Loại bỏ chất lơ lửng trong RAS nuôi tôm bằng phương pháp điện đông

Phần lớn, nước thải trong các ao nuôi thủy sản được xử lý sơ bộ bằng các thiết bị tách rắn-lỏng. Quá trình này góp phần giảm tải điện năng tiêu thụ của các thiết bị ở các giai đoạn tiếp theo. Bộ lọc trống với mắt lưới nhỏ (microscreen drum filter hay MDF) là một trong số các thiết bị tách rắn-lỏng hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống RAS. 

Thiết bị này chiếm diện tích nhỏ, có khả năng xử lý hiệu quả và vận hành đơn giản, tuy nhiên hiệu quả lọc của MDF lại phụ thuộc vào kích thước của lưới lọc. Nếu giảm kích thước lưới lọc thì không khả thi nên thay vào đó, việc tăng kích thước hạt của TSS là một cách tiếp cận khác để cải thiện quả lọc của MDF.

Ngày này, sử dụng các loại chất đông tụ (chemical flocculation) là một phương pháp phổ biển để tăng kích thước của các hạt lơ lửng. Các hạt này thường gồm các thành phần như vỏ tôm, thức ăn thừa, phân tôm. Nhưng phương pháp điện đông (electrocoagulation hay EC) lại có nhiều ưu điểm nổi trội hơn như làm giảm các loại chất thải phát sinh thêm trong quá trình xử lý, ít gây ô nhiễm, dễ dàng trong việc sử dụng và kiểm soát hơn.

Kỹ thuật điện đông (EC) được thực hiện trên bình điện phân có hai điện cực âm và dương. Cả hai điện cực này đều được nhúng vào chất điện phân là nước thải. Đầu tiên, các bong bóng được tạo ra trong quá trình đông tụ điện. Sau đó, các bông cặn được hình thành và nổi trên mặt nước với kích thước tương đối nhỏ và tăng dần theo thời gian cho đến khi đạt đến kích thước nhất định. Ứng dụng của công nghệ EC trong xử lý chất thải đã được ứng dụng thành công trong xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước thải của dịch vụ ô tô và các lĩnh vực khác. Công nghệ này có thể loại bỏ hiệu quả TSS, nhu cầu oxy hóa học (COD), nitrit, amoniac, và vi sinh vật. 

Nhằm mục đích tăng kích thước của các hạt lơ lửng trong nước, qua đó cải thiện khả năng xử lý chất thải của MDF. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Jianping Xu đã cho ra đời ý tưởng kết hợp giữa kỹ thuật đông tụ điện và bộ lọc trống (EDIR-MDF). Với thử nghiệm đầu tiên là trong hệ thống tuần hoàn (RAS) nuôi tôm thẻ chân trắng.

Trong các hệ thống nuôi thủy sản, thành phần của TSS và chất lượng nước trong các bể nuôi thường thay đổi theo đặc điểm các loài được nuôi, tần suất cho ăn và các yếu tố môi trường trong bể nuôi. Nên nhóm nghiên cứu đã sử dụng cường độ dòng điện của hệ thống EDIR (I_EDIR) thay đổi phù hợp theo chất lượng nước trong bể nuôi để vừa đảm bảo xử lý tốt chất thải nhưng cũng tiết kiệm được điện năng. Để làm được điều này, nhóm tác giả sử dụng một thiết bị cảm biến (TMDF) để điều chỉnh cường độ dòng điện thích hợp. 

Hình A: hệ thống EDIR-MDF. Gồm các thiết bị như : Bộ nguồn (DC power), bộ lập trình thời gian (Programmable time replay), tấm điện cực (Electrode plate), bộ đo lưu lượng chất lỏng (Lipid flow meter), máy bơm (Air pump), Bồn trữ nhiệt (Buffer tank), bộ lọc trống (Microcreeen drum filter). Hình B: hệ thống RAS trong thí nghiệm: Bể nuôi (Aquaculture pond), đèn cực tím (Ultraviolet lamp), máy tách bọt (Foam seperator), bể lọc sinh học (Moving bed biofilter), bộ đo lưu lượng chất lỏng (Lipid flow meter), bộ điện đông tăng kích thước hạt (Electrocoagulation diameter increasing reactor), tấm điện cực (Electrode plate), bể trữ nhiệt (Buffer tank), thiết bị cảnh báo mức (Level switch), bộ lóc trống (Microsreen drum filter), Bể trữ nước (Water collection tank), máy bơm tuần hoàn (Circulating pump).

Hai hệ thống được sử dụng trong nghiên cứu này là hệ thống EDIR-MDF (hệ thống điện đông tăng kích thước hạt kết hợp bộ lọc trống) ở quy mô phòng thí nghiệm và hệ thống RAS ở quy mô thí điểm.

Mẫu nước trong các bể nuôi của hệ thống tuần hoàn (RAS) được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của EC lên kích cỡ của TSS. Nước nuôi có độ mặn khoảng 15‰, pH là 6,92, oxy hòa tan là 6,93–7,25 mg/L và nhiệt độ là 26,8^oC. Trước khi đánh giá, nước nuôi được lọc qua rây có kích thước mắt lưới 300 μm được sử dụng để thu các hạt lơ lửng có trong nước, chẳng hạn như vỏ tôm và thức ăn thừa. Cường độ dòng điện của EDIR là 50 A/m². 

Hình A: Bể nuôi ở giai đoạn không EC ở ngày thứ 7, nước có màu vàng nhạt và có bọt nổi trên bề mặt. Tuy nhiên ở hình B, dưới tác động của hệ thống EDIR-MDF, nước nuôi trồng thủy sản trở nên trong hơn và không có bọt (ngày thứ 11). 

Thí nghiệm được tiến hành trong 21 ngày. Trong 7 ngày đầu tiên (hay gọi là giai đoạn không EC) bể nuôi hoàn toàn không sử dụng hệ thống EDIR-MDF để xử lý nước. Từ ngày thứ 8 đến ngày 21 hệ thống EDIR-MDF được đưa vào sử dụng (hay gọi là giai đoạn có EC). Để đánh giá sự chi tiết về các chỉ tiêu chất lượng nước giữa nước nuôi trong thời gian sử dụng và không có sử dụng hệ thống. Nồng độ TSS, COD, amoniac và nitrit trong nước thải của các bể nuôi, MDF, và đầu vào của MDF được đo hàng ngày. Chiều dài và trọng lượng của tôm trước và sau khi kết thúc thí nghiệm lần lượt là 6cm; 3,23g và 9,0 cm; 8,43g. Mật độ thả là 1100 con /m³. Sử dụng cho ăn tự động với tần suất cho ăn  là 1–4 lần /giờ và lượng thức ăn cho ăn là 15,2–27,5 kg/ngày.

Hiệu suất loại bỏ (RE,%) chất thải của các thiết bị được tính bằng công thức: RE = (C1-C2)/C1 × 100%. Trong đó C1 (mg/L) là nồng độ ban đầu của chất thải và C2 (mg/L) là nồng độ chất thải sau khi xử lý.

Kết quả thí nghiệm cho thấy giái trị RE trung bình của các chỉ tiêu TSS, COD, amoniac, nitrit và trong hệ thống RAS ở giại đoạn không sử dụng EC lần lượt là 61,24%, 50,87%,27,27% và 33,33%. Ở giai đoạn sử dụng EC các chỉ tiêu này có giá trị RE lần lượt là  85,31% 75,17%, 8,94% và 1,39%. 

Như vậy, ứng dụng kỹ thuật EC để làm tăng kích thước của TSS trong hệ thống RAS đã cải thiện hiệu quả lọc của MDF mà không cần làm giảm kích thước lưới lọc, qua đó chất lượng nước trong bể nuôi được cải thiện và luôn duy trì ở mức ổn định. 

Nguồn tham khảo: Jianping Xu, Tianlong Qiu, Fudi Chen, Li Zhou, Jianming Sun, Yishuai Du (10/2021). Construction and application of an electrocoagulation and filtration linkage control system in a recirculating aquaculture system.