Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Cộng hợp của tảo và vi khuẩn trong Membrane photobioreactor nhằm thu hồi dinh dưỡng từ nước tiểu

Nghiên cứu đã chứngminh hiệu quả cao trong việc tăng trưởng sinh khối và tốc độ loại bỏ dinh dưỡng,chất hữu cơ khi nước tiểu được sử dụng như một nguồn dinh dưỡng cho cộng hợp vị tảo - v

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

đ

CONG HOP CUA TAO VÀ VI KHUAN TRONGMEMBRANE PHOTOBIOREACTOR NHAM THU HOI

DINH DUONG TU NUOC TIEU

MEMBRANE PHOTOBIOREACTOR AND SYNERGISTIC

COOPERATION BETWEEN ALGAE AND BACTERIA FOR

NUTRIENT RECOVERY FROM URINE

Chuyén ngành: Kỹ thuật moi trường

Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHỌG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Xuân Thành

TS Nguyễn Công Nguyên

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Thi Kim Oanh

2 PGS.TS Mai Tuan Anh (UV)

3 PGS.TS Lê Thi Kim Oanh (PB1)4 PGS.TS Lê Hùng Anh (PB2)5 TS Huynh Khánh An (TK)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HỎ CHI MINH CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAMTRƯỜNG DAI HOC BACH KHOA Độc Lap — Tự Do — Hạnh Phúc

NHIEM VU LUAN VAN CAO HOC

Ho va tén : NGUYEN VAN THUAN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : / /199] Nơi sinh: Tây NinhChuyên ngành : Kỹ thuật môi trường MSHV: 1670871Khóa : 2016 - 2018

I TÊN DE TÀI: Cộng hợp của tao và vi khuẩn trong MembranePhotobioreactor nhằm thu hồi dinh dưỡng từ nước tiểu

I] NHIEM VỤ LUẬN VĂN:- _ Đánh giá tăng trưởng sinh khối Chlorella sp và hiệu quả thu hồi dinh dưỡng

TS Nguyễn Công Nguyên

CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CN BỘ MON QL CHUYEN NGANH

TRUONG KHOA QL NGANH

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, bên cạnh sự no lực của bảnthân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dan tận tình của Quý thay cô khoa Môitrường và Tài nguyên - Trường Dai học Bách Khoa Tp Hô Chi Minh

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Bùi Xuân Thành đã tận tình hướngdân và hỗ trợ rất nhiễu cho tôi trong suot qua trình thực hiện đề tài

Chân thành cảm ơn các Thay Cô và các anh chị Khoa Môi Trường và Tài nguyên Trưởng Đại học Bách Khoa Tp Hỗ Chi Minh, các bạn sinh viên (Thanh Thuy,Trung Tin, Hang và Thanh Huyễn) và các bạn sinh viên thực hiện nghiên cứu tai

-phòng thí nghiệm đã tan tình giúp dé tôi trong quá trình xây dựng và vận hành mô

hình, thu thập số liệu tại phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường và Tài nguyên Trưởng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chi Minh

-Cam ơn gia đình và bạn bè đã động viên và giúp dé tôi trong chặng đường hoc tậpvà nghiên cứu.

Tp.HCM, ngày 04 tháng O1 năm 2019

Học viên

NGUYÊN VĂN THUẬN

TÓM TAT

Nước tiểu trong nước thải sinh hoạt được xem như một nguồn đinh dưỡng lý tưởngcho nuôi cấy vi tảo do nồng độ nitrogen và phosphorus cao, là một trong nhữngnguyên nhân gây hiện tượng phú dưỡng khi xả vào nguồn tiếp nhận nếu không quaxử lý Trong nghiên cứu này, nước tiểu pha loãng với ty lệ 1:30 được sử dụng nhưmột môi trường nuôi cấy vi tao (Chlorella sp.) trong mô hình membranephotobioreactor (MPBR) vận hành liên tục với các thời gian lưu sinh khối (MRT),thời gian lưu nước (HRT) khác nhau nham xác định điều kiện tối ưu Bên cạnh đó,ảnh hưởng của chu kỳ sáng:tỗi đến cộng hợp vi tảo - vi khuẩn trong MPBR cũngđược nghiên cứu Kết quả đã chỉ ra rằng MRT 5 ngày thể hiện năng suất sinh khốivà tốc độ loại bỏ dinh dưỡng cao nhất tương ứng là 151,93+15,05 mg/L.ngay; 27,55mg N/L.ngày và 2,11 mg P/L.ngay HRT 2 ngày có lợi cho năng suất sinh khối, tuynhiên HRT 1 ngày cho giá tri tốc độ loại bỏ dinh dưỡng cao hơn (46,73+39,45 mgN/L.ngày và 4,27+2.74 mg P/L.ngày) Sự xuất hiện của vi khuẩn nitrate hóa trongmôi trường nuôi cấy làm cho nồng độ nitrite va nitrate tăng cao trong khoảng thờigian dài nhưng không làm ức chế sự tăng trưởng của Chlorella sp Tốc độ loại bỏdinh dưỡng và khả năng khử chất hữu cơ được tăng cường thông qua cộng hợp giữavi tao va vi khuẩn Cộng hợp vi tảo - vi khuẩn trong chu kỳ sáng:tối = 24:0 đạt tốc

độ loại bỏ TN va TP cao hơn (tương ứng 20,43+13,38 mg N/L.ngay và 15,65415,01

mg P/L.ngày) và tốc độ khử COD (29,15 mg/L.ngay) so với sáng:tối = 12:12 Hapthu vào sinh khối được xác định là cơ chế chính loại bỏ TN và TP Đồng thời, phatối kéo dài thời gian tăng trưởng và hạn chế sự sinh trưởng, năng suất sinh khối củatao trong cộng hợp tảo:bùn Cộng hop vi tảo - vi khuẩn ở chu kỳ sang:t6i = 12:12thé hiện tốc độ ban mang (0.24 kPa/ngay) cao hon giá trị tốc độ ban màng trongMPBR chỉ tao Chlorella sp Thanh phan trở lực do lớp bám ban của module mangtrong MPBR chỉ chiếm một phan nhỏ so với tong trở lực Nghiên cứu đã chứngminh hiệu quả cao trong việc tăng trưởng sinh khối và tốc độ loại bỏ dinh dưỡng,chất hữu cơ khi nước tiểu được sử dụng như một nguồn dinh dưỡng cho cộng hợp

vị tảo - vi khuẩn.

Human urine from domestic wastewater has been considered as an ideal nutrientsource for microalgae cultivation due to the high concentration of nitrogen andphosphorus, causing eutrophication when discharging directly into the environmentwithout sufficient treatment In this study, 1:30-diluted human urine was used tocontinuously microalgae (Chlorella sp.) cultivation in a membrane photobioreactor(MPBR) at various microalgae retention times (MRTs) and hydraulic retentiontimes (HRTs) to measure the optimum conditions Besides, the effect of a light -dark cycle on synergistic cooperation between microalge and bacteria in MPBR wasinvestigated The results indicate that MPBR was operated under MRT of 5 days,which performed the best biomass productivity and the highest nutrients removalrate were 151.93415.05 mg/L.day, 27.55 mg N/L.day and 2.11 mg P/L.day,respectively Using HRT of 2 days gives benefit due to high biomass productivity,however, the higher nutrients removal rate (46.73439.45 mg N/L.day va 4.27+2.74mg P/L.day) at HRT of | day The presence of nitrifying bacteria in medium culturewhich led to nitrite and nitrate concentration increased within a long time but didnot inhibit to the growth of Chlorella sp The nutrients and carbon source removalrate were enhanced via the synergistic cooperation between microalgae andbacteria That symbiotic in a 24 h light - 0 h dark cycle achieved the higher TN andTP removal rate (20.43+13.38 mg N/L.day and 15.65+15.01 mg P/L.day) and thecorresponding COD removal (29,15 mg/L.day) when compared with that in 12 hlight - 12 h dark cycle Biomass uptake was identified as the main TN and TPremoval mechanism In addition, the dark phase prolongs the growth of microalgaeand limits biomass productivity of algae in that symbiotic The membrane foulingrate in that symbiotic at a 12 h light - 12 h dark cycle was also higher (0.24 kPa/day)than that in MPBR for Chlorella sp cultivation The cake layer resistance of themembrane modulde in the MPBR represented a small fraction of the total hydraulicfiltration resistance This study demonstrated the high performance in biomassproduction and nutrient and carbon source removal rate when the human urine was

used as a nutrient source for synergistic cooperation between microalgae andbacteria.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của

bất kỳ ai Nội dung luận văn có tham khảo va su dụng các tài liệu, thông tin được

đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu tham

khảo của luận văn.

Các mô hình thí nghiệm và những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận vănlà trung thực, được dé xuất từ thực tiễn và thí nghiệm, chưa từng được công bố dướibat cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội Đồng đánh giáluận văn tốt nghiệp Thạc sĩ ”

Một lan nữa, tôi xin khang định về sự trung thực của lời cam đoan trên.

