Hệ thống xử lý nước thải mới cho trang trại nuôi tôm

Nhóm: SHRIMP TEK

LĨNH VỰC

Mô tả sản phẩm

Giới thiệu sản phẩm:

Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là khu vực sản xuất thủy hải sản trọng điểm của Việt Nam. Gần đây, nhiều mô hình trang trại nuôi tôm đang phát triển mạnh mẽ ở ĐBSCL sau khi Quyết định số 339/QĐ-TTg ngày 11/3/2021 của Thủ tướng Chính phủ về chiến lược phát triển thủy sản đến năm 2030 và tầm nhìn đến 2045 được ban hành. Do nhu cầu của người nông dân và những thách thức gặp phải trong ao nuôi tôm mà nước thải của ao nuôi tôm cần phải được xử lý để cải thiện chất lượng và sản lượng của tôm. Nước thải của ao nuôi tôm thường chứa các ion gồm amoni, nitrit, nitrate, đồng, chì, phosphate tổng và vi khuẩn gây bệnh cho tôm, làm giảm sản lượng tôm và ảnh hưởng đến sức khỏe của người tiêu dùng. Hệ thống này có khả năng lọc nước thải với cường độ cao để giảm thiểu chất rắn lơ lửng, đảm bảo chất lượng nước trong ao tôm và tiết kiệm năng lượng. Bên cạnh đó, hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp xâm thực nhằm xử lý một số vi khuẩn gây bệnh như Vibrio parahaemolyticus và Vibrio harveyi. Ngoài ra, hệ thống hấp phụ có khả năng loại bỏ được một số ion có hại như amoni và nitrit để đảm bảo được chất lượng nước ao tôm. Hệ thống này rất thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng, sẽ đóng góp đáng kể vào sự phát triển bền vững, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm của ngành nuôi trồng thủy sản để có thể cạnh tranh với các nước nuôi tôm lớn trên thế giới.

Tính năng cơ bản:

+ Khâu lọc nước tự động cường độ cao, có khả năng loại bỏ các chất rắn lơ lửng tùy thuộc vào nhu cầu oxy trong ao tôm cho từng giai đoạn, đảm bảo chất lượng nước trong ao nuôi và tiết kiệm lượng điện tiêu thụ; + Khâu xử lý các vi khuẩn có hại bằng phương pháp xâm thực được tăng cường oxy từ không khí; + Khâu hấp phụ các ion amoni và nitrit sau khi lọc bỏ các chất rắn lơ lửng và xử lý các vi khuẩn gây hại;

Xuất xứ sản phẩm:

Trường Bách Khoa, Trường Đại học Cần Thơ

Mô tả cơ bản:

Các thành phần của hệ thống được chia thành nguồn điện, phụ tải điện, hệ thống xử lý nước thải và ao nuôi tôm. Nguồn điện bao gồm các tấm pin quang điện và lưới điện quốc gia dùng để dự phòng ở chế độ vận hành nối lưới. Hơn nữa, phụ tải chính của hệ thống là hệ thống xử lý nước thải và các máy bơm nước. Hệ thống pin lưu trữ năng lượng khi năng lượng của hệ thống điện mặt trời sinh ra cao hơn nhu cầu phụ tải.
Vào ban ngày, năng lượng điện khai thác từ các tấm pin mặt trời được dùng để cung cấp cho phụ tải tại trang trại tôm. Phụ tải cần được cung cấp năng lượng ổn định vì hệ thống xử lý nước cần nguồn điện ổn định để xử lý nước thải cho các ao nuôi. Phần năng lượng thừa còn lại được sử dụng để nạp vào ắc quy dự phòng.
Nước thải ao tôm được đưa đến hệ thống lọc cường độ cao để loại bỏ các chất bẩn hữu cơ như phân tôm, phù sa, các loại tảo lớn và thức ăn thừa. Nước sau lọc được kết hợp với không khí, là nguồn dồi dào oxy, được đưa đến hệ thống xử lý diệt khuẩn bằng công nghệ xâm thực. Sự hiện diện của khí oxy giúp cho quá trình xâm thực diễn ra mạnh mẽ làm tăng hiệu quả diệt khuẩn. Đồng thời quá trình này giúp tạo ra các oxy nguyên tử, làm tăng khả năng hòa tan của oxy trong nước, khi đó tôm có thể hấp thụ oxy một cách dễ dàng hơn. Sau đó, nước xử lý diệt khuẩn được đưa đến hệ thống hấp phụ, có chứa các chất hấp phụ như NaX nhằm xử lý các ion và để đảm bảo nước ao nuôi tôm đạt theo tiêu chuẩn của QCVN 02-19 : 2014/BNNPTNT. Nước xử lý xong sẽ được bơm vào bể vi sinh chứa giá thể, vi sinh hữu ích (probiotic) được sục khí mạnh. Nước từ bể vi sinh sau đó sẽ được cấp vào bể nuôi theo tốc độ tuần hoàn 300%.
Các chỉ số năng lượng và các tham số liên quan của hệ thống được thu thập và giám sát bằng công nghệ IoT được kết hợp với bộ điều khiển thông minh để vận hành hệ thống. Khi hệ thống năng lượng của trang trại tôm được kiểm soát tốt, nhu cầu năng lượng sẽ giảm xuống, dẫn đến chi phí vận hành thấp. Ngoài ra, lượng điện dư thừa được nạp cho pin dự phòng.
Khi các nguồn năng lượng tái tạo không thể đáp ứng nhu cầu phụ tải điện do sự dao động của năng lượng mặt trời cho nên sự thiếu điện là không thể tránh khỏi. Nói cách khác, khi sự mất cân bằng xảy ra, hệ thống lưu trữ năng lượng được sử dụng để đáp ứng nhu cầu thiếu hụt năng lượng của hệ thống. Khi thiếu điện xảy ra, hệ thống lưu trữ pin được sử dụng để cung cấp cho phụ tải điện. Tuy nhiên, nếu nhu cầu điện năng cao hơn dung lượng của pin thì hệ thống được đấu nối vào lưới điện quốc gia để mua điện, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.

Link video:

https://files.fm/u/k7cduxgvf

Yêu cầu đối với cơ sở hạ tầng cần thiết để triển khai ứng dụng sản phẩm:

+ Trang trại nuôi tôm
+ Các thiết bị giám sát các chỉ tiêu nước ao tôm kết hợp với công nghệ IoT
+ Hệ thống truyền tín hiệu không dây bằng công nghệ sóng radio LoRaWAN
+ Hệ thống internet và thiết bị giám sát như điện thoại thông minh

Sản phẩm được phát triển trong khoảng thời gian: 1-3 năm

Số người tham gia làm: 10

Sản phẩm có mặt trên thị trường hoặc đưa vào ứng dụng rộng rãi trong khoảng thời gian: Dưới 3 tháng

Phạm vi thị trường và ngành ứng dụng:

Thủy sản, nuôi tôm cường độ cao

Tiêu chí tự đánh giá sản phẩm ý tưởng dự thi

Tính sáng tạo, đổi mới và công nghệ:

+ Hệ thống lọc nước lưu lượng cao 200-250 m3/ngày bằng công nghệ thẩm thấu với hàm lượng tổng chất rắn trước (100-150 mg/L) và sau khi lọc (40-50 mg/L). Hệ thống có khả năng lọc có chọn lọc không sử dụng hóa chất, với cơ cấu vệ sinh tự động, giúp tiết kiệm chi phí xử lý nước cũng như diện tích lọc so với phương pháp truyền thống cần nhiều ao lắng, đồng thời hạn chế rủi ro tôm chết hàng loạt do quá trình thay nước sạch không đảm bảo kỹ thuật. + Chưa có nghiên cứu cũng như ứng dụng về công nghệ xâm thực được tăng cường oxy từ không khí cho việc tiêu diệt vi khuẩn Escherichia coli và Staphylococcus aureus trong nước thải ao tôm. Phương pháp này không chỉ làm tăng hiệu quả xử lý các vi khuẩn có hại cho tôm mà còn góp phần làm tăng khả năng hòa tan của oxy trong nước giúp cải thiện hiệu quả sự hấp thụ oxy của tôm. Ngoài ra, công nghệ này còn góp phần giảm chi phí của quá trình khử khuẩn cho nông hộ và cải thiện môi trường ao nuôi để tránh sự bùng phát của dịch bệnh. + Hệ thống hấp phụ tận dụng tro trấu, nguồn nguyên liệu dồi dào và sẵn có ở ĐBSCL và cũng được biết như là nguồn phụ phẩm có khả năng gây ô nhiễm môi trường. Tro trấu là tiền chất để tổng hợp vật liệu hấp phụ NaX và NaP1 và ứng để hấp phụ một số ion như amoni, nitrit và phosphate tổng. Mặc dù hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu về xử lý nước thải từ ao nuôi tôm nhưng việc ứng dụng vật liệu hấp phụ trên còn rất hạn chế. Kết quả ban đầu của quá trình hấp phụ các ion kim loại có trong nước ao nuôi của NaX cho thấy hiệu suất hấp phụ khá tốt (khoảng 70%). Trong khi đó, kết quả hấp phụ của NaP1 đối với hai ion đồng và chì trong nước giả thải cho thấy khả năng xử lý đạt trên 90% trong thời gian 30 phút, nồng độ dung dịch xử lý là 75 mg/L, lượng NaP1 sử dụng chỉ 0.025 g ở quy mô phòng thí nghiệm. + Hệ thống có nhiều tiềm năng được cấp bằng sáng chế. Không chỉ hệ thống xử lý nước thải có khả năng được cấp bằng sáng chế mà trong đó các mô-đun của hệ thống như mô-đun lọc nước lưu lượng cao, mô-đun xử lý diệt khuẩn hoặc mô-đun hấp phụ ion và kim loại nặng cho nước thải cũng có tiềm năng cao được cấp bằng sáng chế hoặc giải pháp hữu ích.

