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 q
TỔNG QUAN
Tổng quan vi tảo
Chlorella vulgaris là một loài vi tảo thuộc bộ Chlorococcales, thuộc họ Oocytaceae, thuộc chi Chlorella, có màu xanh lục do lục lạp chứa trong nó Hình dạng của nó là hình cầu với kích thước thay đổi từ 1 đến 10 micron (Hình 2.1) Ngoài chất diệp lục, những vi tảo này còn chứa một lượng đáng kể protein nội bào, carbohydrate, lipid, vitamin C, β-carotenes và vitamin B (B1, B2, B6 và B12), đó là lý do tại sao nó thường được sử dụng để điều chế thực phẩm bổ sung, cũng như để sản xuất mỹ phẩm, điều trị lâm sàng và thậm chí để khử độc kim loại nặng trong nước thải 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,
7 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)
2.1.2.2Giảm CO 2 Đốt nhiên liệu hóa thạch đã góp phần vào việc phát thải khí nhà kính (chủ yếu là
CO2) và biến đổi khí hậu nghiêm trọng trong những năm gần đây Cheah et al (2015)
Do đó, các giải pháp thay thế nhằm giảm lượng khí thải CO2 đã được các trung tâm nghiên cứu trên thế giới chú ý Trong vài năm tới, việc sử dụng vi tảo như một phương pháp sinh học đã tạo ra tiềm năng lớn để giảm CO2 bằng quá trình quang hợp CO2 được cố định vào thực vật và vi tảo thông qua quá trình quang hợp nên việc sản xuất nhiên liệu sinh học vi tảo có thể làm giảm lượng khí thải CO2 bằng cách đốt nhiên 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 kiện trong khoảng CO2 từ 10 đến 15% - nồng độ phổ biến trong quá trình đốt Tang et al (2018) Quá trình quang hợp của vi tảo được coi là một quá trình đơn giản và thích hợp cho chu trình O2 trên Trái đất Quá trình này đã cố định CO2 thành sinh 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
Vi tảo có thể tạo ra tỷ lệ oxy (O2) cao lên đến 9 (mg/L.m) thông qua quá trình quang hợp đối với các chất ô nhiễm hữu cơ hiếu khí (Su, Mennerich, & Urban, 2012) Trong quá trình quang hợp, vi tảo có thể tận dụng CO2 do vi khuẩn hiếu khí tạo ra từ quá 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
2.1.2.3Thực 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
9 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, 2010) Một số loại vi tảo thường được sử dụng trong thực phẩm chức năng: Nostoc,
Botryococcus, Anabaena, Chlorella, Chlamydomonas, Scenedesmus, 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
Ngoài công dụng chính là giảm phát thải CO2 và XLNT, tảo còn được ứng dụng vào 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)
2.1.2.5Sản 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
10 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 lý hóa của vật liệu Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Khalis (2018) để xem 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)
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 dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng và CO2 làm nguồn carbon và tạo ra oxy và sinh khối trong quá trình này Mặt khác, vi khuẩn sẽ sử dụng oxy như chất nhận điện tử và cacbon hữu cơ làm nguồn năng lượng để tạo ra CO2 và nước thông qua quá trình hô hấp hiếu khí Các phản ứng đơn giản của hai quá trình này có thể được tìm thấy dưới đây:
Quang hợp: 6CO2 + 6H2O + ánh sáng → C6H12O6 + 6O2 (2.4)
Hô hấp hiếu khí: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + nhiệt (2.5)
