Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thải trong ương nuôi cá biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Thu Hiền

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC
XỬ LÝ TUẦN HỒN NƯỚC THẢI TRONG
ƯƠNG NI CÁ BIỂN

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường nước và Nước thải
Mã số: 62.85.06.01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Trần Văn Nhân
2. TS. Nguyễn Đức Cự

Hà Nội – 2012


i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS. TS Trần Văn Nhân
và TS Nguyễn Đức Cự đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực
hiện luận án.
Để hoàn thành luận án, tác giả xin được bày tỏ sự biết ơn sự quan tâm giúp đỡ của
Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản I; Viện Tài Nguyên và Môi trường
Biển; Trại Giống Ngọc Hải, Đồ Sơn, Hải Phịng đã giúp đỡ góp ý, tạo điều kiện về thời
gian, hỗ trợ trang thiết bị, hóa chất, vật liệu, trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tác giả xin cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Ban lãnh đạo Viện, các
Thầy, Cô giáo, các anh chị và các bạn tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đã hỗ
trợ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và làm việc tại Trường.
Lời cuối cùng, tác giả xin bày tỏ sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã khuyến khích,
động viên, chia sẻ trong suốt thời gian qua.


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và
chưa ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.

Tác giả

Nguyễn Thị Thu Hiền


iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH
DANH MỤC CÁC BẢNG

VI
VII
IX

MỞ ĐẦU

1

1. Đặt vấn đề

1

2. Mục đích nghiên cứu

3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3

3.1. Đối tượng nghiên cứu

3

3.2. Phạm vi và nội dung nghiên cứu

3

4. Các đóng góp của luận án

4

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

6

1.1. Công nghệ lọc sinh học ngập nước trong hệ thống RAS ương nuôi cá biển

6

1.2. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng bể lọc SBF trong hệ thống RAS xử lý
tuần hồn nước ni giống cá biển.

9

1.2.1. Lý thuyết chung
1.2.2. Q trình chuyển hóa nitơ và phốt pho trong hệ thống lọc sinh học SBF

9
12

1.2.2.1. Q trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc SBF

12

1.2.2.2. Q trình chuyển hóa phốt pho trong bể lọc SBF

17

1.3. Cơng nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS tại Việt Nam

19

1.4. Định hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS tại
Việt Nam

21
1.4.1. Cơ sở lựa chọn vật liệu đệm lọc

21

1.4.2. Một số thông số tiêu chuẩn bể lọc SBF của hệ thống RAS ứng dụng sản xuất.

27

1.4.3. Cách tiếp cận hướng nghiên cứu của luận văn

28

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

30

2.1. Vật liệu nghiên cứu

30


iv
2.1.1. Phương pháp lựa chọn xử lý vật liệu đệm lọc đá san hô

30

2.1.2. Phương pháp chế tạo, xử lý vật liệu lọc bằng sét zeolit

31

2.2. Phương pháp nghiên cứu quy mơ thí nghiệm

32

2.2.1. Sơ đồ hệ thống, thiết bị, vật liệu nghiên cứu

32

2.2.2. Phương pháp tiến hành

33

2.3. Phương pháp nghiên cứu quy mô thử nghiệm (pilot)

34

2.3.1. Sơ đồ hệ thống, thiết bị, vật liệu nghiên cứu

34

2.3.2. Phương pháp tiến hành

35

2.4. Nghiên cứu ứng dụng quy mô sản xuất

35

2.4.1. Sơ đồ hệ thống, thiết bị, vật liệu nghiên cứu

35

2.4.2. Phương pháp tiến hành

38

2.5. Phương pháp phân tích mẫu

39

2.6. Phương pháp đánh giá mơ hình lọc sinh học ngập nước SBF.

40

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

42

3.1. Kết quả nghiên cứu quy mơ thí nghiệm

42

3.1.1. Thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF

42

3.1.2. Q trình nitrat hóa của bể lọc SBF quy mơ thí nghiệm

43

3.1.3. Nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa ortho - phốt phát.

46

3.2. Kết quả nghiên cứu quy mô thử nghiệm (pilot)

46

3.2.1. Thời gian cố định màng sinh học

46

3.2.2. Nghiên cứu q trình nitrat hóa của bể lọc SBF

48

3.2.2.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến q trình nitrat hóa của bể lọc SBF 48
3.2.2.2. Động học q trình nitrat hóa của bể lọc SBF

54

3.2.2.3. Mơ hình cơng nghệ bể lọc SBF

54

3.2.3. Nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa ortho – phốt phát.
3.3. Mơ hình cơng nghệ bể lọc SBF của hệ thống RAS quy mô ứng dụng sản xuất

57

59

3.3.1. Thời gian ổn định màng sinh học trong bể lọc SBF.

59

3.3.2 Q trình nitrat hóa trong bể lọc SBF

60


v
3.3.2.1. Thơng số của bể lọc SBF

60

3.3.2.2. Mơ hình động học q trình nitrat hóa trong bể lọc SBF

63

3.3.2.3. Đánh giá q trình nitrat hóa thơng qua tốc độ chuyển hóa thể tích nitrit
(VNR).

64

3.3. Q trình chuyển hóa ortho - phốt phát trong bể lọc SBF

64

3.4. Kết quả vận hành bể lọc SBF trong hệ thống RAS ứng dụng sản xuất

66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

69

TÀI LIỆU THAM KHẢO

70

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

82

PHỤ LỤC

83


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BOD5

Nhu cầu ôxy sinh hóa

C

Các bon

COD

Nhu cầu ôxy hóa học

ctv

Cộng tác viên

LRs

Lượng cơ chất dinh dưỡng

N

Nitơ

N – NH4+

Nitơ dạng amoni

N – NO3-

Nitơ dạng nitrat

N – NO2-

Nitơ dạng nitrit

N/P

N/PO43-

P

Phốt pho

P – PO43-

Phốt pho dạng Phốt phát

RAS

Tuần hồn nước ni trồng thủy sản (Recirculation Aquaculture
System)

SBF

Lọc sinh học ngập nước (Submerged Biofilter)

SNR

Tốc độ chuyển hóa riêng phần của bề mặt vật liệu

VNR

Tốc độ chuyền hóa nitrit riêng phần của vật liệu lọc (Volume Nitrite
Rate)

VTR

Tốc độ chuyển hóa riêng phần với vật liệu lọc của TAN (Volume
TAN Rate)

VNRA

Tốc độ chuyển hóa nitrit riêng phần của vật liệu lọc thực tế

TAN

Tổng nitơ dạng amoni (Total Nitrogen Ammonia)


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH, ẢNH
Hình 1.1 (a) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học SBF 1 đơn nguyên; ...............................................7
(b) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học 2 đơn nguyên ........................................................................7
Hình 1.2 (a) Mặt cắt đứng hệ thống lọc ngập nước;..................................................................7
(b) Mặt cắt đứng hệ thống lọc kiểu ngập nước, cấp khí đáy bể ...................................7
Hình 1.3 Cấu tạo màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc ...................................................10
Hình 1.4 Cấu trúc phân bố màng sinh học bên trong bể lọc sinh học .....................................11
Hình 1.5 Q trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc sinh học ngập nước ....................................13
Hình 1.6 Hệ thống lọc sinh học nhập ngoại của Trạm Cửa Lị................................................19
Hình 1.7 Hệ thống lọc sinh học của một số cơ sở nuôi cá cảnh biển tại Việt Nam .................20
Hình 1.8 (a) Vật liệu lọc ngẫu nhiên được định hình khác nhau .............................................22
(b) Vật liệu lọc cố định dạng tấm ...............................................................................22
Hình 2.1 Đá san hơ cỡ lớn, trung bình và nhỏ ........................................................................30
Hình 2.2 Sét Zeolit đóng rắn cỡ lớn, trung bình và nhỏ...........................................................31
Hình 2.3 (a) Sơ đồ hệ thống RAS quy mơ thí nghiệm:..............................................................32

