Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ thống MHRAP đạt hiệu suất loại bỏ COD trung bình 96%, phốt pho 72.75%, tổng nitơ 57%, và amoniac 64%. Sinh khối tảo trong hệ thống dao động từ 45% đến 89%, với giá trị trung bình 0.7 trong tỷ lệ MLVSS/MLSS. Qua đó cho thấy, ao tảo mật độ cao là một giải pháp hiệu quả và bền vững cho việc xử lý nước thải nuôi tôm, đồng thời tạo ra sinh khối tảo có giá trị kinh tế. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế, hỗ trợ mô hình kinh tế tuần hoàn.

Giới thiệu

Ngành nuôi tôm tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, đóng góp đáng kể vào nền kinh tế địa phương và quốc gia. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng này cũng mang đến nhiều thách thức, đặc biệt là các rủi ro môi trường từ việc xả thải nước thải nuôi tôm. Xả thải từ nuôi tôm chứa nhiều chất hữu cơ, nitrogen, phospho, và các loại kháng sinh dư thừa. Nếu không được xử lý đúng cách, nước thải này có thể gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái địa phương và sức khỏe con người. Hiện tại, nhiều khu vực nuôi tôm tại ĐBSCL hầu như vẫn chưa có hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, dẫn đến tình trạng ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng. Điều này đòi hỏi cần có những giải pháp xử lý nước thải mới, hiệu quả hơn và phù hợp với điều kiện thực tế của vùng nuôi tôm .

Công nghệ xử lý nước thải truyền thống như bùn hoạt tính không phù hợp trong việc ứng dụng trong việc loại bỏ nitrogen, phospho, các chất hữu cơ phức tạp và các loại kháng sinh do tốn quá nhiều diện tích, vốn đầu tư lớn và không có chuyên môn vận hành . Do đó, cần thiết phải tìm kiếm và phát triển các công nghệ xử lý nước thải mới đơn giản, phù hợp và có khả năng giải quyết những vấn đề cụ thể của ngành nuôi tôm.

Một trong những giải pháp tiềm năng là việc sử dụng vi tảo để xử lý nước thải. Vi tảo có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng như nitrogen và phospho, giúp giảm thiểu nguy cơ phú dưỡng trong môi trường nước. Ao tảo mật độ cao (Highrate algae pond - HRAP) là một loại hình công nghệ xử lý nước thải dựa trên vi tảo, được đánh giá cao về hiệu quả và chi phí thấp. Với đặc điểm địa hình nhiều ao, nguồn nước sạch khan hiếm, ĐBSCL là nơi lý tưởng để thử nghiệm và ứng dụng HRAP. Mô hình này không chỉ giúp xử lý nước thải nuôi tôm hiệu quả mà còn tạo ra sinh khối tảo có giá trị kinh tế, hỗ trợ cho mô hình kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường. Từ đó, việc nghiên cứu và thử nghiệm ứng dụng HRAP trong xử lý nước thải nuôi tôm là một hướng đi cần thiết và tiềm năng. Cần có các nghiên cứu thực tiễn để đánh giá toàn diện hiệu quả của HRAP với loại nước thải nuôi thuỷ sản này, từ đó triển khai rộng rãi và áp dụng vào thực tế. Việc này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành nuôi tôm trong khu vực.

Hình 1. (A) Mô tả bản vẽ hệ thống ao nuôi tảo mật độ cao (HRAP) và (B) mô hình thực tế

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn vi tảo Chlorella Vulgaris sử dụng đã được nuôi cấy và làm thuần bằng môi trường BG11 tại Phòng thí nghiệm Công nghệ nông nghiệp bền vững và môi trường - Viện Nghiên cứu và Phát triển sinh học nông nghiệp tiên tiến, trường ĐH Nguyễn Tất Thành. Nguồn nước thải nuôi tôm được sử dụng lấy ở tại huyện Cần Giuộc: Mương nuôi tôm của chú Năm Đẹp. Địa chỉ: Xã Đông Thạnh, huyện Cần Giuộc, tỉnh Long An. Nguồn nước thải được lấy từ mương nuôi tôm từ cửa xả si phong định kì hàng ngày. Tính chất nước thải ban đầu với TDS (3120 ppm), COD 227 (mg/L), TN 29.6 (mg/L), N-NH4 (16.05 mg/L), N-NO2 (3.4 mg/L), N NO3 (8.5 mg/L), P-PO4    1.9 (mg/L) và độ mặn (7 ppt). 

Hệ xử lý mô phỏng ao nuôi tảo mật độ cao (HRAP) như Hình 1 được thiết kế với dạng trụ tròn. thiết kế tính toán HRAP được cấu hình theo kiểu sắp xếp vòng lặp đơn . Mực nước thải ở trong bể tối đa là 20 - 30 cm để đảm bảo ánh sáng được phân bố và duy trì hiệu suất quang hợp tương đối đều cho vi tảo ở tầng mặt và tầng đáy. Bánh khuấy được đặt ở giữa bể để tạo ra vận tốc dòng nước không nhỏ hơn 0.2 m/s theo tham khảo vòng quay của bánh đà khoảng 12 vòng/phút. Sự phát triển của vi tảo được đảm bảo qua việc khuấy trộn này, các tế bào vi tảo thường xuyên tiếp xúc với ánh sáng, ngăn ngừa sự lắng đọng của vi tảo/vi khuẩn và tăng cường sự khuếch tán các chất dinh dưỡng qua lớp biên xung quanh các tế bào. Nước đầu ra được bơm ra qua hệ thống màng lỗ lọc 0.4 µm (MF) với 50 sợi rỗng (PVDF) dài 20 cm nên gọi là MHRAP. 

Mẫu được lấy trực tiếp theo TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1:2006) từ mô hình đầu vào và đầu ra theo định kỳ 2 - 3 lần/tuần trong 40 ngày để phân tích và kiểm tra các chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu như COD (ISO 8467:1993 (E); TN (SMEWW 4500 – N B&C); NH4+-N (SMEWW 4500 NH3 B&C); NO3–N (SMEWW 4500-NO3 E:2012), NO2–N (SMEWW 4500-NO2 B:2012) và PO43--P(SMEWW 4500-P B&E:2012). 

Hình 2. Hiệu quả xử lý của hệ thống HRAP với nước thải nuôi tôm (A- Sinh khối tảo trong hệ thống; B - Hiệu quả xử lý COD; C - Hiệu quả loại bỏ tổng nitơ; D - Hiệu quả loại bỏ phospho)

Kết quả và bàn luận

Hệ thống ao tảo tỷ lệ cao kết hợp với màng lọc (MHRAP) đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc xử lý nước thải nuôi tôm. Theo kết quả nghiên cứu, hệ thống này đạt hiệu suất loại bỏ COD trung bình khoảng 90%, với hiệu suất dao động từ 88% đến 96%. MHRAP thể hiện khả năng xử lý COD tốt hơn so với các phương pháp truyền thống và đáp ứng các tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT cột B. Điều này chứng tỏ sự hoạt động hiệu quả của vi khuẩn và vi tảo trong hệ thống, trong đó quá trình cộng sinh giữa chúng giúp oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ một cách hiệu quả.

Hệ thống MHRAP cũng cho thấy khả năng loại bỏ tổng nitơ (TN) và phốt pho (PO43-). Hiệu suất loại bỏ TN đạt trung bình 57%, trong khi hiệu suất loại bỏ phốt pho đạt trung bình 72.75%. Quá trình đồng hóa và hấp thụ nitơ, phốt pho bởi vi tảo, cũng như sự hỗ trợ của vi khuẩn trong việc chuyển đổi các chất dinh dưỡng, đã giúp hệ thống đạt được kết quả này. Đặc biệt, tỷ lệ N/P tối ưu trong hệ thống giúp tối đa hóa sự hấp thụ nitơ và phốt pho, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý.

