Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Ứng dụng công nghệ màng sinh học tảo quay sản xuất sinh khối tảo kết hợp xử lý nước thải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Võ Thị Diệu Hiền

PGS TS Bùi Xuân Thành (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Ngọc Tuấn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS TS Phạm Hồng Nhật (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 18 tháng 02 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: GS.TS Nguyễn Văn Phước

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

GS.TS Nguyễn Văn Phước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Mỹ Duyên MSHV:1970269 Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1996 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường Mã số : 8520320

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng công nghệ màng sinh học tảo quay sản xuất sinh khối tảo kết

hợp xử lý nước thải Tên đề tài tiếng anh : Application of revolving algal biofilm technology for production of algal biomass combined with wastewater treatment

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau:

1) Giai đoạn 1: Vận hành hệ thống RAB với nước thải tổng hợp tải trọng Nitơ lần lượt

2) Giai đoạn 2: Vận hành hệ thống RAB với nước thải sau xử lý kỵ khí ở điều kiện vận hành tối ưu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)18/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Võ Thị Diệu Hiền, PGS TS Bùi Xuân Thành

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người đã giúp đỡ tôi thực hiện luận văn thạc sĩ Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Bùi Xuân Thành người đã giám sát, theo dõi trong suốt quá trình học tập của tôi, sự hướng dẫn và những lời khuyên quý báu của Thầy giúp tôi định hướng tốt hơn trong quá trình thực hiện đề

cùng lời khuyên và sự tin tưởng của Chị Xin cảm ơn tất cả các thầy cô Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn Rất cám ơn Phòng thí nghiệm trọng điểm xử lý chất thải bậc cao - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Nhóm nghiên cứu BIOSEP và Trung tâm Asiatique de Recherche sur l’Eaufor cho tôi thực hiện thí nghiệm Rất cám ơn Anh Tiến đã hỗ trợ tinh thần và làm mô hình thí nghiệm Cảm ơn tất cả bạn bè của tôi đã ủng hộ tôi và làm cho tôi cười khi tôi cần Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình thân yêu đã hỗ trợ hết mình trong lúc tôi thực hiện đề tài

TP HỒ CHÍ MINH, ngày 25 tháng 02 năm 2023 Nguyễn Thị Mỹ Duyên

TÓM TẮT

Công nghệ màng sinh học tảo cải tiến đang được thử nghiệm được xem là một phương pháp tiềm năng để thu hồi nitơ (N) và phốt pho (P) trong xử lý nước thải (XLNT) Công nghệ này sử dụng các màng quay vòng theo chiều dọc để tạo điều kiện cho vi tảo phát triển Bể phản ứng màng sinh học tảo quay vòng Revolving Algae Biofilm (RAB) này đã chứng minh khả năng thu hồi chất dinh dưỡng hiệu quả với một diện tích nhỏ hơn so với ao, mương thông thường Sinh khối tảo có thể dễ dàng thu hoạch từ màng sinh học với cơ chế cạo Sản phẩm tảo này có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho việc sản xuất nhựa sinh học, phân bón, nhiên liệu sinh học, thức ăn nuôi cấy thủy sản và các sản phẩm bền vững khác

Nghiên cứu này được thực hiện với mục đích đánh giá khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng, chất hữu cơ và sản xuất sinh khối tảo đối với nước thải tổng hợp và sau kỵ khí Trong nghiên cứu này giai đoạn 1: vận hành hệ thống RAB với nước thải tổng

có hiệu suất xử lý, tốc độ loại bỏ và sinh khối tảo như sau: hiệu suất xử lý COD,

RAB là một phương pháp hiệu quả để thu hồi chất dinh dưỡng và sinh khối tảo từ nước thải

ABSTRACT

An innovative algae biofilm technology is being pilot tested for potential application as a sustainable means for nitrogen (N) and phosphorus (P) recovery at wastewater resource recovery facilities This technology uses revolving belts that extend vertically from the wastewater to provide sunlight for microalgae to grow This revolving algae biofilm reactor (RAB) has demonstrated the ability to recover nutrients in a smaller area than conventional ponds and ditches The resulting biomass is easily harvested from biofilms with a scraping mechanism, providing ready-made algae products to be used as biomass feedstocks for bioplastics, fertilizers, biofuels, feed aquaculture and other sustainable products

This study was carried out with the aim of evaluating the ability to remove nutrients, organic matter and produce algal biomass for synthetic and post-anaerobic wastewater In this study, phase 1: operating the RAB system with anaerobic synthesis wastewater at different nitrogen loads, respectively 0.01; 0.02; 0.03

efficiency are: 67 ± 6.6%, 49 ± 11% , 55 ± 6.7%, respectively, removal rate of COD,

system is operated with anaerobic wastewater with treatment efficiency, removal rate

respectively: 70.8 ± 8.5%, 52 ± 17.1%, 54.6 ± 15.8%, 54.3 ± 14.9%, removal rate of

method to recover nutrients and algal biomass from wastewater

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Thị Mỹ Duyên, là học viên cao học ngành Kỹ thuật Môi trường khóa 2019, mã số học viên 1970269 Tôi xin cam đoan: Luận văn cao học này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi, được thực hiện dưới dự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Xuân Thành và TS Võ Thị Diệu Hiền

Các hình ảnh, số liệu và thông tin tham khảo trong luận văn này được thu thập từ nguồn đáng tin cậy, đã qua kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn rõ ràng ở phần Tài liệu tham khảo Các bản đồ, đồ thị số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu được tôi thực hiện nghiêm túc và trung thực

Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này Học viên

Nguyễn Thị Mỹ Duyên

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.3.1 Ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến sự tăng trưởng sinh khối và hiệu quả tiêu thụ dinh dưỡng của tảo trong RAB 3

1.3.2 Khả năng tăng trưởng sinh khối và tiêu thụ chất dinh dưỡng của vi tảo trong RAB với nước thải sau xử lý kỵ khí 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 4

2.1.3 Hệ thống nuôi cấy vi tảo 11

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi tảo 12

2.2 Đồng nuôi cấy vi tảo và vi khuẩn 16

2.2.1 Hiệu quả loại bỏ COD 18

2.2.2 Hiệu quả loại bỏ nitơ 19

2.2.3 Hiệu quả loại bỏ phốt pho 20

2.3 Hệ thống XLNT sử dụng vi tảo 21

2.3.1 Hồ ổn định nước thải (Wastewater stabilization ponds) 21

2.3.2 Hồ nuôi tảo cao tải (High rate algae ponds – HRAP) 21

2.3.3 Bể phản ứng quang sinh học (Photobioreactors - PBRs) 22

2.4 Hệ thống màng sinh học tảo 23

2.4.1 Cơ chế hình thành màng sinh học tảo 23

2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành màng sinh học tảo 27

2.4.3 Các dạng khác nhau của hệ thống màng sinh học tảo 35

2.4.4 Đánh giá sự phát triển của tảo trong hệ thống màng sinh học tảo quay (RAB) 38

2.4.5 Ưu điểm của hệ thống màng sinh học tảo quay 39

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

3.1 Nội dung nghiên cứu 43

3.2 Mô hình nghiên cứu 44

3.2.1 Hệ thống RAB 44

3.2.2 Điều kiện vận hành 45

3.2.3 Nuôi cấy vi tảo 46

3.2.4 Nước thải thử nghiệm 46

3.3 Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và thu hoạch sinh khối bám dính 47

3.3.1 Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và tần suất 47

3.3.2 Phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước thải 49

3.3.3 Phương pháp thu hoạch sinh khối 49

3.4 Đánh giá sự phát triển của tảo, năng suất sinh khối và hiệu quả thu hoạch 49

3.5 Đánh giá hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng 51

3.6 Phương pháp xác định tổn thất nước do bay hơi trong hệ thống RAB 52

3.7 Phương pháp xử lý số liệu 52

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

4.1 Ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến sự tăng trưởng sinh khối và hiệu quả tiêu thụ dinh dưỡng của tảo trong RAB 53

4.1.1 Tăng trưởng sinh khối 53

4.1.2 Khả năng loại bỏ chất hữu cơ 60

4.1.3 Khả năng loại bỏ nitơ 61

4.1.4 Khả năng loại bỏ phốtpho 65

4.1.5 Các thông số khác 72

4.1.6 Thất thoát nước do bốc hơi 74

4.1.7 Quan sát vi tảo và vi khuẩn trong RAB 74 4.2 Khả năng tăng trưởng sinh khối và tiêu thụ chất dinh dưỡng của vi tảo trong

4.2.1 Đánh giá sản lượng sinh khối dựa vào TSS và Chlorophyll-a 77

4.2.2 Đánh giá hiệu quả xử lý thông qua việc loại bỏ chất dinh dưỡng (nitơ và phốt pho) và chất hữu cơ 78

4.2.3 Các thông số khác 83

4.2.4 Thất thoát nước do bốc hơi 84

4.2.5 Cộng sinh vi tảo và vi khuẩn 85

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

tảo

bào

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hóa học Chlorella vulgaris Coronado-Reyes et al (2020) 7

Bảng 2.2 So sánh giữa hệ thống kín và hở đối với quá trình sinh sản của vi tảo (Singh & Singh, 2015) 12

Bảng 2.3 Phương pháp XLNT dựa trên vi tảo và các loại nước thải khác nhau 22

Bảng 2.4 Vật liệu bám dính được thử nghiệm để hình thành màng sinh học 30

Bảng 2.5 Tóm tắt các hệ thống khác nhau, phương pháp và vận hành hệ thống nuôi cấy vi tảo thường được sử dụng 41