Hình 2.4 (a) Sơ đồ hệ thống RAS quy mơ thử nghiệm ..............................................................34
(b): Ảnh bể lọc (SBF), bể nuôi cá quy mơ thử nghiệm. ..............................................34
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống RAS ứng dụng công nghệ bể lọc SBF quy mô sản xuất ....................36
Hình 2.6. (a): Sơ đồ mặt cắt ngang hệ thống bể lọc SBF, (b): Sơ đồ mặt cắt đứng hệ thống
bể lọc; (c). Hệ thống cấp khí trong bể lọc sinh học SBF; (d). Lớp bơng lọc .............37
Hình 3.1. Thời gian cố định màng trên vật liệu đệm bể lọc SBF, quy mơ thí nghiệm..............42
Hình 3.2 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu suất chuyển hóa TAN (%) trong bể lọc SBF........43
Hình 3.3 Ảnh hưởng của độ muối đến tốc độ chuyển hóa TAN (VTR).....................................44
Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chuyển hóa TAN trong bể lọc SBF.......................45
Hình 3.5 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu suất chuyển hóa O- phốt phát; ............................46
Hình 3.6 Thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF quy mơ thử nghiệm .....................47
Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ chuyển hóa TAN (VTR).....................................48
Hình 3.8 Nồng độ TAN và tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc ở quy mơ thử
nghiệm .......................................................................................................................................51
Hình 3.9 Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc và hệ số BOD5/N ở quy mơ thử
nghiệm .......................................................................................................................................52
Hình 3.10 Ảnh hưởng của hệ số C/N đến VTR (g/m3.ngày) .....................................................53
Hình 3.11 Hiệu suất chuyển hóa phốt phát và hệ số N/P .........................................................58
Hình 3.12 Thời gian ổn định màng sinh học trên vật liệu đệm trong bể lọc SBF ...................59


viii
Hình 3.13 (a) Nồng độ TAN và tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc ở quy mơ thử
nghiệm và sản xuất ....................................................................................................................61
Hình 3.13 (b) Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc và hệ số BOD5/N.....................61
ở quy mơ thử nghiệm và Sản xuất. ..........................................................................61
Hình 3.13 (c). Ảnh hưởng của hệ số C/N đến tốc độ chuyển hóa thể tích VTR (g/m3.ngày)
quy mơ sản xuất và quy mơ thử nghiệm. .................................................................62
Hình 3.14 Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc trong quy mô sản xuất. .................63
Hình 3.15 Hiệu suất chuyển hóa phốt phát và hệ số N/P .........................................................65

Ảnh 3.1. Quá trình phát triển màng sinh học trên vật liệu đệm quy mô thử nghiệm ...............47
Ảnh 3.2. Quá trình phát triển màng sinh học trên vật liệu đệm quy mô sản xuất....................60


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 0.1 Nhu cầu sử dụng nước trong nuôi trồng thuỷ sản ở một số quốc gia (Nguồn:
[106])............................................................................................................................1
Bảng 1.1 Các dạng tồn tại của phốt pho trong nước thải [111] .............................................17
Bảng 1.2 Một số tiêu chí vật liệu lọc bằng đá san hô và zeolite...............................................25
Bảng 1.3 So sánh và đánh giá một số đặc điểm quan trọng của vật liệu lọc sinh học được
chế tạo và các vật liệu lọc sinh học khác trên thế giới ..............................................26
Bảng 2.1 Một số thông số của hệ thống SBF nuôi giống cá giị quy mơ sản xuất....................38
Bảng 2.2 Các phương pháp sử dụng phân tích chất lượng nước .............................................39
Bảng 3.1 Kết quả tính tốn nồng độ ơxy hịa tan (mg/l) cần thiết cho q trình nitrat hóa
quy mơ thực nghiệm ...................................................................................................50
Bảng 3.2 Giá trị các thơng số phương trình động học ở quy mô thử nghiệm (pilot) ...............54
Bảng 3.3 Các thông số của hệ thống lọc sinh học SBF xử lý tuần hồn nước ni giống cá
biển quy mơ thử nghiệm .............................................................................................55
Bảng 3.4 Hệ số tương quan giữa VTR và các thông số của bể lọc SBF quy mô thử nghiệm
(Pilot)..........................................................................................................................56
Bảng 3.6 Khoảng tối ưu các thông số ảnh hưởng đến q trình nitrat hóa .............................60
Bảng 3.7 So sánh phương trình ảnh hưởng các yếu tố cơ đến quá trình nitrat hóa.................61
Bảng 3.8 Giá trị các thơng số phương trình động học ở quy mô sản xuất và quy mô thử
nghiệm ........................................................................................................................63
Bảng 3.9 Giá trị VTR và VNR của bể lọc SBF ở quy mô sản xuất ...........................................64
Bảng 3.10 Giá trị hệ số N/P ở quy mô thử nghiệm và quy mơ thực nghiệm và hiệu suất
chuyển hóa Phốt phát (PE) ........................................................................................65
Bảng 3.11 Các thông số của bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển ...................66

Bảng 3.12 Thông số chất lượng nước sau khi xử lý bằng bể lọc SBF trong hệ thống RAS
ni cá giị (giai đoạn cá giống). ...............................................................................67


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nuôi trồng thủy sản thế giới trong hai thập kỷ qua đã có những thay đổi lớn, phát
triển từ quy mơ nhỏ hộ gia đình sang nuôi quy mô thương mại, sản lượng nuôi trồng thủy
sản vượt qua khai thác thủy sản [98]. Sản lượng từ đánh bắt tăng trưởng trung bình khoảng
1,2%/năm, trong khi sản lượng từ nuôi trồng thủy sản tăng với tỷ lệ 9,1%/năm. Sản phẩm từ
nuôi trồng thủy sản tăng nhanh hơn rất nhiều so với động vật nuôi trên cạn [43]. Dự kiến sản
phẩm nuôi trồng thủy sản sẽ tiếp tục tăng khi dân số tăng và mức tiêu thụ sản phẩm thủy sản
nhiều lên trong khi tiêu thụ các nguồn protein khác giảm. Ví dụ, sản phẩm từ cá tiêu thụ,
trung bình tăng 24% từ năm 1970 đến năm 1998, trong khi sản phẩm từ rau đậu tăng 13%,
và sản phẩm như trứng và thịt đã giảm mạnh [43]. Yêu cầu sản phẩm thủy sản thế giới cần
phải đạt đến sự chủ động trong công nghệ và như vậy, trong tương lai nhu cầu sản phẩm
thủy sản phải được cung cấp từ nuôi trồng thủy sản. Cá biển là đối tượng có sản lượng lớn
nhất thế giới (cùng với động vật thân mềm có vỏ) [43]. Cá biển ni chủ yếu là các lồi cá
có giá trị kinh tế, được nuôi ở vùng ven biển. Theo Phillips và ctv năm 1991, đã cho rằng:
nuôi trồng thuỷ sản sẽ phải đối mặt với những vấn đề khó khăn khi phát triển rộng khắp trên
thế giới [111]. Gia tăng nuôi trồng thủy sản sẽ tác động đến môi trường và cạnh tranh với
nguồn lợi tài nguyên nước và đất. Tác động của nước thải trong nuôi trồng thuỷ sản là một
vấn đề quan trọng được các nước đã và đang phát triển rất quan tâm. Nước thải từ nuôi
trồng thuỷ sản truyền thống gia tăng có thể tác động bất lợi đến môi trường thuỷ sinh (bảng
0.1).

Bảng 0.1 Nhu cầu sử dụng nước trong nuôi trồng thuỷ sản ở một số quốc gia (Nguồn: [111])
Quốc gia

Năng suất
(kg/ha/năm)

Nhu cầu nước
(lít/kg)

Ni cá rơ phi trong ao

Đài Loan

17.400

21.000

Nuôi cá da trơn trong ao

Mỹ

3.000

6.470

Nuôi cá da trơn nước chảy

Mỹ

-

14.500 - 29.900

Nuôi cá hồi vân nước chảy

Mỹ

150.000

210.000

Nuôi cá hồi trong bể và ao

Anh

-

252.000

Đài Loan

4.200 - 11.000

11.000 - 21.340

Lồi và hệ thống ni

Ni tơm he trong ao

Để tăng sản lượng ni trồng thủy sản cần thiết phải có một ngành cơng nghiệp thủy
sản. Tuy nhiên, có một số yếu tố ảnh hưởng tới sự phát triển ngành công nghiệp thủy sản đó
là hạn chế về chất lượng nước, nguồn nước, diện tích đất, tác động của nước thải và tác

động môi trường. Trong những năm gần đây, mối quan tâm đến các tác động từ nuôi trồng
thủy sản ngày càng gia tăng [32], [58], [63], [99]. Một số kết quả nghiên cứu cho rằng 85%
phốt pho, 80 - 88% cácbon, 52 - 95% nitơ và 60% thức ăn thừa trong nuôi trồng thủy sản
được thải ra ở dạng chất rắn lơ lửng, vật chất hòa tan hoặc chất khí [90], [156]. Áp lực quản
lý chất thải sẽ buộc các nhà sản xuất phải áp dụng các phương pháp sản xuất thân thiện với
môi trường [154]. Đồng thời với sự phát triển ngành công nghiệp nuôi trồng thủy sản đang ở
trong một trạng thái chuyển tiếp, ứng dụng công nghệ để gia tăng hiệu quả sản xuất, giảm
thiểu tác động mơi trường trong đó có cơng nghệ tuần hồn tái sử dụng nước trong nuôi
trồng thủy sản (Recirculation Aquaculture System = RAS) đang được chú trọng nghiên cứu
phát triển. Công nghệ RAS giúp giảm thiểu những tác động về chất lượng nước, nước thải,


2
nguồn nước, v.v... Một số trang trại nuôi trồng thuỷ sản đã sử dụng công nghệ RAS để làm
giảm nhu cầu nước cấp và nước thải ra [49]. Công nghệ RAS được đề xuất và có thể làm
giảm lượng nước thải khoảng 500 -1000 lần [26], [138]. Vì vậy, cơng nghệ RAS là định
hướng cần được đầu tư nghiên cứu triển khai để đáp ứng với sự phát triển ngành công
nghiệp thủy sản trong xu thế mới.
Thực tế, hiện tượng ô nhiễm nước, thiếu nước là tình trạng chung của hầu hết các cơ
sở ni thủy sản nói chung, cơ sở sản xuất giống và ni cá biển nói riêng. Với hệ thống
nuôi cá giống truyền thống cần cung cấp một lượng nước sạch lớn. Tổng lượng nước cần
cung cấp cho sản xuất phụ thuộc vào tùy từng lồi ni, sự bốc hơi, mật độ ni và quy
trình cơng nghệ nuôi. Công nghệ nuôi cá da trơn (Siluriformes Ictaluridae) trong bể ở Mỹ,
lượng nước cần trao đổi khoảng 250 - 600% tổng thể tích nước sử dụng trên một năm.
Trong bể nuôi cá bằng hệ thống nước chảy, lượng nước được sử dụng lớn hơn để loại bỏ hết
các sản phẩm thải của cá trong môi trường nuôi, thường là 100% hoặc nhiều hơn thể tích
nước của bể ni cá trong một ngày [78], [79]. Nếu sản xuất thương mại theo phương pháp
cấp nước và xả nước trực tiếp ở các vùng ven biển (đối với những vùng bị giới hạn tiêu
chuẩn chất lượng nước xả thải hoặc luật bảo vệ mơi trường) thì cần phải có hệ thống xử lý
nước thải trước khi thải ra môi trường và như vậy, chi phí sản xuất sẽ tăng [97]. Tuy nhiên,

Lisac và Muir năm 2000 [76] cho rằng chi phí sản xuất sẽ giảm khoảng 19% khi sử dụng
công nghệ RAS.
Công nghệ RAS đã được xác định là một trong hai lĩnh vực nghiên cứu chính trong
ni trồng thủy sản và một trong những lĩnh vực nghiên cứu được Liên minh châu Âu đề
nghị tại hội thảo phát triển nuôi trồng thủy sản năm 2000 [88], [102]. Công nghệ RAS là
một giải pháp giúp giảm thiểu đáng kể lượng nước tiêu thụ của các cơ sở ni cá biển, có
thể là một trong những bước đi được thực hiện để giải quyết những vấn đề này. Ứng dụng
công nghệ RAS để nuôi các đối tượng thủy sản đã được chứng minh là thành công bởi một
số tác giả như Manthe và ctv năm 1985, Manthe và ctv năm 1988; Davis và Arnold, 1998;
Michael và Losodor năm 1992 [33], [43], [86], [87]. Ngoài việc giảm lượng nước biển từ tự
nhiên sử dụng cho ni trồng thuỷ sản, tái sử dụng nước có thể làm giảm lượng xả thải các
chất dinh dưỡng vào vực nước tiếp nhận càng ít càng tốt, sử dụng hệ thống RAS có thể giảm
đến 90% lượng nước thải, do đó làm giảm ơ nhiễm nước [81].
Quan trọng nhất của mơ hình cơng nghệ RAS là sự hiện diện của thiết bị lọc sinh
học xử lý nước. Đối với nuôi trồng thủy sản chủ yếu ứng dụng công nghệ lọc sinh học [82].
Công nghệ lọc sinh học (chủ yếu là bể lọc sinh học) là một công cụ khả thi đáp ứng tiêu
chuẩn chất lượng nước tái sử dụng. Bể lọc sinh học được xác định là thiết bị quan trọng, là
trọng tâm và quyết định sự thành công của hệ thống RAS [81]. Điều này đã được chứng
minh bằng một số cơng trình khoa học nghiên cứu trên thế giới như mơ hình ni cá Hồi
vân (nước ngọt) tại Isreal [56], mơ hình ni cá Vược tại Pháp [109] v.v... Cơng trình
nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ lọc sinh học của Chen năm 1990 cho rằng bể lọc sinh học
hồn tồn có khả năng ổn định chất lượng nước và loại bỏ chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ
(BOD) và amoni [25].
Có nhiều kiểu loại lọc sinh học khác nhau đã được sử dụng để xử lý sinh học tái sử
dụng nước trong RAS như bể lọc nhỏ giọt, bể lọc tầng sôi, bể lọc ngập nước,… Bể lọc sinh
học ngập nước đã được ứng dụng để xử lý nước trong các trang trại sản xuất giống một số
loài giáp xác và cá vùng ven biển [31], [142]. Bể lọc sinh học ngập nước có các hoạt động
của vi sinh vật, màng sinh học luôn ngập trong nước [50]. Nước thải của q trình ương
ni cá biển ở giai đoạn con giống có nồng độ dinh dưỡng thấp, vì vậy sử dụng bể lọc sinh
học ngập nước là lựa chọn có tính khả thi và thực tiễn do tải lượng xử lý thấp, chi phí quản

lý vận hành và bảo dưỡng thấp.
Ở Việt Nam, chưa có cơng trình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ lọc sinh học trong


3
hệ thống RAS nuôi cá biển. Đây là hướng nghiên cứu góp phần thực hiện mục tiêu phát
triển nghề ni cá biển tại Việt nam theo quyết định số 1690/QĐ-TTg ngày16/9/2010 của
Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển thủy sản Việt Nam đến năm 2020 và
quyết định 332/QĐ-TTg năm 2011 phê duyệt Đề án phát triển nuôi trồng thủy sản đến năm
2020 mục tiêu cụ thể phát triển nuôi cá biển đạt 200.000 tấn. Luận án “Nghiên cứu ứng
dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hồn nước thải trong ương ni cá biển” phát
triển ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học ngập nước sẽ là một hướng đi mới cho nghề nuôi
cá biển ở Việt Nam góp phần đạt được các mục tiêu đề ra của Chính phủ về việc phát triển
nghề ni cá biển.

2. Mục đích nghiên cứu
Ứng dụng thành cơng mơ hình công nghệ bể lọc sinh học ngập nước (Submerged
Biofilter = SBF) trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển ở nước độ mặn 20 – 32‰. Nghiên
cứu góp phần thực hiện mục tiêu chủ động sản xuất giống cá biển, đẩy mạnh ứng dụng công
nghệ sinh học trong phát triển thủy sản, sản xuất nuôi trồng thủy sản bền vững, bảo vệ môi
trường trong chiến lược phát triển nuôi trồng thủy sản và đề án phát triển nuôi trồng thủy
sản đến năm 2020. Mơ hình cơng nghệ bể lọc tái sử dụng nguồn nước mặn với vật liệu và
thiết bị trong nước phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam.
Vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào các mục tiêu cụ thể như sau:
a, Xác định thời gian chuẩn bị bể lọc vận hành trước khi đưa vào sản xuất.
b, Ảnh hưởng của độ mặn tới hiệu suất chuyển hóa tổng nitơ dạng amoni (Total
Nitrogen Ammonia = TAN) và ortho - phốt phát.
c, Ảnh hưởng của một số yếu tố liên quan đến chế độ vận hành công nghệ bể lọc
SBF đến sự chuyển hóa TAN và ortho – phốt Phát.
d, Xác định phương trình động học của quá trình nitrat hóa trong bể lọc SBF.

e, Xây dựng chế độ công nghệ quản lý và vận hành bể lọc SBF và ứng dụng vào quy
mô sản xuất để đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển (với nước biển độ mặn 20
– 32‰) quy mô thí nghiệm và thử nghiệm.

-

Cơng nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển ở quy mô sản xuất.

3.2. Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Để ứng dụng thành cơng mơ hình bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển
ở quy mô ứng dụng sản xuất cần tiến hành nghiên cứu bể lọc SBF trên quy mơ thí nghiệm
và quy mơ thử nghiệm. Các nghiên cứu ở quy mô thử nghiệm và sản xuất sẽ giới hạn trong
phạm vi nước thải nuôi giống cá biển: Cá hồng mỹ (Sciaenops ocellatus) và cá giò
(Rachycentron canadum). Trong phạm vi khuôn khổ luận án tập trung nghiên cứu sâu và
tồn diện q trình nitrat hóa chuyển hóa nitơ. Q trình chuyển hóa Phốtpho tập trung đánh
giá hiệu suất và đề xuất phương án xử lý tiếp theo.
Nội dung nghiên cứu cụ thể ở quy mơ thí nghiệm, quy mơ thử nghiệm và sản xuất
như sau:
Quy mơ thí nghiệm:
-

Xác định thời gian kích hoạt màng sinh học của bể lọc SBF ở quy mơ thí nghiệm.

4
-

-

Nghiên cứu quá trình nitrat trong bể lọc SBF:
+

Xác định ảnh hưởng của độ mặn đến q trình nitrat hóa

+

Xác định khoảng pH tối ưu của q trình nitrat hóa.

Nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa phốt phát trong bể lọc SBF.

