Luận án Tiến sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thuỷ sản ven biển

Chia sẻ: Dongcoxanh10 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:146

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thuỷ sản ven biển nhằm" nghiên cứu tạo màng nitrate hoá ứng dụng vào hệ thống nuôi trồng thuỷ sản hoàn lưu vùng ven biển để xử lý hiệu quả các hợp chất nitơ vô cơ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thuỷ sản ven biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Lê Thanh Huyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ VÔ CƠ TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN VEN BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Lê Thanh Huyền NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NITƠ VÔ CƠ TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN VEN BIỂN Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã số: 9850101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Đỗ Mạnh Hào 2. GS.TS Lê Mai Hương Hà Nội - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thuỷ sản ven biển” là công trình của riêng bản thân tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được sử dụng trong luận án nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Lê Thanh Huyền
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm sự giúp đỡ quý báu của Ban Giám đốc Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Tài nguyên Môi trường Biển, Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hải Phòng và Khoa Khoa học và Công nghệ Biển đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Mạnh Hào và GS.TS Lê Mai Hương, những người thầy đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Xin cảm ơn các thành viên của đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình nuôi tôm thẻ chân trắng bằng hệ thống tuần hoàn (RAS) phù hợp với điều kiện vùng ven biển Hải Phòng” đã đồng hành và hỗ trợ tác giả trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả muốn dành lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, cha, mẹ, các anh chị em đồng nghiệp, bạn bè trong và ngoài cơ quan - những người đã tận tụy giúp đỡ, động viên tác giả trong quá trình thực hiện luận án./. Nghiên cứu sinh Lê Thanh Huyền
iii MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài ................................................................................................... 1 2.Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................... 3 3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 3 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................... 3 6. Điểm mới của luận án.................................................................................................. 4 7. Bố cục của Luận án ..................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUANVẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 5 1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới và Việt Nam .............................................. 5 1.1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới ......................................................5 1.1.2. Tình hình NTTS nước lợ ở Việt Nam và Hải Phòng ...............................6 1.2. Ô nhiễm các hợp chất nitơ vô cơ trong nuôi trồng thuỷ sản nước lợ .................... 8 1.3. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm nitơ vô cơ 11 1.3.1. Chu trình chuyển hoá nitơ sinh học trong đầm nuôi thuỷ sản nước lợ ..11 1.3.2. Quá trình nitrate hoá ...............................................................................13 1.3.3. Quá trình khử nitrate...............................................................................17 1.3.4 Quá trình tạo màng nitrate hóa ................................................................19 1.4. Các giải pháp xử lý chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong nuôi thuỷ sản nước lợ bằng vi sinh vật. .................................................................................................................23 1.4.1. Giải pháp tăng cường sinh học ...............................................................24 1.4.2. Giải pháp kích thích sinh học .................................................................26 1.4.3. Giải pháp lọc sinh học ............................................................................30 CHƯƠNG 2. TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................. 35 2.1. Địa điểm, thời gian và đối tượng nghiên cứu ....................................................... 35 2.1.1. Địa điểm nghiên cứu...............................................................................35 2.1.2. Thời gian nghiên cứu ..............................................................................35 2.1.3. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................35 2.2. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 35 2.2.1. Các bước nghiên cứu.......................................................................................... 35 2.2.2.Phương pháp hồi cứu, kế thừa tài liệu liên quan .....................................36 2.2.3.Làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hoá ...................................................36
iv 2.2.4. Đánh giá hiệu quả xử lý amoni và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 100m3 ................................................44 2.2.5. Phương pháp quan trắc ...........................................................................48 2.2.6. Phương pháp đánh giá hiệu quả hệ thống RAS và quy trình nuôi .........48 2.2.7. Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................51 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 53 3.1. Nghiên cứu làm giàu và tạo màng trên giá thể bám của vi khuẩn nitrate hóa định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản ........................................................... 53 3.1.1.Làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hoá ...................................................53 3.1.2. Đa dạng hình thái quần xã vi khuẩn nitrate hoá .....................................59 3.1.3. Đa dạng di truyền quần xã vi sinh vật ....................................................61 3.1.4. Cô đặc tạo chế phẩm...............................................................................63 3.1.5. Nghiên cứu lựa chọn giá thể bám ...........................................................63 3.2. Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả xử lý ammonia và nitrite trong hệ thống lọc tuần hoàn nuôi thuỷ sản quy mô nhỏ ............................................................................. 65 3.2.1. Kích hoạt màng nitrate hoá.....................................................................66 3.2.2. Kết quả nghiên cứu đối với tôm thẻ chân trắng .....................................67 3.2.3. Kết quả nghiên cứu đối với cá rô phi .....................................................69 3.3. Đánh giá hiệu quả xử lý ammonia và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 100m3.......................................................... 72 3.3.1. Kích hoạt màng nitrate hoá (break in) ....................................................72 3.3.2. Chất lượng môi trường ...........................................................................73 3.4. Thảo luận về quy trình làm giàu đa bước và hiệu quả xử lý ô nhiễm ................. 85 3.4.1. Quy trình làm giàu đa bước ....................................................................85 3.4.2. Hiệu quả của quần xã vi khuẩn nitrate trong hệ thống RAS ..................90 3.5. Đề xuất giải pháp quản lý môi trường NTTS tại Hải Phòng từ các kết quả nghiên cứu của luận án ........................................................................................... 93 3.5.1.Cơ sở đề xuất giải pháp ...........................................................................93 3.5.2. Đề xuất giải pháp quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển .....96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 101 Kết luận ........................................................................................................................ 101 Kiến nghị ...................................................................................................................... 102 DANH SÁCH CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN .................... 1065 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 1056 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 1
v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BOD: Nhu cầu oxy hóa sinh học BTNMT: Bộ Tài nguyên và môi trường COD: Nhu cầu ô xy hóa hóa học DNA: Deoxy Ribonucleic Acid PCR: Polymerase Chain Reaction NN&PTNT: Nông nghiệp và phát triển nông thôn NGS: New Generation Sequencing NTTS: Nuôi trồng thủy sản QCVN: Quy chuẩn Việt Nam rRNA: Ribosomal Ribonucleic Acid RAS: Recirculating Aquaculture System (Quy trình nuôi tuần hoàn nước) SEM: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) TAN: Total Ammonia Nitrogen TN: Thí nghiệm VASEP: Hiệp hội xuất khẩu thủy sản Việt Nam
vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sự tích tụ chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong đầm nuôi tôm.............................. 9 Hình 1.2 Chu trình nitơ vi sinh vật trong hệ sinh thái tự nhiên. ............................... 12 Hình 1.3. Sơ đồ giai đoạn nitrite hóa ........................................................................ 13 Hình 1.4. Sơ đồ giai đoạn nitrate hoá........................................................................ 15 Hình 2.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu ........................................................................ 36 Hình 2.2 Sơ đồ các bước nuôi trồng thủy ................................................................. 43 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống lọc đa mô đun của mô hình nuôi tôm thẻ chân trắng bằng công nghệ tuần hoàn ................................................................................ 43 Hình 3.1. Mức tiêu thụ cơ chất và tốc độ loại bỏ cơ chất của tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa trong quá trình làm giàu bước 1 ............................................ 54 Hình 3.2. Mức tiêu thụ cơ chất và tốc độ loại bỏ cơ chất của tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa trong quá trình làm giàu bước 2 ............................................ 