Bảng 3.1 Điều kiện vận hành hệ thống 45

Bảng 3.2 Thành phần môi trường BBM (Bold (1949), (Bischoft & Bold, 1963)) 46

Bảng 3.3 Các thành phần của nước thải tổng hợp 47

Bảng 3.4 Các thành phần của nước thải sau xử lý kỵ khí Le et al (2022) 47

Bảng 3.5 Tần suất lấy mẫu và phương pháp phân tích 48

Bảng 4.1 Tóm tắt các hệ thống màng sinh học tảo khác nhau (Gross, Jarboe, & Wen, 2015) 56

Bảng 4.2 So sánh các hệ thống dựa trên vi tảo để xử lý các dòng nước thải đô thị khác nhau 68

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi Detrell (2021) 6

Hình 2.3 Tương tác cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn Gutzeit et al (2005) 17

Hình 2.4 Hình thành màng sinh học tảo và các cơ chế liên quan Wang et al (2018) 26Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu 43

Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế hệ thống RAB 44

Hình 3.3 Thu hoạch tảo trên hệ thống RAB thực tế 45

Hình 3.4 Sinh khối tảo khô sau thu hoạch từ vật liệu bám dính 49

Hình 4.1 Khả năng bám dính của tảo sau 14 ngày 53

Hình 4.2 Các giai đoạn phát triển màng sinh học ở giai đoạn 1 54

Hình 4.3 Tăng trưởng sinh khối bám dính giai đoạn 1 55

Hình 4.4 Tăng trưởng sinh khối lơ lửng ở giai đoạn 1 60

Hình 4.5 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ loại bỏ COD ở giai đoạn 1 61

Hình 4.6 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ xử lý NH4+-N ở giai đoạn 1 62

Hình 4.7 Nồng độ NO3--N, NO2- -N ở giai đoạn 1 65

Hình 4.8 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ xử lý TP ở giai đoạn 1 66

Hình 4.9 (a) Oxy hòa tan (DO), (b) giá trị pH, (c) độ kiềm và (d) cường độ ánh sáng ở thời điểm lấy mẫu nước đầu ra giai đoạn 1 72

Hình 4.10 Phần trăm thể tích thất thoát nước do bốc hơi giai đoạn 1 74

Hình 4.11 Ảnh dưới kính hiển vi Rotifer đang tiêu hóa tảo (x40) 75

Hình 4.12 Ảnh dưới kính hiển vi Cộng đồng vi sinh trên đai ở giai đoạn 1 (x40) 76

Hình 4.13 Tăng trưởng sinh khối bám dính ở giai đoạn 2 77

Hình 4.14 Tăng trưởng sinh khối lơ lửng ở giai đoạn 2 78

Hình 4.15 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ xử lý COD ở giai đoạn 2 79

Hình 4.16 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ xử lý TKN ở giai đoạn 2 80

Hình 4.17 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ xử lý NH4+-N ở giai đoạn 2 80

Hình 4.19 Nồng độ, hiệu suất xử lý, tốc độ xử lý TP ở giai đoạn 2 83 Hình 4.20 (a) Oxy hòa tan (DO), (b) giá trị pH, (c) độ kiềm và (d) cường độ ánh sáng

ở thời điểm lấy mẫu nước đầu ra giai đoạn 2 84

Hình 4.21 Phần trăm thể tích thất thoát nước do bốc hơi giai đoạn 2 84 Hình 4.22 Ảnh dưới kính hiển vi cộng đồng vi sinh (x40) 85

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước là một trong những tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất trên hành tinh của chúng ta Tuy nhiên, bên cạnh nguồn nước sạch cung cấp không đủ ở nhiều nước đang phát triển, chất lượng nước ở các nước công nghiệp phát triển đã đạt đến tình trạng đáng lo ngại (Muñoz et al (2009); Sousa et al (2018)) Sự ô nhiễm của nước thải đô thị, nông nghiệp và công nghiệp với một số lượng lớn các chất ô nhiễm hữu

xenobiotics Muñoz et al (2009), kim loại nặng Chowdhury et al (2016) và nồng độ cao của nitrat Menció, et al (2016), phốt phát Farmer (2018) và các hợp chất cacbon (C) Sousa et al (2018), gây ra sự căng thẳng cho chuỗi thức ăn XLNT là một vấn đề toàn cầu không thể được quản lý bởi một công nghệ duy nhất vì quy mô, loại chất gây ô nhiễm và điều kiện khu vực có liên quan rất khác nhau Các nhà máy XLNT thông thường tập trung vào việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng (chủ yếu là cơ học) và giảm nhu cầu oxy sinh học bằng bùn hoạt tính Wang et al (2017) Sự phân hủy sinh học này liên quan đến sự phân hủy các phân tử hữu cơ và các thành phần vô cơ như nitơ (N) và các hợp chất phốt pho (P), có tầm quan trọng lớn để ngăn chặn sự phú dưỡng của các vùng nước hạ lưu như sông và hồ Khả năng phân hủy của các công nghệ thông thường này bị hạn chế, đặc biệt là đối với kim loại nặng, lượng dinh dưỡng cực cao và xenobiotics, dẫn đến sự tích tụ ngày càng tăng của các chất này trong nước ngầm (Muñoz et al (2009); Sousa et al (2018); Menció, et al (2016)) Do tính linh hoạt trong trao đổi chất của vi tảo, tức là khả năng thực hiện quá trình

Subashchandrabose et al (2013)), chúng đại diện cho các hệ thống sinh học đầy hứa hẹn để xử lý nhiều nguồn nước thải khác nhau Đặc biệt, trong bối cảnh nền kinh tế tuần hoàn, dựa trên sinh học và sự phát triển của các khái niệm về xử lý sinh học Mohan et al (2016), sinh khối vi tảo được tạo ra từ các dòng nước thải mang lại tiềm năng lớn cho các sản phẩm sinh học bền vững (phụ thuộc vào luật pháp quốc gia về tái sử dụng sinh khối/chế phẩm sinh học vi tảo), chẳng hạn như protein Soto-Sierra

Filho, 2016), phân bón sinh học/than sinh học (Santos et al (2018); Yu et al (2017)) và thức ăn chăn nuôi Madeira et al (2017) Các công nghệ XLNT dựa trên tảo trên

thực tế đã được nghiên cứu từ những năm 1950, chủ yếu là do khả năng cố định N và P vô cơ rất hiệu quả của chúng

Việc sử dụng vi tảo trong các nhà máy XLNT có hai mục đích chính: (1) hấp thụ hoặc chuyển hóa trực tiếp các chất gây ô nhiễm trong nước, (2) cải thiện hiệu suất xử lý của các hệ thống vi khuẩn (tổ hợp vi tảo-vi khuẩn) bằng cách cung cấp thêm oxy từ quá trình quang hợp (nuôi cộng sinh), do đó giảm tổng chi phí năng lượng của việc cung cấp oxy trực tiếp (hiệu suất tạo khí) hoặc gián tiếp (hiệu suất khuấy) Quijano et al (2017) Cho đến nay, nghiên cứu về XLNT dựa trên tảo chủ yếu tập

(2015), Arthrospira sp Zhai et al (2017), Scenedesmus sp Ansari et al (2019) và

năng tích lũy nhiều lipid và tinh bột

Tuy nhiên, hệ thống đồng nuôi cấy vi tảo và vi khuẩn vẫn gặp phải những trở ngại cố hữu về thu hoạch sinh khối (Mallick, 2002) Các công nghệ truyền thống để thu hoạch sinh khối là keo tụ và ly tâm/tách nước Hiệu quả của các công nghệ truyền thống này không đáng kể và chi phí vận hành vẫn còn cao Su et al (2012)

Các hệ thống nuôi cấy dựa trên màng sinh học đã được chứng minh là hiệu quả và giảm chi phí thu hoạch tảo Trong các hệ thống màng sinh học này, tảo được bám vào bề mặt vật liệu và dễ dàng thu hoạch bằng cách nạo chúng ra khỏi bề mặt Khi thu hoạch, tảo có hàm lượng nước tương tự như sinh khối tảo sau ly tâm, do đó có thể hạn chế được các bước khử nước tốn kém Gross et al (2013) Bể phản ứng màng sinh học tảo sử dụng màng quay bằng polystyrene để loại bỏ nitơ và phốt pho trong nước thải đô thị lần đầu tiên được báo cáo vào những năm 1980 Przytocka-Jusiak et al (1984) Kể từ đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và được tổng kết bởi (Gross & Wen, 2014)

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển công nghệ nuôi cấy màng sinh học tảo quay (RAB) để tảo tăng trưởng hiệu quả, tăng sinh khối tập trung và thu hoạch dễ dàng Công nghệ RAB gồm một màng quay vòng để các tế bào tảo bám vào và một bể chứa nước thải cung cấp chất dinh dưỡng và giữ ẩm cho tảo Ưu điểm gồm: thu hoạch đơn giản, tốc độ truyền khối khí cao, tăng cường sử dụng ánh sáng và nâng cao năng suất sinh khối Nghiên cứu kéo dài nhiều năm đã chứng minh năng suất sinh khối tăng trung bình 302% khi sử dụng công nghệ RAB so với ao nuôi

một hệ thống nuôi tảo hiệu quả và có tiềm năng lớn để sản xuất thương mại vi tảo

với năng suất cao và XLNT hiệu quả Từ những ưu điểm trên đề tài: “Ứng dụng công nghệ màng sinh học tảo quay sản xuất tảo kết hợp xử lý nước thải” được hình thành

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài ứng dụng công nghệ RAB sản xuất tảo kết hợp XLNT nhằm đạt các mục tiêu sau:

- Mục tiêu nghiên cứu của giai đoạn 1 là xác định xem tải trọng N nào cho hiệu quả cao và năng suất sinh khối tốt Ngoài tải trọng N, hiệu quả xử lý của RAB còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như thời gian lưu nước, thời gian lưu sinh khối lơ lửng/bám dính,… Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên đề tài này chỉ nhằm vào mục tiêu đánh giá tải trọng N trước, các nghiên cứu tiếp theo của sinh viên sẽ tiếp tục nghiên cứu thêm các yếu tố này để tìm ra được điều kiện vận hành tối ưu cho hệ RAB

- Mục tiêu của nghiên cứu của giai đoạn 2 là dựa trên tải trọng N tối ưu giai đoạn 1 đánh giá khả năng loại bỏ N, P, COD và năng xuất sinh khối trong hệ thống cộng sinh của vi tảo và vi khuẩn hình thành tự nhiên trong nước thải sau xử lý kỵ khí

1.3 Nội dung nghiên cứu

1.3.1 Ảnh hưởng của tải trọng nitơ đến sự tăng trưởng sinh khối và hiệu quả tiêu thụ dinh dưỡng của tảo trong RAB

Mục tiêu đầu tiên của nghiên cứu này được khảo sát thông qua các tải trọng Nitơ lần

trong 3 tháng với tỷ lệ vi tảo: vi khuẩn hình thành tự nhiên Nồng độ sinh khối lơ lửng ban đầu là 1 – 2 (g/L) Môi trường trong RAB là nước thải tổng hợp có chứa chất dinh dưỡng (N, P), nhu cầu oxy hóa học (COD) ở dạng natri axetat, D-Glucose và các nguyên tố vi lượng để cho phép vi tảo phát triển Mục tiêu là xác định tải trọng nitơ nào sẽ đạt hiệu suất cao nhất trong việc loại bỏ COD và chất dinh dưỡng, cũng như năng suất sinh khối

1.3.2 Khả năng tăng trưởng sinh khối và tiêu thụ chất dinh dưỡng của vi tảo trong RAB với nước thải sau xử lý kỵ khí

Khảo sát hiệu quả xử lý chất dinh dưỡng (N, P), COD và năng suất sinh khối trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ trong 50 ngày với tỷ lệ vi tảo: vi khuẩn hình thành tự nhiên Nồng độ sinh khối lơ lửng ban đầu là 1 – 2 (g/L) môi trường nước thải sau xử lý kỵ khí

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm:

‐ Nước thải tổng hợp và nước thải sau xử lý kỵ khí

‐ Tảo tự nhiên (hình thành ngoài trời)

‐ Hệ thống RAB qui mô pilot scale (thể tích 140L)

Mô hình RAB đặt tại Phòng thí nghiệm trọng điểm xử lý chất thải bậc cao - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: 21/03/2022 – 18/12/2022

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Tình hình nghiên cứu nước ta hiện nay thường sử dụng hệ thống xử lý nước thải kết hợp nuôi cấy tảo thường được sử dụng phổ biến nhất là ao ổn định chất thải (Waste

(2020), dạng bể quang sinh học, các hệ thống này nuôi tảo dạng lơ lửng dẫn đến thu hoạch sinh khối khó khăn Một số nghiên cứu khác sử dụng tăng trưởng bám dính dạng đĩa quay, dùng tảo Chlorella Vulgaris loại bỏ amoni và phốt phát trong nước thải chăn nuôi heo, dùng vải cotton làm vật liệu cho tảo bám dính, sản lượng sinh

tình hình đó, nghiên cứu này tạo ra một hướng đi mới cho ngành XLNT, vừa đưa ra công nghệ mới XLNT với chi phí vận hành thấp, phù hợp với điều kiện hiện tại của địa phương nhằm tạo mô hình nhân rộng trên toàn thế giới Sử dụng tảo vào công nghệ để tăng cường XLNT theo phương pháp tự nhiên, đồng thời tạo cảnh quan sinh thái cho khu vực Mô hình còn là địa điểm phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học cho sinh viên

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Hướng nghiên cứu này mở ra hướng phát triển kinh tế mới: Sinh khối thu được dễ dàng thu hoạch từ màng sinh học với cơ chế cạo, cung cấp sinh khối tảo có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất nhựa sinh học, phân bón, nhiên liệu sinh học, thức ăn nuôi cấy thủy sản và các sản phẩm bền vững khác Bên cạnh đó tảo có thể XLNT, mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp, địa phương và xã hội Tảo sẽ giúp

1.5.3 Tính mới của đề tài

Hệ thống RAB có thể nuôi tảo với chi phí thấp hơn và được chứng minh là có lợi nhuận ở quy mô nhỏ hơn so với kiểu nuôi tảo trong ao mương Ngoài ra, hệ thống RAB được dự báo sẽ có lượng phát thải khí nhà kính thấp hơn và hiệu quả sử dụng năng lượng và nước tốt hơn so với hệ thống mương Bên cạnh đó hệ thống RAB vừa

XLNT thân thiện với môi trường và không tạo ra chất ô nhiễm bùn thải thứ cấp như công nghệ truyền thống (hóa lý, bùn hoạt tính) Tạo ra cái nhìn mới về XLNT, không chỉ loại bỏ các thành phần ô nhiễm có trong nước thải mà còn thu hồi các chất dinh dưỡng có trong nước thải sinh hoạt để nuôi tảo, tạo sinh khối tảo

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan vi tảo

Coronado-Reyes et al (2020)

Hình 2.1 Chlorella vulgaris dưới kính hiển vi Detrell (2021)

Việc nghiên cứu vi tảo được quan tâm trong những năm gần đây vì chúng được coi là nguyên liệu cho các hợp chất hóa học bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển hóa sơ cấp và thứ cấp của chúng, chẳng hạn như lipid, ứng dụng chính của chúng là sản xuất dầu diesel sinh học Trong số những ưu điểm mà việc sử dụng vi tảo ở quy mô công nghiệp có thể nhận thấy là việc nuôi cấy chúng rất dễ dàng và nhanh chóng, vì chúng có chu kỳ sinh trưởng trong vài ngày và phát triển cả nước mặn và nước ngọt trong ao, rừng thậm chí trong các bể lên men, cũng đã được phát hiện trong nước thải Lu et al (2015) Các chủng Chlorella vulgaris là loài vi tảo phát triển dễ dàng và nhanh chóng, dựa trên sự trao đổi chất của chúng, môi trường nuôi cấy có thể là tự dưỡng,

dị dưỡng, hỗn hợp và phản ứng quang, quan sát thấy rằng nồng độ sinh khối cao nhất là khi làm việc trong môi trường hỗn hợp hoặc bể quang sinh học

Bảng 2.1 Thành phần hóa học Chlorella vulgaris Coronado-Reyes et al (2020)

XLNT và tái sử dụng nước thải là những cách tiếp cận quan trọng để giải quyết tình trạng khan hiếm nước ngọt ngày càng nghiêm trọng trên toàn cầu hiện nay Hơn nữa, nồng độ nitơ và phốt pho cao trong nước thải được coi là một trong những vấn đề đáng quan tâm gây ra hiện tượng phú dưỡng ở các hồ, cửa sông và đại dương Hầu hết các giải pháp XLNT đều yêu cầu đảm bảo các vấn đề kinh tế kỹ thuật như năng lượng lớn, diện tích lớn hoặc chi phí vận hành, bảo dưỡng cao So với việc loại bỏ chất dinh dưỡng hóa học và vi khuẩn, vi tảo có thể loại bỏ chất dinh dưỡng bằng phương pháp sinh học an toàn và rẻ hơn Vi tảo có thể dùng như một phương pháp xử lý bậc ba để loại bỏ thêm các chất dinh dưỡng (Nitơ và Phốt pho) không bị phân hủy thông qua việc đồng hóa các chất dinh dưỡng vào sinh khối vi tảo (Gao et al (2016); (Luo, Le-Clech & Henderson, 2018)) Do đó, nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước thải sẽ giảm đi đáng kể Sự phát triển nhanh chóng của vi tảo cho phép nó phát triển ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt và đã được chứng minh là một lợi thế trong việc XLNT khó khăn như nước thải công nghiệp Ngoài việc giảm tác động của nitơ và phốt pho trong nước thải ra môi trường, vi tảo còn góp phần vào đa dạng sinh học dưới nước (Mata, Martins, & Caetano, 2010)

2.1.2.2 Giảm CO2

Đốt nhiên liệu hóa thạch đã góp phần vào việc phát thải khí nhà kính (chủ yếu là

nghiên cứu trên thế giới chú ý Trong vài năm tới, việc sử dụng vi tảo như một phương

được cố định vào thực vật và vi tảo thông qua quá trình quang hợp nên việc sản xuất

liệu hóa thạch (Mata, Martins, & Caetano, 2010) Hơn nữa, vi tảo có nhiều lợi ích như tỷ lệ cố định cao hơn thực vật, một số vi tảo thậm chí có thể phát triển trong điều

et al (2018) Quá trình quang hợp của vi tảo được coi là một quá trình đơn giản và

khối vi tảo dưới dạng carbohydrate và lipid là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn Các nhà nghiên cứu và các công ty tập trung vào vi tảo rằng nó không chỉ là một nguồn nhiên liệu thay thế mà còn là một nguồn nhiên liệu tái tạo

hợp đối với các chất ô nhiễm hữu cơ hiếu khí (Su, Mennerich, & Urban, 2012) Trong

trình phân hủy hữu cơ Vì vậy, sử dụng vi tảo còn có khả năng giảm thiểu biến đổi khí hậu

Việc sử dụng nước thải như một nguồn nitơ và phốt pho có khả năng giảm chi phí cấy trọt và tiêu thụ năng lượng Honda et al (2017) Chlorella cũng chứa hàm lượng cao lipid, protein, carbohydrate và các vi chất dinh dưỡng khác (45% protein, 20% lipid, 20% carbohydrate, 5% xenluloza, 10% khoáng chất và vitamin) có thể ứng dụng cho nhiều lĩnh vực sinh hóa và sản xuất

2.1.2.3 Thực phẩm dinh dưỡng chức năng

Khi chất lượng cuộc sống ngày càng nâng cao thì nhu cầu phát triển lành mạnh càng được quan tâm Bên cạnh việc kết hợp chế độ ăn uống và tập luyện để có được một cơ thể khỏe mạnh, các loại thực phẩm dinh dưỡng từ thực vật đang được sử dụng và chiếm lĩnh thị trường Trên thị trường hiện nay, lợi ích sức khỏe của vi sinh vật thủy sinh như vi tảo đang được nghiên cứu và công nhận, đánh giá cao Các thành phần của vi tảo có thể được chiết xuất thành các hợp chất hóa học như chất tạo màu, chất chống oxy hóa, b-carotenes, polysaccharides, triglyceride, axit béo, vitamin, sinh

khối và được ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác nhau (dược phẩm, mỹ phẩm, dinh dưỡng, thực phẩm chức năng, nhiên liệu sinh học) (Mata, Martins, & Caetano,

Synechococcus, Perietochloris và Porphyridium Chúng chứa các vitamin và các

nguyên tố thiết yếu như Kali, Kẽm, Selen, Sắt, Mangan, Đồng, Phốt pho, Natri, Nitơ, Magie, Coban, Molypden, Lưu huỳnh và Canxi Tốc độ phát triển của vi tảo cũng là một điểm đáng lưu ý chọn làm thực phẩm chức năng cho cả người và gia súc

Với nhiều đặc tính được phát hiện và nghiên cứu, Chlorella được coi là nguồn dinh

dưỡng tuyệt vời và cho hiệu quả quang hợp cao cũng như tăng trưởng nhanh chóng Với giá trị thương mại cao, Chlorella có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghệ thực phẩm, dược phẩm, XLNT… Sathasivam et al (2019) Đặc biệt trong công nghiệp thực phẩm, carotenoid, axit béo, axit amin và chất chống oxy hóa trong Chlorella làm tăng giá trị dinh dưỡng của thực phẩm cho người và gia súc Sau nỗi lo toàn cầu về tình trạng dân số quá tải không kiểm soát được, trong cuối những năm

1940 và đầu những năm 1950, Chlorella được coi là nguồn thực phẩm đầy hứa hẹn

như một giải pháp khả thi cho cuộc khủng hoảng thế giới vì nạn đói

2.1.2.4 Phân bón

các ứng dụng khác như phân bón và kiểm soát ô nhiễm Một số loại tảo có thể được sử dụng làm phân bón hữu cơ, hoặc ở dạng bán phân hủy sinh học Tảo có thể được nuôi trong ao, xử lý phân bón từ các trang trại, vi tảo rất giàu chất dinh dưỡng nên có thể tái sử dụng làm phân bón - một cách để giảm chi phí trong canh tác Vi tảo đã được sử dụng để XLNT bằng cách hấp thụ các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho từ nước thải của gia súc, đặc biệt là các trang trại lai tạo Klinthong et al (2015) Tảo cũng có thể được sử dụng để xử lý các kim loại nặng gây ô nhiễm cao như uranium Tại các nhà máy XLNT, vi tảo có thể được sử dụng để giảm các hóa chất độc hại và tăng độ tinh khiết của nước (Mata, Martins, & Caetano, 2010)

2.1.2.5 Sản xuất nhựa sinh học

Trong số các ứng dụng có thể được cung cấp cho các chất chuyển hóa do Chlorella vulgaris tạo ra là sản xuất từ lipid mà nó tạo ra cũng như tổng hợp protein và một số

carbohydrate Nó có khả năng chống nứt cao hơn do có thành tế bào dày đặc và độ

bền nhiệt cao hơn so với Spirulina Zeller et al (2013) Loài này thường được sử dụng

trong hỗn hợp sinh khối-polyme Theo Zeller et al (2013), sau khi so sánh sản xuất

nhựa sinh học từ 100% sinh khối vi tảo và hỗn hợp có chứa phụ gia và polyme, người ta thấy rằng việc phối trộn là cần thiết cho các ứng dụng thương mại Các thử nghiệm được tiến hành để đo chất lượng sản phẩm cho thấy rằng nhựa sinh học chất lượng

cao hơn có thể thu được khi sử dụng Chlorella vulgaris so với Spirulina Tuy nhiên, Spirulina có đặc tính pha trộn tốt hơn so với Chlorella vulgaris dựa trên các đặc điểm

xét ảnh hưởng của tỷ lệ chất tương hợp đến chất lượng của PVA (polyvinyl alcohol)

– Chlorella vulgaris được sản xuất vật liệu tổng hợp Zhang et al (2000) phát hiện ra rằng các ion hydro có trong các tế bào Chlorella cho phép các hỗn hợp được tạo

ra mà không có khoảng trống Việc thực hiện tiền xử lý đồng nhất siêu âm trước khi pha trộn có thể cải thiện tính đồng nhất và các tính năng bề mặt của hỗn hợp

Chlorella-PVA được sản xuất, là một giải pháp thay thế cho bao bì thực phẩm (Sabathini, Windiani, & Gozan, 2018) Sự khác biệt giữa vật liệu tổng hợp Chlorella-

PE có và không có biến đổi PE (với anhydrit maleic) đã được kiểm tra bởi Otsuki et al (2004)

Vi tảo có thể là một nguồn sinh khối tiềm năng tốt hơn để sản xuất nhựa sinh học vì nó không cạnh tranh với các nguồn thức ăn, có khả năng phát triển trên các nguồn chất thải và có thể đạt được sự tích lũy lipid cao ((Chisti, 2007); Hempel et al (2011); (Rahman & Miller, 2017)) Ngoài ra, sản xuất nhựa sinh học từ vi tảo có thể bền vững hơn và kín góp vào nền kinh tế cũng như nền kinh tế sinh học (Mohan et al (2019); Moreno-Garcia et al (2017)) Nhựa sinh học có thể được sử dụng trong bao bì thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm

Hình 2.2 Các sản phẩm thông thường của vi tảo (Pal et al (2019); Musa et al (2019))

2.1.3 Hệ thống nuôi cấy vi tảo

Có hai hệ thống canh tác chính để sản xuất vi tảo hiện nay: hệ thống hở và hệ thống khép kín Mỗi hệ thống đều có một loạt ưu điểm và nhược điểm: thứ nhất là hệ thống có nhu cầu đầu tư và bảo trì thấp hơn, dễ hở rộng quy mô, nhưng chúng có hệ thống điều khiển khó hơn, sản xuất ít hơn và hiệu quả thấp, cũng như dễ bị nhiễm bẩn Mặt khác, các bể phản ứng kín an toàn hơn, với khả năng kiểm soát vận hành tốt hơn, mặc dù giá thành của chúng là bất lợi chính (Bảng 2.2)

2.1.3.1 Hệ thống hở

Theo truyền thống, nước tự nhiên như nước hồ và đầm đã được sử dụng để nuôi tảo Các hệ thống sản xuất hở này ở ngoài trời và phụ thuộc vào việc cung cấp ánh sáng tự nhiên như nguồn năng lượng duy nhất cho hệ thống Vi tảo được nuôi trong các hệ thống hở bao gồm ao cạn không có mái che, ao hình tròn có khuấy và ao mương được khuấy bằng cánh guồng Diện tích của chúng có thể lên đến 1200ha, thường được tiến hành trên vùng đất phi nông nghiệp và độ sâu phải từ 20-35cm để đảm bảo tiếp xúc đầy đủ với ánh sáng Cánh guồng cung cấp năng lượng cơ học cho quá trình nuôi cấy, giữ cho các tế bào ở trạng thái lơ lửng (Singh & Singh, 2015)

Ưu điểm của các hệ thống hở là ít tiêu tốn năng lượng cho việc khuấy trộn, vốn và

nhiên, một ao mương hở cần có diện tích lớn để hở rộng quy mô và điều kiện thời

hưởng của ô nhiễm vi sinh vật (Mata, Martins, & Caetano, 2010) Bên cạnh đó, ứng suất cắt dẫn đến sự quay của cánh guồng có thể ảnh hưởng đến khả năng quang hợp Chiu et al (2015), làm hạn chế sự phát triển của vi tảo Do đó, năng suất sinh khối cao chỉ đạt được với các chủng vi tảo chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt,

chẳng hạn như độ mặn cao (Dunaliella), độ kiềm (Spirulina) và dinh dưỡng (Chlorella sp.)

2.1.3.2 Hệ thống khép kín

Hệ thống nuôi cấy khép kín được sử dụng đặc biệt cho sự phát triển của các sinh vật đơn bào trong điều kiện hoàn toàn vô trùng, đảm bảo không có chất gây ô nhiễm trong thực vật Việc phát triển các bể phản ứng quang quy mô công nghiệp có thể hoạt động với các thông số kinh tế và sinh học khả thi vẫn đang được tiến hành Các hệ thống kín chủ yếu là các bể phản ứng dạng ống và tấm phẳng, thường được thiết kế như các bể phản ứng quang sinh (PBR) Hơn nữa, các tùy chọn khác là túi, cuộn

Bảng 2.2 So sánh giữa hệ thống kín và hở đối với quá trình sinh sản của vi tảo

Thông số Hệ thống hở Hệ thống khép kín

Tác động môi trường

Diện tích mặt đất Diện tích mặt nước

Cao Cao Cao

Thấp Thấp Thấp

Các vấn đề sinh học

Loài tảo Ô nhiễm

Năng suất sinh khối Thành phần sinh khối

Bị hạn chế Rủi ro cao

Thấp Biến đổi

Linh hoạt Rủi ro thấp

Cao Tái sản xuất

Xử lý sự cố Kiểm soát nhiệt độ Phụ thuộc thời tiết Yêu cầu năng lượng Kiểm soát quy trình Sử dụng nước thải Làm sạch bể phản ứng

Không Cao Thấp

Khó Có Không

Có Thấp

Cao Dễ Có Bắt buộc

Chi phí Chi phí đầu tư Chi phí vận hành Chi phí thu hoạch

Thấp Thấp Thấp

Cao Cao Cao

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi tảo

Chlorella vulgaris đã được chứng minh là một loài vi tảo có thể có năng suất cao của

các chất chuyển hóa sơ cấp và thứ cấp; Tuy nhiên, người ta đã quan sát thấy rằng, do khả năng thích nghi, nó có thể phản ứng khác nhau khi tiếp xúc với các yếu tố khác nhau trong quá trình sinh trưởng

2.1.4.1 Ánh sáng

Ánh sáng là nguồn năng lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng tự dưỡng và hoạt động quang hợp, có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp chất hữu cơ từ tảo cacbon đioxit Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự phát triển của tảo thể hiện ở chất lượng ánh sáng (quang phổ màu), cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng Khi tảo phát triển

trong điều kiện nhiệt độ và giá thể ổn định, tốc độ phát triển chỉ phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng Cường độ ánh sáng có thể ảnh hưởng đến sinh khối và loại bỏ chất dinh dưỡng từ nước thải Khi nồng độ tảo hoặc sinh khối thay đổi, cường độ ánh sáng thay đổi (Behrens, 2005)

Năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học cần thiết cho tế bào vi tảo Tuy nhiên, chỉ có khoảng 10% ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học Oswald et al (1988) Tảo sử dụng chất diệp lục và một số sắc tố quang hợp khác để hấp thụ năng lượng ánh sáng để biến đổi năng lượng hóa học, năng lượng này được dự trữ trong adenosine triphosphate (ATP) và các chất khử khác

lệ hấp thụ ánh sáng cao hơn cho phép lục lạp tạo ra năng lượng hóa học tăng lên sẽ làm tăng sự phát triển của tảo (Singh & Singh, 2015) Pha được chiếu sáng, mật độ ánh sáng và bước sóng là những yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến sự phát triển của vi tảo trong hệ thống nuôi

2.1.4.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ kín một vai trò quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi tảo thông qua những thay đổi trong hoạt động trao đổi chất, động học enzyme, cấu

Singh, 2015) Sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự trao đổi chất của vi tảo cũng như hoạt động của enzyme Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến khả năng của vi tảo để loại bỏ các chất ô nhiễm, chẳng hạn như chất dinh dưỡng và vi chất dinh dưỡng từ nước thải Người ta cũng thấy rằng việc loại bỏ nitơ, phốt pho và các chất hữu cơ được tăng cường đáng kể nhờ nhiệt độ ấm và cường độ ánh sáng cao

đã được báo cáo (Singh & Singh, 2015) Theo báo cáo của Singh, Chlorella vulgaris

có thể phát triển trong khoảng nhiệt độ 25 - 30℃ trong khi các loài Scenedesmus và các loài Spirulina có khả năng phát triển trong khoảng nhiệt độ lần lượt là 10 - 40 ℃

hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi tảo thông qua những thay đổi trong hoạt động trao đổi chất, động học enzyme, cấu trúc của các cấu trúc quan trọng, và thậm chí cả sự chiếm ưu thế của loài (Singh & Singh, 2015)

2.1.4.3 pH

Trong nuôi cấy vi tảo, pH là một thông số quan trọng vì nó kiểm soát sự phát triển và thu hoạch sinh khối tảo pH ảnh hưởng trực tiếp đến việc loại bỏ các chất dinh

hết các loài tảo nuôi là từ 7 đến 9, với phạm vi tối ưu là 8,2 - 8,7, mặc dù có những loài sống trong môi trường axit/bazơ hơn Tuy nhiên, các loài tảo khác nhau có độ nhạy cảm với pH và các nguồn carbon vô cơ ưu tiên khác nhau, do đó việc kiểm soát pH trong nuôi cấy đối với từng loài tảo cũng khác nhau (Singh & Singh, 2015) Sự thay đổi độ pH trong môi trường có thể hạn chế sự phát triển của tảo thông qua ức chế trao đổi chất Sự phá hủy hoàn toàn của quá trình nuôi cấy do sự gián đoạn của nhiều quá trình tế bào có thể dẫn đến việc không duy trì được độ pH chấp nhận được

tăng lên, có thể đạt đến giá trị giới hạn lên đến 9 trong quá trình phát triển của tảo pH đóng vai trò gián tiếp trong việc cải thiện quá trình XLNT Trong nước tiểu urê

và amoniac sau đó bay hơi, làm tăng độ pH, giá trị này có thể đạt đến 9

pH của chất hấp thụ thấp hơn pH của chất đầu vào, rõ ràng là do sự hấp thụ amoniac

2.1.4.4 Sục khí/ khuấy trộn

Việc khuấy trộn trong nuôi cấy tảo là cần thiết để ngăn ngừa sự lắng đọng, phân bố đều các chất dinh dưỡng và chất chuyển hóa cũng như năng lượng ánh sáng, tránh sự phân tầng nhiệt (như trong môi trường ngoài trời) và cải thiện sự trao đổi khí giữa môi trường nuôi cấy và không khí Sục khí vừa phải cũng có lợi cho việc loại bỏ

quá nhiều có thể gây bất lợi cho sự phát triển và khả năng tồn tại của tế bào Ở mật độ tế bào cao, các tế bào trong vùng phát triển nhận được ánh sáng tối đa, trong khi

khí có tầm quan trọng hàng đầu vì không khí chứa nguồn cacbon cho quá trình quang

hạn như với tỷ lệ 1% thể tích không khí) Bổ sung CO2 hơn nữa còn đệm nước chống

2.1.4.5 Carbon và chất dinh dưỡng

Carbon là chất dinh dưỡng chính mà nó cần được cung cấp vì rất cần thiết cho quá trình quang hợp, vì vậy ảnh hưởng đến sự phát triển và sinh sản của tảo Hầu hết các loài vi tảo có thể tận dụng cả cacbon vô cơ và hữu cơ Khi được chiếu sáng, vi tảo sử

độ pH Carbon được cố định bởi tảo sẽ được sử dụng cho quá trình hô hấp, được coi như một nguồn năng lượng hoặc là nguyên liệu thô để hình thành các tế bào bổ sung (Borowitzka & Borowitzka, 1990) Tảo cần một nguồn cacbon vô cơ để thực hiện quang hợp Thông qua quá trình quang hợp, vi tảo tiêu thụ nitơ và phốt pho, sau khi

nào trong số này tùy thuộc vào độ pH, nhiệt độ và hàm lượng chất dinh dưỡng:

Carbon vô cơ và pH có quan hệ mật thiết với nhau Khi pH tăng, cacbonat tăng trong

còn lại là bicarbonate (Juneja, Ceballos, & Murthy, 2013)

Là một chất dinh dưỡng thiết yếu, nitơ là yếu tố quan trọng thứ hai đối với sự phát triển của vi tảo vì nó chiếm 10% sinh khối tảo (Becker, 2007) Nitơ là thành phần thiết yếu của tất cả các protein cấu trúc và chức năng trong tế bào tảo và chiếm 7 – 20% trọng lượng khô của tế bào Hu et al (2018) Vi tảo có thể sử dụng nhiều dạng

trong nuôi tảo bao gồm tăng cường sinh tổng hợp và tích tụ lipid và chất béo trung tính đồng thời với việc giảm hàm lượng protein (Juneja, Ceballos, & Murthy, 2013) Phốt pho là thành phần thiết yếu quan trọng cho sự phát triển bình thường của tế bào tảo và chiếm 1% trọng lượng khô của tảo Sự hạn chế phốt pho có thể làm giảm quá trình tổng hợp và tái tạo chất nền trong chu trình Calvin-Benson và giảm tỷ lệ sử dụng ánh sáng cần thiết cho quá trình cố định carbon Nó cũng dẫn đến sự tích lũy của lipid Hơn nữa, việc bỏ đói phốt pho làm giảm hàm lượng chất diệp lục và protein, do đó làm tăng hàm lượng carbohydrate tương đối trong tế bào tảo (Juneja, Ceballos,

thụ thêm dạng phốt pho cho đến khi chúng được chuyển hóa bởi enzym ngoại bào

2.1.4.6 Môi trường nước thải

Trong môi trường nước thải, quần xã vi sinh vật và vi khuẩn rất đa dạng Một số vi sinh vật có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của các loài khác Vì vậy, ô nhiễm môi trường do vi khuẩn gây ra là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của vi tảo Hệ thống nuôi hở dễ bị nhiễm bẩn hơn hệ thống kín Đồng thời, tảo có xu hướng tạo ra nhiều chất ô nhiễm hóa học hơn từ môi trường sinh trưởng Sinh khối bị ô nhiễm bởi chất độc có thể không thích hợp cho người hoặc

bao gồm tảo, nấm, men, nấm và vi khuẩn Sự hiện diện của chúng trong môi trường nuôi cấy có thể dẫn đến sự phát triển không ổn định Các nỗ lực nuôi cấy một số loài vi tảo trong mương đã thất bại, vì các nền nuôi bị phá hủy do động vật nguyên sinh ăn và bị nhiễm bẩn bởi các loài tảo khác (Mata, Martins, & Caetano, 2010) Do đó, cần phát triển đồng nuôi cấy hệ vi tảo-vi khuẩn để ứng dụng khả thi trong XLNT và sản xuất sinh khối cho các sản phẩm có giá trị gia tăng (nhiên liệu sinh học, năng lượng sinh học)

Với những đặc điểm nêu trên nghiên cứu này sẽ sử dụng chủng Chlorella vulgaris

ứng dụng xử lý nước thải và sản xuất sinh khối bằng công nghệ màng sinh học tảo quay Hệ thống sử dụng ánh sáng tự nhiên tiết kiệm năng lượng, nhiệt độ 27 - 30℃, pH từ 7 – 8, môi trường nước thải sau xử lý kỵ khí chứa nguồn dinh dưỡng, chất hữu cơ và các nguyên tố vi lượng giúp tảo phát triển

2.2 Đồng nuôi cấy vi tảo và vi khuẩn

Trong một hệ thống đồng nuôi cấy vi tảo và vi khuẩn, cả hai sẽ tương tác với nhau và ảnh hưởng đến sự phát triển tương ứng của chúng Để đơn giản hóa, vi tảo sẽ sử

khối trong quá trình này Mặt khác, vi khuẩn sẽ sử dụng oxy như chất nhận điện tử

hô hấp hiếu khí Các phản ứng đơn giản của hai quá trình này có thể được tìm thấy dưới đây:

Hô hấp hiếu khí cần oxy, thực sự được tạo ra bởi quá trình quang hợp Quá trình

khuẩn đều mang các hợp chất hóa học cần thiết cho nhau và do đó có sự cộng sinh Đây là lý do tại sao không cần sục khí trong bể phản ứng quang sinh học có chứa

bày sự cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn và các đầu ra cho sinh khối thu hồi

Hình 2.3 Tương tác cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn Gutzeit et al (2005) Tuy nhiên, sự tương tác giữa vi tảo và vi khuẩn phức tạp hơn sự trao đổi chất dinh dưỡng đơn giản Ví dụ, vi khuẩn có thể sử dụng vi tảo làm môi trường sống, được bảo vệ khỏi các điều kiện môi trường khó khăn Hơn nữa, nó đã được chứng minh rằng sự phát triển của vi khuẩn và vi tảo đã giải phóng các chất cao phân tử ngoại

Simões, 2017) Mặt khác, cả hai môi trường cũng có thể có những tác động tiêu cực đến nhau Ví dụ, quá trình quang hợp sẽ làm tăng độ pH và nhiệt độ của môi trường thủy sinh, có thể có tác động tiêu cực đến sự phát triển của vi khuẩn Hơn nữa, vi khuẩn có thể bài tiết các chất chuyển hóa có tác dụng diệt khuẩn (Gonçalves, Pires, & Simões, 2017)

Nhìn chung, rất nhiều tương tác xảy ra giữa các cộng đồng vi khuẩn và tảo rất phức tạp, bất chấp tất cả các nghiên cứu được thực hiện về chủ đề này Ưu điểm chính của việc kết hợp vi tảo và vi khuẩn để XLNT là (1) thực tế là không cần sục khí, vì vi tảo

sự phát thải khí nhà kính xảy ra trong bể bùn hoạt tính

XLNT bằng phương pháp đồng nuôi cấy đã được nghiên cứu tiến hành nhiều cho kết quả đầy hứa hẹn với hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng và COD cao Hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng phụ thuộc vào nhiều yếu tố đa dạng, chẳng hạn như loài vi sinh vật, cấu hình hệ thống, chế độ vận hành, nguồn và thành phần nước thải, trong số những yếu tố khác Sự thay đổi cấu hình này gây khó khăn cho việc so sánh các nghiên cứu khác nhau và kết quả của chúng về COD và hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng Các phần tiếp theo sẽ liệt kê và so sánh một số kết quả nghiên cứu trước đây về hiệu quả khử COD, nitơ và phốt pho

2.2.1 Hiệu quả loại bỏ COD

Trong các nhà máy XLNT thông thường, chất hữu cơ được vi khuẩn dị dưỡng sử dụng làm nguồn cacbon cho sự phát triển của chúng Vi tảo được coi là sinh vật

carbon cho sự phát triển của chúng Do đó, việc loại bỏ COD trong hệ thống đồng nuôi cấy sẽ chỉ được coi là nhiệm vụ của vi khuẩn Tuy nhiên, người ta đã chỉ ra rằng một số loài vi tảo có thể thích nghi với các điều kiện môi trường đa dạng và sử dụng chất hữu cơ làm nguồn cacbon cho sự phát triển của chúng Nhiều nghiên cứu đã khảo sát hiệu quả loại bỏ COD của đồng nuôi cấy để biết thêm về vai trò của cả vi tảo và vi khuẩn

Hiệu quả loại bỏ nhu cầu oxy hóa học cao (86 – 98%), bằng cách áp dụng chế độ dãy tuần tự chu kỳ 24 giờ trong bể phản ứng quang sinh học và cường độ ánh sáng 235

Thu được hiệu quả xử lý COD có giá trị tương tự (95%) đối với các tỷ lệ vi tảo khác nhau và kết luận rằng thông số này không ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD Chỉ có tảo cho thấy hiệu quả xử lý COD là 66 ± 6%, trong khi chỉ có bùn hoạt tính 73,6 ± 5,1%, chứng tỏ tiềm năng xử lý nước đồng nuôi cấy so với chỉ bùn hoạt tính hoặc xử lý vi tảo Hơn nữa, Zhu và cộng sự đã XLNT có tỷ lệ COD/N thấp (4.3) và kết

quả là hiệu quả loại bỏ COD là 83,8%; 79,7% và 82,7% trong bùn hoạt tính, Chlorella

sự đã loại bỏ lần lượt 96,1% và 95,2% trong các bể phản ứng được chiếu sáng và không được chiếu sáng Huang et al (2015)

Cuối cùng, Gonçalves và cộng sự đã tổng quan tài liệu của họ rằng các hệ thống đồng nuôi cấy có thể đạt hiệu quả loại bỏ COD thường cao hơn 80%, tùy thuộc vào điều kiện vận hành, nồng độ sinh khối ban đầu và nồng độ COD Mặc dù chất hữu cơ có

thể được sử dụng bởi vi khuẩn hiếu khí hoặc bởi quá trình chuyển hóa dị dưỡng của một số vi tảo hỗn hợp, nhưng bùn hoạt tính dường như kín một vai trò quan trọng hơn nhiều trong việc loại bỏ COD, vì sự hiện diện của vi tảo trong quá trình xử lý dường như không làm thay đổi đáng kể việc loại bỏ COD hiệu quả (Gonçalves, Pires, & Simões, 2017)

2.2.2 Hiệu quả loại bỏ nitơ

Trong môi trường đồng nuôi cấy, các hợp chất nitơ có trong môi trường nước có thể được loại bỏ bằng cách (1) đồng hóa thành sinh khối vi tảo, (2) nitrat hóa và khử nitơ

vi tảo, vì nó bao gồm vật liệu di truyền, các enzym, protein, hormone, vitamin,

hóa amoniac (AOB) và vi khuẩn ôxy hóa nitrit (NOB) thu được năng lượng thông qua quá trình nitrat hóa bằng cách sử dụng các hợp chất nitơ vô cơ làm chất cho điện

để tìm hiểu quá trình loại bỏ nitơ

Đồng nuôi cấy tiếp xúc với ánh sáng kém hiệu quả hơn trong việc loại bỏ amoni so

loại bỏ gần như hoàn toàn (99%) sau 10 ngày không tiếp xúc với ánh sáng và sau 40 ngày tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên, bắt đầu với nồng độ 100 (mg/L) Leong và cộng sự đã thử tỷ lệ khác nhau bùn hoạt tính: vi tảo (AS:MA) để XLNT và phát hiện ra rằng hiệu quả loại bỏ nitơ tăng lên với tỷ lệ vi tảo cao hơn Kết quả đạt 96,59 ± 0,37% và 97,58 ± 0,26% với AS:MA lần lượt là 1:0,75 và 1:1 Kết luận của ông là các hệ thống đồng nuôi cấy rõ ràng cho thấy hiệu quả loại bỏ nitơ cao hơn so với các hệ thống chỉ vi tảo hoặc vi khuẩn Hơn nữa, ông đề xuất rằng COD phân hủy sinh học cần thiết cho quá trình khử nitơ có thể là sinh khối vi tảo đã phân hủy có trong đồng nuôi cấy, do đó tiết kiệm chi phí đắt đỏ của việc bổ sung nguồn COD bổ sung Leong et al (2018)

phản ứng phát hiện ra rằng đối với 91% hiệu suất loại bỏ nitơ trong bể phản ứng hiệu suất cao nhất của ông (tảo/bùn hoạt tính = 5), 60% là sự đồng hóa thành sinh

loại bỏ nitơ thấp nhất bằng phương pháp đồng nuôi cấy là 58,6%, cao hơn so với chỉ nuôi cấy bùn (18,6%) và chỉ nuôi tảo (41,7%) Meng et al (2019)