Tác giả luận vănHọc viên

Nguyễn Văn Thuận

MỤC LỤC

9000 000 i0008/9105 ôÔ ii

1.2 Mục tiều nghiÊn CIU cccsssssssssssssrcccccssscssssscsssssssssccccsssssssccssssssssssssssssccecs 21.3 Phạm vi nghiỀn CỨU coœœ œ5 << 96 6698999999999 4.94999666665666688660666 2

1.4 Y nghia ctia dé n6 21.4.1 Y nghĩa khoa hoc và thực tiỄn ¿- ¿+ + +2 2 2E +E£E£E£ESEeErErkrrrrrred 21.4.2 Ý nghĩa kinh tế và xã hội . ¿-¿- 5+ 256 2E2E2E2ESEEEE E1 1212111 ree 20;119)1027257755 400 /09)00/.9)0Ẽ57 5 42.1 NUOC 8 42.1.1 Thành phan của nước tiỂu - + 25 S2 2+2 SE£E+ESEEEEEEEEEEEEEErrrkrkrree 42.1.2 Tiềm năng sử dụng nước tiỂU ¿2-6 E2 £E£E£E+ESEEEEEEEEeErrkrkrkrree 5

2.2 VI tảo Chlorella SỤD eo << 99.6.0000 90000009999699600866066666688880000099999666 62.2.1 VI tảo ChIOrelld SD cọ re 6

2.2.2 Ung dụng tiềm năng của Chlorella Sp . 5-5-5- 25252 55+e+c+csccczeceee 8

2.3 Mô hình màng quang sinh hóa (MPBR) ccsssssccssssssccccsssssccssssscsess 12

2.3.1 MPBR và ưu điểm so với PBR + 552252 2e2tvEczckerrerrereree 122.3.2 Điều kiện vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả MPBR 122.4 Khả năng cộng hợp Vi tảo - vỉ khuẩn -s-< << s << << csesesesesesese 19

2.4.1 Lợi ích của cộng hợp vi tảo - vi khuẩn - << 2c sEsEecerrerererered 192.4.2 Các nghiên cứu cộng hop vi tảo - vi KhUAILA eee eeeseeeeeees 20011019) 166017777 23PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - se s°ss+sseeeserksetseseksserrsee 233.1 Cơ sở khoa học thiết kế thí nghiệm 5.5-5 << << se se se se seseseseseses 23

3.2 Nội dung nghiÊn CỨU c <6 6G S6 6 6659 99999999.99999999689939959695596888899999949999966 263.3 Mô hình nghiÊn CỨU c G6 G S S S S6 999999999999 99000098660666688869699999999966 283.3.1 Mô hình membrane photobioreactor «+ «x1 19111 re 28

3.3.2 Giống tảo, bùn hoạt tính hiểu khí và môi trường nuôi cấy 313.4 Thông số phan tÍch «<< £ £ 2£ 5533399595959 5e5eseseseses 323.4.1 Vị trí và tần suất lẫy mẫu ¿-¿- - S2 22223 1 E2 E1 121121121 1xx 32

3.4.2 Phương pháp phân tÍchh - - << 5 1339210101011 19 99 0 11 ng re 333.4.3 Xác định trở lực MANY c0 11111111111 99911119 00 111 1 ng 36

0119019) 160Ẽ7 1577 37KET QUÁ VÀ THÁO LUẬNN ° << << << s99 S959 4 4 4s se 374.1 Xác định MRT tối tU << << << 55s 995959525 sesesesee 37

4.1.1 Tăng trưởng CỦa V1 TẢO HH re 37

4.1.2 pH và độ kiểm - - + %6 E9 SE EEEEEE9 E1 1211115151111 11x xe Al

4.1.3 Loại bỏ dinh dưỡng - - - - << 1 90001 ng 43

4.1.4 Đặc tinh ban mảng - - + << S333 S33 1 1515151131315 11 111 ckrk 504.2 Xác định HRT tối wu << << << £ 5 55s xxx se Seseseseseses 52

4.2.1 Tăng trưởng CỦa V1 {ẢO HH re 52

4.2.2 pH và độ kiểm - - + 2+6 E+E+E SE E131 E1 1211111515111 151111 53

4.2.3 Loại bỏ dinh dưỡng - << + 190001 re 55

4.2.4 Đặc tính ban mảng + ¿6E S2 E211 E9 1 121111151111 151 7111.1111 xe 574.3 Ánh hướng của chu kỳ sáng:tối đến cộng hợp vi tao - vi khuẩn 384.3.1 Tăng trưởng sinh khối ¿-¿- 5 2562622 E333 EEE E111 2xx rree 594.3.2 pH và độ kiểm - - + 2+6 E+E+ SE EEEEEE9 E1 1111111515111 1151111 624.3.3 Loại bỏ chất hữu cơ -cccctcctterrhtth Hee 63

4.3.4 Loại bỏ dinh dưỡng - - - << 1990001 nhe 64

4.3.5 Đặc tính ban mảng -. ¿6 SE SE SE 1 E5 1 1212111111115 11 7111.1111 6990711019) 71KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ, << < << << se SE 9E sesee 715.1 ‹{c sa ha .e 715.2 ò6 88 71TÀI LIEU THAM KHAO) 2 5-5-5 5° 2 2 2 << << s39 3 sseseseseSeEss 242 73DANH MỤC CAC CONG TRINH KHOA HOC 5 5-5 s5 << csese 89

3108505201557 90PHU LUC 2177 92

BHT

BNR

CODDODOCEPSHRAP

PBR

PVDF

SRTSVR

KY HIEU - VIET TAT

Ky khí - Thiếu khí - Hiếu khí (Anaerobic - Anoxic - Oxic)Vi khuẩn oxy hóa ammonia (Ammonia-oxidizing bacteria)Chat hữu cơ có nguồn gốc từ tao (Algal-derived organic matter)

Butylated hydroxyanisoleButylated hydroxytoluene

Loại bỏ chất dinh dưỡng bang sinh học (Biological nutrient removal)Nhu cau oxy hóa hoc (Chemical oxygen demand)

Oxy hoa tan (dissolved oxygen)Carbon hữu co hòa tan (Dissolved organic carbon)

Chat polymer ngoai bao (Extracellular polymeric substances)Hồ tảo tốc độ cao (High rate algal pond)

Thời gian lưu nước (Hydraulic retention time)

Tích hop biofilm bùn hoạt tính cố định (Integrated Fixed-Film

Activated Sludge)

Bề sinh học hiếu khí giá thé di động (Moving bed bioreactor)Bé sinh hoc mang (Membrane bioreactor)

MicrofiltrationMixed liquor suspended solided

Bề màng quang sinh hóa (Membrane photobioreactor)Thời gian lưu sinh khối tảo (Microalgae retention time)Khối lượng phân tử (molecular weight)

Vi khuẩn oxy hóa nitrite (Nitrite-oxidizing bacteria)Vi khuẩn tích lũy phosphate (Polyphosphate-accumulating organisms)Bề quang sinh hóa (Photobioreactor)

Polyvinylidene fluorideThời gian lưu bun (Sludge retention time)

Ty lệ diện tích bề mat/thé tích (Surface volume ratio)

Hình 3.4 Cách đếm số tế bào theo phương pháp Fuchs-Rosenthal and Burker 34

Hình 4.1 Sự thay đối nồng độ sinh khối Chlorella sp ở các MRT khác nhau 37

Hình 4.2 Năng suất sinh khối Chlorella sp tại các chế độ vận hành 38

Hình 4.3 Sự xuất hiện của protozoa và khả năng kết tụ bông tảo 39

Hình 4.4 Sự thay đối pH trong quá trình vận hành với MRT khác nhau 41

Hinh 4.5 Su thay đối độ kiềm trong MPBR tại các MRT khác nhau 42

Hình 4.6 Sự biến đổi của ammonium-nitrogen tại các MRT khác nhau AAHình 4.7 Sự biến đối của nitrite, nitrate tại các MRT khác nhau - 5<: 45Hình 4.8 Tốc độ loại bỏ nitrogen tại các chế độ vận hành khác nhau 46

Hình 4.9 Tốc độ loại bỏ phosphorus với các chế độ vận hành khác nhau 47

Hình 4.10 Sự thay đối của TMP ở các MRT khác nhau - - 25 25555: 50Hình 4.11 Các thành phan trở lực của mang ở các chế độ vận hành khác nhau 51

Hình 4.12 Sự thay đối nồng độ sinh khối Chlorella sp ở các HRT khác nhau 52

Hình 4.13 Sự thay đối pH trong MPBR ở các HRT khác nhau - 53

Hinh 4.14 Su thay đổi các thành phan độ kiềm tại các HRT khác nhau 54

Hình 4.15 Sự thay đối nồng độ ammonium-nitogen ở các HRT khác nhau 55

Hình 4.16 Sự thay đôi nông độ nitrite, nitrate ở các HRT khác nhau 56

Hình 4.17 Sự thay đối của TMP ở các HRT khác nhau 2 2 25255552: 58Hình 4.18 Vi sinh vật trong bùn hoạt tính ban đẦU G112 vn ngu 59Hình 4.19 Sự thay đối nồng độ sinh khối ở các điều kiện sáng:tối khác nhau 60

Hình 4.20 Năng suất sinh khối ở các điều kiện sáng:tối khác nhau 60

Hình 4.21.Hình 4.22.Hình 4.23.Hình 4.24.Hình 4.25.Hình 4.26.Hình 4.27.Hình 4.26.Hình 4.29.Hình 4.30.

Sự xuất hiện của protozoa và khả năng kết tụ của tảo:bùn = 5:1 61

Sự thay đối pH ở các điều kiện sáng:tối khác nhau -. 5 62

Sự thay đổi độ kiềm ở các điều kiện sáng:tối khác nhau 63

Khả năng khử COD ở các điều kiện sáng:tối khác nhau 64

Nông độ ammonium-nitrogen ở các điều kiện sáng:tôi khác nhau 65

Nong độ nitrite va nitrate ở các chu kỳ sáng:tối khác nhau 66

Tốc độ loại bỏ nitrogen tại các chu kỳ sáng:tối khác nhau 67

Tốc độ loại bỏ phosphorus tại các chu kỳ sáng:tỗi khác nhau 68

Sự thay đôi TMP ở các điều kiện sáng:tối khác nhau 70

Các thành phan trở lực của mảng tại các chu kỳ sáng:tối 70

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 2.1 Đặc tính hóa hoc của nước tiỂu người 5-5 se ecxcrsrsrrerereee 5Bảng 3.1 Các thông số vận hành thí nghiệm l - 25 2 2 2+5+£+££z£sz<zS+2 27Bang 3.2 Các thông số vận hành thí nghiệm 2 ¿2-2 2 52 2522*+£+£z£z£szxzc+2 27Bảng 3.3 Các thông số vận hành thí nghiệm 3 - 2 5252 5225+£+££z£szxcc+2 28Bảng 3.4 Thông số thiết bị cho mô hình MPBR - 2 2 2 525+£+£z£z£szszc+2 31Bang 3.5 Đặc tính nước đầu vào sử dụng trong nghiên cứu - - 5+: 32Bảng 3.6 Tần suất và vị trí lẫy mẫu ¿-¿©2- + 2 E23 E+E2EEEEEE 1E EEEEErxrkrree 33

