Khả năng hấp phụ NH3/NH4+ nước nuôi biển của Zeolite

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2012<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> KHẢ NĂNG HẤP PHỤ NH3/NH4+ NƯỚC NUÔI BIỂN CỦA ZEOLITE<br /> AMMONIA ADSORPTION BY ZEOLITE IN THE CASE OF MARINE CULTURE WATER<br /> ThS. Nguyễn Đắc Kiên1, ThS. Phan Minh Thụ2, Hoàng Xuân Thìn1<br /> TÓM TẮT<br /> Thành phần các chất trong ao nuôi trồng thủy sản gây bất lợi, đặc biệt là NH3/NH4+, cho vật nuôi gia tăng mạnh mẽ<br /> theo thời gian. Chính vì vậy, việc hạn chế quá trình này góp phần quan trọng trong quản lý và ổn định hiệu quả nuôi trồng<br /> thủy sản. Dựa vào kết quả thử nghiệm trên sáu nồng độ NH4+ khác nhau, bài báo đánh giá khả hấp phụ của 2 loại Zeolite<br /> đối với NH3/NH4+ trong ao nuôi biển trong điều kiện phòng thí nghiệm. Zeolite 2 dạng bột (Indonesia sản xuất, thành phần<br /> chính có SiO2: 75,50%; Al2O3: 10,56 %) có hiệu quả xử lý cao và ổn định hơn zeolite 1 dạng hạt (Việt Nam sản xuất với<br /> thành phần chính có SiO2: 69,5%; Al2O3: 15,58 %). Khi nồng độ NH4+ đủ thấp, hiệu quả xử lý của zeolite cao nhất trong<br /> 1-3 ngày đầu (hiệu quả xử lý là 100%), ngược lại nếu nồng độ NH4+ quá cao, quá trình hấp phụ của zeolite có thể kéo dài<br /> đến 7 ngày. Hiệu quả xử lý của zeolite có thể đạt đến 72% sau 7 ngày thí nghiệm. Ngoài ra, zeolite còn có vai trò tạo môi<br /> trường ổn định, kích thích thực vật nổi phát triển, từ đó tăng cường hiệu quả xử lý của zeolite một cách gián tiếp.<br /> Từ khóa: Zeolite, NH+, hiệu quả xử lý<br /> <br /> ABSTRACT<br /> In The chemical components (such as ammonia) in aquaculture water, which impact negatively on aquaculture<br /> species, have been significantly increasing during the cultured period. Therefore, restricting this process contributes<br /> management for aquaculture sustainable development. Based on the experiment results of six replicates of ammonium<br /> contents, the paper helps to evaluate the ammonia adsorption by two kind of zeolite in the indoor conditions. Zeolite<br /> 2 (powder form, made in Indonesia with SiO2: 75.50% and Al2O3: 10.56 %) had much more stable in processing of<br /> ammonia treatment of indoor condition compared with zeolite 1 (particle form - made in Vietnam with SiO2: 69.50%; Al2O3:<br /> 15.58 %). As NH4+ content was enough low, the effectiveness has a peak after the first 1-3 days of the treatment period. By<br /> contrast, as NH4+ content was very high, the effectiveness could be found in the last day. These values could be reached to<br /> 72% after 7-treatment-days. Moreover, both zeolites play an important role in making a stable environment, stimulating the<br /> development of phytoplankton. Thus, it resulted in the increasing effectiveness of ammonium treatment indirectly.<br /> Keywords: Zeolite, NH+4, aquaculture, treatment.<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ammoniac là dạng khí độc trong ao nuôi thủy<br /> sản, ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp lên sức khỏe<br /> vật nuôi, ức chế sự sinh trưởng bình thường cũng<br /> như giảm khả năng chống bệnh của đối tượng<br /> nuôi… Từ đó làm ảnh hưởng đến tỉ lệ sống [4], năng<br /> suất nuôi, hiệu quả kinh tế và tăng chi phí đầu tư [7].