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 HOÀN NƯỚC THẢI TRONG ƯƠNG NUÔI CÁ BIỂN Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường nước và Nước thải Mã số LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.
- Mục đích nghiên cứu 3 3.
- Đối tượng nghiên cứu 3 3.2.
- 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 hoàn nước nuôi giống cá biển.
- Quá trình chuyển hóa nitơ và phốt pho trong hệ thống lọc sinh học SBF 12 1.2.2.1.
- Quá trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc SBF 12 1.2.2.2.
- Quá trình chuyển hóa phốt pho trong bể lọc SBF 17 1.3.
- Công 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.
- Một số thông số tiêu chuẩn bể lọc SBF của hệ thống RAS ứng dụng sản xuất.
- Vật liệu nghiên cứu 30 iv 2.1.1.
- Phương pháp nghiên cứu quy mô thí nghiệm 32 2.2.1.
- Phương pháp nghiên cứu quy mô thử nghiệm (pilot) 34 2.3.1.
- Nghiên cứu ứng dụng quy mô sản xuất 35 2.4.1.
- Phương pháp đánh giá mô hình lọc sinh học ngập nước SBF.
- Kết quả nghiên cứu quy mô thí nghiệm 42 3.1.1.
- Thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF 42 3.1.2.
- Quá trình nitrat hóa của bể lọc SBF quy mô thí nghiệm 43 3.1.3.
- Nghiên cứu hiệu suất chuyển hóa ortho - phốt phát.
- 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 quá trình nitrat hóa của bể lọc SBF 48 3.2.2.1.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa của bể lọc SBF 48 3.2.2.2.
- Động học quá trình nitrat hóa của bể lọc SBF 54 3.2.2.3.
- Mô hình công nghệ bể lọc SBF 54 3.2.3.
- Mô hình công nghệ bể lọc SBF của hệ thống RAS quy mô ứng dụng sản xuất 59 3.3.1.
- Thời gian ổn định màng sinh học trong bể lọc SBF.
- 59 3.3.2 Quá trình nitrat hóa trong bể lọc SBF 60 v 3.3.2.1.
- Thông số của bể lọc SBF 60 3.3.2.2.
- Mô hình động học quá trình nitrat hóa trong bể lọc SBF 63 3.3.2.3.
- Quá 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 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 hoàn nước nuôi 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.
- b) Mặt cắt ngang bể lọc sinh học 2 đơn nguyên 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 Hình 1.3 Cấu tạo màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc Hình 1.4 Cấu trúc phân bố màng sinh học bên trong bể lọc sinh học Hình 1.5 Quá trình chuyển hóa nitơ trong bể lọc sinh học ngập nước Hình 1.6 Hệ thống lọc sinh học nhập ngoại của Trạm Cửa Lò Hình 1.7 Hệ thống lọc sinh học của một số cơ sở nuôi cá cảnh biển tại Việt Nam Hình 1.8 (a) Vật liệu lọc ngẫu nhiên được định hình khác nhau b) Vật liệu lọc cố định dạng tấm Hình 2.1 Đá san hô cỡ lớn, trung bình và nhỏ Hình 2.2 Sét Zeolit đóng rắn cỡ lớn, trung bình và nhỏ Hình 2.3 (a) Sơ đồ hệ thống RAS quy mô thí nghiệm Hình 2.4 (a) Sơ đồ hệ thống RAS quy mô thử nghiệm b): Ảnh bể lọc (SBF), bể nuôi cá quy mô thử nghiệm Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống RAS ứng dụng công nghệ bể lọc SBF quy mô sản xuất Hình 2.6.
- (a): Sơ đồ mặt cắt ngang hệ thống bể lọc SBF, (b): Sơ đồ mặt cắt đứng hệ thống bể lọc.
- Hệ thống cấp khí trong bể lọc sinh học SBF.
- Thời gian cố định màng trên vật liệu đệm bể lọc SBF, quy mô thí nghiệm 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 Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất chuyển hóa TAN trong bể lọc SBF Hình 3.5 Ảnh hưởng của độ muối đến hiệu suất chuyển hóa O- phốt phát.
- Hình 3.6 Thời gian cố định màng sinh học của bể lọc SBF quy mô thử nghiệm Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ chuyển hóa TAN (VTR Hình 3.8 Nồng độ TAN và tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc ở quy mô thử nghiệm Hình 3.9 Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc và hệ số BOD5/N ở quy mô thử nghiệm Hình 3.10 Ảnh hưởng của hệ số C/N đến VTR (g/m3.ngày Hình 3.11 Hiệu suất chuyển hóa phốt phát và hệ số N/P Hình 3.12 Thời gian ổn định màng sinh học trên vật liệu đệm trong bể lọc SBF viii Hình 3.13 (a) Nồng độ TAN và tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc ở quy mô thử nghiệm và sản xuất Hình 3.13 (b) Tốc độ chuyển hóa riêng phần của vật liệu lọc và hệ số BOD5/N ở quy mô thử nghiệm và Sản xuất.
- Quá trình phát triển màng sinh học trên vật liệu đệm quy mô thử nghiệm Ảnh 3.2.
- Quá trình phát triển màng sinh học trên vật liệu đệm quy mô sản xuất ix DANH MỤC CÁC BẢ NG Bảng 0.1 Nhu cầu sử dụng nước trong nuôi trồng thuỷ sản ở một số quố c gia (Nguồn Bảng 1.1 Các dạng tồn tại của phốt pho trong nước thải Bảng 1.2 Một số tiêu chí vật liệu lọc bằng đá san hô và zeolite 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 Bảng 2.1 Một số thông số của hệ thống SBF nuôi giống cá giò quy mô sản xuất Bảng 2.2 Các phương pháp sử dụng phân tích chất lượng nước Bảng 3.1 Kết quả tính toán nồng độ ôxy hòa tan (mg/l) cần thiết cho quá trình nitrat hóa quy mô thực nghiệm Bảng 3.2 Giá trị các thông số phương trình động học ở quy mô thử nghiệm (pilot Bảng 3.3 Các thông số của hệ thống lọc sinh học SBF xử lý tuần hoàn nước nuôi giống cá biển quy mô thử nghiệm Bảng 3.4 Hệ số tương quan giữa VTR và các thông số của bể lọc SBF quy mô thử nghiệm (Pilot Bảng 3.6 Khoảng tối ưu các thông số ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa Bảng 3.7 So sánh phương trình ảnh hưởng các yếu tố cơ đến quá trình nitrat hóa Bảng 3.8 Giá trị các thông số phương trình động học ở quy mô sản xuất và quy mô thử nghiệm Bảng 3.9 Giá trị VTR và VNR của bể lọc SBF ở quy mô sản xuất Bảng 3.10 Giá trị hệ số N/P ở quy mô thử nghiệm và quy mô thực nghiệm và hiệu suất chuyển hóa Phốt phát (PE Bảng 3.11 Các thông số của bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển Bảng 3.12 Thông số chất lượng nước sau khi xử lý bằng bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi cá giò (giai đoạn cá giống).
- Quan trọng nhất của mô hình công 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].
- Công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học của Chen năm 1990 cho rằng bể lọc sinh học hoàn toàn 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 .
- 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 quá trình ương nuôi 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 công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học trong 3 hệ thống RAS nuôi cá biển.
- Luận án “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học xử lý tuần hoàn nước thải trong ương nuôi 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 nuôi cá biển.
- Mục đích nghiên cứu Ứng dụng thành công mô 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.
- Mô hình công 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.
- 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.
- 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.
- Công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi giống cá biển ở quy mô sản xuất.
- Phạm vi và nội dung nghiên cứu Để ứng dụng thành công mô 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 mô thí nghiệm và quy mô thử nghiệm.
- Xác định thời gian kích hoạt màng sinh học của bể lọc SBF ở quy mô thí nghiệm.
- 4 - Nghiên cứu quá trình nitrat trong bể lọc SBF.
- 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 mô thí nghiệm - Nghiên cứu quá trình nitrat hóa trong bể lọc SBF.
- Xác định các thông số của mô 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 mô 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 quá trình nitrat hóa.
- Đánh các thông số mô hình bể lọc SBF trong hệ thống RAS khi vận hành ở quy mô sản xuất.
- Đánh giá khẳng định thành công mô hình công nghệ bể lọc SBF trong hệ thống RAS nuôi cá biển giống.
- 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 mô hình RAS ứng dụng công nghệ lọc sinh học tái sử dụng nguồn nước biển có độ mặn 28 – 32‰ nuôi giống cá biển thành công ở quy mô sản xuất.
- Tính sáng tạo: Việc sử dụng các vật liệu rẻ tiền trong nước để thiết lập mô hình công 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 mô 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 trò 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 nư ớc 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.
- 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 nuôi vào bể lọc được chuyển hóa bởi vi sinh vật trên màng sinh học.
- Các chất thải dinh dưỡng được chuyển hóa qua màng sinh học và giảm dần do chuyển thành sinh khối vi khuẩn.
- Công nghệ lọc sinh học đã được khẳng định có vai trò quan trọng nhất và quyết định sự thành công của hệ thống RAS .
- 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 nuôi 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 soát ô 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 .
- 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).
- Các bể lọc sinh học có thể vận hành theo mô hình lọc xuôi hoặc lọc ngược, hoặc nước chảy vòng quanh hoặc cắt ngang qua các lớp lọc.
- Màng sinh học dính bám trên vật liệu lọc sẽ chuyển hóa cơ chất hữu cơ (BOD, TAN).
- Mô 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 công trình nghiên cứu của Timmons và ctv năm 2002.
- Tùy theo tải lượng chất thải có thể ứng dụng mô 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 quá trình chuyển hóa nitơ trong điều kiện hiếu khí, chủ yếu là quá trình nitrat hóa [149].

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt