Các phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm môi trường do nuôi trồng thuỷ sản ven biển

I. Ô nhiễm môi trường do nuôi trồng thủy sản (NTTS) ven biển

Thông thường có 2 loại hình ô nhiễm do NTTS ven biển là ô nhiễm môi trường đầm nuôi và bên ngoài đầm nuôi:

Ô nhiễm môi trường đầm nuôi bị hình thành trong quá trình nuôi như các chất thải từ thức ăn và các hoá chất tích tụ ở đáy đầm nuôi tạo thành một lớp bùn ô nhiễm.

Thành phần lớp bùn chủ yếu là các chất hữu cơ như prôtêin, lipids, axit béo với công thức chung CH3(CH2)nCOOH , photpholipids, Sterol - vitamin D3, các hoocmon, carbohydrate, chất khoáng và vitamin, vỏ tôm lột xác,... Lớp bùn này luôn ở trong tình trạng ngập nước, yếm khí, các vi sinh vật yếm khí phát triển mạnh, phân huỷ các hợp chất trên tạo thành các sản phẩm là hydrosulphua (H2S), Amonia (NH3), khí metan (CH4),... rất có hại cho thuỷ sinh vật, ví dụ nồng độ 1,3 ppm của H2S có thể gây sốc, tê liệt và thậm chí gây chết tôm. Khí amonia (NH3) cũng được sinh ra từ quá trình phân huỷ yếm khí thức ăn tồn dư gây độc trực tiếp cho tôm, làm ảnh hưởng đến độ pH của nước và kìm hãm sự phát triển của thực vật phù du (Hassanai Kongkeo,1990).

Ô nhiễm môi trường bên ngoài đầm nuôi được sản sinh từ nguồn thức ăn, phân bón, thuốc thú y thủy sản, trong quá trình chăn nuôi thải ra bên ngoài đầm nuôi.

Các chất ô nhiễm chủ yếu:

•  Các bon hữu cơ (gồm thức ăn, phân bón v.v)
•  Nitơ được phân huỷ từ các prôtêin
•  Phốtpho phân huỷ từ các prôtêin

Nồng độ các chất ô nhiễm trên được biểu thị bởi một số chỉ tiêu chung như chỉ tiêu nhu cầu ôxy hoá sinh - BOD (Biochemical Oxygen Demand), tổng Nitơ (NT) và tổng Phôtpho (TP).

II. Các phương pháp sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường

Có rất nhiều phương pháp sinh học đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các chất thải hữu cơ. Tiêu biểu là việc sử dụng hệ sinh vật để phân hủy hoặc hấp thụ/hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ từ chất thải sản xuất và sinh hoạt. Có thể nêu lên một số phương pháp sau:

• Sử dụng hệ vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong chất thải
• Sử dụng hệ động thực vật thủy sinh để hấp thụ các chất hữu cơ

1. Phương pháp sử dụng hệ vi sinh vật

Có một số loài vi sinh vật có khả năng sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng, sinh trưởng và nhờ vậy sinh khối của chúng tăng lên. Các vi sinh vật này được sử dụng để phân huỷ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ có trong chất thải từ NTTS. Quá trình phân hủy này được gọi là quá trình phân hủy ôxy hóa sinh hóa. Có thể phân phương pháp này thành hai loại (Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 1999) là :

•  Phương pháp hiếu khí: là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Ðể đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục cho chúng và duy trì ở nhiệt độ khoảng 20 - 40 độ C
•  Phương pháp yếm khí: là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí. Trong xử lý nước thải công nghiệp, phương pháp xử lý yếm khí được sử dụng rộng rãi.

2. Phương pháp sử dụng hệ động thực vật để hấp thụ các chất ô nhiễm

Bản chất của việc sử dụng hệ động, thực vật để loại bỏ các chất ô nhiễm dựa trên cơ sở quá trình chuyển hóa vật chất trong hệ sinh thái thông qua chuỗi thức ăn.

Thông thường người ta sử dụng thực vật làm các sinh vật hấp thụ các chất dinh dưỡng là nitơ và phốt pho, cácbon để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối (sinh vật tự dưỡng), đó là tảo hay thực vật phù du, rong câu và các loài thực vật ngập mặn khác.

Kế tiếp trong chuỗi thức ăn là các động vật bậc 1 - động vật ăn thực vật. Ðiển hình của các động vật bậc 1 ở vùng nước ven biển là các loại ngao, vẹm, hàu các loài này có thể tiêu thụ các thực vật phù du và cải thiện điều kiện trầm tích đáy. Các loài cá ăn thực vật phù du và mùn bã hữu cơ như cá măng, cá đối cũng được thử nghiệm sử dụng ở các kênh thoát nước thải (Micheal J. Phillips, 1995).

Rừng ngập mặn (RNM) là một hệ sinh thái ở vùng đất ngập nước rất phổ biến ở ven biển Việt nam. Có thể sử dụng RNM như một bể lọc sinh học các chất ô nhiễm hữu cơ từ chất thải đô thị, công nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Theo tính toán lý thuyết, ở điều kiện Việt Nam, 1ha RNM mỗi năm tăng trưởng 56 tấn sinh khối và có thể hấp thụ được 219 kg nitơ, 20 kg phôt pho (Jesper Clausen, 2002). Ngoài ra, RNM với bộ rễ có cấu tạo đặc biệt là nơi bẫy các trầm tích có chứa các kim loại nặng, các hóa chất bảo vệ thực vật. Thực vật ngập mặn cùng với toàn bộ hệ sinh thái trong RNM là một bể lọc sinh học đối với các chất thải từ hoạt đông nuôi trồng thủy sản ven biển.

Trong thực tế, để đảm bảo đạt hiệu suất xử lý cao các chất ô nhiễm với chi phí vận hành tối thiểu, người ta thường sử dụng kết hợp nhiều phương pháp, kết hợp nhiều hệ thống và các tác nhân khác nhau. Tùy theo hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải và điều kiện cụ thể của từng khu vực.

III. Các hệ thống xử lý ô nhiễm môi trường bằng các phương pháp sinh học.

1. Hệ thống xử lý bằng phương pháp hiếu khí (Aerobic methods).

Tác nhân tham gia vào hệ thống xử lý này bao gồm các vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm và một số vi sinh bậc thấp. Các dụng cụ thường là bể thông khí sinh học (Aeroten) hoặc các đĩa lọc sinh học.

Quá trình xử lý diễn ra như sau :

- Bùn hoạt tính (vi sinh vật ở trạng thái huyền phù) có trong nước thải từ các đầm nuôi tôm được đưa vào hệ thống xử lý.

- Tiến hành sục khí làm cho nước được bão hòa ôxy và bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Có thể áp dụng các thiết bị sục khí như :

• Sục khí bằng sục đầu khuếch tán
• Sục khí và chất lỏng bằng khuấy cơ học
• Sục khí bằng kết hợp giữa khuấy nước bằng cánh quạt tuabin và hệ thống khuếch tán.

- Ðĩa lọc sinh học: gồm một loạt các đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau một khoảng nhỏ. Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong hồ/bể chứa nước thải, phần còn lại tiếp xúc với không khí. Các vi khuẩn bám trên đĩa lọc phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải.

- Ưu điểm của hệ thống: thời gian xử lý diễn ra nhanh hơn, các chất ô nhiễm được phân hủy triệt để, có thể xử lý được một khối lượng lớn nước thải với nồng độ chất ô nhiễm cao, không cần sử dụng nhiều diện tích đất, kiểm soát vấn đề mùi một cách dễ dàng. Tuy nhiên, chi phí xây dựng, lắp đặt thiết bị và vận hành cao.

2. Hệ thống xử lý bằng phương pháp kỵ khí (Anaerobic methods) hay còn gọi là bể metan.

Phương pháp này sử dụng các vi sinh vật kỵ khí để phân huỷ chất ô nhiễm hữu cơ. Hệ thống này không thích hợp cho xử lý ô nhiễm môi trường trong nuôi trồng thuỷ sản do chi phí xây dựng cao. Tuy nhiên hệ thống này lại có ưu điểm là có thể giải phóng nitơ, giảm gây ô nhiễm NO3- (nitơrat) cho nước mặt và nước ngầm.

3. Các hệ thống làm sạch nước thải trong điều kiện tự nhiên.

3.1 Hồ sinh học: được gọi là hồ ôxy hóa hay hồ chứa lắng, bao gồm một chuỗi từ 3 đến 5 hồ. Trong hồ, nước thải được làm sạch bằng quá trình tự nhiên thông qua các tác nhân là tảo và vi khuẩn. Hồ sinh học bao gồm các loại hồ:

a. Hồ hiếu khí tự nhiên (Aerobic pond) : độ sâu từ 0,2-0,4m, diện tích đất rất lớn, chi phí vận hành gần như bằng 0.

• Tải lượng BOD : 250 kg- 300 kg/ngày cho một diện tích hồ rộng khoảng 1 ha.
• Nước thải được đưa vào và thoát ra theo đường chéo của hồ sẽ tăng hiệu suất xử lý hơn.

b. Hồ kỵ khí (Anaerobic pond- Metan pond): độ sâu nước 2,4 -3,6 m, thời gian lưu nước từ 2-5 ngày. Diện tích nhỏ hơn chỉ khoảng 10-20% diện tích hồ hiếu khí.

• Nhiệt độ tối ưu: 30-35oC
• pH : 6,5-7,5
• Thời gian tối ưu là 5 ngày

c. Hồ hiếu- kị khí (Facultative pond): độ sâu từ 0,7-1,8 m

Thời gian lưu nước có thể tính toán được, phụ thuộc vào hiệu suất xử lý (nồng độ chất ô nhiễm đầu vào và đầu ra), dao động từ 5 đến 30 ngày. Các phản ứng phân huỷ kỵ khí xảy ra ở lớp dưới đáy và quá trình ổn định hiếu khí xảy ra ở lớp trên.

• Nhiệt độ tối ưu: >15 độ C
• Tải lượng BOD : 100-150 kg /ha/ngày
• Có thể xử lý được 50-60% BOD và 20 -30% TN

Ưu điểm của hệ thống này là : chi phí vận hành bằng 0. Nhược điểm là phải mất một diện tích đất lớn, và nếu nước thải có hàm lượng ô nhiễm quá cao thì hiệu quả xử lý không triệt để, khó kiểm soát được mùi.

Một hệ thống hồ sinh học có ít nhất là 3 hồ và được xắp xếp như sau :

• hồ hiếu khí Aerobic pond
• hồ hiếu-kị khí - Facultative pond
• hồ kỵ khí - Anaerobic pond

Nước thải

d. Hồ thông khí nhân tạo hay còn gọi là hồ được sục khí:

Là hồ sinh học được sục khí nhằm thúc đẩy quá trình phân hủy hiếu khí của các vi sinh vật hiếu khí. Tăng hiệu xuất xử lý và rút ngắn thời gian xử lý.

3.2 Các hệ thống đất ngập nước.

Do hoạt động nuôi trồng thủy sản ven biển diễn ra ở vùng nước mặn- lợ, vì vậy có thể sử dụng các hệ thống đất ngập nước để xử lý ô nhiễm môi trường, cụ thể như sau :

a. Hệ thống dựa vào thực vật, động vật thủy sinh như rong câu, cá, ngao, vẹm, hàu

Hệ thống này thường là một vùng ngập nước có độ sâu 0,9 - 1,5 m cùng với hệ sinh vật thủy sinh. Có thể xử lý các chất ô nhiễm bằng một số quá trình sinh học như :

• Quá trình phân hủy hiếu-kỵ khí của các vi sinh vật
• Quá trình quang hợp của các thực vật dưới nước là rong câu, tảo làm tăng ôxy hòa tan, giảm CO2, tăng pH, tăng quá trình bay hơi của NH4, tăng lắng đọng của phốt pho.
• Các động vật thủy sinh bậc 1 như các loại cá ăn thực vật phù du, các động vật đáy như ngao, vẹm, hàu ăn thực vật phù du và các chất mùn bã hữu cơ.

* Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống này là:

• Nước thải có hàm lượng BOD là 50-300 kg/ngày/ha
• Thời gian lưu nước tuỳ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm có trong nước thải có thể từ 3 - 5 ngày hoặc từ 7 - 10 ngày.

Hợp phần SUMA đã sử dụng hệ thống này để xử lý nước thải cho khu nuôi tôm quảng canh cải tiến và bán thâm canh ở Dự án cộng đồng xã Thạch Bàn huyện Thạch Hà, Hà Tĩnh.

• Ưu điểm của hệ thống này là : chi phí vận hành gần như bằng 0, tăng thêm lợi nhuận kinh tế ở các khu nuôi thâm canh do có thêm nguồn thu cho người nuôi trồng.
• Nhược điểm : phải sử dụng diện tích đất lớn.

b. Hệ thống rừng ngập mặn RNM. Hệ thống này dựa vào các loài thực vật rễ ở đáy, thân vươn lên mặt nước (Macrophyte)

RNM có thể hấp thụ được một lượng lớn chất hữu cơ từ hoạt động nuôi trồng thủy sản ven biển. Thực vật ở hệ thống này có vai trò như sau:

- Phần vươn lên không khí :

• Làm giảm ánh sáng chiếu xuống mặt nước, giảm quá trình quang hợp, hạn chế sự phát triển của thực vật phù du như tảo
• Tạo điều kiện điều hòa vi khí hậu, đặc biệt cách nhiệt trong mùa đông, nhiệt độ ở dưới cao sẽ làm tăng nhanh quá trình phân hủy chất hữu cơ.
• Hấp thụ chất dinh dưỡng hữu cơ. Phần ngập dưới nước có tác dụng cung cấp bề mặt cho vi khuẩn bám dính (biofilm), cung cấp ôxy cho sự quang hợp, hấp thụ chất dinh dưỡng. Phần rễ và đới rễ có tác dụng giúp ổn định và giảm xói mòn, tạo điều kiện cho quá trình lắng đọng bùn và tạo trầm tích.

- Ngoài ra, Hệ động vật trong hệ sinh thái rừng ngập mặn như hàu, vẹm, cua, cá cũng là tác nhân loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ.

V- Kết luận

Có rất nhiều phương pháp sinh học có thể sử dụng để xử lý ô nhiễm môi trường do nuôi trồng thủy sản ven biển, mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng, xong việc lựa chọn phương pháp nào cho thích hợp với điều kiện của Việt Nam trên phương diện kinh tế, xã hội và môi trường phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng vùng.

Tuy nhiên, việc sử dụng các hồ sinh học và các hệ thống đất ngập nước vẫn có nhiều ưu thế hơn cả xét cả về phương diện kinh tế lẫn môi trường, nhất là năng suất nuôi trồng thủy sản thâm canh của Việt Nam chưa quá cao như một số nước khác trong khu vực, chất thải ra có nồng độ không quá cao, nên việc sử dụng các bể aeroten và bể metan trong giai đoạn hiện nay là quá tốn kém.

Trần Thị Thu Ngân - Hợp phần SUMA