Hô hấp hiếu khí cần oxy, thực sự được tạo ra bởi quá trình quang hợp Quá trình quang hợp cần CO2, thực sự được tạo ra bởi quá trình hô hấp hiếu khí Vi tảo và vi 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 đồng nuôi cấy Sục khí cung cấp O2 và CO2 ở đây là không cần thiết Hình 2.3 trình 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 bào cú thể kớch thớch sự phỏt triển của cỏc loài khỏc nhau (Gonỗalves, Pires, & 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 cú thể bài tiết cỏc chất chuyển húa cú tỏc dụng diệt khuẩn (Gonỗalves, Pires,
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 và vi khuẩn trao đổi CO2 và O2 thông qua các hoạt động trao đổi chất của chúng, do đó giảm chi phí xử lý nhà máy, và (2) quá trình cố định CO2 của vi tảo, giúp loại bỏ 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
2.2.1Hiệu 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 quang dưỡng vì chúng sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng và CO2 làm nguồn 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 (àmol/ m 2 /s) Tiron et al (2017) Tricolici et al (2014) thu được 95 và 78% hiệu quả loại bỏ COD, cho cỏc giỏ trị cường độ ỏnh sỏng lần lượt là 360 và 820 (àmol/m 2 /s) 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 vulgaris và các hệ thống đồng nuôi cấy, tương ứng Zhu et al (2019) Huang và cộng 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 cựng, Gonỗalves và cộng sự đó tổng quan tài liệu của họ rằng cỏc 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
19 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 khụng làm thay đổi đỏng kể việc loại bỏ COD hiệu quả (Gonỗalves, Pires,
2.2.2Hiệu 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 bởi vi khuẩn, (3) cố định N2 trong khí quyển bởi vi tảo nhân sơ (cyanobacteria) và (4) tách NH4 bằng cách sục khí mạnh và pH cao Nitơ cần thiết cho sự phát triển của vi tảo, vì nó bao gồm vật liệu di truyền, các enzym, protein, hormone, vitamin, ancaloit, amit và các phân tử truyền năng lượng (Jia & Yuan, 2016) Vi khuẩn ôxy 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 tử Thông qua quá trình khử nitơ trong điều kiện thiếu khí, NO3 N bị khử và cuối cùng là nitơ phân tử (N2) được tạo ra Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện 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 với đồng nuôi cấy không tiếp xúc với ánh sáng Huang et al (2015) NH4 +-N được 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)
Loại bỏ 99% NH4 +-N và quan sát thấy rằng tiếp xúc với ánh sáng mạnh hơn 225 (àmol/m 2 /s) đó ức chế quỏ trỡnh oxy húa nitrit, gõy ra sự tớch tụ NO2 N trong cỏc bể 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 khối vi khuẩn tảo và nitrat hóa chỉ 4,6%; phần còn lại là có lẽ là NH4 +-N Hiệu suất
20 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)
2.2.3Hiệu 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) và (3) kết tủa húa học ở cỏc giỏ trị pH cao (> 8) và nồng độ oxy cao (Gonỗalves, 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% với 225 àmol/m 2 /s so với 31% khụng tiếp xỳc với ỏnh sỏng) và kết luận rằng đú là 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 có thể bị hạn chế trong hệ thống chỉ có tảo, vì thiếu nguồn cung cấp CO2 Thật vậy, không có bùn thải nào để giải phóng CO2 và nguồn cung cấp duy nhất là từ không khí (Su, Mennerich, & Urban, 2012)
Hơn nữa, Hiệu suất loại bỏ phốtpho là 95% và cho rằng sự đồng hóa phốt pho bởi sinh khối là cơ chế chính để loại bỏ phốt pho Zhang et al (2018) Kết quả của hệ 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
21 tuyệt vời trong việc loại bỏ phốt pho bằng hệ thống đồng nuụi cấy (Gonỗalves, Pires,
Qua đó cho thấy khả năng cộng sinh vi tảo và vi khuẩn nhằm tăng hiệu xử lý COD,
Hệ thống XLNT sử dụng vi tảo
Nhiều hệ thống XLNT dựa trên vi tảo đã được sử dụng bắt đầu từ các hồ ổn định đơn giản đến nâng cao hơn như HRAPs và hệ thống tảo hoạt tính (hệ thống môi trường vi tảo tập trung) McKinney et.al, (1971) Các hệ thống xử lý vi tảo được sử dụng rộng rãi nhất là hồ ổn định và HRAP Chúng là những hệ thống xử lý hở, dễ vận hành và chi phí thấp Vi tảo được sử dụng trong các hệ thống xử lý khác nhau cho các loại nước thải khác nhau như được chỉ ra trong Bảng 2.3
2.3.1Hồ 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 khác nhau cũng có trong ao và cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí và hấp thụ CO2 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))
2.3.2Hồ 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
22 có đáy lót tùy thuộc vào điều kiện đất bên dưới Vi khuẩn dị dưỡng và tảo quang hợp hoạt động cùng nhau trong ao để lọc nước thải Có thể bổ sung CO2, điều này cũng giúp trộn lẫn trong ao
2.3.3Bể 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
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,
Tỷ lệ loại bỏ 99% PO 4 3-
COD và tảo loại bỏ là 95% sau khi lắng trong 24h và 60% sau khi lắng
Nước thải từ nhà máy luyện thép
Chlorella vulgaris Không đề cập,
Tốc độ loại bỏ 26g CO 2 m 3 /h và 0,92g NH 3 m 3 /h Yun et al
Nước thải từ nhà máy dệt
Chlorella vulgaris HRAP chứa thuốc nhuộm dệt,
Nước thải chế biến đậu nành
Cấy lô và nuôi theo lô,
Tỷ lệ loại bỏ 77,8 ± 5,7% sCOD; 88,8 ± 1%
Tảo sinh ra trong nước thải
Bể PBRs trong bể khuấy trong 10 ngày và tỷ lệ trộn 5:1 (tảo/ bùn),
Tỷ lệ loại bỏ 91 ± 7% TN và 93,5 ± 2,5% TP
Nước thải chăn nuôi lợn
= 25 ℃ Loại bỏ 155 mgTN và 4 mg TP trên mỗi gam tảo khô
Nước thải sinh hoạt sơ cấp và thứ cấp
Nuôi cấy bán liên tục được vận hành trong 7 ngày ở HRT 5; 3 và 1,5 ngày, T = 18 - 25 ℃
Loại bỏ NH 3 -N và PO 4 3- -P là hơn 99%
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.
Hệ thống màng sinh học tảo
2.4.1Cơ 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
24 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); Moreno Osorio et al (2019)) Trong màng sinh học - XLNT dựa trên quy mô công 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
25 một polyme mạng lưới và duy trì sự ổn định cơ học của ma trận, thúc đẩy sự hình thành màng sinh học (Xiao & Zheng, 2016) Trong một số trường hợp, tế bào tảo 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 hình thành và hoạt động của màng sinh học tảo (Xiao & Zheng, 2016) Ví dụ, 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 phóng CO2 thông qua quá trình chuyển hóa dị dưỡng Đồng thời, vi tảo trên lớp ngoài của màng sinh học thu nhận CO2 và tạo ra O2 bằng các quá trình chuyển hóa quang 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, bao gồm glucose, fructose, xylose và galactose, trong EPS đã đạt được (Mishra & Jha, 2009) Ngoài Dunaliella salina, một số loại khác Các chủng tảo, chẳng hạn như
Odontella aurita, Porphyridium cruentum, Arthrospira platensis và Chlorella vulgaris, có thể tiết ra EPS Bernaerts et al (2018) Monosaccharide và thành phần 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
2.4.2Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành màng sinh học tảo
Trong ứng dụng thực tế, nhiều yếu tố, chẳng hạn như vật liệu màng, chủng tảo, nhiệt độ, ánh sáng và độ pH, có thể ảnh hưởng đến sự hình thành của màng sinh học tảo Trong phần này, sẽ thảo luận về ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến sự hình thành màng sinh học vi tảo
Tiêu chí lựa chọn và các yếu tố quan trọng: do tầm quan trọng của tương tác giữa tế bào-vật liệu bám dính đối với sự gắn kết ban đầu của vi tảo, các nghiên cứu trước đây đã kiểm tra tính khả thi của các vật liệu vật liệu bám dính khác nhau, chẳng hạn như sản phẩm sinh học tự nhiên, sản phẩm hóa học, sản phẩm kim loại, sản phẩm dệt và thủy tinh, trong cấu tạo màng sinh học (Bảng 2.4) Deantes-Espinosa và cộng sự cho biết rằng các vật liệu dễ kiếm, không độc hại và có thể tái sử dụng, với hiệu suất gắn kết tốt, có thể được sử dụng làm vật liệu bám dính của màng sinh học tảo Deantes-Espinosa et al (2019) Ngoài ra, chi phí và độ bền của vật liệu bám dính là những yếu tố quan trọng cần được xem xét ứng dụng của màng sinh học tảo
Như được trình bày trong Bảng 2.4, trong việc lựa chọn vật liệu nền thích hợp, các đặc tính được xem xét chủ yếu bao gồm độ nhám bề mặt, góc tiếp xúc, điểm không mang điện tích, năng lượng tự do trên bề mặt và đặc tính ưa nước/kỵ nước Theo quan điểm của các tác giả hiện tại, độ nhám bề mặt và đặc tính ưa nước/kỵ nước kín vai trò quan trọng trong sự tương tác giữa tảo và lớp nền Đầu tiên, độ nhám bề mặt xác định số lượng các vị trí liên kết trên lớp nền Do đó, các tế bào tảo có nhiều khả năng bị dính vào vật liệu thô hơn là vật liệu nhẵn Có một mối quan hệ tuyến tính giữa năng suất màng sinh học và độ nhám bề mặt lớp nền Zhang et al (2017) Zhang và cộng sự báo cáo rằng với sự gia tăng độ nhám bề mặt từ 0,07 lên 18,98 μm, năng suất sinh khối tăng từ 4,01 (g/m 2 ngày) (polymethyl methacrylate) lên 10,92 (g/m 2 ngày) (mùn cưa gỗ) Zhang et al (2017) Mối quan hệ giữa năng suất tảo trên màng sinh học và độ nhám bề mặt cũng được xác định bởi nghiên cứu của Sekar và cộng sự, phát hiện ra rằng sự gắn kết của vi tảo giảm dần với độ mịn ngày càng tăng Sekar et al (2004) Thứ hai, đặc tính ưa nước/kỵ nước quyết định lực giữa tế bào tảo và lớp nền trong giai đoạn kết dính ban đầu Zhang et al (2018) Thông thường, các vật liệu ưa nước có khả năng giữ chất lỏng tốt (Zhang et al (2017); Moliner et al (2016)) Vi tảo ưa nước có xu hướng gắn vào các bề mặt kỵ nước hơn là các bề mặt ưa nước (Tsavatopoulou & Manariotis, 2020) Trong nghiên cứu của Sekar và cộng sự đã sử dụng vật liệu thủy tinh và kim loại (lớp vật liệu cứng) để hình thành màng
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu được chia làm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1 thực hiện mục tiêu 1 khảo sát thông qua các tải trọng Nitơ lần lượt 0,01; 0,02; 0,03 (kgNitơ.m 3 /ngày) hoạt động trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ 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
Giai đoạn 2 thực hiện mục tiêu 2 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 1 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 nước thải sau xử lý kỵ khí Trong quá trình thí nghiệm, các thông số chất lượng nước (COD, TP, TKN, NH4 +-N, NO3 N, NO2 N); điều kiện môi trường nuôi cấy (pH, nhiệt độ, DO, mật độ thông lượng ánh sáng) và đánh giá sinh khối (TSS, sinh khối dựa trên chất diệp lục-a, kính hiển vi) đã được đo và phân tích Quá trình này có thể được mô tả như hình 3.1 sau đây
Hình 3.1 Nội dung nghiên cứu
Mô hình nghiên cứu
Cấu tạo hệ thống RAB được minh họa trong (Hình 3.2) Bể có kích thước: dài x rộng x cao = 1,4m x 0,6m x 0,3m Thể tích làm việc là 140 lít Cánh khuấy trục gồm 2 cánh đường kính 0,3m và rộng 0,15m Motor cánh khuấy tốc độ quay 16 vòng/phút
Hệ thống sử dụng vải polyeste làm vật liệu bám dính vì vật liệu này dễ tìm, giá thành rẻ, thân thiện với môi trường có năng suất sinh khối bám dính cao, được kéo căng xung quanh các trục truyền động để tạo thành một cấu hình tam giác cân có diện tích bề mặt 0,376 m 2 , có vận tốc đai 4cm/s Gross et al (2013) Vùng thấp nhất của vật liệu bám dính đặt chìm trong bể cách đáy 30mm để cung cấp chất dinh dưỡng, trong khi phần còn lại của vật liệu tiếp xúc với pha khí để tiếp cận trực tiếp với ánh sáng
Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế hệ thống RAB
Hệ thống RAB được cấy với mật độ vi tảo 1-2 g/L, luân chuyển bằng cánh khuấy Điều kiện vận hành hệ thống theo (Bảng 3.1)
Bảng 3.1 Điều kiện vận hành hệ thống Thông số vận hành Đơn vị Giai đoạn 1 Giai đoạn 2
Môi trường - Nước thải tổng hợp Nước thải sau xử lý kỵ khí Tải trọng Nito KgN.m³/ngày 0,01; 0,02; 0,03 0,02
Thời gian thu sinh khối Ngày 7
Thời gian lưu nước Ngày 7
Thể tích làm việc Lit 140 pH - 7.7 ± 0.2 Ánh sáng Lux 2170 – 11.960 750 – 6890
Tảo bám trên bề mặt băng tải trong 7 ngày Vào cuối 7 ngày, một lớp màng sinh học tảo dày được hình thành; thu hoạch sinh khối sử dụng tấm nhựa trong PVC quấn thành phễu, tảo sẽ chảy theo tấm nhựa vào Erlen 100mL (Hình 3.3) Sau khi cạo, các tế bào còn sót lại trên vật liệu sẽ được dùng làm chất cấy cho chu kỳ phát triển tế bào tiếp theo Bể được vận hành với thời gian lưu sinh khối (BRT) là 7 ngày
Hình 3.3 Thu hoạch tảo trên hệ thống RAB thực tế
Nghiên cứu này sử dụng nguồn vi tảo từ mô hình tạo hạt tảo bao gồm cộng hợp vi tảo và khuẩn Tổ hợp này được nuôi cấy trong cột thủy tinh 3,5 lít và sục khí liên tục trong môi trường tăng trưởng Bold’s Basal Medium (BBM) (Johnson et al (2017); Rippka et al (1979)), trong điều kiện không vô trùng trong một tháng trước khi thực hiện các thí nghiệm Môi trường tăng trưởng được thay 0,5 lít hàng ngày sau khi lắng sinh khối trong 30 phút, điều kiện ánh sáng tự nhiên
Bảng 3.2 Thành phần môi trường BBM (Bold (1949), (Bischoft & Bold, 1963))
Nồng độ Thể tích (mL)
Dung dịch vi lượng Nồng độ (g/L)
Dung dịch EDTA Nồng độ (g/L)
Dung dịch Fe Nồng độ (g/L)
Thành phần nước thải tổng hợp trong thí nghiệm được mô tả trong (Bảng 3.2) dựa trên thành phần nước thải tổng hợp của Huang et al (2015) nhưng đã được sửa đổi để phù hợp hơn Thành phần nước thải tổng hợp được pha theo tỉ lệ COD/N = 2, N:P
= 10 dựa theo các số liệu thực nghiệm nước thải sau kỵ khí
Nước thải sau kỵ khí ở giai đoạn 2 được lấy từ đầu ra của Bể sinh học màng kỵ khí hai giai đoạn (2S-AnMBR) đang triển khai ở Tp.HCM, Việt Nam Le et al (2022) được thể hiện (Bảng 3.4) Mô hình 2S-AnMBR đồng xử lý chất thải thực phẩm và nước thải nhà bếp căn tin trường Sử dụng công nghệ RAB nhằm thu hồi chất dinh dưỡng và sản xuất sinh khối
Bảng 3.3 Các thành phần của nước thải tổng hợp
Thành phần của dung dịch gốc nguyên tố vi lượng 1 ml/L: H3BO3: 11,4 g/L, MnCl2ã4H2O: 5,06 g/L, ZnSO4ã7H2O 22 g/L, CuSO4ã5H2O: 1,57 g/L, CoCl2ã6H2O: 1,61 g/L, (NH₄)₆Mo₇O₂₄.4H₂O: 1,1 g/L, Na2EDTA: 50g/L, CaCl₂ã2H₂O: 0,05 g/L, KOH: 16 g/L Zhu et al (2019b)
Bảng 3.4 Các thành phần của nước thải sau xử lý kỵ khí Le et al (2022)
Thông số Đơn vị Giá trị pH - 7,3 ± 0,3
Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và thu hoạch sinh khối bám dính
3.3.1Phương pháp lấy mẫu, phân tích mẫu và tần suất
Phương pháp phân tích mẫu, thiết bị sử dụng và tần suất được mô tả như (Bảng 3.5)
Bảng 3.5 Tần suất lấy mẫu và phương pháp phân tích
Chỉ tiêu Phương pháp Thiết bị Tần suất
Titrimetric Method Tủ 150 ℃ Hàng ngày
Tủ phá mẫu, Bộ chưng cất Kjeldahl
- N 4500–NO2 -B Colorimetric Method Máy Hach
Máy ly tâm, Tủ nung, Cân phân tích
Máy ly tâm, Máy Hach Lange DR3900
Hàng ngày pH 4500 - H⁺ B Electrometric Method pH-8424 Hàng ngày
DO TCVN 6492 – 2011 HI9146-04 Hàng ngày Độ kiềm 2320.B:2005 Alkalinity Method Hàng ngày
3.3.2Phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước thải
Nồng độ oxy hòa tan (DO) được đo bằng máy HI9146-04 và độ pH được đo bằng máy PH-8424 Cường độ ánh sáng được đo trực tiếp máy đo cường độ ánh sáng
Trước khi phân tích, 100 ml nước thải đầu vào được lấy trực tiếp trong bể sau khi cho 20 (L) nước thải vào bể khuấy trộn 5 phút và 100ml nước thải đầu ra được lấy trực tiếp trong bể, sau lắng 30 phút được lấy mỗi ngày và ở thời điểm gần cuối pha tối Các mẫu được ly tâm 3500 vòng/phút trong 10 phút sau đó được lọc qua giấy lọc
0,45 micron Mẫu sau lọc tiến hành phân tích các chỉ tiêu nước thải như COD, TP,
TKN, NH4 +-N, NO3 N, NO2 N, độ kiềm được phân tích theo phương pháp tiêu chuẩn (APHA, 2005)
3.3.3Phương pháp thu hoạch sinh khối
Gross et al (2013) báo cáo rằng thu hoạch sinh khối 5 - 7 ngày một lần cho năng suất sinh khối cao nhất so với các thời điểm thu hoạch khác trong hệ thống RAB Sinh khối tảo sau khi thu hoạch từ vật liệu cho vào cốc sấy 105 ºC trong vòng 24h, thu được sinh khối khô
Hình 3.4 Sinh khối tảo khô sau thu hoạch từ vật liệu bám dính
Đánh giá sự phát triển của tảo, năng suất sinh khối và hiệu quả thu hoạch
Sự phát triển của tảo trong hệ thống RAB được xác định bằng cách kết hợp sự phát triển trên vật liệu bám dính cũng như sự phát triển lơ lửng trong bể chứa Sự tăng trưởng lơ lửng được đánh giá bằng cách đo năng suất sinh khối dựa trên diện tích bề mặt bể chứa (Ppond) được biểu thị bằng Gross et al (2013):
C là nồng độ sinh khối (g/L);
V là thể tích chất lỏng (Lít);
Apond là diện tích bề mặt của mương (m 2 );
HRT là thời gian lưu nước (ngày)
Nồng độ sinh khối được xác định thông qua việc đo trọng lượng khô Cụ thể, 100 mL mẫu chất lỏng hỗn hợp được lấy mỗi ngày để phân tích Tất cả các mẫu được lọc bằng màng cú kớch thước lỗ 0,45 àm (Fisher Whatman puradisc-25mm), sau đú được làm khô ở 105 °C trong 2 giờ và sau đó được cân Sinh khối khô được xác định dựa trên sự thay đổi trọng lượng giữa các mẫu trước và sau khi lọc Đối với hệ thống đồng nuôi cấy, sinh khối khô bao gồm vi tảo và bùn hoạt tính (C = Cm + Cb) Trong đó C là tổng nồng độ sinh khối (g/L), Cm là nồng độ sinh khối vi tảo (g/L), Cb là nồng độ bùn hoạt tính (g/L) Đối với sinh khối vi tảo (Cm), nó được đo thông