Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp xử lí ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản tuy nhiên đối với các ao nuôi thủy sản nước lợ thì các công trình nghiên cứu còn hạn chế [33]. Các giải pháp hóa lí, cơ học và sinh học được sử dụng trong xử lí nước thải thông thường cũng được áp dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản [13]. Về cơ bản, các giải pháp có thể được chia thành hai nhóm: (i) xử lý nước ao nuôi ở một hệ thống riêng biệt (ví dụ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược, bể xử lý nước thải thông thường với chi phí cao hoặc đầm lầy kiến tạo …); (ii) xử lý tại chỗ nước ao nuôi (ví dụ sử dụng ô-zôn hoặc sục khí nhân tạo …).
1.3.1. Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB)
Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) là một trong những công nghệ xử lý nước thải phổ biến nhất theo kiểu kị khí (Hình 1.3). Theo công nghệ này, nước thải được đưa từ ao nuôi sang bể xử lý. Khi đi vào bể xử lý, nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kị khí. Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn - lỏng - khí, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ được đưa ra ngoài. Một trong những lợi thế của công nghệ này đó là đơn giản và chi phí vận hành thấp [5].
11
Hình 1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) [105]
Nghiên cứu của Mirzoyan và các cộng sự năm 2010 về việc xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ với bể UASB cho kết quả khả quan, cụ thể là hiệu quả loại bỏ các chất dễ bay hơi là hơn 92%, đối với COD là 99% và TSS là 81% [61].
Dù vậy, công nghệ này cũng còn nhiều hạn chế như khó khăn để duy trì các điều kiện thủy lực thích hợp (dòng chảy ngược và tỉ lệ lắp ráp phải cân bằng), thời gian khởi động dài, khả năng xử lí có thế không ổn định với sự biến đổi thủy lực và tải trọng hữu cơ, cần duy trì nguồn điện liên tục, các vật liệu cấu tạo thường không sẵn có và đặc biệt là luôn cần có chuyên gia giám sát thiết kế và thi công [97].
Với những hạn chế như vậy, công nghệ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) sẽ rất khó để áp dụng với các hộ nuôi trồng thủy sản qui mô vừa và nhỏ phổ biến ở Việt Nam.
1.3.2. Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands)
Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) do Lin và cộng sự đề xuất tỏ ra là một hệ thống đơn giản hơn với chi phí khá hợp lý [46].
Vùng đất ngập nước là hệ thống xử lý tự nhiên dựa trên sự cộng sinh giữa vi sinh vật và thực vật, xử lý nước thải qua các quá trình phân hủy hiếu khí, kỵ khí
12
của vi sinh vật, quang hợp của thực vật dưới nước. Phương pháp sử dụng hệ thống này có nhiều cải tiến trong khoảng 20 năm gần đây và thu được nhiều kết quả tốt.
Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại chảy tự do trên mặt đất (free surface slow) và loại chạy ngầm trong đất (subsurface slow). Loại chảy tự do thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển [6]. Loại chảy ngầm phân ra làm hai loại: chảy ngang (Hình 1.4 A) và chảy đứng (Hình 1.4 B)
Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm
Ghi chú: A. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang (theo Vymaza 1997); B. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều
đứng (theo Cooper, 1996).
A
B
13
Về cơ bản hệ thống này cũng sẽ không phù hợp với các hộ nuôi trồng vừa và nhỏ do không kinh tế vì luôn cần chi phí cho năng lượng để bơm nước từ ao vào hệ thống và chi phí vận hành hệ thống [88].
1.3.3. Sử dụng ô - zôn (O3)
Phương pháp sử dụng khí ô-zôn để lọc nước và nước thải đã được áp dụng từ cách đây hơn 100 năm (lần đầu tiên là vào năm 1893 ở Oudshoorn, Hà Lan).
Trong nuôi trồng thủy sản, ô-zôn là chất oxy hóa cực mạnh, được đưa trực tiếp vào ao nuôi để làm sạch nước, oxy hóa nitrit và các hợp chất hữu cơ hòa tan khó phân hủy, cũng như loại bỏ các chất rắn. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu không đánh giá cao việc áp dụng ô-zôn để xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ, mặn, vì khi ở trong môi trường này, ô-zôn sẽ sinh ra các hợp chất độc hại, gây rủi ro đối với các giống nuôi [5].
1.3.4. Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi
Từ những năm 1980, các hệ thống sục khí nhân tạo đã được đề xuất để tăng hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và nitơ trong các ao nuôi thủy sản thâm canh [20]. Thông thường, ôxy nhanh chóng bị cạn kiệt gần đáy ao (nơi các vi khuẩn đang sử dụng ôxy để phân hủy các chất hữu cơ). Do đó, hệ thống sục khí không chỉ đơn giản là bổ sung Oxi hòa tan cho mọi hoạt động của tôm trong ao, mọi hoạt động của các sinh vật khác trong thủy vực (vi khuẩn, tảo, …) mà còn xáo trộn các tầng nước, đồng nhất chất lượng nước nhằm ổn định sức khỏe và nâng cao năng suất – hiệu quả nuôi trồng thủy sản.
Các hệ thống sục khí này so với các hệ thống UASB, đất ngập nước và xử lí ozon có ưu điểm là: không chỉ xử lí tại chỗ nước ao nuôi mà còn xử lí được cả phần bùn đáy ao, làm thúc đẩy quá trình phân giải các chất hữu cơ tồn đọng bên dưới đáy ao. Theo các kết quả nghiên cứu, việc sục khí có thể làm tăng sản lượng thủy sản, tuy nhiên lại đòi hỏi sự tiêu tốn thêm năng lượng (để quay các cánh sục, hình 1.5), vốn đầu tư và chi phí bảo trì [13].
14
Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm (Nguồn: Internet) A: quạt nước, B: máy thổi khí, C: đĩa phân phối khí, D: Máy sục khí, E: đĩa
quay sinh học, F: màng lọc sinh học 1.3.5. Ứng dụng mô hình sinh điện hóa
Hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems - BESs) là những hệ thống có đặc tính độc đáo là chuyển đổi hóa năng của các hợp chất hữu cơ trong nước thải hoặc trầm tích thành điện năng hay sản xuất các sản phấm sinh học hoặc sản phẩm khác ( khí hyđro …) nhờ hoạt động của vi sinh vật ở anode của hệ [92].
Gần đây, với việc các hệ thống sinh điện hóa được tập trung nghiên cứu sâu, một công nghệ mới tiềm năng để cải tạo tại chỗ chất lượng nước ao nuôi thủy sản đã được đề xuất dựa trên sự sử dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system (SBES) hoặc benthic bioelectrochemical system).
Sajana và cs. (2013) đã xây dựng một hệ thống SBES thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và khảo sát kỹ lưỡng hiệu quả xử lý ô nhiễm nước ao nuôi thủy sản nước ngọt của hệ thống [88]. Công nghệ này cho phép cải tạo tại chỗ chất lượng nước ao nuôi và việc vận hành hệ thống cũng hết sức đơn giản với chi phí thấp.
Rất nhiều cơ sở nuôi trồng thủy sản trên thế giới và đặc biệt ở Việt Nam lại đang vận hành các ao nuôi nước lợ. Điều kiện môi trường có độ mặn cao sẽ rất khác và đỏi hỏi việc làm giàu thành công ở điện cực đáy ao các vi khuẩn điện hóa (tác nhân
15
xúc tác chính trong các hệ thống sinh điện hóa) hoạt động được ở nồng độ muối cao. Hiện nay, chưa có nghiên cứu nào ứng dụng công nghệ sinh điện hóa để cải tạo nước ao nuôi thủy sản nước lợ được công bố.
1.3.6. Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ở Việt Nam
Ở nước ta, các nghiên cứu nhằm xử lý nước và đáy ao nuôi thủy sản còn chưa nhiều. Đã có những nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh về việc ứng dụng công nghệ “đất ngập nước kiến tạo” (như trình bày ở trên) để xử lý nước ao nuôi có mức độ ô nhiễm cao và dư lượng kháng sinh lớn [5]. Công nghệ này cũng được triển khai thực nghiệm và thực địa khá thành công ở Cần Thơ [10]. Một số nghiên cứu khác đã thử nghiệm việc áp dụng các công nghệ khác như bể lọc sinh học hiếu khí có lớp đệm ngập nước [6] v.v… Như vậy, nhìn chung, số lượng nghiên cứu về chủ đề này còn khá ít. Xét về vấn đề xử lý đáy ao, hiện nay trên thị trường có hàng trăm chế phẩm vi sinh vật khác nhau với nguồn gốc, chất lượng không rõ ràng.
Với tình hình nghiên cứu trong nước như trên, có thể thấy cũng chưa có nghiên cứu nào theo hướng ứng dụng một công nghệ mới như công nghệ sinh điện hóa trong xử lý nước và bùn đáy ao nuôi thủy sản nước lợ.