Untitled Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 25, Số 1/2020 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SINH HỌC CHO NƯỚC THẢI NUÔI TÔM TẠI BÌNH ĐỊNH BẰNG CÔNG NGHỆ SEQUENCING BATCH REACTOR Đến tòa soạn 26 7 2019 Lê Thị Th[.]
Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 1/2020 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SINH HỌC CHO NƯỚC THẢI NI TƠM TẠI BÌNH ĐỊNH BẰNG CƠNG NGHỆ SEQUENCING BATCH REACTOR Đến tòa soạn 26-7-2019 Lê Thị Thanh Thúy, Hồ Huy Tùng, Võ Thị Đăng Thạch Bộ mơn Hóa học, khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn SUMMARY BIOLOGICAL TREATMENT OF SHRIMP AQUACULTURE WASTEWATER IN BINH DINH USING A SEQUENCING BATCH REACTOR The shrimp aquaculture wastewater is taken from shrimp ponds in Phuoc Son village, Tuy Phuoc district, Binh Dinh province This water contained high concentrations of carbon and nitrogen and was successfully treated using a sequencing batch reactor (SBR) By operating the reactor sequentially in aerobic, anoxic and aerobic modes, nitrification and denitrification were achieved, as well as removal of carbon Specifically, the initial chemical oxygen demand (COD) concentration of 455,8 mg/l was reduced to 78,5 mg/l within days of reactor operation Ammonia in the sludge was nitrified The denitrification of nitrate was achieved by the anoxic process and total removal of nitrite was observed The total suspended solids (TSS) content was reduced quickly The results indicated that the temperature range of 28 – 38 oC produced best results in terms of maximum nitrogen and carbon removal from the wastewater The SBR system showed promising results and could be used as a viable treatment alternative in the shrimp industry Keywords Shrimp wastewater; Sequencing batch reactor; Chemical oxygen demand, Ammonium, Nitrification; Denitrification theo mẻ Sequencing Batch Reactor (SBR - xử lý hiếu khí kết hợp thiếu khí) tính ưu việt phương pháp mang lại cho xử lý nguồn nước thải [2,3] Cụ thể phương pháp SBR có nhiều ưu điểm việc tách bùn, q trình nitrat hóa thực nhờ vi sinh vật hiếu khí khử nitrat hóa thực q trình thiếu khí [2,4] Khi hệ SBR hoạt động hiếu khí, q trình nitrat hóa giúp chuyển hóa amoni thành nitrat, điều giúp làm giảm lượng amoni nước thải Khi hệ vận hành điều kiện thiếu oxy, xảy khử nitrat hóa lượng nitrat bùn chuyển thành nitrit, nitơ oxit khí nitơ Kết nitrat loại bỏ hoàn tồn Q trình thực thành cơng nhờ vào hệ vi sinh vật có bùn vi sinh vật giúp thực trình GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, hoạt động nuôi tơm Bình Định nói riêng Việt Nam nói chung phát triển mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho nơng dân trở thành ngành kinh tế quan trọng [1] Tuy nhiên bên cạnh giá trị kinh tế nuôi tôm mang lại lượng lớn nước thải từ việc ni tơm gây ảnh hưởng lớn đến môi trường Nguyên nhân đặc tính nước thải ni tơm mơi trường nước lợ có chứa hàm lượng lớn amoniac, nitrat, nitrit, cacbon, độ mặn thấp lượng bùn cao nên gây khó khăn cho nhà nghiên cứu lựa chọn phương pháp xử lý Trong nghiên cứu gần cho thấy để xử nước thải nuôi tôm, nhà khoa học giới lựa chọn sử dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải vận hành 123 nitrat hóa khử nitrat hóa (Nitrosomonas, Nitrobacter, Pseudomonas,…) có khả chuyển hóa nitơ bùn Chúng ta không cần phải thêm vi sinh vật đặc biệt cho trao đổi chất carbon nitơ, SBR loại bỏ thành cơng hai khỏi nước thải Lượng COD nước thải giảm mạnh chủ yếu nhờ vào trình hiếu khí [5] Vì cơng nghệ SBR phù hợp cho xử lý nước thải nuôi tôm Bể SBR hoạt động theo chu kỳ tuần hoàn với trình bao gồm: Làm đầy, sục khí, lắng, rút nước nghỉ (hình 1) [4] Hình 2: Sơ đồ thiết bị xử lý quy mô pilot theo công nghệ MBBR-SBR (mặt cắt dọc) * Thiết bị xây dựng với số thông số sau: - Chiều cao bể sinh học: 80 cm - Chiều dài bể sinh học: 60 cm - Chiều rộng bể sinh học: 40 cm - Chiều cao lớp vật liệu lọc: 20 cm - Thể tích nước thải: : 70 lit Vật liệu polistiren (xốp) dùng làm chất mang vi sinh dạng hạt hình hộp chữ nhật có kích thước khoảng cm3, mặt nước sử dụng làm giá thể cho vi sinh vật bám dính (được giữ chìm nước hai lưới chắn hai đầu bể sinh học) 2.2.2 Thực nghiệm nuôi cấy vi sinh Hệ vi sinh hiếu khí vi sinh thiếu khí ni cấy theo quy trình SBR chất mang vật liệu xốp thực liên tục khoảng thời gian tháng để có hệ vi sinh ổn định Nguồn vi sinh nuôi cấy lấy từ nguồn nước thải ni tơm, sau hệ vi sinh phát triển điều kiện nước thải nuôi tôm thiết bị chế tạo Trong q trình ni cấy, chúng tơi cung cấp thêm chất dinh dưỡng điều kiện nuôi cấy thích hợp để vi sinh phát triển Sau khoảng thời gian ni cấy, vi sinh hình thành màng vật liệu xốp Đề kiểm tra kết tạo màng vi sinh vật chất mang, tiến hành chụp ảnh màng vi sinh kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết thể hình 2.2.3 Thực nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm Nước thải nuôi tôm sau lấy gạn lắng sơ bộ, điều chỉnh pH bơm vào bể chứa Hình Sơ đồ hệ SBR điển hình Trong nghiên cứu xây dựng hệ xử lý nước thải ni tơm quy mơ pilot Để giảm chi phí xây dựng vận hành theo công nghệ SBR, nghiên cứu chúng tơi tính tốn để ghép bể xử lý (hình 1) vào bể xử lý (hình 2) Ngồi để tăng khả lọc sinh học hệ vi sinh, kết hợp phương pháp SBR với phương pháp MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) cho nước thải qua hệ lọc sinh học chứa màng sinh học gắn chất mang vật liệu xốp dạng lơ lửng Quá trình xử lý vận hành theo quy trình SBR hiếu khí kết hợp thiếu khí THỰC NGHIỆM 2.1 Nước thải nuôi tôm Nước thải nuôi tôm lấy mương chứa nước thải bên cạnh hồ nuôi tôm địa bàn xã Phước Sơn – Huyện Tuy Phước - Tỉnh Bình Định Nước thải trước đưa vào bể xử lý gạn lắng sơ bộ, sau điều chỉnh pH = 6,5 thực trình xử lý nhiệt độ nghiên cứu khác quy mô pilot 2.2 Thực nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm 2.2.1 Chế tạo thiết bị xử lý quy mô pilot 124 2.3 Phương pháp phân tích Xác định thơng số đặc trưng cho trình xử lý theo phương pháp chuẩn phân tích mơi trường: Amoni nitrit phân tích định kỳ theo thời gian theo phương pháp TCVN 6179-1:1996 (xác định amoni); TCVN 6178:1996 (xác định nitrit); COD phân tích theo phương pháp chuẩn TCVN 6491:1999; BOD phân tích theo phương pháp TCVN 6001-1 : 2008; DO/nhiệt độ đo đầu dò DO (Hana Hi 98193) Độ pH đo đầu dò pH (Hanna Hi 8424 – USA) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết q trình ni cấy tạo màng vi sinh Vi sinh hiếu khí vi sinh thiếu khí ni cấy pilot theo phương pháp vận hành SBR chất mang vật liệu xốp dạng lơ lửng Một vài hình ảnh trực quan miếng xốp theo thời gian q trình ni cấy vi sinh: nước thải (Hình 2) Để điều chỉnh lượng oxi hòa tan (DO) thực q trình xử lý hiếu khí (DO = mg/l) sử dụng máy sục khí Máy sục khí tắt thực trình thiếu khí DO cho q trình xử lý thiếu khí ~ 0,1 mg/l Thiết bị sinh học vận hành theo mẻ (SBR) khoảng thời gian ngày Hai ngày đầu tiên, thiết bị vận hành chế độ hiếu khí, sau ngày thiết bị chế độ xử lý thiếu khí Tiếp theo xử lý hiếu khí ngày ngày cuối để lắng rút nước sau xử lý Mục đích thí nghiệm tối ưu hóa q trình xử lý hiếu khí thiếu khí để loại bỏ hồn tồn cacbon nitơ Thực nghiệm xử lý mẫu nước thải ni tơm thực tế điều kiện nhiệt độ phịng (28oC), đánh giá thơng số q trình xử lý sau nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến trình xử lý Nhiệt độ cho xử lý nước thải nghiên cứu 28oC, 33oC, 38oC, 45oC Ban đầu Sau 15 ngày Sau 45 ngày Sau 30 ngày Hình 3: Bề mặt miếng xốp theo thời gian ni cấy vi sinh Kết hình cho thấy với miếng xốp ban đầu có màu trắng sau khoảng thời gian tháng làm chất mang vi sinh, ta thấy bề mặt miếng xốp Sau 60 ngày có thay đổi Lớp màng sinh học hình thành bề mặt xốp lớp màng dày theo thời gian ( (b) a) Hình 4: Ảnh SEM bề mặt lớp màng vi sinh (a) chiều dày lớp màng vi sinh (b) 125 Hiệu trình xử lý thực với mẫu nước thải nuôi tơm lấy vị trí xả thải hồ nuôi tôm xã Phước Sơn – Huyện Tuy Phước - Tỉnh Bình Định (Mẫu M1, M2 M3, thứ tự xử lý qua hệ pilot từ mẫu M1 đến M3 nhằm đánh giá tính ổn định hệ xử lý) Kết xử lý trình bày bảng 1, 2, Kết hình cho thấy bề mặt lớp vật liệu xốp phủ lên lớp màng vi sinh có chiều dày khoảng 96 m Chính nhờ lớp màng sinh học mà hợp chất hữu cơ, hợp chất chứa nitơ, photpho, bị giữ lại phân hủy vi sinh vật có lớp màng 3.2 Kết xử lý nước thải nuôi tôm hệ pilot theo kỹ thuật SBR điều kiện nhiệt độ phòng (28oC) Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước thải nuôi tôm theo thời gian xử lý mẫu M1 Thời gian (ngày) Ban đầu Quá trình pH Hiếu khí Thiếu khí Hiếu khí Lắng 6,81 7,62 7,24 7,89 7,46 Độ muối (‰) 10 10 10 10 10 TSS (mg/l) 550 220 90 80 70 COD (mg/l) 467,5 325,8 186,5 135,9 88,6 NH4+ (mg/l) 3,02 0,71 0,32 0,22 0,09 NO2(mg/l) 0,49 0,78 0,36 0,31 0,24 Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước thải nuôi tôm theo thời gian xử lý mẫu M2 Thời gian (ngày) Ban đầu ngày ngày Q trình pH Hiếu khí Thiếu khí Hiếu khí Lắng 6,64 7,78 7,34 8,05 7,56 Độ muối (‰) 10 10 10 10 10 TSS (mg/l) 540 250 150 90 60 COD (mg/l) 455,8 348,4 145,5 113,4 78,5 NH4+ (mg/l) 3,42 1,64 0,74 0.34 0,18 NO2(mg/l) 0,83 1,05 0,52 0,42 0,26 Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước thải nuôi tôm theo thời gian xử lý mẫu M3 Thời gian (ngày) Ban đầu ngày ngày Quá trình pH Hiếu khí Thiếu khí Hiếu khí Lắng 6,45 7,58 7,06 7,54 7,38 Độ muối (‰) 10 10 10 10 10 TSS (mg/l) 490 150 120 90 70 Kết bảng 1, 2, cho thấy với quy trình hiếu khí ngày quy trình thiếu khí ngày, chế độ hoạt động đơn giản loại bỏ gần hoàn toàn tất cacbon nitơ nước thải Ngoài hệ vi sinh vật nước thải khơng chuyển hóa cacbon mà cịn thực q trình nitrat hóa COD (mg/l) 478,3 334,6 223,4 125,5 94,6 NH4+ (mg/l) 3,81 2,16 1,21 0,56 0,24 NO2(mg/l) 0,64 0,86 0,25 0,19 0,08 khử nitrat Điều chứng minh kết COD số phân tích hợp chất nitơ giảm mạnh đạt yêu cầu cho phép thải vào nguồn nước chung (QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT dành cho sở nuôi tôm nước lợ) Để thấy rõ quy luật biến đổi thơng số q trình xử lý, vẽ 126 đồ thị để phân tích biến đổi thơng số theo thời gian xuất vi sinh vật kị khí Những hiđratcacbon dễ bị phân hủy sinh hóa thành axit béo với trọng lượng phân tử thấp nên pH môi trường giảm [6] Ở giai đoạn sau, lên men axit chấm dứt xảy lên men kiềm hay lên men metan nên pH tăng lên trở lại dung dịch chuyển sang môi trường kiềm Tuy nhiên giai đoạn cuối trình xử lý, pH mơi trường bị biến đổi Ngun nhân lúc amoniac tác dụng với CO2 tạo muối cacbonat tạo cho mơi trường có tính đệm cao nên pH dung dịch bị thay đổi [6] Nhìn chung pH trình xử lý ngưỡng giá trị cho phép sinh trưởng phát triển vi sinh vật nên khơng cần điều chỉnh pH q trình xử lý Kết xử lý mẫu cho thấy lượng chất rắn lơ lững (TSS) giảm mạnh trình xử lý Điều thấy rõ hình ảnh nước thải thay đổi trình xử lý Hình Đồ thị thay đổi pH trình xử lý theo thời gian Từ kết xử lý cho thấy pH trình xử lý có biến đổi nhẹ, thời gian đầu q trình hiếu khí, pH có tăng nhẹ đến giai đoạn xử lý thiếu khí pH có giảm Điều giải thích giai đoạn đầu xử lý hiếu khí, chuyển hóa vi sinh vật hiếu khí hợp chất hữu chứa nitơ chuyển hóa phần thành NH3 nên pH có tăng nhẹ Đến giai đoạn xử lý thiếu khí, hệ xảy trình lên men axit Ban đầu ngày ngày Nước thải chưa xử lý Sục khí Thiếu khí Hiếu khí Lắng, rút nước nghỉ Hình 6: Sự thay đổi màu sắc nước thải theo thời gian xử lý Để thấy rõ quy luật biến đổi giá trị COD, nồng độ amoni, nitrit trình xử lý chúng tơi vẽ đồ thị biến đổi Đồ thị thể hình 7, 8, Kết hình giá trị COD giảm nhanh trình xử lý sau ngày xử lý giá trị COD đạt yêu cầu cho phép nước thải nuôi tôm nước lợ (theo QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT) Tuy nhiên quan sát trình xử lý ta thấy sau thời gian xử lý khoàng ngày giá trị COD giảm chậm theo thời gian Điều giải thích giai đoạn hàm lượng chất hữu nước thải cịn lại phần lớn hợp chất khó bị phân hủy sinh học Ngoài ra, giai đoạn sau lớp màng sinh học dày lên, đồng thời lượng chất hữu nước thải lại giảm nhiều nên thức ăn không khuếch tán vào sâu bên lớp màng lớp màng Hình 7: Đồ thị thay đổi COD theo thời gian 127 bị bong trơi theo dịng nước nên số lượng vi sinh vật lớp màng sinh học bị giảm phần Từ yếu tố làm cho trình xử lý COD giảm chậm theo thời gian Ở kết hình thay đổi nồng độ nitrit theo thời gian cho thấy ngày xử lý nồng độ nitrit tăng mẫu Trong ngày hệ phản ứng vận hành xử lý thiếu khí, nồng độ nitrit giảm dần cuối đạt đến gần khơng vào ngày thứ Kết giải thích hệ SBR hoạt động hiếu khí, xảy q trình nitrat hóa tác động hệ vi sinh vật hiếu khí nitrosomonas nitrobacter (NH4+ NO2- NO3-) dẫn đến amoni nước thải giảm nhanh nồng độ nitrit tăng lên ngày đầu [4] Khi hệ SBR vận hành thiếu khí, xảy trình khử nitrat Dưới tác động vi sinh vật yếm khí Pseudomonas, Alcaligenes, Spirillum, Micrococus, Lactorbacillus nitrat nước thải chuyển thành nitrit, oxit nitơ khí nitơ (NO3- NO2- NO N2O N2) Kết hợp chất chứa nitơ nước thải bị loại bỏ hoàn toàn Như hệ pilot vận hành theo quy trình SBR kết hợp trình xử lý hiếu khí thiếu khí giúp loại bỏ khơng COD nước thải mà loại bỏ triệt để hợp chất chưa nitơ nước thải nuôi tôm mà so sánh với hệ vận hành theo quy trình hiếu khí khơng thực 3.3 Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến trình xử lý sinh học nước thải ni tơm Hình 8: Đồ thị thay đổi nồng độ amoni trình xử lý theo thời gian Hình 9: Đồ thị thay đổi nồng độ nitrit trình xử lý theo thời gian Kết hình cho thấy ngày đầu xử lý hiếu khí, nồng độ amoni giảm khoảng 60% so ban đầu xử lý gần hoàn toàn ngày Giá trị (mg/l) COD NH4+ NO2- Bảng Sự biến đổi giá trị đặc trưng nước thải nuôi tôm theo thời gian xử lý nhiệt độ khác Nhiệt độ Ban đầu ngày ngày (oC) 28 543,2 432,5 168,7 121,6 98,2 33 520,6 321,5 203,1 105,5 78,1 38 585,5 480,4 378,6 297,6 148,3 45 572,2 540,4 536,4 538,7 542,5 28 3,42 1,64 0,74 0,34 0,18 33 3,02 1,24 0,52 0,21 0,14 38 2,47 2,22 1,58 1,14 0,62 45 2,80 2,70 2,65 2,61 2,61 28 0,83 1,05 0,52 0,42 0,26 33 0,69 0,98 0,36 0,31 0,12 38 0,79 0,87 0,58 0,46 0,28 45 0,75 0,86 0,70 0,69 0,71 128 Hiệu suất xử lý (%) 81,92 85,00 74,67 5,19 94,74 95,36 74,90 6,79 68,67 82,61 64,56 5,33 Từ kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ khác đến hiệu suất trình xử sinh học nước thải nuôi tôm cho thấy hệ SBR hoạt động nhiệt độ cao 45oC, hiệu loại bỏ carbon nitơ giảm đáng kể (Bảng 4) Đặc biệt ngày cuối gần q trình xử lý khơng thể thực Điều cho thấy hệ vi sinh vật khơng thích nghi với điều kiện nhiệt độ > 45oC chết Kết nghiên cứu cho thấy với điều kiện nuôi tôm Việt Nam nói chung Bình Định nói riêng có nhiệt độ dao động khoảng từ 26oC đến 38oC trì phát triển hệ vi sinh vật thực trình xử lý nước thải Đặc biệt nhiệt độ tăng lên 33oC điều kiện thuận lợi cho hệ vi sinh vật phát triển mạnh trình xử lý nước thải đạt hiệu cao KẾT LUẬN Nước thải nuôi tôm với thành phần chất rắn lơ lững, chất thải hữu hợp chất chứa nitơ xử lý qua hệ lọc sinh học MBBR kết hợp với q trình vận hành SBR (hiếu khí kết hợp với thiếu khí) cho hiệu xử lý cao Trong khoảng thời gian ngày, trình loại bỏ chất gây ô nhiễm đạt hiệu cao đặt biệt hiệu trình loại bỏ hợp chất chứa nitơ mà nhiều hệ lọc sinh học hiếu khí khơng thực Nước thải sau xử lý đạt yêu cầu cho phép xả thải dành cho nuôi tôm nước lợ theo QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT Kết nghiên cứu với điều kiện nhiệt độ môi trường biến đổi đến < 38oC hệ vi sinh thực trình xử lý Các kết mở triển vọng ứng dụng xử lý nước thải nuôi tôm thực tế theo công nghệ vận hành hiếu khí kết hợp thiếu khí SBR lọc qua màng sinh học MBBR nhìn 2030, Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2015) DongZheng et al, Performance evaluation and microbial community of a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) treating mariculture wastewater at different chlortetracycline concentrations, Journal of Environmental Management 182, 496-504 (2016) Allen K.S Lau et al., Sequencing batch membrane photobioreactor for simultaneous cultivation of aquaculture feed and polishing of real secondary effluent, Journal of Water Process Engineering 29, 100779 (2019) R Boopathy, C Bonvillain, Q Fontenot, M Kilgen, Biological treatment of low-salinity shrimp aquaculture wastewater using sequencing batch reactor, International Biodeterioration & Biodegradation 59, 16 - 19 (2007) Q Fontenot, C Bonvillain, M Kilgen, R Boopathy, Effects of temperature, salinity, and carbon: nitrogen ratio on sequencing batch reactor treating shrimp aquaculture wastewater, Bioresource Technology 98, 1700 -1703 (2007) Guo-zhi Luo, Yoram Avnimelech, Yun-feng Pan, Hong-xin Tan, Inorganic nitrogen dynamics in sequencing batch reactors using biofloc technology to treat aquaculture sludge, Aquacultural Engineering 52, 73–79 (2013) L Nyanti, G Berundang and T.Y Ling, Short Term Treatment of Shrimp Aquaculture Wastewater Using Water Hyacinth (Eichhornia crassipes), World Applied Sciences Journal (9), 1150-1156 (2010) Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ phần kinh phí từ Dự án TEAM (mã số ZEIN2016PR431) TÀI LIỆU THAM KHẢO Viện kinh tế quy hoạch thủy sản, Báo cáo tổng hợp quy hoạch nuôi tôm nước lợ vùng Đồng sông Cửu long đến năm 2020, tầm 129 ... nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm Nước thải nuôi tôm sau lấy gạn lắng sơ bộ, điều chỉnh pH bơm vào bể chứa Hình Sơ đồ hệ SBR điển hình Trong nghiên cứu xây dựng hệ xử lý nước thải nuôi tôm quy mô... NGHIỆM 2.1 Nước thải ni tôm Nước thải nuôi tôm lấy mương chứa nước thải bên cạnh hồ nuôi tôm địa bàn xã Phước Sơn – Huyện Tuy Phước - Tỉnh Bình Định Nước thải trước đưa vào bể xử lý gạn lắng sơ bộ,... hệ vi sinh vật thực trình xử lý nước thải Đặc biệt nhiệt độ tăng lên 33oC điều kiện thuận lợi cho hệ vi sinh vật phát triển mạnh trình xử lý nước thải đạt hiệu cao KẾT LUẬN Nước thải nuôi tôm với