Phần 2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống hraps
HRAPS
2.3.1. Các thông số kỹ thuật vận hành
Trong công nghệ nuôi tảo hiệu suất cao HRAPs xử lý nước thải các chất dinh dưỡng đượcloạibỏ thơng qua sự đồng hóa thành sinh khối tảo. Vì vậy, cần kiểm sốt 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 trịn, nơng, 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 vịng 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).
20
Hình 2.4. Sơ đồ của một hệ thống ao ni 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 dịng nước trung bình 0,15 – 0,3m/s. (Craggs, 2005). Dòng nước dưới dạng đường đua có thể là một vịng 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.
Hình 2.5. Sơ đồ mặt cắt ngang và mặt cắt đứng hệ thống HRAPs
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, cơng 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 tốn 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.
2.3.2. Các thông số môi trường và dinh dưỡng
a. Nhiệt độ
Theo Karin et al. (2006), các loài vi tảo thường phát triển tốt trong khoảng
nhiệt độ từ 15 – 25oC . Nhiệt độ tăng làm tăng sự phát triển của tảo cho đến khi đạt nhiệt độ tối ưu (Soeder., 1981). Tăng nhiệt độ vượt quá mức tối ưu làm giảm tổng hợp protein và do đó dẫn đến giảm tốc độ tăng trưởng (Konopka và cs., 1978).
Chlorella vulgaris tăng trưởng tối ưu ở nhiệt độ 25oC.
b. Ánh sáng
Cũng như các loài thực vật khác, tảo cũng cần ánh sáng cho quá trình quang tổng hợp vật chất hữu cơ từ CO2. Khơng chỉ vậy nó cịn là nguồn năng lượng chính trong giai đoạn tăng trưởng quang tự dưỡng. Các sinh vật sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi CO2 vào các hợp chất hữu cơ trong tế bào. Tảo
22
khắc phục hạn chế ánh sáng bằng cách giảm độ bão hòa của màng lục lạp. Khi cường độ ánh sáng quá cao, vượt mức độ bão hòa sẽ gây ra hiện tượng
photoinhibition - hiện tượng ức chế ánh sáng. Điều này có thể làm bất hoạt các
enzym tham gia vào quá trình cố định CO2 (Iqbal và cs., 2012) Cường độ ánh sáng thích hợp thay đổi rất lớn tuỳ theo điều kiện ni cấy, Ni trong bình thuỷ tinh dung tích nhỏ cần cường độ ánh sáng là 1000 LUX, với bể nuôi lớn cường độ ánh sáng cần cung cấp vào khoảng 5000 – 10000 LUX.
c. pH
Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nuôi cấy tảo là pH vì nó quyết định khả năng hòa tan và hàm lượng sẵn có của CO2 cũng như các chất dinh dưỡng thiết yếu trong mơi trường. pH có một tác động đáng kể tới quá trình trao đổi chất của tảo (Chen và cs .,1994). Trong quá trình sinh trưởng, tảo hấp thu cacbon vô cơ khiến cho pH tăng lên đáng kể trong suốt quá trình ni (Hansen và cs .,2002). Mức tăng trưởng tối ưu của tảo đạt được trong khoảng pH trung tính (7 – 7,6).
pH là yếu tố chính chi phối nồng độ tương đối của dạng cacbon trong nước. Ở giá trị pH cao, hàm lượng CO2 có sẵn trong nước nhỏ, làm hạn chế sự tăng trưởng của tảo (Azov và cs .,1982). Do pH cao làm tăng tính linh hoạt của thành tế bào mẹ, ngăn ngừa sự phá vỡ của nó và ức chế việc hình thành các tự bào tử, từ đó làm tăng thời gian hoàn thành của chu kỳ tế bào (Guckert và cs ., 1990). Ở giá trị pH thấp, điều kiện có tính axit làn thay đổi sự hấp thu chất dinh dưỡng (Gensemer và cs ., 1993) hoặc làm tăng khả năng phát tán kim loại độc (Sunda và cs ., 1975) và do đó làm ảnh hưởng tới sự phát triển của tảo.
d. Cấp khí
Theo person (1980) nhận xét giữa các chế độ sục khí liên tục bán liên tục và khơng sục khí đã nhận thấy năng suất của bể sục khí cao hơn 30% so với khơng sục khí. Đối với vi tảo, CO2 đóng vai trị quan trọng đặc biệt trong q trình quang hợp, nó có thể được cung cấp bởi nguồn CO2 trong khí quyển, từ khói thải của nhà máy, trong các muối carbonate hòa tan như NaHCO3. Khi sục khí CO2 ở nồng độ quá lớn cũng có ảnh hưởng ức chế đến quá trình sinh trưởng của tảo.
