạt xúc tác bởi ánh sáng để phân hủy các chất ô nhiễm.
  • Chế phẩm sinh học (Probiotic): tập hợp vi sinh vật có lợi như Bacillus subtilis, Nitrosomonas, Nitrobacter giúp phân giải các chất hữu cơ và chuyển hóa các hợp chất nito trong nước thải.
  • Chất ô nhiễm mục tiêu: hợp chất hữu cơ, kháng sinh tetracyclin, các chỉ tiêu môi trường như pH, NH4+, COD, BOD5, TSS, PO43-.
  • Composite BiOI/TiO2: vật liệu composite kết hợp TiO2 và BiOI phủ trên pha nền xi măng, tăng cường hoạt tính quang xúc tác trong xử lý nước thải.

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. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm với cỡ mẫu phù hợp để đảm bảo tính đại diện. Các chỉ tiêu môi trường được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và các phương pháp chuẩn quốc tế như SMEWW, ISO, bao gồm pH, NH4+, N-tổng, COD, BOD5, TSS, PO43- và hàm lượng kháng sinh tetracyclin.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Excel và R để xử lý số liệu, đánh giá hiệu quả xử lý và phân tích thống kê. Các thí nghiệm khảo sát bao gồm:

  • Thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu composite BiOI/TiO2 trên pha nền.
  • Ảnh hưởng của khối lượng chất xúc tác trên một đơn vị diện tích đến hoạt tính quang xúc tác dưới nguồn sáng đèn và ánh sáng mặt trời.
  • Nghiên cứu điều kiện, thời gian và nồng độ chế phẩm vi sinh Remediate.38 để xử lý nước thải hiệu quả.
  • Kết hợp phương pháp vi sinh và quang xúc tác để xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian phù hợp để khảo sát các điều kiện vận hành và tái sử dụng vật liệu.

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 6,8 đến 8,5; nồng độ NH4+ khoảng 15-30 mg/L; COD từ 120 đến 250 mg/L; BOD5 từ 60 đến 130 mg/L; TSS dao động 50-100 mg/L; PO43- khoảng 2-5 mg/L; hàm lượng tetracyclin khoảng 0,1-0,5 mg/L. Các chỉ tiêu này vượt ngưỡng cho phép, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

  2. Ảnh hưởng khối lượng chất xúc tác BiOI/TiO2: Khi tăng khối lượng chất xúc tác từ 0,5 đến 2,0 g/m², hiệu suất quang xúc tác phân hủy tetracyclin tăng từ 65% lên 92% dưới ánh sáng đèn UV trong 120 phút. Dưới ánh sáng mặt trời, hiệu suất đạt 85% với khối lượng 1,5 g/m², cho thấy ánh sáng đèn UV kích hoạt hiệu quả hơn nhưng ánh sáng mặt trời vẫn có khả năng ứng dụng thực tế.

  3. Hiệu quả xử lý các chỉ tiêu môi trường: Kết hợp vật liệu composite và chế phẩm vi sinh trong 3 giờ xử lý giảm COD từ 220 mg/L xuống còn 45 mg/L (giảm 79,5%), NH4+ từ 28 mg/L xuống 5 mg/L (giảm 82%), BOD5 giảm 75%, TSS giảm 70%, PO43- giảm 60%. Nồng độ tetracyclin giảm hơn 90%, vượt trội so với phương pháp vi sinh đơn lẻ (giảm khoảng 60%).

  4. Khả năng tái sử dụng vật liệu: Vật liệu composite BiOI/TiO2 giữ được trên 85% hiệu suất quang xúc tác sau 5 chu kỳ sử dụng, cho thấy tính bền vững và khả năng ứng dụng lâu dài.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của vật liệu composite BiOI/TiO2 nhờ sự kết hợp giữa khả năng hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến của BiOI và tính ổn định, hoạt tính quang xúc tác mạnh của TiO2 anatase. Việc phủ trên pha nền xi măng giúp cố định vật liệu, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng, giảm chi phí vận hành. Kết quả xử lý các chỉ tiêu môi trường và kháng sinh cho thấy sự phối hợp giữa quang xúc tác và vi sinh tạo ra hiệu quả xử lý vượt trội, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ các chỉ tiêu theo thời gian xử lý và so sánh hiệu quả giữa các phương pháp. Bảng số liệu chi tiết về hiệu suất xử lý từng chỉ tiêu dưới các điều kiện khác nhau cũng giúp minh chứng rõ ràng.

Kết quả này góp phần giải quyết các hạn chế của phương pháp xử lý truyền thống, đồng thời mở ra hướng ứng dụng công nghệ xanh, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường trong ngành nuôi tôm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vật liệu composite BiOI/TiO2 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 ô nhiễm môi trường. Thời gian triển khai: 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.38 với phương pháp quang xúc tác để tăng cường khả năng phân giải các chất ô nhiễm, đặc biệt là hợp chất nito và phospho, đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải. Thời gian áp dụng: 3-6 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp nuôi tôm, trung tâm nghiên cứu môi trường.

  3. Xây dựng quy trình vận hành và bảo trì hệ thống xử lý nước thải kết hợp quang xúc tác và vi sinh nhằm 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 kỹ thuật và quản lý môi trường.

  4. Tổ chức đào tạo, tập huấn kỹ thuật cho người nuôi tôm và cán bộ quản lý về công nghệ xử lý nước thải mới để nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: Sở Nông nghiệp, các trường đại học, viện nghiên cứu.

  5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục cải tiến vật liệu xúc tác quang và chế phẩm vi sinh phù hợp với điều kiện thực tế địa phương nhằm tối ưu hóa chi phí và hiệu quả xử lý. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa Lý, Môi trường và Công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu TiO2 biến tính và ứng dụng trong xử lý nước thải, giúp phát triển các đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp và cơ sở nuôi tôm: Tham khảo giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng quy chuẩn môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy định và hướng dẫn kỹ thuật xử lý nước thải trong nuôi trồng thủy sản.

  4. Các đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải: Áp dụng công nghệ quang xúc tác kết hợp vi sinh trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải hồ nuôi tôm, nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu TiO2 biến tính có ưu điểm gì so với TiO2 truyền thống?
    TiO2 biến tính, đặc biệt khi kết hợp với BiOI, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng hiệu suất quang xúc tác, giảm tái kết hợp electron-lỗ trống, giúp xử lý hiệu quả hơn các chất ô nhiễm dưới ánh sáng mặt trời.

  2. Phương pháp kết hợp vi sinh và quang xúc tác có hiệu quả như thế nào?
    Kết hợp này tận dụng khả năng phân hủy sinh học của vi sinh và khả năng oxy hóa mạnh của quang xúc tác, giảm nhanh các chỉ tiêu ô nhiễm như COD, NH4+, BOD5 và kháng sinh, vượt trội so với phương pháp đơn lẻ.

  3. Khối lượng vật liệu xúc tác ảnh hưởng ra sao đến hiệu quả xử lý?
    Tăng khối lượng vật liệu xúc tác trên một đơn vị diện tích làm tăng hiệu suất xử lý do tăng diện tích bề mặt xúc tác, tuy nhiên vượt quá mức tối ưu có thể gây cản trở ánh sáng và giảm hiệu quả.

  4. Chế phẩm vi sinh Remediate.38 có vai trò 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 nito và phospho, cải thiện chất lượng nước, hỗ trợ quá trình xử lý sinh học và tăng hiệu quả tổng thể khi kết hợp với quang xúc tác.

  5. Vật liệu composite BiOI/TiO2 có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ được trên 85% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng, cho thấy khả năng tái sử dụng tốt, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của công nghệ.

Kết luận

  • Nước thải hồ nuôi tôm tại Bình Định chứa nhiều hợp chất hữu cơ, kháng sinh và các chỉ tiêu ô nhiễm vượt ngưỡng, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
  • Vật liệu composite BiOI/TiO2 phủ trên pha nền xi măng thể hiện hiệu suất quang xúc tác cao, đặc biệt trong phân hủy tetracyclin và các hợp chất hữu cơ.
  • Kết hợp phương pháp vi sinh với quang xúc tác nâng cao hiệu quả xử lý các chỉ tiêu môi trường như COD, NH4+, BOD5, TSS và PO43-.
  • Vật liệu composite có khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải hồ nuôi tôm.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ kết hợp này trong các hệ thống xử lý nước thải nuôi tôm nhằm bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành thủy sản.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm quy mô lớn và xây dựng quy trình vận hành chuẩn để ứng dụng rộng rãi. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường.