Nghiên cứu quá trình chuyển hóa O-Phốt phát trong hệ thống tuần hoàn nước nuôi giống cá biển bằng công nghệ lọc sinh học ngập nước ppsx

Nghiên cứu quá trình chuyển hóa O-Phốt phát
trong hệ thống tuần hoàn nước nuôi giống cá
biển bằng công nghệ lọc sinh học ngập nước

Giảm nồng độ O – Phốt phát bằng phương pháp sinh học trong hệ thống tuần hoàn tái
sử dụng nước biển trong nuôi trồng thủy sản (RAS) là mục tiêu quan trọng. Báo cáo
này trình bày nghiên cứu được thực hiện trên hệ thống tuần hoàn nước trong nuôi
trồng thủy sản (RAS - Recirculation Aẹuaculture System) tái sử dụng nước biển bằng
công nghệ lọc sinh học ngập nước, được thiết kế để loại bỏ các chất hữu cơ.
Trong bài viết này đề cập đến việc loại bỏ hợp chất phốt pho hữu cơ. Xác định ảnh
hưởng của độ mặn đến hiệu suất chuyên hóa O - Phốt phát (PE) ở quy mô thí
nghiêm (mối tương quan nghịch giữa độ mặn và tỷ lệ chuyến hóa O – Phốt phát đã
được xác định). Xác định hiệu suất chuyển hóa O – Phốt phát trong hệ thống xử lý ở
quy mô Pilot và quy mô ứng dụng sản xuất. Xác định hệ số BOD
5
/PO4
3
đến hiệu suất
chuyển hóa. Kết quả cho thấy ở quy mô thí nghiệm quá trình tích lũy O - Phốt phát
xảy ra khi hệ số BOD5/PO4
3
> 10; ở quy mô Pilot và ứng dụng sản xuất hệ
so BOD5/PO4
3
> 6.
1. Giới thiệu
Nuôi trồng thủy sản chiếm gần 50% tổng sản lượng thủy sản được tiêu thụ trên toàn
thế giới (FAO, 2005). Hệ thống nuôi trồng thủy sản ứng dụng công nghệ tuần hoàn
nước (RAS - Recirculation Aquaculture System) bằng công nghệ lọc sinh học [1] đã
được triển khai nghiên cứu và phát triển vói mục tiêu tái sử dụng nước nuôi và làm
giảm lượng nước thải. Hệ thống này sử dụng công nghệ lọc sinh học ngập nước (SBF

- Submerged BioFilter), trong đó quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng,
Ammonia, O-Phốt phát trong thức ăn thừa, chất thải của cá nuôi trong nước bởi màng
sinh vật phát triển trên vật liệu đệm lọc.
Vi sinh vật hấp thụ phốt pho cho sự phát triển tế bào, ở các tế bào đơn tích lũy
polyphosphate vài nghìn đơn vị phosphate. Phốt phát chiếm đến 12% trọng lượng tế
bào của vi khuẩn tích lũy polyphotphate, trong khi vi khuẩn không tích lũy
polyphotphate chỉ có khoảng 1% -3% Phốt phát [2]. Polyphosphate tích lũy là một
nguồn năng lượng đồng hóa chất trong quá trình ky khí cho điều kiện tăng trưởng và
tổng hợp poly-A-hydroxyalkanoate (PHA). Bằng chứng cho thấy, sự giảm đi của
polyphosphate bằng cách điều chỉnh độ pH trong tế bào dưới điều kiện môi trường
kiềm [3]. Đối vói loại bỏ phốt phát sinh học là quá trình hấp thụ phốt phát bởi vi
khuẩn tích tụpolyphosphate trong nước thải có thể ở môi trường thiếu khí hoặc hiếu
khí.
Chất thải dinh dưỡng từ nước nuôi cá chủ yếu là Nitơ và Phốt pho. Nghiên cứu này
tập trung vào quá trình chuyển hóa Phốt pho bằng công nghệ lọc sinh học ngập nước
trong hệ thống RAS ở quy mô Pilot và quy mô sản xuất. Phốt pho trong nước thải
nuôi trồng thủy sản chủ yếu là nguồn Phốt pho hữu cơ từ thức ăn thừa và chất thải của
cá. Vì vậy, xác định quá trình chuyển hóa Phốt pho trong nước được tính toán là quá
trình chuyển hóa O - Phốt phát (PO4
3
-). Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của các nồng
độ mặn khác nhau đến hiệu suất chuyển hóa O -Phốt phát. Xác định hệ số BOD/PO4
3
-
(viết tắt là hệ số B/P) đến hiệu suất chuyển

2. Phương pháp nghiên cứu và mô hình thí nghiệm
2.1. Hệ thống lọc sinh học ngập nuớc (SBF)
Quy mô thí nghiệm, quy mô Pilot
Sơ đồ hệ thống thí nghiệm được trình bày trong hình 1 a, b, c. Mô hình lọc quy mô

Pilot có thể tích ngập nước bằng 0,20m
3
(dài 0,8m; rộng 0,5m; cao 0,5m), ngăn
số 1 lọc xuôi rộng 0,2m, ngăn số 2 lọc ngược rộng 0,4cm và ngăn số 3 rộng 0,2cm,
chiều cao của vật liệu lọc 0,35m. Thể tích vật liệu lọc dài 0,8m x rộng 0,5m x cao
0,35m = 0,14m
3
. Vật liệu lọc là đá san hô có tiết diện bề mặt riêng khoảng 277 -
321m2/m
3
và đá sét Zeolite đóng rắn có tiết diện bề mặt riêng khoảng 250 -
450m
2
/m
3
.
Quy mô sản xuất
Bể lọc quy mô sản xuất được thiết kế tương tự như bể lọc sinh học quy mô Pilot. Hệ
thống lọc ngập nước được chia thành 4 ngăn, có thể tích 4,5m
3
(ngăn 1: 1m
3
; ngăn
2: 1m
3
; ngăn 3: 2,5m
3
). Vật liệu lọc là đá san hô có tiết diện bề mặt riêng trong
khoảng 277 - 321m
2

/m
3
và đá sét Zeolite đóng rắn có tiết diện bề mặt riêng khoảng
250 - 450m
2
/m
3
.
2.2. Phương pháp thí nghiệm
2.2.1. Xác định ảnh hưởng của độ mặn đến quá trình chuyển hóa O - Phốt phát và
hệ sô BODs/PO4
3
-
Dung dịch dinh dưỡng (tính trên 1 lít dung dịch) bao gồm các thành phần sau: Sodium
acetate (NaHCO
3
), 5.6 g; KH2PO4 0.4 g; NH4CI, LO g; MgS0
4
.7H
2
0, 0.6 g;
Na
2
S
2
03 5H2O, 0.1 g; CaCl
2
2H2O, 0.07 g.
Thí nghiệm với vật liệu đệm lọc bằng đá san hô có tiết diện bề mặt riêng (ASS)
350m

2
/m
3
, đá sét Zeolite có ASS là 450m
2
/m
3
và hỗn họp 1/2 đá san hô cùng 1/2 đá
sét Zeolite ASS trung bình là 400m
2
/m
3
.
Thí nghiệm vận hành hệ thống và đánh giá các thông số của bể lọc sinh học ngập
nước (SBF) ở điều kiện độ mặn khác nhau (0%o; 8%
0
; 16%
0
; 2A% và 32%o).
Hệ thống bể nuôi cá và bể lọc như sơ đồ hình la. Bể không nuôi cá có thể tích nước
500 lít, điều kiện thí nghiệm 28°C, pH 7,6 - 7,8. Lun lượng nước tuần hoàn bằng máy
bơm công suất 0,5m
3
/giờ, vận hành liên tục trong 24h. Bể nước sau lọc được sục khí
đạt DO = 6mg/l.
Mẫu nước được thu ở 2 điểm (điểm 1: nước thải ra từ bể cá; điểm 2: nước sau khi xử
lý bởi hệ thống lọc SBF, hình la, ký hiệu A); mẫu được phân tích ngay sau khi thu
mẫu. PO4
3-
được phân tích bằng phương pháp nhuộm màu xanh Molipdat, so màu

trên máy ở bước sóng 880 mm; nhu cầu ôxy hóa học (BOD5) ủ trong 5 ngày và xác
định ôxy bằng phương pháp Winkler. Các phương pháp theo cuốn Standard Methods
[4]. Ôxy và pH được đo hàng ngày bằng máy đo có độ chính xác đến 0.01.

2.2.2.Thí nghiệm mô hình ở quy mô Pilot
Mô hình thí nghiệm ở quy mô Pilot tương tự như ở mục 2.2.1. Bể nuôi được thả cá,
mật độ thả cá trong bể nuôi 200 con/m
3
, lượng thức ăn cho cá là 240g/m
3
/ngày (10%
trọng lượng cá), cho ăn 2 lần/ngày.
2.2.3.Thí nghiệm quy mô sản xuất:
Số liệu được tiến hành theo dõi và phân tích trong 69 ngày (là thời gian cá từ giai
đoạn ấu trùng đến cá giống, có thể bán ra thị trường). Quá trình được tiến hành khi hệ
thống đạt trạng thái ổn định, 22 ngày.
2.3. Phân tích thống kê
Phân tích ảnh hưởng của độ mặn đến hiệu suất chuyển hóa Phốtphát (PE) và hệ
sốBOD5/PO4
3
- trong hệ thống lọc sinh học SBF bằng phần mềm excel. Phương pháp
so sánh đánh giá các số liệu, giá trị các thí nghiệm tiến hành, hệ số tương quan, mô
hình tính toán theo phương pháp được mô tả bởi Neter et ai. (1990) [6].
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Ảnh hưởng của độ mặn đến quá trình chuyển hóa O - Phốt phát trong hệ thống
RAS
Thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng độ mặn đến quá trình chuyển hóa ở quy mô thí
nghiệm. Kết quả được trình bày trong hình 2 a, b.
Ở hình 2a, khi thực hiện thí nghiệm ở điều kiện nước ngọt có độ mặn 0%c tỷ
lệ chuyển hóa O - Phốt phát lớn nhất là 57% và giảm dần khi độ mặn tăng. Ở độ mặn

20 - 32%o, hiệu suất chuyển hóa O - Phốt phát chỉ đạt khoảng 10 - 15%.
Ở hình 2b, mối tương quan giữa hiệu suất chuyển hóa Phốt pho và độ mặn thể hiện là
mối tương quan nghịch (với hệ số R
2
= 0.8214). Như vậy, mối tương quan ngược chặt
chẽ, khẳng định hiệu suất chuyển hóa O - Phốt phát giảm đi khi độ mặn tăng lên.
Mối quan hệ giữa hiệu suất chuyển hóa và hệ số BOD5/PO4
3-
được trình bày trong
hình 2c.
Ở hình 2c, kết quả chỉ ra rằng để quá trình chuyển hóa O – Phốt phát được diễn ra, hệ
sốBOD5/PO4
3
- phải < 10. Tuy nhiên, quá trình chuyển hóa O - Phốt phát chỉ đạt
được hiệu suất cao nhất là 37,27 % khi hệ số BOD5/PO4
3-
là 1.36 Giá trị BOD
5
/P0
4
3-
< 10 có nghĩa là giá trị BOD trong nước thấp quá trình chuyển hóa O – Phốt phát sẽ
xảy ra trong hệ thống. Quá trình chuyển hóa O - Phốt phát chủ yếu được thực hiện
trong môi trường vi khuẩn dị dưỡng (vi khuẩn thực hiện quá trình khử).
Hệ số BOD5/PO4
3-
càng cao, quá trình chuyển hóa O – Phốt phát (dạng O- Photphat)
càng giảm, và lượng O - Phốt phát sẽ tích lũy trong hệ thống theo thời gian.
Thảo luận:
Trong thực tế, khi nuôi giống cá biển, chỉ thực hiện trong điều kiện nước mặn (chủ

yếu 20 -30%o), nhưng trong bài báo này thí nghiệm được thực hiện ở các độ mặn
khác nhau, để có điều kiện so sánh với các công trình xử lý nước ngọt.
Như vậy, quá trình chuyển hóa O – Phốt phát tăng lên khi hệ số BOD5/PO4
3-
thấp.
Khi nước thải nuôi cá giống có nồng độ chất dinh dưỡng Phốt phát cao sẽ xảy ra quá
trình tích lũy O - Phốt phát. Giải pháp cho quá trình chuyển hóa O - Phốt phát đạt hiệu
quả của hệ thống SBF là thiết kế hệ thống xử lý ứng dụng quá trình khử tiếp nối hệ
thống lọc SBF.
Công trình công bố về tốc độ chuyển hóa O - Phốt phát bởi công nghệ SBF trong hệ
thống RAS có rất ít. Một số công trình công bố cho rằng, nồng độ Phốt pho tăng cao
trong nước thải là do nguồn O - Phốt phát được thêm vào từ thức ăn và không được cá
sử dụng. Phương pháp truyền thống chuyển hóa Phốt pho trong nước thải là phương
pháp hóa học, cho bay hơi, kết tủa muối. Cải tiến, người ta chuyển hóa Phốt pho bằng
phương pháp sinh học. Trong phương pháp này O - Phốt phát được làm giàu bởi các
sinh vật tích tụ polyphotsphate (polyphosphate accumulating or-ganisms= PAOs)
trong vùng yếm khí và hiếu khí. Trong điều kiện yếm khí, PAOs được tích lũy dưới
dạng polyhydroxyalkanoates (PHA), trong điều kiện hiếu khí PHA chuyển thành
glycogen, photphate tích lũy trong tế bào sinh vật, sản sinh năng lượng cho quá trình
phát triển của vi khuẩn và giải phóng PHA.
Tỷ lệ chuyển hóa BOD
5
trong hệ thống quy mô thí nghiệm trung bình 75.3%, độ lệch
chuẩn 14.3%, sai số chuẩn là 4.3%. Giá trị Min - Max là 39.3 - 87.5%. Kết quả thí
nghiệm cho thấy, nếu hệ số BOD
5
/PO4
3-
< 10 thì quá trình chuyển hóa O - Phốt phát
được thực hiện, nhưng hiệu quả xử lý không vượt quá 37% (hình 2c). Với hệ

số BOD
5
/PO4
3-
> 10 Phốt pho không được chuyển hóa và được tích lũy trong nước.
Tỷ lệ chuyển hóa O - Phốt phát trong nước khoảng - 47.2%, giá trị này thể hiện sự tích
lũy O – Phốt phát.

3.2. Quá trình chuyển hóa O - Phốt phát trong hệ thống SBF quy mô Pilot, quy mô sản
xuất.
Ở quy mô Pilot, hiệu suất chuyển hóa O - Phốt phát thấp hơn quy mô thí nghiệm, dao
động trong khoảng 10-12%, tỷ lệ tích lũy O – Phốt phát thấp (<10%), BOD
5
/PO4
3-
< 6
quá trình chuyển hóa O – Phốt phát được thực hiện (hình 3a).
Ở hình 3a, thực hiện quy mô sản xuất nuôi giống cá Giò, hiệu suất chuyển hóa O –
Phốt phát được thực hiện khi hệ số BOD
5
/PO4
3-
< 6, tuy nhiên vẫn có quá trình tích
lũy O - Phốt phát. Khi hệ số BOD
5
/PO4
3
- > 10 quá trình chuyển hóa O - Phốt phát
không xảy ra, chỉ có quá trình tích lũy O – Phốt phát.
Nước nuôi cá ở độ mặn 25 - 32%0 (giai đoạn cá đuôi 50 ngày tuổi) hiệu suất chuyển

hóa O – Phốt phát là quá trình tích lũy O – Phốt phát. Nước nuôi cá ở độ mặn 18 -
20%o (khi cá trên 50 ngày tuổi) quá trình chuyển hóa O – Phốt phát được thực hiện,
nhưng hiệu quả thấp (<10%) và vẫn có quá trình tích lũy O - Phốt phát (hình 3b).
Thảo luận
Tỷ lệ chuyển hóa O – Phốt phát và hệ số BOD
5
/PO4
3
- chưa có công trình nghiên cứu
được công bố, tác giả không có dữ kiện để so sánh. Tuy nhiên, công trình nghiên cứu
của Yoram Barak, 2002 đối với nước thải, đề nghị hệ số COD/P khoảng 20. Nhưng
đối với nước thải trong nuôi trồng thủy sản chủ yếu là các hợp chất hữu cơ. Tính toán
theo hệ số BODs/PCV-sẽ có hiệu quả hơn để kiểm soát quá trình chuyển hóa và tích
lũy O – Phốt phát.

4. Kết luận
Ở quy mô thí nghiệm, quá tình chuyển hóa O - Phốt phát bị ức chế khi độ mặn tăng,
mối tương quan giữa độ mặn và hiệu suất chuyển hóa O - Phốt phát là tương quan
nghịch, O - Phốt phát có khả năng chuyển hóa ở hệ số BOD5/PO4
3
< 10, ngược lại là
quá trình tích lũy O - Phốt phát.
Ở quy mô Pilot, quá trình chuyển hóa O - Phốt phát được thực hiện khi hệ
số BOD5/PO4
3-
< 6.
Ở quy mô sản xuất, quá trình chuyển hóa O - Phốt phát đuọc thục hiện khi hệ
số BOD5/PO4
3
- < 6. Tuy nhiên, có một vài thời điểm quá tình chuyển hóa không

được thực hiện và thay vào đó là quá trình tích lũy O - Phốt phát. Mối quan hệ giữa
hiệu suất chuyển hóa o - Phết phát và tuổi cá là mối tương quan dương (mối quan hệ
không chặt, R
2
= 0.547). Mặt khác, nước ở độ mặn cao 32%0, giai đoạn đầu (10-20
ngày tuổi) xảy ra quá trình tích lũy O - Phốt phát. Độ mặn trong nước giảm xuống còn
20%c, giai đoạn cá 60 - 69 ngày tuổi, xảy ra quá trình chuyển hóa O - Phốt phát
nhưng rất thấp (khoảng 5 - 10%) ■