Quy mô thử nghiệm (Pilot)
-

Xác định thời gian cố định màng sinh học trong bể lọc SBF quy mơ thí nghiệm

-

Nghiên cứu q trình nitrat hóa trong bể lọc SBF

-

+

Các yếu tố ảnh hưởng: ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ ơxy hịa tan, vật chất

hữu cơ [đặc trưng bởi hệ số nồng độ tổng nitơ dạng amoni (Total Ammonia
Nitrogen = TAN); BOD5/N; hệ số C/N và COD/N] đến quá trình nitrat hóa.

+

Xác định phương trình động học của q trình nitrat hóa.

+

Xác định các thơng số của mơ hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS.

Đánh giá hiệu suất chuyển hóa phốt phát trong bể lọc SBF của hệ thống RAS.

Quy mô ứng dụng sản xuất
Vận hành bể lọc SBF với các thông số tối ưu là kết quả của nghiên cứu thí nghiệm và quy
mơ thử nghiệm:
- Đánh giá, xác định thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF trên quy mô sản
xuất;
-

-

Nghiên cứu đánh giá q trình nitrat hóa:
+

Đánh giá, so sánh ảnh hưởng của vật chất hữu cơ (nồng độ TAN, BOD5/N với
quy mô thử nghiệm;

+

Đánh giá các thông số phương trình động học quy mơ sản xuất;

+

Đánh các thơng số mơ hình bể lọc SBF trong hệ thống RAS khi vận hành ở
quy mô sản xuất;

Đánh giá hiệu suất chuyển hóa phốt phát;

Đánh giá khẳng định thành cơng mơ hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS
nuôi cá biển giống.

-

4. Các đóng góp của luận án
- Tính mới của luận án: Công nghệ lọc sinh học trong hệ thống RAS ứng dụng nuôi cá biển
mới chỉ chủ yếu được áp dụng ở các nước phát triển. Lần đầu tiên, tại Việt Nam có mơ hình
RAS ứng dụng cơng nghệ lọc sinh học tái sử dụng nguồn nước biển có độ mặn 28 – 32‰
ni giống cá biển thành cơng ở quy mơ sản xuất.
- Tính sáng tạo: Việc sử dụng các vật liệu rẻ tiền trong nước để thiết lập mơ hình cơng nghệ
bể lọc SBF tái sử dụng nước mặn trong hệ thống RAS ứng dụng nuôi giống cá biển thực
hiện ở Việt Nam thể hiện tính sáng tạo của luận án.
- Tính khoa học: Kết quả đã khẳng định công nghệ bể lọc SBF với vật liệu đệm sẵn có trong
nước. Đã xác định được phương trình mơ hình hóa, phương trình động học phù hợp với bể
lọc trong hệ thống RAS ương nuôi cá biển.
- Giá trị thực tiễn: Bể lọc SBF đóng vai trị rất quan trọng trong hệ thống RAS nuôi giống cá
biển. Nếu công nghệ bể lọc SBF thành công, nước biển được tái sử dụng trong hệ thống


5

RAS, sẽ giúp các trại giống tiết kiệm chi phí thay nước, ổn định hiệu quả sản xuất. Bể lọc
SBF trong hệ thống RAS sẽ góp phần nâng cao tỷ lệ sống và mật độ ương nuôi gấp 8 – 10
lần so với công nghệ nuôi thay nước và nuôi nước chảy. Phát triển bể lọc SBF trong hệ
thống RAS ương nuôi cá giống tại các trang trại vùng ven biển để đạt mục tiêu phát triển
sản xuất ổn định, bền vững.


6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Công nghệ lọc sinh học ngập nước trong hệ thống RAS ương
nuôi cá biển
Hệ thống RAS ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học ngập nước ương nuôi cá biển là
hệ thống thiết bị tự động hoặc bán tự động. Nước thải từ các bể ni vào bể lọc được
chuyển hóa bởi vi sinh vật trên màng sinh học. Nước sau khi xử lý được tái sử dụng, trở lại
bể nuôi tạo thành một hệ thống tuần hồn khép kín. Các chất thải dinh dưỡng được chuyển
hóa qua màng sinh học và giảm dần do chuyển thành sinh khối vi khuẩn. Nhờ đó, nồng độ
dinh dưỡng trong nước liên tục giảm thấp, chất lượng nước được duy trì bảo đảm tiêu chuẩn
trong q trình ni. Cơng nghệ lọc sinh học đã được khẳng định có vai trị quan trọng nhất
và quyết định sự thành cơng của hệ thống RAS [80], [81], [92], [93].
Nghiên cứu đầu tiên công bố kết quả sử dụng bể lọc sinh học nhỏ giọt trong nuôi
trồng thủy sản Liao và Mayo vào năm 1974 [74]. Tác giả đã ứng dụng bể lọc sinh học nhỏ
giọt để tái sử dụng nước ngọt trong trại giống ni cá Hồi. Đây chính là kết quả đặt nền tảng
cho công nghệ RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học nhằm khắc phục hiện tượng thiếu
nước, nâng cao lợi ích kinh tế, giảm thiểu sự xuất hiện bệnh và góp phần kiểm sốt ơ nhiễm
[130].
Đến nay, công nghệ lọc sinh học ứng dụng trong RAS rất đa dạng và có nhiều kiểu
loại khác nhau. Về cơ bản, lọc sinh học ứng dụng trong hệ thống RAS hiện nay chia làm hai
loại. 1) Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc ngập trong nước (phân loại thành kiểu đệm cố định,
kiểu đệm chuyển động hoặc bộ lọc tầng sôi). 2) Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không

ngập trong nước (lọc đĩa quay sinh học, trống lọc, lọc nhỏ giọt) [8], [139]. Các kiểu loại lọc
sinh học khác nhau sẽ vận hành khác nhau. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn,
nghiên cứu bể lọc SBF với vật liệu đệm cố định tiếp xúc ngập trong nước
Lọc sinh học với lớp vật liệu đệm cố định, vật liệu ngập trong nước gọi lọc sinh học
ngập nước (Submerged Biofilter = SBF). SBF rất phổ biến ở các cơ sở nuôi cá biển trên thế
giới. Các bể lọc sinh học có thể vận hành theo mơ hình lọc xi hoặc lọc ngược, hoặc nước
chảy vịng quanh hoặc cắt ngang qua các lớp lọc. SBF là toàn bộ vật liệu lọc luôn luôn ngập
trong nước khi nước thải chảy qua. Lớp vật liệu lọc ở trên là vùng hiếu khí thực hiện q
trình nitrat hóa, chuyển hóa TAN thành nitrat. Lớp vật liệu lọc ở giữa là vùng kị khí có chức
năng chuyển hóa nitrat và phốt pho dạng phốt phát. Màng sinh học dính bám trên vật liệu
lọc sẽ chuyển hóa cơ chất hữu cơ (BOD, TAN). Mơ hình bể lọc SBF đã được chứng minh
khả năng chuyển hóa BOD, N - NH4+, N - NO3-, N - NO2-, P - PO4-3 hiệu quả bởi một số
cơng trình nghiên cứu của Timmons và ctv năm 2002; Zhu và Chen năm 2002 [139], [165].
Tùy theo tải lượng chất thải có thể ứng dụng mơ hình bể lọc 1 đơn nguyên, 2 đơn nguyên
hoặc 3 đơn nguyên (hình 1.1 và hình 1.2). Ứng dụng bể lọc sinh học ngập nước xử lý hiệu
quả nước nuôi trồng thủy sản trong hệ thống RAS được chứng minh là q trình chuyển hóa
nitơ trong điều kiện hiếu khí, chủ yếu là q trình nitrat hóa [149].


7

(b)

(a).

Hình 1.1 (a) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học SBF 1 đơn nguyên;
(b) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học 2 đơn nguyên

(a)

(b)

Hình 1.2 (a) Mặt cắt đứng hệ thống lọc ngập nước; (b) Mặt cắt đứng hệ thống lọc kiểu ngập nước,
cấp khí đáy bể [79]

Lọc sinh học ngập nước là công nghệ phổ biến trên thế giới áp dụng cho các trang
trại đơn giản hiện đang sản xuất giống cá biển và ni Aquarium. Bể lọc có thiết kế đơn
giản, dễ xây dựng, quản lý, vận hành dễ dàng. Giá thành xây dựng bể lọc SBF thấp, chi phí
bảo dưỡng và thay thế các thiết bị sẵn có và giá thành thấp. Bể lọc SBF vận hành với chi phí
điện năng ít và thuận tiện với mơ hình, cơng suất của từng trang trại khi sản xuất ở quy mô
nhỏ hay quy mô lớn theo nhu cầu thị trường. Bể lọc chiếm ít diện tích vì khơng cần bể lắng,
có thể đặt ngầm dưới mặt đất khơng ảnh hưởng đến không gian đặt các bể nuôi. Đặc biệt,
các bể được thiết kế giảm chi phí bơm nước bằng hệ thống nước thải tự chảy khi bể lọc đặt
ngầm xuống đất, có khả năng giữ nhiệt (cách nhiệt) vào mùa đông. Do bể được đặt dưới mặt
đất nên bể có khả năng chịu được vật liệu đệm lọc có trọng lượng riêng lớn. Vật liệu lọc có
thể kiếm dễ dàng trong tự nhiên hoặc tự chế tạo lấy.
Tuy nhiên, bể lọc SBF cũng có hạn chế là phải xây cố định trong từng trang trại, bể
lọc di động thường có cơng suất thấp. Các chất rắn lơ lửng rất dễ dàng làm tắc cục bộ hoặc
toàn phần bể lọc do tích tụ vào khoảng trống các vật liệu lọc. Vì vậy, phải sử dụng máy nén
khí đẩy thơng thoáng khe hổng của vật liệu lọc rất tốn kém chi phí điện năng.
Nghiên cứu so sánh q trình nitrat hóa với hai kiểu loại vật liệu đệm lọc cố định và
vật liệu đệm chuyển động đã được thực hiện bởi Suhr K.I năm 2010 [133]. Vận hành hệ