Bang 3.7 Phương pháp phân tich - - << Ă G3101 119 99111 ng re 35

Bảng 4.1 So sánh các điều kiện hoạt động và hiệu quả loại bỏ với các nghiên cứu

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vẫn đềTrong những năm gần đây, công nghệ sinh học nuôi cấy vi tảo - vi khuẩn nhận đượcnhiều sự quan tâm, đặc biệt ở những khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, như một hệthống sinh học thay thế đối với xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp Dưới điềukiện chiếu sáng, vi tảo sẽ sản sinh ra O> bởi quá trình quang hop, ma O; rất cần thiếtđối với vi khuẩn dé khoáng hóa chất hữu cơ, đồng thời có thé hiệu quả hơn vé chiphí thôi khí CO; được giải phóng bởi vi khuẩn và sau đó được tiêu thụ bởi quá

trình quang hợp của tảo, do đó giảm phát thải khí hiệu ứng nhà kính Hơn nữa, các

chất dinh dưỡng như ammonium và phosphaste được biết đến như là nguyên nhânchính của phú dưỡng nguồn nước cũng được loại trừ cùng với sự hấp thu của tảo.Hơn nữa, quang hợp của tảo thuận lợi để loại trừ nhiều vi khuẩn gây bệnh và virusbởi sự tăng lên của nhiệt độ, pH và oxy hòa tan của nước đã qua xử lý Điều quantrọng nhất là sinh khối được thu hoạch lúc kết thúc quá trình xử lý là nguồn nguyên

liệu bên vững mới hoặc sản phẩm có giá tri (nhiên liệu sinh học, thuốc, phân bón)

Quá trình xử lý xảy ra trong hệ thống vi tảo - vi khuẩn có thể được cho là kết quảcủa sự cộng hợp của vi tảo va vi khuẩn Bên cạnh đó, một trong những rào cản tạmthời của công nghệ này là việc thu hoạch hoặc phân tách sinh khối vi tảo - vi khuẩn

từ nước thải đã xử lý Các công nghệ thu hoạch thông thường như lọc, ly tâm, thêm

hóa chất hoặc sử dụng giá thé có định có những khó khăn như chi phí vận hành cao,nhiễm ban lần hai và hiệu quả thấp đối với vận hành thời gian dai Xem xét điềunày, việc tạo bông tảo sinh học bởi lang trọng lực là một kỹ thuật thu hoạch dé dangvà chi phí thấp trong suốt quá trình xử lý nước thải Nhưng cách tiếp cận nay không

phải luôn luôn hiệu quả, đặc biệt là trong trường hợp kích thước nhỏ và sự tăng

trưởng Vì thế, lựa chọn nuôi cay vi khuẩn - vi tảo với khuynh hướng lắng tự nhiênđược đề xuất Bùn hoạt tính có khả năng lang trong luc tốt hơn so với vi tao và khảnăng loại bỏ chất hữu cơ cao hơn các vi khuẩn thông thường trong nước thải sinh

hoạt Vi khuẩn được sử dung trong nuôi cấy vi tao - vi khuẩn dé tăng tính ồn địnhsinh học và hiệu quả xử lý Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất dé tai: “Cộng hợp củatao và vi khuẩn trong Membrane Photobioreactor nham thu hồi dinh dưỡng từ nướctiểu”.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích xác định các thông số thời gianlưu sinh khối tảo, thời gian lưu nước, ảnh hưởng của chu kỳ sáng:tối đến cộng hợpvi tảo - vi khuẩn trong MPBR nhăm đánh giá khả năng thu hồi dinh dưỡng và làmsạch nước tiểu

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trong phạm vi phòng thí nghiệm với 1 cột membranephotobioreactor Cột membrane photobioreactor chứa môi trường nước tiểu có tỷ lệpha loãng 1:30 với nước máy, nuôi cay tao Chlorella sp và bùn hoạt tính hiểu khí ởđiều kiện liên tục Nghiên cứu về quá trình sinh trưởng và phát triển đối với cộnghợp vi tảo - vi khuẩn (bùn hoạt tính) dưới các điều kiện thay đôi khác nhau đến hiệuquả thu hồi dinh dưỡng

1.4 Ý nghĩa của đề tài1.4.1 Y nghĩa khoa học và thực tiễnĐề tài đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình phát triển của tảo Chlorella sp vàcộng hợp của vi tảo - vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả thu hồi dinh dưỡng từ nướctiểu Ngoài ra, dé tài còn làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo vềcộng hợp vi tảo - vi khuân dé xử ly các loại nước thải khác

1.4.2 Ý nghĩa kinh tế và xã hộiNước tiểu chứa một lớn nitrogen, là một trong những nguyên nhân gây hiện tượngphú dưỡng, làm giảm chất lượng môi trường sống của động, thực vật thủy sinh nếuxả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận mà không qua xử lý Do đó, việc phân tách nướctiểu tại nguồn làm giảm tải lượng ô nhiễm và sử dụng năng lượng tiết kiệm, cũngnhư chi phí đầu tư các nhà máy xử lý nước thải, tăng tính bền vững và hiệu quaquản lý nước thải Hơn nữa, nước tiểu có tiềm năng như phân bón lỏng hoặc nguồn

định dưỡng dé sản xuât sinh khôi vi tảo, mà sinh khôi vi tảo là một nguôn nguyên

liệu tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học, làm giảm áp lực lên nhiên liệu hóa

thạch đang ngày một cạn kiệt.

Hiện nay, quá trình xử lý sinh học bằng vi khuẩn được ứng dụng nhiều tại hầu hếtcác trạm xử lý nước thải, quá trình này đòi hỏi tiêu tốn lượng oxy lớn Việc cungcấp oxy cơ học rất tốn kém và có thể làm cho các chất độc bay hơi Ngược lại, tronghệ thống cộng sinh vi tảo - vi khuẩn, vi tảo là vi sinh vật quang hop, chúng tạo raoxy đáp ứng nhu cầu oxy của vi khuẩn Đồng thời, vi tảo cũng sử dụng dinh dưỡngtrong suốt quá trình tăng trưởng của chúng Vi khuẩn sử dụng nguồn oxy do vi tảo

tạo ra và giải phóng COs, trong khi, CO, tạo ra từ quá trình oxy hóa di dưỡng được

vi tảo sử dụng cho quá trình quang hợp Bên cạnh đó, việc thu hoạch sinh khối vitảo - vi khuẩn cũng dé dang do đặc tinh lắng trọng luc Do đó, đây là một công nghệ

xử lý nước thải giúp giảm chi phí vận hành do tiêu thụ năng lượng cơ học va thu

hoạch tảo, là lựa chọn kinh tế và bên vững hơn

CHƯƠNG 2

TỎNG QUAN

2.1 Nước tiểu2.1.1 Thành phần của nước tiểuNước tiểu người là chất thải lỏng của cơ thể con người tiết ra bởi thận qua quá trìnhlọc máu, được gọi là đi tiểu và bài tiết qua niệu đạo (Karak va Bhattacharyya,2011) Mỗi người tạo ra 1-1,5 L nước tiểu mỗi ngày trong 4-5 lần (Wolgast, 1993)và một người trưởng thành bài tiết trung bình 500 L nước tiểu mỗi năm (Jönsson vàcộng sự, 2004) Tuy nhiên, lượng nước tiểu của trẻ em chỉ khoảng một nửa của

người lớn.

Trong các hoạt động bài tiết của con người, nước tiêu chứa phan lớn nitrogen (N),phosphorus (P) va kali (K) tương ứng lần lượt là 88%, 67% và 73% trên tong lượngN, P va K bài tiết hăng ngày (nước tiêu và phân) (Kirchmann và Pettersson, 1995;

Fittschen và Hahn, 1998; Schönning, 2001; Maurer và cộng sự, 2003) Tuy nhiên,

các thành phan này thay đổi từ người nảy sang người kia và từ khu vực nay sang

khu vực khác, phụ thuộc vào thói quen ăn uống, lượng nước uống, các hoạt động

thé chất, kích thước cơ thé và các yếu tổ môi trường (Sullivan va Grantham, 1982;Vinnerảs và Jönsson, 2002) Thành phần hóa học của nước tiểu được trình bàytrong Bảng 2.1 Trong nước tiểu người, khoảng 75-90% N được bài tiết qua urea vàphan còn lại là dưới dang creatinine, amino acid va acid uric (Lentner, 1981) Phanlớn lượng nitrogen này được hấp thu bởi thực vật va giống như phân urea hoặc

ammonium với hiệu qua nitrogen khoảng 90% lượng phân bón khoáng (Jönsson va

cộng sự, 2004) Nong độ kim loại nặng trong nước tiểu của người cũng thấp hơnphân chuồng trại và có ít cadmium hơn phân bón nhân tạo, do đó, nước tiểu là phânbón sạch (Jönsson và cộng sự, 2005) Hơn nữa, nước tiểu bao gồm các nguyên tô vi

lượng B, Cu, Zn, Mo, Fe, Co và Mn (Rodushkin và Odman, 2001) Mặc dù nước

tiểu của người không hoàn toàn vô tring, vì chứa vi khuẩn đường ruột khác nhau vàcó thé dé dàng khử trùng bằng cách lưu trữ (Schénning và cộng sự, 2002) hoặc

thêm nước tiểu vào đất có thé dé dang được chấp nhận (Heinonen-Tanski và vanWijkSijbesma, 2005) Mặt khác, theo Höglund và cộng sự (2002), nước tiểu đượccoi là vô trùng, trừ khi lây nhiễm chéo xảy ra từ phân dẫn đến khả năng tổn tại của

virus và có thê được sử dụng làm phân bón cây trông mà không cân xử lý thêm.

Bảng 2.1 Đặc tính hóa học của nước tiểu người (Krak và Bhattacharyya, 2011)Thông số Giá trị

pH 8,90-8.96TN 1:795-2.610 mg/L

NH,*-N 1.117-1.726 mg/L

NH3-N 574-773 mg/LNO;-N 45 ug/L

NO,-N 10-20 pg/LUrea 85% TNTP 200-210 mg/L

2.1.2 Tiềm năng sử dụng nước tiểuViệc tách nước tiểu tại nguồn tăng cường tính bền vững va hiệu qua quản lý nướcthải khi nước tiểu chứa một lượng lớn tổng lượng nitrogen trong nước thải Hon thếnữa, sự phân tách nước tiểu có thé cải thiện đáng ké chất lượng nước thải va sửdụng năng lượng tiết kiệm, cũng như chỉ phí đầu tư các nhà máy xử lý nước thải

(Wilsenach và Van Loosdrecht, 2003).

Thành phần N và P trong nước tiểu có thể được chuyển hóa vào trong kết tủa

struvite, có công thức phan tử MgNH,4PO,.6H2O (Karak va Bhattacharyya, 2011).

Nước tiểu giàu nitrogen va phosphorus, có tiềm năng như phân bón lỏng hoặc nhưnguồn dinh dưỡng để sản xuất sinh khối vi tảo mà sinh khối tảo là một nguồnnguyên liệu tiém năng cho sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học (Wijffels vàcộng sự, 2010), mặc dù nuôi cay quy mô lớn chưa kha thi về mặt kinh tế Việc sảnxuất vi tảo để xử lý nước thải được xem là lựa chọn kinh tế và bền vững hơn (Yang

và cộng sự, 2011) Chỉ một vài nghiên cứu ma trong đó nước tiêu người được sử

dụng như môi trường nuôi cấy vi tảo Mặc dù, nhiều nghiên cứu được thực hiện ởdạng mẻ va nước tiểu hay nước tiêu tông hợp với ty lệ pha loãng từ 50 đến hon 100lan đã chứng minh rang vi tảo và cyanobacteria có thé phát triển và loại bỏ các chatdinh dưỡng từ nước tiêu (Adamsson, 2000; Dao-lun và Zu-cheng, 2006; Yang vàcộng sự, 2008a, b; Chang và cộng sự, 2013) Các nghiên cứu đã cho thay tinh khathi dé sử dụng vi tao nham thu hồi dinh dưỡng từ các loại nước thải khác nhau (Caivà cộng sự, 2013) Tuy nhiên, chưa có quan điểm nào liên quan đến khả năng kết

hợp nuôi cây vi tảo với xử lý nước tiểu đậm đặc Từ đó cho thấy, nuôi cây mật độ

cao đòi hỏi khả năng loại bỏ dinh dưỡng cao từ nước có nông độ cao như nước tiểu.Điều này chỉ có thé đạt được với các hệ thống bể có đường truyền ánh sáng ngắn đểcung cấp ánh sáng hiệu quả đến tất cả các tế bào ở bên trong môi trường tảo Ngoàira, thành phần phức tap và chưa rõ của nước tiểu có đặc tính có thé ảnh hưởng đếnsự phát triển vi tảo Với nước tiêu đậm đặc, thủy phân urea thành ammoni sẽ làmtăng nông độ ammonia tự do có thé ức chế tăng trưởng vi tảo (Azov va Goldman,

1982).2.2 Vi tao Chlorella sp.2.2.1 Vi tao Chlorella sp.

Chlorella sp là một chi của tao luc đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta Chlorellacó dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10 pm, không có tiên mao và có nhiềuthành phan cau trúc giống với thực vật (Hình 2.1) Chlorella có màu xanh lá câynhờ sắc tố quang hợp chlorophyll -a và b trong lục lạp Thông qua quang hợp nóphát triển nhanh chóng khi chỉ cần CO¿, nước, ánh sáng mặt trời và một lượng nhỏcác khoáng chat dé tái sản xuất Tên Chlorella xuất phát từ tiếng Hy Lạp “chloros”(XAopóe) có nghĩa là màu xanh lá cây va phân hậu tô “ella” từ tiếng Latin có nghĩa

là "nhỏ bé” Chlorella thuộc phan loại khoa học như sau: vực (domain): nhân thực,giới (kingdom): nguyên sinh, ngành (division): Chlorophyta, lớp (class):Trebouxiophyoeae, bộ (order): Chlorellales, họ (family): Chlorellaceae, chi (genus):Chlorella (Safi và cộng sự, 2014).

Chlorophyll &Carotenoids

Hình 2.1 Cấu trúc của tế bào vi tao Chlorella sp (Safi và cộng sự, 2014)

Chlorella sp là loài tảo sống trong môi trường nước ngọt và đã xuất hiện trên tráiđất kế từ thời kỳ tiền Cambri cách đây 2,5 ty năm và kể từ đó tính toàn ven ditruyền của nó vẫn không đổi (von Difurth, 1972) Vào đầu những năm 1900, ham

lượng protein Chlorella (>55% trọng lượng khô) đã thu hút sự chú ý của các nha

khoa học Đức như một nguồn thực phẩm độc đáo Vào những năm 1950, ViệnCarnegie của Washington (Burlew, 1953) đã nghiên cứu và quản lý để phát triển vitảo này trên một quy mô lớn để giảm CO Ngày nay, Nhật Bản đi đầu thé giới tiêuthu Chlorella và sử dụng cho mục đích y tế (Kitada và cộng sự, 2009; Morris vàcộng sự, 2009) bởi vì nó cho thay có đặc tính điều chỉnh miễn dich va chống ung

thư (Justo và cộng sự, 2001; Yasukawa va cộng sự, 1996) Sau khi cho chuột và tho

ăn tảo dạng bột, cho thay tinh chat bao vé chéng lại bệnh máu trắng (de SouzaQueiroz và cộng sự, 2012) các bệnh liên quan đến tuôi già như bệnh tim mạch, tănghuyết áp và đục thủy tinh thể; nó làm giảm nguy co xơ vữa động mach và kích thíchtong hợp collagen cho da (Sano và cộng sự, 1988) Hơn nữa, Chlorella vulgariscũng có khả năng tích lũy một lượng lớn chất béo, đặc biệt là sau khi thiếu hụt

nitrogen với đặc tính axit béo thích hợp đối với sản xuất nhiên liệu sinh học

(Converti và cộng sự, 2009; Zheng và cộng sự, 2011).

Thành phần hóa họcTảo luc có chứa 65-68 % protein, 17% đường (glucan), 6% chất béo (acid béo).Vitamin A gấp 5,8 lần ca rốt; B1 gấp 1,3 lần men vô cơ; B2 gấp 35 lần sữa: Sắt gấp13 lần gan lon, 45 lần nho; Chất xơ gấp 1,5 lần khoai lang: Canxi gấp 1,6 lần sữa

(Ho, 2008).Bộ gen

Nhiều bộ gen của các loại tao lục (diệp lục) đã được giải mã (vi dụ như

Chlamydomonas, Micromonas hay Ostreicoccus) trong khi bộ gen của tao lục

Chlorella với tiềm năng kinh tế lớn nhất nhờ các ứng dụng đa dang và kinh tế đếnnay vẫn chưa được thực hiện Phân tích bộ gen của tảo luc Chlorella cho thay có9791 gen protein, bằng tong số lượng gen của tảo Micromonas (Ho, 2008) Nhữngthông tin di truyền này giúp hop lý hóa việc sử dụng tao luc Chlorella trong nhiều

ứng dụng công nghiệp khác nhau.

2.2.2 Ứng dụng tiềm năng của Chlorella sp

a Nhiên liệu sinh hoc

Sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng đang tăng lên nhanh chóng, đặc biệt với nhucầu gia tăng theo hàm mũ, dẫn đến nhiều hậu quả kịch tính cho môi trường Nhiênliệu sinh học dạng tảo hoặc vi tao được xem như một trong các lựa chọn thay thécho cac loai cay trong su dung cho san xuất nhiên liệu sinh học hiện tai như đậunành, ngô, hạt cải dầu va các nguyên liệu lignocellulose vì không cạnh tranh vớinguyên liệu thô và không đòi hỏi đất trong dé phát triển (Singh và cộng sự, 2011).Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học từ vi tảo có triển vọng về lâu dài vì nó được chấpnhận chi phí sản xuất vẫn còn cao và chưa thể cạnh tranh với nhiên liệu thôngthường Tuy nhiên, nó có thể cạnh tranh tốt với cây trồng bởi tiềm năng sản xuấtdầu 10-20 lần (Demirbas, 2011) trong một thời gian không xa nữa Chlorellavulgaris có tiềm năng tích lũy lượng lipid cao, đặc biệt là khi phát triển trong điềukiện mixotrophic Đường đặc tính acid béo của Chlorella cho thay rang phù hợp với

sản xuât nhiên liệu sinh học với ôn định oxy hoá sau khi chuyên hóa thành nhiên

liệu sinh học và có đặc tính (Wang và cộng sự, 2013) phù hợp với tiêu chuẩn HoaKy (ASTM 6751), Tiêu chuẩn Châu Âu (EN 14214), Cơ quan Dau khí quốc giaBraxin (ANP 255) và Tiêu chuẩn Úc về nhiên liệu sinh học (Francisco và cộng sự,2010) va cũng được so sánh tương đối với tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học An Độ

(ASTM va EN) (Mallick và công sự, 2012) Ngày nay, nhiên liệu sinh học từ tảo

đang bị một số nhược điểm như khả năng thương mại hóa trên quy mô công nghiệpdo chi phí sản xuất cao mà không thé cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch và cũngđặt ra câu hỏi về tính bên vững của sản xuất này Chi phí chủ yếu đến từ cơ sở hạtầng, thiết lập sản xuất, phân bón, thu hoạch, làm khô sinh khối, vận chuyến, cácchất dạng vết trong nước, gián đoạn tế bào và quá trình khai thác dầu Do đó, sảnxuất nhiên liệu sinh học vi tảo vẫn cần cải tiến hiệu quả để giảm nhu cầu nănglượng đầu vào để đạt được giá cạnh tranh với xăng dầu trên thị trường và quantrọng hơn là sản xuất bền vững nói chung

b Dinh dưỡng cho con người

Chlorella vulgaris là một trong số ít vi tảo có thé được tìm thay trên thị trường nhưmột thực phẩm bé sung hoặc phụ gia (Fradique va cộng su, 2010; Li va cộng su,2002), colourant (Chlorella vulgaris sau carotenogenesis) và thực phẩm nhũ tương(Fernandes, 2012) Những san phẩm có các dạng khác nhau như viên nang, viênnén, chất chiết xuất và bột (Liang và cộng sự, 2004; Yamaguchi, 2004) Mặc dù,những lợi ích về sức khỏe ma Chlorella vulgaris và các vi tảo khác có thé cung cấp,với sự phong phú đáng kế trong protein, chất béo, polysaccharides, sắc tố vàvitamin, chúng được coi là chất dinh dưỡng thay vi các sản phẩm thực phẩm Tuynhiên, thiếu các luật chính thức rõ ràng về chất lượng và các yêu cầu liên quan đếnvi tảo (Grobbelaar, 2003; Gulati, 2006) Hon nữa, chiết xuất Chlorella vulgaris dachứng minh có hoạt tinh cao hơn hoạt tính tong hop như butylated hydroxyanisole