55 Hình 3.3. Mức tiêu thụ cơ chất và tốc độ loại bỏ cơ chất của tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa trong quá trình làm giàu bước 3 ............................................ 56 Hình 3.4. Mức tiêu thụ cơ chất và tốc độ loại bỏ cơ chất của tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa trong quá trình làm giàu bước 4 ............................................ 57 Hình 3.5. Mức tiêu thụ cơ chất và tốc độ loại bỏ cơ chất của tổ hợp vi sinh vật nitrate hóa trong quá trình làm giàu bước 5 ............................................ 58 Hình 3.6. So sánh mức tiêu thụ cơ chất và tốc độ loại bỏ cơ chất giữa các bước làm giàu. ......................................................................................................... 58 Hình 3.7. Sự đa dạng về hình dạng tế bào của tổ hợp vi sinh vật làm giàu ở dạng lơ lửng60 Hình 3.8. Sự đa dạng về hình dạng tế bào của tổ hợp vi sinh vật làm giàu ở các dạng dính bám ........................................................................................................... 61 Hình 3.9. Đa dạng di truyền quần xã vi khuẩn nitrate hoá sau khi cô đặc. (a): cô đặc bằng phương pháp lắng đọng; (b): cô đặc bằng phương pháp ly tâm. .... 62 Hình 3.10. Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của các loại lọc sinh học khác nhau64 Hình 3.11. Biến động nồng độ TAN trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng.................... 68 Hình 3.12. Biến động nồng độ nitrite trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng .................. 68 Hình 3.13. Biến động nồng độ nitrate trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng.................. 69
vii Hình 3.14. Biến động nồng độ TAN (mg/l) trong thời gian nuôi rô phi................... 70 Hình 3.15. Biến động nồng độ N-NO2- (mg/l) trong thời gian nuôi rô phi ............. 71 Hình 3.16. Tỷ lệ sống sót (%) của cá rô phi trong thời gian nuôi thả ....................... 71 Hình 3.17. Biến động hàm lượng TAN, nitrite và nitrate trong quá trình kích hoạt hệ lọc sinh học .............................................................................................. 73 Hình 3.18. Biến động nồng độ TAN trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng.................... 73 Hình 3.19. Biến động nồng độ nitrite trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng .................. 74 Hình 3.20. Biến động nồng độ nitrate trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng.................. 75 Hình 3.21. Biến động nồng độ COD trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng ................... 75 Hình 3.22. Biến động nồng độ BOD5 trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng ................. 76 Hình 3.23.Biến động mật độ vi khuẩn tổng số trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng .... 76 Hình 3.24. Biến động mật độ vi khuẩn Vibrio trong bể nuôi tôm thẻ chân trắng ..... 77 Hình 3.25. Hệ thống lọc ở mô hình thực nghiệm nuôi tôm thẻ chân trắng .............. 82 Hình 3.26. Hệ thống bể nuôi mô hình thực nghiệm nuôi tôm thẻ chân trắng........... 83 Hình 3.27. Đánh giá sinh trưởng tôm thẻ chân trắng và ao lắng .............................. 84
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các chỉ tiêu và tần suất quan trắc ............................................................. 47 Bảng 3.1. Đặc điểm hình thái của tổ hợp vi khuẩn nitrate hóa được làm giàu ......... 59 Bảng 3.2. Đánh giá mức độ đa dạng và giàu có của quần xã vi khuẩn nitrate hoá .. 62 Bảng 3.3. So sánh và đánh giá một số đặc điểm quan trọng của 5 giá thể lọc sinh học nghiên cứu ......................................................................................... 65 Bảng 3.4. Tăng trưởng về khối lượng của tôm ......................................................... 78 Bảng 3.5. Tăng trưởng chiều dài tôm........................................................................ 78 Bảng 3.6. Tỷ lệ sống, hệ số chuyển hoá thức ăn (FCR) và năng suất vụ nuôi ......... 79 Bảng 3.7. Tốc độ nitrate hoá của hệ lọc sinh học ở mật độ 300 con/m3 ................... 79 Bảng 3.8. Hiệu quả kinh tế mô hình nuôi tôm quy mô 100m3, mật độ 300 con/m3 . 80
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Với xu thế phát triển kinh tế biển đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ, các hoạt động kinh tế xã hội khu vực ven biển đang hàng ngày xả ra môi trường một lượng chất thải lớn, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường cũng như hệ sinh thái ven biển. Trong đó, hoạt động nuôi trồng thủy sản là một trong những nguồn ô nhiễm đáng quan tâm, cần được kiểm soát chặt chẽ. Tổng diện tích nuôi trồng thuỷ sản nước lợ trên toàn quốc tính đến năm 2019 vào khoảng 720 nghìn ha, sản lượng đạt khoảng 750 nghìn tấn. Trong đó, diện tích nuôi tôm theo hình thức thâm canh và bán thâm canh đạt hơn 217,4 nghìn ha, chiếm 30% tổng diện tích nuôi cả nước và sản lượng đạt 450 nghìn tấn, chiếm 62% tổng sản lượng nuôi tôm cả nước [1]. Hiện nay, tôm Việt Nam đã được xuất khẩu đến 90 quốc gia và vùng lãnh thổ, kim ngạch xuất khẩu đạt trên 3,36 tỷ đô la Mỹ. Theo dự báo, kim ngạch xuất khẩu tôm của nước ta có thể đạt trên 8,4 tỷ USD vào năm 2025 và đạt trên 12 tỷ USD vào năm 2030. Những dự báo như vậy vừa là tin vui nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức cho ngành nuôi trồng thủy sản ở nước ta. Cùng với đó, lượng chất thải phát sinh từ các cơ sở nuôi trồng thủy sản có thể lên tới hàng trăm ngàn tấn mỗi năm, trong đó chỉ 25% lượng đạm trong thức ăn được chuyển hoá thành sinh khối trong khi đó khoảng 75% lượng đạm còn lại sẽ thải ra môi trường [2], nếu không có biện pháp quản lý và xử lý thích hợp nguồn thải này sẽ là nguy cơ trực tiếp dẫn đến ô nhiễm môi trường. Hải Phòng, thành phố biển với đường bờ biển dài hơn 250 km, có điều kiện thuận lợi cho phát triển ngành nuôi trồng thuỷ sản nước lợ, mặn. Diện tích nuôi trồng thuỷ sản nước lợ và nước mặn của thành phố năm 2021 khoảng 32.000 ha. Trong đó, có khoảng 3.286 ha là nuôi tôm nước lợ với sản lượng khoảng 4.512 tấn. Lượng chất thải phát sinh từ hoạt động nuôi trồng thủy sản đang là một trong những nguyên nhân đe dọa đến chất lượng môi trường vùng ven biển Hải Phòng [3]. Kết quả điều tra, đánh giá môi trường vùng ven biển Hải Phòng cho thấy sức chịu tải của vùng biển Hải Phòng đang ở ngưỡng cảnh báo, trong đó nguồn thải đáng chú ý nhất ra khu vực ven biển Hải Phòng hiện nay là từ hoạt động nuôi trồng thủy sản. Do vậy, việc tăng cường quản lý các hoạt động nuôi trồng thủy sản ven
2 biển, giảm thiểu phát sinh chất thải ra các vùng biển ven bờ đang được thành phố đặt ra như một yêu cầu cấp thiết [4]. Một trong những giải pháp quan trọng để quản lý hiệu quả môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển, khắc phục tình trạng gây ô nhiễm môi trường của các vùng ven biển là phát triển và ứng dụng các công nghệ nuôi trồng thủy sản tiên tiến, thân thiện môi trường. Công nghệ nuôi trồng thuỷ sản hoàn lưu (RAS) là một trong những giải pháp công nghệ có thể giảm thiểu ô nhiễm môi trường một cách triệt để nhất. Với hệ thống nuôi tuần hoàn hoàn lưu, toàn bộ nước nuôi sẽ được xử lý đảm bảo yêu cầu để có thể cấp lại cho hệ thống nuôi mà không thải ra ngoài môi trường. Áp dụng công nghệ RAS là một trong những giải pháp công nghệ phù hợp giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, một trong thách thức lớn nhất của công nghệ RAS là tìm ra các giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý ammonia và nitrite. Trong hệ thống nuôi, các vi sinh vật sẽ phân hủy thức ăn và chất thải của con nuôi và hình thành nên hợp chất NH4+/NH3. Dưới hoạt động của nhóm vi khuẩn nitrate hóa, qua giai đoạn 1 của quá trình nitrate hóa, các hợp chất này sẽ được chuyển sang N-NO2-, sau đó bước sang giai đoạn 2 của quá trình nitrate hóa, hợp chất N-NO2- sẽ được chuyển sang N-NO3-. Việc xử lý ammonia và nitrite gặp khó khăn do quá trình nitrate hoá bị giới hạn vì tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hoá được đánh giá là chậm hơn rất nhiều so với các nhóm vi khuẩn khác. Hơn nữa, sự sinh trưởng và hoạt lực của nhóm vi khuẩn này dễ bị ức chế trong điều kiện môi trường không thuận lợi như thiếu khí và nguồn chất hữu cơ dồi dào. Các biện pháp xử lý ammonia và nitrite trong nước hiện nay thường cho hiệu quả thấp, chi phí xử lý cao dẫn đến việc ứng dụng công nghệ RAR hiện nay chưa được phổ biến. Việc nghiên cứu cải thiện hiệu quả xử lý ammonia và nitrite của hệ thống là điều kiện tiên quyết ảnh hưởng đến sự thành công của công nghệ RAS, giúp công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong nuôi trồng. Chính vì những lý do trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài nghiên cứu: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nitơ vô cơ trong quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản ven biển" với mong muốn nghiên cứu đưa ra các giải pháp nhằm xử lý lượng nitơ vô cơ trong nước tuần hoàn
3 của hệ thống nuôi thủy sản, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm của ngành nuôi trồng thủy sản. 2.Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá ứng dụng vào hệ thống nuôi trồng thuỷ sản hoàn lưu vùng ven biển để xử lý hiệu quả các hợp chất nitơ vô cơ. 3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 3.1. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi không gian: tập trung vùng ven biển Hải Phòng. Phạm vi thời gian: 5 năm (2017– 2022). 3.2. Đối tượng nghiên cứu: Hệ vi sinh vật nitrate hoá bản địa vùng ven biển Hải Phòng Vật liệu sẵn có trong nước có tiềm năng sử dụng làm nguồn nguyên liệu sản xuất giá thể dính bám vi sinh vật (đá sỏi, mảnh vụn san hô chết, hạt nhựa kaldnes, xốp bọt biển, xơ dừa). 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình làm giàu quần xã vi khuẩn nitrate hoá từ môi trường ven biển. Nội dung 2: Nghiên cứu tạo màng nitrate hoá trên giá thể nhằm định hướng ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản nước lợ. Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 1m3. Nội dung 4: Đánh giá hiệu quả xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống nuôi hải sản hoàn lưu quy mô 100m3. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Xác định được cơ sở khoa học và xây dựng quy trình tạo ra chế phẩm nitrate hoá bản địa, tạo màng nitrate hoá ứng dụng hiệu quả vào hệ thống NTTS hoàn lưu khu vực ven biển. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Cải thiện được hiệu quả xử lý TAN và nitrite của hệ thống RAS, nhờ đó làm giảm chi phí đầu tư, nâng cao hiệu quả kinh tế và góp phần phát triển bền vững ngành NTTS.
4 Công nghệ NTTS tuần hoàn được ứng dụng rộng rãi ở vùng ven biển sẽ góp phần tiết kiệm tài nguyên đất, nguồn nước và bảo vệ môi trường vùng NTTS ven biển. 6. Điểm mới của luận án Đây là công trình nghiên cứu tương đối hệ thống và hoàn chỉnh để phát triển màng nitrate hoá ứng dụng trong NTTS ven biển. Trong đó có 03 điểm nghiên cứu mang tính mới như sau: (1) Xây dựng quy trình làm giàu đa bước để nhân nuôi thành công nhóm quần xã vi khuẩn nitrate hoá từ hệ vi sinh vật bản địa trong rừng ngập mặn Phù Long, huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng, tạo ra chế phẩm nitrate hóa bản địa. (2) Tạo màng lọc nitrate hoá từ nhóm quần xã vi khuẩn đã được làm giàu trong quy trình đa bước và các loại giá thể sẵn có. (3) Đánh giá hiệu xử lý TAN và nitrite của màng lọc nitrate hoá trong hệ thống RAS nuôi cá rô phi và tôm thẻ chân trắng ở quy mô thí nghiệm và quy mô pilot (1 m3, 100 m3). 7. Bố cục của Luận án Bố cục của luận án, gồm các phần sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận Kết luận và khuyến nghị Tài liệu tham khảo Danh mục các công trình đã công bố của tác giả Phụ lục
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUANVẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới và Việt Nam 1.1.1. Tình hình NTTS nước lợ trên thế giới Nuôi trồng thủy sản nói chung và nghề nuôi tôm nói riêng đã và đang tạo ra sự chuyển đổi hiệu quả và mang lại giá trị kinh tế cao cho nhiều quốc gia, cải thiện cuộc sống và mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người nuôi trồng. Nuôi trồng thủy sản sẽ tiếp tục là động lực thúc đẩy tăng trưởng sản lượng thủy sản toàn cầu, kéo dài xu hướng đã tồn tại trong nhiều thập kỷ. Sản lượng nuôi trồng thủy sản được dự báo sẽ đạt 109 triệu tấn vào năm 2030, tăng 32% (26 triệu tấn) so với năm 2018 [5]. Tại các nước châu Á, sản lượng tôm nuôi liên tục tăng nhanh trong giai đoạn từ 2003 – 2016. Năm 2011, sản lượng tôm nuôi đạt 3,7 triệu tấn, năm 2014 là 4,0 triệu tấn, năm 2016 đạt khoảng 4,5 triệu tấn, năm 2018 đạt 4,2 triệu tấn vào năm 2018 và đến năm 2019 đạt khoảng 4,6 triệu tấn với hình thức nuôi chủ yếu là thâm canh và siêu thâm canh [5]. Trái ngược với nhiều dự báo trước đó, sản lượng tôm thế giới năm 2016 có xu thế giảm. Mặc dù ngành tôm Thái Lan phục hồi và đẩy mạnh thu hoạch tôm tại Ecuado vẫn không bù đắp được sản lượng sụt giảm của các quốc gia khác. Tại Trung Quốc năm 2016, sản lượng tôm giảm từ 30 – 40% do ảnh hưởng của thiên tai, dịch bệnh. Tại Mexico dịch bệnh đã ảnh hưởng tiêu cực đến sản lượng nuôi tôm, các quốc gia khác ở Trung và Nam Mỹ sản lượng tôm cũng không được cải thiện nhiều [6]. Một trong những nguyên nhân chính làm giảm sản lượng tôm là do dịch bệnh và ô nhiễm môi trường. Trên thực tế 85% sản lượng tôm được thu hoạch từ phương thức nuôi thâm canh, đặc trưng nhất của phương thức này là nuôi với mật độ dày và siêu tải trọng thức ăn, 40% các ao nuôi sẽ phải thay nước hàng ngày để làm giảm các chất ô nhiễm độc hại [7]. Việc thay nước không những gây ô nhiễm môi trường xung quanh mà còn gây nguy cơ bùng phát dịch bệnh cho ao nuôi do nguồn nước cấp không đảm bảo chất lượng. Nghiên cứu cho thấy, tùy thuộc vào mật độ nuôi tôm mà tổng số các chất ô nhiễm hữu cơ của phosphor, nitrogen và chất rắn lơ lửng lên tới 321; 668 và 215.000 kg/ha tương ứng. Khi nước bị ô nhiễm, các hợp chất ammonia tổng số tăng nhanh theo thời gian, trong khi đó để tôm sinh trưởng thì yêu cầu nồng độ NH3 phải nhỏ hơn 0,1 ppm tương đương với 1,33 – 1,53 mg/l TAN ở pH=8 và nhiệt độ 28 – 30oC trong nước ao nuôi [7].