8
thống ở nhiệt độ 8°C, nước thải từ hệ thống RAS ni cá hồi vân ngồi trời (năng suất trung
bình 32 kg/m3, nước thải nuôi cá là nước ngọt). Bể lọc sinh học được xây dựng giống nhau
với 4 bể 5,5 m3, vật liệu đệm khác nhau được đánh giá đồng thời hai lần lặp lại. Bể lọc hình
trụ đứng đệm tĩnh với 4.2 m3 polyethylene dạng mạng lưới (Bioblok®, 200 m2/m3), và bể lọc
đệm chuyển động với 2 m3 polypropylene (Biomedia, 850 m2/m3). Tốc độ nitrat hóa đã

được theo dõi trong 3,5 tháng sau khi kích hoạt. Nước vào được cung cấp dinh dưỡng là
amoni chloride (NH4Cl) với mục đích xác định tốc độ nitrat hóa tối đa (Phương trình động
lực học bậc 0). Nồng độ TAN vào là 2,89 ± 0.1 mg/l và lưu lượng nước tuần hoàn là 1 – 4
l/giây. Kết quả cho thấy, tốc độ chuyển hóa TAN trong hệ thống lọc với đệm chuyển động
cao hơn (231 ± 17 g N/m3.ngày) so với đệm tĩnh (92 ± 2 g N/m3.ngày). Khi nồng độ TAN
vào bể lọc sinh học khoảng 6,27 ± 0,39 mg/l trong 2 tuần, bể lọc sinh học với đệm cố định
tăng (146 ± 3 g/m3.ngày hoặc 0,73 ± 0,01 g/m2.ngày) trong khi đệm chuyển động khơng có
sự thay đổi. Kết quả chỉ thị cho thấy rằng bể lọc sinh học đệm tĩnh màng sinh học có sự
phân tầng (lớp trên hiếu khí, lớp dưới kị khí) nên có khả năng thích ứng với sự thay đổi của
nồng độ TAN vào. Nồng độ ơxy hịa tan trong bể lọc đệm tĩnh tối thiểu là 5,35 ± 0,06 mg/l
để thực hiện quá trình nitrat hóa hồn tồn khi nồng độ TAN 2,89 mg/l. Q trình tiêu hao
ơxy khoảng 60% nồng độ ơxy bão hịa, nồng độ ơxy trong nước bể xử lý đạt 7,1 mg O2/l.
Tốc độ nitrat hóa giảm nhanh nếu nồng độ ôxy thấp dưới 2mg/l [133].
Kuo-Feng Tseng và Kuo-Lin Wu năm 2004 thực hiện thí nghiệm ni cá Chình
thuộc họ Anguillidae trong hệ thống RAS ứng dụng công nghệ SBF [67]. Nghiên cứu q
trình nitrat hóa thơng qua tốc độ chuyển hóa TAN nhận thấy, tốc độ chuyển hóa TAN tăng
theo thời gian. Khi đạt đến một giá trị tối đa, khơng đổi trong một khoảng thời gian và sau
đó giảm mạnh. Q trình chuyển hóa TAN thay đổi bởi nồng độ TAN trong nước thải vào
bể lọc sinh học. Q trình chuyển hóa TAN trong bể lọc sinh học ảnh hưởng bởi nhiệt độ
nước, nồng độ TAN và chất rắn lơ lửng. Các phương trình hồi quy xác định kết quả ở quy
mơ phịng thí nghiệm. Đánh giá tốc độ chuyển hóa TAN của các bể lọc sinh học và ứng
dụng kết quả thực hiện ni cá Chình ở quy mô thương mại. Các điều kiện ứng dụng ở quy
mô sản xuất là điều kiện tối ưu được xác định ở quy mơ thí nghiệm. Thời gian kích hoạt
(khởi động) bể lọc thường thấp hơn 3-5 ngày so với quy mơ thí nghiệm. Nhiệt độ, chất rắn
lơ lửng và các giá trị TAN trong các phương trình đã được tính tốn. Kết quả cho rằng các
bể lọc sinh học trong hệ thống RAS cần được thiết kế với nhiều đơn nguyên riêng biệt, khi
xả bùn (backwashing) từng đơn nguyên, vẫn đảm bảo hoạt động của hệ thống RAS. Khi ứng
dụng mơ hình, điều kiện thủy lực và nhiệt độ, chất rắn lơ lửng và nồng độ TAN là những
thông số quan trọng cần phải được kiểm soát chặt chẽ. Nếu các thành phần của thức ăn khác
nhau, chất rắn lơ lửng sẽ làm thay đổi hiệu suất của bể lọc sinh học, và các hệ số của

phương trình động học phải được hiệu chuẩn trước khi mơ hình được áp dụng sản xuất.
Hệ thống RAS vận hành trong môi trường nước biển ni cá biển quy mơ thí
nghiệm, tái sử dụng nước biển bằng hệ thống xử lý màng sinh học phản ứng (MBRs Membrane biological reactors). Ở các khoảng độ mặn được thí nghiệm từ 0‰; 8‰; 16‰ và
32‰ kết quả cho thấy hiệu quả chuyển hóa rất tốt của TSS (99,65 ± 0,1% đến 99,98 ±
0,01%) ở tất cả khoảng độ mặn thí nghiệm. Hiệu quả loại bỏ nitơ tổng số dao động từ 91,8 ±
2,9% đến 95,5 ± 0,6 % ở các khoảng độ mặn. Hiệu quả chuyển hóa phốt pho tổng số giảm
dần khi độ mặn tăng tương ứng với các khoảng độ mặn thí nghiệm là 96,1 ± 1,0%; 72,7 ±
3,5%; 70,4 ± 2,3%; 65,2 ± 5,4%. Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng, tiềm năng của màng
sinh học phản ứng được ứng dụng trong tái sử dụng tuần hoàn nước biển là rõ ràng. Khả
năng xử lý nitơ bằng q trình nitrat hóa hồn tồn khả thi trong từng khoảng độ mặn.
Chuyển hóa phốt pho giảm khi ở độ mặn cao hơn và cần thiết có những nghiên cứu khẳng
định tác động của độ mặn lên sự loại bỏ phốt pho [89].
Hệ thống RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học ngập nước ương ni ấu trùng cá
biển đã được chứng minh có khả năng duy trì hệ vi sinh vật ổn định hơn so với nuôi theo


9
phương pháp nước chảy truyền thống. Ấu trùng cá biển (cá tuyết, Atlantic cod, Gadus
morhua) đã phát triển tốt hơn so với các đợt ương nuôi trước theo phương pháp ương nuôi
nước chảy truyền thống. Kết quả nghiên cứu khẳng định, có thể sử dụng hệ thống RAS để
quản lý vi sinh vật trong trại ương nuôi cá biển và cần có những nghiên cứu thêm để chứng
minh, thiết kế và vận hành quản lý chất lượng nước [64].
Như vậy, trên thế giới hiện nay các cơng trình cơng bố ứng dụng công nghệ lọc sinh
học ở quy mô sản xuất thương mại chủ yếu trên đối tượng cá Hồi (ni ở vùng nước lạnh,
nước ngọt), cá Chình ni nước ngọt. Các cơng trình ứng dụng cơng nghệ bể lọc sinh học
xử lý tuần hồn nước ni trồng thủy sản RAS ở nước mặn chủ yếu thực hiện ở quy mơ thí
nghiệm. Ứng dụng cơng nghệ bể lọc sinh học ngập nước ương nuôi nuôi cá biển ở quy mô
sản xuất cịn rất ít.
Hầu hết các bể lọc sinh học trong hệ thống RAS đều ứng dụng quá trình nitrat hóa để
làm sạch nước. Năng lực thực hiện q trình nitrat hóa trong bể lọc sinh học được đánh giá