(BHA) va butylated hydroxytoluene (BHT) (Rodriguez-Garcia va Guil-Guerrero,2008).

c Thirc ăn cho dong vật

Người ta ước tinh rang khoảng 30% sản lượng vi tảo được bán cho mục dich thứcăn chăn nuôi (Becker, 2007) do nhu cầu ngày càng cao đối với thức ăn có thành

phan tự nhiên thay vì thành phan tổng hợp Điều nay đã thúc đây nghiên cứu chuyênsâu về việc tìm kiếm các thành phan tự nhiên cải thiện chất lượng của các sản phẩm

thức ăn cho chăn nuôi (Fernandes và cộng sự, 2012) Vì vay, Chlorella vulgaris tích

lũy một lượng lớn carotenoids và sau khi cho động vật như cá và gia cầm ăn, chothấy tiềm năng sắc tố đối với thịt cá và lòng đỏ trứng ở gia cầm, cùng với tăngcường sức khỏe va tăng tuổi thọ của động vật (Yamaguchi, 2004; Becker, 2007).Hơn nữa, Chlorella vulgaris cho thay một tac dụng bảo vệ chống lại các kim loạinặng và các hợp chất có hại khác (chì, cadmium và naphtalene) bằng cách giảmđáng kế các căng thăng oxy hóa gây ra bởi các hợp chất có hại và tăng hoạt độngchống oxy hóa trong các động vật được thử nghiệm (Shim và cộng sự, 2008;

Vijayavel và cộng sự, 2007; Yun và cộng sự, 2011).d Xứ lý nước thai

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng đáng chú ý của Chiorella vulgaristrong việc cố định carbon dioxide lên đến 74% khi được nuôi cấy trongphotobioreactor (Keffer và Kleinheinz, 2002), hap thu 45-97% nitrogen, 28-96%phosphorus và trong việc giảm 61-86% nhu cầu oxy hóa hoc (COD) trong các loại

nước thải khác nhau như nước thải dệt may, đô thị, nông nghiệp và kháng sinh(Aslan va cộng sự, 2006; Feng va cộng sự, 2011; Lau và cộng sự, 1996; Lim vacong sự, 2010; Silva va cộng su, 2012; Valderrama va cộng su, 2002; Yun và cộng

sự; 1997) Vi tao có khả năng loại bỏ các chất dinh dưỡng quan trong (nitrogen va

phosphorus), carbon dioxide, kim loại nặng và tác nhân gây bệnh có mặt trong nước

thai va cần thiết cho sự phát triển của chúng Ngoài ra, tiết kiệm va ít yêu cau xử lýhóa chất và có thể giảm thiểu việc sử dụng nước ngọt để sản xuất sinh khối lànhững ưu điểm chính để tăng trưởng vi tảo đồng thời với quá trình xử lý nước thải(Brennan, 2010) Do đó, tốc độ tăng trưởng nhanh hơn đồng thời với việc loại bỏchất ô nhiễm là một khả năng day hứa hẹn và thuận lợi Hon nữa, hiệu suất củaChlorella vulgaris trong nước thải tong hợp được cải thiện khi cố định tảo trong hạtalginate kết hợp với vi khuẩn thúc đây tăng trưởng vi tảo và loại bỏ 100% amoni(NH¿'-N) trong bốn chu kỳ liên tiếp 48 giờ và 83% phosphorus sau xử lý 48 giờ

(de-Bashan va cộng sự, 2002) Vì vay, Chlorella vulgaris được coi là một trong

những loài tảo tốt nhất cho xử lý sinh học nước thải với tiềm năng để loại bỏ hoàntoàn ammonium và đôi khi có khả năng để loại bỏ phosphorus có trong môi trường

(González và cộng sự, 1997).

e Hóa chất nông nghiệpTảo lục chiết xuất một lượng lớn các chất ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triểncủa cây trồng (Ordog, 1999) Loài tảo này được báo cáo là có lợi cho cây trồngbăng cách sản xuất các chất kích thích tăng trưởng, vitamin, acid amin, polypeptide,các chất kháng khuẩn va kháng nam giúp kiểm soát sinh học phytopathogen vàpolymer như exopolysaccharides nhăm cải thiện tăng trưởng và năng suất cây trồng

(de Mulé và cộng sự, 1999).

Phân bón sinh học từ chiết xuất tảo được khuyến khích để tăng các thông số tăngtrưởng của nhiều loại cây trồng (Adam, 1999; Saffan, 2001) Nguyên nhân là do đặctính sinh hóa của chiết xuất tảo giàu nitrogenase, nitrate reductase và khoáng chất,các dưỡng chất thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng Ảnh hưởng của dung dịchchiết xuất từ Chlorella vulgaris như trên điều kiện dinh dưỡng, tăng trưởng va năngsuất của lúa mi (Triticum aestivum L var Giz 69) đã được nghiên cứu (Shaaban,2001) Nghiên cứu này cho thấy rằng nồng độ chiết xuất tảo 50% (v/v) dưới dạngbón cho cây một lần lá (25 ngày sau gieo hạt) tăng năng suất lên 140% và tăng cân40% Hơn nữa, một nghiên cứu khác cho thấy tác dụng của phân bón sinh học từChlorella vulgaris đối với các thông số tăng trưởng va phản ứng sinh ly của hatgiống Lactuca sativa ở môi trường có chứa vi tảo được nuôi cay trong 3, 6, 9, 12 và

15 ngày (Faheed và cộng sự, 2008) Kết quả là, việc bé sung Chlorella vulgaris vao

môi trường hoặc dat làm tăng trọng lượng tươi và khô của cây giéng cũng như hamlượng sắc tố đáng kể Tất cả các nghiên cứu nay đã được thực hiện trên chiết xuấtchất lỏng của Chlorella vulgaris làm phân bón sinh học cho tăng trưởng của cây

trồng Do đó, các nghiên cứu sâu hơn cần được thực hiện để ước tính chỉ phí trên

quy mô lớn của chiết xuất tế bào tảo làm phân bón, so với các loại phân bón thương

mại khác có trên thị trường.

2.3 Mô hình màng quang sinh hóa (MPBR)

2.3.1 MPBR và ưu điểm so với PBRCác hệ thống nuôi cay tảo quy mô lớn hoặc cho mục đích thương mại được dựa trênhệ thống mở hoặc photobioreactor (PBR), nhưng các hệ thống này vẫn có nhượcđiểm Hệ thống mở dễ bi bay hơi, nhiễm ban, yêu cầu diện tích đất lớn và khó kiểmsoát các điều kiện hóa lý (Luo và cộng sự, 2017), trong khi han chế của PBR là đặctính lắng thấp, rửa trôi sinh khối và thu hoạch hạn chế (Bilad, 2014) Đề khắc phụccác nhược điểm đó, MPBR là một công nghệ thay thế

MPBR là một hệ thống vận hành liên tục, là sự kết hợp giữa PBR hệ thống đóng vớiquá trình lọc màng đặt bên ngoài hoặc đặt chìm bằng cách sử dụng màngmicrofiltration hoặc ultrafiltration (sợi rỗng va tam phăng) dé phân tách rắn - lỏng(Hình 2.2) MPBR được thiết kế và vận hành nhăm tăng khả năng tiếp cận ánh sáng(ty lệ bề mặt/thê tích cao) và tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng của tảo,chang hạn như xáo trộn đủ, nguồn carbon có thé sử dụng dé dang, tách khí dưới sứccăng thủy lực thấp, giảm chi phí xây dựng và vận hành (Alcantara và cộng sự,2015) Việc sử dụng màng nhằm mục đích duy trì tế bào tảo, tránh hiện tượng rửatrôi và có khả năng tách biệt thời gian lưu sinh khối (MRT) và thời gian lưu nước

(ART) (Honda và cộng sự, 2012) Sự tách riêng HRT và MRT cho phép MPBR sản

sinh nông độ sinh khối gap 3,5 lần so với PBR (Marbelia và cộng sự, 2014) MPBRcũng cho thấy năng suất sinh khối cao hơn, tăng cường hiệu quả loại bỏ chất dinhdưỡng và ít yêu câu về diện tích đất (Bilad và cộng sự, 2014)

2.3.2 Điều kiện vận hành ảnh hưởng đến hiệu quả MPBRHoạt động của MPBR đối với sản xuất sinh khối, loại bỏ chất dinh dưỡng và banmàng phụ thuộc nhiều vào đặc tính sinh khối và điều kiện vận hành, bao gồm thờigian lưu nước và thời gian lưu sinh khối, điều kiện ánh sáng, sục khí, pH, nhiệt độ

và thông lượng màng.

a Thoi gian lưu nước và lưu sinh khốiHRT sử dụng đối với vận hành MPBR dao động từ 6 giờ đến 5 ngày, do đó thườngngăn hon PBR (2-5 ngày) và hồ tảo tốc độ cao (HRAP, 2-9 ngay) nhưng dai hơn

MBR thường vận hành ở HRT < 1 ngày (Judd và cộng sự, 2015; Yoon va cộng sự,

2004) Lựa chon HRT thích hợp cho việc nuôi cay vi tảo phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư đặc tính nước thải, mục tiêu xử lý và điều kiện khí hậu HRT ngắn hơn làmtăng tải lượng dinh dưỡng thúc đây tăng trưởng vi tảo (Valigore và cộng sự, 2012),trong khi HRT dài hơn có thể dẫn đến hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng cao hơn và

đôi khi tạo giới hạn dinh dưỡng (Xu và cộng sự, 2015; Arbib và cộng sự, 2013).

HRT là một điều kiện vận hành chính ảnh hưởng đến năng suất vi tảo (Matamoro vàcộng sự, 2015) Một nghiên cứu MPBR cho thay néu giảm HRT một nửa từ 24xuống 12 giờ làm cho nông độ C vulgaris cao hơn xấp xi 1,6 lần, (tương ứng từ895 đến 1473 mg COD/L) (Xu và cộng sự, 2015 )

Cường độ chiếu sang

: ; Bước song“HAT ERHC Chu kỳ sdng/toi

: Thông lượng Dòng thấm

~ AOMDòng vào ,

lý hiệu quả các chất dinh dưỡng và các chất vi lượng trong PBR thông thường và

HRAP (Garcia va cộng sự, 2000; Matamoros và cộng sự, 2015; Chu và cộng su,

2015; Rasoul-Amini và cộng sự, 2014) Nghiên cứu chỉ ra rằng HRT dài được ưutiên dé đạt được việc loại bỏ các chat 6 nhiễm thích hợp

MRT có liên quan đến nông độ sinh khối, các loài ưu thé va giai đoạn tăng trưởngtrong đó các loài vi tảo được nuôi cấy (Bilad và cộng sự, 2014) Đối với PBR thôngthường không tuần hoàn sinh khối, SRT của hệ thông bang với HRT Trong MPBR,việc duy trì sinh khối hoàn toàn băng màng cho phép sử dung MRT dài, trong khivận hành ở HRT ngăn Điều này có thể làm tăng sự tích lũy của loài phát triểntương đối chậm trong hệ thống (Ahmed va cộng su, 2007) Vi du, một nghiên cứuMPBR trước báo cáo rang tăng MRT từ 9 lên 18 ngày đã dẫn đến sự gia tăng nồngđộ Chlorella đáng ké (Honda và cộng sự, 2012) Nghiên cứu gần đây cho thay MRTtối ưu cho sản xuất sinh khối trong MPBR là khoảng 18 ngày, nhưng có thé thay đồitùy thuộc vao điều kiện vận hành khác, chăng hạn như tải lượng dinh dưỡng va

cường độ ánh sáng (Honda và cộng sự, 2012; Singh và cộng sự, 2012) Nghiên cứu

chỉ ra rang SRT dai (36 ngày) có thé làm giảm đáng kế năng suất sinh khối do tỷ lệthức an/vi sinh vat thấp (Honda và cộng sự, 2012) Một nghiên cứu khác cho thay

sử dung SRT thấp (5 ngày) cho năng suất cao nhất (132 g/m’ /ngay) trong MPBR

(Xu va cộng sự, 2015) Tổng quát, dé tăng trưởng tảo hiệu qua, vận hành MPBR ởSRT từ 15 đến 20 ngày được dé xuất

HRT và MRT đóng một vai trò quan trọng trong sản sinh chất hữu cơ có nguồn gốctừ tảo (AOM), ảnh hưởng đến hiệu quả ban màng Nghiên cứu trước về ảnh hưởngcủa HRT trên AOM đã không nhất quán và mâu thuẫn Như đề xuất trong nghiên

cứu MPBR, tang HRT từ 2,7 lên 5 ngày gây ra sự gia tang AOM từ 2 mg/L lên 8

mg/L do hậu quả của việc giảm tải trọng chất dinh dưỡng (Discart và cộng su,2014) Tuy nhiên, nghiên cứu MPBR khác cho thay HRT dai cho phép thủy phânnhững chất có phân tử khối (MW) lớn thành các hợp chất MW nhỏ, thắm qua màng(Low và cộng sự, 2016) Vì lý do nay, khuynh hướng ban màng thấp được báo cáocho HRT dài MRT cũng ảnh hưởng đến việc sản sinh AOM vi liên quan đáng kéđến pha tăng trưởng của tảo Nghiên cứu đã cho thấy răng pha suy giảm thường liên

quan đến sự hình thành AOM quá mức có thé dẫn đến ban mang (Chu và cộng su,2015; Her và cộng sự, 2004) Sự hiện diện của AOM cũng có thé là nguồn carboncho sự phát triển của các vi sinh vật khác có thể dẫn đến sự cạnh tranh trong hấp thuchất dinh dưỡng và làm giảm sản lượng sinh khối vi tảo (Bouteleux và cộng sự,

2005) Do đó, MRT dài không được ưa chuộng trong quá trình vận hành của MPBR

dé tránh AOM hình thành đáng ké.b Ánh sáng

Do sự phụ thuộc của vi tảo vào nguồn sáng nên tinh sẵn có và kha năng tiếp cận củaánh sáng là rất quan trọng Tối ưu hoá hiệu quả sử dụng ánh sáng làm tăng năngsuất sinh khối và do đó tăng hiệu quả hấp thu chất dinh dưỡng (Voltolina và cộngsự, 2005) Các hệ thông nuôi cấy vi tao được thiết kế dé tối da ty lệ bề mat/thé tíchđể tăng hiệu quả sử dụng ánh sáng Hầu hết các nghiên cứu MPBR được tiễn hànhsử dụng các nguồn ánh sáng nhân tạo (thường là đèn huỳnh quang và đèn LED)(Chen và cộng sự, 2011) Chiếu sáng, cường độ ánh sáng, bước sóng ánh sáng vachu kỳ sáng:tối là những cân nhắc quan trọng cho tăng trưởng vi tảo trong bể đạt

hiệu quả.

Cường độ ánh sáng có thể ảnh hưởng đến sinh khối và loại bỏ dinh dưỡng ra khỏinước thải (Zhen-Feng và cộng sự, 2014) Khi các loài tảo hoặc nồng độ sinh khốithay đối, yêu cầu về cường độ ánh sáng thay đổi (Behrens, 2005) Điều đó cho thayrang việc tăng cường cường độ chiếu sáng thúc day sản xuất sinh khối trong quá

trình nuôi Salina Nannochloropsis; sau khi đạt tới 150 umol/mF photon, ảnh hưởng

kích thích trở nên không đáng kể, và cường độ ánh sáng tăng lên dẫn đến ức chế

quang hợp (Simionato va cộng sự 2013; Sforza va cộng sự, 2012) Nghiên cứu cho

thay rang sự hấp thu dinh dưỡng của S obliquus phụ thuộc nhiều vào hàm lượngchất dinh dưỡng trong sinh khối so với cường độ ánh sáng: tác động của ánh sángchỉ đáng kế sau khi đạt khả năng dự trữ dinh dưỡng tối đa (khoảng 8% N và 2% Ptrong tế bào) (Ruiz và cộng sự, 2014) Điều này cho thấy cường độ ánh sáng cầnthiết trong các bể sinh học phụ thuộc vào loài Ngoài ra, nông độ sinh khối anhhưởng đến sự phân bố cường độ ánh sáng trong các hệ thống tảo

Bước sóng ánh sáng là một yếu tô quan trọng khác ảnh hưởng đến kha năng hấp thuánh sáng của vi tảo liên quan đến tăng trưởng sinh khối và hấp thu dinh dưỡng.Việc sử dụng các nguồn ánh sáng đơn sắc ở các bước sóng khác nhau có thé dẫnđến tốc độ hấp thu ánh sáng khác nhau bởi các tế bào vi tảo Độ hấp thu bước sóngánh sáng riêng bởi vi tảo phụ thuộc vào thành phan tế bào (liên quan đến sắc tố),môi trường sinh trưởng và điều kiện sinh lý (Blair và cộng su, 2014) Dé cải thiệnsử dụng ánh sáng, bước sóng của ánh sáng thường được thiết kế phù hợp với quangphô hấp thu các sắc tố (chlorophyll a và b) (Souliès va cộng sự, 2016) Đặc biệt,bước sóng hấp thu hiệu quả nhất ở màu xanh da trời (400-500 nm) và quang phốmàu đỏ (600-700 nm) thường được mong muốn trong một hệ thống tảo hơn bướcsóng hấp thu yếu ở màu xanh lá cây và màu cam (500-600 nm) (Mattos và cộng sự,

2015).

Đối với chu kỳ sáng:tối rất quan trọng đối với sản xuất sinh khối và tiết kiệm nănglượng Một nghiên cứu trước khảo sát ảnh hưởng của chu kỳ sáng/tối đối với sanxuất cyanobacterium Aphanothece microscopica Ndgeli trong cột photobioreactors(Jacob-Lopes va cộng sự, 2009) Sự tương quan tuyến tinh giữa sản xuất sinh khốivà cường độ ánh sáng được quan sát, với năng suất sinh khối cao nhất xảy ra khiđược chiều sáng liên tục (Jacob-Lopes và cộng sự, 2009) Tuy nhiên, người ta thayrang chu kỳ tối cần thiết đối với một số loài (vi dụ: Nannochloropsis salina) để chophép tái oxy hóa các chất vận chuyển electron của bộ máy quang hop (Sforza vàcộng sự, 2012) Điều này cho thấy răng chiếu sáng liên tục không nhất thiết ưu tiênđối với sự phát triển của vi tảo và áp dụng chu kỳ sáng:tối thích hợp không chỉ cólợi cho sản xuất sinh khối mà còn giảm tiêu thụ năng lượng

Trong khi chiếu sáng đã được chứng minh là một thành phần quan trọng trong hệthống nuôi vi tao, cho đến nay không có nghiên cứu nao khảo sát ảnh hưởng củachiếu sáng đối với vận hành MPBR Vì MPBR thường được vận hành ở nông độ tếbào cao hơn so với hệ thống thông thường, ảnh hưởng của chiếu sáng lên MPBR cóthé khác với các hệ thống khác Tự che sáng có thể xảy ra trong MPBR, đặc biệt làkhi vận hành ở nồng độ sinh khối cao hơn 1 g/L (Bilad và cộng su, 2014) Ngoài ra,

chiêu sang có thê ảnh hưởng đền việc giải phóng các chat hữu cơ của tao (Chen và

cộng su, 2011), có thé ảnh hưởng đến ban màng Do đó nghiên cứu trong tương laicần phải khảo sát hiệu quả của sự chiếu sáng lên nuôi cay vi tảo trong MPBR.

c Sục khí

Trong quá trình vận hành MPBR, sục khí đủ dé xáo trộn tảo hiệu quả, cung cấp CO,và làm giảm ban mang Suc khí vừa phải cũng có lợi cho việc loại bỏ ammoniathông qua đuôi khí và giảm tích tụ Õs trong hệ thống (Park và cộng sự, 2010) Sụckhí quá ít và quá nhiều có thể gây bất lợi cho sự phát triển và khả năng sống của tếbào Việc sục khí quá mức cũng dẫn đến sự tăng tiêu thụ năng lượng không mongmuốn Để đạt được vận hành MPBR hiệu quả và bên vững, cần có sự hiểu biết về

ảnh hưởng của sục khí.

