Bài báo này trình bày kết quả của nghiên cứu áp dụng bùn hoạt tính đã thích nghi vào xử lý nước thải nuôi tôm.

Trong các loại hình nuôi tôm thâm canh và nuôi công nghiệp trên cát, một lượng rất lớn thức ăn, phân vô cơ, phân hữu cơ được đưa vào ao nuôi nhằm tăng năng suất sản phẩm.Hiệu quả sử dụng các thành phần bổ sung này thường khá thấp, ví dụ lượng thức ăn đưa vào chỉ được hấp thu khoảng 25 – 30% [5]. Do vậy nước thải từ các ao nuôi rất giàu các chất hữu cơ (từ thức ăn, phân bón), nitơ, phốtpho (từ phân hủy các prôtêin) và chất rắn lơ lửng. Với mật độ vi sinh vật hữu ích thấp, việc xử lý bằng các ao tự nhiên khó đạt yêu cầu chất lượng nước (giảm BOD5, COD, N, P) để tuần hoàn và đòi hỏi diện tích ao lớn.

Các quá trình xử lý hiếu khí thể bám (lọc sinh học hiếu khí), với mật độ vi sinh vật hữu ích rất cao, có thể là giải pháp thay thế. Hệ thống lọc sinh học hiếu khí với lớp đệm ngập nước (SAFB = Submerged Aerated Fixed Bed) có khả năng xử lý ở các tải lượng chất hữu cơ cao, ngoài ra nhờ thời gian lưu bùn dài còn tạo điều kiện cho sự sinh trưởng và hoạt động của các vi khuẩn nitrat hóa [6]. Một vấn đề cần giải quyết là hoạt động xử lý của bể SAFB ở điều kiện độ muối cao. Trong một nghiên cứu trước, chúng tôi đã làm thích nghi được bùn hoạt tính hiếu khí với môi trường tổng hợp có độ muối cao đến 15%0 trên bể SAFB, với hiệu quả loại COD đến 87,3% [7].

Bài báo này trình bày kết quả của nghiên cứu áp dụng bùn hoạt tính đã thích nghi nói trên vào xử lý nước thải nuôi tôm.

1. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Thí nghiệm trên mô hình xử lý liên tục

Hệ thống thí nghiệm xử lý được lắp ráp như sơ đồ ở hình 1. Bể phản ứng làm bằng nhựa mica trong, có tổng thể tích 5 L. Vật liệu bám cho sinh khối có khối lượng 40 g, làm từ sợi nhựa acrylic dạng tấm lưới có thể co giãn, có tên thương mại là Biofix (hãng NET, Nhật Bản).

Quá trình khởi động, thích nghi với điều kiện môi trường có độ muối cao (từ 0 – 15‰) được tiến hành trong 60 ngày, như đã được mô tả trong [7]. Hình 2 cho thấy sự bám dính của bùn trên vật liệu sau giai đoạn khởi động. Sau đó, hệ thống được chạy thích nghi với nước thải nuôi trồng thủy sản trong vòng 10 ngày, rồi cho vận hành nhằm đánh giá khả năng xử lý  nước thải nuôi trồng thủy sản ở các tải trọng hữu cơ khác nhau (từ 0,3 đến 1,5 kg COD/m3/ngày) bằng cách giảm thời gian lưu thủy lực (HRT). Trong khuôn khổ nghiên cứu, các thông số vận hành khác được duy trì ở mức ổn định: pH 7,0 – 7,5; lưu lượng sục khí 0,4 L/phút và nhiệt độ trong bể 32oC.

Sự bám dính tốt của bùn dầu giai đoạn khởi động

Lấy mẫu và phân tích mẫu

a. Lấy mẫu nước thải nuôi tôm

Nước thải sản xuất tôm sú giống và nước thải nuôi tôm trên cát đã được sử dụng để nghiên cứu khả năng xử lý của bể SAFB. Nước thải nuôi tôm giống được lấy từ Trại sản xuất giống chất lượng cao ở thôn Cự Lại, xã Phú Hải, huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế. Mẫu được lấy vào thời điểm tháo nước bể nuôi tôm giống bằng xi-phông từ đáy bể. Nước thải nuôi tôm trên cát được lấy tại cống thải của các ao nuôi khi xả thay nước hoặc xả cuối vụ của Công ty Cổ phần Trường Sơn ở xã Điền Lộc, huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế. Ở mỗi đợt lấy mẫu, nước thải được chứa trong các can nhựa PE dung tích 20 L (tổng thể tích mẫu mỗi lần khoảng 100 – 120 L) và vận chuyển ngay về phòng thí nghiệm. Phần mẫu để phân tích các thông số được lấy ra trong vòng 24 giờ, phần còn lại được bảo quản không quá 4 ngày trong tủ lạnh ở 0 – 50C để dùng làm đầu vào cho bể phản ứng.