<br /> Ở dạng ion, NH4+ là một chỉ thị ô nhiễm môi trường<br /> và phì dưỡng của thủy vực. Chính vì vậy, quản<br /> lý ammoniac trong ao nuôi và giảm thiểu lượng<br /> ammoniac thải ra môi trường đang được quan tâm.<br /> Tuy nhiên, sự tồn tại của hai dạng khí và ion của<br /> ammonia trong môi trường phụ thuộc vào pH và<br /> 1<br /> <br /> Khoa Nuôi trồng Thuỷ sản – Trường Đại học Nha Trang<br /> , Viện Hải dương học<br /> <br /> 2 3<br /> <br /> 14 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> nhiệt độ. Tại 25°C, khi pH = 7,25 thì hầu như 100 %<br /> lượng amoniac trong nước tồn tại ở dạng ion NH4+,<br /> còn khi pH = 11,25 thì amoniac gần như toàn bộ<br /> nằm ở dạng trung hòa NH3, tức là amoniac [4].<br /> Trong ao nuôi trồng thủy sản, ammonia hình<br /> thành từ quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ<br /> như thức ăn dư thừa, phân bón, xác phiêu sinh<br /> động thực vật, chất bài tiết của sinh vật thủy sinh…<br /> Đặc biệt, càng về cuối vụ nuôi, hàm lượng tăng lên<br /> đáng kể, nhất là các khí độc, trong đó có ammonia,<br /> nếu như các biện pháp quản lý chất lượng ao nuôi<br /> không tốt. Do đó, nhiều biện pháp xử lý ammonia<br /> trong ao nuôi đã được nghiên cứu. Ammoniac có<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2012<br /> dụng sau 12 giờ thí nghiệm. Trong khi đó, các kết<br /> quả nghiên cứu khác chỉ ra rằng khả năng hấp thụ<br /> ammoniac cực đại của zeolite sau khoảng 1-2 giờ,<br /> tùy thuộc vào nồng độ của ammoniac [3, 8]. Do đó,<br /> bài báo đánh giá khả năng hấp phụ của hai loại<br /> zeolite đối với NH3/NH4+ trong nước nuôi trồng hải<br /> sản, từ đó lựa chọn loại zoelite phù hợp cho môi<br /> trường nuôi ở Việt Nam.<br /> <br /> thể được xử lý bằng phương pháp sinh học, lý học<br /> hoặc hóa lý [8]. Trong đó, Zeolite có thể là phương<br /> pháp xử lý có hiệu quả [8]. Zeolite là hỗn hợp của<br /> nhiều loại chất oxyt, với SiO2, Al2O3 chiếm phần<br /> lớn. Bản chất của quá trình xử lý ammoniac của<br /> Zeolite là quá trình trao đổi ion và hấp phụ. Chính<br /> vì vậy, bên cạnh các biện pháp xử lý ao nuôi, người<br /> nuôi thủy sản còn sử dụng Zeolite để quản lý lượng<br /> ammoniac trong ao nuôi. Theo khuyến cáo của nhà<br /> sản xuất thì chu kỳ xử lý Zeolite trong ao nuôi tôm<br /> là 7 ngày. Tuy nhiên, vẫn chưa có những đánh giá<br /> khoa học về hiệu quả xử lý của zeolite. Nguyễn Lê<br /> Hoàng Yến và Trương Quốc Phú [10] cho rằng khả<br /> năng hấp thụ ammoniac của Zeolite không còn tác<br /> <br /> II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Nghiên cứu xác định khả năng hấp phụ<br /> NH3/NH4+ trong nước nuôi nuôi hải sản của 2 loại<br /> zeolite trong điều kiện phòng thí nghiệm được bố<br /> trí ở hình 1.<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm xác định hiệu quả xử lý NH3/NH4+ của zeolite<br /> <br /> Nước dùng để thí nghiệm được lấy từ ao nuôi tôm thẻ chân trắng (đã nuôi được 10 tuần) ở Đồng Bò, Nha<br /> Trang. Hàm lượng NH4+ trong mẫu nước là 1846 µgN/L. Nước không lọc qua lưới thực vật cho vào (6x3) bể<br /> (lô A, B, C) và nước lọc qua lưới thực vật cho vào (6x3) bể (lô D, E, F); với thể tích mỗi bể là 3 lít. Trong mỗi lô<br /> thí nghiệm (6 bể được đánh dấu từ 1-6), NH3/NH4+ ở dạng (NH4)2SO4 được bổ sung với liều lượng 0; 0,35; 0,70;<br /> 1,40; 2,80; 5,60mgN/l. Nồng độ thực tế (ngày thứ 0) ở bảng 1.<br /> Bảng 1. Nồng độ ban đầu các bể thí nghiệm trong 1 lô<br /> Bể<br /> <br /> A1<br /> <br /> A2<br /> <br /> A3<br /> <br /> A4<br /> <br /> A5<br /> <br /> A6<br /> <br /> NH4+ (µgN/L)<br /> <br /> 1846<br /> <br /> 2377<br /> <br /> 2985<br /> <br /> 4525<br /> <br /> 5363<br /> <br /> 7777<br /> <br /> Các lô B và E được xử lý bằng zeolite 1 (dạng hạt do Việt Nam sản xuất với thành phần chính SiO2: 69,5%;<br /> Al2O3: 15,58 %); Các lô C và F được xử lý bằng zeolite 2 (dạng bột do Indonesia sản xuất với thành phần chính<br /> SiO2: 75,50%; Al2O3: 10,56 %). Hàm lượng zeolite cho vào mỗi bể là 75mg, tức là 25mg/L. Lô A và D là lô đối<br /> chứng không cho zeolite.<br /> Các yếu tố môi trường nước thí nghiệm như nhiệt độ, độ mặn và pH được theo dõi hằng ngày. Mẫu nước<br /> để kiểm tra hàm lượng NH3/NH4+ được thu vào các ngày 0, 1, 2, 3, 5 và 7 sau khi xử lý zeolite. Mỗi mẫu thu<br /> 10ml, rồi đem phân tích ngay. Hàm lượng ammoniac được xác định bằng phương pháp Indophenol Blue [1].<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 15<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2012<br /> <br /> Hiệu suất hấp phụ ammoniac được xác định theo công thức:<br /> Trong đó:<br /> <br /> (Ctjd - Ctji)<br /> Xt =  × 100 (%)<br /> C0j<br /> <br /> X tỷ lệ hấp thụ ammoniac (%) sau thời gian t;<br /> C0j: hàm lượng NH4+ ban đầu của bể thứ j,<br /> Ctjd và Ctji là hàm lượng NH4+ trong bể thứ j đối chứng và có bổ sung Zeolite thứ i (1 hoặc 2)<br /> sau t ngày xử lý.<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Khả năng tự làm sạch của vực nước<br /> <br /> Hình 2. Biến động NH4+ trong lô đối chứng (trái) và khả năng tự làm sạch của nước (phải) khi có<br /> sinh vật phù du<br /> <br /> Đối với các bể thí nghiệm không lọc sinh vật<br /> phù du, quá trình khoáng hóa của chất hữu cơ<br /> trong môi trường thí nghiệm diễn ra mạnh mẽ trong<br /> trong 5 ngày đầu ở các bể thí nghiệm có nồng độ<br /> NH4+ thấp (bể A1 - A3), còn các bể có nồng độ NH4+<br /> cao thì quá trình trong 1-3 ngày đầu (bể A4 - A6)<br /> (hình 2 - trái). Sau đó là xảy ra quá trình chuyển hóa<br /> tự làm sạch NH4+. Điều này tương tự kết quả nghiên<br /> cứu về biến động muối dinh dưỡng trong thủy vực<br /> hệ kín của Nguyễn Tác An [9]. Theo tác giả này,<br /> trong hệ kín bao gồm thực vật phù du, động vật phù<br /> du và vi sinh vật, sự biến động của muối vô cơ có<br /> chu kỳ là 5-7 ngày, sau đó đi đến thế cân bằng.<br /> <br /> Đối với các bể thí nghiệm lọc bỏ sinh vật<br /> phù du, quá trình khoáng hóa diễn ra mạnh trong<br /> vài ngày đầu ở các bể có nồng độ NH4+ thấp<br /> (bể D1 - D3), còn các bể có nồng độ cao (D4 - D6)<br /> thì quá trình này diễn ra không đáng kể. Quá trình<br /> tiếp diễn tương tự như ở các bể có sinh vật phù du.<br /> Ở bể có nồng độ NH4+ thấp (bể A1 - A3 và<br /> D1 - D3), quá trình tự làm sạch tương đối mạnh, sau<br /> 7 ngày thí nghiệm, hiệu suất tự làm sạch có thể đạt<br /> được đến 72% (có sinh vật phù du) và 64% (không<br /> có sinh vật phù du). Ở các bể còn lại, hiệu suất tự làm<br /> sạch diễn ra chậm hơn, sau 7 ngày thí nghiệm, hiệu<br /> suất tự làm sạch chỉ đạt khoảng 30% (A5, 6 và D5, 6).