2.2.3 Hiệu quả loại bỏ phốt pho

Phốt pho là một chất dinh dưỡng thiết yếu trong quá trình phát triển của vi tảo Các hợp chất phốt pho có thể được loại bỏ khỏi môi trường nước bằng cách (1) đồng hóa thành sinh khối vi tảo, (2) hoạt động của các vi sinh vật tích lũy polyphosphate (PAO)

Pires, & Simões, 2017) POA có khả năng tiêu thụ các hợp chất cacbon đơn giản (nguồn năng lượng) mà không cần sự hiện diện của chất nhận điện tử bên ngoài (như nitrat hoặc oxy) Nhiều nghiên cứu đã quan tâm đến hiệu quả và cơ chế loại bỏ phốt pho, cũng như ảnh hưởng của các thông số vận hành

Hiệu quả loại bỏ tổng phốtpho (TP) tăng lên khi cường độ ánh sáng mạnh hơn (42%

do tảo phát triển nhanh hơn Huang và cộng sự (2015) đã quan sát thấy rằng sự phát triển của tảo có thể ảnh hưởng đến hoạt động của NOB (quá trình nitrat hóa), dẫn đến tích lũy axit nitơ tự do (FNA) và ức chế PAO sau đó Meng et al (2019)

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ bùn hoạt tính/vi tảo (AS/MA) và đạt được 92% và 89% loại bỏ phosphate với tỷ lệ AS/MA tương ứng là 0,5 và 1 Lee et al (2015) Hiệu suất loại bỏ phốt pho là 93,5% với tỷ lệ vi tảo/bùn là 5, cho thấy hiệu suất xử lý tốt hơn so với hệ thống tảo chỉ (54,4%) và chỉ bùn hoạt tính (10,6%) Khả năng loại bỏ phốt pho của bùn phụ thuộc vào sự hiện diện của POA Quá trình quang hợp của tảo

khí (Su, Mennerich, & Urban, 2012)

Hơn nữa, Hiệu suất loại bỏ phốtpho là 95% và cho rằng sự đồng hóa phốt pho bởi

thống đồng nuôi cấy đạt hiệu suất loại bỏ phốt pho cao hơn so với chỉ vi khuẩn hoặc hệ thống vi tảo Tác giả cũng đề cập đến một cơ chế quan trọng khác để hiểu được sự giảm hoặc tăng nồng độ phốt pho trong môi trường thủy sinh: một số loài vi khuẩn có thể đồng hóa và lưu trữ phốt phát ở dạng polyphotphat trong môi trường hiếu khí, và giải phóng chúng từ sinh khối vào môi trường trong môi trường kỵ khí, do đó làm tăng nồng độ phốt pho trong môi trường Zhu et al (2019) Tóm lại, đã liệt kê kết quả từ các nghiên cứu trước đây trong tổng quan tài liệu của cô ấy, và xác nhận tiềm năng

tuyệt vời trong việc loại bỏ phốt pho bằng hệ thống đồng nuôi cấy (Gonçalves, Pires, & Simões, 2017)

Qua đó cho thấy khả năng cộng sinh vi tảo và vi khuẩn nhằm tăng hiệu xử lý COD, N, P có trong nước thải Tuy nhiên nghiên cứu này xem xét mối quan hệ cộng sinh chúng một cách tự nhiên, vi khuẩn hình thành tự nhiên trong hệ thống không cấy thêm bùn vào Để đánh giá khả năng cộng sinh của chúng so với nghiên cứu cấy bùn vào hệ thống

2.3.1 Hồ ổn định nước thải (Wastewater stabilization ponds)

Nước thải được xử lý đơn giản bằng biện pháp sinh học trong một khoảng thời gian Nó là một cái mương cạn không khuấy trộn Các bước lọc tự nhiên diễn ra trong các hồ ổn định bao gồm nhiều loại sinh vật làm việc cùng nhau để hấp thụ các chất ô nhiễm Vi khuẩn hiếu khí hoạt động gần bề mặt và vi khuẩn kỵ khí ở dưới đáy, chúng phân hủy các chất ô nhiễm thành các hợp chất đơn giản sau đó đồng hóa chúng và sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng cho sự phát triển tế bào của chúng Các loại tảo

thải ra do quá trình hô hấp của vi khuẩn Hồ ổn định được sử dụng rộng rãi vì chúng đơn giản trong thiết kế và vận hành, kinh tế và đạt được mức xử lý tốt Tuy nhiên, ao ổn định có nhược điểm là có tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải cao (Bich et al (1999); Craggs et al (1997))

2.3.2 Hồ nuôi tảo cao tải (High rate algae ponds – HRAP)

HRAP là các ao ổn định nước thải bao gồm việc khuấy trộn đơn giản và xáo trộn trong ao để kiểm soát dòng chảy thủy lực HRAP là ao mương có độ sâu từ 0,2 đến 1 m Guồng nước là thiết bị trộn thường được sử dụng với vận tốc nước nằm ngang khoảng 5 - 20 (cm/s) Trộn tốc độ cao không được khuyến khích vì nó làm hỏng tế bào tảo (Borowitzka et al (1998); Benemann et al (1979)) Các ao mương có thể có một vòng lặp hoặc nhiều vòng quanh các bức tường ngăn trung tâm và chúng có thể

có đáy lót tùy thuộc vào điều kiện đất bên dưới Vi khuẩn dị dưỡng và tảo quang hợp

giúp trộn lẫn trong ao

2.3.3 Bể phản ứng quang sinh học (Photobioreactors - PBRs)

PBRs là một hệ thống khép kín nhằm mục đích nuôi cấy vi tảo để sản xuất thương mại chứ không phải cho mục đích XLNT Không giống như các hệ thống hở (ví dụ: hồ ổn định và HRAP), các bể phản ứng quang sinh học có thể được kiểm soát để tăng cường và tăng năng suất tảo Bể phản ứng hình ống là thiết kế phổ biến nhất và chúng bao gồm các PBR hình trụ, khí được đưa vào ở dưới lên của các cột Các bể phản ứng khác là bể phản ứng dạng tấm phẳng và bể phản ứng kiểu bể lên men Photobioreactors được cung cấp với các điều kiện môi trường được thiết kế như truyền khí, trộn, chiếu sáng, mức dinh dưỡng, nhiệt độ và kiểm soát độ pH

Bảng 2.3 Phương pháp XLNT dựa trên vi tảo và các loại nước thải khác nhau Nước

thải

Chủng vi tảo

Hệ thống xử lý

Hiệu quả xử lý

Tài liệu tham khảo

Nước thải sinh hoạt

Hỗn hợp tảo phát triển tự nhiên trong nước thải

HRAP, khả năng loại bỏ P và keo tụ tảo được tăng cường bằng cách bổ sung CaO lên đến 60mg/L, T = 10 - 25 ℃

Tỷ lệ loại bỏ 99% PO4

3 P, 90% NH3-N, 85% COD và tảo loại bỏ là 95% sau khi lắng trong 24h và 60% sau khi lắng 1 giờ

(Nurdogan and Oswald, 1995)

Nước thải từ nhà máy luyện thép

Chlorella vulgaris

Không đề cập, T = 27 ℃

Tốc độ loại bỏ 26g CO2

m3/h và 0,92g NH3 m3/h Yun et al (1997)

Nước thải từ nhà máy dệt

Chlorella vulgaris

HRAP chứa thuốc nhuộm dệt,

Thời gian nuôi: 10 ngày,

T = 25 ℃

Tỷ lệ loại bỏ 44,4–45,1% NH4–N, 33,1–33,3% PO43--P và 38,3–62,3% COD

Lim et al (2010)

Nước thải chế biến đậu nành

Chlorella pyrenoidosa

Cấy lô và nuôi theo lô,

T = 27 ± 1 ℃, Thời gian nuôi: 120 giờ

Tỷ lệ loại bỏ 77,8 ± 5,7% sCOD; 88,8 ± 1% TN; 89,1 ± 0,6% NH4-N và 70,3 ± 11,4% TP

Hongyang et al, (2011)

Nước thải

Chủng vi tảo

Hệ thống xử lý

Hiệu quả xử lý

Tài liệu tham khảo

Nước thải sinh hoạt

Tảo sinh ra trong nước thải

Bể PBRs trong bể khuấy trong 10 ngày và tỷ lệ trộn 5:1 (tảo/ bùn), T = 23 ℃

Tỷ lệ loại bỏ 91 ± 7% TN và 93,5 ± 2,5% TP

Su et al (2012)

Nước thải chăn nuôi lợn

Scenedesmus obliquus

Cấy mẻ trong 40 ngày, T

= 25 ℃ Loại bỏ 155 mgTN và 4 mg TP trên mỗi gam tảo khô

Ji et al (2013)

Nước thải sinh hoạt sơ cấp và thứ cấp

Dòng tảo nước

ngọt

Desmodesmus Communis

Nuôi cấy bán liên tục được vận hành trong 7 ngày ở HRT 5; 3 và 1,5 ngày, T = 18 - 25 ℃

Loại bỏ NH3-N và PO43--P là hơn 99%

Samorì et al (2014)

Qua đó cho thấy tình hình XLNT sử dụng vi tảo ngày càng áp dụng rộng rãi với nhiều công nghệ khác nhau Các công nghệ nêu trên còn số hạn chế về giá thành cao trong thu hoạch sinh khối lơ lửng Chính vì vậy hệ thống màng sinh học tảo giải quyết vấn đề trên

2.4 Hệ thống màng sinh học tảo

2.4.1 Cơ chế hình thành màng sinh học tảo

Mặc dù cấu trúc và hình dạng của hệ thống màng sinh học vi tảo có thể rất khác nhau, nhưng công nghệ cốt lõi là hình thành màng sinh học bằng cách gắn vi tảo để sản xuất sinh khối Nói chung, sự hình thành màng sinh học tảo bao gồm hai bước: sự gắn kết ban đầu của vi tảo trên vật liệu và sự dày lên của màng sinh học (Hình 2.4)

Sự gắn kết ban đầu của vi tảo

Có thể quan sát thấy sự gắn kết ban đầu của vi tảo khi vật liệu được nhúng vào môi trường nuôi cấy tảo Wang et al (2018) Thông thường, sự hấp phụ của các tế bào tảo trên vật liệu xảy ra khi các tương tác tĩnh điện đẩy bị ức chế bởi các tương tác hấp dẫn Van der Waals và axit-bazơ (Cui & Yuan, 2013) Các nghiên cứu trước đây báo cáo rằng tương tác hấp dẫn Van der Waals có hiệu quả ở khoảng cách phân tách ngắn hơn trong khi tương tác axit-bazơ hấp dẫn chiếm ưu thế ở khoảng cách phân tách lớn hơn Vật liệu có thể được rửa sạch một cách dễ dàng Do đó, các vật liệu nền có bề mặt nhám hơn và nhiều vị trí liên kết hơn nên được sử dụng để hình thành màng sinh học tảo Trong thực tế, các thông số vật lý được kiểm tra để đánh giá các đặc tính của

vật liệu nền bao gồm năng lượng tự do bề mặt, độ nhám và góc tiếp xúc (Cui & Yuan, 2013)

Ngoài các đặc tính vật lý của vật liệu nền, các điều kiện bên ngoài có thể ảnh hưởng đến sự gắn kết ban đầu của vi tảo Ví dụ, Mohd-Sahib phát hiện ra rằng pH của môi trường nuôi cấy có thể xác định thế zeta và ảnh hưởng hơn nữa đến sự gắn kết ban đầu của vi tảo trên một số vật liệu bám dính nhất định Mohd-Sahib et al (2018) Khi các giá trị pH là 3, 5, 7 và 9, tỷ lệ hình thành gắn kết sớm đạt 1,87; 2,07; 1,68 và 1,02 (mg/g.phút) tương ứng, cho thấy rằng giá trị pH tối ưu để vi tảo bám vào vật liệu hỗ trợ bọt polyurethane nên vào khoảng 5,43 Cơ chế chính của hiện tượng này là giá trị pH của môi trường nuôi cấy có thể xác định trực tiếp sự ion hóa của chức năng nhóm trên bề mặt tế bào và điện tích bề mặt của tế bào tảo Trong một số trường hợp, sự gắn kết ban đầu của vi tảo có thể bị tác động bởi khu vực vi khuẩn trên vật liệu bám dính Hodoki báo cáo rằng sự di cư của vi tảo từ pha nước đến tầng dưới tỷ lệ thuận với mật độ vi khuẩn bám trên tất cả các tầng nền (Hodoki, 2005)

Do đó, trong một ứng dụng thực tế, để thúc đẩy sự gắn kết ban đầu của các tế bào tảo trên vật liệu bám dính, các nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên có thể chọn vật liệu nền thích hợp, tạo điều kiện bên ngoài thuận lợi và điều chỉnh mật độ vi sinh vật trên vật liệu bám dính

Sự dày lên của màng sinh học

Sự dày lên của màng sinh học, đề cập đến sự phát triển của màng sinh học trưởng thành bằng cách sinh sản của vi sinh vật, trên vật liệu bám dính có liên quan đến các quá trình sinh hóa phức tạp, chẳng hạn như sự xâm nhập của vi khuẩn, tương tác giữa tảo và vi khuẩn và bài tiết các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) (Wang et al (2018);

nghiệp, trên thực tế không khả thi để tạo ra một môi trường axenic Do đó, sự phát triển của tảo trên vật liệu bám dính đi kèm với sự xâm nhập của vi khuẩn Theo đó, tương tác giữa tảo và vi khuẩn trong nước thải và tương tác giữa tảo và vi khuẩn trong không khí là không thể tránh khỏi trong quá trình dày lên của màng sinh học Do đó, thuật ngữ 'màng sinh học vi tảo' được định nghĩa là màng sinh học chiếm ưu thế của tảo, trong đó một lượng nhỏ vi khuẩn cũng có thể tồn tại Wang et al (2018) Vi tảo và vi khuẩn trên vật liệu bám dính có thể tiết ra EPS, có thể hoạt động như một chất "keo" để thúc đẩy sự kết dính của các tế bào tảo Các thành phần chính của EPS là protein và polysaccharid, đôi khi axit nucleic và lipid cũng được bao gồm trong chất nền EPS Schultze et al (2015) Các chức năng chính của EPS là tạo ra

một polyme mạng lưới và duy trì sự ổn định cơ học của ma trận, thúc đẩy sự hình

được bảo vệ bởi EPS thể hiện khả năng chống lại các điều kiện căng thẳng của môi trường, chẳng hạn như nhiệt, khô, giảm áp và tia cực tím Các nghiên cứu gần đây đã báo cáo rằng các thành phần của EPS có thể kín các vai trò khác nhau trong sự

polysaccharid tích điện và protein có thể tác động đến sự hấp thụ các hợp chất hữu cơ và ion vô cơ, xác định thêm thành phần của màng sinh học tảo Bên cạnh đó, polysaccharid và protein ảnh hưởng đến khả năng giữ nước và sự kết dính của màng sinh học, trong khi lipid kín vai trò như chất hoạt động bề mặt (Xiao & Zheng, 2016) Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và thành phần của EPS bao gồm chủng vi khuẩn, chủng tảo, độ chiếu sáng, nhiệt độ, chất dinh dưỡng trong môi trường nuôi cấy Do đó, với mục đích hình thành màng sinh học tảo, các nỗ lực cần được dành cho việc sàng lọc các chủng tảo, kiểm soát cộng đồng vi khuẩn, chiếu sáng và điều chỉnh nhiệt độ cũng như cung cấp chất dinh dưỡng

Với sự gia tăng độ dày lớp màng sinh học trên vật liệu bám dính, vi tảo nằm trong các lớp màng sinh học khác nhau có thể có các mô hình dinh dưỡng và chuyển hóa khác nhau Theo báo cáo của Schnurr và Allen, vi tảo nằm ở lớp ngoài của màng sinh học thực hiện quang hợp trong điều kiện được chiếu sáng, trong khi vi tảo ở lớp trong của màng sinh học thực hiện quá trình trao đổi chất dị dưỡng Schnurr et al (2015) Do đó, cả sự chiếu sáng và chất dinh dưỡng từ nước thải đều góp phần vào sự phát triển và sinh sản của vi tảo ảnh hưởng đến sự hình thành màng sinh học tảo Schnurr et al (2015) Ngoài ra, có thể có mối quan hệ cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn trong việc hình thành màng sinh học Cụ thể, tảo nằm ở lớp bên trong và vi khuẩn có thể phân hủy các chất hữu cơ rắn trong môi trường nuôi cấy hoặc nước thải, và giải

hợp Các mối quan hệ hiệp đồng dựa trên sự chuyển giao khối lượng giữa tảo và vi khuẩn có lợi cho sự dày lên của màng sinh học

Hình 2.4 Hình thành màng sinh học tảo và các cơ chế liên quan Wang et al (2018)

EPS do vi sinh vật tiết ra

Như đã thảo luận ở trên, EPS được tiết ra bởi các vi sinh vật gắn với vật liệu bám dính kín một vai trò quan trọng trong việc làm dày màng sinh học Để chứng minh rõ ràng sự thay đổi cấu trúc vi mô trong quá trình hình thành màng sinh học, các nghiên cứu trước đây đã xác định các thành phần cụ thể của EPS và khám phá các điều kiện gây ra sự tiết EPS ở nồng độ muối thúc đẩy sự tiết EPS (Mishra & Jha, 2009) Khi nồng độ muối là 3 (mol/L), tỷ lệ phần trăm tối đa của monosaccharide,

Jha, 2009) Ngoài Dunaliella salina, một số loại khác Các chủng tảo, chẳng hạn như

Odontella aurita, Porphyridium cruentum, Arthrospira platensis và Chlorella

axit uronic trong EPS của Chlorella vulgaris chủ yếu bao gồm glucose, galactose, arabinose, rhamnose, mannose, fucose, xylose , axit galacturonic và axit glucuronic Bernaerts et al (2018) Các nghiên cứu trước đây đã xác định một số chủng vi khuẩn

có năng suất EPS cao Ví dụ, Serratia sp có thể tạo ra EPS liên kết lỏng lẻo với tốc

độ 2,45 (g/L) trong 48 giờ lên men Bezawada et al (2013) Do đó, các chiến lược có thể được áp dụng để tạo ra sự tiết EPS của vi tảo và vi khuẩn để hình thành màng sinh học