Hệ thống khử nitrat mới trong nuôi trồng thủy sản tuần hoàn

Lò phản ứng sinh học gỗ vụn là gì?

Lò phản ứng sinh học gỗ vụn (woodchip bioreactors) là hệ thống xử lý nước tinh vi, kỹ thuật. Tuy nhiên, chúng chỉ là những rãnh đầy gỗ đơn giản với ứng dụng phổ biến nhất là thoát nước và đang được nghiên cứu để loại bỏ ô nhiễm nitrat từ các loại nước thải và chất thải khác.

Đây là những lò phản ứng sinh học làm sạch nước phổ biến trong nông nghiệp ở các nước phát triển. Lò phản ứng sinh học là các rãnh đào được lấp đầy bằng một nguồn carbon rắn, thường là gỗ, như trong ảnh.

Đặt lò phản ứng sinh học ở Illinois. Nguồn: J. Chandrasoma / UIUC

Đất tự nhiên chứa các loại vi khuẩn có vai trò khác nhau do đó đất là bộ lọc nước tốt nhất của trái đất. Lò phản ứng sinh học gỗ vụn hoạt động dựa trên sự tăng cường quá trình khử nitrat tự nhiên - chuyển đổi nitrat trong nước thành khí nitơ vô hại - được thực hiện bởi vi khuẩn đã có trong đất xung quanh. Gỗ vụn với vai trò cung cấp nguồn nhiên liệu bổ sung cho vi khuẩn, dưới dạng carbon, vi khuẩn sử dụng gỗ làm thức ăn. Các nguồn carbon được nghiên cứu khác bao gồm lõi ngô, thân cây ngô, bìa cứng, rơm lúa mì, báo và mảnh vụn …. Tuy nhiên gỗ vụn là vật liệu được khuyến nghị bởi vì chúng tồn tại lâu hơn và thường đồng đều hơn các nguồn carbon khác. Mặc dù hình thức thực tế của lò phản ứng sinh học gỗ vụn là đơn giản nhưng quá trình hóa học và sinh học xảy ra bên trong chúng rất phức tạp.

Minh họa về vị trí và kích thước của lò phản ứng sinh học trên cánh đồng nông trại. Ảnh: internet

Các loại gỗ được sử dụng làm chất phản ứng sinh học. Các loài cây sử dụng trong hệ thống woodchip bioreactors nói chung không quan trọng, ngoại trừ gỗ sồi, gỗ tuyết tùng hoặc các loại gỗ có hàm lượng tannin cao. Và các loại gỗ phải có kích thước vừa phải để bị không chứa hạt mịn hoặc mảnh vụn cho nước có thể đi qua dễ dàng. 

Độ mặn và quá trình loại bỏ nitrat

Mathis von Ahnen và cộng sự 2019 đã nghiên cứu khả năng khử nitơ trong hệ thống sử dụng gỗ vụn để xử lý nước thải trong nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) và mối liên hệ giữa độ mặn và khả năng khử nitơ của hệ thống này.

Mười hai bể phản ứng sinh học gỗ vụn quy mô phòng thí nghiệm đã được thử nghiệm vói các độ mặn 0, 15, 25 và 35 ppt, và tính chất hóa học nước được theo dõi, các cộng đồng vi sinh vật của lò phản ứng sinh học gỗ cũng được phân tích.

Kết quả: 

Lò phản ứng sinh học gỗ vụn đã loại bỏ nitrat ở tất cả các độ mặn được thử nghiệm. Tốc độ loại bỏ cao nhất là 22,0 ± 6,9 g NO₃-N/m³/ngày ở độ mặn 0 phần ngàn (nước ngọt), sau đó là 15,3 ± 4,9; 12,5 ± 5,4 và 11,8 ± 4,0 g NO₃-N/m³/ngày thu được ở độ mặn tương ứng là 15, 25 và 35 ppt. Điều này cho thấy tốc độ loại bỏ nitrat giảm dần theo độ mặn. 

Kết quả cũng chỉ ra rằng quá trình khử nitơ dị dưỡng là quá trình loại bỏ nitrat chiếm ưu thế ở độ mặn 0 và 15 ppt, trong khi các quá trình khử nitrat tự dưỡng sẽ can thiệp vào độ mặn ở độ mặn 25 và 35 ppt. Trong các lò phản ứng gỗ vụn, nhóm vi khuẩn Gammaproteobacteria có nhiều nhất. 

Kết quả cho thấy việc tăng độ mặn trong làm giảm quá trình loại bỏ nitrat trong lò phản ứng sinh học gỗ vụn. Woodchip bioreactors bị ảnh hưởng bởi độ mặn. Độ mặn làm tăng sự phong phú của vi khuẩn khử nitơ tự dưỡng nhưng làm giảm sự phong phú tổng thể của quá trình khử nitơ.

Nghiên cứu này chứng minh rằng các bể phản ứng sinh học gỗ vụn có thể được áp dụng để loại bỏ nitrat khỏi nước thải nuôi trồng thủy sản tuần hoàn RAS mặc dù ở tốc độ loại bỏ nitrat thấp hơn so với hệ thống nước ngọt. Đây nghiên cứu này mở ra nhiều ứng dụng hơn nữa để xử lý nước thải nuôi tôm/cá từ đó nâng cao chất lượng nước cho hệ sinh thái tự nhiên.