Phát triển và tích hợp cảm biến ammonium và nitrate trong hệ thống giám sát chất lượng nước nuôi thủy sản ứng dụng công nghệ tiên tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

TRẦN THỊ MINH KIÊN

PHÁT TRIỂN VÀ TÍCH HỢP CẢM BIẾN AMMONIUM
VÀ NITRATE TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
CHẤT LƯỢNG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN

ĐỀ ÁN THẠC SĨ HÓA HỌC

Bình Định, tháng 12/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

ĐỀ ÁN THẠC SĨ HĨA HỌC

PHÁT TRIỂN VÀ TÍCH HỢP CẢM BIẾN AMMONIUM
VÀ NITRATE TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
CHẤT LƯỢNG NƯỚC NUÔI THỦY SẢN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN

Ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
Mã số : 8440119

Người hướng dẫn khoa học:
1/ TS. HUỲNH THỊ LAN PHƯƠNG
2/ PGS.TS. NGUYỄN THỊ VƯƠNG HOÀN

Bình Định, tháng 12/2023

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Thị
Vương Hoàn, TS. Huỳnh Thị Lan Phương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ
và động viên tơi trong q trình thực hiện và hồn thành đề án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Đức Thiện, Th.S Lương Thanh
Long và TS. Nguyễn Thị Liễu đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian nghiên
cứu và hoàn thành đề án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Khoa và các Thầy, Cơ bộ mơn
Hóa Học; Các anh chị, các bạn ở phòng thực hành thí nghiệm Hố học – Khu A6,
trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian học tập
và nghiên cứu tại trường.

Đề án này được thực hiện nhờ sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài ĐTĐLCN.44/22
của Bộ Khoa học & Công nghệ. Tôi xin gửi lời cảm ơn sự hỗ trợ này trong suốt
quá trình nghiên cứu và hồn thành đề án.

Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã ln động viên, khích lệ tinh thần trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Vì bản thân còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng như thời gian và kinh
nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp q báu từ Thầy, Cơ để đề án được hồn thiện.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Quy Nhơn, ngày tháng năm 2023

Học viên

TRẦN THỊ MINH KIÊN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1. Lí do chọn đề tài:...................................................................................... 1
2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................. 3
4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 3
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ...................................................... 5
1.1.Tình hình ni trồng thủy sản ở Việt Nam ......................................... 5
1.2. Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước nuôi thủy sản....... 12
1.2.1. Nhiệt độ............................................................................................. 12
1.2.2. Chỉ số pH .......................................................................................... 13
1.2.3. Ammonia và nitrate trong nước nuôi thủy sản .............................. 13
1.3. Giới thiệu điện cực chọn lọc ion ........................................................ 16
1.3.1. Điện cực chọn lọc ion và ứng dụng.................................................19
1.3.2. Đặc trưng của điện cực.................................................................... 18
1.4. Giới thiệu kỹ thuật quang khắc dùng trong chế tạo điện cực
ammonium và nitrate................................................................................ 19
1.5. Tổng quan về ứng dụng công nghệ kết nối vạn vật (IoT) và Machine
Learning (ML) trong quan trắc môi trường nước nuôi thủy sản ........ 20
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .. 23
2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất .................................................................... 23
2.1.1. Thiết bị, dụng cụ............................................................................... 23
2.1.2. Hóa chất.............................................................................................25

2.2. Thực nghiệm.........................................................................................26
2.2.1. Chế tạo điện cực, khảo sát và đánh giá một số đặc tính của điện cực
làm việc trong hệ thiết bị điện hóa..................................................................26
2.2.2. Đánh giá đặc tính của điện cực làm việc trong hệ thiết bị điện hóa28
2.2.3. Tính tốn các đại lượng trong phép đo........................................... 29
2.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu ................................................ 29
2.3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM) . 29

2.3.2. Phương pháp quang phổ tia X phân tán năng lượng ( Energy
Dispersive X ray Spectrocopy, EDX) ......................................................... 30
2.4. Thiết kế mơ hình hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước NTS
...................................................................................................................... 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 36
3.1. Đặc tính cấu trúc của điện cực chế tạo ............................................. 36
3.1.1. Điện cực màng chọn lọc ion ammonium NH4+ .............................. 36
3.1.2. Điện cực màng chọn lọc ion nitrate NO3- ....................................... 39
3.2. Khảo sát đặc trưng điện hóa của điện cực ....................................... 42
3.2.1. Khảo sát thời gian đáp ứng và sự ổn định của điện cực................ 42
3.2.2. Mối quan hệ giữa nồng độ ion ammonium NH4+ và ion nitrate NO3- và
tín hiệu thế.......................................................................................................42
3.2.3. Xây dựng đường chuẩn......................................................................43
3.3. Kết quả phân tích hàm lượng ammonium và nitrate trong nước nuôi
thủy sản ....................................................................................................... 44

