Tổng Nitơ Hữu Cơ Hòa Tan (TAN) Và Các Yếu Tố Chất Lượng Nước Khác Ảnh Hưởng Đến Tốc Độ Nitrat Hóa Trong Bộ Lọc Sinh Học

Tổng lượng nitơ amoni, nhiệt độ và độ mặn của nước, cacbon hữu cơ là những biến số quan trọng.

nuôi trồng thủy sản thương mại. Ảnh do Đại học bang Bắc Carolina, Khoa Nông nghiệp và Khoa học Đời sống cung cấp.

Tốc độ nitrat hóa trong quá trình lọc sinh học bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiều biến số chất lượng nước. Giả sử rằng lưu lượng không hạn chế tốc độ nitrat hóa trong bộ lọc sinh học, thì có lẽ quan trọng nhất là nồng độ nitơ amoni tổng (TAN) trong nước hệ thống, nhiệt độ và độ mặn của nước, và lượng carbon hữu cơ trong nước hệ thống.

Định lượng quá trình nitrat hóa

Theo cách tiếp cận truyền thống, nhiều nghiên cứu đánh giá tốc độ nitrat hóa dựa trên diện tích bề mặt riêng (SSA) của vật liệu nuôi cấy, trong đó SSA càng cao càng được xem là lợi thế. Về mặt lý thuyết, diện tích bề mặt lớn sẽ cung cấp nhiều không gian hơn cho vi khuẩn cư trú, từ đó thúc đẩy quá trình nitrat hóa diễn ra mạnh hơn trong điều kiện lý tưởng.

Tuy nhiên, trong thực tế nuôi trồng thủy sản, vi khuẩn thường hình thành lớp màng sinh học bao phủ bề mặt vật liệu. Lớp màng này có thể lấp kín các cấu trúc xốp hoặc vi địa hình được thiết kế nhằm gia tăng SSA, dẫn đến hiện tượng “bít” bề mặt. Kết quả là một cấu trúc bề mặt mới được hình thành, làm giảm diện tích tiếp xúc thực tế mà vi khuẩn có thể sử dụng.

Tỷ lệ chuyển đổi TAN thể tích

Do đó, khả năng nitrat hóa được tính toán theo lý thuyết dựa trên diện tích bề mặt riêng (SSA) của vật liệu lọc không phải lúc nào cũng phản ánh đúng hiệu quả nitrat hóa trong điều kiện vận hành thực tế. Gần đây, một cách tiếp cận khác được đề xuất, theo đó hiệu suất của bộ lọc sinh học được đánh giá dựa trên lượng TAN được chuyển đổi trên mỗi đơn vị thể tích vật liệu chưa giãn nở. Chỉ tiêu này được gọi là tốc độ chuyển đổi TAN theo thể tích (VTR), với đơn vị phổ biến là gam TAN được loại bỏ trên mỗi mét khối vật liệu lọc mỗi ngày.

Phương pháp này có độ chính xác cao hơn vì không phụ thuộc vào các giả định về diện tích bề mặt hữu dụng của vật liệu lọc sinh học. Thay vào đó, đây là phép đo trực tiếp năng lực xử lý của hệ thống dựa trên thể tích dễ xác định và đáng tin cậy hơn.

Tác động của nồng độ TAN

Trong hầu hết các điều kiện nuôi trồng thủy sản thương mại, nồng độ TAN thường được duy trì dưới 2 mg/L. Ở mức này, tốc độ chuyển hóa TAN trong bộ lọc sinh học nhìn chung tỷ lệ thuận với nồng độ TAN. Tuy nhiên, khi nồng độ tăng vượt ngưỡng 3–4 mg/L, tốc độ nitrat hóa thường không tăng thêm đáng kể.

Hình 1 minh họa mối quan hệ giữa nồng độ TAN trong bể lọc sinh học và tốc độ chuyển hóa (VTR) trong hệ thống nuôi tuần hoàn (RAS). Đường biểu diễn có xu hướng gần tuyến tính, trong khi tốc độ nitrat hóa tối đa phụ thuộc vào loại vật liệu lọc và chất lượng nước của hệ thống. Bên cạnh đó, quá trình này còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như oxy hòa tan, nhiệt độ, độ mặn và hàm lượng cacbon hữu cơ hòa tan.

Ngoài ra, khả năng vận chuyển và phân bố amoni từ bể nuôi đến và xuyên qua bộ lọc sinh học cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn hiệu quả xử lý. Vì vậy, khi thiết kế hệ thống, cần đặc biệt quan tâm đến nồng độ TAN đầu ra mong muốn. Thông thường, yêu cầu TAN càng thấp thì kích thước bộ lọc sinh học càng phải lớn để đáp ứng hiệu quả xử lý.

Hình 1: Một ví dụ lý tưởng về mối quan hệ giữa tỷ lệ chuyển hóa TAN theo thể tích và nồng độ TAN trong lò phản ứng lọc sinh học.

Nồng độ cacbon hữu cơ

Cacbon hữu cơ hòa tan trong hệ thống RAS chủ yếu phát sinh từ quá trình phân hủy chất thải của vật nuôi và thức ăn dư thừa. Trong môi trường này, vi khuẩn dị dưỡng đóng vai trò phân giải và chuyển hóa cả chất hữu cơ hòa tan lẫn dạng hạt. Đồng thời, vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng cạnh tranh vị trí bám trên vật liệu lọc sinh học để hình thành màng biofilm.

Sự cạnh tranh về dinh dưỡng và oxy giữa hai nhóm vi khuẩn này tạo nên cấu trúc màng sinh học phân tầng. Vi khuẩn dị dưỡng, với tốc độ phát triển nhanh hơn, thường chiếm lớp ngoài – nơi có nồng độ cơ chất cao và dễ bong tróc. Trong khi đó, vi khuẩn nitrat hóa (tự dưỡng) phát triển chậm hơn và phân bố ở lớp bên trong của màng.

Nhiều nghiên cứu cho thấy vi khuẩn dị dưỡng có tốc độ sinh trưởng nhanh gấp khoảng 5 lần so với vi khuẩn tự dưỡng. Khi bao phủ lớp ngoài, chúng làm cản trở quá trình khuếch tán amoni-nitơ và oxy hòa tan vào bên trong, từ đó làm suy giảm hiệu suất nitrat hóa của hệ thống lọc sinh học.

Sự suy giảm tốc độ nitrat hóa có thể dẫn đến nhiều hệ lụy tiêu cực cho chất lượng nước, điển hình là làm tăng nồng độ TAN và gây áp lực lên vật nuôi. Khi tỷ lệ cacbon hữu cơ so với nitơ amoni đạt mức 1:1, hiệu suất nitrat hóa trong bộ lọc sinh học có thể giảm hơn 70%. Vì vậy, thức ăn dư thừa và chất thải cần được loại bỏ khỏi dòng nước càng sớm càng tốt, đặc biệt là trước khi nước đi vào bộ lọc sinh học.

Việc bố trí bộ lọc cơ học trước bộ lọc sinh học sẽ giúp loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ dạng hạt, qua đó nâng cao hiệu suất nitrat hóa và cải thiện chất lượng nước trong hệ thống.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình nitrat hóa trong các hệ thống màng sinh học cố định (như bộ lọc sinh học) phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống sinh trưởng lơ lửng trong xử lý nước thải sinh hoạt. Ở hệ lơ lửng, tốc độ phản ứng sinh học thường tăng khi nhiệt độ đạt mức tối ưu, sau đó sẽ giảm dần. Tuy nhiên, đối với hệ màng cố định, việc dự đoán tác động của nhiệt độ trở nên khó khăn hơn do quá trình khuếch tán oxy và chất dinh dưỡng vào màng sinh học đóng vai trò then chốt trong việc quyết định tốc độ nitrat hóa.

Nhiều nghiên cứu cho thấy, trong các bộ lọc sinh học của hệ thống nuôi trồng thủy sản, tác động của nhiệt độ đến quá trình nitrat hóa không lớn như trước đây từng nghĩ. Thay vào đó, oxy hòa tan (DO) có xu hướng trở thành yếu tố giới hạn quan trọng hơn ở nhiệt độ cao, do khả năng khuếch tán oxy bị hạn chế.

Khi nhiệt độ tăng, nồng độ oxy hòa tan bão hòa trong nước giảm, làm gia tăng nguy cơ thiếu oxy. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, trong khoảng nhiệt độ từ 14–27°C, sự thiếu hụt oxy thường ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ lọc sinh học nhiều hơn so với sự thay đổi nhiệt độ.

Thông điệp quan trọng rút ra là cần đặc biệt quan tâm đến sự tích tụ carbon hữu cơ trong hệ thống tuần hoàn (RAS). Trong điều kiện vận hành thương mại, khi TAN ở mức thấp nhưng tốc độ cho ăn cao, tải lượng chất hữu cơ phát sinh có ảnh hưởng lớn hơn đến hiệu suất bộ lọc sinh học so với nhiệt độ hay nhiều thông số chất lượng nước khác.

Ảnh hưởng của độ mặn

Nhìn chung, sinh vật biển có mức độ nhạy cảm cao hơn đối với nồng độ nitơ amoni (TAN). Vì vậy, các hệ thống nước mặn cần được thiết kế để duy trì TAN ở mức thấp hơn nhằm đảm bảo an toàn cho đối tượng nuôi. Hiện nay, thông tin về quá trình nitrat hóa trong hệ thống nước ngọt đã được nghiên cứu khá đầy đủ, trong khi dữ liệu về hệ thống nước biển vẫn còn hạn chế.

Ảnh hưởng của nước biển đến quá trình nitrat hóa vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau. Một số nghiên cứu cho thấy tốc độ nitrat hóa trong các bộ lọc sinh học nước mặn có thể thấp hơn khoảng 40% so với hệ thống nước ngọt tương đương. Do đó, khi thiết kế hệ thống tuần hoàn (RAS) sử dụng nước biển, cần xem xét đồng thời hai yếu tố: khả năng chịu đựng TAN thấp hơn của sinh vật biển và hiệu suất hoạt động giảm của bộ lọc sinh học trong môi trường mặn. Vì vậy, trong đa số trường hợp, bộ lọc sinh học cho hệ nước biển cần được thiết kế với kích thước lớn hơn so với hệ nước ngọt khi cùng mức cấp thức ăn.

Theo Thomas M. Losordo, Dennis P. DeLong, MSM Todd C. Guerdat.

Nguồn: https://www.globalseafood.org/advocate/tan-other-water-quality-factors-affect-nitrification-rates-in-biofilters/

Biên dịch: Nguyễn Thị Quyên – Tôm Giống Gia Hoá Bình Minh

Xem thêm: