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%) ■ . 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. 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. 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