Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 Đánh giá hiệu q trình nitrat hóa hệ lọc sinh học hiếu khí xử lý nước ni thủy sản có độ mặn cao Nguyễn Thị Diệu Cẩm* Khoa Hóa, Trường Đại học Quy Nhơn, 170 An Dương Vương, Quy Nhơn, Bình Định, Việt Nam Nhận ngày 10 tháng 10 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 17 tháng 01 năm 2017; Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 03 năm 2017 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, q trình nitrat hóa hệ lọc sinh học hiếu khí nước ni tôm thương phẩm nghiên cứu Kết phân tích số mẫu nước ni thủy sản cho thấy giá trị CODMn khoảng 10 - 15 mg/L, NH4+ khoảng 0,5 - mg/L độ mặn khoảng 14 25 o/oo Trong q trình xử lý nước ni tơm thương phẩm rằng, thời gian khởi động hệ lọc dài hiệu q trình nitrat hóa cao ổn định, vi sinh vật cần có thời gian thích nghi với độ mặn cao loại nước thải Đặc biệt, có tích lũy NO2- trình xử lý, chứng tỏ chủng vi sinh nitronomas nhạy cảm với mơi trường nước có độ mặn cao Hiệu xử lý NH4+ đạt 80% sau xử lý chất lượng nước sau xử lý đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước biển vùng biển ven bờ hàm lượng N-NH4+ theo QCVN 10-MT:2015/BTNMT Từ khoá: Thủy sản, xử lý, lọc sinh học, độ mặn, amoni Đặt vấn đề môi trường, gián tiếp gây thiệt hại cho vụ tôm [2] Các chất gây ô nhiễm gồm: amoni, phốt pho, chất kháng sinh Chất gây nhiễm amoni (trong môi trường nước mặn photpho kết tủa dạng muối photphat) [2, 3] Vì để tránh tác động bất lợi đến môi trường, nước thải từ hoạt động nuôi trồng thủy sản cần xử lý trước thải mơi trường tuần hồn lại nước ni, nhằm hạn chế ô nhiễm vùng xung quanh vụ nuôi Amoni số hợp chất hữu có mặt nước ni trồng thủy sản dễ bị chuyển hoá vi sinh vật nên phù hợp với phương pháp xử lý sinh học [3-8] Trong phương pháp xử lý sinh học phương pháp lọc sinh học đáp ứng hầu hết yêu cầu làm nước thải nuôi trồng thủy sản (nước sau xử lý tuần hồn lại để nuôi trồng thủy sản) Việc sử dụng phương pháp lọc sinh học hiếu khí có nhiều ưu xét phương diện Nguồn lợi thủy sản tự nhiên ngày khó đáp ứng đầy đủ nhu cầu người Để thỏa mãn, ngành nuôi trồng thủy sản phát triển nhanh thời gian gần nước Việt Nam trở thành ngành cơng nghiệp [1] Phần lớn lồi thủy sản có giá trị kinh tế ương, nuôi ao hồ, bể lồng, tùy theo giống, mật độ nuôi, tỷ lệ lưu chuyển nước, lượng mưa, bốc cường độ nuôi thủy sản đòi hỏi mức độ cung cấp lượng nước khác Để ổn định tăng suất tôm, người ni tơm sử dụng nhiều thức ăn tổng hợp, hố chất chế phẩm sinh học Hoá chất sử dụng thường xuyên gây nhiều ảnh hưởng đến _ ĐT.: 84-983222831 Email: nguyenthidieucam@qnu.edu.vn 88 N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 kinh tế lẫn mơi trường, quy mơ đầm ao nuôi trồng thủy sản không lớn, lọc sinh học khơng cần nhiều diện tích xây dựng hệ thống xử lý nước thải hồ sinh học, chất thải ni thủy sản có nồng độ nhiễm khơng cao 89 sản thực trước tiến hành nghiên cứu với mẫu nước thải nuôi trồng thủy sản thực tế Thực nghiệm xử lý: Thực nghiệm 2.1 Vật liệu Nước thải nuôi trồng thủy sản lấy trực tiếp Trại ni cá giị giống ao ni tơm thương phẩm Hải Phòng Hệ lọc sinh học chế tạo từ nhựa PVC Vật liệu polistiren dạng hạt hình cầu có đường kính 0,8 mm, mặt nước sử dụng làm giá thể cho vi sinh vật dính bám (được giữ chìm nước hai lưới chắn hai đầu cột lọc sinh học) 2.2 Thực nghiệm xử lý nước thải Chế tạo cột lọc sinh học hiếu khí: làm ống nhựa Tiền Phong, có đường kính 16 cm, chiều cao 1,2 m Chiều cao cột nước 1m, chiều cao lớp vật liệu lọc 0,65 m Thể tích thực cột 24 dm3, thể tích giá thể 13 dm3 Quá trình tạo màng vật liệu xốp: vật liệu xốp nhồi vào cột chiều cao 0,65 m Nước có độ muối 25 o/oo lấy định lượng khoảng 30 lít cho vào bể chứa Bổ sung nguồn vi sinh ni cấy điều kiện thích nghi với độ muối 25 o/oo (2 lít nước chứa vi sinh có MLSS 2118 mg/L cho 30 lít nước thải) dưỡng chất cần thiết, khuấy thông qua việc sục khí liên tục (đảm bảo lượng oxy hịa tan nước lớn mg/L) Bơm tuần hồn nước thải qua hệ lọc có sục khí liên tục để cấy vi sinh lên bề mặt giá thể Theo dõi điều chỉnh thơng số hố lý nước vào hệ lọc để quản lý vận hành hệ lọc Sau khoảng 90 ngày theo dõi cách sơ (thay lượng nước nuôi cấy vi sinh nước thải, theo dõi phân tích thông số COD, amoni nitrit) cho thấy, vi sinh bám lên giá thể, hệ lọc khởi động với nước thải tự pha có thơng số gần với nước ni trồng thủy Hình Hệ lọc sinh học ngập nước Chú thích: Máy bơm; Bể chứa nước thải; Dàn phân phối; Van lấy mẫu; Máy sục khí; Van xả bùn; Bể chứa nước sau xử lý; Van xả cặn bùn; Răc co; 10 Máng lắng cặn; khí; 11 Ống chia dịng máy bơm; 12 Vật liệu mang xốp; 13 Vòi hoa sen; 14 Khớp nối; 15 Ống nối Nước thải lắng gạn sơ bộ, điều chỉnh pH, độ muối, độ kiềm trước cho vào bể chứa (2) Sau nước thải bơm vào cột lọc theo chiều từ lên với lưu lượng dòng khống chế nhờ ống chia dòng máy bơm (1) với lưu lượng 20 L/h, nước thải qua lớp vật liệu xốp Mẫu nước thải lấy nhờ van (4) (sau khoảng thời gian lưu định tính từ lúc bơm nước thải vào cột), mẫu nước phân tích thơng số cần thiết, chưa đạt tiêu chuẩn cho phép tiếp tục cho tuần hoàn trở lại bể chứa (2) Sản phẩm bùn cặn tháo nhờ ống xả bùn (6) 2.3 Phương pháp phân tích Xác định thơng số đặc trưng cho q trình xử lý theo phương pháp chuẩn phân tích mơi trường: TCVN 4565 - môi trường kiềm), TCVN 6178:1996 (xác định nitrit), TCVN 6180:1996 (xác định nitrat), TCVN 6179-1:1996 (xác định amoni) 90 N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 Kết thảo luận kiện cho vi sinh dính bám đặc trưng phương pháp hiển vi điện tử quét Kết trình bày hình 3.1 Kết tạo màng vi sinh chất mang xốp Giá thể xốp hạt trước sau tạo điều (a) (b) Hình Ảnh hiển vi điện tử quét giá thể trước (a) sau vi sinh dính bám (b) Từ ảnh SEM hình cho thấy, bề mặt giá thể sau tiếp xúc với nước chứa vi sinh trở nên gồ ghề vi sinh dính bám vào bề mặt Điều cho thấy tiềm ứng dụng xốp hạt làm giá thể mang vi sinh xử lý nước thải 3.2 Xử lý nước nuôi thủy sản mẫu nước tự pha Hiệu trình xử lý thực với mẫu nước tự pha có thành phần tương tự nước ni thủy sản (Mẫu M1, M2, M3 M4, thứ tự xử lý qua hệ lọc từ mẫu M1 đến M4 nhằm đánh giá tính ổn định hệ xử lý) Kết xử lý trình bày bảng 1, 2, Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước nuôi thủy sản theo thời gian xử lý mẫu M1 Thời gian (giờ) 10 22 pH Độ muối (o/oo) Độ kiềm (mg/L) 7,85 7,89 7,90 7,95 7,99 8,08 8,12 25 25 25 25 25 25 25 250 249 N-NH4+ (mg/L) 1,07 0,96 0,43 0,30 0,26 0,19 - N-NO2-(mg/L) 0,07 0,43 0,92 1,04 1,03 0,92 0,62 COD (mg/L) 17,92 16,92 4,0 2,24 - Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước nuôi thủy sản theo thời gian xử lý mẫu M2 Thời gian (giờ) 10 22 pH Độ muối (o/oo) Độ kiềm (mg/L) 7,87 7,94 7,98 7,93 8,12 8,17 25 25 25 25 25 25 250 250 N-NH4+ (mg/L) 2,01 2,24 1,74 0,51 0,33 - N-NO2-(mg/L) 0,05 0,19 0,70 0,87 0,97 0,12 COD (mg/L) 11,84 3,2 2,08 1,52 - N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 91 Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước nuôi thủy sản theo thời gian xử lý mẫu M3 Thời gian (giờ) 9,5 22 pH Độ muối (o/oo) Độ kiềm (mg/L) 8,02 8,1 8,07 8,21 8,2 8,25 25 25 25 25 25 25 140 138 N-NH4+ (mg/L) 2,07 1,52 0,82 0,35 0,33 - N-NO2-(mg/L) 0,34 0,37 0,76 0,67 0,14 COD (mg/L) 15,52 2,12 0,81 - Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước nuôi thủy sản theo thời gian xử lý mẫu M4 Độ kiềm N-NH4+ N-NO2- COD Thời gian (giờ) pH Độ muối (o/oo) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) 7,98 25 150 1,19 0,04 14,64 8,11 25 0,83 0,40 2,61 8,14 25 0,42 0,60 0,52 8,23 25 0,11 0,54 8,25 25 0,06 0,46 8,18 25 0,33 11 8,26 25 0,24 22 8,32 25 150 0,09 - Kết bảng 1, 2, rằng, giá trị COD giảm nhanh đầu xử lý Sở dĩ chất hữu sử dụng nước tự pha đường glucozơ nên chúng dễ dàng bị phân hủy vi sinh vật Hàm lượng amoni giảm dần theo thời gian xử lý mẫu xử lý sau có độ chuyển hóa amoni cao mẫu trước, điều chứng tỏ sau hệ lọc sinh học đạt dần đến trạng thái ổn định (hiệu suất xử lý amoni sau 10 mẫu M1, M2, M3 82,6%; 83,78; 84,29% mẫu M4 sau xử lý hiệu suất đạt 94,77%) Dữ liệu thực nghiệm thu rằng, có tích lũy nitrit bốn mẫu xử lý, điều phù hợp với nhận định nhiều tác giả, môi trường xử lý có độ mặn cao, khả tích lũy nitrit lớn [9] Sự tích lũy nitrit giảm dần từ mẫu M1 đến M4 sau chủng vi sinh nitrobacter thích nghi với mơi trường xử lý Những kết chủng vi sinh nitrobacter thích nghi với mơi trường nước mặn chậm so với chủng vi sinh nitrosomonas, khoảng thời gian để vi sinh nitrat hóa thích nghi với mơi trường nước mặn phụ thuộc vào chủng vi sinh nitrobacter Với kết thu được, để tạo điều kiện cho vi sinh nitrobacter thích nghi với độ mặn, nhằm giảm