3.4. Tích hợp cảm biến ammonium, nitrate, nhiệt độ và pH vào hệ thống
quan trắc môi trường nước NTS ứng dụng công nghệ IoT và ML....... 45
3.4.1. Xây dựng mơ hình hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước 46
3.4.2. Ứng dụng triển khai thực tế mơ hình ............................................. 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 57
KẾT LUẬN................................................................................................. 57

KIẾN NGHỊ................................................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 59
DANH MỤC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ ÁN ..............................68
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu/ Tiếng Anh Tiếng Việt

Tên viết tắt Nhu cầu oxygen hòa tan
Nhu cầu oxygen hóa học
BOD Biochemical Oxygen Demand Điện cực đối chiếu
Oxygen hòa tan
COD Chemical Oxygen Demand Nước đeion
Phương pháp phổ tán xạ
CE Counter electrode năng lượng tia X
Giao thức truyền tải siêu
DO Dissolved Oxygen văn bản

DI Deionized Water Phương pháp sắc ký ion
Điện cực chọn lọc ion
EDX Energy Dispersive X – Ray Kết nối vạn vật
Nút hồi tiếp có cổng
Pectroscopy Lít
Bộ nhớ dài ngắn hạn
HTTP HyperText Transfer Protocol Giới hạn phát hiện
Milligam
HMDS Hexamethydisilazane Học máy
IPA Isopropanol Vận chuyển hàng đợi tin
IEC Ion exchange Chromatography nhắn từ xa

ISE Ion Selective Electrode Nanomet
IoT Internet of things Nuôi thủy sản
GRU Gate recurrent units Nuôi trồng thủy sản
L Litre
LSTM Long Short Term Memory
LOD Limit Of Detection
Mg Milligram
ML Machine Learning
MQTT Message Queueing Telemetry
Transport
Nm Nanometer
NTS Aquaculture
NTTS Aquaculture

OCP Open Circuit Potential Đo thế mạch hở
Ppm Parts per million Một phần triệu
QTMT Environmental monitoring Quan trắc môi trường
RE Reference electrode Điện cực so sánh
S-ISM Solid Ion Selective Membrane Màng chọn lọc ion dung
dịch rắn
SCE Saturated Calomel Electrode Điện cực Calomel bão
hòa
SCISE Solid Contact Ion Selective Điện cực chọn lọc ion
Electrode tiếp xúc rắn
SEM Scanning Electron Microscope Phương pháp kính hiển vi
điện tử quét
TDS Total Dissolved Solids Tổng vật chất hòa tan
TSS Total Suspended Solids Tổng vật chất lơ lửng
UV-Vis UV – Visible Diffuse Reflectance Phổ phản xạ khuyếch tán
DRS Spectroscopy tử ngoại khả kiến

WE Working electrode Điện cực làm việc
WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không
dây
XRD X – Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Tên bảng Trang
7
1 Bảng 1.1. Tình hình nuôi trồng thủy sản từ năm 2010-2022 14

2 Bảng 1.2. Tỷ lệ % của NH3 và tổng nitrogen ammonium phụ 15,16
39
thuộc vào nhiệt độ và pH
41
3 Bảng 1.3. Bảng các chỉ tiêu yêu cầu chất lượng nước NTS
42,43
4 Bảng 3.1. Thành phần nguyên tử các nguyên tố trong NH4+ 44
45
(ISM) – ionophore; NH4+ (ISM) – ionophore trộn với PVC 55
55
và trong điện cực màng chọn lọc ion ammonium NH4+ trạng

thái rắn (S-ISM)

5 Bảng 3.2. Thành phần nguyên tử các nguyên tố trong hỗn

hợp nitrate ionophore VI (có PVC) và điện cực màng chọn

lọc ion nitrate NO3- trạng thái rắn (S-ISM)

6 Bảng 3.3. Điện thế của điện cực và độ lệch chuẩn trong phép

đo thế OCP của ion ammonium và ion nitrate ở các nồng độ

7 Bảng 3.4 Các thông số mơi trường ni cá Chình thương

phẩm

8 Bảng 3.5. Nồng độ ion ammonium và nitrate trong mẫu nước

phân tích

9 Bảng 3.6. Thống kê lỗi với mơ hình LSTM và GRU dự báo

nhiệt độ, pH, ammonium và nitrate cho 20 ngày liên tiếp

10 Bảng 3.7. Thống kê lỗi với mơ hình LSTM và GRU dự báo
các thông số giám sát ammonium và nitrate cho 07 ngày
liên tiếp

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

STT Tên hình Trang
36
1 Hình 3.1. Ảnh SEM của màng NH4+ (ISM) – ionophore (a) 36
38
và màng NH4+ (ISM)–ionophore có trộn với PVC (b)
39
2 Hình 3.2. Ảnh SEM của điện cực màng chọn lọc ion NH4+ 40

40
trạng thái rắn (S-ISM) ở các độ phóng đại khác nhau
46
3 Hình 3.3. Phổ EDX của màng NH4+ (ISM) – ionophore (a), 46
47
có trộn với PVC (b) và điện cực màng chọn lọc ion 47
48
ammonium NH4+ trạng thái rắn (S-ISM) (c) 49
49
4 Hình 3.4. Ảnh SEM của màng NO3- ionophore (trái) và
50
màng NO3- ionophore có trộn với PVC (phải)

5 Hình 3.5. Ảnh SEM của màng chọn lọc ion NO3- trạng thái

rắn (S-ISM)

6 Hình 3.6. Phổ EDX màng chọn lọc ion NO3- ionophore có

PVC (a) và màng chọn lọc ion NO3- trạng thái rắn (S-ISM)

(b)

7 Hình 3.7. Mơ hình đề xuất cho hệ thống giám sát và dự báo

chất lượng nước NTS

8 Hình 3.8. Kiến trúc của lớp cảm biến

9 Hình 3.9. Bo mạch Raspberry Pi 4B

10 Hình 3.10. Ảnh chụp thực tế bo mạch tại lớp cảm biến sau

khi thi cơng

11 Hình 3.11. Kiến trúc mơ hình dự báo sử dụng mạng LSTM

12 Hình 3.12. Kiến trúc mơ hình dự báo sử dụng mạng GRU

13 Hình 3.13. Kích thước dữ liệu ngõ vào và ngõ ra của mơ hình

LSTM

14 Hình 3.14. Mơ tả hoạt động dự báo của mơ hình

15 Hình 3.15. Chia tập dữ liệu huấn luyện và kiểm tra cho tham 51

số nhiệt độ, pH, ion ammonium và ion nitrate

16 Hình 3.16. Kết quả huấn luyện với tham số nhiệt độ, pH, 52

ammonium và nitrate

17 Hình 3.17. Kết quả dự báo nhiệt độ cho 1 ngày tiếp theo 53

18 Hình 3.18. Kết quả dự báo độ pH cho 1 ngày tiếp theo 53

19 Hình 3.19. Kết quả dự báo ammonium cho 1 ngày tiếp theo 54

20 Hình 3.20. Kết quả dự báo nitrate cho 1 ngày tiếp theo 54

1

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài:

Hiện nay, ở nước ta ngành nuôi trồng thủy sản (NTTS) là một trong những
ngành có tiềm năng phát triển mạnh, nhận được sự quan tâm của các Bộ, ban
ngành. Tuy nhiên, vấn đề nổi cộm được quan tâm đó là phải kiểm sốt được chất
lượng mơi trường nước trong nuôi thủy sản (NTS). Chất lượng nước được đánh
giá bằng nhiều thơng số sinh, hóa, lý khác nhau và cần được kiểm tra liên tục để
có thể kịp thời điều chỉnh để bảo vệ con giống hay động vật thủy sản nuôi.

Việc giám sát, phân tích, đánh giá và dự báo chất lượng nguồn nước phục
vụ nuôi trồng thủy sản (NTTS) là một trong những khâu quan trọng trong NTTS,
nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về số lượng và chất lượng của thị trường
trong nước cũng như thế giới ở lĩnh vực này.

Với xu thế tất yếu hiện nay, việc triển khai các hệ thống quan trắc môi
trường (QTMT) nước thông minh phục vụ NTTS 4.0 tại Việt Nam nói chung và
các địa phương có thế mạnh trong ngành NTTS là hết sức cần thiết, đặc biệt quan
tâm là các hệ thống QTMT có khả năng cập nhật dữ liệu từ xa và tự động.

Trong thời gian qua đã có nhiều giải pháp cơng nghệ được triển khai trong
các hệ thống QTMT nước NTS dựa trên nền tảng của các công nghệ thông tin di
động 2G/3G/4G, các mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor
Networks), các công nghệ truyền thông tiêu thụ năng lượng thấp như Bluetooth
năng lượng thấp (Bluetooth Low Energy), hay công nghệ điện toán đám mây, các
giải pháp này cho phép triển khai thiết bị cảm biến tại thực địa để đo đạc các chỉ
số về chất lượng nước NTS, xử lý, phân tích và đánh giá chất lượng nước NTS

[1-4]. Tuy nhiên các nghiên cứu và giải pháp trên vẫn còn tồn tại một số nhược
điểm như việc dự báo chất lượng nước được thực hiện tại máy chủ tập trung (điện
toán đám mây) làm tăng đáng kể thời gian trễ; Các mơ hình hiện có phụ thuộc
vào cơ sở hạ tầng Internet để truyền và nhận dữ liệu, vì vậy tăng chi phí triển khai
hệ thống; Độ chính xác dự đốn từ các mơ hình này chưa cao do thiếu nguồn dữ
liệu thực tế cũng như chưa thu thập đủ dữ liệu với thời gian đủ dài. Bên cạnh đó

2

còn một vấn đề nữa rất được quan tâm đó là hầu hết các cảm biến sử dụng trong
các thiết bị QTMT đều nhập ngoại với giá thành cao, mà thời gian sử dụng lại bị
hạn chế. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng cảm biến điện hóa
nhằm xác định các thơng số mơi trường nước NTS nhận được sự quan tâm nhiều
của các nhà khoa học.

Hiện nay, việc sử dụng các cảm biến điện hóa trong thiết bị QTMT nước
NTS được đánh giá cao và đáp ứng tốt các tiêu chí đề ra. So với các phương pháp
đã được áp dụng phổ biến, phương pháp điện hóa được đánh giá là phương pháp
có nhiều ưu điểm như phân tích nhanh, độ chọn lọc và độ nhạy cao, giá thành
thấp, dễ vận hành, không độc hại với môi trường và điều quan trọng là có thể sử
dụng trực tiếp tại hiện trường theo thời gian thực. Hiệu quả của các phép phân
tích điện hóa chịu ảnh hưởng rất lớn của vật liệu điện cực làm việc. Các nghiên
cứu tập trung chủ yếu vào việc chế tạo các loại điện cực khác nhau nhằm tăng độ
nhạy, độ chọn lọc của phép phân tích, sau đó tích hợp vào hệ thiết bị điện hóa để
giám sát chất lượng nước NTS. Trong đề án này các điện cực được quan tâm là
điện cực chọn lọc ion (ISE) ứng dụng trong phân tích điện hóa nhằm phân tích
ammonium và nitrate. Đã có rất nhiều loại điện cực ISE được chế tạo thành cơng,
tuy nhiên tùy thuộc vào mục đích và đối tượng cụ thể mà các loại điện cực sẽ
được nghiên cứu chế tạo phù hợp. Việc lựa chọn này phải dựa trên cơ sở là những
đặc tính của vật liệu, kích thước và cấu hình của điện cực.

Ngoài việc nghiên cứu phát triển điện cực ammonium và nitrate ứng dụng
trong phân tích điện hóa, các điện cực ammonium và nitrate còn được nghiên cứu
và tích hợp với cảm biến nhiệt độ, pH trong hệ thiết bị điện hóa đa năng và hệ
thống QTMT nước NTS ứng dụng công nghệ kết nối vạn vật IoT và Machine
Learning (ML) nhằm để phân tích, đánh giá và dự báo các thông số này trong môi
trường nước NTS theo thời gian thực. Sự kết hợp giữa ML và IoT mang lại nhiều
lợi ích, đó là giảm nguồn lực cho cơng tác lấy mẫu và phân tích chỉ số tại phịng
thí nghiệm theo kiểu truyền thống; Giảm thời gian phân tích và đảm bảo tính giám
sát liên tục với mọi thay đổi của chất lượng nguồn nước; Dự đoán trước được các
nguy cơ có thể xảy ra trong tương lai gần giúp người sử dụng chủ động tránh thiệt

3

hại do ô nhiễm nguồn nước.
Xuất phát từ những lí do trên tơi chọn đề tài “ Phát triển và tích hợp cảm

biến ammonium và nitrate trong hệ thống giám sát chất lượng nước nuôi thủy
sản ứng dụng công nghệ tiên tiến”.
2. Mục tiêu của đề tài
- Phát triển và hoàn thiện việc chế tạo điện cực ammonium và nitrate ứng dụng
trong phân tích điện hóa nhằm xác định ammonium và nitrate trong nước NTS.
- Bước đầu nghiên cứu tích hợp các điện cực ammonium, nitrate vào hệ thống
giám sát chất lượng nước NTS ứng dụng công nghệ IoT và ML (các cảm biến
nhiệt độ và pH ln được tích hợp trong phép đo) nhằm kiểm sốt và duy trì
lượng ion ammonium và nitrate trong NTS phù hợp nhất với các sinh vật nuôi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Điện cực làm việc: điện cực màng chọn lọc ion NH4+ và ion NO3- (trạng thái

rắn S-ISM).

- Điện cực so sánh: điện cực Ag/AgCl/KCl và điện cực Ag/AgCl/KCl/LiAc.
- Dung dịch chứa ion NH4+; Dung dịch chứa ion NO3-.
- Mẫu nước NTS.
- Cảm biến ammonium, nitrate, pH và nhiệt độ.
- Thuật toán LSTM(Long Short-Term Memory); GRU(Gate Recurrent Unit)
- Bộ vi điều khiển (ESP8266 NodeMCU).
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện ở quy mơ phịng thí nghiệm và tại hiện trường.
4. Nội dung nghiên cứu
Chương 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT
Trong chương này trình bày Tổng quan tình hình NTTS ở Việt Nam; Các thông
số cơ bản đánh giá chất lượng nước NTS; Giới thiệu điện cực chọn lọc ion; Giới
thiệu kỹ thuật quang khắc dùng trong chế tạo điện cực ammonium và nitrate; Tổng
quan về ứng dụng công nghệ IoT và ML trong QTMT nước NTS.

4

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
Trong chương này trình bày các nội dung: Chế tạo điện cực, khảo sát và đánh giá
một số đặc tính của điện cực làm việc trong hệ thiết bị điện hóa; Các phương pháp
đặc trưng; Thiết kế mơ hình hệ thống giám sát và dự báo chất lượng nước NTS.
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong chương này trình bày các nội dung: Khảo sát và đánh giá một số đặc trưng
của điện cực chế tạo làm việc trong hệ thiết bị điện hóa; Kết quả xử lý mẫu nước
lấy tại thực địa để đánh giá ammonium và nitrate; Tích hợp cảm biến ammonium,
nitrate, nhiệt độ và pH vào hệ thống QTMT nước NTS ứng dụng công nghệ IoT
và ML và ứng dụng triển khai thực tế mơ hình.
5. Phương pháp nghiên cứu

5.1. Phương pháp lý luận
Trên cơ sở lý thuyết tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu, các nội dung nghiên cứu
của đề án được xác định phù hợp và có tính khả thi.
5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và kiểm tra đánh giá
- Chế tạo điện cực màng chọn lọc ion NH4+ và NO3- ở dạng rắn (S-ISM) sử dụng
phương pháp nhỏ giọt (drop casting), kỹ thuật quang khắc.
- Đặc trưng vật liệu nghiên cứu bằng các phương pháp hóa, lý hiện đại như hiển
vi điện tử quét (SEM) nhằm xác định hình thái của vật liệu và bề mặt điện cực
trước và sau khi biến tính; Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) nhằm
xác định sự có mặt của các nguyên tố và thành phần phần trăm nguyên tử các
nguyên tố trong đối trượng nghiên cứu.
- Đặc trưng điện hóa điện cực được thực hiện trên hệ đo 2 điện cực (điện cực so
sánh và điện cực màng chọn lọc ion chế tạo). Điện cực so sánh Ag/AgCl/KCl và
điện cực Ag/AgCl/KCl/LiAc (Hãng NiCo2000).
- Tích hợp cảm biến ammonium, nitrate, nhiệt độ và pH trong hệ thống giám sát
chất lượng nước NTS ứng dụng công nghệ IoT và ML nhằm xác định các thông
số ammonium, nitrate, nhiệt độ và pH trong nước NTS theo thời gian thực.

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT
1.1. Tình hình ni trồng thủy sản ở Việt Nam

Việt Nam là quốc gia ven biển có vị trí chiến lược ở khu vực Đơng Nam
Á và châu Á. Vùng đặc quyền kinh tế nước ta có trên 1 triệu km2, bờ biển dài
hơn 3.260 km cùng khoảng 4.000 đảo, quần đảo, mặt nước sông suối, ao hồ, đầm
phá, bãi triều, cửa sông rộng lớn đã tạo nên tiềm năng lớn và phong phú cho sự
phát triển của nuôi trồng thủy sản (NTTS).

Có thể thấy ngành thủy sản đã và đang chiếm vị trí đặc biệt quan trọng

trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của Việt Nam. Để ngành thủy sản trở
thành ngành kinh tế mũi nhọn của đất nước, trong những năm gần đây, nhà nước
đã ban hành nhiều văn bản pháp luật nhằm đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong
nuôi trồng thủy hải sản gắn với bảo vệ môi trường, nâng cao năng lực cạnh tranh,
mở rộng quy mô sản xuất. Tại Quyết định số 332/QĐ-TTg ngày 03/03/2011 của
Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề án phát triển nuôi trồng thủy sản đến năm
2020 đã đề ra mục tiêu “Phát triển nhanh nuôi trồng thủy sản theo hướng cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa có hiệu quả, sức cạnh tranh cao và phát triển bền vững;
trở thành ngành sản xuất chủ lực cung cấp nguyên liệu cho chế biến xuất khẩu
và tiêu dùng trong nước, đồng thời tạo nhiều việc làm, tăng thu nhập cho những
nông, ngư dân, đảm bảo an sinh xã hội, góp phần xóa đói giảm nghèo và bảo vệ
an ninh quốc phịng vùng biển, đảo của Tổ quốc”. Đáng chú ý, tại Quyết định
339/QĐ-TTg ngày 11 tháng 03 năm 2021 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt
Chiến lược phát triển thủy sản Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045
[5] với mục tiêu chung đến năm 2030, “Phát triển thủy sản thành ngành kinh tế
quan trọng của quốc gia, sản xuất hàng hóa lớn gắn với cơng nghiệp hóa - hiện
đại hóa, phát triển bền vững và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu; có cơ
cấu và hình thức tổ chức sản xuất hợp lý, năng suất, chất lượng, hiệu quả cao; có
thương hiệu uy tín, khả năng cạnh tranh và hội nhập quốc tế; đời sống vật chất
tinh thần của người dân không ngừng nâng cao, bảo đảm an sinh xã hội; góp phần
bảo đảm quốc phịng, an ninh, giữ vững độc lập, chủ quyền biển đảo của Tổ
quốc” và tầm nhìn đến năm 2045: “Thủy sản là ngành kinh tế thương mại hiện