qua hàm lượng Chlorophyll-a chiết xuất từ tế bào vi tảo Hàm lượng chlorophyll-a được chiết xuất bằng dung dịch axeton Lee et al (2015) Đầu tiên, 40 mL mẫu được lấy từ hệ thống nuôi cấy tinh khiết hoặc đồng nuôi cấy được ly tâm ở 3500 vòng/phút trong 10 phút Sau khi loại bỏ phần nổi phía trên, các phần còn lại được trộn với dung dịch axeton 90% và 0,05 g CaCO3 và sau đó được vortex trong 1 phút Thứ hai, lơ lửng đó được bảo quản ở 4 °C trong 24 giờ trong bóng tối trước khi nó được ly tâm ở 3500 vòng/phút trong 10 phút để thu hồi phần nổi phía trên Những chất nổi này được sử dụng để xác định hàm lượng Chlorophyll-a Cụ thể, nồng độ Chlorophyll-a được đo bằng phép đo quang phổ tử ngoại dưới các bước sóng khác nhau: 630, 645, 663, 750, 772 và 850 nm Dung dịch axeton 90% được sử dụng làm mẫu trắng Nồng độ Chlorophyll-a của vi tảo trong hệ thống đồng nuôi cấy được tính toán theo công thức (3.2) Lee et al (2015):
Trong đó V là thể tích mẫu (L), V1 là thể tích dịch chiết gốc axeton (mL), OD (mật độ quang học) là độ hấp thụ ở bước sóng tương ứng và σ là đường quang học của cuvet (cm)
Chlorophyll-a của vi khuẩn quang hợp (cb, àg/L) được tớnh toỏn Lee et al (2015):
Sự phát triển của tảo kèm theo được đánh giá bằng hai tiêu chí: (3.4) năng suất sinh khối bề mặt (Psurface) dựa trên diện tích bề mặt của vật liệu bám dính và (3.5) năng suất sinh khối dấu chân (Pfootprint) dựa trên diện tích dấu chân của RAB hệ thống Chúng được đại diện bởi Gross et al (2013):
QRST ×J (3.5) Trong đó: Y là năng suất sinh khối trên một đơn vị diện tích bề mặt bám dính (g/m 2 ); t là thời gian nuôi cấy tế bào trước khi được thu hoạch từ vật liệu bám dính (ngày);
AS là diện tích bề mặt của vật liệu bám dính (m 2 )
Giá trị của Y được xác định bằng cách thu hoạch sinh khối (0,376 m 2 ) của màng sinh học và chia sinh khối cho khu vực này Tất cả các kết quả về năng suất sinh khối được báo cáo trong nghiên cứu này là sinh khối khô không có tro.
Đánh giá hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng
Một số thông số đã được xác định để đánh giá hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng bởi các bể phản ứng tảo, bao gồm tốc độ loại bỏ chất dinh dưỡng, hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng và khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng dựa trên mương và diện tích bề mặt Màng Các thông số được tính toán như sau:
Tốc độ loại bỏ chất dinh dưỡng (R, mg/L.ngày): thể hiện chất dinh dưỡng được loại bỏ trên một đơn vị thể tích bể phản ứng Gross et al (2013):
? : ( (3.6) Trong đó: \ 1 : nồng độ đầu vào (mg/L),
0\ 1: thể tích đầu vào (Lít),
0]^^ : thể tích nước thải đầu ra (Lít),
V: thể tích hoạt động của bể phản ứng (Lít),
T1 và T2 thời gian xử lý chất dinh dưỡng (ngày)
Hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng (E, %): thể hiện bao nhiêu phần trăm chất dinh dưỡng trong nước thải ban đầu được loại bỏ bởi bể phản ứng tảo Gross et al (2013):
Phương pháp xác định tổn thất nước do bay hơi trong hệ thống RAB
Lượng nước thất thoát được ghi lại hàng ngày thông qua thước được gắn trong bể Công thức tính thể tích thất thoát nước:
0 = !a 1 − a ( ∗ c (3.8) Trong đó: H1: chiều sâu ban đầu bể (184mm), H2: chiều sâu còn lại sau 1 ngày (mm) Apond là diện tích bề mặt của mương (0,76 m 2 );
Phương pháp xử lý số liệu
Phần mềm sử dụng xử lý số liệu: Ms Excel (2016).