tích lũy nitrit ảnh hưởng độ muối đến chủng vi sinh nitrobacter, hệ lọc tiếp tục vận hành theo dõi thường xuyên thông số q trình nitrat hóa Sau khoảng thời gian theo dõi kết trình bày bảng Bảng Sự biến đổi thông số đặc trưng nước nuôi thủy sản theo thời gian xử lý mẫu M5 Thời gian (giờ) 11 pH Độ muối (o/oo) Độ kiềm (mg/L) 7,88 7,94 7,97 7,98 8,02 8,12 8,12 25 25 25 25 25 25 25 150 150 N-NH4+ (mg/L) 1,19 0,68 0,25 0,04 - N-NO2-(mg/L) 0,02 0,32 0,44 0,20 0,21 0,16 0,10 COD (mg/L) 16,72 13,61 0,51 - 92 N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 Để thấy rõ thay đổi nồng độ hợp chất nittơ COD theo thời gian xử lý, kết bảng biểu diễn hình Kết bảng hình cho thấy, hiệu chuyển hóa hợp chất nitơ COD tăng lên so với mẫu M4, chứng tỏ sau hệ đạt dần đến trạng thái ổn định Số liệu khảo sát cho thấy hệ lọc vận hành trạng thái tương đối ổn định, để khảo sát hiệu xử lý nước nuôi thủy sản thực tế, hệ lọc sinh học hiếu khí vận hành theo kiểu khơng tuần hồn 3.3 Xử lý nước ni thủy sản thực tế Hình Sự thay đổi nồng độ hợp chất nitơ COD theo thời gian xử lý mẫu M5 Kết phân tích số thông số đặc trưng mẫu nước nuôi tôm thương phẩm cá Giò giống trước xử lý trình bày bảng Bảng Thông số đặc trưng số mẫu nước nuôi thủy sản trước xử lý (phân tích sau lấy mẫu) Mẫu pH Ao Ao Ao Ao cá Giò 7,95 8,07 8,06 7,82 Độ muối (o/oo) 19,2 20,3 24,1 14,6 Độ cứng (mg/L) 3525 3700 3500 2400 Cl(mg/L) 10286 10458 12911 7267 N-NH4+ (mg/L) 1,21 0,48 0,33 0,51 Tổng nitơ Kjeldahl (mg/L) 2,86 1,75 1,97 1,75 COD (mg/L) 15,21 14,63 12,42 10,52 Bảng Hàm lượng amoni số mẫu nước nuôi thủy sản trước xử lý (phân tích sau ngày lấy mẫu) Mẫu Ao Ao Ao Ao cá Giò Độ muối (o/oo) 19,2 20,3 24,1 14,6 Cl- (mg/L) 10286 10458 12911 7267 Độ cứng (mg/L) 3525 3700 3500 2400 Dữ liệu phân tích hàm lượng amoni nhận từ bảng 6, cho thấy, hàm lượng amoni phân tích sau ngày cao so với phân tích lấy mẫu cặn có mẫu nước tiếp tục bị thủy phân Vì nên có cơng đoạn tách cặn trước tiến hành xử lý Cặn N-NH4+ (mg/L) 1,36 0,95 0,47 0,67 bao gồm thức ăn thừa phân vật nuôi, cặn không tách tăng tải cho hệ lọc sinh học làm chậm trình tách amoni Kết xử lý mẫu nước thải nuôi tôm công nghiệp (ao 1) trình bày bảng Bảng Kết xử lý mẫu nước thải nuôi tôm công nghiệp (ao 1) Thời gian (giờ) 2,4 2,6 3,4 Độ muối (o/oo) 25 25 25 25 25 25 pH 7,95 8,14 8,13 8,12 8,24 8,28 Độ kiềm (mg/L) 185 186 186 185 184 189 N-NH4+ (mg/L) 1,21 0,98 0,82 0,65 0,46 0,35 N-NO2(mg/L) 0,02 0,53 0,56 0,42 0,24 0,09 N-NO3(mg/L) 0,03 0,10 0,20 0,27 0,56 0,70 COD (mg/L) 15,2 11,52 10,04 9,72 7,4 6,44 Tổng nitơ Tổng nitơ Kjeldahl (mg/L) (mg/L) 1,75 3,42 - 3,13 N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 Để thấy rõ thay đổi nồng độ hợp chất nittơ COD theo thời gian xử lý, kết bảng biểu diễn hình 93 mẫu nước thải tự pha Lượng chất hữu nước thải ni thủy sản khơng lớn khó bị phân hủy vi sinh độc vi