Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ THỊ THÙY LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA H

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VŨ THỊ THÙY LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ

TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thế Hải

Hà Nội, 2016

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS Phạm Thế Hải – Giảng viên Khoa Sinh học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người đã định hướng, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này Đồng thời tôi xin được chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thị Thu Thủy, Phòng

Vi Sinh Vật môi trường, KTV Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi Sinh Vật Học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cán bộ Phòng Thí Nghiệm Sinh Học thực nghiệm của Viện Ứng dụng Công nghệ Nacentech đã hướng dẫn và giúp

đỡ tôi nhiệt tình trong quá trình thực hiện đề tài

Thêm vào đó, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể các Thầy,

Cô trong Khoa Sinh học đã tạo điều kiện học tập và truyền đạt cho tôi những tri thức khoa học hết sức bổ ích giúp tôi hoàn thiện đề tài cũng như hình thành thế giới quan khoa học của mình

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân trọng đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã sát cánh bên tôi, luôn ủng hộ, tin tưởng và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Nghiên cứu trình bày trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 106-NN.04- 2015.23

Hà nội, tháng 12 năm 2016

Vũ Thị Thùy Linh

MỤC LỤC

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục hình vẽ

Danh mục bảng

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở Việt Nam 3

1.1.1 Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay 3

1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay 5

1.2 Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản 6

1.2.1 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD) 6

1.2.2 Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH 4 + ) 7

1.3 Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ 10

1.3.1 Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) 10

1.3.2 Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) 11

1.3.3 Sử dụng ô - zôn (O 3 ) 13

1.3.4 Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi 13

1.3.5 Ứng dụng mô hình sinh điện hóa 14

1.3.6 Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ở Việt Nam 15

1.4 Các mô hình sinh điện hóa 15

1.4.1 Giới thiệu tổng quát về các mô hình sinh điện hóa 15

1.4.2 Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system) 18

1.4.3 Vi sinh vật ở điện cực đáy: Tính đa dạng và sự biến đổi của quần xã 19

1.5 Ứng dụng mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) trong xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản 23

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng SBES 23

1.5.2 Tiềm năng sử dụng SBES để xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản nước lợ 25

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Vật liệu nghiên cứu 26

2.1.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 26

2.1.2 Nguồn vi sinh vật sử dụng cho nghiên cứu 28

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Thiết kế, xây dựng và vận hành SBES 28

2.2.2 Phương pháp truyền thống để phân lập và nuôi cấy vi khuẩn 34

2.2.3 Phương pháp nhuộm Gram và quan sát kính hiển vi 35

2.2.4 Phương pháp tách DNA tổng số 35

2.2.5 Phương pháp DGGE 36

2.2.6 Phương pháp giải và phân tích trình tự gen 16S rARN 39

2.2.7 Phương pháp đo COD với mẫu nước có hàm lượng clo cao và mẫu bùn 40 2.2.8 Phương pháp đo TN và amoni 42

2.2.9 Phương pháp tính toán và xử lí số liệu 44

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Xây dựng mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ có lồng ghép SBES 45

3.2 Kết quả làm giàu vi khuẩn điện hóa 45

3.2.1 Dòng điện phát sinh trong giai đoạn làm giàu vi khuẩn điện hóa 45

3.2.2 Các kết quả phân tích quần xã VSV ở điện cực đáy - anode 47

3.3 Sơ bộ các kết quả đánh giá hoạt động xử lí ô nhiễm hữu cơ của hệ SBES 58

3.3.1 Kết quả xử lí COD 58

3.3.2 Kết quả xử lí ammonium (NH 4 + ) 60

3.3.3 Kết quả xử lí N tổng (TN) 61

3.3.4 Tóm lược các kết quả xử lí ô nhiễm của hệ 62

KẾT LUẬN 64

KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC

Danh mục các từ viết tắt

Từ Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt

BESs Microbial bioelectrochemical

systems

Hệ thống sinh điện hóa

BOD Biochemical Oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hóa

BĐC - Bể đối chứng – Mô hình đối chứng COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

DGGE Denaturing gradient gel

electrophoresis

Điện di gradient gel biến tính

EBA Electrochemically active

bacteria

Vi khuẩn có hoạt tính điện hóa

INO Inoculum Quần xã bùn tự nhiên

MEC Microbial electrolysis cells Tế bào điện phân vi sinh

MFC Microbial fuel cell Pin nhiên liệu vi sinh vật PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp

SBES Sediment bioelectrochemical

system

Hệ thống sinh điện hóa với điện

cực ở đáy

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL 4

Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá 7

Hình1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) 11

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm 12

Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm 14

Hình 1.6: Ví dụ minh họa về BESs (i) MFCs tạo ra điện năng và (ii)MECs tiêu thụ điện năng tạo ra Hiđro 16

Hình1.7: Nguyên lý hoạt động của một MFC 17

Hình1.8: Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) 18

Hình1.9: Mô hình vận hành của một hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy 19

Hình 1.10: Tổng quan các ứng dụng của SMFC 24

Hình 2.1:Các vật liệu cấu tạo điện cực 26

Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống sinh điện hóa ứng dụng để xứ lý nước và đáy ao nuôi nước lợ 29

Hình 2.3 : Mô hình thiết kế bể thí nghiệm với điện cực ở đáy 31

Hình 2.4: Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm 33

Hình 3.1: Mô hình các bể kính làm thí nghiệm 45

Hình 3.2: Dòng điện của SBES sau 30 ngày làm giàu 46

Hình 3.3: Dòng điện của các quần xã bùn TN và ĐC trong SBES ống nghiệm 47

Hình 3.4: Ảnh các khuẩn lạc thu được trên LB 1,5% NaCl ở nồng độ pha loãng 10-3 48

Hình 3.5: Các chủng phân lập từ 3 quần xã vi khuẩn 50

Hình 3.6: Khuẩn lạc và hình thái tế bào của các chủng cần quan tâm 51

Hình 3.7: Tương quan giữa các quần xã nghiên cứu 52

Hình 3.8: Kết quả khuếch đại trình tự gen16S rRNA của các đơn chủng với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số 53

Hình 3.9: Kết quả khuếch đại trình tự gen 16S rRNA của các mẫu với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số 56

Hình 3.10: Kết quả PCR khuếch đại trình tự gen16S rRNA dùng cho phân tích DGGE bằng cặp mồi (P338F & P518R) 56

Hình 3.11: Kết quả điện di DGGE quần xã anode của SBES và các đơn chủng chiếm ưu thế 57

Hình 3.12: Kết quả so sánh tốc độ phân giải COD của hệ SBES khi vận hành ở các chế độ cho ăn khác nhau 58

Hình 3.13: Kết quả NH4+ của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau 60

Hình 3.14: Kết quả NH4+ của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau 60

Hình 3.15: Kết quả TN của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau 61

Hình 3.16: Kết quả TN của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau 62

Danh mục bảng

Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010 3 Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao nuôi tôm 8Bảng 1.3: Các vi khuẩn được sử dụng trong MFC 20 Bảng 2.1: Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm tương đương ao nuôi thực tế 32 Bảng 2.2: Môi trường LB 1.5% NaCl 35 Bảng 2.3: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn

1400 bp gen 16S rRNA 37 Bảng 2.4: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn 200bp gen 16S rRNA 38 Bảng 2.5: Thành phần dung dịch chất biến tính 0% và 60% 39 Bảng 2.6: Thành phần “Working solutions” 39 Bảng 3.1: Số lượng các vi khuẩn thu được sau phân lập bằng LB agar 1.5%NaCl 48 Bảng 3.2: Kết quả phân tích các trình tự gen 16S rRNA của các đơn chủng quan tâm 54

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nuôi trồng thủy sản nước lợ là một lĩnh vực quan trọng đem lại nhiều lợi ích cho con người: cung cấp thực phẩm, đem lại lợi nhuận không nhỏ cho nền kinh tế quốc dân, góp phần tăng tích lũy vốn, xuất khẩu thu về ngoại tệ cho nhà nước, cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp và ngành y, dược, tạo điều kiện việc làm cho hàng triệu lao động [11]

