Trong công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao HRAPs xử lý nước thải các chất dinh dưỡng đượcloạibỏ thông qua sự đồng hóa thành sinh khối tảo. Vì vậy, cần kiểm soát các yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong hệ thống HRAPs để tối ưu hóa hiệu quả. Quang hợp là động lực thúc đẩy sự hấp phụ các chất dinh dưỡng và hình thành của sinh khối và hiệu quả của nó là khối lượng vi tảo thu được (Grobbelaar năm 2010; Wilhelm và Jakob 2011). Các yếu tố có ảnh hưởng đến quang hợp bao gồm các yếu tố vật lý như ánh sáng, sự xáo động và nhiệt độ; các yếu tố hóa học như lượng dinh dưỡng, pH và độ mặn; các yếu tố sinh học như sự cạnh tranh giữa loài và nhiễm virus (Grobbelaar 2000; Larsdotter 2006a; González-Fernández và cs. 2011). Việc thiết kế và hoạt động của một HRAPs có thể ảnh hưởng đến một số các yếu tố này và ảnh hưởng đến tế bào tảo. Ánh sáng trong HRAPs được thay đổi bởi độ sâu của ao, nồng độ sinh khối và sự xáo trộn. Những yếu tố này ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu quả của quang hợp và cuối cùng là năng suất (Grobbelaar/ 2009; Donna L. Sutherland, 2013).
Những hệ thống HRAPs thường được xây dựng theo hình tròn, nông, theo dạng đường đua (raceways) với năng lượng đầu vào thấp, đã được sử dụng trên toàn thế giới để xử lý nước thải trong nhiều năm. HRAPs thường được thiết kế ở độ sâu 8-20 inches (20-50 cm) và duy trì 1-3 ngày. Một HRAP duy trì trạng thái hiếu khí bằng cách sử dụng sự phân bố của vi tảo và một số hình thức trộn cơ khí đầu vào năng lượng thấp, chẳng hạn như một bánh khuấy quay chậm. Việc khuấy trộn ngăn chặn sự hình thành của lớp bùn có thể dẫn đến điều kiện yếm khí (Brian H. Kiepper, 2013).
Donna L. Sutherland đã mô tả thiết kế hệ thống HRAP để xử lý nước thải tại nhà máy xử lí nước thải Christchurch, Newzeland. Hệ thống này bao gồm bốn vòng đơn liền kề, đất lót mương HRAPs, mỗi vùng nước diện tích 12.500 m2, độ sâu hoạt động của mương 0,35 m và tổng khối lượng 4,375 m3. Trong mỗi HRAPs, có một bánh khuấy được sử dụng để trộn nước thải trong mương ở một vận tốc nước trung bình ngang mặt là 0,2 m s-1. Tốc độ dòng chảy nước thải là 486 m3 mỗi ngày từ mỗi HRAP, tương đương thời gian lưu nước là 9 ngày. Trong những tháng mùa đông, HRAPs được vận hành với thời gian lưu là 9 ngày, trong mùa thu và mùa xuân thời gian lưu là 7 ngày và trong suốt mùa hè là 5,5 ngày (Donna L. Sutherland et al., 2013).
Hình 2.4. Sơ đồ của một hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao
Nguồn : R Craggs và cs. (2012) J.B.K. Park (2010) thiết kế HARPS có độ sâu 0,2-1 m. Bánh khuấy xáo trộn nước tạo ra vận tốc dòng nước trung bình 0,15 – 0,3m/s. (Craggs, 2005). Dòng nước dưới dạng đường đua có thể là một vòng hoặc nhiều vòng xung quanh những bức tường ngăn cách.
J. García trong nghiên cứu của mình đã đưa ra một sơ đồ (Hình 2.4) của HRAPs dạng đường đua . Mỗi HRAP có diện tích nước là 1,54 m2 và thể tích là 0,47 m3. Các bánh khuấy trộn trong cả hai kênh nước tạo ra một vận tốc giữa kênh 9 cm s-1. Mỗi lắng có diện tích bề mặt là 0,0255 m2. Chiều cao của đập lắng kiểm soát độ sâu của nước trong HRAPs, được điều chỉnh đến 0,3 m.
HRAPs thường có độ sâu khác nhau trong khoảng 0,2-1,0 m (Park và cs.., 2011a). Độ nông sâu, cùng với lượng nito và phốtpho cao từ nước thải, cho phép tảo sinh sôi nảy nở cho sinh khối cao, nồng độ chlorophyll-a (chl-a) sinh khối thường vượt quá 3000 mg/m3 (Craggs và cs.., 2012). Bánh khuấy được sử dụng để nhẹ nhàng di chuyển nước trong kênh (nước trung bình vận tốc thường 0,15- 0,30 m/s) và tạo ra sự xáo trộn thẳng đứng (Craggs và cs.., 2014). Việc khuấy trộn tăng cường sự phát triển tảo bằng cách đảm bảo sự tiếp xúc thường xuyên của các tế bào với ánh sáng, ngăn ngừa sự lắng đọng của các tảo /vi khuẩn và tăng cường sự khuếch tán của các chất dinh dưỡng qua lớp biên xung quanh các tế bào (Oswald, 1988; Grobbelaar, 2010; Hadiyanto et al., 2013) (trích Donna L. Sutherland et al., 2014).
Như vậy, công trình xử lý nước thải bằng nuôi tảo hiệu suất cao thường được thiết kế theo dạng đường đua (race way): đường đua là kênh chứa nước thải có độ sâu tối đa 100 cm, chiều rộng kênh tối thiểu là 100 cm, chiều dài được tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượng nước thải (m3/ngày) và thời gian lưu nước. Nước thải đi qua hệ thống sẽ được đảo trộn đều bởi máy khuấy. Hệ thống khuấy giúp cho sự phân bố của tảo đều trên toàn bộ mặt kênh . Nhiều loài tảo đã được nghiên cứu nhằm mục đích này như: Chlorella (Gonzale et al., 1997), Scenedesmus
(Martinez et al., 1999), Spirulina (Olguin et al., 2003). Với nguồn sinh khối tảo thu được từ hệ thống, tảo có thể sử dụng làm thức ăn thuỷ sản, phân bón và nhiên liệu sinh học. Bên cạnh đó, việc hấp thu CO2 giúp giảm thiểu các tác động tới biến đổi khí hậu tạo ra một chuỗi chăn nuôi phát thải cacbon thấp.