Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu phát triển công nghệ tích hợp sinh học - hóa lý nhằm ứng dụng để xử lý và tái sử dụng nước thải nuôi tôm độ mặn thấp (26/04/2025)

Những năm gần đây, nghề nuôi tôm Việt Nam phải gánh chịu thiệt hại nặng nề về kinh tế do dịch bệnh về gan tụy, đốm trắng tràn lan và xu thế bệnh dịch ngày càng phức tạp, khó lường. Một trong những nguyên nhân trực tiếp dẫn tới những vấn đề trên là do nước trong ao nuôi bị ô nhiễm, hơn nữa nước thải trong ao nuôi khi thay nước không được xử lý mà đổ trực tiếp ra biển sẽ làm cho nước biển bị ô nhiễm. Điều nguy hiểm hơn nữa, là nếu ao nuôi tôm có tôm bị nhiễm bệnh và nước không được xử lý thì rất có thể sẽ bị lây nhiễm toàn vùng.

Để đối phó với dịch bệnh, hướng tới phát triển nghề nuôi bền vững, gia tăng năng suất, gia tăng chất lượng tôm thương phẩm theo nhu cầu xuất khẩu và tiêu dùng, người nuôi tôm Việt Nam cũng đã không ngừng tìm tòi, học hỏi, ứng dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới vào sản xuất. Nhiều doanh nghiệp, nhiều cá nhân, hộ gia đình nhờ ứng dụng công nghệ và kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất và đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng quan tâm. Điển hình hiện nay mô hình nuôi tôm trong nhà lưới đang là một trong những mô hình được đánh giá là có triển vọng, công nghệ nuôi tôm này sẽ giúp người nuôi kiểm soát được phần nào những bất lợi, rủi ro do thời tiết, dịch bệnh gây ra. Tuy nhiên, để công nghệ nuôi này thực sự bền vững thì cần thiết phải có sự kết hợp với các hệ thống xử lý và tuần hoàn nước nuôi (RAS). Công nghệ RAS với trung tâm là hệ thống xử lý nước thải từ hoạt động nuôi trồng thủy hải sản đã và đang được nghiên cứu ứng dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới và tại Việt Nam. Hệ thống xử lý có thể bao gồm nhiều biện pháp: lý học, hóa học, sinh học. Tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ và kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất còn mang tính tự phát, tự tìm tòi, chưa có cơ sở lý thuyết vững vàng, chưa đồng bộ nên vẫn còn nhiều hạn chế, một trong số đó là hoàn thiện cải tiến hệ thống xử lý nước thải để phù hợp về mặt kinh tế và kỹ thuật với hoạt động nuôi tôm nước lợ tại Việt Nam. Công nghệ chính được áp dụng trong các hệ thống RAS hiện này là công nghệ xử lý nước thải bằng quá trình sinh học. Do vậy, Trung tâm công nghệ vật liệu đã triển khai đề tài Nghiên cứu phát triển công nghệ tích hợp sinh học - hóa lý nhằm ứng dụng để xử lý và tái sử dụng nước thải nuôi tôm độ mặn thấp do TS. Chu Xuân Quang làm chủ nhiệm. Đề tài được triển khai nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm nguồn nước từ hoạt động nuôi tôm.

Đề tài triển khai với 3 nội dung chính sau: (1) Ảnh hưởng của các thông số vận hành và hiệu quả xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp của quá trình xử lý sinh học; (2) Lựa chọn kỹ thuật hóa lý để xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp sau xử lý sinh học; (3) Thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp công suất 5-10 m3/ngày.

(1) Ảnh hưởng của các thông số vận hành và hiệu quả xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp của quá trình xử lý sinh học bao gồm:

Khả năng thích nghi của bùn hoạt tính trong bể xử lý: Khi đã xác định được vi sinh vật oxy hóa amoni chiếm ưu thế dựa trên phân tích các chỉ số nước thải, nồng độ amoni đầu vào và thời gian lưu được tăng dần để tăng cường sự phát triển của nhóm vi sinh vật này. Cụ thể, NH4+-N đầu vào đã tăng lên 500 mgN/L, sau đó là hiệu quả xử lý amoni giảm xuống 93,18%. Sau khi thích nghi với nồng độ amoni cao, hiệu suất xử lý được cải thiện tương ứng với giá trị của nước thải đầu ra giảm xuống 21,02mgN/L.

Ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính tới hiệu quả xử lý hệ thống: với giá trị bùn hoạt tính là 3000 mg/L thì đã có thể xử lý hiệu quả nitrit và nitrat trong nước thải nuôi tôm.

Lắp đặt hệ thống xử lý.

Ảnh hưởng của độ mặn tới quá trình xử lý: với độ mặn trung bình của nước thải nuôi tôm độ mặn thấp từ trang trại nuôi là 10‰, bể xử lý hoàn toàn có thể đảm bảo khả năng xử lý nước thải và duy trì trạng thái hoạt động tốt của vi sinh vật. Bên cạnh đó, hệ thống vẫn có thể duy trì được hoạt động nếu có sự gia tăng đột ngột độ mặn của môi trường, đảm bảo sự ổn định cho hệ thống xử lý.

Ảnh hưởng của chế độ sục khí gián đoạn tới hiệu quả xử lý của quá trình xử lý sinh học: chế độ sục khí có ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý COD, BOD₅, amoni, khi thời gian cấp khí không đủ để oxy hóa các chất hữu cơ và dinh dưỡng sẽ ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của hệ thống. Với thời gian cấp khí là 90 phút, amoni bị oxy hóa thành NO_3-, NO_2- nhiều hơn. Giai đoạn ngừng cấp khí 30 phút, nitrat và nitrit bị khử rất ít. Vì vậy, kết thúc chu trình 6 giờ, NO_3-, NO_2- có giá trị tương đối cao 6,58 mg/L; 6,4 mg/L. Khi thời gian ngừng cấp khí của 1 chu trình lên 45 phút, giá trị đầu ra NO_3-, NO_2-  giảm xuống còn 4,52; 4,53 mg/L, tuy nhiên giá trị đầu ra vẫn còn cao. Với chu trình cấp khí/ngừng cấp khí là 60 phút/60 phút, 45 phút/75 phút, 30 phút/90 phút, nitrit và nitrat tạo ra trong giai đoạn cấp khí sẽ được khử gần như hoàn toàn trong giai đoạn ngừng cấp khí, hiệu quả xử lý nitrit, nitrat khá tốt.

Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý của hệ thống: Giá trị nitrit, nitrat đầu ra tại thời gian lưu 8 giờ đạt giá trị 3,6 mg/l; 2,4 mg/L. Khi tăng thời gian lưu nước lên 8 giờ, hiệu quả khử nitrat diễn ra hiệu quả hơn rõ rệt. Nitrat, nitrit đầu ra chỉ còn 0,06 mg/L. Khi tiếp tục tăng thời gian lưu lên 12 giờ và 16 giờ, giá trị đầu ra của nitrit, nitrat không thay đổi nhiều. Như vậy, với thời gian lưu là 8 giờ thích hợp để khử gần như hoàn toàn nitrit, nitrat trong nước thải nuôi tôm.

(2) Lựa chọn kỹ thuật hóa lý để xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp sau xử lý sinh học: hiệu quả xử lý tốt nhất đạt được là trong 10 phút với nồng độ ozone là 0,69 mg O₃/L. Kết quả theo dõi nồng độ ozone dư cũng cho thấy, với chế độ vận hành 10 phút sục và 10 phút dừng sục có thể đảm bảo duy trì được nồng độ ozone dư cần thiết cho quá trình khử trùng trong trường hợp quá trình oxy hóa các hợp chất ô nhiễm trong nước bởi ozone diễn ra. Các thông số vận hành này được áp dụng để thử nghiệm cho quá trình khử trùng bằng ozone trong 15 ngày vận hành liên tục. Với khả năng oxy hóa các hợp chất hữu cơ, ozone đã đóng góp vào quá trình làm giảm COD của nước thải nuôi tôm sau công đoạn xử lý sinh học.Tuy nhiên, hiệu quả giảm COD trung bình chỉ đạt là 48% tương ứng với nồng độ COD thấp nhất sau xử lý là 13 mg/L. Trong khi đó, hiệu quả xử lý coliform của thí nghiệm được duy trì ở mức cao và ổn định, đạt 98,88%. Nồng độ coliform sau xử lý đáp ứng được yêu cầu đối với chất lượng nước thải từ hoạt động nuôi tôm theo QCVN 02-19 2014 BNNPTNT. Bên cạnh đó, ozone còn giúp nâng cao hiệu quả xử COD của hệ thống.

Đã lựa chọn được UV là phương pháp khử trùng chính để thử nghiệm ở quy mô pilot với ưu điểm về chi phí đầu tư, diện tích yêu cầu, mức độ phức tạp của quá trình vận hành. Liều lượng UV là 30 mJ/cm² đã giúp hệ thống đạt được hiệu quả xử lý Coliform trung bình là 2,4 log. Chỉ tiêu coliform của nước sau xử lý đạt giá trị quy định trong QCVN 02-19:2014/BNNPTNT

Quá trình hiếu khí/thiếu khí luân phiên và UV đã được kết hợp trong hệ thống quy mô phòng thí nghiệm công suất 20L/ngày và hệ thống pilot với công suất 5-10m³/ngày . Kết quả cho thấy, nước sau xử lý đảm bảo tiêu chuẩn xả thải được quy định trong QCVN 0219:2014/ BNNPTNT và hoàn toàn có thể được tuần hoàn và tái sử dụng cho quá trình nuôi tôm. Đặc biệt, hệ thống vẫn duy trì được hiệu quả xử lý ổn định với nước thải có độ mặn trung bình là 10‰ và không bị ảnh hưởng nhiều khi độ mặn tăng lên 15‰. Việc xử lý và tuần hoàn nước từ ao nuôi còn giúp duy trì chất lượng môi trường tốt cho ao nuôi, ngăn chặn sự tích tụ và gia tăng nồng độ các chất ô nhiêm. Tốc độ sinh trưởng tốt của tôm trong ao thử nghiệm chính là bằng chứng rõ nét nhất cho chất lượng môi trường của ao nuôi.

(3) Thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp công suất 5-10 m3/ngày:

Tính toán thiết kế hệ thống: Bể điều hòa nước thải có nhiệm vụ điều hoà lưu lượng nước thải, cân bằng về nồng độ và tải trọng các chất ô nhiễm như COD, BOD… thải ra, và kiểm soát sự thay đổi bất thường về lưu lượng trong suốt thời gian xả nước thải, giúp cho nồng độ ô nhiễm của nước thải được trộn đều giảm kích thước và tạo chế độ làm việc ổn định cho các công đoạn xử lý tiếp theo; lựa chọn kích thước của bể thiếu khí - hiếu khí là Chiều dài × Chiều rộng × Chiều cao = 1,8 m × 1,3 m × 1,78 m; Chọn bơm trong bể lắng: Chọn 02 bơm chìm thông số kĩ thuật (N=1/10 Hp, 3 pha) có khả năng bơm bùn với nồng độ 1- 2%. Chạy luân phiên nhau bằng timer và không cần kiểm soát bằng phao mức. Bể lắng được xây dựng chìm và phủ kín nắp hoàn toàn có hệ thống máng thu nước và tách bùn; Trên cơ sở lưu lượng 25,8 (L/phút.đèn), nghiên cứu lựa chọn đèn diệt khuẩn UV với công suất thiết kế là 36 L/phút. Hệ thống sử dụng một đèn và vận hành theo chế độ 1 tiếng chạy và 20 phút nghỉ. Thời gian tiếp xúc của nước là 15 phút.

Thử nghiệm hệ thống: Sau giai đoạn đánh giá hiệu quả xử lý nước thải nuôi tôm sau xử lý sinh học - hóa lý của hệ xử lý trong phòng thí nghiệm. Một quy mô pilot đã được chế tạo để đánh giá hiệu quả xử lý và mức độ tái sử dụng nước thải nuôi tôm. Trong khoảng thời gian đầu vận hành, vi sinh vật trong hệ thống pilot cần thời gian thích nghi với nước thải nuôi tôm nên giá trị COD vẫn còn cao. Sau giai đoạn thích nghi, hiệu quả xử lý của hệ thống tăng dần sau đó ổn định. Kết quả, giá trị COD đầu ra đã đạt tiêu chuẩn đầu ra, hiệu suất xử lý 87,21%. Quy trình vận hành sục khí gián đoạn được sử dụng đã giúp đạt được quá trình xử lý hiếu khí và thiếu khí đồng thời trong cùng một bể xử lý sinh học. Quả trình thiếu khí diễn ra với hiệu quả cao, nước sau xử lý được loại bỏ gần như hoàn toàn nitrit. Nhờ vậy, nồng độ nitrit trong ao nuôi cũng được kiểm soát trong suốt chu trình nuôi tôm. Từ ngày 30 tới ngày 65, hàm lượng coliform trong nước thải đầu ra tương đối thấp, dao động từ 55 – 70 MPN/100ml, hiệu suất xử lý cao trên 99%, đạt tiêu chuẩn đầu ra theo QCVN 02-19:2014/BNNPTNT. Sau 65 ngày vận hành hệ thống quy mô pilot xử lý nước thải nuôi tôm có độ mặn thấp, các giá trị ô nhiễm giảm dần, tới ngày thứ 30 thì giá trị đầu ra của các thông số tương đối ổn định. Các chỉ tiêu như COD, BOD5, TSS, nitrit, nitrat, coliform đã đạt được tiêu chuẩn đầu ra theo QCVN 02- 19:2014/BNNPTNT về Chất lượng nước thải đầu ra và chất lượng nước tái sử dụng để cấp vào ao nuôi tôm. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì một số thời điểm giá trị amoni và H2S vẫn chưa đạt tiêu chuẩn để nước thải đầu ra nuôi tôm có thể tái sử dụng. Vì vậy, cần có các biện pháp để điều chỉnh để tăng hiệu suất xử lý amoni và H2S để có thể tái sử dụng nước thải nuôi tôm.

Tối ưu hóa hệ thống và đánh giá khả năng tái sử dụng nước: Dựa trên các kết quả đã phân tích, một số thông số đã được điều chỉnh để cải thiện chất lượng nước đầu ra và được thử nghiệm trong 15 ngày tiếp theo. Trong 15 ngày thử nghiệm, các giá trị đầu ra của các chỉ tiêu đều đạt tiêu chuẩn đầu ra theo QCVN 02-19:2014/BNNPTNT về Chất lượng nước thải đầu ra và chất lượng nước tái sử dụng để cấp vào ao nuôi tôm. Giá trị amoni sau điều chỉnh đều nhỏ hơn 0,3 mg/L, và H2S đầu ra nhỏ hơn 0,05mg/L. Nước thải nuôi tôm đầu ra đã đủ điều kiện để tái sử dụng lại trong ao nuôi tôm.

Nghiên cứu cũng đã tiến hành thu thập và đánh giá khả năng sinh trưởng phát triển của tôm. Với khối lượng trung bình ban đầu là 0,042 g/con, tôm đạt được tốc độ tăng trưởng ổn định. Sau 75 ngày nuôi, khối lượng tôm đạt trung bình là 13,78±1,043 g/con tương ứng với tốc độ tăng trưởng tuyệt đối là 0,125 (g/ngày). Thử nghiệm đã thu được tôm với tốc độ tăng trưởng tuyệt đối là 0,15 g/ngày. Trong khi đó, tốc độ tăng trưởng tuyệt đối của tôm là 0,1 g/ngày đã được ghi nhận với hệ thống ao nuôi được bổ sung vi khuẩn Bacillus CM3.1. Như vậy, tôm trong nghiên cứu này đã đạt được sự sinh trưởng và phát triển tốt. Kết quả này cũng cho thấy, quá trình xử lý và tuần hoàn nước đã đảm bảo môi trường sống thuận lợi cho sự tăng trưởng của tôm.

Các kết quả về chất lượng nước và sự sinh trưởng phát triển của tôm cũng đã cho thấy những ưu điểm của công nghệ RAS so với các công nghệ nuôi tôm có kiểm soát môi trường nước khác bao gồm công nghệ nuôi tôm nhiều giai đoạn và công nghệ biofloc. So với công nghệ nuôi tôm nhiều giai đoạn, công nghệ RAS có ưu điểm vượt trội trong việc xử lý nước nhờ việc sử dụng các quá trình và thiết bị xử lý được vận hành trong điều kiện tối ưu thay vì chỉ được xử lý sơ bộ bằng các hóa chất như trong công nghệ nuôi tôm nhiều giai đoạn. Công nghệ nuôi tôm nhiều giai đoạn cũng yêu cầu diện tích cho các công trình phụ trợ và xử lý nước thải chiếm tới 75-80% diện tích của trại nuôi. Nhờ ứng dụng quá trình hiếu khí/thiếu khí luân phiên, hệ thống RAS trong nghiên cứu có kích thước nhỏ gọn và chỉ chiếm 5-10% diện tích của trại nuôi.

Nhóm nghiên cứu đã đề ra ưu tiên lựa chọn đối với các giải pháp là có thể thực hiện được và giảm chi phí cho hệ thống RAS. Hệ thống RAS xử lý tuần hoàn nước thải có công suất 10 m³/ngày với tổng vốn đầu tư ban đầu khoảng 100 triệu đồng tương đương với tỷ suất đầu tư là 10 triệu/m³.ngày. Hệ thống tối đa có thể xử lý được 1000 m³ nước thải trong mỗi vụ tôm kéo dài trung bình 100 ngày. Thực tế, bằng việc kiểm soát tốt các điều kiện vận hành và không có dịch bệnh xảy ra, trong 80 ngày thử nghiệm, hệ thống đã xử lý được hơn 600 m³ nước. Chi phí vận hành thông thường của hệ thống chủ yếu là chi phí cho điện năng với mức 2000-3000 đồng/m³, thấp hơn so với mức 5000-10000 đồng/m³.ngày của các hệ thống xử lý bằng công nghệ sinh học. Điều này đạt được là nhờ áp dụng công nghệ hiếu khí/thiếu khí luận phiên kết hợp với tối ưu thể tích của bể xử lý. Có thể thấy, khi ứng dụng hệ thống RAS, nhu cầu về vốn đầu tư có thể tăng cao so với công nghệ truyền thống.

Các kết quả này đã cho thấy hiệu quả kỹ thuật và tiềm năng lớn của quy trình công nghệ đã được thử nghiệm trong xử lý nước thải nuôi tôm độ mặn thấp nói riêng và nuôi trồng thủy sản nói chung. Việc sử dụng RAS có thể giúp tăng sản lượng tôm nhờ duy trì môi trường sinh trường tốt, mật độ nuôi tôm cao. Các hệ thống nuôi trong đất liền còn có thể rút ngắn được quãng đường vận chuyển tôm đi tiêu thụ, giảm giá thành vận chuyển và từ đó nâng cao lợi nhuận thu được.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.