Vì vậy, vấn đề nâng cao sản lượng và chất lượng trong nuôi trồng thủy sản nước lợ đang được rất nhiều nhà khoa học và người nuôi trồng thủy sản quan tâm Một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề này là cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản Tình trạng ô nhiễm môi trường đang xảy ra nghiêm trọng trong quá trình nuôi trồng do phần lớn các chất hữu cơ dư thừa thức ăn, phân

và các rác thải khác đọng lại dưới đáy ao nuôi Ngoài ra, các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi trồng cũng dư đọng lại mà không được xử lí Việc hình thành lớp bùn đáy tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây mùi khó chịu, các vi sinh vật gây bệnh như: các

vi khuẩn Vibrio, Aeromonas, E.coli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococus … cùng nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật [1]

Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi, xử lí các nguồn bệnh trong môi trường: chọn và kiểm soát giống nuôi tốt, giống sạch bệnh, quản lí thức ăn tốt, thường xuyên thay nước và sục khí, xử lý nước bằng các hệ thống riêng biệt, sử dụng hóa chất kết hợp với chế phẩm sinh học …[106] Tuy nhiên, các phương pháp trên ít nhiều còn có những hạn chế nhất định nên chưa cho phép đưa ra những giải pháp toàn diện, hiệu quả, bền vững để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản

Việc sử dụng hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems) để xử lí ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ là một hướng tiếp cận hoàn toàn mới Nguyên lí hoạt động của một mô hình sinh điện hóa là tạo ra dòng điện từ sự chênh lệch điện thế giữa bề mặt nước có nhiều ôxi hòa tan và phần bùn đáy thiếu oxi, nhằm xử lí tại chỗ COD (nhu cầu oxi hóa học) của ao nuôi thủy sản nước lợ Theo

đó, anode của hệ thống sẽ được tích hợp vào bùn đáy ao nuôi và cathode sẽ được đặt trên bề mặt nước Tại anode, các vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ trong bùn đáy và nước, tạo ra electron và proton Electron sẽ được chuyển từ anode sang cathode thông qua một mạch ngoài và proton sẽ chuyển từ bùn đáy tới cathode và kết hợp với oxi trên cathode để tạo ra nước [87] Nhờ tác dụng kích thích rất lớn của sự chênh lệch thế ôxi hóa khử giữa anode và cathode, sự phân giải chất hữu cơ tại anode ở đáy sẽ diễn ra nhanh và mạnh hơn nhiều so với sự phân giải kị khí thông thường Do đó, việc ứng dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy hứa hẹn là một cách tiếp cận hiệu quả để xử lý tại chỗ ô nhiễm ao nuôi thủy sản Đã có những công trình nghiên cứu khẳng định hiệu quả của cách tiếp cận này trên hệ thống ao nuôi thủy sản nước ngọt, nhưng hiện chưa có nghiên cứu tương tự nào với các hệ thống ao nuôi thủy sản nước lợ

Chính vì những lí do trên mà chúng tôi lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ”

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở Việt Nam

1.1.1 Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ

Ở Việt Nam hiện nay, nuôi trồng thủy sản là ngành có tiềm năng rất lớn Theo Tổng cục Thống kê, ước tính giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 (tính theo giá so sánh 2010) ước đạt gần 188 nghìn tỷ đồng, tăng 6,5% so với cùng kỳ năm ngoái Trong đó, giá trị nuôi trồng thủy sản ước đạt hơn 115 nghìn tỷ đồng và giá trị khai thác thủy sản ước đạt hơn 73 nghìn tỷ đồng [8]

Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010[8]

Chỉ tiêu Năm 2013

(tỷ VNĐ )

Năm 2014 (tỷ VNĐ)

So sánh 2014/2013

Giá trị sản xuất thủy sản 176.548,0 188.083,9 106,5 Nuôi trồng thủy sản 106.570,1 115.060,6 108,0 Khai thác thủy sản 69.977,9 73.023,3 104,4 Qua các giá trị thống kê (Bảng 1.1) có thể thấy sản lượng của ngành nuôi trồng thủy sản và nhất là nuôi trồng thủy sản nước lợ (Hình 1.1) thường lớn hơn nhiều so với ngành khai thác thủy sản Chính vì vậy việc tập trung phát triển ngành này là rất có ý nghĩa với nền kinh tế Việt Nam Thêm vào đó, việc Chính phủ, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã ban hành những văn bản định hướng đẩy mạnh phát triển thủy sản như Đề án tái cơ cấu ngành thủy sản theo hướng nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững, Nghị định 67/2014/NĐ-CP về một số chính sách phát triển thủy sản, Nghị định 36/2014/NĐ-CP về nuôi, chế biến và xuất khẩu sản phẩm cá tra…cũng là một động lực để những người nuôi trồng thủy sản đẩy mạnh sản xuất [8]

Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL (1995-2011) [12]

Mặc dù tiềm năng của ngành nuôi trồng thủy sản là rất lớn, như đã trình bày

ở trên, hiện nay ngành nuôi trồng thủy sản vẫn gặp phải một số những khó khăn nhất định Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hằng năm, diện tích tôm nuôi bị thiệt hại là rất lớn, lên đến hàng nghìn ha Cụ thể, tổng diện tích nuôi tôm

bị thiệt hại năm 2014 là 59.585 ha (trong đó thiệt hại do dịch bệnh là 31.514 ha); năm 2015 là 53.928 (dịch bệnh là 16.278 ha); trong 8 tháng đầu năm 2016 là 53.523

ha (dịch bệnh là 7.438 ha) Như vậy, mặc dù tổng diện tích do dịch bệnh gây ra có giảm nhiều, nhưng tổng diện tích bị thiệt hại (chủ yếu do môi trường và thời tiết) tăng cao qua các năm [2]

Sự suy giảm của ngành nuôi tôm xuất phát từ nhiều nguyên nhân: sự xuất hiện và gia tăng một số bệnh, dịch lây lan trong môi trường, môi trường bị xuống cấp, suy thoái, chất lượng nguồn nước kém, do quản lí lỏng lẻo của các cơ quan chức năng … Theo khảo sát của trung tâm nghiên cứu nông nghiệp Australia (ACIAR) tại tỉnh Cà Mau thuộc đồng bằng sông Cửu Long, bệnh tôm là nguyên nhân chủ yếu gây thiệt hại cho các hộ nuôi tôm ở vùng [74] Và vấn đề về bệnh tôm lại chủ yếu xuất phát từ sự ô nhiễm môi trường trong các ao nuôi [72]

1.1.2 Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay

Trong quá trình nuôi trồng thủy sản, môi trường nước và bùn đáy là những yếu tố không thể bỏ qua Thông thường các yếu tố môi trường nước có ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản là: các yếu tố thủy lý hóa như nhiệt độ nước, độ sâu, độ trong, độ mặn, độ kiềm, pH, DO, CO2, NH3, NO2 và H2S … Sự thay đổi bất thường của các yếu tố này vì bất kì một nguyên nhân nào đều gây hại đến thủy sản hoặc tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển, ngoài ra một số trường hợp ngộ độc do kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm trong nuôi trồng thủy sản Mặt khác, các yếu tố thủy sinh như sinh vật phù du cũng là nguyên nhân làm biến đổi mầu nước, hàm lượng DO, độ pH của nước … Môi trường bùn đáy như: pH, thế oxi hóa – khử, thành phần cơ giới đất, cacbon hữu cơ, nitơ, photpho, các kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản [1, 20, 86]

Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, quá trình ô nhiễm môi trường nuôi trồng thủy sản xảy ra chủ yếu do một lượng lớn các chất dinh dưỡng trong thức ăn tôm, cá không được hấp thụ vào cơ thể chúng để tạo sinh khối mà bị thải ra ngoài môi trường xung quanh dưới dạng thức ăn dư thừa, phân và chất thải Các kết quả nghiên cứu cho thấy 48,0 – 87,3 % Ni-tơ (N) và 75,0 – 94,0 % Phốt pho (P) đầu vào trong các ao nuôi tôm không được hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối tôm

mà bị thải ra ngoài môi trường thông qua thay nước, xả thải khi thu hoạch, lắng đọng trong bùn đáy ao nuôi ….[20, 86, 99] Sự lắng đọng của các chất trong ao nuôi dẫn đến sự gia tăng hàm lượng Ni-tơ và hàm lượng chất hữu cơ (được đánh giá bằng các chỉ số BOD, COD, N tổng số và NH4+ ) ở lớp bùn đáy, khiến cho vi sinh vật có thể phát triển mạnh trong môi trường nuôi và trở thành nguồn gây bệnh cũng như gây độc cho thủy sản [88]

Ngoài ra, các chất dinh dưỡng dư thừa này làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự nhiên của thủy vực như: gây ra hiện tượng phát triển quá mức của thực vật phù du hay còn gọi là hiện tượng tảo “nở hoa” và làm thay đổi các mắt xích trong chuỗi

thức ăn của thủy vực; hoặc tích tụ ở nền đáy, phân hủy làm tiêu tốn nguồn ôxy trong thủy vực, khiến cho quá trình phân giải yếm khí diễn ra mạnh tạo ra các khí độc làm ảnh hưởng đến khu hệ động vật đáy trong thủy vực [93]

Vì vậy, việc tìm ra một giải pháp để hạn chế được vấn đề ô nhiễm (đặc biệt

là ô nhiễm bùn đáy) trong ao nuôi thủy sản sẽ góp phần rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng thủy sản

1.2 Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản

Chính vì những ảnh hưởng tiêu cực của ô nhiễm môi trường ao nuôi đến chất lượng và sản lượng thủy sản nên việc xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng của thủy sản Để đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực người ta thường quan tâm đến các chỉ số quan trắc: oxi sinh hóa BOD5, oxi hóa học (COD), tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN), tổng ammonia (TAN), H2S, NH3, phospho tổng … Trong

đó, các chỉ số quan trọng nhất chỉ thị mức độ ô nhiễm hữu cơ và nguy cơ với động vật thủy sản là COD, BOD, nitơ tổng (TN), và nitơ-NH4+

1.2.1 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD)

Tỉ lệ oxy tiêu thụ bởi phiêu sinh vật và vi khuẩn trong mẫu nước ao được đo

để xác định nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD) Ao nuôi thủy sản điển hình có giá trị BOD từ 5 -20 mg/l, BOD càng cao khi mức độ giàu vật chất hữu cơ càng lớn Mặc dù BOD thường được đo trong nước ao nhưng khoảng thích hợp thì không xác định rõ Oxy giảm đến mức nguy hiểm trong ao không sục khí khi BOD quá 20 mg/l [18]

Nhu cầu oxy hóa học (COD) được hiểu là lượng oxy cần thiết để oxy hóa hoàn toàn các chất hóa học trong nước Theo Boyd, giá trị COD trong ao nuôi có thể biến động từ 10 – 200 mg/l, thông thường là từ 40-80 mg/l [27, 28]

BOD và COD được dùng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực Chính vì vậy khảo sát thông số BOD và COD sẽ giúp chúng tôi đánh giá được hiệu quả hoạt động của điện cực trong mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy

1.2.2 Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH 4 + )

Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng N2, hay dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ, hòa tan hay không hòa tan Các hợp chất vô cơ hòa tan quan trọng của nitơ là NO2-, NO3-, NH4+, NH3 [27]

Dạng N2 có được chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào hay do quá trình phản nitrat hóa trong thủy vực gây ra Các dạng hợp chất nitơ hòa tan có được là

do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng albumine, dưới tác động của vi sinh vật, albumine sẽ được chuyển hóa thành dạng ammonia (NH3)

và ammonia sẽ hòa vào nước và hình thành nên ammonium (NH4+) (Hình 1.2)

