Kết quả thí nghiệm được xử lý qua phần mềm Excel trên máy tính như tính giá trị trung bình, tỷ lệ %. Các bước tính toán và vẽ đồ thị được thực hiện trên phần mềm Excel.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả thí nghiệm ở độ mặn 10‰
Hình 3. 1. Nồng độ amoni trong nước thải đầu ra ở độ mặn 10 ‰
Hình 3. 3. Nồng độ nitrat trong nước thải đầu ra ở độ mặn 10 ‰.
Hình 3. 4. Nồng độ amoni, nitrit và nitrat trong nước sau xử lý ở các mức tải lượng tại độ mặn 10 ‰.
Kết quả thử nghiệm ở các mức tải lượng amoni đầu vào 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày (nồng độ amoni đầu vào tương ứng là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l) với độ mặn 10‰ được thể hiện ở các Hình 3.1; 3.2; 3.3 và 3.4.
Theo đó, ở các mức tải lượng thí nghiệm 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày thì:
- Hiệu suất nitrat hóa đạt rất cao, khoảng 99,9%, nồng độ amoni trong nước sau xử lý lần lượt là < 0,01; <0,01; 0,01 – 0,02 và 0,01 – 0,02 mgN/l.
- Với nồng độ amoni đầu vào là 5 mgN/L và 10 mgN/l thì nồng độ amoni trong nước sau xử lý là < 0,01 mgN/l; nồng độ nitrit đều dưới giới hạn phát hiện (< 0,005 mgN/l); nồng độ nitrat ở cuối giai đoạn đạt tương ứng khoảng 4,5 - 4,6 mgN/l và 8,3 – 8,8 mgN/l.
- Ở nồng độ amoni đầu vào cao hơn, 17,5 mgN/L và 25 mgN/l thì nồng độ amoni trong nước sau xử lý khoảng 0,01 – 0,02 mgN/l; nồng độ nitrit khoảng 0,01 mgN/l; nồng độ nitrat đạt 14,8 – 16,2 mgN/l ở nồng độ amoni đầu vào 17,5 mgN/l và 20,8 – 21,6 mgN/l.
- Tổng hợp kết quả thí nghiệm ở độ mặn 10‰ được thể hiện trên Hình 3.4. Theo đó, nồng độ nitrat trong nước sau xử lý tăng dần theo nồng độ amoni đưa vào và thời gian xử lý. Nguyên nhân của việc nitrit và nitrat tăng ở đầu mỗi giai đoạn nhưng sau đó nitrit giảm và nitrat tăng có thể do trong quá trình nitrat hóa, 80% năng lượng (giải phóng từ quá trình oxy hóa amoni thành nitrit) được sử dụng để tạo thành CO2, khoảng 2 – 11% được sử dụng cho quá trình tổng hợp sinh khối, điều này giải thích cho lý do vì sao hiệu suất tạo sinh khối của quá trình nitrat hóa nhỏ. Hiệu suất sinh khối tối đa của vi khuẩn nitrat hóa khoảng 0,1
3.2. Kết quả thí nghiệm ở độ mặn 20‰
Hình 3. 5. Nồng độ amoni trong nước thải đầu ra ở độ mặn 20 ‰.
Hình 3. 7. Nồng độ nitrat trong nước thải đầu ra ở độ mặn 20 ‰.
Kết quả thử nghiệm ở các mức tải lượng amoni đầu vào 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày (nồng độ amoni đầu vào tương ứng là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l) với độ mặn 20‰ được thể hiện ở các Hình 3.5; 3.6; 3.7 và 3.8.
Theo đó, ở độ mặn 20‰ và với các mức tải lượng thí nghiệm 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày kết quả đạt được như sau:
- Hiệu suất chuyển hóa amoni cũng đạt rất cao, từ 99,5 đến 99,9%, nồng độ amoni trong nước sau xử lý lần lượt là < 0,01 – 0,02; 0,01 – 0,02; 0,01 – 0,05 và 0,11 – 0,15 mgN/l. Hiệu suất có giảm đôi chút so với ở độ muối 10, giảm tối đa 0,5% ở tải lượng 1,68 kg/m3/ngày (tương ứng với nồng độ amoni trong nước đầu vào là 25 mgN/l).
