Tài liệu Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ THỊ THÙY LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VŨ THỊ THÙY LINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH HỆ THỐNG SINH ĐIỆN HÓA NHẰM XỬ LÝ Ô NHIỄM HỮU CƠ TRONG AO NUÔI THỦY SẢN NƯỚC LỢ Chuyên ngành: Vi Sinh Vật Học Mã số: 60420107 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thế Hải Hà Nội, 2016 Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Phạm Thế Hải – Giảng viên Khoa Sinh học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người đã định hướng, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Đồng thời tôi xin được chân thành cảm ơn Ths. Nguyễn Thị Thu Thủy, Phòng Vi Sinh Vật môi trường, KTV. Đỗ Minh Phương, phòng thí nghiệm bộ môn Vi Sinh Vật Học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cán bộ Phòng Thí Nghiệm Sinh Học thực nghiệm của Viện Ứng dụng Công nghệ Nacentech đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi nhiệt tình trong quá trình thực hiện đề tài. Thêm vào đó, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể các Thầy, Cô trong Khoa Sinh học đã tạo điều kiện học tập và truyền đạt cho tôi những tri thức khoa học hết sức bổ ích giúp tôi hoàn thiện đề tài cũng như hình thành thế giới quan khoa học của mình. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân trọng đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã sát cánh bên tôi, luôn ủng hộ, tin tưởng và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Nghiên cứu trình bày trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 106-NN.042015.23. Hà nội, tháng 12 năm 2016 Vũ Thị Thùy Linh MỤC LỤC Danh mục các từ viết tắt........................................................................................... Danh mục hình vẽ .................................................................................................... Danh mục bảng ........................................................................................................ MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 3 1.1. Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở Việt Nam ............................................................................................................ 3 1.1.1. Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ ở nước ta hiện nay........... 3 1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay...... 5 1.2. Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản .......... 6 1.2.1. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD) ...... 6 1.2.2. Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH4+)............................................. 7 1.3. Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ................... 10 1.3.1. Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) ............................ 10 1.3.2. Hệ thống “đất ngập nước kiến tạo” (contructed wetlands) .............. 11 1.3.3. Sử dụng ô - zôn (O3) ........................................................................... 13 1.3.4. Hệ thống sục khí nhân tạo trong ao nuôi ........................................... 13 1.3.5. Ứng dụng mô hình sinh điện hóa ....................................................... 14 1.3.6. Tình hình nghiên cứu các giải pháp xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản ở Việt Nam ....................................................................................................... 15 1.4. Các mô hình sinh điện hóa ....................................................................... 15 1.4.1. Giới thiệu tổng quát về các mô hình sinh điện hóa ........................... 15 1.4.2. Mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (sediment bioelectrochemical system) .......................................................................... 18 1.4.3. Vi sinh vật ở điện cực đáy: Tính đa dạng và sự biến đổi của quần xã .. 19 1.5. Ứng dụng mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy (SBES) trong xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản .................................................................................... 23 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng SBES ................................................ 23 1.5.2. Tiềm năng sử dụng SBES để xử lý ô nhiễm ao nuôi thủy sản nước lợ ..... 25 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 26 2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................... 26 2.1.1. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ........................................... 26 2.1.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng cho nghiên cứu ....................................... 28 2.2. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 28 2.2.1. Thiết kế, xây dựng và vận hành SBES .............................................. 28 2.2.2. Phương pháp truyền thống để phân lập và nuôi cấy vi khuẩn .......... 34 2.2.3. Phương pháp nhuộm Gram và quan sát kính hiển vi ........................ 35 2.2.4. Phương pháp tách DNA tổng số ........................................................ 35 2.2.5. Phương pháp DGGE .......................................................................... 36 2.2.6. Phương pháp giải và phân tích trình tự gen 16S rARN ..................... 39 2.2.7. Phương pháp đo COD với mẫu nước có hàm lượng clo cao và mẫu bùn 40 2.2.8. Phương pháp đo TN và amoni. .......................................................... 42 2.2.9. Phương pháp tính toán và xử lí số liệu .............................................. 44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 45 3.1. Xây dựng mô hình ao nuôi thủy sản nước lợ có lồng ghép SBES ............ 45 3.2. Kết quả làm giàu vi khuẩn điện hóa .......................................................... 45 3.2.1. Dòng điện phát sinh trong giai đoạn làm giàu vi khuẩn điện hóa .... 45 3.2.2. Các kết quả phân tích quần xã VSV ở điện cực đáy - anode ............ 47 3.3. Sơ bộ các kết quả đánh giá hoạt động xử lí ô nhiễm hữu cơ của hệ SBES.......... 58 3.3.1. Kết quả xử lí COD ................................................................................. 58 3.3.2. Kết quả xử lí ammonium (NH4+) ........................................................ 60 3.3.3. Kết quả xử lí N tổng (TN) ................................................................... 61 3.3.4. Tóm lược các kết quả xử lí ô nhiễm của hệ........................................ 62 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 64 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 66 PHỤ LỤC ................................................................................................................ Danh mục các từ viết tắt Từ Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt BESs Microbial bioelectrochemical Hệ thống sinh điện hóa systems BOD Biochemical Oxygen demand. Nhu cầu oxy sinh hóa BTN - Bể thí nghiệm – Mô hình SBES BĐC - Bể đối chứng – Mô hình đối chứng COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DGGE Denaturing gradient gel Điện di gradient gel biến tính electrophoresis EBA Electrochemically active Vi khuẩn có hoạt tính điện hóa bacteria INO Inoculum Quần xã bùn tự nhiên MEC Microbial electrolysis cells Tế bào điện phân vi sinh MFC Microbial fuel cell Pin nhiên liệu vi sinh vật PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp SBES Sediment bioelectrochemical Hệ thống sinh điện hóa với điện system cực ở đáy. Danh mục hình vẽ Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL ................................. 4 Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá . ................................................................... 7 Hình1.3: Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) ............................ 11 Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm ............................................ 12 Hình 1.5: Một số hệ thống sục khí cho ao nuôi tôm ........................................... 14 Hình 1.6: Ví dụ minh họa về BESs (i) MFCs tạo ra điện năng và (ii)MECs tiêu thụ điện năng tạo ra Hiđro. ................................................................................... 16 Hình1.7: Nguyên lý hoạt động của một MFC .................................................... 17 Hình1.8: Sơ đồ các phản ứng ở điện cực của MFC (A) và SBES (B) ................. 18 Hình1.9: Mô hình vận hành của một hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy ....................................................................................................................... 19 Hình 1.10: Tổng quan các ứng dụng của SMFC ................................................. 24 Hình 2.1:Các vật liệu cấu tạo điện cực. ............................................................... 26 Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống sinh điện hóa ứng dụng để xứ lý nước và đáy ao nuôi nước lợ. ............................................................................................. 29 Hình 2.3 : Mô hình thiết kế bể thí nghiệm với điện cực ở đáy ............................ 31 Hình 2.4: Tỉ lệ chuyển đổi thức ăn trong ao nuôi tôm ......................................... 33 Hình 3.1: Mô hình các bể kính làm thí nghiệm ................................................... 45 Hình 3.2: Dòng điện của SBES sau 30 ngày làm giàu ......................................... 46 Hình 3.3: Dòng điện của các quần xã bùn TN và ĐC trong SBES ống nghiệm ..... 47 Hình 3.4: Ảnh các khuẩn lạc thu được trên LB 1,5% NaCl ở nồng độ pha loãng 10-3.... 48 Hình 3.5: Các chủng phân lập từ 3 quần xã vi khuẩn .......................................... 50 Hình 3.6: Khuẩn lạc và hình thái tế bào của các chủng cần quan tâm................. 51 Hình 3.7: Tương quan giữa các quần xã nghiên cứu ........................................... 52 Hình 3.8: Kết quả khuếch đại trình tự gen16S rRNA của các đơn chủng với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số ................ 53 Hình 3.9: Kết quả khuếch đại trình tự gen 16S rRNA của các mẫu với cặp mồi P63F và P1378R từ sản phẩm tách DNA tổng số. ............................................... 56 Hình 3.10: Kết quả PCR khuếch đại trình tự gen16S rRNA dùng cho phân tích DGGE bằng cặp mồi (P338F & P518R). ............................................................. 56 Hình 3.11: Kết quả điện di DGGE quần xã anode của SBES và các đơn chủng chiếm ưu thế ......................................................................................................... 57 Hình 3.12: Kết quả so sánh tốc độ phân giải COD của hệ SBES khi vận hành ở các chế độ cho ăn khác nhau ................................................................................ 58 Hình 3.13: Kết quả NH4+ của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau...... 60 Hình 3.14: Kết quả NH4+ của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau ........ 60 Hình 3.15: Kết quả TN của các mẫu nước ở các chế độ cho ăn khác nhau ......... 61 Hình 3.16: Kết quả TN của các mẫu bùn ở các chế độ cho ăn khác nhau ........... 62 Danh mục bảng Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010 ................... 3 Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao nuôi tôm ......................................................................................................................... 8 Bảng 1.3: Các vi khuẩn được sử dụng trong MFC .............................................. 20 Bảng 2.1: Diện tích và thể tích của mô hình thí nghiệm tương đương ao nuôi thực tế .................................................................................................................. 32 Bảng 2.2: Môi trường LB 1.5% NaCl .................................................................. 35 Bảng 2.3: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn 1400 bp gen 16S rRNA ....................................................................................... 37 Bảng 2.4: Thành phần và chu trình nhiệt cho phản ứng PCR khuếch đại đoạn 200bp gen 16S rRNA .......................................................................................... 38 Bảng 2.5: Thành phần dung dịch chất biến tính 0% và 60% ............................... 39 Bảng 2.6: Thành phần “Working solutions” ........................................................ 39 Bảng 3.1: Số lượng các vi khuẩn thu được sau phân lập bằng LB agar 1.5%NaCl .............................................................................................................................. 48 Bảng 3.2: Kết quả phân tích các trình tự gen 16S rRNA của các đơn chủng quan tâm ....................................................................................................................... .54 MỞ ĐẦU Hiện nay, nuôi trồng thủy sản nước lợ là một lĩnh vực quan trọng đem lại nhiều lợi ích cho con người: cung cấp thực phẩm, đem lại lợi nhuận không nhỏ cho nền kinh tế quốc dân, góp phần tăng tích lũy vốn, xuất khẩu thu về ngoại tệ cho nhà nước, cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp và ngành y, dược, tạo điều kiện việc làm cho hàng triệu lao động [11]. Vì vậy, vấn đề nâng cao sản lượng và chất lượng trong nuôi trồng thủy sản nước lợ đang được rất nhiều nhà khoa học và người nuôi trồng thủy sản quan tâm. Một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề này là cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản. Tình trạng ô nhiễm môi trường đang xảy ra nghiêm trọng trong quá trình nuôi trồng do phần lớn các chất hữu cơ dư thừa thức ăn, phân và các rác thải khác đọng lại dưới đáy ao nuôi. Ngoài ra, các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi trồng cũng dư đọng lại mà không được xử lí. Việc hình thành lớp bùn đáy tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây mùi khó chịu, các vi sinh vật gây bệnh như: các vi khuẩn Vibrio, Aeromonas, E.coli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococus … cùng nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật [1]. Trên thực tế có rất nhiều phương pháp để khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi, xử lí các nguồn bệnh trong môi trường: chọn và kiểm soát giống nuôi tốt, giống sạch bệnh, quản lí thức ăn tốt, thường xuyên thay nước và sục khí, xử lý nước bằng các hệ thống riêng biệt, sử dụng hóa chất kết hợp với chế phẩm sinh học …[106]. Tuy nhiên, các phương pháp trên ít nhiều còn có những hạn chế nhất định nên chưa cho phép đưa ra những giải pháp toàn diện, hiệu quả, bền vững để giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi thủy sản. Việc sử dụng hệ thống sinh điện hóa (bioelectrochemical systems) để xử lí ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ là một hướng tiếp cận hoàn toàn mới. Nguyên lí hoạt động của một mô hình sinh điện hóa là tạo ra dòng điện từ sự chênh lệch điện thế giữa bề mặt nước có nhiều ôxi hòa tan và phần