NH3 và muối của nó sẽ được chuyển hóa thành nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Thực vật thủy sinh và

vi sinh vật có thể hấp thu cả 4 dạng hợp chất nitơ nói trên nhưng hấp thu NO3

-và NH4+ là tốt nhất Tuy nhiên một số vi khuẩn và tảo cũng có khả năng đồng hóa nitơ phân tử [3]

Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá [27]

 Ammonia (NH 3 ) và ammonium (NH 4 + )

Tổng hàm lượng ammonia (NH3) và ammonium (NH4+) được gọi là tổng đạm amôn (TAN) Ammonia trong các thủy vực được hình thành từ việc phân hủy bình thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ, trong đó nguồn NH3 chủ yếu từ sự bài tiết trực tiếp của động vật thủy sinh [24]

NH3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ sống và sinh trưởng với thủy sinh vật Theo Boyd (1900), tác dụng độc của NH3 với thủy sinh vật là do hàm lượng chất này cao làm thủy sinh vật khó bài tiết NH3 từ máu ra môi trường ngoài NH3 trong máu và các mô tăng làm pH máu tăng dẫn đến rối loạn những phản ứng xúc tác bởi enzym và độ bền của màng tế bào, làm thay đổi áp suất thẩm thấu của tế bào, sinh vật chết vì không điều khiển được quá trình trao đổi muối với môi trường ngoài NH3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxi của mô, giảm vận chuyển oxy của máu [18] Quá trình hình thành NH3 nhiều hay ít còn phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của môi trường ao nuôi Vì vậy quản lý pH ao nuôi tốt là gián tiếp hạn chế được lượng NH3 gây độc cho tôm [27]

Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao

nuôi tôm Chỉ số Đơn vị Hàm lượng

nên được ổn định ở mức từ 0,1 – 0,3 mg/L là tốt nhất (Bảng 1.2)

Ammonium (NH4+) không độc và là nguồn thức ăn quan trọng cho các thủy sinh vật Tuy nhiên, nếu hàm lượng NH4+ lớn hơn 2,0 mg/L ao sẽ giàu dinh dưỡng

và tảo trong ao sẽ phát triển rất mạnh, không có lợi cho thủy sinh vật (do thiếu oxy,

pH dao động …)

Theo Boyd (1998) và Chanratchakool (2003) thì hàm lượng NH4+ thích hợp hợp cho ao nuôi tôm dao động trong khoảng 0,2 – 2,0 mg/L[20, 22] Môi trường nước không ô nhiễm thường có hàm lượng NH4+ nhỏ hơn 0,1 mg/L và trong nước mặt tự nhiên NH4+ thường hiện diện ở mức <0,2 mg/L [23]

Hàm lượng NO2- được hình thành chủ yếu bởi quá trình nitrite hoá từ TAN

Do đó khi hàm lượng NH4+ trong ao thấp thì hàm lượng NO2- sẽ thấp Theo

Timmons et al (2002) và Boyd et al (2000) đã chỉ ra rằng hàm lượng NO2- trong

ao nuôi thuỷ sản phải nhỏ hơn 1,0 mg/L (Bảng 1.2)

 Nitrat (NO3-)

Nitrat trong thủy vực là sản phẩm của quả trình nitrat hóa nhờ hoạt động của

vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina, Nitrosococus

(nước lợ,mặn):

NO2- + ½ O2  NO3- + 24 kcal Nitrat còn được cung cấp từ nước mưa khi có sấm chớp, phản ứng tạo thành nitrat như sau:

N2 + 2O2  2NO2

2 NO2 + H2O  HNO2 + HNO2

Theo Boyd (1998), nitrate không độc nhưng với hàm lượng quá cao cũng không có lợi cho tôm cá, khi hàm lượng nitrate trong nước cao sẽ làm tảo phát

triển quá mức Theo nhận định của ông thì hàm lượng NO3- thích hợp trong ao nuôi thuỷ sản từ 0,2 - 3,0 mg/L (Bảng 1.2)