b. Lấy mẫu đánh giá vận hành hệ thống

Trong các giai đoạn thí nghiệm, nước thải đầu vào và đầu ra được lấy để đánh giá hiệu quả xử lý, với tần suất 2 – 3 ngày/lần. Chất rắn lơ lửng được loại bỏ bằng cách lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh 1 µm.

c. Phân tích mẫu

Tiến hành phân tích các thông số pH, COD, NH4+-N, NO3–N, NO2–N, tổng nitơ (T-N), độ kiềm (theo CaCO3) đối với các mẫu nước thải nuôi tôm và các mẫu đầu vào – đầu ra hệ thống SAFB. Các phương pháp phân tích tiêu chuẩn cho nước và nước thải của Hoa Kỳ [8] được áp dụng: phương pháp hồi lưu kín-trắc quang với COD, phương pháp khử bằng cột Cd với NO – – N và phương pháp persulfat với T-N. Riêng NH +-N được phân tích theo phương pháp trắc quang với thuốc thử OPP [9].

2. Kết quả và thảo luận

2.1. Đặc điểm của nước thải nuôi tôm

2.1.1. Nước thải nuôi tôm sú giống

Kết quả phân tích các mẫu nước thải lấy tại trại nuôi tôm sú giống ở thôn Cự Lại, Phú Hải, Phú Vang, Thừa Thiên Huế được tổng hợp trong bảng 1.

Bảng 1. Đặc điểm nước thải nuôi tôm sú giống ở trại nuôi Cự Lại (Phú Hải, Phú Vang)

Nước thải nuôi tôm sú giống đa số mẫu có nồng độ  COD hơi vượt tiêu chuẩn thải (QCVN 24:2009/BTNMT, cột B). Trong trường hợp nước thải này muốn tái sử dụng cho các ao nuôi hoặc bổ sung vào nguồn nước làm môi trường sống cho động vật thủy sinh thì theo các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 08:2008/BTNMT cho nước mặt và QCVN 10:2008/BTNMT cho nước biển ven bờ, sẽ phải xử lý giảm SS, các chất hữu cơ, NH4-N, NO2-N và NO3-N.

2.1.2. Nước thải nuôi tôm trên cát

Các đặc trưng của nước thải nuôi tôm lấy từ các ao nuôi của Công ty Cổ phần Trường Sơn ở xã Điền Lộc, huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế được thể hiện trong bảng 2.

Nhìn chung, nước thải nuôi tôm trên cát có thành phần ô nhiễm gần tương tự với nước thải nuôi tôm sú giống. Giá trị của hầu hết các thông số đều nằm trong khoảng tiêu chuẩn thải cho phép (QCVN 24:2009, cột B), trừ COD vượt tiêu chuẩn 1,3 – 2,0 lần. Nếu so với yêu cầu về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008 và nước biển ven bờ  QCVN 10:2008, để đảm bảo đời sống thủy sinh, phải xử lý giảm các chất rắn lơ lửng (SS), COD, NH4-N, NO2-N và NO3-N.

2.2. Khả năng xử lý của bể SAFB ở các tải trọng hữu cơ khác nhau

Trong 10 ngày chạy thích nghi với nước thải nuôi tôm sú giống, hiệu suất trung bình xử lý COD và NH4-N tương ứng là 83,6% và 70%. Từ ngày thí nghiệm thứ 70, khả năng xử lý ở các tải trọng hữu cơ khác nhau được theo dõi và đánh giá. Thời gian đầu nước thải đầu vào là nước thải nuôi tôm sú giống có bổ sung kali hydrophtalat và dung dịch CH3COONH4 20 g/L để điều chỉnh nồng độ COD và NH4-N. Tuy nhiên do kết thúc vụ nuôi tôm giống nên từ ngày thứ 108 nước thải nuôi tôm trên cát được sử dụng để thay thế. Các loại nước thải này có độ muối trung bình từ 15,4 – 18,1 ‰. Tải trọng vận hành tăng dần từ 0,6 – 1,5 kg COD/m3/ngày bằng cách giảm thời gian lưu thủy lực từ 10 h xuống còn 8, 6, 4, và 2 h.

Khả năng xử lý COD

Hiệu quả xử lý COD của bể SAFB ở các tải trọng hữu cơ khác nhau được trình bày trong bảng 3 và hình 3.

Ghi chú: Các giá trị trong bảng là TB  S với n = 22, 11, 11 và 11 ứng với các tải trọng hữu cơ 0,6; 0,8; 1,2 và 1,5 kg-COD/m3/ngày.

Từ kết quả thu được, có thể thấy rằng hiệu quả xử lý COD giảm khi tăng tải trọng xử lý. Mức giảm hiệu suất xử lý khi tăng tải trọng từ 0,6 lên 0,8 rồi 1,2 kg- COD/m3/ngày nhỏ hơn khi tăng từ 1,2 lên 1,5 kg-COD/m3/ngày. Tuy nhiên ở các tải trọng đó, đầu ra của hệ thống xử lý vẫn luôn có COD đạt cột B, QCVN 24:2009/BTNMT.

Thời gian thí nghiệm (ngày)

Hình 3. Hiệu suất xử lý COD ở tải trọng hữu cơ khác nhau.

2.3. Khả năng xử lý NH4-N

Giá trị trung bình của nồng độ đầu ra các hợp chất nitơ và hiệu quả xử lý amôni được tổng hợp ở bảng 4 và biểu diễn ở hình 4.

Bảng 4. Khả năng xử lý NH4-N ở các tải trọng hữu cơ khác nhau

Ghi chú: Các giá trị trong bảng là TB  S với n=22, 11, 11 và 11 ứng với các tải trọng hữu cơ 0,6; 0,8; 1,2 và 1,5 kg-COD/m3/ngày.

Thời gian thí nghiệm (ngày)

Hình 4. Hiệu suất xử lý NH4-N và nồng độ NO2-N, NO3-N đầu ra ở các tải trọng hữu cơ khác

nhau.

Các kết quả thu được cho thấy ở cả 4 mức tải trọng, hiệu suất xử lý amôni đều vẫn cao (trên 90%) và có xu hướng giảm đi ở tải trọng cao 1,5 kg-COD/m3/ngày. Điều đáng chú ý là nồng độ NO3-N đầu ra giảm dần, nhất là ở tải trọng hữu cơ 1,2 và 1,5 kg-COD/m3/ngày. Hiện tượng này cho thấy, tải trọng hữu cơ tăng cao ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa – điều đã được các tài liệu nghiên cứu xác nhận trước đây [6] [10]. Có  thể giải thích bằng sự cạnh tranh ôxy giữa vi sinh vật (VSV) dị dưỡng (ôxy hóa chất  hữu  cơ)  và  VSV  tự  dưỡng (ôxy hóa amôni) trong bùn; sự cạnh tranh càng mạnh khi nồng độ ôxy càng hạn chế (DO đo được trong giai đoạn này là dưới 3 mg/L và càng giảm dần vào những ngày cuối của quá trình thí nghiệm). Mặt khác, khi sinh khối tăng đến mức độ nào đó sẽ làm cản trở sự phân tán không khí đến sâu trong các khoảng hở giữa lớp bùn, dẫn đến tạo ra những vùng thiếu khí hay kỵ khí cục bộ và quá trình khử nitrat có thể sẽ xảy ra với nguồn cacbon hữu cơ sẵn có trong nước thải, tạo thành khí N2 thoát ra khỏi không khí. Tuy không rõ rệt lắm, nhưng số liệu phân tích tổng nitơ đầu vào và đầu ra ở bảng 4 có phần nào phù hợp lý do khử nitrat này.

Kết quả xử lý nước thải ở tải trọng 1,2 kg-COD/m3/ngày có thể được minh họa trực quan qua sự thay đổi màu sắc mẫu nước thải trước và sau khi xử lý ở hình 5.

Hình 5. Sự thay đổi màu sắc của nước thải trước (A) và sau xử lý (B) qua bể SAFB.

2.4. Sự thay đổi đặc trưng của bùn trong hệ thống xử lý

Trong quá trình vận hành hệ thống, theo thời gian, bùn hoạt tính đã có những thay đổi rõ rệt về cả màu sắc, khối lượng và thành phần các VSV do sự sinh trưởng và phát triển của các VSV. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá hệ thống xử lý và khả năng loại bỏ COD và nitơ có trong nước thải. Sự thay đổi sinh khối của bùn được đánh giá qua các giai đoạn khởi động hệ thống và lúc kết thúc thí nghiệm theo SS, kết quả được tóm tắt ở bảng 5.

