Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu xử lý dư lượng thuốc kháng sinh "Sulfonamide thường được dùng hợp lực với Trimethoprin theo tỷ lệ 5:1" trong nước ao nuôi thủy sản bằng phương pháp lọc sinh học mô hình phòng thí nghiệm

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ DƯ LƯỢNG THUỐC KHÁNG SINH “SULFONAMIDE THƯỜNG ĐƯỢC DÙNG HỢP LỰC VỚI TRIMETHOPRIN THEO TỶ LỆ 5:1” TRONG NƯỚC AO NUÔI THỦY SẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC MÔ HÌNH PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Thời gian thực hiện : 01/02/2012 - 01/02/2013

Đồng Chủ nhiệm đề tài : TS.ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH Cán bộ tham gia đề tài : KS.TRỊNH THỊ BÍCH HUYỀN

KS.LẠI DUY PHƯƠNG KS NGUYỄN HỮU VIỆT

   

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 2/2013

1 TS.ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH

Bộ môn Kỹ thuật môi trường - Trưởng phòng thí nghiệm khoa Môi Trường - Khoa Môi trường - ĐH Bách Khoa Tp.HCM

2 KS TRẦN THỊ PHI OANH Phòng thí nghiệm khoa Môi Trường - Khoa Môi trường - ĐH Bách Khoa

Tp.HCM 3 KS.TRỊNH THỊ BÍCH HUYỀN Phòng thí nghiệm khoa Môi Trường - Khoa Môi trường - ĐH Bách Khoa

Tp.HCM 4 KS.LẠI DUY PHƯƠNG Phòng thí nghiệm khoa Môi Trường - Khoa Môi trường - ĐH Bách Khoa

Tp.HCM 5 KS NGUYỄN HỮU VIỆT Phòng thí nghiệm khoa Môi Trường - Khoa Môi trường - ĐH Bách Khoa

Tp.HCM

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ DƯ LƯỢNG THUỐC KHÁNG SINH “SULFONAMIDE THƯỜNG ĐƯỢC DÙNG HỢP LỰC VỚI TRIMETHOPRIN THEO TỶ LỆ 5:1” TRONG NƯỚC AO NUÔI THỦY SẢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC

MÔ HÌNH PHÒNG THÍ NGHIỆM

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc sinh học xử lý dư lượng thuốc kháng sinh, cụ thể là Sulfamethxazole và các chất ô nhiễm có trong nước thải môi trường nuôi trồng thủy sản bằng phương pháp lọc cố định quy mô phòng thí nghiệm, thành phần nước thải có COD 250 – 495 mg/l, Phốtpho 0.4 – 3.8 mg/l, N-NH3 5 – 10 mg/l Mô hình được vận hành và đánh giá hiệu quả xử lý ô nhiễm ở các tải trọng COD khác nhau theo thời gian

Việc ứng dụng CAP trong nuôi trồng thủy sản đã làm tăng dư lượng kháng sinh trong nguồn nước, ảnh hưởng chung đến nguồn nước mặt CAP là một chất hữu cơ mạch vòng, bền với môi trường và ít tan trong nước tạo bùn lắng Một trong những chất kháng sinh CAP được sử dụng nhiều nhất là Sulfamethxazole thường được dùng phối hợp Trimethoprim trong nuôi trồng thủy sản và chăn nuôi

Việc nghiên cứu xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản bằng phương pháp lọc cố định với các tải trọng khác nhau theo thời gian đạt hiệu quả xử lý COD đạt 80% - 90%, Phốt pho đạt 50% - 60% đặc biệt là Nitrate, Nitrite, Amonia đạt 80% - 90%, hiệu quả trung bình của kháng sinh CAP đạt 30% - 50%

ABSTRACT

A STUDY ON APPLYING BIO-ENGINEERING TO ANTIBIOTIC RESIDUE FOR TREATMENT, PARTICULARLY FOR SULFARMETHXAZOLE, AND OTHER POLLUTANTS IN WASTEWATER FROM THE AQUACULTURE BY THE FIXED BIOLOGICAL FILTERING TECHNIQUES IN LAB-SCALE

A study on applying Bio-engineering to antibiotic residue for treatment, particularly for Sulfarmethxazole, and other pollutants in wastewater from the aquaculture by the fixed biological flitering techniques in lab-scale During the study, wastewater includes COD of 250 ‐ 495 mg/l, phosphorus of 0.4 ‐ 3.8 mg/l and N-NH3 of 5 ‐ 10 mg/l This model is operated and then evaluated the effect of pollution treatment at different COD loads by the time

That the use of CAP techniques in aquaculture has increased antibiotic residues in water, so it impacts to surface water overall CAP, which is a cyclic organic, is sustainable with environment and less soluble in water One of the most popular CAP antibiotics, Sulfamethxazole in combination with Trimethoprim is often used for breeding and aquaculture

The study of treating wastewater form aquaculture via the fixed biological filtering techniques with different loads by the time has showed a remarkable performance includes  COD of 80‐90%, phosphorous of 50%-60%, especially nitrate, nitrite and ammonia of 80-90%, 80-90% and 80-90% respectively In average, the efficiency of CAP antibotics is 30-50%

The efficiency of COD, phosphorous, nitrate, nitrite and amonia is 80%-90%, 50%-60%, 80-90%, 80-90% and 80-90% respectively The efficiency of CAP antibotics is 30-50%

MỤC LỤC

TÓM TẮT

MỤC LỤC i

DANH SÁCH HÌNH VẼ v

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vi

DANH SACH CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

1./ ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2./ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3./ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

3.1) Đối tượng nghiên cứu 2

3.2) Phạm vi nghiên cứu 2

4./ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

5./ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

5.1) Phương pháp tổng hợp thông tin .3

5.2) Phương pháp thực nghiệm trên mô hình .3

5.3) Phương pháp bảo quản mẫu và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm

4

6./ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN .7

1.1./ TỔNG QUAN VỀ NGÀNH NUÔI TRỒNG THỦY SẢN 7

1.1.1) Thành phần tính chất nước ao nuôi thủy sản 8

1.1.2) Khả năng gây ô nhiễm của nước thải 9

1.2./ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AO NUÔI THỦY SẢN 11

1.2.5.1) Phương pháp sinh học loại bỏ nitơ 14

1.2.5.2) Khử Phospho trong nước thải 17

1.3./ TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) .20

1.3.1) Giới thiệu về công nghệ MBBR 20

1.3.6) Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBBR .32

1.4./ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 33

1.4.1) Nghiên cứu ngoài nước 33

1.4.2) Nghiên cứu trong nước 34

ii 

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .35

2.2.3.1) Vận hành thí nghiệm trên nước thải thật 38

2.2.3.2) Vận hành thí nghiệm trên nước nhân tạo 39

2.3./ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .41

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .42

3.1./ GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI CỦA MÔ HÌNH .42

3.2./ GIAI ĐOẠN KHẢO SÁT CHÍNH 43

3.2.1) Khảo sát với nước thải nhân tạo 43

3.2.1.1) Hiệu quả xử lý COD .43

3.2.1.2) Hiệu quả xử lý Phốt Pho .44

3.2.1.3) Tổng nitơ 45

3.2.2) Khảo sát với nước thải ao nuôi cá da trơn 48

3.2.2.1) Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ 48

3.2.2.2) Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý phốt pho .49

3.2.2.3) Tổng nitơ 51

3.2.2.4) Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý SS, độ màu, độ đục 53

3.2.2.5) Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý CAP 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các tác động vào môi trường nước của chất thải ao nuôi .9

Hình 1 2: Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR hiếu khí (a) và thiếu khí (b) .21

Hình 1 3: Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O .22

Hình 1 4: Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên ngoài ít hơn bên trong giá thể 23 Hình 1 5: Mô tả sự khuếch tán của chất dinh dưỡng ở màng biofilm .24

Hình 1 6: Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng .25

Hình 1.7: Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể .30

Hình 1.8 Các sơ đồ xử lý nước thải bằng phương pháp MBBR điển hình .32

Hình 2.1: Mô hình MBBR phòng thí nghiệm 35 

Hình 2.2 : Giá thể MBBR K3 .37

Hình 3.1: Hiệu quả xử lý COD có kháng sinh và không có kháng sinh ở 2 tải 44

Hình 3.2 Hiệu quả xử lý phốtpho có kháng sinh và không có kháng sinh ở 3 tải 45 Hình 3.3 Hiệu quả xử lý NH3+ ở 2 tải trọng của mô hình thí nghiệm 46

Hình 3.4 Hiệu quả xử lý NO2- ở 2 tải trọng của mô hình thí nghiệm 47

Hình 3.5: Hiệu quả xử lý NO3- ở 2 tải trọng của mô hình thí nghiệm 47 

Hình 3.6 Hiệu quả xử lý kháng sinh CAP 48

Hình 3.7: Hiệu quả xử lý COD có kháng sinh và không có kháng sinh ở 3 tải 49

Hình 3.8 Hiệu quả xử lý phốtpho có kháng sinh và không có kháng sinh ở 3 tải 50 Hình 3.9 Hiệu quả xử lý NH3+ ở 3 tải trọng của mô hình thí nghiệm 51

Hình 3.10: Hiệu quả xử lý NO2- ở 3 tải trọng của mô hình thí nghiệm 52

Hình 3.11: Hiệu quả xử lý NO3- ở 3 tải trọng của mô hình thí nghiệm 53

Hình 3.12: Hiệu quả xử lý kháng sinh CAP 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Các phương pháp phân tích các thông số tại phòng thí nghiệm 5

Bảng 1- 1: Ô nhiễm nước thải ao nuôi cá của tỉnh An Giang .8

Bảng 1-2 : Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước 15

Bảng 1- 3: Thông số các loại giá thể 22

Bảng 1.4 Công dụng của các thiết kế điển hình cho các bể phản ứng KMT ở 150C 29

Bảng 2.1 Tóm tắt các thông số thiết kế của mô hình MBBR 36

Bảng 2.2: Thông số nồng độ các chất ô nhiễm nước ao nuôi cá da trơn chưa qua xử lý theo mô hình VAC 38

Bảng 2.3 Thông số vận hành mô hình với tải trọng 0.6 kgCOD/m3.ngày .38

Bảng 2.4 Thông số vận hành mô hình với tải trọng 0.9 kgCOD/m3.ngày 39

Bảng 2.5.Thông số vận hành mô hình với tải trọng 1.2 kgCOD/m3.ngày 39

Bảng 2.6 Thành phần nước thải nhân tạo 39

Bảng 2.7.Thông số vận hành mô hình với nước thải nhân tạo tải trọng 0.6 kgCOD/m3.ngày .40

Bảng 2.8 Thông số vận hành mô hình với tải trọng 0.9 kgCOD/m3.ngày 40

Bảng 2.9 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích .41

Bảng 3.1 Thông số vận hành thí nghiệm thích nghi 42

vi 

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

QCVN Quy chuẩn Việt Nam BOD Nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand) COD Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand) CAP Chloramphenicol

NTTS Nuôi trồng thủy sản SS Chất rắn lơ lửng (Suspended Solid) TP Tổng photpho (Total Phosphorus)

MỞ ĐẦU

1./ ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những thập niên vừa qua, lĩnh vực nuôi trồng thủy sản của Việt Nam đã có sự phát triển nhanh chóng, góp phần tích cực vào việc cung cấp nguồn thực phẩm, tăng cường sản lượng nuôi trồng, đóng góp vào tổng kim nghạch xuất khẩu thủy sản là rất lớn (tổng giá trị kim ngạch xuất khẩu thủy sản năm 2012 chỉ đạt khoảng 6,15 tỷ USD, tăng 0,7% so với năm 2011 nhưng chỉ bằng 94,2% so với kế hoạch đề ra - nguồn: Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn - Trung Tâm Khuyến Nông Quốc Gia)

Tuy nhiên, sự phát triển ồ ạt, thiếu qui hoạch của nghành thủy sản trong những năm gần đây đặc biệt là trong nuôi tôm, cá dẫn đến môi trường ao bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng Ô nhiễm môi trường, bệnh và dịch bệnh đang là mối quan tâm hàng đầu của người nuôi (tôm, cá) nói riêng và người quản lý về ngành nuôi trồng thủy sản nói chung Theo các nghiên cứu và nhận định rằng nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nước của các vùng nuôi thủy sản là các loại thức ăn, chất kháng sinh phòng bệnh cho tôm, cá Để tăng cường sản lượng thu hoạch và mang lại nhiều lợi nhuân thì người nuôi cá sẵn sàng nuôi với mật độ cao và sử dụng một lượng thức ăn rất lớn và đa dạng, cùng với lượng hóa chất, các chất kháng sinh đã gây ra tình trạng ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng, đáng báo động Các biện pháp xử lý vừa phù hợp với điều kiện kinh tế vùng, lại vừa đạt hiệu quả xử lý cao, chú trọng đến biện pháp sinh thái gắn liền với tự nhiên đồng thời hướng đến phát triển bền vững để bảo đảm sản lượng và chất lượng sản phẩm tạo ra ổn định, ngày càng phát triển một cách tốt hơn

Hiện nay, nhiều công nghệ xử lý nước thải thủy sản đã và đang được áp dụng trên thế giới, chủ yếu là ứng dụng giải pháp sinh học để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy trong thành phần nước thải

Bốn nhóm công nghệ đang được áp dụng để xử lý nước thải ao nuôi thủy sản: + Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính

+ Hệ thống xử lý kỵ khí + Hệ thống xử lý kỵ khí kết hợp hiếu khí

+ Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính kết hợp với thực vật thủy sinh Phương pháp thiếu khí ít được quan tâm do thời gian xử lý kéo dài, thích hợp cho những nơi có diện tích rộng lớn Phương pháp xử lý hiếu khí và kỵ khí được áp dụng nhiều hơn, chủ yếu là hiếu khí tăng cường (Aerotank) và kỵ khí cải tiến UASB có ưu điểm là hiệu suất cao, thời gian xử lý ngắn Cả hai phương pháp đều có nhược điểm: kinh phí vận hành cao do sử dụng điện cho các thiết bị như bơm và máy thổi khí, không có khả năng xử lý nước thải bị ô nhiễm cao, tạo ra lượng bùn thải lớn và tính ổn định của hệ thống thường không cao Kết hợp với nhu cầu thực tế và khắc phục yếu điểm của các phương pháp trước đây đề tài “Nghiên cứu xử lý dư lượng thuốc kháng sinh – Sulfonamide thường được dùng hợp lức với Trimethoprin theo tỷ lệ 5:1 – trong nước ao nuôi thủy sản bằng phương pháp lọc sinh học mô hình phòng thí nghiệm” Được triển khai từ đó việc đề xuất sử dụng bể MBBR có thể ứng dụng trong điều kiện diện tích xử lý hạn hẹp với chi phí xử lý ít tốn, là nghiên cứu bước đầu phù hợp với hướng đi trên

2./ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Khảo sát và đánh giá khả năng xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm thông thường và dư lượng thuốc kháng sinh CAP (Sulfonamide thường được dùng hợp lức với Trimethoprin theo tỷ lệ 5:1) thông dụng của nước thải trong ao nuôi thủy sản bằng phương pháp lọc sinh học (lọc cố định) trong quy mô phòng thí nghiệm

3./ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên mô hình gồm 1 bể MBBR và 1 bể lắng Nước thải được sử dụng trong nghiên cứu này được lấy từ xã Tân Nhựt, Huyện Bình Chánh, TP Hồ Chí Minh

3.1) Đối tượng nghiên cứu :

Xử lý nước thải ao cá bằng công nghệ MBBR đạt tiêu chuẩn xả thải cột B2, QCVN 08:2008/BTNMT

3.2) Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu hiệu quả xử lý mô hình trên 2 loại nước thải ao nuôi cá: Nước thải nhân tạo và nước thải thật

Mô hình phòng thí nghiệm: Nghiên cứu hiệu quả giảm COD, NO2- , NO3- , NH3+, TP qui mô phòng thí nghiệm

4./ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1 Khảo sát điều tra tình hình sử dụng thuốc kháng sinh tại một số ao nuôi cá địa bàn thành phố Hồ Chí Minh

Khảo sát dư lượng các loại thuốc kháng sinh CAP (Sulfonamide thường được dùng hợp lực với trimethoprin theo tỉ lệ 5:1) trong nước thải

3 Nghiên cứu khảo sát trên hai loại mẫu nước thải nhân tạo và nước thải thật của ao nuôi cá

4 Nghiên cứu đánh giá tình hình ô nhiễm một số chỉ tiêu môi trường như COD, TN, TP, SS, độ màu,độ đục

5 Xây dựng mô hình thí nghiệm xử lý nước thải ao nuôi thuỷ sản bằng phương pháp lọc cố định với các tải trọng khác nhau quy mô phòng thí nghiệm

6 Xử lý số liệu, đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý trên các chỉ tiêu ô nhiễm gồm: thuốc kháng sinh, COD, TN, TP, SS, độ màu,độ đục

7 Phương hướng lấy bùn đáy ao nuôi trồng thuỷ sản làm bùn sinh học cho lớp màng

5./ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5.1) Phương pháp tổng hợp thông tin

Thu thập các tài liệu liên quan (thành phần tính chất nước thải ao nuôi cá,…) được tham khảo từ các tài liệu chuyên ngành từ các nguồn thư viện, tạp chí online

5.2) Phương pháp thực nghiệm trên mô hình

Tiến hành thiết kế, lắp đặt mô hình thí nghiệm tại phòng thí nghiệm khoa Môi trường – Trường ĐH Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh

Thiết kế, lắp ráp mô hình gồm: 01 bể MBBR, 01 bể lắng

Mô hình hệ thống xử l ý nước ao và bùn thải với qui mô phòng thí nghiệm được xây dựng để đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ MBBR Từ đó xác định công nghệ xử l ý khả thi và hiệu quả của mô hình

5.3) Phương pháp bảo quản mẫu và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm

Mẫu được bảo quản theo TCVN 4556-88 Phương pháp lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu trong phòng lạnh của phòng thí nghiệm khoa Môi trường và ở trong bóng tối

Việc phân tích mẫu được thực hiện theo các phương pháp phân tích trong sách Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 20th Edition (Arnold E.Greenberg, 2005)

Các chỉ tiêu phân tích và phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong phòng thí nghiệm được trình bày tương ứng trong bảng 1

Bảng 1 Các phương pháp phân tích các thông số tại phòng thí nghiệm Thông số Phương pháp/Tài liệu sử dụng Hoá chất/Thiết bị sử dụng

Ammonia Standard Methods 4500 – NH3+- F Máy Hach DR 2000 Nitrit Standard Methods 4500 – NO2- - B Máy Hach DR 2000 Nitrat Standard Methods 4500 – NO3- E.Cadmium Reduction Method Máy Hach DR 2000

Độ màu 2120C.Spectrophotometric Method Máy Hach DR 2000

MLSS / MLVSS Standard Method 2540 - D

Giấy lọc thuỷ tinh Bộ hút chân không Tủ nung

Cân phân tích

5.4) Phương pháp phân tích và xử lý số liệu:

- Phương pháp tính toán: Xác định tải trọng COD đầu vào và đầu ra theo công

thức:

3

,

QCkgL

V m ngày

=

Trong đó: L: Tải trọng COD, kgCOD/m3.ngày Q: Lưu lượng đầu vào (hoặc đầu ra), mg/l C: Nồng độ COD đầu vào (hoặc đầu ra), mg/l V: Thể tích nước thải, m3

- Xử lý số liệu: Kết quả phân tích được xử lý theo phương pháp thống kê toán

học.Sử dụng phần mềm Microsoft Office Excel để thống kê số liệu và xây dựng biểu

đồ thể hiện: đầu vào, đầu ra, hiệu suất xử lý, đường quy chuẩn xả thải cho từng chỉ tiêu môi trường

6./ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Công nghệ MBBR hiện nay chưa được áp dụng nhiều và vẫn còn là công nghệ khá mới ở Việt Nam Công nghệ MBBR có nhiều ưu điểm hơn so với công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính, đặc biệt là tải trọng hữu cơ và hiệu quả xử lý cao, thời gian lưu nước ngắn, do đó sẽ làm giảm diện tích mặt bằng xây dựng bể Đề tài mở ra một hướng đi cụ thể cho việc nghiên cứu xử lý dư lượng thuốc kháng sinh (CAP) trong nước thải ao nuôi thủy sản dựa trên tiêu chí công nghệ xử lý đơn giản, nhỏ gọn, dễ vận hành phù hợp với điều kiện ở Việt Nam Kết quả của đề tài nghiên cứu xử lý dư lượng thuốc kháng sinh (CAP) có thể triển khai áp dụng rộng rãi đối với nước thải ao nuôi thủy sản bằng công nghệ MBBR

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1./ TỔNG QUAN VỀ NGÀNH NUÔI TRỒNG THỦY SẢN :

Thuỷ sản là ngành có vị trí quan trọng trong nền kinh tế thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Đối với nước ta, thủy sản hiện đang cung cấp một nguồn thực phẩm quan trọng cho tiêu dùng trong nước và góp phần không nhỏ trong tổng kim ngạch xuất khẩu của nước nhà Với tính chất khí hậu nhiệt đới gió mùa, ẩm ướt cũng như chịu sự chi phối của các yếu tố như gió, mưa, địa hình, thổ nhưỡng, thảm thực vật nên tạo điều kiện hình thành dòng chảy với hệ thống sông ngòi dày đặc, là môi trường sinh sống của các loài thủy hải sản

Trong những năm qua, NTTS đã trở thành thế mạnh kinh tế rất quan trọng ở ĐBSCL và trong cả nước Các mô hình NTTS ở ĐBSCL tập trung ở một số tỉnh Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bến Tre và Tiền Giang v.v với các mô hình nuôi trồng khác nhau như: nuôi tôm sinh thái, tự nhiên, quảng canh, thâm canh, bán thâm canh v.v Trong khi đó, các mô hình nuôi trồng thủy sản nước ngọt tập trung ở một số tỉnh Đồng Tháp, An Giang, Vĩnh Long, Cần Thơ, Trà Vinh, Sóc Trăng…với các loại cá đồng truyền thống như cá lóc, cá rô, cá sặc v.v , nuôi thâm canh cá tra, cá da trơn bằng bè trên sông và trong các ao nuôi ven sông rạch, bãi bồi, nuôi lương mùa lũ Đặc biệt, các mô hình nuôi cá VAC (Vườn – Ao – Chuồng) trong các hộ gia đình, các trang trại sản xuất ở nông thôn với các loại cá đồng và các loại cá ao hồ v.v rất phát triển ở ĐBSCL Tuy nhiên, việc tiếp cận các phương thức nuôi trồng với mật độ cao, năng suất lớn đã làm gia tăng nhanh chóng việc sử dụng nhiều năng lượng, vật tư, chế phẩm hóa học, sinh học và chi phí v.v cho NTTS và đặc biệt là gây nên những tiêu cực đến môi trường, tạo ra sự mất cân bằng của hệ thống sinh thái tự nhiên, gây tổn thất sinh thái ảnh hưởng không những đến môi trường mà còn đến kinh tế trong cán cân giữa nuôi trồng, chế biến và thị trường tiêu dung, xuất khẩu các ngành thủy sản

Theo thống kê của Bộ thuỷ sản thì hiện nay chúng ta có hơn 1,600,000 ha mặt nước sông ngòi có thể dùng cho nuôi trồng thuỷ sản; trong đó 811,700 ha mặt nước ngọt; 635,400 ha mặt nước lợ cửa sông ven biển và 125700 ha eo vịnh có khả

năng phát triển nghề nuôi trồng thủy sản Bên cạnh đó các hồ nhân tạo cũng được xây dựng, tính đến nay cả nước xây dựng được 650 hồ; đập vừa và lớn; 5,300 hồ và đập nhỏ với dung tích xấp xỉ 12 tỉ m3, đặc biệt chúng ta có nhiều hồ thiên nhiên và nhân tạo rất lớn như hồ Tây (10 – 14 triệu m3), hồ Thác Bà (3,000 triệu m3), hồ Cấm Sơn (250 triệu m3)

Mặt khác, chúng ta có bờ biển dài trên 3,200 km, có rất nhiều vịnh thuận lợi kết hợp với hệ thống sông ngòi, ao hồ là nguồn lợi to lớn để phát triển ngành nghề nuôi trồng, đánh bắt và chế biến động thực vật chế biến thuỷ hải sản

1.1.1) Thành phần tính chất nước ao nuôi thủy sản:

Chất lượng nước ao nuôi thủy sản (Pangasianodon hypophthalmus) và tác động

của chúng đến môi trường sản xuất nông nghiệp và sự bền vững của ngành nuôi trồng thủy sản được nghiên cứu tại các tỉnh An Giang, Cần Thơ, Đồng Tháp và Trà Vinh năm 2009 Kết quả cho thấy nước thải chứa hàm lượng các chất dinh dưỡng cao (NH4-N, P) và có khả năng gây phú dưỡng hóa nguồn nước ở các vùng lân cận Nước ao xả ra sông có BOD5 cao và chứa nhiều vi sinh vật gây hại (E coli và Coliform) Càng gần

ao nuôi cá (40 m và 10 m), đất canh tác chứa hàm lượng đạm cao hơn và bị ô nhiễm bởi vi sinh vật gây hại nhưng khả năng trao đổi cation của đất (CEC) tăng đáng kể

Bảng 1- 1: Ô nhiễm nước thải ao nuôi cá của tỉnh An Giang Thông số Nước thải ao nuôi cá 08: 2008/BTNMT CỘTB (B2) QCVN

Nguồn: Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ của Huỳnh Thị Ngọc Hân, 2009

So với tiêu chuẩn nước mặt (QCVN 08: 2008/BTNMT CỘT B(B2)), hầu hết các chỉ tiêu chất lượng nước thải ao nuôi cá và tôm đều vượt tiêu chuẩn nhiều lần, DO sụt giảm, SS có thể vượt chuẩn 1.2 – 1.5 lần; BOD5 2 lần, COD 2.71 lần; đặc biệt

ammonia có thể vượt tiêu chuẩn 11 – 12 lần Các chỉ tiêu TN, TP cũng cao gây ra những nguy cơ phú dưỡng hóa nguồn nước cho nguồn tiếp nhận Các nguồn thải ra sông rạch đã tác động làm cho môi trường nước bị biến đổi Chất lượng nước trong các ao nuôi thủy sản, đặc biệt là trong các mô hình nuôi công nghiệp đã cho thấy dấu hiệu ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD, Nitơ và Photpho cao hơn tiêu chuẩn cho phép)

1.1.2) Khả năng gây ô nhiễm của nước thải

Một điều hết sức quan trọng là các mô hình nuôi thâm canh càng cao, quy mô công nghiệp càng lớn thì lượng chất thải và mức độ nguy hại càng trở nên trầm trọng và biểu hiện là sự tổn thất do ô nhiễm môi trường và sự cố môi trường Chính vì vậy, vấn đề xử lý nước từ các ao nuôi thủy sản là vấn đề rất bức xúc hiện nay ở khu vực ĐBSCL Tác động của chúng tập trung từ nguồn thức ăn dư thừa, thối rửa bị phân hủy, các chất tồn dư sử dụng như: hóa chất, thuốc kháng sinh v.v

Cá bệnhVi khuẩn gây 

bệnh Môi trường

Hình 1.1: Các tác động vào môi trường nước của chất thải ao nuôi

Các chất hữu cơ

Các chất hữu cơ chứa trong nước thải ao nuôi thuỷ sản chủ yếu là dễ bị phân hủy.Trong nước thải chứa các chất như cacbonhydrat, thức ăn dư thừa, kháng sinh khi xả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% nồng độ bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tôm, cá Oxy hòa tan giảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khả năng tự làm

sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp

Chất rắn lơ lửng

Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, nó hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của tảo, rong rêu v.v Chất rắn lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thủy sinh đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan (tăng độ đục nguồn nước) và gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè v.v

Các chất dinh dưỡng (N, P)

Nồng độ các chất Nitơ, phospho cao gây ra hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây nên hiện tượng thiếu oxy Nếu nồng độ oxy giảm tới 0 gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng tới chất lượng nước của thủy vực Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho bên dưới không có ánh sáng Quá trình quang hợp của các thực vật tầng dưới bị ngưng trệ Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thuỷ sinh, nghề nuôi trồng thuỷ sản, du lịch và cấp nước

Amonia rất độc cho tôm, cá dù ở nồng độ rất nhỏ Nồng độ làm chết tôm cá từ 1.2 - 3 mg/L Tiêu chuẩn chất lượng nước nuôi trồng thủy sản của nhiều quốc gia yêu cầu nồng độ Amonia không vượt quá 1mg/L

Vi sinh vật

Các vi sinh vật đặc biệt vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước là nguồn ô nhiễm đặc biệt Con người trực tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn hay qua các nhân tố lây bệnh sẽ truyền dẫn các bệnh dịch cho người như bệnh lỵ, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, tiêu chảy cấp tính Do nước thải ô nhiễm bởi các chất hữu cơ và vô cơ nên khi xả thải ra nguồn nước sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái nước:

Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gây nên hiện tượng bùn lắng và nảy sinh điều kiện kỵ khí, làm cản trở ánh sáng mặt trời chiếu vào nước, gây hủy hoại thủy sinh, giảm lượng oxy hòa tan trong nước

Hàm lượng chất hữu cơ cao trong điều kiện thiếu oxy trong nước xảy ra quá trình phân hủy yếm khí sinh ra sản phẩm độc hại như H2S, mercaptan gây mùi hôi thối làm cho nước có màu đen Hậu quả là hệ sinh thái trong nước bị hủy diệt, là nguồn gốc lây lan dịch bệnh theo đường nước, làm ô nhiễm tầng nước ngầm

Nếu hàm lượng P và N cao sẽ phát triển sự tăng trưởng của tảo và gây phú nhưỡng hóa nguồn nước Hợp chất Phospho tự nhiên không độc hại, chỉ cáo một số loại tổng hợp este trung tính của axit Phosphoric dùng làm hóa chất bảo vệ thực vật là có tính độc cao Phospho cũng là nguyên chất gây ra sự tái nhiễm bẩn nguồn nước, gây mùi và màu khó chịu

Gây độ đục cho nước do nước thải có nhiều cặn và chất rắn lơ lửng.Thời gian phân hủy các chất hữu cơ kéo dài, phát sinh nhiều chất độc hại, hôi thối làm cho nguồn nước không có khả năng tự làm sạch Đồng thời nguồn nước chịu tải lượng hữu cơ cao sẽ có thể bị chết do sự thiếu ôxy hòa tan trong nước Ngoài ra nước thải của ngành chế biến còn khả năng lan truyền dịch bệnh từ các xác thủy sản bị chết, thối rữa v.v Chính vì vậy ảnh hưởng do nguồn nước thải từ các xí nghiệp ngành chế biến thủy sản gây ra là rất lớn nếu không được xử lý sẽ góp phần làm gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường trên sông rạch, ở các khu vực nhà máy sản xuất

1.2./ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AO NUÔI THỦY SẢN :

1.2.1) Giới thiệu

Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các loại chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lý nước thải ao nuôi là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và đưa vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp thường được căn cứ trên đặt điểm của các loại tạp chất có trong nước thải Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt:

phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học

1.2.2) Phương pháp cơ học

Các phương pháp cơ học thường được sử dụng gồm: lắng, trộn, tuyển nổi, v.v Phương pháp xử lý cơ học được sử dụng dựa vào các lực vật lý như lực trọng trường, lực ly tâm v.v để tách các chất không hoà tan, các hạt lơ lửng có kích thước đáng kể ra khỏi nước thải

Ưu điểm:

Phương pháp tương đối đơn giản, mức chi phí thấp, hiệu quả xử lý chất lơ lửng Phương pháp này có thể loại bỏ 60% các hợp chất không hòa tan có trong nước thải và BOD giảm 20%

Hiệu quả xử lý có thể đạt 75% theo hàm lượng chất lơ lửng và 30 – 35% theo BOD bằng các biện pháp làm thoáng sơ bộ hoặc đông tụ sinh học

Bản chất của phương pháp này là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động đến các chất ô nhiễm, biến đổi hóa học tạo thành các chất dễ xử lý và không gây ô nhiễm môi trường

Phương pháp xử lý hóa lý có thể kết hợp với các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học

Các phương pháp hóa lý bao gồm: keo tụ, tuyển nổi, trao đổi ion, hấp phụ v.v

Hấp thụ: Dùng để tách các chất hữu cơ và khí hòa tan ra khỏi nước thải bằng

cách tập trung những chất đó trên bề mặt chấp hấp thụ

Trích ly: Dùng để tách các chất bẩn hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách bổ sung

một chất dung môi không hòa tan vào nước, nhưng độ hòa tan của chất bẩn trong dung môi cao hơn nước

Chưng bay hơi (chưng cất):Là quá trình cấp nhiệt liên tục để hóa hơi nước thải, trong đó các chất hòa tan cùng bay hơi lên theo.Khi ngưng tụ hơi nước và chất bẩn đã bay hơi sẽ hình thành các lớp riêng biệt và do đó dễ dàng tách các chất bẩn ra

1.2.5) Phương pháp sinh học

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để oxy hóa các liên kết hữu cơ phân tán dạng keo và dạng hòa tan có trong nước thải Vi sinh sử dụng các chất hữu cơ có sẳn trong nước trong nước thải làm nguồn dinhh dưỡng như cacbon, nitơ, phtpho, kali, v.v vi sinh vật sử dụng vật chất này để kiến tạo tế bào cũng như tích lũy năng lượng cho quá trình sinh trưởng và phát triển Chính vì vậy sinh khối vi sinh vật không ngừng tăng lên

Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có 5 nhóm chính: 9 Quá trình hiếu khí

9 Quá trình thiếu khí 9 Quá trình kỵ khí 9 Thiếu khí và kỵ khí kết hợp 9 Quá trình hồ sinh học

Ưu điểm: Rẻ tiền, sản phẩm phụ của quá trình có thể tận dụng lảm phân bón (bùn

hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí metan)

1.2.5.1) Phương pháp sinh học loại bỏ nitơ Nitơ trong nước thải đô thị hiện diện ờ nhiều dạng khác nhau như nitơ hữu cơ (protein và ure) và N-NH3 Việc loại bỏ nitơ có thể đạt được bởi 2 quá trình cơ bản gồm quá trình đồng hóa và quá trình nitrat hóa - khử nitrat hóa Vi sinh vật đồng hóa N-NH3 để chuyển thành sinh khối

Đối với quá trình nitrat hóa - khử nitrat, nitơ sẽ được loại bỏ bởi 2 quá trình đó Trong giai đoạn đầu tiên, nitrat hóa là tiến trình sinh học trong đó N-NH3 sẽ được chuyển hóa thành nitrit và cuối cùng là nitrat, tất cả diễn ra trong quá trình hiếu khí Quá trình nitrat hóa diễn ra do các vi sinh vật tự dưỡng Quá trình loại bỏ nitơ gồm 2 phản ứng, một là oxi hóa N-NH3 thành nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và từ nitrit sang nitrat bởi vi khuẩn Nitrobacter Trong giai đoạn thứ 2, nitrat chuyển hóa thành khí N2, quá trình khử nitrat hóa diễn ra trong điều kiện thiếu khí Sự chuyển hóa nitơ trong quá trình sinh học được mô tả trong hình 2.9 có hiệu quả và tiết kiệm trong việc loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ

™ Quá trình khử Ammonia Quá trình xử lý sinh học được ứng dụng trong việc khử ammonia và nitrate trong nước thải được ứng dụng một cách rộng rãi với nhiều quy trình công nghệ xử lý ngày càng trở nên phổ biến, từ đầu tiên là công nghệ SBR, mương oxy hóa đến những công nghệ gần đây như ANAMMOX (Mulder, 1995), CANON (Schmidt, 2003) và SHARON (Hellinga, 1998)

Quá trình thông thường nitơ trong nước thải được loại bỏ nhờ sự chuyển hóa của vi khuẩn đối với các hợp chất của nitơ như N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, v.v thành nitơ tự do nhờ quá trình nitrate hoá và khử nitrate (nitrification/denitrification)

Tổng kết các quá trình chuyển hoá nitơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học được thê hiện trong bảng 1.2

Bảng 1-2 : Các phản ứng chuyển hóa sinh học của nitơ trong nước

N eutropha N.europea Nitrosospira

5 NO2- + 0,5O2→NO3- Nitratation

Nitrobacter, e.g N agilis

Nitrospira Nitrococácus Nitrosocystics 4 + 5 NH4+ + 2O2 + 2HCO3-→

NO3- + 2CO2 + 3H2O Nitrification

Nitrifying bacteria 6 C + 2NO3-→2NO2- + CO2 Denitratation Denitrifying heterotrophic

bacteria

7 3C + 2H2O + CO2 + 4NO2-→

Denitrifying heterotrofic bacteria

6 + 7 5C + 2H2O + 4NO3-→

2N2 + 4HCO3- + CO2 Denitrification

Heterotrophs: Pseudomonas Bacillus Alcaligenes Paracocácus

+ + 0.75O2 + HCO3-→

0.5NH4+ + 0.5NO2- + CO2 + 1.5H2O

Nitrate hoá bán phần (partial nitritation)

Ammonia- oxidizing bacteria

Van Dongen (2001)

STT Phản ứng Quá trình Vi sinh vật Nguồn

9a NH4+ + NO2-→N2 + 2H2O Anammox (không

tổng hợp tế bào) Planctomycetales

9b NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3-→1.02N2 +

0.26NO3- + 0.066CH2O + 0 5N0, 15 +2.03H2O

Anammox (có tổng hợp tế bào) Planctomycetales

4 + 7

4NH4+ + 6O2 + 3C + 4HCO3-→ 2N2 + 7CO2 +

10H2O

Modified nitrogen removal

Bacteria Rittman v Mcácarty

(2001) Henze (2002) 4 + 5

+ 6 + 7

4NH4+ + 8O2 + 5C + 4HCO3-→ 2N2 + 9CO2 +

10H2O

Khử nitơ truyền thống (Traditional

4 + 9 NH3 + 0.85O2→0.11NO3- +

0.44N2 + 0.14H+ + 1.43H2O CANON

Nitrifying bacteria Planctomycetales

Sliekers (2002)

10 NH4+ + 0.75O2→

0.5N2 + H+ + 1.5H2O OLAND Nitrosomonas Verstraet-e v Philips (1998)

+ + 3O2 + 3[H] →1.5N2 + 3H+ + 6H2O Quá trình NOx Nitrosomonas Schmidt (2003)

Nguồn : Luzia Gut, 2006

™ Quá trình khử nitrat • Mô tả quá trình

Khử nitrate, bước thứ hai theo sau quá trình nitrate hoá, là quá trình khử nitrogen thành khí nitơ, nitrous oxide (N2O) hoặc nitrite oxide (NO) được thực hiện trong môi trường thiếu khí (anoxic) và đòi hỏi một chất cho electron l chất hữu cơ hoặc vô cơ

nitrate-Hai con đường khử nitrate có thể xảy ra trong hệ thống sinh học đó là: - Đồng hóa: Con đường đồng hóa liên quan đến khử nitrate thành ammonia

sử dụng cho tổng hợp tế bào Nơi xảy ra khi ammonia không có sẵn, độc lập với sự ức chế của oxy

- Dị hoá (hay khử nitrate): Khử nitrate bằng con đường dị hóa liên quan đến sự khử nitrate thành oxide nitrite, oxide nitrous và nitơ

NO3-→ NO2-→ NO(g) → N2O (g) → N2(g) Một số loài vi khuẩn khử nitrate được biết: Bacillus, Pseudomonas, Methanomonas, Paracocácus, Spirillum, Thiobacillus, Achromobacterium, Denitrobacillus, Micrococus, Xanthomonas (Painter 1970) Hầu hết vi khuẩn khử nitrate là dị dưỡng, nghĩa là chúng lấy carbon cho quá trình tổng hợp tế bào từ các hợp chất hữu cơ Bên cạnh đó, vẫn có một số loài tự dưỡng, chúng nhận carbon cho tổng hợp tế bào từ các hợp chất vơ cơ Ví dụ loài Thiobacillus denitrificans oxy hoá nguyên tố S tạo năng lượng và nhận nguồn carbon tổng hợp tế bào từ CO2 tan trong nước hay HCO3-

Quá trình khử nitrate đòi hỏi phải cung cấp nguồn carbon Điều này có thể thực hiện bằng một trong ba cách :

o Cấp nguồn carbon từ bên ngoài như methanol, nước thải đô thị hoặc acetate

- Sử dụng BOD của chính nước thải làm nguồn carbon, thực hiện bằng cách

- Tuần hoàn lại phần lớn nước sau khi đã nitrate hoá đến vùng thiếu khí ở vị trí đầu công trình

o Dẫn một phần nước thải thô đầu vào hay đầu ra sau xử lí sơ bộ vào vùng chứa nitrate

o Sử dụng nguồn carbon của chính tế bào do quá trình hô hấp nội sinh Độ kiềm sinh ra được tính từ cân bằng phản ứng sau (Theo Mcácarty, 1969) NO3- + 1.08 CH3OH + 0.24 H2CO3→ 0.065 C5H7O2N+ 0.47 N2 + 1.44 H2O + 0.76 CO2 + OH-

Do đó, độ kiềm sinh ra 3.57 mg CaCO3/mgNO3- bị khử khi g NO3- được sử dụng cho tổng hợp tế bào Trong nước thải có sẵn ammonia thì độ kiềm sinh ra ít hơn do một phần nitrate chuyển thành ammonia cho tổng hợp tế bào được thay thế bởi ammonia có sẵn ( 2.9 – 3 gCaCO3/gNO3- bị khử)

1.2.5.2) Khử Phospho trong nước thải ™ Sự tích lũy sinh học

Phospho trong nước tồn tại ở các dạng như: ortho-phosphat, polyphosphat và các hợp chất phospho hữu cơ Các phản ứng liên quan đến quá trình tích lũy Phospho trong nước [Pattarkine và Randall, 1999]:

Sự phân giải Phospho của quá trình thiếu khí bởi sinh vật tích lũy Phosphat (PAOs – Phosphate Accumulating Organisms):

PAOs + stored polyphosphate + Mg2+ + K+ + glycogen + VFA → PAOs + stored biopolymers + Mg2+ + K+ + CO2 + H2O + PO43- (phân giải)

Hấp thụ Phospho của quá trình sinh học hiếu khí: PAOs + stored biopolymers + Mg2+ + K+ + O2 (hoặc NO3-) + PO43- → PAOs + polyphosphate + Mg2+ + K+ + glycogen + CO2 + H2O (hấp thụ)

Khi các sinh vật tích lũy Phosphate (PAOs) phát triển thì hiệu quả khử Phospho sẽ gia tăng và PAOs là nhân tố đầu tiên cho quá trình thiếu khí và sau đó là quá trình hiếu khí Trong điều kiện thiếu khí, vi khuẩn bẻ gãy liên kết năng lượng của polyphosphate để tạo thành PO43- và đồng thời tiêu thụ chất hữu cơ ở dạng axit béo dễ bay hơi (VFAs) hoặc những hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học VFAs bao gồm các hợp chất axit cacbonxylic mạch ngắn như acetic, propionic, butyric và valeric Và khi các vi khuẩn này tiếp tục được qua điều kiện hiếu khí, chúng sẽ giữ lại Phosphate ở dạng phân tử polyphosphate Quá trình tích tụ Phosphate vào tế bào vi khuẩn sẽ làm giảm nồng độ Phosphate trong nước dòng ra Khi hệ vi sinh được loại bỏ thì Phosphate cũng được khử đi

Theo WEF và ASCE (1998), khi các hợp chất PAOs được tiếp xúc với môi trường thiếu khí theo sau bởi một vùng hiếu khí thì hiệu quả khử Phospho gấp 2.5 – 4 lần so với quá trình bùn hoạt tính thông thường

™ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử Phospho trong nước thải: cAxit béo dễ bay hơi (VFAs) có sẵn trong nước thải

Yếu tố quan trọng để mang lại hiệu quả cho việc khử Phospho đó là sự tương đối của chất hữu cơ mà PAOs sử dụng Nếu tỉ lệ giữa VFAs hoặc COD dễ phân hủy sinh học và ortho-phosphate không thích hợp thì quá trình khử Phospho không hiệu quả Theo McGrath (2005), WEF và ASCE (2006) thì tỉ lệ COD : P tối thiểu là 45 hoặc BOD : P tối thiểu là 20 thì sẽ đạt được giới hạn là 1 mgP/L Còn theo Barnard (2005) thì tỉ lệ thích hợp để loại bỏ Phospho bằng phương pháp sinh học là COD : P là 15 Ở vùng thiếu khí COD dễ phân hủy sinh học sẽ chuyển hóa thành VFAs và PAOs sẽ tiêu thụ chúng Neethling (2005) đã xác định tỉ số thích hợp VFA : P ≥ 4 để loại bỏ Phospho hiệu quả

dNhiệt độ Theo Lindeke (2005), quá trình khử Phospho không bị ảnh hưởng một cách rõ ràng bởi nhiệt độ, tuy nhiên quá trình lên men sẽ chậm lại khi nhiệt độ thấp Do đó, trong điều kiện nhiệt độ thấp (mùa đông) sự tạo thành VFAs bị hạn chế dẫn tới quá trình khử Phospho kém hiệu quả hơn Theo báo cáo của Baur (2002) thì nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi bùn, liên quan đến việc tạo thành VFAs Ví dụ, với tuổi bùn là 1ngày và nhiệt độ là 240C sẽ hiệu quả, còn với tuổi bùn là 4 ngày thì VFAs sẽ sản sinh tốt ở nhiệt độ 140C Trong các nghiên cứu của Paswad (2003) và Rabinowitz (2004) thì nhiệt độ cao trên 300C sẽ ảnh hưởng tới quá trình tích lũy Phospho và quá trình này hoàn toàn bị ức chế ở nhiệt độ 400C

eThời gian lưu bùn (SRT) Hiệu quả xử lý Phospho tốt nhất với thời gian lưu bùn trong khoảng từ 12 – 16 ngày ở nhiệt độ là 5 – 100C Theo Erdal (2002) thì thay đổi SRT trong khoảng từ 12 – 17 ngày ở nhiệt độ 100C sẽ không ảnh hưởng tới quá trình loại bỏ Phospho bằng phương pháp sinh học

fDO và dòng tuần hoàn Cũng giống Nitrat, nồng độ DO trong vùng kỵ khí ảnh hưởng tiêu cực tới hiệu quả xử lý Phospho Nồng độ DO cần giảm tới 0 trước khi hoạt động trao đổi chất ở vùng thiếu khí xảy ra cho quá trình loại bỏ Phospho Bởi vì PAOs là vi sinh hiếu khí,

chúng sẽ sử dụng oxy có mặt ở vùng thiếu khí để chuyển hóa thành VFAs và làm giảm quá trình phân giải Phospho cũng như sự tích lũy Phospho trở lại ở vùng hiếu khí Thêm vào đó, vì vi sinh hiếu khí hiện diện trong vùng thiếu khí sẽ chuyển hóa thành VFAs nên hệ trao đổi chất sẽ giảm Nếu không thể giảm nồng độ DO ở dòng tuần hoàn thì có thể thêm vào VFAs (Benisch, 2004)

1.3./ TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) :

1.3.1) Giới thiệu về công nghệ MBBR :

MBBR là một dạng của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bởi lớp màng sinh học (biofilm) Trong quá trình MBBR, lớp màng biofilm phát triển trên giá thể lơ lửng trong lớp chất lỏng của bể phản ứng Những giá thể này chuyển động được trong chất lỏng là nhờ hệ thống sục khí cung cấp oxy cho nước thải hoặc thiết bị khuấy trộn Công nghệ này được phát triển tại Norway (Thụy Điển) vào cuối những năm 1980 và được sử dụng rộng rãi trên nhiều nhà máy của các nước trên thế giới Trong những năm 1980, người ta sử dụng MBBR để loại bỏ Nitơ của nguồn thải thải ra Biển Bắc Kỹ sư và nghiên cứu sinh ở Thụy Điển nhận ra rằng trong nhiều trường hợp cần có một quá trình sinh học với nồng độ sinh khối cao để tăng hiệu quả xử lý và giảm chi phí (Odegaard và cộng sự, 1991) Với mục đích loại bỏ chất hữu cơ, amonia và Nitơ, công nghệ này được nghiên cứu và đã chứng tỏ những ưu điểm rõ rệt qua nhiều nghiên cứu khác nhau