Như vậy, trong ao nuôi một lượng lớn nitơ đi vào ao qua thức ăn và một lượng lớn ammonia đi vào nước từ sinh vật nuôi và từ quá trình phân hủy thức ăn thừa và phân (động vật) [27] Vì vậy mối quan tâm lớn trong các ao nuôi chính là hàm lượng ammonia dư thừa Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo loại bỏ nitơ hiệu quả trong SMFC khi xử lý nước thải [44, 87, 88, 94] Vì những lí do trên, TN và Ammonium là hai chỉ số quan trọng để đánh giá chính xác chất lượng nước và bùn đáy trong các mô hình thí nghiệm

1.3 Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ

Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp xử lí ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản tuy nhiên đối với các ao nuôi thủy sản nước lợ thì các công trình nghiên cứu còn hạn chế [33] Các giải pháp hóa lí, cơ học và sinh học được sử dụng trong xử lí nước thải thông thường cũng được áp dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản [13] Về cơ bản, các giải pháp có thể được chia thành hai nhóm: (i) xử lý nước ao nuôi ở một hệ thống riêng biệt (ví dụ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược, bể xử lý nước thải thông thường với chi phí cao hoặc đầm lầy kiến tạo …); (ii) xử lý tại chỗ nước ao nuôi (ví dụ sử dụng ô-zôn hoặc sục khí nhân tạo …)

1.3.1 Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB)

Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) là một trong những công nghệ xử lý nước thải phổ biến nhất theo kiểu kị khí (Hình 1.3) Theo công nghệ này, nước thải được đưa từ ao nuôi sang bể xử lý Khi đi vào bể xử lý, nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kị khí Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn - lỏng - khí, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn

sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ được đưa ra ngoài Một trong những lợi thế của công nghệ này đó là đơn giản và chi phí vận hành thấp [5]

Hình 1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) [105]

Nghiên cứu của Mirzoyan và các cộng sự năm 2010 về việc xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ với bể UASB cho kết quả khả quan, cụ thể là hiệu quả loại bỏ các chất dễ bay hơi là hơn 92%, đối với COD là 99% và TSS là 81% [61]

Dù vậy, công nghệ này cũng còn nhiều hạn chế như khó khăn để duy trì các điều kiện thủy lực thích hợp (dòng chảy ngược và tỉ lệ lắp ráp phải cân bằng), thời gian khởi động dài, khả năng xử lí có thế không ổn định với sự biến đổi thủy lực và tải trọng hữu cơ, cần duy trì nguồn điện liên tục, các vật liệu cấu tạo thường không sẵn có và đặc biệt là luôn cần có chuyên gia giám sát thiết kế và thi công [97] Với những hạn chế như vậy, công nghệ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) sẽ rất khó để áp dụng với các hộ nuôi trồng thủy sản qui mô vừa

và nhỏ phổ biến ở Việt Nam

1.3.2 Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands)

Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) do Lin và cộng sự

đề xuất tỏ ra là một hệ thống đơn giản hơn với chi phí khá hợp lý [46]

Vùng đất ngập nước là hệ thống xử lý tự nhiên dựa trên sự cộng sinh giữa vi sinh vật và thực vật, xử lý nước thải qua các quá trình phân hủy hiếu khí, kỵ khí

của vi sinh vật, quang hợp của thực vật dưới nước Phương pháp sử dụng hệ thống này có nhiều cải tiến trong khoảng 20 năm gần đây và thu được nhiều kết quả tốt

Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại chảy

tự do trên mặt đất (free surface slow) và loại chạy ngầm trong đất (subsurface slow) Loại chảy tự do thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển [6] Loại chảy ngầm phân ra làm hai loại: chảy ngang (Hình 1.4 A) và chảy đứng (Hình 1.4 B)

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm

Ghi chú: A Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang (theo Vymaza 1997); B Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều

đứng (theo Cooper, 1996)

A

B