Tổng quan về công nghệ MBBR trong nuôi trồng thủy sản

Sản xuất nuôi trồng thủy sản thông thường đã bị chỉ trích vì các tác động xấu đến môi trường, phát thải khí nhà kính (GHG), ô nhiễm nước và hiện tượng phú dưỡng cũng như tác động tàn phá rừng ngập mặn. Hơn nữa, việc tăng cường kiểm soát môi trường, các quy định tiêu chuẩn nghiêm ngặt về xả nước thải vào các vùng nước và sự khan hiếm nước đòi hỏi phải tìm ra các phương pháp quản lý nước tốt nhất trong các ngành nuôi trồng thủy sản. Do đó, điều này giúp các hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn trên đất liền (RAS) thu hút được nhiều sự chú ý hơn trên toàn cầu. 

MBBR là từ viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor, là quá trình xử lý sinh học trong đó sử dụng các vật liệu làm giá thể cho vi sinh dính bám vào để sinh trưởng và phát triển, sự kết hợp giữa Aerotank truyền thống và lọc sinh học hiếu khí, công nghệ mới nhất hiện nay trong lĩnh vực xử lý nước thải vì tiết kiệm được diện tích và hiệu quả xử lý cao. Vật liệu làm giá thể phải có tỷ trọng nhẹ hơn nước đảm bảo điều kiện lơ lửng được. Các giá thể này luôn chuyển động không ngừng trong toàn thể tích bể nhờ các thiết bị sục khí và cánh khuấy. Mật độ vi sinh càng gia tăng, hiệu quả xử lý càng cao.

Vật liệu làm giá thể cho vi sinh trong công nghệ MBBR.

So với hệ thống thông thường, ưu điểm chính của MBBR là tính nhỏ gọn, chế độ vận hành đơn giản, yêu cầu không gian ít hơn, loại bỏ bùn và có thể hoạt động với tốc độ tải cao. Thật vậy, những phát hiện gần đây liên quan đến các ứng dụng MBBRs trong xử lý nước ngọt (FW) và nước biển (SW) - nước thải RAS theo các chiến lược khác nhau đã được ghi nhận. Bên cạnh đó, hầu hết các tài liệu được xuất bản đều bị rời rạc và được ghi chép ở các địa điểm khác nhau. Do đó, đánh giá này nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan cập nhật về những tiến bộ trong việc áp dụng công nghệ MBBRs trong việc xử lý nước thải trong hệ thống RAS, đồng thời, những thách thức và triển vọng của công nghệ MBBR cũng được trình bày.

Nước thải từ hệ thống RAS chứa chất thải nitơ, các hạt vô cơ lơ lửng và nhiều vi khuẩn có nguồn gốc từ thức ăn thừa, phân cá, cá chết và vi khuẩn. Trong vài thập kỷ qua, sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ MBBR đã cải thiện việc xử lý nước thải trong các cơ sở RAS, đặc biệt là loại bỏ TAN, NO₂ và PO₄ ³⁻. Nồng độ TAN và NO₂ trong hệ thống tuần hoàn được giữ ở mức rất thấp và tương ứng với 0,26 ± 0,03 mg/L. Ngoài ra, nitrat tăng cao đạt nồng độ trung bình dao động từ 40,8 đến 44,3 mg/L ở điều kiện ổn định. Có ý kiến cho rằng hiệu suất của hệ thống MBBR vượt trội hơn so với các bộ lọc sinh học khác. 

Trong một nghiên cứu tương tự, ứng dụng công nghệ MBBR để xử lý nước thải từ RAS nuôi thả cá koi (Cyprinus carpio koi) và cá vàng (Carassius auratus), nồng độ amoniac đầu vào đạt cao nhất là 27,85 mg/L và nước thải đầu ra của bộ lọc sinh học được duy trì ở mức TAN và NO2 ổn định thấp hơn 1,0 mg/L, trong khi nồng độ NO3 đạt khoảng 78,6 mg/L. Gần đây hơn, một nghiên cứu đã đánh giá việc loại bỏ TAN khỏi nước thải từ hệ thống RAS bằng cách sử dụng MBBR trong khoảng thời gian khác nhau lần lượt là 24, 12 và 6 giờ. Kết quả thử nghiệm của họ chỉ ra rằng ở thời gian tối ưu là 6 giờ, hệ thống MBBR có thể loại bỏ TAN một cách hiệu quả > 92%. Các phát hiện của các nhà nghiên cứu này đã chứng minh rằng MBBRs hoạt động ở cả nhiệt độ thấp và tốc độ tải có thể chịu được sự gia tăng đột ngột của nồng độ amoniac đầu vào.

Nuôi trồng thủy sản tuần hoàn (RAS) là xu thế của NTTS hiện tại, trong đó MBBR đóng vai trò quan trọng.

Một số yếu tố có thể làm giảm hiệu suất trong hệ thống ứng dụng công nghệ MBBR do tác động của chúng lên vi khuẩn nitrat hóa bao gồm chất hữu cơ, độ kiềm, độ mặn, kháng sinh và chất khử trùng. Việc bổ sung đủ nồng độ kiềm phải được duy trì ít nhất là 40–80 mg/L (như CaCO₃) để đạt hiệu quả. Ngoải ra, hiệu quả loại bỏ kháng sinh lần lượt là 32,9%, 28,4% và 69,5% đối với rifampicin (RIF), norfloxacin (NOR) và oxytetracycline (OTC) được cho là do sự phân hủy sinh học và hấp phụ bởi màng sinh học.

Tuy nhiên, các loại thuốc kháng sinh để kiểm soát dịch bệnh cần được giảm thiểu trong RAS và hướng tới các phương pháp thay thế bền vững và hiệu quả. Bên cạnh đó, cần cẩn thận khi độ mặn tăng đột ngột đến giá trị hơn 10 g/L, có ý kiến cho rằng việc cấy vi sinh vật có khả năng kháng muối cao vào các bộ lọc sinh học có thể trở thành chìa khóa để giải quyết vấn đề này. Các chất khử trùng hóa học thường được sử dụng trong RAS bao gồm hydrogen peroxide, ozone, axit peracetic, formalin và formaldehyde gây ra ảnh hưởng bất lợi đến hiệu quả loại bỏ TAN. 

Hiện tại, các tài liệu hiện có chủ yếu tập trung vào quy mô phòng thí nghiệm và rất ít đánh giá ở quy mô thí điểm. Do đó, cần có nhiều nỗ lực hơn nữa trong việc nâng cấp công nghệ chuyên sâu cho các ứng dụng trong các cơ sở RAS quy mô thương mại. 

Nguồn: Recent advances in application of moving bed bioreactors for wastewater treatment from recirculating aquaculture systems: A review. Shitu, A., Liu, G., Muhammad, A. I., Zhang, Y., Tadda, M. A., Qi, W., Liu, D., Ye, Z., & Zhu, S. (2021). Aquaculture and Fisheries, September 2020. https://doi.org/10.1016/j.aaf.2021.04.006