Ngoài việc cung cấp nguồn carbon, vai trò quan trọng khác của sục khí là thúc dayxáo trộn của môi trường tảo cho phép tiếp xúc đồng đều với ánh sáng, chất dinhdưỡng và truyền nhiệt tốt hơn (Wang và cộng sự, 2012) Áp dụng sục khí cũng cóthé giúp làm giảm ban màng Trong một nghiên cứu trước đây, ảnh hưởng của sụckhí lên ban màng trong quá trình lọc nước nhiều tảo được kiểm tra băng cách ápdụng sục khí ở lưu lượng lên đến 10 m/m”h Kết quả cho thấy tăng sục khí lên 7,5m”/m”h có thé làm giảm đáng kế ban màng, và tốc độ sục khí tối ưu đối với kiểmsoát ban màng là 2,5 m/m”h (Zhang và cộng sự, 2012) Cần lưu ý rằng cường độsục khí thấp hoặc cao có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính thắm qua màng (Meng vàcộng sự, 2008) Mặt khác, tốc độ sục khí không đủ có thể hạn chế loại bỏ các chấtban trong khi tốc độ sục khí cao có thé dẫn đến phá hủy tế bào đáng kế do tốc độ cắtxén cao (Joshi và cộng sự, 1996) Tóm lại, việc lựa chọn tốc độ sục khí cho MPBRnên tính đến các yếu tố, bao gém tăng trưởng tế bảo, giới hạn chịu đựng của tế baođối với khí độc, các điều kiện thủy động lực học và giảm thiêu ban màng

d Nhiệt độ

Sự thay đổi nhiệt độ có thé ảnh hưởng đáng kế đến quá trình chuyển hóa vi tảo cũng

như hoạt động của enzyme (Chinnasamy và cộng sự, 2009) Các nghiên cứu MPBR

trước đây chủ yếu được thực hiện xung quanh 25°C; do đó, ảnh hưởng của nhiệt độđến hiệu quả của MPBR chưa được đánh giá Nhiệt độ tối ưu đối với tăng trưởnghiệu quả của nhiều loài vi tảo là khoảng 25-30°C (Bamba và cộng sự, 2015;

Chinnasamy và cộng sự, 2009) Nhiệt độ cao (35°C trở lên) có thé ảnh hưởng tiêucực đến sự phát triển của một số loài, như C vulgaris (Chinnasamy va cộng sự,

2009; Converti và cộng sự, 2009) Mot nghiên cứu khác xem xét ảnh hưởng cua

nhiệt độ đến năng suất của S obliquus trong môi trường khoáng ở cường độ ánhsáng 11,334 kLux (khoảng 153 nmol/m”) (Martinez va cộng sự, 1999): tăng trưởngsinh khối lớn nhất (1,84 mg/Lh) thu được ở 30°C, trong khi sản xuất sinh khối thấpnhất (1,1 mg/L.h) được quan sát ở 35°C Trái lại, trong PBR tam phăng với môitrường BGII, Scenedesmus obtusiusculus cho thay hoạt động quang hop và sinhkhối cao nhất ở 35°C khi chiếu sáng 620 umol/m* (Cabello và cộng sự, 2015) Điềunày chỉ ra răng nhiệt độ tối ưu cho năng suất thay đôi giữa các loài khác nhau vànhiệt độ từ 25 đến 30°C thích hợp cho sự phát triển của hầu hết các loài vi tảo

e pH

Trong quá trình vận hành MPBR, pH là một thông số quan trọng và được điềuchỉnh cho tăng trưởng và thu hoạch sinh khối vi tảo (Yoo và cộng sự, 2015) Hoạtđộng quang hợp của vi tảo có thé dẫn đến pH tăng đáng kế (Mufioz và cộng su,2006) Một nghiên cứu so sánh giữa MPBR và PBR cho thấy răng MPBR có pHthấp (< 9,0) so với PBR (lên đến 10,5); người ta cho rằng pH trong MPBR có lợicho sự phát triển của vi tảo (Gao và cộng sự, 2014) pH tối ưu cho việc nuôi cấy vitao là đặc trưng của loài Năng suất cao nhất của Chlorella sp trong PBR với nước

thải sữa đạt được trong khoảng pH 6,3 - 7,5 (Posadas và cộng sự, 2015; Huo và

cộng sự, 2012) Tương tự, năng suất của S obtusiusculus được nhận thay thay đổi ởpH khác nhau trong PBR, với năng suất tối ưu là 0,97 g/L ở pH 8 (Cabello và cộngsự, 2015) Theo các nghiên cứu PBR nói trên, có thể kết luận rằng việc kiểm soátpH giữa 7 va 8 có thé là tối ưu cho sự tăng trưởng của hau hết vi tảo trong MPBR,nhưng ngoại lệ (ví dụ như Spirulina platensis phát triển tốt trong điều kiện cơ bản(Honda và cộng sự, 2012)) được báo cáo Với nghiên cứu hạn chế về vẫn đề này,cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu trước khi ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất

MPBR rõ ràng hơn.

ƒ Thông lượng mang

Giá trị thông lượng dòng tham áp dụng cho hệ thong MPBR liên quan trực tiếp đếntốc độ ban màng và là một cân nhac quan trọng trong tính bền vững của quá trình.Không giống như thông lượng cao (> 40 L/m7h) dùng cho kỹ thuật thu hoạch dựatrên màng (Boonchai và cộng sự, 2015), tất cả nghiên cứu MPBR được thực hiện ởthông lượng tương đối thấp (2.6 - 15 L/m”h) như chiến lược dé hạn chế mức độ banmàng Như dự kiến, các cơ chế ban mang trong vận hành MPBR có sự tương đồngvới vận hành MBR (Low và cộng sự, 2016), cả hai quá trình đều nhằm mục đích lọcmột hỗn hợp phức tạp của chất răn lơ lửng có hoạt tính sinh học, hạt keo và các chấthữu cơ hòa tan, mặc dù ban màng sinh học gây ra bởi C vulgaris được quan sát cótiềm năng thấp hon so với ban màng do bùn hoạt tính (Xu và cộng sự, 2014) Banmàng trong MPBR rat phức tạp va bi anh hưởng bởi các loài tảo, đặc tinh vi tao,điều kiện vận hành và đặc tính màng

2.4 Khả năng cộng hợp vi tảo - vi khuẩn2.4.1 Lợi ích của cộng hợp vi tảo - vi khuẩnCác quá trình loại bỏ chất dinh dưỡng sinh học (Biological nutrient removal - BNR)như Bardenpho, SBR (sequencing batch reactor - bể xử lý dạng mẻ), ky khi-thiéukhi-hiéu khí (anaerobic-anoxic-oxic - A2O) và các dạng biến thé của chúng đã đượcphát triển để loại bỏ nitrogen và phosphorus, gồm các bể hiếu khí, ky khí và thiếukhí với dòng tuần hoàn nội tại Giá cao, điều kiện vận hành phức tạp và lượng bùnthải lớn là những hạn chế chủ yếu của quá trình BNR (Mennaa và cộng sự, 2015),khiến BNR không phù hợp với mục đích loại bỏ chất dinh dưỡng A2O là quá trìnhBNR được sử dụng phố biến nhất, trong đó bể hiếu khí và bề thiếu khí tương ứng

chịu trách nhiệm loại bỏ nitrogen thông qua quá trình nitrate hóa và khử nitrate;

phosphorus được loại bỏ thông qua kết hop của bé hiếu khí va ky khí; bể hiếu khíđược sử dụng để loại bỏ COD (Peng và cộng sự, 2006) Do quá trình xử lý bậc caodựa trên A2O yêu cau ít nhất ba bé sinh học (ky khí, thiếu khí và hiếu khí) nối tiếpvới các điều kiện vận hành khác nhau và hệ thống tuần hoàn nội tại phức tạp, loạibỏ các chất dinh dưỡng va COD hoàn toàn đông thời trong hệ thống bể đơn sẽ là

một sự đôi mới lớn.

Vi tảo có khả năng đồng hóa nitrogen và phosphorus từ nước thải trong bước đơn lẻvà chuyển hóa các chất dinh dưỡng này thành sinh khối có thể được sử dụng trongnhiều ứng dụng như sản xuất năng lượng sinh học và một số sản phẩm thương mại(Beuckels và cộng sự, 2015) Việc sử dụng cộng hợp giữa vi tảo và vi khuẩn trongxử lý nước thải tạo thành một cộng hợp bền vững và hiệu quả chi phí đối với BNRvì tiềm năng tạo ra oxy và loại bỏ chất dinh dưỡng hiệu quả (Posadas va cộng su,2015) Vi tảo có khả năng sản xuất oxy thông qua quá trình quang hop và vi khuẩncó thé giải phóng CO, thông qua hô hap Oxy và CO, có thé được trao đổi giữa vitao và vi khuẩn, vi vi tao cần carbon vô cơ như CO; cho quang hop và vi khuẩn cầnoxy như một chất nhận điện tử cho sự tăng trưởng của chúng và khoáng hóa cáchợp chất hữu cơ (Muñoz và Guieysse, 2006) Hon nữa, vi khuẩn dị dưỡng có thé dédang chuyển hóa carbon hữu cơ được sản xuất bởi tao và hỗ trợ vi tao để tiêu thụcarbon hữu cơ hòa tan (Lee và cộng sự, 2015) Mối quan hệ cộng hợp giữa tảo và vikhuẩn được trình bày trong Hình 2.3.

Tê bào vi tảo mới Vị tảo Anh sáng mặt trời

O; 4

Ne PO¿*, H,O

Chất hữu co Vi khuẩn Tế bào vi khuân mới

Hình 2.3 Mối quan hệ cộng hợp giữa vi táo và vi khuẩn

2.4.2 Các nghiên cứu cộng hop vi tao - vi khuẩnCác hệ thống cộng hợp vi tảo - vi khuẩn ban đầu được phát triển bởi Oswald vàcộng sự (1957) dé xử lý nước thải sinh hoạt trong hồ tảo tốc độ cao (HRAPs) Sau

đó, các hệ thong cộng hop vi tảo - vi khuân đã nhận được sự quan tâm rộng rãi và

được áp dụng để xử lý các loại nước thải khác nhau như nước thải chăn nuôi(Garcia và cộng sự, 2017; Godos và cộng su, 2009), nước thải nuôi trồng thủy sản

(Lananan và cộng sự, 2014) và nước thải công nghiệp (Ryu va cộng sự, 2017;

Safonova và cộng sự, 2004) Tuy nhiên, giống nuôi cấy khác nhau, điều kiện hoạtdong, thành phan nước thải hoặc cấu hình bé có ảnh hưởng đáng kế đến việc loại bỏchất dinh dưỡng và tăng trưởng sinh khối, vì vậy cần thiết để thực hiện các nghiên

cứu chuyên sâu hơn.