<br /> <br /> Hình 3. Biến động NH4+ trong lô đối chứng (trái) và khả năng tự làm sạch của nước (phải) khi lọc bỏ<br /> sinh vật phù du<br /> <br /> 16 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> Trong môi trường của các thủy vực tự nhiên<br /> hay nuôi trồng thủy sản luôn xảy ra quá trình tự làm<br /> sạch, cụ thể là quá trình chuyển hóa chất hữu cơ<br /> thành chất vô cơ và quá trình khủ nitơ. Ở nồng độ<br /> vừa phải, quá trình tự làm sạch tự nhiên đáp ứng<br /> quá trình cân bằng vật chất trong chu trình sinh địa<br /> hóa. Tuy nhiên, trong các ao nuôi trồng thủy sản,<br /> chất hữu cơ dưới dạng thức ăn hay chất thải của<br /> đối tượng nuôi thường xuyên được bổ sung vào hệ.<br /> Điều này dẫn đến việc gia tăng quá mức nồng độ<br /> các muối vô cơ, từ đó gây hiện tượng phì dưỡng<br /> trong nước.<br /> 2. Hiệu quả xử lý NH4+ của zeolite<br /> Kết quả nghiêm cứu cho thấy, sau 7 ngày<br /> thí nghiệm, đối với lô thí nghiệm có vai trò tự làm<br /> sạch của thực vật nổi, nước sau khi xử lý bởi<br /> zeolite 2 có hàm lượng NH4+ dao động từ<br /> <br /> Soá 1/2012<br /> 57µgN/L – C1 đến 895 µgN/L – C6, trong khi đó, ở<br /> các lô thí nghiệm khác (B, E và F), chỉ có các bể từ 1<br /> đến 3 có hàm lượng NH4+ dao động từ 440 đến 993<br /> µgN/L (QCVN 08:2008/BTNMT về chất lượng nước<br /> mặt giới hạn NH4+ tính theo N là 1mg/L), còn lại các<br /> bể khác có hàm lượng cao hơn 1000 µgN/L. FAO chỉ<br /> ra NH3 gây độc cho đối tượng nuôi khi có nồng độ<br /> 0,2-2,0 µgN/L, thông thường là thấp hơn 0,5 µgN/L<br /> [6]. Trong khi đó, EPA chứng minh rằng ở nhiệt độ<br /> 30°C và pH là 7,25 và 8,00, thì giới hạn của NH3 lần<br /> lượt là 0,74 và 0,47 µgN/L [5]. Mặt khác, ATSDR<br /> tổng kết được ở nhiệt độ 25°C và pH = 9.25, đạt<br /> được cân bằng NH3/NH4+, còn pH là 7,25 và 8,25 thì<br /> NH4+ chiếm 99 và 90% trong cân bằng này [2]. Như<br /> vậy, với điều kiện thí nghiệm là pH la 7,36 ± 0,23 và<br /> nhiệt độ 28°C, nước sau xử lý đảm bảo yêu cầu đối<br /> với nuôi thủy sản, trừ các bể có hàm lượng cao hơn<br /> 1000 µgN/L.<br /> <br /> Hình 4. Hiệu quả xử lý NH4+ của zeolite 1 (trái) và zeolite 2 (phải) khi có sinh vật phù du<br /> <br /> Hình 5. Hiệu quả xử lý NH4+ của zeolite 1 (trái) và zeolite 2 (phải) khi có lọc sinh vật phù du<br /> <br /> Hiệu quả xử lý của zeolite 1 khi có hay không<br /> có sự hiện diện của sinh vật phù du sau 7 ngày thí<br /> nghiệm có thể đạt được 58% và 62%, trong khi đó<br /> zeolite 2 là 72% và 58%. Hơn nữa, zeolite 2 có kết<br /> <br /> quả xử lý ổn định hơn và hiệu quả xử lý cao hơn<br /> so với zeolite 1 (hình 4 và 5), nhất là khi nồng độ<br /> NH4+ cao. Trong cả 2 trường hợp có sinh vật phù du<br /> hay không sinh vật phù du, khi nồng độ NH+4 không<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 17<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> quá cao, hiệu suất xử lý của zeolite 1 và 2 đạt cực<br /> đạt sau 1 ngày xử lý. Điều này phù hợp với kết quả<br /> nghiên cứu trước đây [10]. Tuy nhiên, khác biệt với<br /> nghiên cứu của hai tác giả này là hiệu quả xử lý của<br /> zeolite tiếp tục kéo dài trong những ngày sau khi<br /> nồng độ chất được xử lý đủ lớn (trong trường hợp<br /> này là bể B6, C6, E6 và D6). Zeolite còn có vai trò<br /> như một chất tao môi trường ổn định để thực vật<br /> phù du phát triển.<br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Với khuyến cáo của nhà sản xuất, dùng zeolite<br /> để xử lý NH4+ trong ao nuôi hải sản nhằm mục đích tạo<br /> ra thế cân bằng mới của vật chất. Zeolite 2 (dạng bột)<br /> <br /> Soá 1/2012<br /> có hiệu quả xử lý cao và ổn định hơn zeolite 1 (dạng<br /> hạt) ở trong điều kiện phòng thí nghiệm. Khi nồng<br /> độ NH+4 không quá cao thì hiệu suất xử lý của cả<br /> hai zeolite đạt cực đạt sau 1 ngày xử lý. Nhưng khi<br /> nồng độ NH4+ quá lớn, quá trình hấp phụ của zeolite có thể kéo dài đến 7 ngày. Zeolite còn có vai<br /> trò tạo môi trường ổn định, kích thích thực vật nổi<br /> phát triển và hiệu quả tất yếu là hiệu suất xử lý của<br /> Zeolite được gia tăng một cách gián tiếp. Tuy nhiên,<br /> cần thiết phải nghiên cứu một cách đầy đủ hơn về<br /> hiệu quả xử lý của zeolite đối với NH3/NH4+ đối với<br /> nhiều loại nước nuôi hải sản cũng như so sánh với<br /> phương pháp xử lý khác để từ đó có những khuyến<br /> cáo hữu ích phục vụ nuôi trồng hải sản bền vững.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.<br /> <br /> APHA (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Edition. American Public Health<br /> Association. Washington, D.C.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> ATSDR (2004). Toxicological profile for ammonia. US. Department of Health and Human Services. Agency for Toxic<br /> Substances and Disease Registry. 223pp.<br /> <br /> 3.<br /> <br /> Balci, S. and Y. Dinçel (2002). Ammonium ion adsorption with sepiolite: use of transient uptake method. Chemical<br /> Engineering and Processing, 41, 79-85.<br /> <br /> 4.<br /> <br /> Chen, J.C. and C.Y. Lin (1992). Effects of ammonia on growth and molting of Penaeus monodon juveniles. Comparative<br /> Biochemistry and Physiology Part C: Comparative Pharmacology, 101, 449-452.<br /> <br /> 5.<br /> <br /> EPA 1985 Ambient Water Quality Criteria for Ammonia. EPA-440/5-85-001, United States Environmental Protection<br /> Agency, Washington, D.C.<br /> <br /> 6.<br /> <br /> FAO (1992). Wastewater treatment and use in agriculture - FAO irrigation and drainage paper 47. Food and Agriculture<br /> Organization of the United Nations Rome.<br /> <br /> 7.<br /> <br /> Lê Văn Cát, 2006. Nước nuôi thủy sản - Chất lượng và giải pháp cải thiện chất lượng. NXB Khoa học kỹ thuật.<br /> <br /> 8.<br /> <br /> Liang, Z. & J. Ni (2009). Improving the ammonium ion uptake onto natural zeolite by using an integrated modification<br /> process. Journal of Hazardous Materials, 166, 52-60.<br /> <br /> 9.<br /> <br /> Nguyễn Tác An, 1979. Mô hình chu trình vật chất trong hệ sinh thái biển. Tạp chí sinh vật học, 1(4). 12-17.<br /> <br /> 10. Nguyễn Lê Hoàng Yến và Trương Quốc Phú (2006). Khả năng hấp thụ ammonia của Zeolite tự nhiên ở các độ mặn khác nhau.<br /> Tạp chí Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Cần thơ. (http://www.ctu.edu.vn/colleges/aquaculture/thuysanweb/uploads/<br /> anpham/tapchi_2006/1yen_zeolite.pdf)<br /> <br /> 18 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br />