sinh, thiết kế hệ lọc sinh học áp dụng thực tế cần có thêm lớp vật liệu phía đầu hệ lọc có khả hấp phụ chất hữu khó bị phân hủy vi sinh gây độc vi sinh để làm tăng hiệu xử lý Kết xử lý chất hữu thông qua thay đổi nồng độ COD mẫu nước ao 1, ao 2, ao ao cá Giị trình bày hình Hình Sự thay đổi hàm lượng hợp chất nitơ COD theo thời gian xử lý mẫu nước nuôi tôm công nghiệp (ao 1) Kết xử lý bảng hình rằng, mẫu nước thải nuôi tôm công nghiệp, hiệu suất chuyển hóa amoni (70,97%) thấp mẫu nước tự pha có hàm lượng tương tự sau xử lý (mẫu M5 96,73%) Điều giải thích mẫu nước ni tơm cơng nghiệp có sử dụng thức ăn tổng hợp dạng hợp chất hữu (protein) nên trình xử lý chúng tiếp tục bị phân hủy tạo thành amoni, nghĩa nồng độ amoni xác định thấp nồng độ amoni thực nước thải Nitrit bị tích lũy cao so với mẫu nước tự pha nguyên nhân độ mặn hai trường hợp Kết nghiên cứu cho thấy có tích lũy nitrit trình xử lý, điều cho phép định hướng khử tắt nitơ từ nitrit hệ xử lý nước nuôi trồng thủy sản, nhằm hạn chế lượng, giảm giá thành vận hành Mặt khác, thấy chất chất hữu có ảnh hưởng đến hoạt tính vi sinh Mẫu nước ni tơm thương phẩm thực tế có chứa nhiều loại hợp chất hữu khác như: chất kháng sinh, chất kích thích tăng trưởng, chất diệt tạp…, chất hữu khó bị phân hủy vi sinh vật, đồng thời gây độc cho vi sinh Do hiệu chuyển hóa amoni chất hữu hai trường hợp mẫu nước thải nuôi tôm cơng nghiệp thấp Hình Hiệu suất xử lý chất hữu theo thời gian thông qua tiêu COD mẫu nước ao 1, ao cá Giị, ao ao Kết hình cho thấy, nồng độ COD mẫu nước thải nuôi trồng thủy sản giảm chậm theo thời gian hiệu xử lý COD mẫu giảm khơng giống Ao cá Giị giống cho hiệu xử lý cao nhất, điều giải thích ao cá Giị giống sử dụng kháng sinh ao nuôi tôm bán công nghiệp nên thành phần COD khó bị phân hủy ao lại, hiệu xử lý cao Kết luận Đã xử lý nước thải nuôi tôm bán công nghiệp hệ lọc sinh học ngập nước vận hành theo kiểu dòng liên tục Kết thực nghiệm cho thấy, chủng vi sinh nitrobacter thích nghi với môi trường nước mặn chậm so với chủng vi sinh nitrosomonas, khoảng thời gian để vi sinh nitrat hóa thích nghi với mơi trường nước mặn phụ thuộc vào chủng vi sinh nitrobacter Nước thải nuôi tơm thương phẩm 94 N.T.D Cẩm / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 33, Số (2017) 88-94 sau xử lý đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước biển vùng biển ven bờ hàm lượng N-NH4+ theo QCVN 10-MT:2015/BTNMT Tài liệu tham khảo [1] FAO, The State of World Fisheries and Aquaculture; Food and Agriculture Organization of the United Nations: Rome, Italy, 2012 [2] Lê Văn Cát, Đỗ Thị Nhung, Ngô Ngọc Cát, Nước nuôi thủy sản, chất lượng giải pháp cải thiện chất lượng, NXB Khoa học & Kĩ thuật, 2006 [3] Nguyễn Văn Hà, Nghiên cứu xây dựng qui trình chế tạo thiết bị xử lý nước thải để tái sử dụng trại xử lý tôm giống, Viện Công nghệ môi trường- Viện Khoa học