6 1.1.2. Tình hình NTTS nước lợ ở Việt Nam và Hải Phòng 1.2.2.1.Tình hình nuôi trồng thủy sản nói chung Từ khi Nghị quyết số 09/2000/NQ-CP ra đời, cho phép các tỉnh ven biển ưu tiên chuyển đổi các diện tích hoang hóa, nông nghiệp và làm muối kém hiệu quả sang nuôi trồng thủy sản, thì diện tích nuôi tôm tăng đột biến, từ 280.000 ha (2005) tăng lên đến 605.000 ha (2015) [1]. Việc mở rộng diện tích nuôi được tiến hành chủ yếu trên các vùng ven biển ngập nước như các thủy vực nước mặn trên các vùng cát trũng và một phần diện tích từ canh tác nông nghiệp kém hiệu quả [8]. Diện tích nuôi tôm nước lợ của Việt Nam năm 2019 đạt 720 nghìn ha, năm 2020 đạt khoảng 750 nghìn ha. Trong đó, diện tích nuôi tôm theo hình thức thâm canh, bán thâm canh đạt hơn 217,4 nghìn ha, chiếm 30% tổng diện tích nuôi cả nước và sản lượng đạt 450 ngàn tấn, chiếm 62% tổng sản lượng tuôi tôm cả nước [1]. Tôm Việt Nam đã có mặt trên 90 quốc gia và vùng lãnh thổ, đạt kim ngạch xuất khẩu trên 3,36 tỷ đô la Mỹ; Năm 2020 đã chững lại vào quý I do ảnh hưởng của dịch Covid – 19 nhưng sau đó hy vọng sẽ phục hồi và đạt 3,5 tỷ đô la Mỹ. Dự kiến đến năm 2025 đạt trên 8,4 tỷ đô la Mỹ và đến năm 2030 đạt trên 12 tỷ đô la Mỹ [9]. Đây vừa là cơ hội, vừa là thách thức không nhỏ đối với ngành nuôi tôm Việt Nam. Tại Hải Phòng, theo số liệu của Chi cục Thủy sản - Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, diện tích nuôi trồng thủy sản cộng dồn cả năm 2021 đạt 11.430,3 ha bằng 98,01% so với kế hoạch. Sản lượng thủy sản nuôi trồng thu hoạch tháng 12/2021 ước đạt 6.722,3 tấn, bằng 101,48% so cùng kỳ năm 2020; Ước sản lượng cả năm 2021 bằng 75.423,7 tấn đạt 102,8% so với cùng kỳ năm trước. Diện tích nuôi tôm các loại năm 2021 đạt 2.838,0 ha. Trong đó: diện tích nuôi tôm sú đạt 1.888,1 ha; diện tích nuôi tôm thẻ chân trắng đạt 401,4 ha. Sản lượng sản xuất và tiêu thụ tôm các loại năm 2021 đạt 6.767,9 tấn. Trong đó: sản lượng sản xuất và tiêu thu tôm sú đạt 520,4 tấn; tôm thẻ chân trắng đạt 5.289,8 tấn. Phương thức nuôi trồng hiện nay khoảng 80% tổng sản lượng nuôi theo hình thức thâm canh, 17 -18% nuôi quảng canh, phần rất nhỏ khoảng 2-3% nuôi theo hình thức nuôi tôm công nghệ cao [3]. Áp lực về bảo vệ môi trường là một trong những vấn đề lớn đang đặt ra đối với hoạt động nuôi trồng thủy sản tại Hải Phòng. Với thực tế các cơ sở nuôi trồng thủy sản của thành phố Hải Phòng chủ yếu nuôi theo hình thức thâm canh cải tiến,
7 diện tích vùng nuôi lớn nhưng năng lực đầu tư kém, không bố trí diện tích cho xử lý nước thải, và bùn thải, do vậy, phần lớn chất thải không được xử lý, xả thẳng ra môi trường và chỉ được được xử lý qua khả năng tự làm sạch tự nhiên. Việc xả nước thải, bùn thải chứa thức ăn dư thừa, xác, phân thải của động vật nuôi, các hóa chất, thuốc thủy sản, chất xử lý môi trường đang là vấn đề thực sự đáng lo ngại từ các cơ sở nuôi trồng thủy sản. Tại vùng biển ven bờ Hải Phòng, theo báo cáo của Sở Tài nguyên và Môi trường, các nguồn thải từ lục địa ra biển chiếm từ 60 - 70%. Trong đó, hệ thống sông Thái Bình đổ ra biển qua cửa Cấm và Bạch Đằng đóng góp khoảng 53 - 63%, các chất hữu cơ, dinh dưỡng nitơ và phốt pho chiếm khoảng 27% - 48%. Báo cáo đã xác định, hoạt động nuôi trồng thủy sản là một trong những ô nhiễm nguồn lớn đang góp phần xả chất thải ra khu vực ven biển [4]. Theo số liệu quan trắc môi trường trong các vùng nuôi trồng thủy sản tại Hải Phòng từ năm 2017 đến nay, nuôi trồng thủy sản ước tính sử dụng 1 năm khoảng 100 tấn diệt tạp, 10.000 tấn vôi bột, 200 tấn chlorine và 3,5 tấn thuốc tím trong quá trình sản xuất để xử lý, cải tạo môi trường, ước tính lượng chất thải phát sinh một năm là 180 triệu m3 nước thải và gần 40.000 tấn bùn thải [3]. Như vậy có thể thấy hoạt động nuôi trồng thủy sản của Việt Nam nói chung và Hải Phòng nói riêng đang phát triển ngày càng lớn về quy mô, có đóng góp quan trọng trong nền kinh tế, tuy nhiên đây cũng là những nguồn gây ô nhiễm đáng quan tâm cần có các giải pháp xử lý, khắc phục phù hợp. 1.2.2.2. Tình hình nuôi trồng thủy sản hoàn lưu Công nghệ nuôi trồng thuỷ sản hoàn lưu (RAS) là một trong những giải pháp công nghệ nuôi trông tiên tiến hiện nay. Hệ thống nuôi bao gồm 2 thành phần chính là bể nuôi, và hệ thống xử lý nước để hoàn lưu. Trong đó, hệ thống xử lý nước hoàn lưu là thành phần cốt lõi quyết định chất lượng nguồn nước cho bể nuôi. Hiện nay, phần lớn các hệ thống xử lý nước tuần hoàn được thiết kế với nguyên lý lọc sinh học, có các mương sinh học chia làm nhiều ngăn, các ngăn được bố trí xen kẽ hở trên và dưới để giúp cho đường nước đi dài nhất. Hiệu quả xử lý của vật liệu lọc và hiệu quả hoạt động các vi sinh vật sẽ quyết định chất lượng nước tuần hoàn. Khi hệ thống xử lý nước tuần hoàn hoạt động đảm bảo, toàn bộ nước nuôi sẽ được xử lý đảm bảo yêu cầu để có thể cấp lại cho hệ thống nuôi mà không thải ra
8 ngoài môi trường. Áp dụng công nghệ RAS là một trong những giải pháp công nghệ phù hợp giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ RAS chưa được phổ biến trong ngành nuôi trồng thủy sản của Hải Phòng nói riêng và Việt Nam nói chung. Trên quy mô của Hải Phòng hiện nay mới chỉ có khoảng 1-2 cơ sở nuôi trồng thủy sản bằng công nghệ này, với quy mô nuôi trồng khoảng 10 - 20 tấn/năm. Trên quy mô cả nước, số cơ sở nuôi trồng bằng công nghệ này cũng không nhiều với số lượng cơ sở nuôi trồng khoảng hơn 10 cơ sở ở quy mô nhỏ. Một trong những đặc điểm của môi trường nước nuôi trồng thủy sản bằng công nghệ RAS là các chỉ tiêu nitơ vô cơ trong nước nuôi luôn có xu hướng tăng cao do sự phân hủy của thức ăn dư thừa và chất thải từ vật nuôi. Việc xử lý ammonia và nitrite lại thường gặp khó khăn do quá trình nitrate hoá bị giới hạn vì tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn nitrate hoá được đánh giá là chậm hơn rất nhiều so với các nhóm vi khuẩn khác. Hơn nữa, sự sinh trưởng và hoạt lực của nhóm vi khuẩn này dễ bị ức chế trong điều kiện môi trường không thuận lợi như thiếu khí và nguồn chất hữu cơ dồi dào. Hiệu quả xử lý nước để tuần hoàn trong hệ thống RAS đang là vấn đề quyết định tính phổ biến của công nghệ này. 1.2. Ô nhiễm các hợp chất nitơ vô cơ trong nuôi trồng thuỷ sản nước lợ Ô nhiễm từ các hợp chất của nitơ vô cơ đang là một trong những điểm nóng của ngành nuôi trồng thủy sản ở nước ta do tình trạng lạm dụng thức ăn để nâng cao năng suất. Ô nhiễm ao nuôi tôm chủ yếu là do thức ăn thừa và các chất bài tiết của tôm tích tụ đáy ao gây ô nhiễm hữu cơ [10]. Quá trình tích tụ các chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong nuôi trồng thủy sản được thể hiện tại hình 1.1. Trung bình 1 ha mặt nước hồ ao nuôi 1 vụ 6 tháng sẽ tạo ra một lượng chất thải khoảng 18.000 kg chất hữu cơ/ha, 1 ha nuôi tôm sú có năng suất 6 - 8 tấn/vụ sẽ thải ra khoảng 3,6 - 4,8 tấn chất thải. Do vậy, 1 ha nuôi tôm sú sẽ thải ra môi trường khoảng 22 tấn chất thải (gồm cả sinh khối tảo chết). Các chất thải này phần lớn tích tụ ở đáy ao gây ô nhiễm chất hữu cơ tùy thuộc vào phương thức nuôi tôm [11]. Nghiên cứu đánh giá về quá trình tích tụ các hợp chất nitrogen trong nền đất của các ao nuôi tôm tại Quảng Ninh [12] đã được tiến hành với chỉ tiêu quan trắc là nồng độ NH4+ và N-NO2- ở các tầng đất 30cm, 60 cm, 90 cm, đối với các loại ao có thời gian bắt đầu đưa vào nuôi tôm khác nhau (năm 2002, 2004, 2006) tại các thời
9 điểm khác nhau (năm 2008, 2014). Kết quả cho thấy hàm lượng NH4+ và N-NO2- trong đất ao nuôi tôm dao động trong khoảng 1,28 – 9,64 mg/kg. Trong năm 2014, tại hầu hết các ao nuôi tôm cho kết quả hàm lượng N-NH4+ và N-NO2- trong đất đều cao hơn so với lần quan trắc năm 2008. Đồng thời, kết quả quan trắc chỉ tiêu N-NH4+ và N- NO2- trong đất ở các ao có thời gian nuôi dài hơn đều cao hơn. Hình 1.1. Sự tích tụ chất ô nhiễm nitơ vô cơ trong đầm nuôi tôm Biến động giá trị N-NH4+ và N-NO2- trong đất ao nuôi thể hiện rõ: trong thời gian dài nuôi tôm, chất thải từ hoạt động nuôi tích tụ và gây ảnh hưởng đến nền đáy ao nuôi là rất đáng kể. Trong các hợp chất của nitrogen, hợp chất độc hại nhất cho tôm và cá là nitrite ammonia. Đặc biệt là NH3, nồng độ NH3 là 0,09 mg/l có thể làm giảm sinh trưởng, tại nồng độ 0,1 mg/l có thể gây chết tôm. N-NO2- có thể ảnh hưởng đển sức khỏe của tôm trong dài hạn tại nồng độ thấp đến 0,45 mg/l. Nitrate không gây độc trực tiếp đối với vật nuôi nhưng sự có mặt của nitrate với nồng độ cao sẽ kích thích sự nở hoa của tảo, có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vật nuôi như cá chình, mực và tôm [13-14-15]. Độc tính của ammonia mạnh hay yếu còn tùy vào yếu tố như cỡ tôm, độ mặn, nhiệt độ và pH trong ao. Đối với tôm giai đoạn nhỏ, giống lúc mới thả thì nhạy cảm hơn so với tôm lớn. Các ao nuôi thâm canh với mật độ dày dễ xảy ra tình trạng ngộ độc nhiều hơn các ao nuôi với mật độ thấp. Đối với các ao nuôi có độ mặn thấp, nhiệt độ cao, pH cao là các nguyên nhân dẫn đến tình trạng ngộ độc ammonia cấp tính. Đối với các hệ thống nuôi kín, cần tránh nhiệt độ tăng cao trên
10 34oC, pH trên 8.0, lúc này tôm rất nhạy cảm và dễ dẫn đến tôm chết hàng loạt, đôi lúc tỉ lệ chết lên đến 100% đối với các ao ngộ độc nặng và xử lý không đúng tác nhân. Nghiên cứu về mức độ an toàn về hàm lượng NH3 đối với tôm he P.monodon cho thấy: LC50 sau 96 giờ cho ấu trùng là 0,13 mg NH4+-N/l (hoặc 0,01 mg NH3- N/l) và ở mức an toàn đối với tôm P.paulensis là 0,03 mg NH3-N/l [15]. Nitrite được tạo thành từ quá trình oxy hóa ammonia và quá trình khử nitrate không hoàn toàn. Đối với vật nuôi, phơi nhiễm với nitrite gây ra các tổn thương mang và phù nề ở cơ xương cá, nhưng tác động chính của nó là đến hô hấp. Khi nitrite đã bị hấp thụ vào máu, nitrite kết hợp với hemoglobin hoặc hemocyanin ở loài không xương sống để tạo thành methemoglobin hoặc met-hemocyanin không kết hợp với oxy. Tỷ lệ phần trăm methmoglobin hoặc met-hemocyanin trong máu của động vật thủy sinh tăng lên khi nồng độ nitrite trong máu tăng lên, do đó làm cho máu giảm khả năng vận chuyển oxy đến các mô. Cụ thể, khi ao nuôi tôm bị nhiễm N-NO2- làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu dẫn đến tôm bị stress và tình trạng này kéo dài sẽ gây chết tôm. Tác động của nitrite đến hô hấp đặc biệt rõ rệt khi nồng độ oxy hòa tan trong nước ao nuôi thấp. Do vậy, nitrite có trong đầm ao nuôi gây độc cho tôm cá, làm giảm khả năng sinh trưởng... [16] Nghiên cứu cho thấy, LC50 96 giờ (gây chết 50% sinh vật thí nghiệm trong 96 giờ) của N- NO2- điển hình trong khoảng 10,00 - 30,00 mg/l trên các loài không xương sống nước ngọt và 0,25 - 100,00 mg/l trên cá. Phạm vi tương ứng trên các loài sinh vật biển điển hình trong khoảng 10 – 300 mg/l và 100 – 1.000 mg/l. Đối với nhiều loài tôm cá giá trị LC50 sau 48 giờ là 12,1mM, đối với cá M.rosenbergii là 0,1 mM, đối với ấu trùng cá 10-14 ngày tuổi sau 96 giờ là 8,6 mg NO2-/l [15]. Nitrate được hình thành bởi quá trình oxy hóa nitrite trong các đầm ao nuôi, tuy không trực tiếp gây độc cho tôm cá bởi hàm lượng tạo thành thường thấp hơn tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên, khi hàm lượng lớn hơn 50 mg/l gây hiện tượng nở hoa làm giảm oxy hòa tan trong môi tường nước [16]. Có thể thấy, các hợp chất nitơ là chỉ tiêu ô nhiễm luôn đi cùng với ngành nuôi trồng thủy sản và là nguy cơ lớn gây ra tình trạng ô nhiễm và dịch bệnh [17]. Nghiên cứu và xử lý thành công các hợp chất nitơ trong nước là một trong những yêu cầu cấp thiết, quyết định sự sống còn của ngành nuôi trồng thủy sản.