Xử lý sinh học nước thải từ hệ thống nuôi tuần hoàn bằng bột than tre

Hệ thống nuôi tuần hoàn (RAS)

Nuôi tôm cá theo hệ thống tuần hoàn (RAS)  được xem là một giải pháp thay thế cho các hệ thống nuôi truyền thống, bởi ưu điểm là sản lượng cá/tôm cao hơn, đồng thời cải thiện việc tái sử dụng chất dinh dưỡng và giảm lượng nước thải; nó đã được ca ngợi là một trong những hệ thống quan trọng nhất trong tương lai.

Nitrat thường được tích lũy trong quá trình nuôi với nồng độ nitrate cao nhất trong RAS có thể đạt đến 400-500 mg NO₃-N/L. Mặc dù nitrate tương đối không độc đối với các loài thủy sản, nhưng nồng độ nitrat cao đã được coi là mối đe dọa dài hạn trong quá trình nuôi, do đó tỷ lệ trao đổi nước hàng ngày (10-20%) là cần thiết để duy trì hàm lượng nitrat trong ao nuôi thấp. Điều này không chỉ gây ra sự lãng phí lớn về tài nguyên nước mà còn gây áp lực kinh tế cho các nhà nuôi trồng và gây nên tác hại cho môi trường khi thải nước thải chứa nitrate ra bên ngoài. Vì vậy, việc loại bỏ nitrat từ hệ thống RAS là một công việc cấp bách trên toàn thế giới liên quan đến xử lý chất thải, phúc lợi động vật và tính bền vững của môi trường.

Các phương pháp loại bỏ nitrate trong nước thải nuôi trồng thủy sản

Sự khử nitrat bằng vi khuẩn dị dưỡng có thể biến đổi nitrat thành nitrit, nitric oxit, oxit nitơ, và cuối cùng khí nitơ, và nó đã được chứng minh là một phương pháp khả thi để loại bỏ nitrat ra khỏi nước thải. Ảnh: Internet

Tuy nhiên nhược điểm của chúng là khó kiểm soát được làm lượng vi khuẩn có trong nước đủ để xử lý nito mà không gây lãng phí.

Theo truyền thống, các loại chất hữu cơ khác nhau có chứa carbon như methanol, ethanol, hoặc axit axetic còn được gọi là carbon lỏng được thêm vào để hỗ trợ và cung cấp điều kiện hoạt động tốt hơn cho quá trình khử Nitơ. Tuy nhiên, giải pháp này là phức tạp và tốn kém để kiểm soát lượng carbon lỏng, việc sử dụng liều quá cao hoặc quá thấp dưới mức tối ưu có thể gây bất lợi cho sự ổn định của hệ thống.

Trái với các nguồn carbon lỏng, sự khử Nitơ được hỗ trợ bởi một nguồn cacbon hữu cơ từ các vật liệu tự nhiên hoặc polyme phân huỷ sinh học có thể tránh được vấn đề sử dụng quá liều hoặc dưới liều, và nó có lợi ích kiểm soát quá trình ô nhiễm hữu cơ thứ cấp và cũng như kiểm soát nguồn carbon. Các chất hữu cơ tự nhiên, chẳng hạn như gỗ cứng (hiệu quả loại bỏ, 60-100%), rơm rạ lúa mì (hiệu quả loại bỏ, 75-90%), ngô (hiệu suất loại bỏ, 56-90%) và bã sậy (hiệu quả loại bỏ, 30-100% ), tất cả có thể được sử dụng làm nguồn carbon hữu cơ để khử Nitơ. Tuy nhiên hạn chế của việc sử dụng chất hữu cơ tự nhiên kiểm soát nitrate là ảnh hưởng đến màu sắc của nước thải và tỷ lệ khử Nitơ còn tương đối thấp. 

Các chất BDPs có hiệu quả loại bỏ nitrat cao, cùng với carbon dioxide và nước là sản phẩm cuối cùng, nhưng những hạn chế của chúng bao gồm giá cao và DOC (nhu cầu oxy hóa học) thải cao, do đó cũng không có lợi cho việc áp dụng rộng rãi. 

Do đó, một trong những thách thức lớn nhất là phát triển một nguồn carbon rắn với số lượng lớn cho quá trình khử Nitơ sinh học và không có tác dụng phụ đối với chất lượng nước thải. Việc pha trộn BDP với một vật liệu hữu cơ giá rẻ như bột tre hoặc tinh bột đã được chứng minh là một cách hứa hẹn để giảm chi phí của chúng trong quá trình xử lý nước thải nitrate. Tre là một loại vật liệu sạch và rẻ tiền có sức căng lớn, đã được chứng minh là một nguồn carbon thích hợp để loại bỏ nitrat trong việc xử lý nước ngầm. Hơn nữa, bột thân tre đã được chứng minh là hỗn hợp biopolymer thân thiện với môi trường với chi phí tương đối thấp. 

Nghiên cứu loại bỏ nitrate bằng bột tre trong hệ thống tuần hoàn

Bột than tre.

Trong nghiên cứu này, để kiểm chứng giả thuyết rằng PBS và BP có thể hoạt động theo cách hỗ trợ lẫn nhau để tiết kiệm chi phí và kiểm soát việc giải phóng DOC, hai hệ thống được cố định dòng chảy (có độ mặn 0 ‰ và 25 ‰) / BP để xử lý nước thải từ RAS được vận hành trong 240 ngày và được đánh giá trong điều kiện hoạt động khác nhau. 

Mục tiêu của nghiên cứu là: 

1) Đánh giá hiệu suất loại bỏ nitrat của hai hệ thống, tạo thành amoniac, tích lũy nitrit và DOC cho xử lý nước thải từ RAS;

2) Phân tích ảnh hưởng của độ mặn, thời gian giữ nước (HRT) trên hiệu suất khử Nitơ và phóng thích DOC; 

3) Có được một sự hiểu biết sâu hơn về các đặc tính phân huỷ sinh học của bột tre.

4) Xác định sự đa dạng của vi sinh vật bằng cách sử dụng trình tự Illumina và sau đó để làm sáng tỏ sự tương quan giữa các yếu tố môi trường và cộng đồng vi sinh.

Các kết quả khả quan thu được ở cả hai nghiệm thức, trong đó có tỷ lệ khử Nitơ cao (0,68 ± 0,03 và 0,83 ± 0,11 kg NO₃-N/m³ tương ứng đối với nước ngọt và nước biển) không có nitrite trong nước và ammonia tích tụ với hàm lượng thấp. 

Nồng độ DOC trong nước thải cũng được quan sát thấy giảm một cách rõ rệt. Phân tích trình tự Illumina cho thấy các loài vi khuẩn thuộc chi Arcobacter tự phát đã được phát hiện lần đầu tiên trong hệ thống khử Nitơ trong môi trường nước mặn.

Báo cáo cho thấy các hợp chất có trong bột tre đã được chứng minh là một nguồn carbon hấp dẫn về mặt kinh tế để loại bỏ nitrat trong hệ thống RAS.

Hệ thống tuần hòan là một trong những hướng đi đổi mới phương pháp sản xuất trong tương lai vì mục đích sử dụng tài nguyên thiên nhiên một cách hợp lý và nâng cao năng suất sinh vật. Hệ thông này tại Việt Nam đa được áp dụng khá rộng rãi trong các mô hình nuôi tôm công nghệ cao. Việc nghiên cứu thành công tác dụng của bột tre giúp loại thải nhanh chóng và hiệu quả các hợp chất trung gian của quá trình giải phóng nitrogen là một dấu hiệu tích cực và mở ra một hướng nghiên cứu sử dụng vật liệu giá rẽ tại Việt Nam vào quá trình nuôi thâm canh chuyên nghiệp.