Việc tách vi tảo ra khỏi môi trường nuôi cấy khi kết thúc quá trình xử lý để sử dụngcác té bào tảo cho mục đích khác rất cần thiết Tuy nhiên, việc thu hoạch tảo tronghệ thông đơn tảo là trở ngại chính trong quá trình sản xuất vi tảo như ước tínhchiếm 20 - 30% chi phí sản xuất tùy thuộc vào loài tao được sử dụng, mật độ tế baovà điều kiện nuôi cây (Mennaa và cộng sự, 2015) Một trong những chiến lược thuhoạch là giữ tế bào trong các khoang nhỏ của hạt gel (cố định vi tảo) trước khi nuôicay va alginate là polymer được sử dụng phô biến nhất cho mục đích này do chi phíthấp, độ khuếch tán lớn, ít sinh ra chất nguy hại và quá trình cố định đơn giản vànhanh chóng (Liu và cộng sự, 2012) Những ưu điểm chính của việc sử dụng dínhbám bao gồm ngăn ngừa rửa trôi tảo, linh hoạt vận hành và thu hoạch dé dàng hơn(Tam và Wong, 2000) Trong các hệ thống nảy, quang hợp tảo được sử dụng đểgiảm đáng kế mức tiêu thụ năng lượng bang cách giảm chi phí năng lượng liên quanđến sục khí co học (tức là 45 - 75% chi phí năng lượng của nhà máy (Rosso va cộng

sự, 2008)) (González và cộng sự, 2006; Karya và cộng sự, 2013) Ví dụ, Karya và

cộng sự (2013) đã loại bỏ hoàn toàn ammonium từ nước thải (50 mg NH¿”-N/L)không có sục khí cơ học và thấy rằng 85% loại bỏ là do nitrate hóa Tương tự,Wang va cộng sự (2015) đã sử dung cộng hợp vi tảo - vi khuẩn loại bỏ hơn 90%tong nitrogen (TN) từ phân lợn đã phân hủy (300 mg NH¿}-N/L) và trong đó 80%loại bỏ nitrate hóa/khử nitrate Tuy nhiên, các hệ thống này dựa vao tăng trưởngnhanh của vỉ tảo để cung cấp oxy và tăng trưởng của vi khuẩn nitrate hóa chậm đốivới nitrate hóa/khử nitrate; do đó hạn chế thời gian lưu sinh khối (SRT) được sửdụng để hỗ trợ cả hai nhóm vi sinh vật Do đó, không nên dùng SRT cho vi tảo vàvi khuẩn nitrate hóa nham nâng cao hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng

Nhiều nhà máy xử ly nước thải ở Mỹ đã phát hiện ra rang các công nghệ biofilm cốđịnh (tức là bé sinh học hiếu khí giá thé di động - MBBR tích hop biofilm bùn hoạttính cố định [IFAS]) cung cấp một giải pháp thay thế hiệu qua dé mở rộng hoặc cảithiện các nhà máy xử lý nước thải hiện có, liên quan đến quá trình nitrate hóa, doliên quan đến các chất dạng vết (Onni-Hayden và cộng sự, 2011) Nguyên nhân làdo các vi khuẩn nitrate hóa có xu hướng tự hình thành mảng sinh học trên giá thể vàdo đó có thé được giữ lại ngay cả khi vi khuẩn nitrate hóa dang lơ lửng rửa trôi khỏi

hệ thống (ví dụ nhiệt độ thấp hoặc thời gian lưu sinh khối ngắn - SRT) Trong khi

cả hai hệ thong MBBR va IFAS đều phù hợp dé loại bỏ N bang phương pháp sinhhọc thông qua quá trình nitrate hóa, hệ thống IFAS có thể được tối ưu hóa cho cảloại bỏ N và P sinh hoc vì SRT cho vi khuẩn nitrate hóa và các sinh vật tích lũypolyphosphate (PAO) không được kết hợp Các nghiên cứu chứng minh rang vikhuẩn nitrate hóa dính bám trên giá thé IFAS trong khi PAO tôn tại chủ yếu ở dạng

lơ lửng (Kim va cộng sự, 2010; Sriwiriyarat va Randall, 2005 Onni-Hayden va cộngsự, 2011).

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Cơ sở khoa học thiết kế thí nghiệmNước thải đầu vào

Jaatinen và cộng sự (2016) đã thực hiện nuôi cây vi tao Chlorella vulgaris với nướctiểu ở 5 tỷ lệ pha loãng khác nhau (1:25-1:300) Mật độ sinh khối cao nhất trong tỷ

lệ pha loãng 1:100 có và không thêm vi lượng (tương ứng là 0,73 và 0,6 g/L) Xu

hướng tăng trưởng và mật độ sinh khối tương tự nhau với tỷ lệ pha loãng 1:25 và1:300 (0,52 so với 0,48 gVSS/L), đã cho thay nước tiểu ở tỷ lệ 1:25 có thé được sửdụng dé nuôi cấy vi tảo Đồng thời, nước tiêu không pha loãng có thé ức chế tăngtrưởng của vi tảo do thủy phân urea Do đó, môi trường nước tiéu pha loãng nuôicấy trong nghiên cứu nay được lựa chon là 1:30 (gần với tỷ lệ trong nghiên cứu của

Jaatinen và cộng sự (2016)).Suc khí

Mục tiêu chính của việc áp dụng khí trong MPBR là cung cấp nguồn carbon cho vitảo Sinh khối vi tảo bao gồm khoảng 50% carbon, thường lấy từ CO, (Chisti,2007) Không khí, CO; đậm đặc hoặc tinh khiết, khí thải và carbonate hoà tan lànguồn carbon thông thường đối với sản xuất sinh khối tảo va các nguồn carbon khíthải được ưa tiên hon các nguồn carbon trong nước (Woertz và cộng sự, 2009;

Sutherland và cộng sự, 2015; Lam và cộng sự, 2012) Nói chung, CO; đậm đặc có

lợi cho năng suất sinh khối nhiều hơn so với không khí trong khí quyến (0,04%

CO;) (Huang và cộng sự, 2012; Lam va cộng sự, 2012; Ji và cộng sự, 2013) Ví du,một nghiên cứu trước đánh giá ảnh hưởng của mức CO, (10%, 5%, 2% va không

khí xung quanh) vào sự phát triển của Desmodesmus sp F2 trong nước thải đượcbáo cáo CO, đậm đặc thúc day tăng trưởng và 2% CO, đủ dé tăng cường sản xuấtDesmodesmus sp F2 (Huang và cộng sự, 2012) Ngoài ra, nhiều nghiên cứu chothay nông độ CO; từ 6-15% có lợi cho sản xuất Chlorella Sp., Scenedesmus

obliquus, Spirulina sp va N oculata (Tang và cộng sự, 2011; Chiu và cộng sự,

2008; Razzak va cộng sự, 2015); tiếp theo, tăng lượng CO; lên 30-50% có thé làmtăng sự tích lũy tổng lipid va acid béo poly không bão hòa (Tang và cộng sự, 2011)và can phải nghiên cứu thêm Do đó, trong nghiên cứu này sử dụng lưu lượng khícung cấp cho MPBR với lưu lượng 4 L/phút (chứa 2,5% CO.) để dam bao Chlorellasp có khả năng sản xuất.

Thời gian lưu sinh khốiNông độ tế bao trong MPBR tùy thuộc vào điều kiện thời gian lưu sinh khối(MRT), thời gian lưu nước (HRT), (Mục 2.3.2, Chương 2) Bên cạnh đó, đểnghiên cứu pha tăng trưởng của vi tảo (hoặc vi tao và vi khuẩn) đến kha năng loạibỏ dinh dưỡng trong MPBR, nông độ vi tao sử dụng trong nghiên cứu ban dau 36mg/L Khi tiến hành khảo sát MRT tối ưu, tiến hành rút sinh khối tảo (vi tảo và vikhuẩn) theo công thức (3), Phụ lục 2 MRT được khuyến khích trong khoảng 15-25ngày (Mục 2.3.2, Chương 2) Một nghiên cứu khác cho thấy sử dụng MRT thấp (5

ngày) cho năng suất cao nhất (132 g/m /ngày) trong MPBR (Xu và cộng sự, 2015)

Tuy nhiên, Nguyễn Văn Thuận và cộng sự (2018) lại cho răng MRT 5 ngày chonăng suất sinh khối tảo (315 mg tảo/L.ngày) và tốc độ loại bỏ dinh dưỡng cao nhất(73,05 mg N/L.ngay và 2,67 mg P/L.ngày) khi tiến hành nghiên cứu MPBR vớinước tiểu pha loãng tỷ lệ 1:30 ở MRT lần lượt 10, 7 và 5 ngày Do đó, nghiên cứutiễn hành khảo sát MRT tối ưu với MRT lần lượt 5; 3; 2 và 1,5 ngày

Thời gian lwu HướcThời gian lưu nước được định nghĩa là nghịch dao của ty lệ pha loãng (D, dilutionrate) (Marbelia và cộng sự, 2014) Marbelia và cộng sự (2014) đã nghiên cứu

MPBR và PBR với các D khác nhau từ 0,2-1,0 ngày ', kết quả cho thấy so với PBR,MPBR có khả năng ngăn chặn và giữ nồng độ sinh khối tương đối trong khoảng Drộng Nồng độ sinh khối tối ưu 0,59+0,1 g/L tại D = 0,5 ngày ' (HRT 2 ngày), caohơn gap 3,5 lần so với PBR Hơn nữa, với HRT thấp dẫn đến chi phi đầu tư ban đầuthấp hơn do thé tích bể nhỏ hơn va chi phí thu hoạch do nông độ sinh khối cao hơn

Do đó, HRT được lựa chọn nghiên cứu là 2 va 1 ngày.