e. Dinh dưỡng
Cacbon là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cần phải được cung cấp trong q trình sinh trưởng của tảo. Nó là yếu tố cần thiết cho quang
hợp và sinh sản. Tỷ lệ cố định cacbon thấp sẽ làm giảm tốc độ tăng trưởng của tảo. Cacbon có thể được sử dụng dưới các hình thức của cacbonat hoặc bicacbonat. CO2 trong nước có thể có mặt ở bất kỳ hình thức nào tùy thuộc vào pH, nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng. Ở những giá trị pH cao, lượng cacbonat tăng và bicacbonat giảm (Chen et al., 1994). Ở những giá trị pH trung bình
(pH=8,2) , 90 % cacbon hiện diện trong HCO3-, chỉ có 1% tồn tại như CO2 phân tử và phần còn lại là bicacbonat. (Eshaq et al., 2010). Khi hàm lượng CO2 quá cao có thể làm giảm nồng độ tương đối của protein và các sắc tố trong tế bào nhưng làm gia tăng hàm lượng carbohydrate. Sự thay đổi trong thành phần tế bào này làm giảm năng suất sinh khối tối đa (Gordillo et al., 1998)
Trong thủy vực tảo có khả năng tổng hợp chất vô cơ thành chất hữu cơ cho cơ thể thơng qua q trình quang hợp. Trong các thủy vực tự nhiên sự phát triển của tảo phụ thuộc vào 3 yếu tố chính là nước, ánh sáng và muối vô cơ mà chủ yếu là Photpho và Nitơ. Do đó tại một thời điểm chỉ cần hạn chế một trong ba nhân tố trên là có thể giới hạn sự sinh trưởng của tảo. Tuy nhiên nguồn giới hạn này có thể thay đổi và việc xác định đúng nguồn nhân tố giới hạn từ ba nguồn trên trong điều kiện thực tế của ao nuôi tảo cũng như các nguồn nước thải là điều cần thiết cho việc quản lý sự phát triển của tảo (Lucc et al., 1990). Theo Round (1975) khi bất kì nhóm tảo nào phát triển chiếm ưu thế, điều này có liên quan đến khả năng dự trữ Nitơ và Photpho trong tế bào tảo.
Nitơ và phốtpho là hai chất dinh dưỡng quan trọng cho sự tăng trưởng và sự trao đổi chất của các tế bào tảo. Tuy nhiên trong nước thải sau khi xử lý bằng các q trình hiếu khí hoặc yếm khí vẫn cịn chứa nhiều Nitrat (NO3-), amon (NH4+), phosphate (PO43-), dẫn đến hiện tượng phú dưỡng ở ao hồ gây nở hoa tảo độc hại (Sawayama et al., 1998). Prasad (1982) và Geddes (1984) đã xem xét P và N là chìa khóa của hiện tượng phú dưỡng. Vì vậy, cần nghiên cứu xử lý 2 dinh dương này trong nước để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng nguồn nước (Sawayama và et al., 2000). Theo Smith (1982) và Downing (1997) thì Nitơ và
Photpho là hai chất dinh dưỡng được cho là có ảnh hưởng đến việc hạn chế sinh trưởng, phát triển của thực vật phù du . Nước thải được xử lý chủ yếu là do quá trình phân hủy hiếu khí hoặc kỵ khí; Tuy nhiên, nước thải được xử lý vẫn còn chứa các hợp chất vô cơ như nitrat, amoni và phosphate, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng ở hồ và gây nở hoa tảo độc hại (Sawayama et al., 1998).
24
Nitơ là một yếu tố dinh dưỡng góp phần quan trọng trong việc sản xuất sinh khối tảo và tham gia vào thanh phần của tế bào như axit amin, protein, amino axit… và chiếm 7% đến 20% trọng lượng khô của tế bào ( Hu .Q ., 2004). Hầu hết các lồi vi tảo có khả năng sử dụng nhiều nguồn nitơ gồm có nitơ hữu cơ (ure, glutamin, glyxin,…) và nitơ vô cơ (amoni, nitrat và nitrit). Các dạng nitơ vô cơ trong nước được tảo hấp thụ và đồng hóa thành các hợp chất sinh hóa trong cơ thể và được các tế bào sử dụng để đáp ứng các thay đổi của nhu cầu sinh lý. Tác động chủ yếu của tình trạng thiếu nitơ trong mơi trường ni tảo là việc giảm hàm lượng protein (Morris et al., 1997) và tăng khả năng tích tụ các chất béo
(Thompson et al., 1996).