bùn đáy thiếu oxi, nhằm xử lí tại chỗ COD (nhu cầu oxi hóa học) của ao nuôi thủy sản nước lợ. Theo 1 đó, anode của hệ thống sẽ được tích hợp vào bùn đáy ao nuôi và cathode sẽ được đặt trên bề mặt nước. Tại anode, các vi sinh vật sẽ phân giải các chất hữu cơ trong bùn đáy và nước, tạo ra electron và proton. Electron sẽ được chuyển từ anode sang cathode thông qua một mạch ngoài và proton sẽ chuyển từ bùn đáy tới cathode và kết hợp với oxi trên cathode để tạo ra nước [87]. Nhờ tác dụng kích thích rất lớn của sự chênh lệch thế ôxi hóa khử giữa anode và cathode, sự phân giải chất hữu cơ tại anode ở đáy sẽ diễn ra nhanh và mạnh hơn nhiều so với sự phân giải kị khí thông thường. Do đó, việc ứng dụng hệ thống sinh điện hóa với điện cực ở đáy hứa hẹn là một cách tiếp cận hiệu quả để xử lý tại chỗ ô nhiễm ao nuôi thủy sản. Đã có những công trình nghiên cứu khẳng định hiệu quả của cách tiếp cận này trên hệ thống ao nuôi thủy sản nước ngọt, nhưng hiện chưa có nghiên cứu tương tự nào với các hệ thống ao nuôi thủy sản nước lợ. Chính vì những lí do trên mà chúng tôi lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống sinh điện hóa nhằm xử lý ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản nước lợ”. 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Thực trạng và nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ ở Việt Nam 1.1.1. Thực trạng ngành nuôi trồng thủy sản nước lợ Ở Việt Nam hiện nay, nuôi trồng thủy sản là ngành có tiềm năng rất lớn. Theo Tổng cục Thống kê, ước tính giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 (tính theo giá so sánh 2010) ước đạt gần 188 nghìn tỷ đồng, tăng 6,5% so với cùng kỳ năm ngoái. Trong đó, giá trị nuôi trồng thủy sản ước đạt hơn 115 nghìn tỷ đồng và giá trị khai thác thủy sản ước đạt hơn 73 nghìn tỷ đồng [8]. Bảng 1.1: Giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 theo giá so sánh 2010[8] Năm 2013 Năm 2014 So sánh (tỷ VNĐ ) (tỷ VNĐ) 2014/2013 Giá trị sản xuất thủy sản 176.548,0 188.083,9 106,5 Nuôi trồng thủy sản 106.570,1 115.060,6 108,0 Khai thác thủy sản 69.977,9 73.023,3 104,4 Chỉ tiêu Qua các giá trị thống kê (Bảng 1.1) có thể thấy sản lượng của ngành nuôi trồng thủy sản và nhất là nuôi trồng thủy sản nước lợ (Hình 1.1) thường lớn hơn nhiều so với ngành khai thác thủy sản. Chính vì vậy việc tập trung phát triển ngành này là rất có ý nghĩa với nền kinh tế Việt Nam. Thêm vào đó, việc Chính phủ, Bộ Nông nghiệp và PTNT đã ban hành những văn bản định hướng đẩy mạnh phát triển thủy sản như Đề án tái cơ cấu ngành thủy sản theo hướng nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững, Nghị định 67/2014/NĐ-CP về một số chính sách phát triển thủy sản, Nghị định 36/2014/NĐ-CP về nuôi, chế biến và xuất khẩu sản phẩm cá tra…cũng là một động lực để những người nuôi trồng thủy sản đẩy mạnh sản xuất [8]. 3 Hình 1.1 : Diện tích nuôi trồng thủy sản của các tỉnh ĐBSCL (1995-2011) [12] Mặc dù tiềm năng của ngành nuôi trồng thủy sản là rất lớn, như đã trình bày ở trên, hiện nay ngành nuôi trồng thủy sản vẫn gặp phải một số những khó khăn nhất định. Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hằng năm, diện tích tôm nuôi bị thiệt hại là rất lớn, lên đến hàng nghìn ha. Cụ thể, tổng diện tích nuôi tôm bị thiệt hại năm 2014 là 59.585 ha (trong đó thiệt hại do dịch bệnh là 31.514 ha); năm 2015 là 53.928 (dịch bệnh là 16.278 ha); trong 8 tháng đầu năm 2016 là 53.523 ha (dịch bệnh là 7.438 ha). Như vậy, mặc dù tổng diện tích do dịch bệnh gây ra có giảm nhiều, nhưng tổng diện tích bị thiệt hại (chủ yếu do môi trường và thời tiết) tăng cao qua các năm [2]. Sự suy giảm của ngành nuôi tôm xuất phát từ nhiều nguyên nhân: sự xuất hiện và gia tăng một số bệnh, dịch lây lan trong môi trường, môi trường bị xuống cấp, suy thoái, chất lượng nguồn nước kém, do quản lí lỏng lẻo của các cơ quan chức năng … Theo khảo sát của trung tâm nghiên cứu nông nghiệp Australia (ACIAR) tại tỉnh Cà Mau thuộc đồng bằng sông Cửu Long, bệnh tôm là nguyên nhân chủ yếu gây thiệt hại cho các hộ nuôi tôm ở vùng [74]. Và vấn đề về bệnh tôm lại chủ yếu xuất phát từ sự ô nhiễm môi trường trong các ao nuôi [72]. 4 1.1.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản ở Việt Nam hiện nay Trong quá trình nuôi trồng thủy sản, môi trường nước và bùn đáy là những yếu tố không thể bỏ qua. Thông thường các yếu tố môi trường nước có ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản là: các yếu tố thủy lý hóa như nhiệt độ nước, độ sâu, độ trong, độ mặn, độ kiềm, pH, DO, CO2, NH3, NO2 và H2S … Sự thay đổi bất thường của các yếu tố này vì bất kì một nguyên nhân nào đều gây hại đến thủy sản hoặc tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển, ngoài ra một số trường hợp ngộ độc do kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm trong nuôi trồng thủy sản. Mặt khác, các yếu tố thủy sinh như sinh vật phù du cũng là nguyên nhân làm biến đổi mầu nước, hàm lượng DO, độ pH của nước … Môi trường bùn đáy như: pH, thế oxi hóa – khử, thành phần cơ giới đất, cacbon hữu cơ, nitơ, photpho, các kim loại nặng và thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng cũng là các yếu tố ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản [1, 20, 86]. Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, quá trình ô nhiễm môi trường nuôi trồng thủy sản xảy ra chủ yếu do một lượng lớn các chất dinh dưỡng trong thức ăn tôm, cá không được hấp thụ vào cơ thể chúng để tạo sinh khối mà bị thải ra ngoài môi trường xung quanh dưới dạng thức ăn dư thừa, phân và chất thải. Các kết quả nghiên cứu cho thấy 48,0 – 87,3 % Ni-tơ (N) và 75,0 – 94,0 % Phốt pho (P) đầu vào trong các ao nuôi tôm không được hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối tôm mà bị thải ra ngoài môi trường thông qua thay nước, xả thải khi thu hoạch, lắng đọng trong bùn đáy ao nuôi ….[20, 86, 99]. Sự lắng đọng của các chất trong ao nuôi dẫn đến sự gia tăng hàm lượng Ni-tơ và hàm lượng chất hữu cơ (được đánh giá bằng các chỉ số BOD, COD, N tổng số và NH4+ ) ở lớp bùn đáy, khiến cho vi sinh vật có thể phát triển mạnh trong môi trường nuôi và trở thành nguồn gây bệnh cũng như gây độc cho thủy sản [88]. Ngoài ra, các chất dinh dưỡng dư thừa này làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự nhiên của thủy vực như: gây ra hiện tượng phát triển quá mức của thực vật phù du hay còn gọi là hiện tượng tảo “nở hoa” và làm thay đổi các mắt xích trong chuỗi 5 thức ăn của thủy vực; hoặc tích tụ ở nền đáy, phân hủy làm tiêu tốn nguồn ôxy trong thủy vực, khiến cho quá trình phân giải yếm khí diễn ra mạnh tạo ra các khí độc làm ảnh hưởng đến khu hệ động vật đáy trong thủy vực [93]. Vì vậy, việc tìm ra một giải pháp để hạn chế được vấn đề ô nhiễm (đặc biệt là ô nhiễm bùn đáy) trong ao nuôi thủy sản sẽ góp phần rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng thủy sản. 1.2. Một số chỉ số cơ bản để đánh giá ô nhiễm hữu cơ trong ao nuôi thủy sản Chính vì những ảnh hưởng tiêu cực của ô nhiễm môi trường ao nuôi đến chất lượng và sản lượng thủy sản nên việc xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao sản lượng và chất lượng của thủy sản. Để đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực người ta thường quan tâm đến các chỉ số quan trắc: oxi sinh hóa BOD5, oxi hóa học (COD), tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), nitơ tổng (TN), tổng ammonia (TAN), H2S, NH3, phospho tổng … Trong đó, các chỉ số quan trọng nhất chỉ thị mức độ ô nhiễm hữu cơ và nguy cơ với động vật thủy sản là COD, BOD, nitơ tổng (TN), và nitơ-NH4+. 1.2.1. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và và nhu cầu oxy hóa học (COD) Tỉ lệ oxy tiêu thụ bởi phiêu sinh vật và vi khuẩn trong mẫu nước ao được đo để xác định nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD). Ao nuôi thủy sản điển hình có giá trị BOD từ 5 -20 mg/l, BOD càng cao khi mức độ giàu vật chất hữu cơ càng lớn. Mặc dù BOD thường được đo trong nước ao nhưng khoảng thích hợp thì không xác định rõ. Oxy giảm đến mức nguy hiểm trong ao không sục khí khi BOD quá 20 mg/l [18]. Nhu cầu oxy hóa học (COD) được hiểu là lượng oxy cần thiết để oxy hóa hoàn toàn các chất hóa học trong nước. Theo Boyd, giá trị COD trong ao nuôi có thể biến động từ 10 – 200 mg/l, thông thường là từ 40-80 mg/l [27, 28]. BOD và COD được dùng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của thủy vực. Chính vì vậy khảo sát thông số BOD và COD sẽ giúp chúng tôi đánh giá được hiệu quả hoạt động của điện cực trong mô hình sinh điện hóa với điện cực ở đáy. 6 1.2.2. Nitơ tổng số (TN) và ammonium (NH4+) Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng N2, hay dưới dạng hợp chất vô cơ, hữu cơ, hòa tan hay không hòa tan. Các hợp chất vô cơ hòa tan quan trọng của nitơ là NO2-, NO3-, NH4+, NH3 [27]. Dạng N2 có được chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào hay do quá trình phản nitrat hóa trong thủy vực gây ra. Các dạng hợp chất nitơ hòa tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng albumine, dưới tác động của vi sinh vật, albumine sẽ được chuyển hóa thành dạng ammonia (NH3) và ammonia sẽ hòa vào nước và hình thành nên ammonium (NH4+) (Hình 1.2). NH3 và muối của nó sẽ được chuyển hóa thành nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa. Thực vật thủy sinh và vi sinh vật có thể hấp thu cả 4 dạng hợp chất nitơ nói trên nhưng hấp thu NO3và NH4+ là tốt nhất. Tuy nhiên một số vi khuẩn và tảo cũng có khả năng đồng hóa nitơ phân tử [3]. Hình 1.2: Chu trình Nitơ trong ao cá [27].  Ammonia (NH3) và ammonium (NH4+) Tổng hàm lượng ammonia (NH3) và ammonium (NH4+) được gọi là tổng đạm amôn (TAN). Ammonia trong các thủy vực được hình thành từ việc phân hủy bình thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ, trong đó nguồn NH3 chủ yếu từ sự bài tiết trực tiếp của động vật thủy sinh [24]. 7 NH3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ sống và sinh trưởng với thủy sinh vật. Theo Boyd (1900), tác dụng độc của NH3 với thủy sinh vật là do hàm lượng chất này cao làm thủy sinh vật khó bài tiết NH3 từ máu ra môi trường ngoài. NH3 trong máu và các mô tăng làm pH máu tăng dẫn đến rối loạn những phản ứng xúc tác bởi enzym và độ bền của màng tế bào, làm thay đổi áp suất thẩm thấu của tế bào, sinh vật chết vì không điều khiển được quá trình trao đổi muối với môi trường ngoài. NH3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxi của mô, giảm vận chuyển oxy của máu [18]. Quá trình hình thành NH3 nhiều hay ít còn phụ thuộc vào pH và nhiệt độ của môi trường ao nuôi. Vì vậy quản lý pH ao nuôi tốt là gián tiếp hạn chế được lượng NH3 gây độc cho tôm [27]. Bảng 1.2: Hàm lượng cho phép của một số chỉ số cần quan tâm trong ao nuôi tôm Chỉ số Đơn vị Hàm lượng Tài liệu tham khảo cho phép COD mg/l ≤ 150 (QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT) NH3 mg/l ≤ 0,3 [19, 98] NH4+ mg/l 0,2 – 2,0 [20, 22] NO2- mg/l 1,0 [20] NO3- mg/l 0,2 – 0,3 [20] Theo Boyd (1998) nước dùng cho nuôi trồng thủy sản thì hàm lượng TAN tốt nhất là không được vượt quá 2 mg/L, và hàm lượng NH3 thích hợp phải thấp hơn 0,02 mg/L. Đối với ao nuôi tôm, Boyd (1998) cũng cho rằng hàm lượng NH3 nên được ổn định ở mức từ 0,1 – 0,3 mg/L là tốt nhất (Bảng 1.2). Ammonium (NH4+) không độc và là nguồn thức ăn quan trọng cho các thủy sinh vật. Tuy nhiên, nếu hàm lượng NH4+ lớn hơn 2,0 mg/L ao sẽ giàu dinh dưỡng 8 và tảo trong ao sẽ phát triển rất mạnh, không có lợi cho thủy sinh vật (do thiếu oxy, pH dao động …). Theo Boyd (1998) và Chanratchakool (2003) thì hàm lượng NH4+ thích hợp hợp cho ao nuôi tôm dao động trong khoảng 0,2 – 2,0 mg/L[20, 22] . Môi trường nước không ô nhiễm thường có hàm lượng NH4+ nhỏ hơn 0,1 mg/L và trong nước mặt tự nhiên NH4+ thường hiện diện ở mức <0,2 mg/L [23].  Nitrit (NO2-) Nitrite trong nước có thể do các nguồn ô nhiễm xâm nhập vào hoặc là hợp chất trung gian của quá trình phân hủy sinh ra từ ammoniac thành nitrat. Nó cũng là tác nhân gây độc đối với động vật thủy sinh. Trong thuỷ vực tự nhiên tính độc của nitrite trong ao sẽ giảm xuống nếu có mặt ion Ca2+ và Cl- [27]. Hàm lượng NO2- được hình thành chủ yếu bởi quá trình nitrite hoá từ TAN. Do đó khi hàm lượng NH4+ trong ao thấp thì hàm lượng NO2- sẽ thấp. Theo Timmons et al. (2002) và Boyd et al. (2000) đã chỉ ra rằng hàm lượng NO2- trong ao nuôi thuỷ sản phải nhỏ hơn 1,0 mg/L (Bảng 1.2).  Nitrat (NO3 -) Nitrat trong thủy vực là sản phẩm của quả trình nitrat hóa nhờ hoạt động của vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina, Nitrosococus (nước lợ,mặn): NO2- + ½ O2  NO3- + 24 kcal Nitrat còn được cung cấp từ nước mưa khi có sấm chớp, phản ứng tạo thành nitrat như sau: N2 + 2O2  2NO2 2 NO2 + H2O  HNO2 + HNO2 Theo Boyd (1998), nitrate không độc nhưng với hàm lượng quá cao cũng không có lợi cho tôm cá, khi hàm lượng nitrate trong nước cao sẽ làm tảo phát 9 triển quá mức. Theo nhận định của ông thì hàm lượng NO3- thích hợp trong ao nuôi thuỷ sản từ 0,2 - 3,0 mg/L (Bảng 1.2). Như vậy, trong ao nuôi một lượng lớn nitơ đi vào ao qua thức ăn và một lượng lớn ammonia đi vào nước từ sinh vật nuôi và từ quá trình phân hủy thức ăn thừa và phân (động vật) [27]. Vì vậy mối quan tâm lớn trong các ao nuôi chính là hàm lượng ammonia dư thừa. Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo loại bỏ nitơ hiệu quả trong SMFC khi xử lý nước thải [44, 87, 88, 94]. Vì những lí do trên, TN và Ammonium là hai chỉ số quan trọng để đánh giá chính xác chất lượng nước và bùn đáy trong các mô hình thí nghiệm. 1.3. Các giải pháp xử lí ô nhiễm trong ao nuôi thủy sản nước lợ Trên thế giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp xử lí ô nhiễm môi trường ao nuôi thủy sản tuy nhiên đối với các ao nuôi thủy sản nước lợ thì các công trình nghiên cứu còn hạn chế [33]. Các giải pháp hóa lí, cơ học và sinh học được sử dụng trong xử lí nước thải thông thường cũng được áp dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản [13]. Về cơ bản, các giải pháp có thể được chia thành hai nhóm: (i) xử lý nước ao nuôi ở một hệ thống riêng biệt (ví dụ bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược, bể xử lý nước thải thông thường với chi phí cao hoặc đầm lầy kiến tạo …); (ii) xử lý tại chỗ nước ao nuôi (ví dụ sử dụng ô-zôn hoặc sục khí nhân tạo …). 1.3.1. Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) Bể kị khí kiểu đệm bùn dòng chảy ngược (UASB) là một trong những công nghệ xử lý nước thải phổ biến nhất theo kiểu kị khí (Hình 1.3). Theo công nghệ này, nước thải được đưa từ ao nuôi sang bể xử lý. Khi đi vào bể xử lý, nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kị khí. Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm vụ tách các pha rắn - lỏng - khí, các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ được đưa ra ngoài. Một trong những lợi thế của công nghệ này đó là đơn giản và chi phí vận hành thấp [5]. 10