Công nghệ MBBR là công nghệ kết hợp giữa các điều kiện thuận lợi của quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí và bể lọc sinh học Bể MBBR hoạt động giống như quá trình xử lý bùn hoạt tính hiếu khí trong toàn bộ thể tích bể Đây là quá trình xử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá thể lơ lửng mà những giá thể lơ lửng này lại di chuyển tự do trong bể phản ứng và được giữ bên trong bể phản ứng được đặt ở cửa ra của bể Bể MBBR không cần quá trình tuần hoàn bùn giống như các phương pháp xử lý bằng màng biofilm khác, vì vậy nó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính trong bể, bởi vì sinh khối ngày càng được tạo ra trong quá trình xử lý Cũng giống như các quá trình sinh trưởng lơ

lửng, sinh khối trong bể MBBR có nồng độ cao hơn, dẫn đến thể tích bể nhỏ gọn hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường Bể MBBR gồm 2 loại: bể hiếu khí và bể kị khí Hình 1.2 mô tả quá trình xử lý của bể MBBR

Hình 1 2: Mô tả quá trình xử lý của bể MBBR hiếu khí (a) và thiếu khí (b)

Trong bể hiếu khí sự chuyển động của các giá thể được tạo thành do sự khuếch tán của những bọt khí có kích thước trung bình được từ máy thổi Trong khi đó ở bể kỵ khí/thiếu khí thì quá trình này được tạo ra bởi sự xáo trộn của các giá thể trong bể bằng cánh khuấy Hầu hết các bể MBBR được thiết kế ở dạng hiếu khí có lớp lưới chắn ở cửa ra, ngày nay người ta thường thiết kế lớp lưới chắn có dạng hình trụ đặt thẳng đứng hay nằm ngang

1.3.2) Giá thể động

Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý này là các giá thể động có lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt Những giá thể này được thiết kế sao cho diện tích bề mặt hiệu dụng lớn để lớp màng biofin dính bám trên bề mặt của giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động của vi sinh vật khi những giá thể này lơ lững trong nước

Kaldnes Miljteknologi AS đã phát triển những giá thể động có hình dạng và kích thước khác nhau Tùy thuộc vào đặc tính quá trình tiền xử lý, tiêu chuẩn xả thải và thể tích thiết kế bể thì mỗi loại giá thể có hiệu quả xử lý khác nhau Hiện tại trên thị trường thì có 5 loại giá thể khác nhau: K1, K2, K3, Natrix và Biofin Chip M Thông số các loại giá thể sẽ được trình bày ở bảng 1.3

Bảng 1- 3: Thông số các loại giá thể STT Loại giá thể Chất liệu Kích thước (DxL) dụng (m2/m3)Diện tích hữu

Nguồn : Kaldnes MiljԄteknologi, 2001

Hình 1 3: Các loại giá thể K1, K2, K3, Biofilm Chip M và Natrix-O

Tất cả các giá thể có tỷ trọng nhẹ hơn so với tỷ trọng của nước, tuy nhiên mỗi loại giá thể có tỷ trọng khác nhau Điều kiện quan trọng nhất của quá trình xử lý này là mật độ giá thể trong bể, để giá thể có thể chuyển động lơ lửng ở trong bể thì mật độ giá thể tối đa trong bể MBBR nhỏ hơn 67% Trong mỗi quá trình xử lý bằng màng sinh học thì sự khuyếch tán của chất dinh dưỡng (chất ô nhiễm) ở trong và ngoài lớp màng là nhân tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý, vì vậy chiều dày hiệu

quả của lớp màng cũng là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý Chiều dày của lớp màng trên giá thể động thông thường phải nhỏ hơn 10 µm, điều này có nghĩa là chiều dày của lớp màng rất mỏng để các chất dinh dưởng khuếch tán vào bề mặt của lớp màng Để đạt được điều này độ xáo trộn của giá thể trong bể là nhân tố rất quan trọng để có thể di chuyển các chất dinh dưỡng lên bề mặt của màng và đảm bảo chiều dày của lớp màng trên giá thể mỏng

Những nghiên cứu khác nhau đã chứng minh rằng nồng độ sinh khối trên một đơn vị thể tích của bể là 3 – 4 kg SS/m3, giống như quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính lơ lửng Vì vậy, tải trọng thể tích của bể lớn do sinh khối hình thành trên lớp màng biofilm cao

Khe khoảng trống cho phép dòng nước thải di chuyển Biofilm 

Protozoa

Hình 1 4: Sự phát triển của lớp màng biofilm ở bên ngoài ít hơn bên trong giá thể

Hiện tượng bào mòn các giá thể động xảy ra khi các giá thể chuyển động trong bể lớn, các giá thể va chạm vào nhau, làm cho lớp màng hình thành trong giá thể dễ bong tróc va giảm hiệu quả của quá trình xử lý

1.3.3) Lớp màng biofilm

Lớp màng biofim là quần thể các vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể Chủng loại vi sinh vật trong màng biofilm tương tự như đối với hệ thống xử lý bùn hoạt tính lơ lửng Hầu hết các vi sinh vật trên màng biofilm thuộc loại dị dưởng (chúng sử dụng cacbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế Các vi sinh vật tùy tiện có thể sử dụng oxy hòa tan trong hỗn hợp nước thải, nếu oxy hòa tan không có sẵn thì những vi sinh vật này sử dụng Nitric/Nitrat như là chất nhận điện tử Tại bề mặt của màng biofilm và lớp chất lỏng ứ động để phân lập lớp màng biofilm với chất lỏng được xáo trộn trong bể phản ứng Chất dinh dưỡng và oxy khuếch tán qua lớp chất lỏng ứ động từ hỗn hợp chất lỏng xáo trộn trong bể MBBR tới lớp màng biofilm Trong khi chất dinh dưởng và oxy khuếch tán thông qua lớp ứ đọng tới lớp màng biofilm, sự phân hủy sinh học sản xuất ra những sản phẩm khuếch tán từ lớp màng biofilm tới hỗn hợp chất lỏng được xáo trộn trong bể MBBR Quá trình khuếch tán vào và ra lớp màng biofilm vẫn tiếp tục xảy ra Khi các vi sinh vật phát triển, sinh khối phát triển và ngày càng dày đặc Bề dày của sinh khối ảnh hưởng đến hiệu quả hòa tàn oxy và chất bề mặt trong bể phản ứng đến các quần thể vi sinh vật

Hình 1 5: Mô tả sự khuếch tán của chất dinh dưỡng ở màng biofilm

Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng của lớp màng biofilm là lối vào đầu tiên để oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua màng biofilm Khi oxy hòa tan và chất bề mặt khuếch tán qua mỗi lớp nằm phía sau so với lớp ngoài cùng của màng biofilm thì sẽ

được các vi sinh vật tiêu thụ nhiều hơn so với ở lớp biofilm phía trước Sự giảm nồng độ oxy hòa tan qua lớp màng biofilm đã tạo ra các lớp hiếu khí, tùy tiện, thiếu khí trên màng biofilm

Những hoạt động vi sinh vật khác nhau xảy ra trong mỗi lớp màng này vì những vi sinh vật đặc trưng phát triển trong những môi trường khác nhau trên biofilm Ví dụ như các vi sinh vật trong mỗi lớp màng biofilm sẽ có một mật độ thích hợp nhất đối với môi trường oxy hoặc cơ chất trong lớp màng này Ở lớp màng phía trên của màng biofilm khi nồng độ oxy hóa tan và nồng độ cơ chất cao thì số lượng vi sinh vật hiếu khí sẽ chiếm ưu thế Ở lớp biofilm ở sâu hơn khi nồng độ oxy và cơ chất giảm thì những vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế hơn những vi sinh vật khác Trong những lớp này, quá trình Nitrat hoát xảy ra khi Nitrat trở thành chất nhận điện tử đối với vi sinh vật tùy tiện Vì vậy, những vi sinh vật ở lớp màng biofilm hay dính bám trên bề mặt giá thể sẽ bị ảnh hưởng bởi sự khuyếch tán oxy và cơ chất giảm dần qua lớp màng Khi những vi sinh vật dính bám trên lớp màng biofilm ban đầu yếu thì hoạt động xáo trộn những giá thể đó sẽ bị rửa trôi lớp màng biofilm ra khỏi giá thể

