Các phương pháp xử lý chất thải cho nuôi trồng thủy sản phần lớn được điều chỉnh từ xử lý nước thải đô thị. Nhiều nghiên cứu về hệ thống xử lý tuần hoàn nước cho nuôi tôm thương phẩm đã được đề xuất; Trên thế giới, công nghệ xử lý sử dụng quá trình vi sinh bám dính trên vật liệu mang cố định đã được nghiên cứu và phát triển từ rất lâu, đến nay công nghệ đã được ứng dụng cho rất nhiều loại nước thải khác nhau. Vì vậy, ở đây tôi chỉ giới thiệu một số nghiên cứu tiêu biểu có thể tham khảo để thực hiện đề tài.
C.R. Arnold (1992) [16] đã sử dụng bể lọc sinh học (tổng diện tích bề mặt lọc là 720 m2; diện tích bề mặt của vật liệu lọc 1.281,5 m2/m3) để xử lý tuần
hoàn nước cho 2 mương nuôi tôm hậu ấu trùng với mật độ là 2.132 và 970 con/m3 (nuôi trong nhà kính), thể tích mương tương ứng là 28 m3 và 38 m3. Sau 95 ngày thí nghiệm với lượng nước trao đổi trong 1 tuần bằng 4 lần thể tích mương, độ mặn của nước tăng từ 20 ‰ lên 35‰, DO trong khoảng 4,2 đến 8 mgN/L, pH trong khoảng 7,2 đến 8, NH3 và NO2- luôn nhỏ hơn 0,2 mgN/L.
Năm 2006, Ramin Nabizadeh và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu sử dụng màng sinh học cố định có sục khí (ASFFR) trong điều kiện amoni, hữu cơ thay đổi đồng thời và ảnh hưởng của nó đối với quá trình nitrat hóa. Tải lượng hữu cơ COD thay đổi trong khoảng từ 1,93 đến 5,29 g/m2. ngày và NH4 – N trong khoảng 116 đến 318 mg/ m2. ngày. Kết quả của nghiên cứu cho thấy tính linh hoạt của ASFFRs dưới các tải trọng hữu cơ thay đổi. Hơn nữa, để đạt được quá trình nitrat hóa hoàn toàn và ứng dụng tối ưu của hệ xử lý, các yêu cầu về chất hữu cơ và amoni phải được đáp ứng đầy đủ để bảo vệ đời sống thủy sinh khỏi các nguy cơ ô nhiễm tiềm ẩn [23].
Jiang Min và cs (2010) [17] đã nghiên cứu các hệ thống nuôi tôm thẻ chân trắng kiểu truyền thống (traditional ponds), nuôi sinh thái (eco-culture ponds) và nuôi thâm canh có sử dụng hệ thống xử lý nước tuần hoàn cho ao nuôi 700 m2 (Bảng 7), trình tự xử lý gồm các bước: (i) lắng cặn → (ii) lọc thô → (iii) sục hỗn hợp oxy và ozon → (iv) tách bọt. Kết quả cho thấy trong ao nuôi thâm canh nồng độ T-N, NO2-, NO3-, PO43-, T-P và CODMn đều thấp hơn so với ao nuôi kiểu truyền thống (traditional ponds, 85 com/m2) và nuôi sinh thái (eco- culture ponds, 112 com/m2) và DO cao hơn. Kết quả phân tích thành phần dinh dưỡng trong nước thải ở hệ thống tuần hoàn nước trong nhà cho thấy: ở giai đoạn đầu thì 94,95% tổng nitơ và 97,06% phốt pho từ thức ăn, 4,75% nitơ và 2,93% phốt pho có nguồn gốc từ nước (Vì tôm non rất nhỏ, chúng chỉ chiếm 0,30% và 0,01% đầu vào). Sau 100 ngày nuôi, 34,24% đầu vào được lưu giữ
trong mô tôm, 53,84% ở trong nước và 0,825% ở trong các sinh vật. Tôm chỉ giữ lại 16,84% phốt pho trong khi tỷ lệ không đếm được khá cao ở mức 34,53%.
FAO (2015) [8] đã đưa ra hướng dẫn về hệ thống tuần hoàn nước cho nuôi cá (có thể áp dụng cho nuôi tôm, sò, ...). Theo đó, hệ thống xử lý tuần hoàn gồm các công đoạn: (i) Lọc cặn → Lọc sinh học (ngập nước) → (iii) Lọc sinh học nhỏ giọt để loại khí → (iv) Làm giàu oxy → (v) Khử trùng (UV).
Gede Suantika (2018) [18] đã sử dụng hệ thống tuần hoàn nước nuôi tôm theo trình tự: (i) bể lắng → (ii) skimmer protein → (iii) bể than hoạt tính 50L
→ (iv) bộ lọc sinh học để tuần hoàn nước cho 12 bể nuôi tôm thể tích mỗi bể
100 L, mật độ tôm 500, 750 và 1000 con/m3, thời gian nuôi tôm 84 ngày. Chất lượng nước trong các bồn nuôi trong 84 ngày được tổng hợp trong Bảng 1.3.
Bảng 1. 3. Thông số hóa lý của nước trong 84 ngày [18]
Thông số Mật độ thả 500 PL/m3 750 PL/m3 1000 PL/m3 DO (mgN/L) 5,95-8,24 5,75-8,14 5,67-8,32 Temperature (OC) 28,35- 30,40 28,20- 30,38 28,40- 30,45 pH 6,80-8,00 6,78-7,90 6,70-7,90 NH4+ (mgN/L) 0-0,52 0-0,71 0-0,67 NO2- (mgN/L) 0-0,53 0-0,66 0-0,64 NO3- (mgN/L) 0-62,86 0-66,12 0-58,20
Hầu hết các kỹ thuật xử lý nước thải được chứng minh cho đến nay đã bị giới hạn trong các hệ thống tương đối nhỏ và chưa được chứng minh là có thể chuyển sang các hệ thống quy mô lớn [19]. Việc xử lý nước thải này rất phức tạp bởi tính chất nước mặn của nước thải và việc tái sử dụng nước này sẽ gây ra vấn đề do nồng độ amoniac và nitrit độc hại [9].
Về ảnh hưởng của muối (độ mặn): 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]. Với nước thải sinh hoạt pha nước biển được xử lý bằng quá trình đĩa quay sinh học thì hiệu suất xử lý đạt 61% và 64% với tải lượng hữu cơ 0,04 và 0,08 m³/m²/ngày [22] [23]. 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 30 g/l hiệu suất loại bỏ BOD bị giảm khoảng 30%, tuy nhiên bùn phát triển ở nồng độ mặn trong khoảng 35 đến 45 g/l không có xu hướng lắng, bùn phát triển ở nồng độ mặn cao có cacbon hydrat và protein thấp nhưng lipid cao [24]. Trong một bể phản ứng có 30 g/L hoạt động của vi sinh vật được ghi nhận gia tăng nhẹ sau khi thêm muối 5 tuần; với nồng độ mặn 40 g/L hoạt động của vi sinh vật hoàn toàn không phục hồi [25].
Năm 2019, Betina Lukwambe và các cộng sự thực hiện nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng bộ lọc sinh học đến cộng đồng thực vật phù du trong nước thải nuôi trong thuỷ sản trong quá trình xử lý hệ thống sinh học đã mang lại nhiều kết quả khả quan. Sự đa dạng của thực vật phù du có ảnh hưởng lớn đến các yếu tố sinh hóa trong quá trình xử lý và chuyển hóa nước thải giàu nitơ thành sinh khối có giá trị cao. Trong các khu vực lọc sinh học, các nhóm vi khuẩn dạng tảo có hại bị hạn chế (Nitriliruptoraceae, Bacillales và Rhodobacteraceae)
và khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng cao hơn đáng kể so với khu vực không có lọc sinh học. Các bộ lọc sinh học đã thúc đẩy đáng kể tác dụng phục hồi cân bằng N và P bằng cách giảm 82,34% tổng nitơ (TN) và 81,64% tổng lượng phốt pho (TP) tải ở bề mặt nước thải. Bên cạnh các yếu tố sinh học, sử dụng bộ lọc sinh học còn có thể kiểm soát được các yếu tố về phi sinh học (NO3-, DO, TN, OC) và các yếu tố sinh vật (diệp lục và tảo lục). [34]
Cũng trong năm 2019, Zhifeng Hu và các cộng sự thực hiện nghiên cứu “xử lý nitơ trong nước thải sinh hoạt dựa trên các bộ lọc sinh học hiếu khí/thiếu khí (EABF) và các đặc điểm của cộng đồng vi sinh vật chức năng”. Hiệu suất loại bỏ NH4+-N, TN và COD lần lượt là 97,6%, 86,9% và 85,3% với DO là 3,5 mgN/L, HRT trong 12 giờ và tỷ lệ hồi lưu là 5,5:1. Sự khác biệt đã được quan sát thấy trong các cộng đồng vi sinh vật: Thiobacillus, Denitratisoma và Saprospiraceae là vượt trội. Nitrosomonadaceae, Nitrospira, Ferritrophicum và Acidovorax chiếm ưu thế trong các quần xã chu trình nitơ và sắt [35].
Năm 2020, Md Javed Foysal và các cộng sự thực hiện nghiên cứu ứng dụng hệ lọc sinh học trong xử lý nước thải thuỷ sản với mục đích điều chỉnh chất lượng nước, tình trạng sức khỏe, các chỉ số miễn dịch và hệ vi sinh vật đường ruột của tôm nước ngọt (marron). Đề tài đã thu được các kết quả khả quan việc bổ sung vật liệu Bio-Ball và Water-wash so với chỉ sử dụng sỏi vào hệ thống nuôi cấy, giảm đáng kể vi khuẩn Vibrio gây bệnh cho tôm. Diện tích bề mặt của các bộ lọc sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường môi trường vi sinh vật trong nước bằng cách sản xuất màng sinh học vi khuẩn có thể đẩy nhanh quá trình hữu cơ phân hủy chất thải. Bio-Ball và Water-wash có thể được sử dụng như một phương pháp xử lý nước tiềm năng đề cập đến bộ lọc sinh học trong bể nuôi trồng thủy sản để có sức khỏe tốt hơn và tình trạng miễn dịch của marron [36].