bởi tốc độ chuyển hóa TAN trên một đơn vị thể tích được gọi là tốc độ chuyển hóa riêng
phần của vật liệu lọc, viết tắt là VTR (VTR = Volume TAN Rate). VTR phụ thuộc nhiều vào
các thông số môi trường như pH, nhiệt độ, nồng độ ôxy, nitơ và cácbon của nước thải đầu
vào, cũng như quản lý vận hành bể lọc sinh học (ví dụ như lưu lượng nước tuần hồn, quản
lý rửa tróc màng, v.v…). Tùy thuộc vào từng hệ thống, màng sinh học hoạt động khác nhau,
đó là lý do tại sao so sánh các nghiên cứu khác nhau về q trình nitrat hóa trong bể lọc sinh
học rất khó. Tốc độ chuyển hóa riêng phần của bề mặt vật liệu đối với TAN trong bể lọc
sinh học ngập nước là 0,71 g/m2.ngày ở điều kiện nhiệt độ 24°C; pH 8; cơ chất dinh dưỡng
nhân tạo. So sánh với bể lọc nhỏ giọt tốc độ chuyển hóa riêng phần của bề mặt vật liệu đối
với TAN là 0,14 g/m2.ngày ở điều kiện nhiệt độ 15°C; pH 7; nuôi cá Hồi vân năng suất
20kg/m3 [40]. Đồng thời, một số thông số đánh giá, so sánh hiệu suất của các kiểu loại bể
lọc sinh học đã cho thấy, bể lọc ngập nước có những yêu cầu thiết kế nhất định về vật liệu
đệm, các thông số vận hành [31], [83].
Sử dụng tốc độ chuyển hố TAN làm thơng số cơ bản để đánh giá bể lọc sinh học
ứng dụng trong hệ thống RAS [82]. Tuỳ thuộc vào tốc độ chuyển hố sẽ kiểm sốt kích
thước của bể lọc sinh học ngập nước, và xây dựng bể lọc sinh học theo theo q trình
chuyển hóa này. Tuỳ thuộc mức độ vào hàm lượng dinh dưỡng, dinh dưỡng trung bình, hoặc
dinh dưỡng có giới hạn phân loại bể lọc sinh học theo các mức tương ứng. Các cơng trình
nghiên cứu nhiều nhất chủ yếu tập trung vào bể lọc sinh học ứng dụng cho ni các loại cá
có giá trị kinh tế cao như cá biển (vùng ven biển), cá Hồi vân ở vùng nước lạnh, cá Chình,
v.v… Hàm lượng dinh dưỡng (chủ yếu là TAN) của nước nuôi cá biển giống thường ở mức
dưới 0,3g/m3 nên nước thải thuộc loại dinh dưỡng thấp. Nồng độ dinh dưỡng TAN cao nhất
trong hệ thống RAS chỉ đạt 1g/m3 [112], [143], [152]. Như vậy, lựa chọn ứng dụng công
nghệ bể lọc sinh học ngập nước nuôi cá biển giống là phù hợp và có tính khả thi cao.

1.2. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng bể lọc SBF trong hệ
thống RAS xử lý tuần hồn nước ni giống cá biển.
1.2.1. Lý thuyết chung
Bể lọc SBF là phần quan trọng nhất của hệ thống RAS. Nguyên lý vận hành của bể
lọc SBF dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, ơxi hố các chất hữu

cơ có trong nước. Các màng sinh học là tập hợp các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu
khí, kị khí và tuỳ tiện. Chúng phát triển và gắn với các giá mang là các vật liệu làm đệm lọc
(sinh trưởng gắn kết hay sinh trưởng dính bám). Màng sinh học dính bám trên vật liệu đệm
của bể lọc SBF cũng có những đặc trưng chung của màng sinh học trong công nghệ lọc sinh
học xử lý nước.


10
Phần lớn các vi sinh vật có khả năng trao đổi chất hữu cơ, nghĩa là chúng có thể làm
sạch nước thải có chứa các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ bởi q trình sinh hố. Vi sinh vật có
các lồi: hiếu khí, kị khí tuỳ tiện và kị khí tuyệt đối. Vi sinh vật hiếu khí cần có ôxy để thực
hiện quá trình trao đổi chất, vi sinh vật kị khí lấy năng lượng cần thiết cho quá trình hoạt
động của chúng từ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện khơng có ơxy. Vi sinh vật tuỳ tiện có
khả năng trao đổi chất hiếu khí (có ơxi) và trao đổi chất kị khí (khơng có ơxi). Đa số vi sinh
vật trong quá trình xử lý sinh học đều thuộc loại tuỳ tiện. Các biện pháp xử lý sử dụng sinh
vật dị dưỡng (heterotrophes), sử dụng cacbon hữu cơ làm nguồn năng lượng cũng như
nguồn cacbon để tổng hợp tế bào. Vi sinh vật tự dưỡng, không sử dụng cacbon hữu cơ mà
sử dụng nguồn cácbon từ CO2, cacbonat. Vi sinh vật chimiotrophes lấy năng lượng từ ơxy
hố các hợp chất vơ cơ từ nitơ [8].
Trong dịng nước thải sẽ có những vật rắn làm giá đỡ (giá mang), các vi sinh vật
(chủ yếu là vi khuẩn sẽ dính bám trên bề mặt). Trong số các vi sinh vật đó có các lồi sinh
ra polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng sinh
học. Màng này dày lên thực chất là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất
mang và có khả năng ơxi hố các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc.
Màng có thể dày từ 1 - 3mm và có màu sắc thay đổi theo thành phần nước thải từ màu vàng
xám đến nâu tối. Trong quá trình nước thải chảy qua lớp vật liệu đệm lọc có thể cuốn theo
các hạt của màng vỡ với kích thước 15 – 30µm có màu vàng sáng hoặc nâu [8].
Bể lọc SBF phát triển các vi sinh vật có sinh khối cao, vi sinh vật đó thực hiện nhiệm
vụ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải thành các hợp chất khơng
độc hại, hoặc ít độc hơn. Các vật liệu đệm lọc sau khi đã phát triển màng sinh học dính bám

trên bề mặt được gọi là vật liệu đệm lọc sinh học (hình 1.4).

Hình 1.3 Cấu tạo màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc [8]
Trên bề mặt của các giá mang và giữa chúng phát triển một màng nhầy như gelatin
và lớn dần lên được gọi là màng sinh học. Màng sinh học được tạo thành từ hàng triệu đến
hàng tỷ tế bào vi khuẩn, vi sinh vật và cả động vật nguyên sinh. Thành phần loài và số
lượng loài trong màng sinh học tương đối đồng nhất (khác với bùn hoạt tính). Khi nước thải
chảy qua màng lọc, do hoạt động sống của quần thể vi sinh vật sẽ thay đổi thành phần chất
hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ dễ phân hủy được vi sinh vật sử dụng trước, với vận
tốc nhanh, đồng thời số lượng của quần thể tương ứng phát triển nhanh và ngược lại. Màng
sinh học thường được phân chia thành hai lớp: lớp bên ngồi hiếu khí, lớp bên trong kị khí
và trên bề mặt màng sinh học là lớp gelatin trơn, dính dễ hấp thụ các chất dinh dưỡng và
hữu cơ khi đi qua màng sinh học (hình 1.3). Theo thời gian, chiều dày của lớp hiếu khí và kị
khí sẽ thay đổi phụ thuộc độ sâu phân bố vật liệu làm giá mang và dòng chảy của nước thải
trong bể lọc. Nếu điều kiện cung cấp ơxy hồ tan trong nước thải tốt thì màng sinh học sẽ
có lớp hiếu khí chiếm ưu thế và ngược lại điều kiện cung cấp oxy hồ tan kém thì lớp kị khí
sẽ chiếm ưu thế (hình 1.4). Ở ngồi cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loại trực
khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas Alcaligenes,


11
Flavobacterium, Micrococcus, và Bacillus. Lớp trong cùng là lớp vi khuẩn kị khí khử lưu
huỳnh và khử nitrat [8].

Hình 1.4 Cấu trúc phân bố màng sinh học bên trong bể lọc sinh học[2]
Các chất hữu cơ và dinh dưỡng từ nước thải được thẩm thấu và hấp phụ vào màng
sinh học để các tập đoàn vi khuẩn trong màng lọc tiêu thụ bằng q trình ơxy hố sinh học.
Các chất hữu cơ và dinh dưỡng là thức ăn nuôi dưỡng các tập đồn vi khuẩn trong màng
sinh học cịn được gọi là cơ chất hay chất nền (substrate - ký hiệu là S). Chính q trình đó
đã làm cho nước thải được tự làm sạch bao gồm: các chất hữu cơ bị ơxy hố thành khí CO2,

