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 mặnthí 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
43
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 trịpH 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 mặn10 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 hồitrong 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
44
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.