Bảng 5. Diễn biến khối lượng bùn trong quá trình vận hành bể thí nghiệm

Như vậy, qua 180 ngày chạy thí nghiệm, tốc độ sinh bùn trong bể SAFB là 0,7 g-SS/ngày. Giá trị này là cao hơn so với trường hợp xử lý nước thải giết mổ gia súc (0,3 g-SS/ngày) [10]. Từ số liệu SS và COD theo dõi qua 180 ngày vận hành, có thể ước tính khối lượng bùn tạo ra trên lượng COD giảm sẽ là 0,4 g-SS/g-COD. Số liệu này cao gần gấp đôi so với nghiên cứu trên nước thải lò mổ [10], tuy nhiên vẫn thấp hơn so với giá trị tương ứng trong quá trình bùn hoạt tính thông thường (khoảng 0,6 g-SS/g-COD). Việc sinh bùn ít hơn chính là ưu điểm của bể phản ứng SAFB, nhờ có sự hình thành chuỗi thức ăn trong lớp bùn bám trên bề mặt vật liệu. Kết quả quan sát và chụp ảnh các mẫu bùn lấy ra từ bể phản ứng qua kính hiển vi với vật kính 40x trình bày ở hình 6 đã cho thấy sự hiện diện của các VSV ở bậc dinh dưỡng cao hơn vi khuẩn như động vật nguyên sinh, vi tảo,… Tuy vậy, sự phát triển mạnh sinh khối của các VSV này trong các hệ xử lý bám dính, nhất là trường hợp lọc nhỏ giọt, có thể làm tăng khả năng gây tắc nghẽn.

3. Kết luận

Từ các kết quả thu được ở trên, có thể rút ra một số kết luận sau:

Nước thải từ hoạt động nuôi tôm sú giống và nuôi tôm trên cát có hầu hết các thông số chất lượng đạt tiêu chuẩn xả thải cột B, QCVN 24:2009/BTNMT, trừ nồng độ chất hữu cơ (COD) hơi vượt quá giá trị quy định. Tuy nhiên, lưu lượng nước thải trong nuôi tôm trên cát là rất lớn, việc thải trực tiếp vào môi trường xung quanh như hiện nay tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nước ngầm, nước mặt khá cao. Nếu các nguồn nước thải này được sử dụng để tái nạp vào ao nuôi hoặc thải trực tiếp vào vực nước là nơi sinh sống của các động vật thủy sinh, các thông số vượt tiêu chuẩn cần xử lý theo QCVN 08:2008/BTNMT, QCVN 10:1008/BTNMT sẽ gồm cả SS, COD, các dạng hợp chất nitơ.

Bể phản ứng SAFB có khả năng xử lý tốt nước thải nuôi trồng thủy sản nước lợ với hiệu suất loại COD đạt 73,7% và hiệu suất loại NH4-N đạt 97,4% ở tải trọng 1,2 kg- COD/m3/ngày, cho COD đầu ra đạt yêu cầu xả thải theo cột B, QCVN 24:2009/BTNMT. Hiệu suất xử lý COD giảm dần khi tải trọng hữu cơ tăng, tuy nhiên ngay cả ở tải trọng 1,5 kg-COD/m3/ngày, đa số đầu ra vẫn đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn xả thải nói trên. Hiệu suất xử lý NH4-N cũng giảm khi tải trọng hữu cơ tăng lên.

Mức sinh bùn trong quá trình thí nghiệm khoảng 0,7 g-SS/ngày hay 0,4 g-SS/g- COD bị xử lý. So với một quá trình bùn hoạt tính bình thường, hiệu suất sinh bùn đạt được thấp hơn.

Theo BCKH

Xem thêm:

Vai trò của nồng độ Oxy hòa tan (DO) trong bể bùn hoạt tính

Công nghệ xử lý nước thải bằng bể bùn hoạt tính

Công nghệ bùn hoạt tính phản ứng theo chuỗi thức ăn (FCR)

—————————-💧💧💧———————————

CÔNG TY CỔ PHẦN WESTERNTECH VIỆT NAM

🏢 Tầng 12, Tòa nhà Licogi 13, Số 164 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội

☎️ +84 2466 638 759

📧 info@westerntechvn.com

🌐 http://www.westerntechvn.com