Nồng độ chất nền 

Sự gia tăng nồng độ chất nền, mg/l 

Hình 1 6: Nồng độ của chất nền theo chiều sâu lớp màng 1.3.4) Tính chất của màng vi sinh vật

• Đặc tính dính bám của màng sinh học

Các vi khuẩn tạo thành bazơ từ chuỗi thức ăn thông qua hoạt động của chất hữu cơ trong nước thải đã được xử lý Các chất hòa tan tăng lên một cách nhanh chóng trong khi các phân tử chất keo bị sụt giảm tạo thành cá lớp sệt Tại đó, chúng trải qua quá trình gắn kết với enzyme ngoại bào, giải phóng một lượng nhỏ phân tử mà chúng chuyển hóa được Hệ vi khuẩn gồm có các thực vật hoại sinh sơ cấp và thứ cấp, giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bao gồm các loài: Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobaterium, Pseudomonas, Sphaerotilus và Zooglea Tuy nhiên không hoàn toàn giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, sự phân bố các loài này có thể thay đổi vị trí trong các phản ứng Tác nhân sinh trưởng bám dính cũng bao gồm vi khuẩn Nitrat hóa, như các loài Nitrosomonas và Nitrobacter, thường được phát hiện ở những vùng có nồng độ các chất hữu cơ lơ lửng thấp Sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinh vật tương đối lớn Quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn

• Đặc tính về sự loại bỏ cơ chất Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính Sự loại bỏ cơ chất liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu như không thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử của chúng Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng, và trước khi có thể xâm nhập vào màng, quá trình thủy phân phải được diễn ra trước để bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn

• Vận hành hệ thống của thiết bị xử lý Ưu điểm quan trọng nhất của quá trình màng vi sinh vật so với quá trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý

• Khởi động nhanh chóng Thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn vì hầu hết sinh khối sinh ra tích lũy lại mà không bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động khí màng vi sinh vật

còn mỏng Chính vì thế mà việc khôi phục vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm do một lý do nào đó Quá trình màng cũng chịu đựng được sự thay đổi bất thường về tải trọng hữu cơ

• Khả năng loại bỏ những cơ chất phân hủy chậm Có thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ những cơ chất phân hủy chậm của quá trình màng vi sinh vật Những cơ chất có chứa các loại hợp chất hữu cơ như Polyvinyl Alchohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), Ligin, các hợp chất Clo hữu cơ v.v hay các chất vô cơ như Nitrat, Cyanid v.v Những hợp chất này đều là các chất khó phân hủy sinh học, và tốc độ tăng trưởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đó làm cơ chất chính rất thấp Ví dụ như tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn Nitrosomonas chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của E.coli Các loại vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng nhỏ có khả năng phát triển trong màng vi sinh vật Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng có khả năng loại bỏ các lọai chất hữu cơ phân hủy chậm Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ bề dày hiệu quả của màng đến bề dày tổng của màng Nói chung, tốc dộ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với sự vận chuyển bởi quá trình khuếch tán phân tử của nó, độ sâu mà phân tử có thể vào trong lớp màng vi sinh vật, tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả Nói cách khác, thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ rất lớn và ngược lại Vì vậy, sự khác biệt về khả năng phân hủy sinh học sẽ không ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật Điều này làm cho màng vi sinh vật có ưu điểm vượt trội hơn quá trình bùn hoạt tính thông thường là khả năng phân hủy những chất hữu cơ phân hủy chậm

• Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải trọng ô nhiễm Hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ

• Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp Đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết đều duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp), nước thải với nồng độ cơ chất thay

đổi trong khoảng rộng được xử lý hiệu quả Hơn nữa nước thải với nồng độ càng thấp càng dễ xử lý

• Thiết bị xử lý đa dạng Không có khả năng kiểm soát được sinh khối do không thể kiểm soát được thời gian lưu bùn và do đó cũng không thể kiểm soát được các loài vi sinh vật có trong màng Đối với quá trình màng vi sinh vật, sự đa dạng sinh học cao, dẫn tới chuỗi thức ăn kéo dài và làm giảm lượng bùn dư Do vậy, quá trình màng vi sinh vật có rất ít các yếu tố điều khiển, có nghĩa là dễ vận hành, nhưng cũng khó để vận hành trong một điều kiện tốt

• Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán Trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố điều khiển quá trình làm sạch nước là sự vận chuyển cơ chất và oxy vào màng vi sinh vật và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh Màng vi sinh vật càng dày, nồng độ oxy trong nước thải càng cao thì tốc độ phản ứng càng cao Thêm vào đó vận tốc nước chảy trên bề mặt màng đủ lớn để duy trì bề dày lớp màng và đủ nhỏ để tăng cường khả năng khuếch tán của cơ chất và oxy vào trong lớp màng, hơn nữa, cần phải thiết kế thiết bị xử lý sao cho vận tốc nước chảy đều mọi nơi trong khối vật liệu đệm

1.3.5) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR

1.3.5.1) Giá thể Diện tích thực tế của giá thể lớn, do đó nồng độ biofilm cao trong bể xử lý đến dẫn thể tích bể nhỏ Theo các báo cáo cho thấy, nồng độ biofilm dao động từ 3000 – 4000 gTSS/m3, tương tự với những giá trị có được trong quá trình bùn hoạt tính với tuổi bùn cao Điều này được suy ra rằng, vì tải trọng thể tích trong MBBR cao hơn gấp vài lần trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính nên sinh khối sinh ra trong bể MBBR cao hơn nhiều Hiệu quả xử lý của bể MBBR đối với các quá trình xử lý khác nhau, được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Công dụng của các thiết kế điển hình cho các bể phản ứng KMT ở 150C

Mục đích Hiệu quả xử lý(%) Tải trọng thiết kế, g/m2.ngày

Tải trọng thiết kế, kg/m3.ngày có

67 % giá thể

Sự loại bỏ BOD Cao

Trung bình Thấp

75-80 (BOD7) 85-90 (BOD7) 90-95 (BOD7)

25 (BOD7) 15 (BOD7) 7,5 (BOD7)

8 (BOD7) 5 (BOD7) 2,5 (BOD7) Sự nitơ hóa (O2 >5 mg/l)

Mức độ loại bỏ BOD1NH4-N > 3 mg/l NH4-N < 3 mg/l

90-95 (BOD7) 90 (NH4-N) 90 (NH4-N)

6,0 (BOD7) 1,00 (NH4-N) 0,45 (NH4-N)

2,0 (BOD7) 0,35 (NH4-N) 0,15 (NH4-N) Sự khử nitơ

Trước khử nitơ (C/N>4)2Sau khử nitơ (C/N>3)2

70 (NO3-N) 90 (NO3-N)

0,90 (NO3-N) 2,00 (NO3-N)

0,30 (NO3-N) 0,70 (NO3-N)

Nguồn : Water Environmental Engineering and Reuse of Water, Hokkaido Press 1999,

1.3.5.2) Độ xáo trộn Yếu tố khác có ảnh hưởng đến hiệu suất là dòng chảy và điều kiện xáo trộn trong bể xử lý Độ xáo trộn thích hợp là điều kiện lý tưởng đối với hiệu suất của hệ thống Lớp màng biofilm hình thành trên giá thể rất mỏng, phân tán và vận chuyển cơ chất và oxy đến bề mặt biofilm Vì vậy, lớp màng biofilm dày và mịn không được mong đợi đối với hệ thống Độ xáo trộn thích hợp có tác dụng loại bỏ những sinh khối dư và duy trì độ dày thích hợp cho biofilm Độ dày của biofilm nhỏ hơn 100 micromet đối với