Điều chế vi bọt khí sử dụng công nghệ điện hóa kết hợp siêu âm – giải pháp phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững

Hiện nay, tình trạng ô nhiễm môi trường đang xảy ra nghiêm trọng trong nuôi trồng thủy sản do phần lớn các chất hữu cơ dư thừa từ thức ăn, phân và các rác thải khác, kết hợp lượng dư thừa các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi đọng lại ở đáy ao nuôi không được xử lý. Đáy ao nuôi hình thành lớp bùn đáy do được tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây thối, các vi sinh vật sinh các khí độc như NH₃, NO₂, H₂, H₂S, CH₄…. Các vi sinh vật gây bệnh như: khuẩn Vibrio spp., Aeromonas, Ecoli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococcus… nhiều loại nấm và động vật nguyên sinh và hệ quả là hiệu quả nuôi trồng giảm mạnh sau các vụ nuôi liên tiếp.

Theo TS. Lê Quang Tiến Dũng, trên thực tế có rất nhiều phương pháp khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi, xử lý nguồn bệnh trong môi trường nuôi. Tuy nhiên đâu là giải pháp toàn diện, hiệu quả và bền vững mới là quan trọng. Có rất nhiều vùng nuôi trồng thủy sản, hộ nuôi khi gặp phải những vấn đề trên đã phải bỏ ra chi phí lớn từ vài triệu đến vài chục triệu đồng để xử lý môi trường ao nuôi nhưng không đem lại hiệu quả cao như mong muốn. Mặt khác, việc sử dụng tràn lan các hóa chất để khử trùng nước như Chlorine, Iodin, thuốc tím, formaline,… có thể dẫn đến những hậu quả làm suy thoái môi trường và gây ra hiện tượng nhờn thuốc của các loại vi khuẩn, vi rút, vi sinh vật gây bệnh. Do đó, việc nghiên cứu tìm các biện pháp làm giảm thiểu đáng kể tình trạng ô nhiễm môi trường nuôi trồng thủy sản được xem là nhiệm vụ rất cấp thiết.

Dung dịch hoạt hóa điện hóa anolyte hay còn được gọi là nước oxy hóa điện ly (Electrolyzed oxidizing water) được kỹ sư người Nga V. Bakhir phát hiện năm 1972. Dung dịch anolyte là một tác nhân khử trùng có nhiều tính ưu việt, hiệu quả khử trùng cao, diệt nhanh nhiều loại vi khuẩn, dễ sản xuất, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường. Các nước trên thế giới đặc biệt là Nga, Nhật, Đức, Mỹ, Hàn Quốc… đã đẩy mạnh nghiên cứu chế tạo thiết bị sản xuất dung dịch anolyte và ứng dụng công nghệ này trong đời sống và sản xuất như: y tế, chăn nuôi, trồng trọt, nuôi trồng và chế biến thủy sản, chế biến thực phẩm… Trong nước, việc nghiên cứu ứng dụng dung dịch anolyte để khử trùng trong y tế, chế biến và bảo quản nông sản đã được thực hiện từ năm 2001. Năm 2002, dung dịch anolyte được sử dụng dung để bảo quản vải thiều, thanh long, nho,… Trong chăn nuôi gà, vịt, heo dung dịch anolyte cũng được sử dụng để phòng ngừa các bệnh đường ruột đạt kết quả tốt. Trong những năm gần đây, dung dịch anolyte này được nghiên cứu ứng dụng để thay thế các hóa chất thường dùng trong việc xử lý, khử trùng môi trường nước nuôi trồng thủy sản. Mặc dù, dung dịch anolyte được điều chế bằng phương pháp điện hóa có nhiều ưu việt trong khử trùng môi trường nước, tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là hiệu suất diệt khuẩn vẫn chưa tối ưu, tính ứng dụng rộng rãi trong nuôi trồng thủy sản vẫn còn một số hạn chế. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một giải pháp có tính kế thừa và có tính mới nâng cao hiệu quả diệt khuẩn bằng phương pháp công nghệ điện hóa – siêu âm kết hợp chuyển hóa mật độ bọt khí của dung dịch anolyte thành vi bọt khí (nanobubbles) có hiệu suất diệt khuẩn rất cao, phân hủy các chất hữu cơ và các khí độc. Đây là phương pháp mới, độc đáo và đã được triển khai thành thiết bị xử lý nước trong nuôi trồng thủy sản. Kết quả nghiên cứu ứng dụng dung dịch anolyte được tạo ra từ bộ điện hóa và dung dịch vi bọt khí được điều chế từ siêu âm – điện hóa kết hợp để xử lý khuẩn Vibrio spp.. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, đề tài đã mở ra một hướng mới trong việc khử trùng, cải thiện môi trường nước nuôi trồng thủy sản.

Thiết bị điện hóa – siêu âm xử lý nước tuần toàn tại ao nuôi

Theo tác giả cho biết, nguyên lý hoạt động cơ bản là: Mô đun điện hóa – siêu âm kết hợp gồm có bộ nguồn một chiều điện áp thay đổi từ 1 – 12V. Bản điện cực có màng ngăn làm bằng lưới nhựa tự động làm sạch, các điện cực anot và catot được làm bằng inox 304 có độ bền điện hóa cao nên có thể giảm hiện tượng hòa tan anot. Thiết bị siêu âm có công suất 150 W hoạt động ở tần số 26kHz.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống siêu âm điện hóa kết hợp

Nước muối nồng độ thay đổi từ 5g/L đến 30g/L cho chảy từ từ qua cặp bản điện cực để tạo ra dung dich hoạt hóa điện hóa anolyte chứa các bọt khí. Khoảng cách từ bề mặt điện cực tới màng ngăn rất hẹp (≈1mm), thời gian tác động điện hóa lên các phần tử nước ngắn, nhờ vậy đã hạn chế tối đa hiệu ứng tỏa nhiệt. Tất cả những chi tiết kết cấu đặc biệt này đã tạo điều kiện để hầu hết các phần tử trong dòng nước chảy qua buồng điện hóa được tiếp xúc với lớp điện kép để tiếp thu năng lượng từ các hạt điện tích nhận được và chuyển nó thành thế nội năng. Kết quả là các phần tử nước được kích lên trạng thái kích thích giả bền với thời gian dập tắt có thể kéo dài đến hàng chục giờ. Thành phần hóa học của anolyte chính là thành phần hóa học của dung dịch muối ban đầu gồm thành phần cơ bản bao giờ cũng là nước và NaCl. Trong suốt quá trình điện hóa xảy ra các phản ứng tạo thành hàng loạt chất oxy hóa nằm ở trạng thái giả bền như H₂O₂, O₃, HO^•, HO₂^–, HClO, ClO^– … Sau khi tạo các bọt khí từ bộ điện hóa, dung dịch nước anolyte được đưa vào cốc siêu âm xử lý 5–10 giây để tạo ra dung dịch chứa vi bọt khí – nanobubbles. Anolyte là dung dịch có tính chất sát khuẩn cao được điều chế từ nước muối loãng (hàm lượng NaCl ít hơn 0,5%) trong khoang anot của buồng điện hóa kiểu dòng chảy có màng ngăn. Anolyte có tính sát khuẩn nhanh và mạnh mặc dù có ít clo hoạt tính so với nước Javen (Hypochlorit natri), do dung dịch này chứa hàng loạt chất oxy hóa nằm ở trạng thái giả bền như H₂O₂, O₃, HO^•, HO₂^–, HClO, ClO^– … Khi dung dịch này được đưa vào thiết bị siêu âm sẽ làm nổ tung các bọt khí tạo ra từ bộ điện hóa để trở thành vi bọt khí – nanobubbles tăng cường khả năng diệt khuẩn lên gấp nhiều lần.

Về hiệu quả kinh tế, theo đánh giá của các hộ nuôi tôm ở Thừa Thiên Huế, ứng dụng giải pháp thiết bị điện hóa – siêu âm xử lý nước tuần toàn tại ao nuôi đã giảm chi phí rất lớn về xử lý nước trong quá trình nuôi, chỉ tiêu tốn khoảng 700 đồng/m³ so với 2.000 đồng/m³ khi sử dụng các hóa chất để xử lý. Nâng tỷ lệ thành công các vụ nuôi trồng thủy sản rất lớn cho các hộ nuôi so với trước đây.

Nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị điều chế vi bọt khí sử dụng công nghệ điện hóa kết hợp siêu âm công suất của TS. Lê Quang Tiến Dũng và nhóm nghiên cứu có tính mới, sáng tạo cao và đặc biệt có ý nghĩa về mặt kinh tế, xã hội lớn, đã góp phần quan trọng nâng cao hiệu quả nuôi trồng thủy sản, bảo vệ môi trường; tạo ra được sản phẩm công nghệ cao có 100% tự chủ động sản xuất, giá thành thấp, dễ vận hành, chi phí vận hành thấp. Kết quả nghiên cứu không chỉ được ứng dụng hiệu quả cho các vùng nuôi tôm ở Thừa Thiên Huế mà thiết bị điện hóa – siêu âm vi bọt khí còn được ứng dụng ở các vùng nuôi tôm trọng điểm miền Nam, như Gò Công, Tiền Giang, Bạc Liêu…

ThS Hồ Thành