các dinh dưỡng khống N - NH4+, N - NO2-, N - NO3- thành khí nitơ tự do (N2). Đây là các
phản ứng sinh hố học rất phức tạp cho đến nay vẫn cịn là vấn đề còn đang được nghiên
cứu của các nhà khoa học trên thế giới. Các màng sinh học liên tục phát triển làm tăng chiều
dày của màng theo thời gian. Khi màng lọc quá dày, các chất hữu cơ, dinh dưỡng và ơxy
hồ tan khơng đủ thẩm thấu vào lớp trong cùng giữa màng sinh học và vật liệu làm giá
mang sẽ làm cho các tập đoàn vi khuẩn thiếu cơ chất và chết dần. Vì vậy, sự dính bám và
liên kết giữa màng lọc và giá mang bị lỏng lẻo, không chặt và màng lọc bắt đầu bị bong ra
khỏi giá mang. Đây là hiện tượng bị tróc màng lọc và bản thân nó lại trở thành cơ chất làm
thức ăn cho các tập đoàn vi khuẩn trong bể lọc sinh học. Bề mặt vật chất làm giá mang sẽ lại
phát triển màng sinh học mới, trẻ hơn và tiêu thụ các chất dinh dưỡng và hữu cơ trong nước
thải lớn hơn. Hiện tượng này xảy ra liên tục hàng ngày của tất cả các màng sinh học có
trong bể lọc sinh học và cũng là quy luật phát triển tự nhiên.
Nước thải từ hệ thống RAS nuôi cá biển giống chủ yếu là hợp chất dinh dưỡng hữu
cơ, sẽ tăng lên trong nước nếu quá trình quản lý, vận hành sản xuất không tối ưu. Hợp chất
dinh dưỡng chủ yếu là nitơ và phốt pho, có nguồn gốc từ vật nuôi và chất rắn hữu cơ như
thức ăn thừa [47]. Nước thải của hệ thống nuôi không xử lý có khoảng 60% là nitơ và chủ
yếu là nitơ dạng hữu cơ, 40% là hợp chất vô cơ như là nitơ dạng amoni (N- NO4+). Hợp
chất hữu cơ bao gồm amino axít, protein, ADP/ATP là nguồn cơ bản của hợp chất nitơ và
phốt pho trong nước thải. Vì vậy, nghiên cứu q trình chuyển hóa chất hữu cơ trong bể lọc
SBF chủ yếu tập trung nghiên cứu quá trình chuyển hóa của nitơ và phốt pho.


12
1.2.2. Q trình chuyển hóa nitơ và phốt pho trong hệ thống lọc sinh học SBF

1.2.2.1. Q trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc SBF
Nitơ được hoà tan trong nước thành nitơ dạng amoni (N - NH4+), nitơ dạng nitrit (NNO2-) và nitơ dạng nitrat (N - NO3-) và tồn tại dưới dạng phân tử hữu cơ như các amino
acid. Q trình nitrat hóa của bể lọc sinh học có khả năng chuyển hoá nitơ dạng amoni và
nitơ dạng nitrit giảm xuống dưới 1mg/l [164]. Đối với ương nuôi cá biển có thể chuyển hố
đến nồng độ dưới 0,1mg/l [80].

Tổng nitơ dạng amoni (TAN): Sự tồn tại của NH4+ trong nước phụ thuộc vào giá trị
pH trong nước. Khi pH = 7,0 hầu hết TAN đều ở dạng ion (N - NH4+) ít độc cho cá, nhưng
khi pH = 8,75, khoảng 30% TAN sẽ chuyển thành dạng khí amoniac (NH3) bền vững, khí
này rất độc với cá ni. Tuy nhiên, khi hàm lượng TAN cao quá ngưỡng cho phép cũng gây
độc cho động vật thuỷ sinh, nồng độ gây chết (LC50) cá giò giống là 34,83mg/l [2]. Nồng
độ gây chết của NH4+ ở dạng phức đã được xác định cho nhiều loài và khoảng nồng độ dưới
ngưỡng gây chết đến nồng độ cho phép chưa được xác định và ở mức này nó có thể làm
giảm tốc độ sinh trưởng của cá nuôi [158].
Nitơ dạng nitrit (N - NO2-): Nitrit được sinh ra từ TAN trong môi trường nước. Hàm
lượng N-NO2- thường ít thấy trong mơi trường nước ni. Nitrit chỉ có mặt trong nước ni
trồng thủy sản khi hàm lượng ơxy hồ tan trong nước thấp (< 2mg/l). Khi thực hiện q
trình nitrat hóa, nếu mơi trường thiếu ơxy thì q trình chuyển hố chỉ dừng lại ở sản phẩm
nitrit (phương trình 1.1) [80], [117], [151], [158]. Nitơ dạng nitrit gây độc tố cấp tính cho
một số động vật thủy sinh ở mức hàm lượng 3 – 6mg/l [71], [72]; hầu hết lồi ni biển khi
nồng độ nitrit ở mức hàm lượng 2,2 – 50mg/l thì ấu trùng các lồi đó bị tổn thương [41]; với
cá giị giống nitrit là thông số trở thành độc tố khi mức hàm lượng vượt quá 36,1mg/l [2].
Nitrit có nồng độ cao trong nước làm giảm tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ sống của động vật
thủy sinh [121]. Trong nước mặn, nước lợ, hàm lượng Ca+ và Cl- cao, hai ion này có xu
hướng làm giảm độc tố của N - NO2- [92] nhưng chỉ ở mức hàm lượng không gây tác động.
Để an toàn cho hệ thống RAS, bể lọc SBF tốt nhất khơng có q trình tích lũy nitrit.
Nitơ dạng nitrat (N - NO3-): Nitrat thường không gây độc cho động vật thủy sản
nhưng khi nồng độ quá cao sẽ có tác động đến động vật thủy sản [9]. Nồng độ gây độc tố
cấp tính (LC 50) với cá giị giống là 1590mg/l [4]. Thomas M. Losodor năm 1998 đã nhận
định rằng: “Khi hàm lượng nitrat cao khơng có lợi cho ni trồng thuỷ sản” [80]. Độ mặn
càng cao tính độc của nitrat càng giảm, có thể giảm đến 300 - 400 lần trong điều kiện nước
biển có độ mặn 32‰ [6]. Một số nghiên cứu khác chỉ ra rằng, trong hệ thống ni, các lồi
thuỷ sinh vật có thể chịu ngưỡng N - NO3- ở nồng độ cao (lớn hơn 100 - 300 mg/l tùy thuộc
theo từng loài) [66].
Quá trình chuyển hố nitơ trong bể lọc SBF bao gồm: q trình vận hành kích hoạt
bể lọc phát triển vi khuẩn trên màng sinh học (gọi tắt là quá trình cố định màng sinh học);

q trình nitrat hố; q trình tích luỹ nitrit và q trình khử [14]. Trong đó q trình nitrat
hố và q trình khử là hai q trình chủ yếu chuyển hố nitơ (hình 1.5).


13

Hình 1.5 Q trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc sinh học ngập nước[155]
Quá trình cố định màng sinh học trên vật liệu đệm: Q trình nitrat hóa sinh học
được thực hiện bởi vi khuẩn tăng trưởng dính bám, vi sinh vật phát triển trên một lớp màng
sinh học được gắn trên bề mặt của vật liệu đệm. Như vậy, quá trình này gọi là quá trình cố
định màng khi tập hợp lượng vi khuẩn phát triển đủ lớn đóng vai trị quyết định. Sinh trưởng
dính bám, màng sinh học cố định trên vật liệu đệm có một số lợi thế so với tăng trưởng lơ
lửng, nếu quá trình vận hành ổn định, các điều kiện phù hợp, thì hệ vi khuẩn không sốc và
không bị rửa trôi [45], [103]. Bởi vì, hầu hết các lồi cá ni chỉ chịu được nồng độ TAN ở
mức thấp, phù hợp với quá trình tăng trưởng dính bám liên tục. Bể lọc SBF hoạt động trên
nguyên lý màng sinh học tăng trưởng dính bám đã được áp dụng thành công trong hệ thống
RAS. Tất cả các bể lọc SBF phải được cố định màng trước khi đưa vào vận hành. Ở điều
kiện bình thường, 30 ngày là cần thiết để hàm lượng TAN và hàm lượng nitrit được chuyển
hóa ở nồng độ chấp nhận được (đạt tiêu chuẩn chất lượng nước tái sử dụng) [86], [122]. Cố
định màng sinh học trên vật liệu đệm trong bể lọc SBF là q trình kích hoạt (khởi động) bể
lọc SBF phát triển màng sinh học. Quá trình cố định màng có thể kéo dài đến 2 - 3 tháng,
tùy thuộc vào từng điều kiện [84], nhưng với các chất dinh dưỡng hữu cơ, cơ chất thuận lợi
có thể thúc đẩy q trình cố định màng sinh học sớm hơn [85].
Q trình nitrat hóa, TAN đầu tiên được ơxy hóa thành nitrit bởi vi khuẩn tự dưỡng,
quan trọng nhất là vi khuẩn Nitrosomonas. Sau đó nitrit được ôxy hóa thành nitrat bởi các vi
khuẩn khác và quan trọng nhất là Nitrobacter. Phương trình 1.1 và 1.2 là phương trình hóa
học cơ bản chuyển hóa trong q trình nitrat hóa [1], [155].
NH4+ + 1.5O2 → 2H+ + H2O + NO2−
−

NO2 + 1.5O2 → NO3

−

(1.1)
(1.2)

Năng lượng giải phóng được chuyển hóa bởi vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter
trong q trình sống của nó. Ngồi ra, các phản ứng này cần ôxy, sản phẩm tạo thành các
ion hydro (làm pH giảm) và nitrit là sản phẩm trung gian. Theo USEPA năm 1984, q trình
nitrat hóa hồn tồn được thể hiện ở phương trình (1.3) như [146]:
NH4+ + 1,83O2 + 1.98HCO3− → 0,021C5H7O2N + 0,98NO3− + 1,041
H2O + 1,88H2CO3−

(1.3)

Trong đó, C5H7O2N là cơng thức hóa học của tế bào vi khuẩn của Nitrosomonas và
Nitrobacter. Phương trình (1.3) được sử dụng để ước lượng nồng độ ôxy và nhu cầu độ
kiềm, sinh khối tế bào sản xuất. Đối với mỗi gam TAN ôxi hóa thành nitrat, cần khoảng
4,57gO2 hoặc tiêu thụ 4,18 g độ kiềm theo Losodor năm 1994 [78] và 7,07g độ kiềm (tính
theo CaCO3) theo lý thuyết để tạo thành 0,17 g sinh khối vi khuẩn.