- Cùng giống như ở độ mặn 10‰, nồng độ nitrit trong nước sau xử lý ở mức tải lượng 0,34 và 0,67 (tương ứng với amoni trong nước đầu vào là 5 và 10 mgN/l) thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý cũng dưới giới hạn phát hiện (<0,005 mgN/l). Ở mức tài lượng đầu vào cao hơn là 1,18 và 1,67 kg/m3/ngày (tương ứng với amoni trong nước đầu vào là 17,5 và 25 mgN/l) thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý tương ứng là 0,010
– 0,080 mgN/l và 0,13 – 0,19 mgN/l. So với ở độ mặn 10‰ thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý tăng lên đáng kể (tối đa 0,020 ở độ mặn 10‰). Tuy nhiên, so với yêu cầu về chất lượng nước cấp cho ao nuôi tôm (<0,3 mg/l - 45/2010/TT-BNNPTNT và QCVN 02 -
19:2014/BNNPTNT) và nồng độ NO2 <0,35 mg/l (45/2010/TT-
BNNPTNT) thì mức nồng độ này vẫn đáp ứng được yêu cầu về chất lượng nước cấp.
- Với nitrat, nồng độ nitrat cũng tăng đều theo nồng độ amoni đưa vào, ở các mức nồng độ amoni đầu vào là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l thì nồng độ nitrat trong nước sau xử lý đạt tương ứng là 3,9, 8,1, 15,3 và 20,4 mgN/l.
Tổng hợp kết quả thí nghiệm ở độ mặn 10‰ được thể hiện trên Hình 3.8. Theo đó, mặc dù hiệu quả xử lý amoni giảm khi tải lượng amoni và độ mặn tăng lên nhưng lượng amoni được xử lý vẫn đạt rất cao. So sánh kết quả với một số nghiên cứu trước đây cho thấy, với nồng độ và tải lượng amoni tương tự, tải lượng amoni được xử lý đạt từ 0,1 đến 0,13 kg /m3/ngày [12] [16].
3.3. Kết quả thí nghiệm ở độ mặn 30‰
Kết quả thử nghiệm ở các mức tải lượng amoni đầu vào 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kg/m3/ngày (nồng độ amoni đầu vào tương ứng là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l) với độ mặn 30‰ được thể hiện ở các Hình 3.9; 3.10; 3.11 và 3.12.
Theo đó, ở độ mặn 30‰ và với các mức tải lượng thí nghiệm 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày kết quả đạt được như sau:
- Hiệu suất chuyển hóa amoni tuy có giảm so với ở độ mặn 20 và 10‰ xong vẫn đạt rất cao, từ 97,5% đến 99,4%, với nồng độ amoni đầu vào tương ứng là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l thì nồng độ amoni trong nước sau xử lý tối đa lần lượt là 0,05; 0,16; 0,48 và 0,76 mgN/l.
Hình 3. 10. Nồng độ nitrit trong nước thải đầu ra ở độ mặn 30 ‰.
- So với ở độ mặn 20‰ hiệu suất có giảm đôi chút so với ở độ muối 30‰, giảm tối đa 2% ở tải lượng 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày (tương ứng với nồng độ amoni trong nước đầu vào là 17,5 và 25 mgN/l). - So với ở độ mặn 10‰ thì hiệu suất giảm ở độ mặn 30‰ giảm tối đa là
2,7 và 3% ở tải lượng 0,049 và 0,07 kgN/m3/ngày (tương ứng với nồng độ amoni trong nước đầu vào là 17,5 và 25 mgN/l)
Hình 3. 12. Nồng độ amoni, nitrit, nitrat - nước thải đầu ra - độ mặn 30 ‰. - Cùng giống như ở độ mặn 10 và 20‰, nồng độ nitrit trong nước sau
xử lý ở mức tải lượng 0,014 và 0,028 (tương ứng với amoni trong nước đầu vào là 5 và 10 mgN/l) thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý cũng dưới giới hạn phát hiện (<0,005 mgN/l). Ở mức tài lượng đầu vào cao hơn là 0,049 và 0,07 kg/m3/ngày (tương ứng với amoni trong nước đầu vào là 17,5 và 25 mgN/l) thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý tối đa
tương ứng là 0,023 mgN/l và 0,036 mgN/l. So với ở độ mặn 10‰ thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý tăng đáng kể (tối đa 0,020 ở độ mặn 10‰ và 0,036 mgN/l ở độ mặn 30‰). Tuy nhiên, nồng độ nitrit là giảm so với ở độ mặn 20‰ (tối đa 0,23 ở độ mặn 20‰ và 0,036 mgN/l ở độ mặn 30‰). So với yêu cầu về chất lượng nước cấp cho ao nuôi tôm (<0,3 mg/l - 45/2010/TT-BNNPTNT và QCVN 02 -
19:2014/BNNPTNT) và nồng độ NO2 <0,35 mg/l (45/2010/TT-
BNNPTNT) thì mức ở mức tải lượng 0,07 kgN/m3/ngày nồng độ nitrit trong khoảng tải lượng và độ mặn thí nghiệm đều đạt yêu cầu về chất lượng nước cấp.