6

đại, bền vững, có trình độ quản lý, khoa học công nghệ tiên tiến; là trung tâm chế
biến thủy sản sâu, thuộc nhóm ba nước sản xuất và xuất khẩu thủy sản dẫn đầu
thế giới; giữ vị trí quan trọng trong cơ cấu các ngành kinh tế nông nghiệp và kinh
tế biển, góp phần bảo đảm an ninh dinh dưỡng, thực phẩm; bảo đảm an sinh xã
hội, làng cá xanh, sạch, đẹp, văn minh; lao động thủy sản có mức thu nhập ngang

bằng mức bình quân chung cả nước; góp phần bảo đảm quốc phịng, an ninh, giữ
vững độc lập, chủ quyền biển đảo của Tổ quốc”.

Phát huy thế mạnh về điều kiện tự nhiên, ngành NTTS nước ta không
ngừng phát triển, đã tạo được nhiều dấu ấn và có vị trí quan trọng trong nền kinh
tế đất nước. Hoạt động NTTS đã góp phần đảm bảo an ninh thực phẩm, tạo việc
làm, nâng cao thu nhập, góp phần xóa đói giảm nghèo, ổn định và phát triển kinh
tế đất nước. Đến nay, NTTS đã có nhiều dịng sản phẩm tham gia vào chuỗi cung
ứng sản phẩm toàn cầu, mỗi năm mang lại bình quân khoảng 9 tỷ USD cho đất
nước. Theo công bố của FAO (2020), Việt Nam là 01 trong 10 quốc gia có sản
lượng NTTS lớn nhất thế giới và nằm trong nhóm 04 quốc gia trên thế giới có
sản lượng NTTS chiếm trên 50% tổng sản lượng thủy sản cả nước [6].

Theo tổng cục Thủy sản, giai đoạn 2010-2020, tình hình NTTS của Việt
có bước phát triển cả về diện tích và sản lượng ni. Năm 2010, tổng diện tích
NTTS cả nước là 1,053 triệu ha; đến năm 2020, tổng diện tích NTTS cả nước là
1,3 triệu ha, tăng trưởng diện tích ni trồng bình qn giai đoạn 2010-2020 là
0,9%/năm; sản lượng NTTS đạt 4,56 triệu tấn, chiếm 54% tổng sản lượng thủy
sản Việt Nam, tăng trưởng sản lượng bình quân là 5,5%/năm [6]. Đến năm 2021-
2022, diện tích ni khơng thay đổi so với năm 2020 (1,3 triệu ha), tuy nhiên sản
lượng ni có xu hướng tăng so với năm 2020, đạt 4.855 tấn vào năm 2021 và
5.163,7 tấn vào năm 2022 (Bảng 1.1). Xuất khẩu sản phẩm từ NTTS đạt 5,4 tỷ
USD, chiếm 62,8% tổng giá trị xuất khẩu thủy sản, tăng trưởng xuất khẩu từ
NTTS bình quân 3,4%/năm. Tôm nước lợ (tôm sú, tôm chân trắng), cá tra,
nhuyễn thể là các đối tượng nuôi chủ lực chiếm tỷ trọng lớn về diện tích và sản
lượng NTTS.

7

Bảng 1.1: Tình hình ni trồng thủy sản từ năm 2010-2022

TT Danh mục ĐVT Tình hình NTTS

2010 2015 2020 2021 2022

1 Diện tích nghìn ha 1.053 1.057 1.300 1.300 1.300

2 Sản lượng nghìn tấn 2.742 3.532 4.560 4.855 5.163,7

(Nguồn: Tổng cục Thủy sản, 2021, 2022)

Những thành tựu:

+ NTTS liên tục tăng trưởng với tốc độ cao theo hướng nâng cao năng

suất, chất lượng, hiệu quả; gắn sản xuất với thị trường trong nước và xuất khẩu;

đóng góp quan trọng vào nền kinh tế quốc dân nói chung và ngành thủy sản nói

riêng.

Ngành NTTS nước ta đã từng bước phát triển theo chiều sâu, quy mô diện

tích tăng trưởng chậm chỉ đạt 0,9%/năm trong tồn giai đoạn, trong khi sản lượng

tăng trung bình 5,4%/năm trong tồn giai đoạn. Nhiều mơ hình ni tiên tiến, áp

dụng khoa học công nghệ để tăng năng suất, sản lượng; nhiều đối tượng mới

được đưa vào sản xuất để khai thác và sử dụng hiệu quả tiềm năng về điều kiện

tự nhiên như cá nước lạnh, nhuyễn thể... tạo nên sự đa dạng về giống loài, sản

phẩm cung cấp cho thị trường trong nước và xuất khẩu. Đã hình thành rõ nét các

đối tượng chủ lực, tiềm năng làm cơ sở cho việc đầu tư nghiên cứu, nâng cấp cơ

sở hạ tầng, mở rộng thị trường tiêu thụ, thúc đẩy sản xuất phát triển. Sản phẩm

NTTS phục vụ xuất khẩu nhìn chung đáp ứng được các tiêu chuẩn cao nhất của

các thị trường lớn như Hoa Kỳ, EU, Nhật Bản, Hàn Quốc...

Sự phát triển mạnh mẽ của NTTS trong những năm gần đây đã làm gia

tăng khối lượng nguyên liệu chế biến thủy sản, dẫn đến công suất các cơ sở chế

biến và nhu cầu lao động cũng không ngừng gia tăng.

Phát triển NTTS tạo việc làm để chuyển đổi nghề nghiệp cho khu vực nông

thôn, vùng sâu, vùng xa; đặc biệt chuyển đổi nghề nghiệp cho cộng đồng cư dân

hoạt động khai thác hải sản ven bờ, góp phần bảo vệ mơi trường, nguồn lợi thủy

sản.

8

Khoa học cơng nghệ, cơ sở hạ tầng và trình độ người lao động không

ngừng được tăng cao, phát triển để đáp ứng với u cầu sản xuất. Nhiều mơ hình
ni mới thích ứng với tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH) mang lại hiệu quả
cho người dân, đặc biệt là khu vực ven biển. Nhiều diện tích đã chuyển đổi kịp
thời từ đất sản xuất nông nghiệp bị xâm nhập mặn, hiệu quả thấp, bấp bênh sang
NTTS để ổn định sản xuất và tăng thu nhập cho người dân; diện tích hồ chứa,
tiềm năng nước lạnh đã và đang được tận dụng, khai thác sử dụng có hiệu quả,
vừa tạo giá trị, sinh kế và thu nhập cho doanh nghiệp, người dân, đặc biệt là đồng
bào ở khu vực biên giới, vùng sâu, vùng xa.

Cơng tác phịng ngừa dịch bệnh và cảnh báo mơi trường đã hoạt động có
những hiệu quả nhất định, góp phần giảm thiểu những rủi ro trong sản xuất.

Lao động tham gia NTTS cũng từng bước nâng cao được tay nghề, nâng
cao được ý thức bảo vệ môi trường, nguồn lợi, áp dụng các quy trình sản xuất
sạch để tạo sản phẩm đảo bảo chất lượng.

+ Góp phần đảm bảo an ninh lương thực quốc gia.
NTTS đã tạo ra khối lượng sản phẩm lớn, đáp ứng đủ nhu cầu thực phẩm
tiêu dùng của người dân trong nước. NTTS đã góp phần chuyển đổi được gần
380 nghìn ha ruộng trũng, đất bãi bồi hoang hóa, trồng trọt kém hiệu quả sang
nuôi trồng thủy sản (ở 44 tỉnh thành), làm tăng giá trị sử dụng đất lên từ 4-10 lần,
song không ảnh hưởng đến an ninh lương thực quốc gia.
+ Các hình thức tổ chức sản xuất NTTS tiếp tục được đổi mới.
Hệ thống sản xuất - kinh doanh trong ngành bao gồm, hợp tác xã (HTX),
tổ hợp tác (THT), doanh nghiệp, hộ gia đình, trang trại và các tổ chức xã hội -
nghề nghiệp; Hiệp hội ngành kinh doanh với nhiều hình thức tính chất, trình độ
khác nhau, hệ thống này đã tự động liên kết với nhau do nhu cầu từ thực tiễn của
sản xuất hàng hóa và ngày càng được củng cố, phát triển để liên kết phát triển ổn
định, bền vững.
Tổ chức xã hội - nghề nghiệp, tổ chức ngành hàng đã từng bước hình thành

và phát triển như Hội Nghề cá Việt Nam (VINAFIS), Hiệp Hội chế biến và xuất
khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), góp phần củng cố và tăng cường mối quan

9

hệ giữa phát triển sản xuất với thị trường tiêu thụ, tạo lập mối liên kết giữa doanh
nghiệp chế biến với ngư dân sản xuất nguyên liệu để tăng sức cạnh tranh và tăng
cường khả năng hội nhập với nền kinh tế thế giới.

+ Hệ thống cơ sở dịch vụ hậu cần phục vụ NTTS được xây dựng và củng
cố góp phần hỗ trợ ngư dân phát triển sản xuất.

Kết cấu hạ tầng cơ sở đã được xây dựng củng cố và nâng cao nhằm tạo
điều kiện thuận lợi cho các thị trường tăng trưởng thông suốt. Hệ thống thủy lợi
phục vụ NTTS đã được quan tâm đầu tư để phục vụ NTTS thông qua các chương
trình, dự án đầu tư để tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất phát triển.

Tồn tại và hạn chế:
Bên cạnh những thành tựu đạt được, NTTS nước ta trong thời gian qua cũng
gặp phải khơng ít những khó khăn, tồn tại, cụ thể:
+ Phát triển NTTS còn mang nhiều yếu tố bất cập, rủi ro và không bền vững.
Tăng trưởng cao, song hiệu quả chưa tương xứng. Sự liên kết và phân cơng sản
xuất cịn nhiều tồn tại bất cập.
+ Diện tích mặt nước ngọt, lợ đưa vào NTTS đã tăng đến mức giới hạn; mơi
trường sống của các lồi thủy sinh vật ở một số thủy vực bị xâm hại, chất lượng
mơi trường có xu hướng ngày càng giảm. Sự chồng lấn trong hoạt động của các
ngành kinh tế đặc biệt là khu vực ven biển đã gây nên tình trạng xuống cấp nghiêm
trọng về mơi trường ở một số khu vực, tác động tiêu cực đến sản xuất, đặc biệt là
NTTS.
+ Cơ sở hạ tầng kỹ thuật nghề cá chưa được đầu tư tương xứng với nhu cầu

phát triển đặc biệt là hệ thống thủy lợi phục vụ NTTS còn thiếu dẫn đến tình trạng
ơ nhiễm mơi trường, dịch bệnh lây lan ảnh hưởng đến môi trường, nguồn lợi và
thiệt hại về kinh tế trong sản xuất.
+ Cơng tác quản lý ngành cịn nhiều bất cập, chồng chéo gây lãng phí nguồn
lực. Hệ thống văn bản quản lý chậm được ban hành, hiệu lực thi hành chưa cao.
Ngoài những tồn tại và hạn chế nêu trên trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam còn
chịu nhiều tác động khác:

10

- Chịu tác động nặng nề của ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu
Những năm gần đây, do hoạt động kinh tế của con người mà ngành thủy

sản đang bị tác động mạnh của biến đổi khí hậu. Vào đầu năm 2016, do thời tiết
nắng nóng và xâm nhập mặn, một số tỉnh như Trà Vinh, Kiên Giang, Bến Tre, Cà
Mau, Bạc Liêu đã bị thiệt hại khoảng 2.000 ha [7].

Tình trạng các đập thủy điện ở thượng nguồn giữ và xả nước của dịng
sơng Mê Kơng khơng theo quy luật cũng đang khiến chất lượng nước và độ mặn
của nước biến động bất thường. Khoảng 80% diện tích nuôi tôm ở đồng bằng sông
Cửu Long là tự phát, nuôi quy mô nhỏ. Thiếu quy hoạch nên đã gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường và xã hội.... kéo theo hàng loạt vấn đề xã hội như ô
nhiễm nguồn nước phục vụ sinh hoạt và sản xuất của cộng đồng, mâu thuẫn lợi
ích trong việc chia sẻ các nguồn tài nguyên thiên nhiên có ảnh hưởng đến sinh kế
của người dân.

- Dịch bệnh.
Theo báo cáo của Cục Thú y, 10 tháng đầu năm 2015, hơn 8.000 tấn

thủy sản xuất khẩu của Việt Nam bị các nước trả về do vi phạm quy định nhập

khẩu [8]. Việc khơng kiểm sốt dịch bệnh từ gốc, không quyết liệt từ địa phương
đã khiến ngành xuất khẩu lao đao. Dịch bệnh hoành hành, theo nhiều chuyên gia,
do nhiều địa phương đã chủ quan cho rằng dịch bệnh đã được khống chế và điều
đó có nghĩa dịch bệnh trên tôm đã được giải quyết.

- Sử dụng kháng sinh tràn lan.
Trong hoạt động NTS nguy cơ ơ nhiễm mơi trường, dư lượng hóa

chất, kháng sinh chưa được kiểm soát tốt. Sản xuất thiếu bền vững do sử dụng các
hóa chất, kháng sinh tràn lan, đồng thời nước thải, chất thải chủ yếu được xả thẳng
ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng. Nguồn nước ô nhiễm này lại được tái sử
dụng làm tăng nguy cơ dịch bệnh cho các vụ tiếp theo.

- Quản lý chất lượng và an tồn thực phẩm cịn hạn chế
Hệ thống theo dõi, giám sát và có khả năng truy xuất nguồn gốc q trình
ni, chế biến đến tiêu thụ thủy sản tại Việt Nam còn rất hạn chế. Mặt khác, đa số
sản phẩm thủy sản Việt Nam không truy xuất được nguồn gốc dẫn đến việc các