14
Khi thiết kế ứng dụng bể lọc SBF trong hệ thống RAS, cơ sở lý luận mối quan hệ giữa
tốc độ nitrat hóa và nồng độ DO là một tiêu chuẩn. Ở phương trình (1.3), ơxy là một u cầu
trong q trình ơxy hóa TAN. Nhu cầu ơxy lý thuyết theo phương trình cân bằng hóa học
nitrat hóa là: 3,43 mg O2 cần để ơxy hóa 1 mg NH3 và 1,14 mg O2 để ơxy hóa 1 mg N NO2-. Mặc dù tốc độ tiêu thụ O2 khi ơxy hóa TAN thấp hơn nhiều trong nghiên cứu thực
nghiệm [125].
Nồng độ ôxy thấp là nguyên nhân tích lũy nitrit trong bể lọc sinh học. Nghiên cứu ảnh

hưởng của ơxy hịa tan (Dissovel Oxygen = DO) đến q trình tích lũy nitrit khi DO < 2mg/l
[162]. DO > 2 mg/l đã được đề xuất là nồng độ ôxy tối thiểu trong bể lọc sinh học sử dụng
q trình nitrat hóa ứng dụng trong hệ thống RAS [153].
Như vậy, nếu nồng độ TAN trong nước dao động trong khoảng 0,5 – 1mg/l trong
nước vào bể lọc thì nồng độ DO cần thiết cho q trình ơxy hóa hồn tồn sẽ dao động từ
2,285 – 4,57mg/l. Vì vậy, nồng độ DO trong bể lọc > 2,3mg/l sẽ ngăn ngừa q trình tích tụ
nitrit.
Q trình khử, N - NO2-, N - NO3- bị giảm đi, và chuyển thành khí N2 bởi vi khuẩn
khử nitơ trong điều kiện kị khí [40]. Các q trình nitrat hóa và quá trình khử đều xảy ra
trong màng sinh học [54] và các vi khuẩn sống trong môi trường nước thải.
Phương trình động học q trình nitrat hóa
Q trình nitrat hóa được đặc trưng bằng tốc độ chuyển hóa cơ chất TAN. Trong bể
lọc SBF, động học quá trình chuyển hóa cơ chất được mơ tả bởi phương trình Monod có
dạng phương trình (1.4) [38], [116], [131]:

R = µ max

X
S
YS K S + S

(1.4)

Trong đó R: tốc độ chuyển hóa cơ chất (g/m3.ngày); µmax: tốc độ tăng trưởng tối đa,
lớn nhất (ngày-1); X: nồng độ sinh khối vi khuẩn (g tế bào/m3); YS: lượng sinh khối vi
khuẩn trên 1 đơn vị chất nền sử dụng (g/tế bào.g cơ chất); S: nồng độ cơ chất giới
hạn (g/m3); KS: hằng số bán phân hủy (g/m3).
Phương trình Monod sử dụng để mơ tả động lực học của q trình nitrat hóa khi
TAN được coi là các cơ chất cho quá trình tăng trưởng giới hạn đối với Nitrosomonas trong
khi nitrite là cơ chất hạn chế với Nitrobacter. Tốc độ tăng trưởng của Nitrobacter lớn hơn so

với Nitrosomonas [155], và q trình chuyển hóa TAN thường có tốc độ giới hạn. Trong
phương trình (1.4), tốc độ chuyển hóa TAN là thơng số tốc độ giới hạn trong q trình nitrat
hóa [153]. Các phân tích toán học và các dữ liệu thực nghiệm cho thấy có hai đặc điểm
chính của phương trình (1.4). Thứ nhất, ở một nồng độ cơ chất đủ lớn phương trình (1.4) trở
thành bậc 0, có nghĩa là tốc độ phản ứng không tăng khi nồng độ cơ chất đạt đến mức giới
hạn, khi đó tốc độ chuyển hóa TAN khơng còn liên quan đến nồng độ cơ chất. Trong trường
hợp này, các yếu tố khác sẽ là yếu tố hạn chế. Thứ hai, ở một nồng độ chất nền đủ thấp, mối
quan hệ giữa tốc độ chuyển hóa và nồng độ cơ chất trở thành tuyến tính, là phương trình bậc
1.
TAN được coi là cơ chất của quá trình nitrat hóa là yếu tố quan trọng nhất khi thiết
kế và vận hành bể lọc SBF trong hệ thống RAS [95]. Có hai vấn đề cơ bản liên quan đến
q trình nitrat hóa: nồng độ TAN tối thiểu của bể lọc sinh học có thể duy trì tốc độ nitrat
hóa và nồng độ TAN thích hợp. Thứ nhất, nồng độ TAN tối thiểu phải không gây độc hại
cho hầu hết các lồi sinh vật ni (giới hạn cho phép theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN
10:2001 đối với sinh vật vùng ven bờ biển là < 1mg/l) [10]. Bể lọc SBF phải có khả năng


15
duy trì hoạt động của vi khuẩn với nồng độ cơ chất TAN đủ thấp đó. Thứ hai, bể lọc sinh
học phải có nồng độ TAN phù hợp, ở nồng độ đó bể lọc có thể thực hiện được quá trình
chuyển hóa và khơng gây tích lũy TAN.
Chất lượng nước tốt nhất có thể được duy trì trong bể lọc SBF của hệ thống RAS, về
khía cạnh TAN, là nồng độ tối thiểu để vận hành bể lọc sinh học, ký hiệu là Smin. Khái niệm
nồng độ tối thiểu của cơ chất đảm bảo trạng thái ổn định màng sinh học được đề xuất và
chứng minh bởi Rittmann và McCarty năm 1980; Rittmann và Manem năm 1992 [115].
Rittmann và McCarty năm 1980 đã đưa ra cơng thức tính Smin cho màng sinh học như trong
phương trình (1.5) [116] :

S min = K S

b
µ max - b

(1.5)

Trong đó, Smin là nồng độ chất nền tối thiểu (mg/l) và b là tốc độ vi khuẩn phân hủy
(ngày).
Zhu và Chen năm 1999 đã cho rằng nồng độ tối thiểu TAN của bể lọc SBF với q
trình nitrat hóa có giá trị trung bình là 0,07 ± 0,05 mg/l ở nhiệt độ 27,2°C [163]. Nồng độ
TAN tối thiểu này thấp hơn nhiều so với mức độ độc hại cho gần như tất cả các lồi ni
trồng thủy sản. Kết quả này là cơ sở ứng dụng q trình nitrat hóa an tồn trong với hệ
thống RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học ngập nước.
Trong bể lọc SBF của hệ thống RAS nuôi trồng thuỷ sản thường yêu cầu mức nồng
độ TAN thấp để duy trì và vận hành hệ thống, điều này đã được khẳng định trong hầu hết
các cơng trình nghiên cứu. Khi nồng độ TAN tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình
nitrat hóa nhưng nồng độ TAN là tốc độ giới hạn của q trình nitrat hóa. Mối quan hệ giữa
tốc độ nitrat hóa và nồng độ TAN được xác định bởi phương trình (1.6).

R = R max

S
Ks + S

(1.6)

Tuy nhiên, trong thực tế bể lọc SBF của hệ thống RAS nuôi trồng thủy sản vận hành
ở nồng độ thấp hơn so với nồng độ TAN sử dụng trong xử lý nước thải cơng nghiệp,
phương trình (1.6) này có thể được đơn giản hóa cho các ứng dụng ni trồng thủy sản. Ở
nồng độ cơ chất TAN thấp (S
KS), động lực học q trình nitrat hóa có thể đơn giản là

phương trình phản ứng bậc 1.

R=

Rmax
( S − S min )
Ks

(1.7)

Q trình nitrat hóa được đặc trưng bởi thơng số tốc độ chuyển hóa riêng phần của
vật liệu lọc (VTR). Do đó, R (tốc độ chuyển hóa cơ chất) trong phương trình (1.7) được thay
thế bằng thơng số VTR (tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc).
Phương trình (1.7) được viết lại thành phương trình (1.8). Phương trình (1.8) biểu thị
tốc độ nitrat hóa tăng lên với tăng nồng độ cơ chất TAN. Mối quan hệ này được xác định
với thí nghiệm thực tế trong hệ thống RAS.

VTR =

VTR max
(TAN - TAN min )
Ks

(1.8)