Tính ứng dụng:

Từ thực tế nuôi tôm thâm canh ở ĐBSCL, ô nhiễm chất hữu cơ và ô nhiễm kim loại nặng luôn là mối quan tâm lớn trong sự phát triển bền vững của nghề nuôi thủy sản. Do đó, hệ thống xử lý được nước thải của ao nuôi tôm bằng công nghệ xâm thực để xử lý vi khuẩn Escherichia coli và Staphylococcus aureus, kết hợp với công nghệ hấp phụ để loại bỏ ion amoni và nitrit. Bên cạnh đó, một hệ thống lọc thô và lọc tinh ở cường độ cao cũng được áp dụng để nhằm xử lý các chất rắn lơ lửng. Vấn đề tối ưu hóa năng lượng cũng được giải quyết, giúp hệ thống xử lý nước thải trở nên thân thiện và tiết kiệm được năng lượng sử dụng hơn so với các mô hình khác, vì hiện nay năng lượng tiêu tốn cho quá trình bơm và quạt để tạo oxy cho tôm khá cao. Năng lượng mặt trời được sử dụng trong mô hình này là nguồn năng lượng chủ yếu của hệ thống xử lý nước thải, giúp giải quyết được những vấn đề có liên quan đến an ninh năng lượng quốc gia. Ngoài ra, hệ thống được giám sát thông qua công nghệ IoT kết hợp với hệ thống điều khiển thông minh và truyền tín hiệu không dây được tích hợp bằng công nghệ sóng radio LoRaWAN có độ ổn định và tin cậy cao giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư. Ứng dụng tự động hóa trong hệ thống xử lý nước thải này sẽ giúp quá trình vận hành trở nên dễ dàng hơn với người sử dụng. Hệ thống này hứa hẹn sẽ là một giải pháp hữu ích, nhằm giải quyết vấn đề xử lý nước thải của các ao nuôi tôm và đóng góp tích cực vào sự phát triển bền vững của ngành nuôi trồng thủy sản ở ĐBSCL và cả nước.

Tính hiệu quả:

Khâu lọc nước cường độ cao loại bỏ chất rắn lơ lửng trong nước thải ao nuôi tôm + Khâu lọc thô được thiết kế dựa trên công nghệ thẩm thấu và lọc tinh bằng phương pháp lọc sinh học màng dạng sợi được dùng để lọc các chất hữu cơ có kích cỡ đến 4 um giúp loại bỏ các chất hữu cơ thừa kích thước lớn như: thức ăn thừa, phân tôm và phù sa. + Khâu lọc bao gồm các hệ thống cảm biến như cảm biến oxy hòa tan, cảm biến đo hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng, cảm biến đo độ đục, độ pH và các ion,… Khâu lọc cường độ cao có khả năng lọc 200-250 m3/ngày với hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng trước (100-150 mg/L) và sau khi lọc (40-50 mg/L). Khâu xâm thực thuỷ động xử lý vi khuẩn có hại trong nước thải ao nuôi tôm + Khâu diệt khuẩn được thiết kế dựa trên hiện tượng xâm thực thuỷ động có thể tạo ra các gốc tự do có tính phản ứng cao có thể phân huỷ các chất hữu cơ và vi khuẩn có trong nước thải. Khâu này có khả năng diệt trên 90% vi khuẩn và đảm bảo chất lượng nước đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam. + Thành phần chính là thiết bị venturi có thể tạo ra áp suất thấp khi chất lỏng chảy qua vùng có tiết diện thay đổi tạo ra hiện tượng xâm thực. Khâu hấp phụ để loại bỏ các ion amoni và nitrit trong nước thải ao nuôi tôm + Khâu hấp phụ sử dụng vật liệu NaX để loại bỏ các ion và có trong nước thải ao nuôi tôm với hiệu suất hấp phụ trên 80% để đạt được chất lượng nước theo tiêu chuẩn Việt Nam. + Quá trình hấp phụ ion của NaX dựa vào hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học như trao đổi ion, tương tác cation và lực hút tĩnh điện. Cơ chế của quá trình hấp phụ phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt của NaX.

Tiềm năng phát triển:

Nhóm nghiên cứu gồm nhiều thành viên có năng lực nghiên cứu khoa học và đạt được nhiều thành tích trong việc ứng dụng khoa học và công nghệ, áp dụng vào các lĩnh vực sản xuất tại địa phương cũng như khu vực ĐBSCL và cả nước. Hầu hết những kết quả của nhóm nghiên cứu đều được các tổ chức nghiên cứu khoa học danh tiếng thế giới ghi nhận và chấp nhận xuất bản trên các tạp chí khoa học hàng đầu đạt chuẩn ISI với thứ hạng rất cao trong lĩnh vực năng lượng, kỹ thuật môi trường, thủy sản, kỹ thuật hóa học và tự động hóa. Các thành viên trong nhóm nghiên cứu là Phó giáo sư và Tiến sĩ có chuyên ngành về các lĩnh vực nói trên. Hiện nay, nhóm tập trung nghiên cứu ứng dụng khoa học và kỹ thuật cho các ngành sản xuất trọng điểm của quốc gia, thuộc thế mạnh của vùng như nông nghiệp và thủy sản. Ngành nuôi trồng thủy sản nói chung và đặc biệt là ngành nuôi tôm không chỉ là ngành sản xuất mũi nhọn của khu vực ĐBSCL mà còn của cả nước vì nó không những cung cấp thực phẩm mà còn đem lại nguồn thu nhập đáng kể cho nông dân và góp phần phát triển kinh tế đất nước. Nhận thấy được tầm quan trọng và những vấn đề mà ngành nuôi tôm đang đối mặt, nhóm đã thực hiện các hướng nghiên cứu về việc ứng dụng khoa học công nghệ cho việc nuôi tôm. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công mô hình lọc nước ở quy mô phòng thí nghiệm bằng công nghệ thẩm thấu. Mô hình lọc nước cho kết quả rất khả quan với hàm lượng tổng chất rắn trước (100-150 mg/L) và sau khi lọc (40-50 mg/L) đạt tiêu chuẩn QCVN 02-19:2014/BNNPTNT. Hệ thống có khả năng lọc có chọn lọc không sử dụng hóa chất, với cơ cấu vệ sinh tự động, giúp tiết kiệm chi phí xử lý nước cũng như diện tích lọc so với phương pháp truyền thống cần nhiều ao lắng, đồng thời hạn chế rủi ro tôm chết hàng loạt do quá trình thay nước sạch không đảm bảo kỹ thuật. Bên cạnh đó, quy trình tổng hợp vật liệu NaX từ tro trấu không nung đã được nhóm nghiên cứu phát triển thành công ở quy mô phòng thí nghiệm. Vật liệu hấp phụ này đã được sử dụng để hấp phụ ion amoni và nitrit của nước giả ao nuôi tôm và cho kết quả hấp phụ rất tốt. Quy trình tổng hợp NaX từ tro trấu không nung đã được chấp nhận đơn hợp lệ của Cục sở hữu trí tuệ theo Quyết định số 7637w/QĐ-SHTT ngày 13/5/2022.