NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ VÔ CƠ TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN VEN BIỂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Lê Thanh Huyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ VÔ CƠ TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN VEN BIỂN Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên môi trường Mã số: 9850101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2022 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆVIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học 1: TS Đỗ Mạnh Hào Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Lê Mai Hương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại: Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Vào hồi … …., ngày … tháng … năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Với xu phát triển kinh tế biển diễn ngày mạnh mẽ, hoạt động kinh tế xã hội khu vực ven biển hàng ngày xả môi trường lượng chất thải lớn, gây nguy ô nhiễm môi trường hệ sinh thái ven biển Trong hoạt động nuôi trồng thủy sản nguồn ô nhiễm đáng quan tâm, cần kiểm soát chặt chẽ Một giải pháp quan trọng để quản lý hiệu môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển, khắc phục tình trạng gây nhiễm mơi trường vùng ven biển phát triển ứng dụng công nghệ nuôi trồng thủy sản tiên tiến, thân thiện mơi trường Cơng nghệ ni trồng thuỷ sản hồn lưu (RAS) giải pháp công nghệ giảm thiểu nhiễm mơi trường cách triệt để nhất.Với hệ thống ni tuần hồn hồn lưu, tồn nước ni xử lý đảm bảo yêu cầu để cấp lại cho hệ thống ni mà khơng thải ngồi mơi trường.Áp dụng cơng nghệ RAS giải pháp công nghệ phù hợp giúp giải vấn đề ô nhiễm môi trường nuôi trồng thủy sản Tuy nhiên, yêu cầu xử lý ammonia nitritegặp khó khăn q trình nitrate hố bị giới hạn tốc độ sinh trưởng vi khuẩn nitrate hoá đánh giá chậm nhiều so với nhóm vi khuẩn khác Hơn nữa, sinh trưởng hoạt lực nhóm vi khuẩn dễ bị ức chế điều kiện mơi trường khơng thuận lợi thiếu khí nguồn chất hữu dồi Chính lý trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài nghiên cứu: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển" với mong muốn nghiên cứu đưa giải pháp nhằm xử lý lượng ammoniavà nitrite nước tuần hồn hệ thống ni thủy sản, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, nâng cao suất, chất lượng sản phẩm ngành nuôi trồng thủy sản 2.Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý ni tơ vô bằngmàng lọc nitrate hố để xử lý nước tuần hồn hệ thống ni trồng thủy hồn lưu, góp phần quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình làm giầu quần xã vi khuẩn nitrate hố từ mơi trường ven biển Nội dung 2: Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá giá thể nhằm định hướng ứng dụng nuôi trồng thủy sản nước lợ Nội dung 3: Đánh giá hiệu xử lý TAN nitrite màng lọc nitrate hoá hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mơ 1m3 Nội dung 4: Đánh giá hiệu xử lý TAN nitrite màng lọc nitrate hố hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mơ 100m3 CHƯƠNG TỔNG QUANVẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện trạng nuôi trồng thuỷ sản nước lợ giới Việt Nam Nuôi trồng thủy sản nói chung nghề ni tơm nói riêng giời tạo chuyển đổi hiệu mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều quốc gia, manglại nhiều lợi ích thiết thực cho người nuôi Ngành nuôi trồng thủy sản Việt Nam tạo chuyển đổi hiệu mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều quốc gia, đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho người nuôi Ở Việt Nam, khoảng thập niên gần đây, chứng kiến ngành nuôi trồng thuỷ sản đặc biệt ngành nuôi trồng thuỷ sản nước lợ phát triển với tốc độ nhanh Tuy nhiên, nay, ngành nuôi tôm bị ảnh hưởng nặng ô nhiễm môi trường.Một ngun nhân làm giảm sản lượng tơm dịch bệnh ô nhiễm môi trường.Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn có 85% sản lượng tôm nuôi thâm canh, đặc trưng nuôi với mật độ dày siêu tải trọng thức ăn, vậy, 40% ao nuôi phải thay nước sau vài ngày để loại bỏ chất độc hại Sự thay nước ao NTTS ven biển gây tượng phú dưỡng cho môi trường nước cạn kiệt oxy cho hệ sinh thái ven biển Tùy thuộc vào mật độ nuôi tôm mà tổng số chất ô nhiễm phosphor, nitrogen chất rắn lơ lửng lên tới 321; 668 215.000 kg/ha tương ứng gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường nuôi 1.2 Ơ nhiễm hợp chất nitơ vơ nuôi trồng thuỷ sản nước lợ Nuôi trồng thủy sản nước ta chủ yếu theo qui mô công nghiệp, kéo theo việc lạm dụng thức ăn để nâng cao suất làm cho môi trường đầm phá vùng nuôi tôm bị ô nhiễm nghiêm trọng dịch bệnh phát triển nhanh Ô nhiễm ao nuôi tôm chủ yếu thức ăn thừa chất tiết tơm tích tụ đáy ao gây nhiễm hữu Trung bình mặt nước hồ ao nuôi vụ tháng tạo lượng tảo khoảng 18.000 kg chất hữu cơ/ha, nuôi tôm sú sản lượng - tấn/vụ thải khoảng 3,6 - 4,8 chất thải Do vậy, nuôi tôm sú thải môi trường khoảng 22 chất thải (gồm sinh khối tảo chết) Các chất thải phần lớn tích tụ đáy ao gây nhiễm chất hữu tùy thuộc vào phương thức nuôi tôm 1.3 Vai trị vi sinh vật q trình chuyển hố chất nhiễm nitơ vơ Trong mơi trường sống vi sinh vật, có giá thể vi sinh vật dính bám bề mặt giá thể sinh trưởng phát triển tạo thành lớp màng nhầy Quá trình sinh trưởng phát triển vi sinh vật tiêu thụ chất có nước thải làm nước thải Dựa vào nguyên lý hoạt động giá thể vi sinh người ta thường sử dụng giá thểtrong xử lý nước thải để tăng hiệu suất trình phânhủy sinh học, giảm thiểu lượng bùn sinh Tăng hiệu vận hành ổn định hệ thống Giảm thiểu mùi hôi phân hủy sinh học hợp chất hữu Hiện nay, nguồn nguyên liệu chủ yếu sử dụng làm giá thể gồm xơ dừa, zeolite, mảnh vụn san hơ, sỏi, cát, gốm, nhựa Hình dạng cá thể thườngđược làm dạng hình cầu rỗng, hình dài v.v…Các loại giá thể đóng vai trị tích cực việc tăng cường hiệu hoạt động hệ thống sinh học ứng dụng nhiều hệ thống xử lý nước thải Tuy nhiên nay, chưa có nghiên cứu tiến hành riêng biệt chuyên sâu vật liệu sẵn có địa bàn thành phố Hải Phịng để làm giá thể đảm bảo bám dính cao, q trình tạo màng có hiệu quả, sinh trưởng, pháttriển tốt cho nhóm vi sinh vật nitrate hố 1.4 Các giải pháp xử lý chất ô nhiễm nitơ vô đầm nuôi thuỷ sản nước lợ vi sinh vật 1.4.1 Giải pháp tăng cường sinh học Giải pháp tăng cường sinh học việc sử dụng chủng vi khuẩn nitrate hố phản nitrate hố có hoạt tính sinh học cao phân lập làm giầu từ tự nhiên (Chế phẩm sinh học) để bổ sung vào đầm nuôi nhằm tăng khả tự loại bỏ chất ô nhiễm TAN, N-NO2 N-NO3.Theo kết nghiên cứu chủng vi khuẩn nitrate hố làm giảm ammonia, nitrite đólàm tăng tỷ lệ sống sinh trưởng tôm nuôi Nghiên cứu tạo quần hợp vi khuẩn nitrate hoá địa phương pháp làm giầu cải tiến Luận án nghiên cứu tiến hành Việt Nam nhằmtạo quần hợp vi sinh vật nitrate hoá phản nitrate có tính thích nghi cao sinh trưởng phát triển tốtsẽ góp phần khắc phục khó khăn việc xử lý hợp chất ni tơ vô chế phẩm sinh học 1.4.2 Giải pháp kích thích sinh học Giải pháp kích thích sinh học (Biostimulation) việc thay đổi điều kiện môi trường theo hướng kích thích khả loại bỏ chất nhiễm nitơ vi sinh vật địa Theo nghiên cứu nồng độ chất nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khả sinh trưởng khả loại bỏ chất ô nhiễm nitơ vơ Đối với nhóm vi khuẩn ơxy hố ammonialà chất TAN nhóm vi khuẩn ơxy hố nitrite làcơ chất nitrite Trong điều kiện nồng độ chất giới hạn, tốc độ nitrate hoá chủng vi khuẩn khiết hay quần xã vi khuẩn thường có mối tương quan tỷ lệ thuận với nồng độ chất Nhưng nồng độ chất cao trình sinh trưởng tốc độ nitrate hoá vi khuẩn lại bị ức chế 1.4.3 Giải pháp lọc sinh học Các nghiên cứu có cho thấygiải pháp xử lý ni tơ vơ công nghệ lọc quan tâm Tuy nhiên, thách thức lớn việc xử lý hợp chất ni tơ vô công nghệ lọc hiệu xử lý thấp giá thành cao Nguyên nhân xuất phát từ chất vi khuẩn ni tơ rat hóa có tốc độ phát triển chậm, điều kiện để vi sinh vật phát triển khắt khe [78] Các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc thiết kế hệ thống lọc, phương thức vận hành hệ thống, đánh giá chế ảnh hưởng yếu tố mơi trường đến hiệu xử lý.Chưa có nghiên cứu mang tính tồn diện, hình thành giải pháp cơng nghệ tổng thể triển khai áp dụng phù hợp với thực tiễn, mang tính ứng dụng cao Để khắc phục nhược điểm nêu trên, luận án tiến hành nghiên cứu theo hướng trọng nội dung gồm: (1) tạo nhóm vi khuẩn có tính thích nghi cao, tốc độ phát triển tốt để khắc phục đặc tính phát triển chậm vi sinh vật; (2) Lựa chọn loại giá thể để q trình tạo màng có hiệu xác định loại giá thể giúp vi sinh vật nitrate hóa sinh trưởng phát triển tốt;(3) Hình thành lớp màng lọc visinh vật nitrate giống nhà máy xử lý mi ni hoạt động ổn định hiệu quả; (4) Vận hành hệ thống thử nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm quy mơ thực tế để có giải pháp ứng dụng có hiệu màng lọc vào thực tiễn Các nội dung nghiên cứu cụ thể trình bày phần Luận án CHƯƠNG TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Địa điểm, thời gian đối tượng nghiên cứu 2.1.1 Địa điểm nghiên cứu - Mẫu nước để làm giầu vi khuẩn nitrate hoá thu thập rừng ngập mặn Phù Long, Cát Hải, thành phố Hải Phịng - Q trình làm giầu, cô đặc tạo chế phẩm tiến hành Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn – Viện Tài ngun Mơi trường biển - Phân tích đặc điểm hình thái tiến hành Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương, Hà Nội - Phân tích đa dạng di truyền quần xã vi khuẩn làm giầu Trung tâm Nghiên cứu Đa dạngsinh học, Academia Sinica, Đài Loan - Thử nghiệm hiệu xử lý chế phẩm nitrate hoá khu thực nghiệm, Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn – Viện Tài nguyên Môi trường biển - Thử nghiêm mơ hình ni tơm ni cá rô phi quy mô thử nghiệm khu thực nghiệm, Trạm Nghiên cứu biển Đồ Sơn – Viện Tài nguyên Mơi trường biển - Thử nghiệm mơ hình ni tơm hồn lưu quy mơ 100m3 xã Tam Đa, huyện Vĩnh Bảo, thành phố Hải Phòng 2.1.2 Thời gian nghiên cứu - Nghiên cứu thực thời gian năm (2017 – 2022) 2.1.3 Đối tượng nghiên cứu -Vi khuẩn nitrate hố xử lý chất nhiễm ammonia, nitrite - Cơng nghệ lọc tuần hồn ni trồng thuỷ sản (RAS) 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Các bước nghiên cứu Trước tiên, mẫu trầm tích thu thập ngồi trường chuyển phịng thí nghiệm để tiến hành làm giầu làm nhiều bước mơi trường chọn lọc Sinh khối vi khuẩn nitrate hố cô đặc từ huyền dịch làm giầu phương pháp ly tâm Sau đó, quần xã vi sinh vật cô đặc tiếp tục nghiên cứu theo hướng khác để đánh giá đa dạng quần xã vi khuẩn khả ứng dụng vào nuôi trồng thuỷ sản nước lợ + Phân tích đặc điểm hình thái quẩn thể vi sinh vật + Phân tích đặc điểm đa đạng di truyền vi sinh vật + Đánh giá hiệu xử lý ammonia nitrite quần xã vi khuẩn nitrate nuôi trồng thuỷ sản ven biển 2.2.2Phương pháp hồi cứu, kế thừa tài liệu liên quan 2.2.3.Làm giầu tạo màng giá thể bám vi khuẩn nitrate hóa định hướng ứng dụng nuôi trồng thủy sản - Thu thập mẫu vật: Để làm giầu quần xã vi sinh vật nitrate hoá phục vụ cho nghiên cứu màng sinh học, tiến hành thu thập mẫu vật từ khu vực rừng ngập rừng ngập mặn Phù Long, huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng - Làm giầu quần xãvi khuẩn nitrate hoá: Thực làm giàu nhóm vi khuẩn điều kiện bổ sung chất thường xun vào bình thí nghiệm có chứa nhóm vi khuẩn thu thập - Tăng sinh khối quần xãvi sinh vật hệ thống lên men: Tăng sinh khối quần xã vi sinh vật nitrate thực hệ thống lên men dung tích lít (BIOFLO 2000) Môi trường sử dụng để nuôi hệ thống lên men gồm: nước biển 1000 ml; (NH4)2SO4 4.72 mg NaNO2 4.93 mg;K2HPO4 0.88 mg; pH - - Phân tích đặc điểm hình thái tế bào quần xãvi khuẩn làm giầu:được phân tích phương pháp nhuộm màu, tế bào sau cố định tiêu quan sát kính hiển vi phản pha kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Phân tích đa dạng di truyền quần xãvi khuẩn nitrate hoá làm giầu: Sinh khối vi khuẩn trước tách chiết phương pháp Cetyltrimethyl amonium Bromidesau phân tích đa dạng di truyển - Phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu làm giá thể bám: Hình dạng bề mặt vật liệu lọc xác định kính hiển vi điện tử quét Diện tích bề mặt vật liệu lọc tính tốn phần mềm chun dụng - Tạo màng quần xãvi khuẩn giá thể bám:Cấy truyền chế phẩm nitrate hố vào bình tam giác dung tích 500 mL có chứa mơi trường dịch thể với tỷ lệ 1:10 (v/v) Nồng độ chất ban đầu mơi trường kích hoạt chế phẩm 10 mg N/l Các bình ni cấy ni máy lắc, tối pH điều chỉnh - Lựa chọn giá thể:Để kiểm tra mức độ dính bám quần xãvi khuẩn vào chất mang kiểm tra kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Tạo màng quần xãvi khuẩn giá thể bám: Màng lọc kiểm tra hiệu xử lý ammonia nitrite cách nuôi cấy môi trường dịch thể giống môi trường nuôi làm giầu quần xã vi khuẩn 2.2.4 Đánh giá hiệu xử lý ammoniavà nitrite màng lọc nitrate hoá hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mơ pilot - Thiết kế thí nghiệm: Xây dựng 06 hệ thống tuần hồn nước với quy mơ 1m3/hệ thống.Thí nghiệm thiết kế 02 nghiệm thức nghiệm thức đối chứng (ĐC) nghiệm thức thí nghiệm (TN), nghiệm thức lặp lại lần’; Đối tượng ni thí nghiệm: cá rơ phí đơn tính 21 ngày tuổi tơm thẻ chân trắng giống Post 12 - Kích hoạt bể lọc sinh học, vận hành quan trắc:Sau bổ sung chế phẩm vào bể lọc sinh học nghiệm thức TN, hệ thống tuần hồn khơng tải thời gian 30 ngày,cơ chất bổ sung thường xuyên 2.2.5 Đánh giá hiệu xử lý ammoniavà nitrite màng lọc nitrate hố hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mơ 100m3 - Thiết kế thí nghiệm: Thí nghiệm thiết kế gồm 02 nghiệm thức nghiệm thức thí nghiệm (TN1) nghiệm thức thí nghiệm (TN2).Mỗi nghiệm thức hệ thống lọc tuần hồn ni tơm thẻ chân trắng quy mơ 50 m3/hệ thống - Kích hoạt bể lọc sinh học, vận hành quan trắc:Sau bổ sung chế phẩm vào bể lọc sinh học nghiệm thức TN, hệ thống tuần hồn khơng tải thời gian 30 ngày,cơ chất bổ sung thường xuyên - Vận hành: Thời gian thí nghiệm: tháng (5/2019 - 7/2019); Mật độ: 300 con/m CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu làm giầu tạo màng giá thể bám vi khuẩn nitrate hóa định hướng ứng dụng nuôi trồng thủy sản 3.1.1.Làm giầu quần xã vi khuẩn nitrate hố Q trình làm giàu bước bước thứ nhất: 30 0.120 25 0.100 20 0.080 15 0.060 10 0.040 0.020 0.000 10 15 20 25 30 35 Thời gian (ngày) Hình 3.1.Mức tiêu thụ chất tốc độ loại bỏ chất tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa q trình làm giàu bước Thời gian (ngày) Hình 3.2 Mức tiêu thụ chất tốc độ loại bỏ chất tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa trình làm giàu bước 11 3.1.2 Đa dạng hình thái quần xãvi khuẩn nitrate hố Bảng 3.1 Đặc điểm hình thái tổ hợp vi khuẩn nitrate hóa làm giàu Stt Hình dạng tế bào Kích thước tế bào (µm) Bề mặt tế Phản ứng bào Gram Thanh dài mảnh cong có đầu trịn 0,5 x 1,9 Bề mặt gồ ghề - Thanh thẳng có đầu trịn 0,6 x 1,4 Bề mặt gồ ghề + Thanh ngắn có đầu nhọn 0,7 x 1,1 Bề mặt gồ ghề + Que thẳng có đầu trịn 0,9 x 1,9 Bê mặt thơ - Que cong có đầu trịn 0,5 x 0,9 Bê mặt thơ - Que cong có đầu trịn 0,5 x 1,4 Bê mặt thô - 0,7 Bê mặt thơ ND Thanh dài mảnh cong có đầu nhọn 0,3 x 1,3 Bề mặt gồ ghề ND Thanh cong mảnh đầu nhọn 0,2 x (1,2 -1,6) Bề mặt gồ ghề ND 0,2 x 0,7 Bề mặt gồ ghề ND Hình cầu 10 Thanh thẳng có đầu trịn Hình 3.7.Sự đa dạng hình dạng tế bào tổ hợp vi sinh vật làm giàu dạng lơ lửng 12 Hình 3.8.Sự đa dạng hình dạng tế bào tổ hợp vi sinh vật làm giàu dạng đính kèm: a -xơ dừa; b&c -ô gắn xơ dừa;d -bọt biển;e&f - ô gắn bọt biển 3.1.3 Đa dạng chủng loại phát sinh Bảng 3.2 Đánh giá mức độ đa dạng giầu có quần xã vi khuẩn nitrate hố Mẫu Shannon SI Cd Trình tự gen OTUs CU1 3,97 0,49 0,12 21.531 94 CU2 2,67 0,49 0,42 40.818 137 Hình 3.9 Đa dạng chủng loại phát sinh quần xã vi khuẩn nitrate hố sau đặc (a): đặc băng phương pháp lắng đọng; (b): cô đặc phương pháp ly tâm 13 3.1.4 Cô đặc tạo chế phẩm Chế phẩm sinh học gốc bảo quản 4oC pha lỗng với mơi trường ni cấy 10 lần có khả phân giải oxy hóa 0,73 mg/L/giờcơ chất thành nitrate Sinh khối khô vi sinh vật chế phẩm đạt 620 mg/l Sinh khối vi sinh vật tổng số chế phẩm định lượng cân phân tích với độ xác 0,001g, ly tâm chế phẩm môi trường nuôi với tốc độ 7.000 vòng/phút thời gian 30 phút, gạn bỏ lớp dịch phía cân phần sinh khối phía sau sấy qua đêm tủ sấy 37oC Sinh khối chế phẩm hiệu số phần kết tủa chế phẩm phần kết tủa môi trường nuôi cấy 3.1.5 Nghiên cứu lựa chọn giá thể bám Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn 05 loại vật liệu khác đề đánh giá hiệu dính bám xử lý ammonia nitrite chúng, bao gồm đá san hô chết, xơ dừa, đá cuội nhỏ, xốp spongevà hạt nhựa kaldness Sau dính bám vi sinh vật giá thể, giá thể (biofilter) chuyển sang bình tam giác dung tích có sẵn mơi trường khống với nồng độ chất ban đầu 10 mg/L Kết quan trắc tiêu TAN nitrite cho thấy sau thời gian 15 ngày, nồng độ ammonia nitrite nghiệm thức có giá thể khác tiêu thụ hết Hình 3.10.Đánh giá hiệu xử lý TAN nitrite loại lọc sinh học khác 14 Sau thời gian ngày, tốc độ loại bỏ TAN nitrite nghiệm thức san hô chết, xơ dừa, đá cuội hạt nhựa kaldness khơng có khác biệt cao giá thể đá cuội (Hình 3.10) Bảng 3.3.So sánh đánh giá số đặc điểm quan trọng giá thể lọc sinh học 3 Đá cuội 1 2 3 Xu hướng chống tắc 1 Cấu trúc vật chất trơ 3 Sức bền học 3 Trọng lượng nhẹ 3 Vệ sinh, khử trùng 1 3 Dễ bảo dưỡng 1 1 10 Tiêu hao điện 1 11 Tính thấm nước 1 3 12 Khả hấp phụ 1 1 Tổng điểm 20 16 32 23 21 TT San hô chết Sơ dừa Tiết diện bề mặt Độ rỗng 3 Đường kính nước Kaldness Sponge 3.2 Nghiên cứu, đánh giá hiệu xử lý ammoniavà nitrite hệ thống lọc tuần hoàn ni thuỷ sản quy mơ nhỏ 3.2.1 Kích hoạt màng nitrate hố Sau 30 ngày kích hoạt màng nitrate hố hệ lọc sinh học, hàm lượng TAN giảm từ 20 mg/L ngày đầu tiến xuống 0,0 mg/L Xu biến động hàm lượng TAN chia thành 03 giai đoạn giai đoạn 07 ngày đầu tiên, giai đoạn 10 ngày giai đoạn ngày cuối Giai đoạn 1, TAN giảm chậm với tốc độ đạt khoảng 0,41 mg/L/ngày Giai đoạn 2, TAN giảm nhanh với tốc độ 1,53 mg/L/ngày Giai đoạn 3, TAN giảm với tốc độ thấp 0,075 mg/L/ngày 3.2.2 Kết nghiên cứu tôm thẻ chân trắng 3.2.2.1 Ammoniatổng số (TAN) 15 8.00 7.00 TAN (mg/L) 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 00 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời TN gian (ngày) ĐC Hình 3.11 Biến động nồng độ TAN bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.2.2.2 Nitrite (N-NO2) 7.00 N-NO2 (mg/L) 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 00 10 20 30 40 50 TB ĐC Thời gian (ngày) 60 70 80 90 Hình 3.12.Biến động nồng độ nitrite bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.2.2.3 Nitrate (N-NO3) 25 NO3 (mg/L) 20 15 10 0 20 40 60 80 100 Thơi gian (ngày) TN ĐC Hình 3.13.Biến động nồng độ nitrate bể ni tơm thẻ chân trắng 3.2.2.4 Tỷ lệ sống sót tôm 90 16 Kết thử nghiệm cho thấy tỷ lệ sống sót tơm bể đối chứng 10 ngày đầu cao đạt 95- 97,0% Sau 36 ngày ni, tỷ lệ sống sót tơm đạt 90,0% 3.2.3 Kết nghiên cứu cá rô phi 3.2.3.1 Ammoniatổng số (TAN) TAN (mg/L) 15 10 -5 10 20 Đối chứng 30 40 Thí nghiệm 50 Ngày Hình 3.14 Biến động nồng độ TAN (mg/L) thời gian nuôi rô phi 3.2.3.2 Nitrite (N-NO2-) N-NO2 (mg/L) -2 10 20 Đối chứng 30 40 50 Thí nghiệm Ngày Hình 3.15.Biến động nồng độ N-NO2 (mg/L) thời gian nuôi rô phi 3.2.3.3 Tỷ lệ sống sót cá rơ phi % sống sót 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 000 10 20 Đối chứng 30 40 50 Ngày Thí nghiệm Hình 3.16.Tỷ lệ sống sót (%) cá rơ phi thời gian nuôi thả Nhận xét chung 17 Kết thí nghiệm đánh giả ảnh hưởng chế phẩm nitrate hố thơng qua ni cá rơ phi nước lợ (15‰) tôm thẻ chân trắng hệ thống tuần hồn quy mơ 1m3 cho thấy lơ thí nghiệm có hiệu xử lý TAN, nitrite tỷ lệ sống sót tơm thẻ chân trắng cá rô phi cao rõ rệt so với lô đối chứng Hàm lượng TAN N-NO2 lô đối chứng tăng sau chu kỳ thí nghiệm,TAN nitrite tôm thẻ chân trắng 5,4 mg/L 5,2 mg/L tương ứng, cá rô phi 10,0 mg/L 5,2 mg/L tương ứng 3.3 Đánh giá hiệu xử lý ammoniavà nitrite màng lọc nitrate hoá hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mơ 100m3 3.3.1 Kích hoạt màng nitrate hố (break in) Sau đưa chế phẩm nitrate hoá vào module lọc sinh học, kích hoạtchế độ sục khí bơm hồn lưu để cung cấp oxy nước chạy hoàn lưu bên modulelọc sinh học Bổ sung chất (NH4Cl) vào bểlọcể đạt nồng độ 20 mg/L quan trắc định kỳ thông số TAN, nitrite nitrat Khi nồng độ TAN nitrite hết, bể lọc sinh học hoạt động có hiệu nối vào bể nuôi 30 25 mg/L 20 15 10 0 10 TAN 15 N-NO2 20 25 N-NO3 30 Ngày Hình 3.17.Biến động hàm lượng TAN, nitrite nitrate q trình kích hoạt hệ lọc sinh học 3.3.2 Chất lượng môi trường 3.3.2.1 Ammoniatổng số (TAN) Nồng độ TAN dao động khoảng từ 0,0 – 0,7 mg/L, trung bình 0,48 mg/L TAN có xu tăng nhanh 18 ngày đầu với tốc độ trung bình 28 µg/L/ngày Trong ngày tiếp theo, TAN có xu tăng nhẹ với tốc độ khoảng µg/L/ngày Nếu tính riêng 22 ngày cuối cùng, TAN có xu khơng tăng mà ln trì nồng độ từ 0,6 – 0,7 mg/L/ngày (Hình 3.18) 18 0.8 0.7 TAN (mg/L) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (ngày) TAN-Bể TAN-Bể Hình 3.18.Biến động nồng độ TAN bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.3.2.2 Nitrite (N-NO2) Nồng độ nitrite dao động khoảng từ – 0,45 mg/L, trung bình 0,25 mg/L Nitrite có xu tăng nhanh giai đoạn 12 ngày giai đoạn từ ngày 24 đến ngày 36 Nitrite có xu ổn định giai đoạn từ ngày 12 đến ngày 24 giai đoạn 20 ngày cuối (Hình 3.19) 0.5 0.45 0.4 N-NO2 (mg/L) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (ngày) NO2-Bể NO2-Bể Hình 3.19.Biến động nồng độ nitrite bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.3.2.3 Nitrate (N-NO3) Nồng độ nitrate dao động khoảng từ 0,26 mg/L đến 7,1 mg/L, trung bình 5,37 mg/L N-NO3 có xu tăng nhanh 27 ngày đầu với tốc độ trung bình 0,27 mg/L/ngày Trong 30 ngày tiếp theo, nồng độ N-NO3 có xu khơng tăng ln trì nồng độ 7.17 mg/L/ngày (Hình 3.20) 19 Mặc dù hệ thống lọc sinh học khơng sử dụng module phản nitrate hố nồng độ N-NO3 bể nuôi không cao đặc biệt ổn định thời gian 30 ngày cuối Nguyên nhân hoạt động quang hợp tảo vi khuẩn quang hợp sử dụng N-NO3 làm nguồn Ni tơ để quang hợp N-NO3 (mg/L) 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (ngày) NO3-Bể NO3-Bể Hình 3.20 Biến động nồng độ nitrate bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.3.2.4 Nhu cầu oxy hoá học (COD) 10 COD (mg/L) 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (ngày) COD-Bể COD-Bể Hình 3.21 Biến động nồng độ COD bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.3.2.5 Nhu cầu oxy sinh học (BOD5) BOD5 (mg/L) 20 0 10 20 30 40 50 Thời1 gian (ngày) BOD5-Bể 60 70 BOD5-Bể Hình 3.22.Biến động nồng độ BOD5 bể ni tơm thẻ chân trắng Vi khuẩn tổng số (CFU/ml) 3.3.2 Vi khuẩn tổng số 1.800E+06 1.600E+06 1.400E+06 1.200E+06 1.000E+06 8.000E+05 6.000E+05 4.000E+05 2.000E+05 0.000E+00 10 20 30 40 50 60 70 VKTS-Bể Thời gian (ngày) VKTS-Bể Hình 3.23.Biến động mật độ vi khuẩn tổng số bể nuôi tôm thẻ chân trắng 3.3.2.7 Vibrio 200 CFU/ml 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 Thời Vibrio-Bể gian (ngày) Vibrio-Bể 3.4.Thảo luận Phương thức làm giầu đa bước cho phép kích thích q trình nhân lên nhóm vi sinh vật mong muốntrong lại ức chế phát triển nhóm vi sinh vật không mong muốn Hơn nữa, thông qua q trình cấy chuyển giống làm giầu vào mơi trường mới, nhiều hợp chất trung gian không xác địnhsinh q trình làm giầu mà ức chế sinh trưởng nhóm vi 21 khuẩn nitrate hố bị giảm đi, kết sinh trưởng vi sinh vật mong muốn cải thiện Trong nghiên cứu này, trình làm giầu cho thấy lượng chất tiêu thụ tăng dần trình làm giầu Nếu bước trình làm giầu, lượng chất tiêu thụ tích luỹ 28mg/l, bước làm giầu thứ lượng chất tiêu thụ tích luỹ 495 mg/l Song song với đó, tốc độ loại bỏ chất tăng từ 0,083 mg/l/giờ bước làm giầu thứ đến 3,65 mg mg/l/giờ bước làm giầu thứ Các kết nghiên cứu trước cho thấy tốc độ loại bỏ chất tăng dầu sau lần làm giầu Kết làm giầu theo mẻ Shan Obbard cho thấy tốc độ loại bỏ TAN tăng lên từ mg/l/ngày hệ thứ đến mg/l/ngày hệ thứ Kim cộng làm giầu nhóm vi khuẩn oxy hố ammonia (AOB) từ mẫu bùn hoạt tính nước thải, nhóm vi khuẩn AOB làm giầu theo mẻ môi trường chọn lọc với lần lặp lại Kết cho thấy tốc độ oxy hoá tăng từ 0,017 mg/MLSS/ngày lần làm giầu đến 0,810 mg/MLSS/ngày lần làm giầu thứ Yao cộng làm giầu nhóm vi khuẩn oxy hố ammonia AOB từ bùn hoạt tính AOB ni hệ thống lên mem tự động (minifors, INFORS Corp., Switzerland) với thể tích hữu dụng 3,5 L Trong trình làm giầu, chất ammonia nguồn bon dạng Na2CO3 bổ sung liên tục vào hệ thống lên men Kết cho thấy tốc độ oxy hoá ammonia tối đa vượt 170mg/l/giờ So sánh tiêu quan trắc mơi trường nước vùng ni tơm theo hình thức thâm canh Hải Phòng từ năm 2017 (6 tháng), năm 2019 (5 tháng), năm 2020 (2 tháng) vàcác tiêu quan trắc môi trường nước mô hình áp dụng cơng nghệ RAS có sử dụng màng lọc nitrate nghiên cứu luận án cho thấy, tất tiêu vùng nuôi thâm canh có giá trị cao nhiều Với mơ hình áp dụng cơng nghệ RAS có sử dụng màng nitrate hóa từ kết nghiên cứu Luận án, mơ hình quy mơ 1m3 mơ hình nuôi quy mô 100m3đều cho thấy, tiêu mức thấp nhiều đáp ứng quy định chất lượng môi trường nước theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 11041-8:2018 sản xuất lĩnh vực nuôi trồng thủy sản nuôi tôm hữu Trong đó, số BOD COD dao động khoảng từ 6- mg/l; N- NH3 dao động khoảng từ 0,15 – 0,25 mg/l; Mật độ vi khuẩn Vibrio dao độngtrong khoảng từ 150 – 200 CFU/ml 22 Kết so sánh làm bật tính ưu việtcủa cơng nghê ni tuần hồn có sử dụng màng lọc nitrate hóa luận án, quan trọng ổn định chất lượng nước nuôi, đảm bảo suất chất lượng nuôi trồng mà hồn tồn khơng phát sinh nước thải bùn thải Đặc biệt việc không xả nước thải từ vùng ni cịn tránh lây lan dịch bệnh sở nuôi trồng; Việc tăng cường áp dụng công nghệ giải pháp tối ưu để quản lý hiệu môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển, góp phần cắt giảm nguồn thải lớn môi trường từ hoạt động nuôi trồng thủy sản, bảo vệ chất lượng môi trường nước vùng biển ven bờ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận (1) Về quy trình làm giầu tạo màng: Luận án phát triển quy trình làm giầu đa bước để nhân thành cơng nhóm vi khuẩn oxy hoá ammonia nitrite từ mẫu nước thu thập rừng ngập mặn Bàng La, huyện Cát Hải, thành phố Hải Phịng Sau q trình làm giầu, tốc độ loại bỏ chất tăng từ 0,114 mgN/L/h tới 3,58 mgN/L/h, tổng lượng chất tiêu thụ trình làm giầu 5.665 mg/L Quá trình làm giàu luận án nghiên cứu có nhiều điểm so với nghiên cứu có Các điểm thể nội dung: Lựa chọn nguồn gốc vi sinh vật làm giàu từ nhóm vi sinh vật tự nhiên địa; lựa chọn quy trình làm giàu quy trình bước; lựa chọn làm giàu đồng thời nhóm vi khuẩn oxy hố ammonia nitrite; lựa chọn mơi trường có nồng độ chất thấp để làm giàu Kết làm giàu thành công tạo quần xã vi khuẩn sau làm giầu đa dạng, bao gồm 17 ngành khác Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Chlamydiae, Gemmatimonadetes, Chlorobi, Chloroflexi, Cyanobacteria, Firmicutes, Hydrogenedentes, Nitrospirae, Parcubacteria, PAUC34f, Planctomycetes,SBR1093 Verrucomicrobia Ở đơn vị phân loại cấp giống cho thấy Nitrospira, Pseudohongiella, Marinobacter, Denitromonas giống trội quần xã vi khuẩn làm giầu Về trình tạo màng:Với quần thể vi sinh vậtthu từ trình làm giàu, Luận án tiến hành thử nghiệm để lựa chọn vật liệu làm giá thể cho trình tạo màng vvi sinh vật Trên sở so sánh đánh giá hiệu xử lý TAN nitrite 12 tiêu sử dụng san hô chết, xơ dừa, hạt nhựa Kaldness, xốp sponge đá cuội làm giá thể cho 23 quần thể vi sinh vật làm giàu, nghiên cứu rahạt nhựa Kaldness vật liệu thích hợp Đối với loại vật liệu này, vi sinh vật bám dính cao, thích nghi nhanh phát triển tốt, trình tạo màngcủa vi sinh vật bề mặt vật liệu đạt kết tốt có hiệu xử lý amoni nitrate cao (2) Về hiệu xử lý ammonia nitrite màng lọc nitrate hoá hệ thống hải sản hồn lưu quy mơ pilot: Sau khixây dựng quy trình làm giàu lựa chọn loại giá thể tích hợp, Luận án ứng dụng thử nghiệm vào hệ thống tuần hồn ni cá rơ phi tôm thẻ quy mô m3 cho thấy hiệu xử lý TAN, nitrite tỷ lệ sống sót lơ thí nghiệm cao rõ rệt so với lô đối chứng (3)Trên sở kết đánh giá hiệu xử lý ammonia nitrite màng lọc nitrate hố hệ thống hải sản hồn lưu quy mô pilot, Luận án triển khai thực đánh giáhiệu xử lý ammonia nitrite màng lọc nitrate hố hệ thống ni hải sản hồn lưu quy mô 100m3: Kết thử nghiệm chế phẩm nitrate hố vào hệ thống tuần hồn ni tơm thẻ chân trắng quy mô 100 m3 cho thấy tiêu TAN, nitrite trì nồng độ thấp, tỷ lệ sống đạt 83 – 86%,năng suất đạt 3,7 – 3,9 kg/m3 Tốc độ nitrate hoá hệ lọc sinh học mơ hình đạt 0,184 gTAN/m2/ngày Như vậy, Luận án hoàn thành việc nghiên cứu xây dựng quy trình làm giàu vi sinh vật, lựa chọnđược loại giá thể phù hợp đảm bảo trình tạo màng tốt vi sinh vật, triển khai nghiên cứu thử nghiệm quy mô filot quy mô sản xuất với công suất 100m3 Kiến nghị Hiện nay, hệ thống ni thủy sản hồn lưu giá thành cao nên chưa ứng dụng rộng rãi thực tiễn nuôi trồng thủy hải sản Do việc nghiên cứu giải pháp công nghệ để tạo hệ thống lọc hiệu quả, góp phần tạo hệ thống nuôi trồng bảo vệ môi trường có giá thành thấp cần thiết để phát triển ngành ni trồng thủy sản Việt Nam, góp phần đạt mục tiêu kép vừa phát triển kinh tế vừa bảo vệ môi trường tiết kiệm tài nguyên nước Trên sở kết nghiên cứu, đề tài kiến nghị nhà khoa học, nhà quản lý, tổ chức, cá nhân lĩnh vực nuôi trồng thủy sản tiếp tục nghiên cứu làm rõ nội dung sau để hồn thiện quy trình cơng nghệ ni thủy sản tuần hồn với chi phí thấp hiệu kinh tế cao, góp phần thúc đẩy ngành kinh tế mũi nhọn đất nước phát triển theo hướng bền vững: 24 - Thử nghiệm hoàn thiện quy trình cơng nghệ sản xuất chế phẩm nitrate hoá cho hiệu xử lý cao ổn định - Nghiên cứu phát triển modul quản lý điều khiển thông minh, modul xử lý bùn thải từ trống lọc, máy tách bọt xả đáy - Triển khai dự án sản xuất thử nghiệm để tiếp tục hồn thiện cơng nghệ, mở rộng quy mơ nhằm cải thiện tiêu kinh tế - kỹ thuật công nghệ bước đưa công nghệ nuôi tôm công nghệ RAS vào thực tiến sản xuất NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đây cơng trình nghiên cứu tương đối hệ thống hoàn chỉnh để phát triển màng nitrate hoá ứng dụng NTTS ven biển Trong có 03 điểm nghiên cứu mang tính sau: (1) Xây dựng quy trình làm giầu đa bước để nhân ni thành cơng nhóm quần xã vi khuẩn nitrate hoá từ hệ vi sinh vật địa rừng ngập mặn xã Phù Long, huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng, tạo chế phẩm nitrate hóa địa (2) Tạo màng lọc nitrate hố từ nhóm quần xã vi khuẩn làm giàu quy trình đa bước loại giá thể sẵn có (3) Đánh giá hiệu xử lý TAN nitrite màng lọc nitrate hố hệ thống RAS ni cá rô phi tôm thẻ chân trắng quy mơ thí nghiệm quy mơ pilot (1 m3, 100 m3) DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.Le Thanh Huyen, Dao Thi Anh Tuyet, Le Minh Hiep, Nguyen Tien Dat Ha Thi Binh, Do Trung Sy, Do Manh Hao, Density and nitrateation potention of indigenous microoganism system in mangroves ang Seagrass of Northern of VietNam, Vietnam journal of Marine Science and Technology, 2021, Hà Nội, Vol 20, No 4; 2020:347 – 445 2.Le Thanh Huyen, Dao Thi Anh Tuyet, Le Minh Hiep, Nguyen Tien Dat, Ha Thi Binh, Do Trung Sy, Do Manh Hao, Density and de-nitrification potention of indigenous microoganism system in mangroves ang Seagrass of Northern of VietNam, Vietnam journal of Marine Science and Technology, 2021, Hà Nội, Vol 21, No 1; 2021:268-272 Do Manh Hao, Dao Thi Anh Tuyet, Le Minh Hiep, Ha Thi Binh, Le Thanh Huyen, Sen-Lin Tang, Pei-Wen Chiang, A multi-step nitrifying microbial enrichment to remove ammonia and nitrite in brackish aquaculture systems, Biodegradation, Springer Nature B.V, May https://doi.org/10.1007/s10532-022-09988-9 2022, BIOD-D-21-00142R1,