Về sinh khối tảo, tỷ lệ sinh khối trong hệ thống dao động từ 45% đến 89%, với giá trị trung bình là 0.7 trong tỷ lệ MLVSS/MLSS . Quá trình lọc và sấy ở nhiệt độ cao giúp thu được hàm lượng MLSS bao gồm bùn, vi khuẩn và vi tảo. Điều kiện chiếu sáng và nhiệt độ thuận lợi đã thúc đẩy sự phát triển của vi tảo, tạo ra sinh khối tảo có giá trị kinh tế cao . Sinh khối này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi, và phân bón.

Tóm lại, hệ thống ao tảo mật độ cao kết hợp màng (MHRAP) này không chỉ hiệu quả trong việc xử lý nước thải nuôi tôm mà còn tạo ra sinh khối tảo có giá trị kinh tế. Hiệu quả xử lý cao đối với COD, TN và PO43- cùng với khả năng tạo sinh khối tảo ổn định chứng minh rằng MHRAP là một giải pháp tiềm năng cho việc xử lý nước thải và bảo vệ môi trường.

Kết luận

Nghiên cứu đã cho thấy rằng, hệ thống ao tảo tỷ lệ cao kết hợp với màng lọc (MHRAP) là một giải pháp hiệu quả và bền vững cho việc xử lý nước thải nuôi tôm tại Đồng bằng sông Cửu Long. Bên cạnh hiệu quả xử lý, MHRAP còn tạo ra một lượng sinh khối tảo có giá trị kinh tế cao. Sinh khối này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi, và phân bón. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế, hỗ trợ mô hình kinh tế tuần hoàn. Với điều kiện địa lý và khí hậu thuận lợi, ĐBSCL là nơi lý tưởng để triển khai rộng rãi công nghệ này. Trong tương lai, cần có thêm các nghiên cứu thực tiễn và thử nghiệm quy mô lớn để đánh giá toàn diện hiệu quả của MHRAP trong các điều kiện thực tế khác nhau. Từ đó, hướng đến thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành nuôi tôm, đảm bảo nguồn nước sạch và hệ sinh thái bền vững.

Lời cảm ơn: Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Nguyễn Tất Thành đã hỗ trợ thời gian và phương tiện vật chất cho nghiên cứu này. Tác giả Trần Thành được tài trợ bởi Chương trình học bổng đào tạo thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), mã số VINIF.2023.TS.113. *Tác giả liên hệ: tthanh@ntt.edu.vn.

Tài liệu tham khảo

1.    A. K. Wani et al., "Eco-friendly and safe alternatives for the valorization of shrimp farming waste," Environmental Science and Pollution Research, vol. 31, no. 27, pp. 38960-38989, 2024;

2.    N. T. Nguyen et al., "A comprehensive review of aeration and wastewater treatment," Aquaculture, p. 741113, 2024;

3.    H. J. Fallowfield et al., "Independent validation and regulatory agency approval for high rate algal ponds to treat wastewater from rural communities," vol. 4, no. 2, pp. 195-205, 2018;

4.    K. K. Jaiswal et al., "Bio-flocculation of oleaginous microalgae integrated with municipal wastewater treatment and its hydrothermal liquefaction for biofuel production," vol. 26, p. 102340, 2022;

5.    J. S. Arcila, G. J. J. o. C. T. Buitrón, and Biotechnology, "Microalgae–bacteria aggregates: effect of the hydraulic retention time on the municipal wastewater treatment, biomass settleability and methane potential," vol. 91, no. 11, pp. 2862-2870, 2016.

TRẦN THÀNH*, LÊ ĐỨC TRUNG 
Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
BÙI XUÂN THÀNH 
Trường ĐH Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
ĐỖ VINH ĐƯỜNG, TRẦN THÀNH*
Trường ĐH Nguyễn Tất Thành
NGUYỄN THỊ HỒNG NGUYÊN, LÊ HOÀI NAM, PHAN THỊ NGỌC HUYỀN, 
LÊ THỊ NGỌC LINH, TRẦN THỊ BÍCH PHƯỢNG, LÊ THỊ HỒNG TUYẾT 
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 15 (Kỳ 1 tháng 8) năm 2024