- Với nitrat, nồng độ nitrat cũng tăng đều theo nồng độ amoni đưa vào, ở các mức nồng độ amoni đầu vào là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l thì nồng độ nitrat trong nước sau xử lý đạt cũng đạt mức tương đương như ở độ mặn 10 và 20‰.
3.4. Thảo luận chung
Nitơ là một chất dinh dưỡng thiết yếu cho tất cả các sinh vật, là một phần của các phân tử quan trọng như protein, axit nucleic, adenosine phosphates, pyridine nucleotide và sắc tố [6]. Tuy nhiên, trong nuôi tôm siêu thâm canh, tôm đào thải nitơ thông qua việc đi tiểu và bài tiết, thức ăn thừa và phân hủy tôm đã chết cũng góp phần gây ra chất thải nitơ trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản [6] [7]. Theo FAO (2015) [8], NH3 trong nước gây độc cho cá ở hàm lượng trên 0,02 mg/l (trong nước NH3 tồn tại song song với NH4+, nồng độ của chúng bị ảnh hưởng bởi giá trị pH – Hình 1.2). Do đó nồng độ amoni trong nước cần duy trì ở mức thấp. Ở các mức tải lượng thí nghiệm là 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 kg/m3/ngày thì nồng độ amoni trong nước sau xử lý cao nhất tại mức lượng 1,68 kg/m3/ngày (ứng với nồng độ amoni trong nước đầu vào 25 mg/l), tại các độ mặn thí nghiệm 10, 20 và 30‰ thì nồng độ amoni trong nước sau xử lý tương ứng là 0,02, 0,16 và 0,76 mg/l. Theo FAO (2015) [8] thì tại giá trị pH từ 8,5 hàm lượng khí amoniac (NH3) trong nước chiếm khoảng 10% so
với nồng độ ion amoni (NH4+) và đạt tối đa 0,076 mg(NH3)/l. Do đó, để hạn chế sự hình thành NH3 trong nước thì cần tăng tối đa hiệu suất quá trình nitrat hóa và duy trì pH khoảng 7,5, đây cũng là giá trị pH yêu cầu đối với nước nuôi tôm.
Nitrite (NO2-) được hình thành ở bước trung gian trong quá trình nitrat hóa và gây độc cho cá ở mức trên 2,0 mg/L [8]. Cả amoniac (NH3) và nitrit đều gây độc cho tôm ở nồng độ thấp. Với tôm thẻ chân trắng, LC50 của NH3 là 24,39 mg/l (ở 96 giờ, pH 8,05, độ mặn 15 ppt, nhiệt độ 230C), LC50 của NO2 là 76,5 mg/l (ở 96 giờ, pH 8,02, độ mặn 12 ppt, nhiệt độ 180C) [9]. Yêu cầu đối với nước nuôi tôm là nồng độ NO2 thấp hơn 0,35 mg/l. Do đó, quá trình nitrit và nitrat hóa là rất quan trọng trong việc xử lý nước thải nuôi tôm, để amoni và nitrit không tích tụ trong hệ thống tuần hoàn nước nông nghiệp. Nồng độ nitrit ở tất cả các tải lượng và độ mặn thí nghiệm đều khá nhỏ, giá trị cao nhất đạt được tại độ mặn 20‰ và tải lượng amoni 0,07 kg/m3/ngày là 0,23 mgN/l. Tuy nhiên, tại độ mặn 30‰ thì nồng độ nitrit trong nước sau xử lý có xu hướng ổn định hơn và dao động trong khoảng 0,009 đến 0,03 mg/l.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat gồm: (i) Hàm lượng oxy hòa tan – DO (Dissolved Oxygen), (ii) pH, (iii) chất độc, (iv) kim loại, (v) amonia tự do và axit nitrơ HNO2, (vi) vi khuẩn oxi hóa amoni và độ mặn [38] [39] [40]. Các nghiên cứu cho thấy, khi nồng độ mặn tăng thì hoạt động của vi sinh vật giảm và hiệu suất xử lý giảm. Với nồng độ mặn từ 3 tới 20 g/l, thời gian lưu bùn từ 3 đến 20 ngày thì tải lượng hữu cơ đạt từ 0,5 đến 2 kg COD/kg VSS.ngày [20]. Hiệu suất loại bỏ TOC giảm 35 và 37% ở nồng độ mặn 10 và 20 g/l, hiệu suất xử lý BOD và nitrat hóa đều giảm [21]. Hoạt động của vi sinh giảm mạnh khi tăng độ mặn, sinh khối phục hồi trong khoảng thời gian vài tuần trong các bể phản ứng với có nồng độ mặn 10 và 20 g/L; Ở nồng độ mặn 30 g/l hiệu suất loại bỏ BOD bị giảm khoảng 30%. Ở nồng độ mặn trong khoảng 35 đến 45 g/l bùn không có xu hướng lắng [24], với nồng độ mặn 40 g/L hoạt động của vi sinh vật hoàn toàn không phục hồi [25]. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, ở tất cả các mức tải lượng thì nồng độ nitrit sau xử lý đều khá thấp và có thể đáp ứng được tiêu chuẩn nước nuôi tôm. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, có
thể sử dụng quá trình nitrat hóa với các mức tải lượng nêu trên để xử lý nước thải từ hoạt động nuôi tôm siêu thâm canh nhằm mục đích tái sử dụng. Tuy nhiên, cần không chế giá trị pH ở mức thích hợp cũng như cân bằng các khoáng chất thiết yếu khác cho tôm phát triển bình thường.
Đối chiếu kết quả nghiên cứu thu được với các tiêu chuẩn về nước cấp cho nuôi tôm thâm canh về giá trị các thông số pH, nồng độ NH3 (<0,3 mg/l - 45/2010/TT-BNNPTNT và QCVN 02 - 19:2014/BNNPTNT) và nồng độ NO2 <0,35 mg/l (45/2010/TT-BNNPTNT) ta thấy nước sau xử lý hoàn toàn có thể được tái sử dụng làm nước cấp cho nuôi tôm. Tuy nhiên, các thông số khác liên quan (độ kiềm, vi sinh, . . .) cần được đánh giá cụ thể hơn, vì quá trình nitrat hóa amoni tiêu thụ độ kiềm, tỷ lệ khối lượng độ kiềm:amoni theo lý thuyết cần là 7,6:1 [12]. Tuy nhiên, về khía cạnh vi sinh thì nước sau xử lý bằng quá trình vi sinh bám dính dễ khử trùng hơn, với nước thải chưa xử lý thì lượng clo tiêu tốn để khử trùng để đạt đến tổng vi khuẩn bằng 0 ở thời gian tiếp xúc 90 phút là 20 mg/l, trong khi đó với nước thải đã xử lý thì lượng clo tiêu tốn là 15 mg/l (giảm 20%) và thời gian tiếp xúc là 60 phút (giảm 33,3%) [5]. Mặt khác, theo
G. Tchobanoglous, et al, (2014) [12] thì khi khử trùng bằng các hợp chất chứa clo, một lượng lớn clo hoạt tính sẽ phản ứng với amoni tạo thành các hợp chất cloramin, để phản ứng hết với 1 mg amoni cần 7,6 mg Clo hoạt tính.
3.5. Kết quả thí nghiệm xử lý tuần hoàn nước nuôi tôm
Thí nghiệm được thực hiện với tôm thẻ chân trắng, tôm đưa về có đội tuổi 14 ngày, với mật độ 200 con/m3, thời gian thí nghiệm 46 ngày liên tục, độ mặn của nước 11‰. Kết quả thử nghiệm xử lý được thể hiện trong hình 3.13; 3.14; và 3.15.
Kết quả thí nghiệm cho thấy:
- nồng độ amoni và nitrat trong nước thải sau xử lý có sự tăng dần theo thời gian nuôi tôm. Nồng độ amoni trong nước sau xử lý cao nhất đạt 1,12 mg/L ở ngày thứ 46 và thấp nhất đạt 0,08 mg/L tại ngày thứ 4 (thấp hơn 14 lần so với ngày 46). Nồng độ nitrat có sự thay đổi từ 5,1 – 23 mg/L trong 46 ngày xử lý.
- Nồng độ nitrit trong nước sau xử lý đều khá thấp, dao động trong khoảng 0,06 - 0,1 mgN/l và không có sự biến đổi nhiều theo thời gian. Hình 3. 13. Diễn biến nồng độ amoni trong bể nuôi tôm siêu thâm canh
Hình 3. 15. Diễn biến nồng độ amoni, nitrat và nitrat trong bể nuôi tôm siêu thâm canh
Kết quả nghiên cứu đạt cho thấy, quá trình vi sinh hiếu khí trên vật liệu mang cố định hoàn toàn có thể được nghiên cứu phát triển để ứng dụng vào trong thực tế để xử lý nước thải nuôi tôm siêu thâm canh nhằm mục đích xả thải hoặc tái sử dụng.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Dựa vào kết quả thí nghiệm ta nhận thấy, sử dụng vi sinh vật bám dính hay màng sinh học cố định (FBBR) là một một phương pháp hiệu quả để xử lý amoni trong nước thải có độ mặn cao.
Với nồng độ amoni đầu vào là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l, thời gian lưu nước 4,72 giờ thì hiệu suất nitrat hóa trung bình đạt được ở độ mặn 10 ‰ là 99,9 – 100%, ở độ mặn 20‰ là 99,5 – 99,8% và ở độ mặn 30‰ hiệu suất đạt