Để đạt được 2 mục tiêu nghiên cứu của đề tài, thực nghiệm được tiến hành theo các công đoạn sau:
- Chế tạo hệ thí nghiệm. - Nuôi cấy vi sinh.
- Tăng dần độ mặn ở các mức 10, 20 và 30‰.
- Tại mỗi độ mặn sẽ tiến hành với mức tài lượng amoni tăng dần từ 0,014; 0,028; 0,049 và 0,07 (nồng độ amoni tính theo nitơ là 5, 10, 17,5 và 25 mg/l; lưu lượng bơm cấp nước 0,816 lít/giờ).
- Định kỳ lấy mẫu để phân tích các chỉ tiêu amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-); các thông sốpH, DO, TDS được xác định bằng phương pháp đo nhanh.
2.2.2. Hệ thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ muối
Hệ thí nghiệm được xây dựng theo sơ đồ Hình 2.1. Cột thí nghiệm được chế tạo từbằng ống nhựa PVC, chiều cao H = 1,5 m, đường kính trong d = 15,4 cm. Vật liệu mang vi sinh là sỏi nhẹ keramzit kích thước 8 đến 16 mm của
29
Công ty Vinatap Việt Nam, thể tích vật liệu mang 7 lít. Chủng vi khuẩn được cung cấp bởi Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học – Đại học Quốc gia Hà Nội.
Hình 2. 1. Sơ đồ hệ thí nghiệm xử lý amoni bằng quá trình vi sinh hiếu khí bám dính trên vật liệu mang cố định
Không khí được cấp vào bằng máy thổi khí theo chiều từ dưới lên, DO trong suốt quá trình được duy trì ở mức trên 5 mg/l. Nước đưa vào theo chiều từ trên xuống với lưu lượng 0,816 lít/giờ, nước sau xử lý được lắng để giữ bùn vi sinh trước khi thải ra ngoài.
2.2.3. Hệ thí nghiệm xử lý tuần hoàn nước nuôi tôm
Tôm sau post được lấy từ trang trại nuôi tôm thẻ chân trắng STC, mật độ thả trong bồn nuôi là 200 con/m3. Nước trong bồn nuôi được hút ra để xử lý theo trình tự như Hình 2.2; hàng ngày theo dõi các giá trị pH, DO; mỗi 3 ngày tiến hành lấy mẫu để phân tích các thông số NH4+, NO2-, NO3-và hữu cơ. Trên
30
cơ sở số liệu thu được sẽ điều chỉnh lưu lượng nước cần xử lý nếu nồng độ các thông số vượt mức cho phép.
Hình 2. 2. Sơ đồ hệ thí nghiệm xử lý amoni bằng quá trình vi sinh hiếu khí bám dính trên vật liệu mang cố định
2.2.3. Nuôi cấy vi sinh
Vi sinh được cho thích nghi và phát triển bằng nước thải giả (pha bằng muối, đường glucozơ và amoni clorua), hàm lượng các chất tính cho 1 lít nước thải được nêu trong Bảng 2.1.
Định kỳ 3 ngày lấy mẫu 1 lần để xác định các thông số pH, amoni, nitrit và nitrat. Khi kết quả đo nồng độ các thông số nitơ ổn định trong 2 đến 3 lần đo liên tiếp thì tiến hành nâng mức tải lượng amoni đầu vào bằng cách tăng nồng độ amoni lên các mức 10, 17,5 và 25 mg/l. Sau mỗi dải tải lượng amoni sẽ tiến hành nâng độ mặn từ 10.000 mg/l lên mức 30.000 mg/l.
31
Bảng 2. 1. Hàm lượng các chất để pha nước thải
TT Tên hóa chất Đơn vị tính Khối lượng
1. NaCl mg/l 10.000 – 30.000
2. Glucose mg/l 93,75
3. NH4Cl mg/l 14,86 – 73,30
4. NaH2PO4 mg/l 3,78
5. NaHCO3 mg/l 82,62
2.2.4. Thiết bị và phương pháp phân tích
Các phương pháp phân tích được lựa chọn theo Standard Methods for Examonation of Water and Wasterwater (SMEWW) [37]. Ngoài ra, trong quá trình thực nghiệm có sử dụng phương pháp Testkit của HACH để xác định các thông số amoni, nitrit và nitrat.
Các thông số, phương pháp và thiết bị phân tích được tổng hợp trong bảng sau:
Bảng 2. 2. Thông số và phương pháp phân tích (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Stt Thông số phân tích Phương pháp phân tích Thiết bị
1. pH SMEWW 4500-H+ B HI 9811-5, Hana
2. DO SMEWW 4500-O G EUTECH DO 450,
Thermo Scientific
3. TDS SMEWW 2520 B HI 9811-5, Hana
32
Stt Thông số phân tích Phương pháp phân tích Thiết bị
- HACH, Method 10023 (khoảng xác định 0 – 2,5 mg/l). - HACH, Method 10031 (khoảng xác định 0 – 50 mg/l). Máy so màu DR3900, HACH
5. Nitrit - SMEWW 4500-NO2- B - HACH, Method 8153 (khoảng xác định 0 – 150 mg/l). - HACH, Method 8507 (khoảng xác định 0,005 – 0,35 mg/l).
6. Nitrat - SMEWW 4500-NO3- B - HACH, Method 8039 (khoảng xác định 0 – 30 mg/l).
2.5. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu
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.
33
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả thí nghiệm ởđộ mặn 10‰
Hình 3. 1. Nồng độ amoni trong nước thải đầu ra ở độ mặn 10 ‰
34
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 mặn10 ‰.
35
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 độamoni 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 ởđầu 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 – 0,15 g/g NH4+-N [12].
36
3.2. Kết quả thí nghiệm ởđộ mặn 20‰
Hình 3. 5. Nồng độ amoni trong nước thải đầu ra ở độ mặn 20 ‰.
37
Hình 3. 7. Nồng độ nitrat trong nước thải đầu ra ở độ mặn 20 ‰. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
38
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 ởđộ 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 độnitrit trong nước sau xửlý 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 độnitrit trong nước sau xửlý tương ứng là 0,010 – 0,080 mgN/l và 0,13 – 0,19 mgN/l. So với ởđộ 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 độnitrat cũng tăng đều theo nồng độamoni đưa vào, ở các mức nồng độamoni 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.
39
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 ởđộ 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.
40
Hình 3. 10. Nồng độ nitrit trong nước thải đầu ra ở độ mặn 30 ‰.
41
- 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 độamoni 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 độamoni 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 ởđộ mặn 10 và 20‰, nồng độnitrit 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
42
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 tăngđáng kể (tối đa 0,020 ởđộ mặn 10‰ và 0,036 mgN/l ởđộ mặn 30‰). Tuy nhiên, nồng độ nitrit là giảm so với ởđộ mặn 20‰ (tối đa 0,23 ởđộ mặn 20‰ và 0,036 mgN/l ởđộ 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 độnitrat cũng tăng đều theo nồng độamoni đưa vào, ở các mức nồng độamoni đầu vào là 5, 10, 17,5 và 25 mgN/l thì nồng độ nitrat trong nước sau xửlý đạt cũng đạt mức tương đương như ởđộ 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 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
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});