kĩ thuật Việt Nam, 2006 [4] M Shpigel, D Ben-Erza, L Shauli,M Sagi, M, Y Ventura, T Samocha, J J Lee, Constructed wetland with Salicornia as a biofilter for mariculture effluents, Aquaculture 412–413 (2013) 52 [5] A Buhmann, J Papenbrock, An economic point of view, secondary compounds in halophytes, Funct Plant Biol 40 (2013) 952 [6] J.M Webb, R Quinta, S Papadimitriou, L Norman, M Rigby, D N Thomas, L Le Vay, Halophyte filter beds for treatment of saline wastewater from aquaculture, Water Res 46 (2012) 5102 [7] Y Ventura, W Wuddineh, M Myrzabayeva, Z Alikulov, I Khozin, M Shpigel, T Samocha, M Sagi, Effect of seawater concentration on the productivity and nutritional value of annual Salicornia and perennial Sarcocornia halophytes as leafy vegetable crops, Sci Hortic 128 (2011) 189 [8] B S Yousif, N T Nguyen, Y, Fukuda, H Hakata, Y Okamoto, Y Masaoka, H Saneoka, Effect of salinity on growth, mineral composition, photosynthesis and water relations of two vegetable crops; New Zealand spinach (Tetragonia tetragonioides) and water spinach (Ipomoea aquatica), Int J Agr Biol 12 (2010) 211 [9] S Chen, Jian Ling, J P Blancheton, Nitrification kinetic of biofilm as affected by water quality factors, Aquacultural Engineering 34 (2006) 179 Evaluation of the Nitrification Performance of Aerobic Biofilter System for Treatment of the Marine Aquaculture Nguyen Thi Dieu Cam Chemical Department, Quy Nhon University, 170 An Duong Vuong, Quy Nhon, Binh Dinh, Vietnam Abstract: In the present study the nitrification efficiency of the biofilter was tested in a laboratory level for the water aquaculture The original data obtained from the measurement of aquaculture wastewater characterization parameters showed that CODMn was range from 10 – 15 mg/L; 0,5 - mg/L NH4+ and 14 - 25 o/oo saltnity During operation at 25 g/liter NaCl, a significant amount of nitrite accumulated, which indicated that nitrite-oxidizing bacteria were more sensitive than ammoniumoxidizing bacteria to the highest salinity level tested The obtained results showed that performance of NH4+ removal up to 80 % from the aquaculture wastewater after four hours treatment and reached QCVN 10-MT:2015/BTNMT Keywords: Aquaculture, treatment, salinity, biofilter, ammonium ... mẫu nước tự pha Hiệu trình xử lý thực với mẫu nước tự pha có thành phần tương tự nước ni thủy sản (Mẫu M1, M2, M3 M4, thứ tự xử lý qua hệ lọc từ mẫu M1 đến M4 nhằm đánh giá tính ổn định hệ xử lý) ... thống xử lý nước thải hồ sinh học, chất thải ni thủy sản có nồng độ nhiễm khơng cao 89 sản thực trước tiến hành nghiên cứu với mẫu nước thải nuôi trồng thủy sản thực tế Thực nghiệm xử lý: Thực... lý nước nuôi thủy sản thực tế, hệ lọc sinh học hiếu khí vận hành theo kiểu khơng tuần hồn 3.3 Xử lý nước ni thủy sản thực tế Hình Sự thay đổi nồng độ hợp chất nitơ COD theo thời gian xử lý mẫu