Phốt pho là một phần dinh dưỡng chính đóng một vai trị quan trọng trong q trình trao đổi chất của tế bào như chuyển giao năng lượng, sinh tổng hợp acid nucleic, DNA cần thiết cho sự tăng trưởng và phát triển bình thường của tảo. Phốtpho thường chiếm 1% trọng lượng khô của tảo (Hu.Q., 2004). Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong môi trường tự nhiên, phốtpho là yếu tố giới hạn đối với sự phát triển của tảo (Borchardt và cs ., 1968). Hàm lượng phốtpho thấp trong môi trường cũng dẫn đến sự tích tụ các chất béo. Tổng litpit trong tảo
Scendesmus sp. tăng từ 23% lên 53%, đồng thời với việc giảm nồng độ phốtpho
trong nước từ 0,1 – 2,0 mg/L (Li et al., 2010)
2.4. MƠ HÌNH SINH THÁI VÀ CÁC DẠNG MƠ HÌNH LÝ THUYẾT CHO ĐỐI TƯỢNG TẢO
2.4.1 Cơ sở lý thuyết của mơ hình sinh thái và ứng dụng của nó
Trong sinh thái học, hệ sinh thái là hệ thống các quần thể sinh vật sống chung và phát triển trong một môi trường nhất định, quan hệ tương tác với nhau và với mơi trường đó. Cịn theo quan điểm toán học, hệ sinh thái là một tập các đối tượng có cùng một tính chất chung nào đó, tương tự với một hệ thống. Hệ thống được đặc trưng bởi các thành phần, đơn vị riêng liên kết với nhau thành một thực thể, tổng thể, trong đó ln có sự vận động phát triển, thống nhất, mâu thuẫn mà chúng ta có thể mơ tả, đốn đọc được.
Trong nghiên cứu hệ thống, chúng ta nghiên cứu về động thái của chúng theo nghĩa của các phương trình tốn học. Những hệ thống đặc trưng đó được gọi là một mơ hình tốn. Vì thế, mơ hình sinh thái hay mơ hình hệ sinh thái là một sự mơ phỏng tốn học cho một HST. Chúng đơn giản hóa một chuỗi thức ăn
phức tạp với các thành phần của lưới thức ăn hoặc các bậc dinh dưỡng chính và cũng định lượng cho số cá thể và sinh khối hoặc kiểm kê số lượng hay nồng độ cả một số thành phần hóa học. Mơ hình hệ sinh thái là sự phát triển các lý thuyết sinh thái với mục đích mơ tả những động thái cơ bản nhất của các HST, đồng thời đưa ra những dự đoán cho hoạt động của chúng. Do đặc tính phức tạp của HST (đa dạng về loài hay về thành phần sinh thái), mơ hình HST mơ tả một cách đơn giản hệ thống được nghiên cứu với một giới hạn về số lượng thành phần thực thể. Đó có thể là các lồi có tầm quan trọng đặc biệt, hoặc có thể là các nhóm chức năng lớn như nhóm tự dưỡng, nhóm dị dưỡng, nhóm hoại sinh. Trong cấu trúc của mình, mơ hình có các biến số như sau:
- Đối tượng (biến trạng thái – state variables) là phần tử cấu thành hệ , thể
hiện bản chất của hệ. Chúng là những thành phần hệ thống căn bản mà chúng ta muốn dự đoán những giá trị của chúng theo thời gian.
- Biến ngoại sinh (exogerous variables) là yếu tố bên ngồi có ảnh hưởng
đến biến trạng thái (ví dụ các yếu tố ngoại cảnh không chịu ảnh hưởng của hệ như ánh sáng, gió, lượng mưa…)
- Biến điều khiển (decision variables) hay biến quyết định là các phần tử
của hệ chịu ảnh hưởng của các tác động bên ngoài hệ. Trong một hệ thống nhất định nó thường là các yếu tố do con người đưa vào với mục đích điều khiển hoạt động của hệ (ví dụ thức ăn và phân bón).
- Trong một số mơ hình và tùy vào quan điểm của từng nghiên cứu mà người ta có thể gọi chung biến ngoại sinh và biến điều khiển là biến kiểm soát (control variables)
Mơ hình sinh thái được xây dựng với mục tiêu mơ tả chính xác các hoạt động của một đối tượng cụ thể hoặc một hệ sinh thái phức tạp. Nhờ đó mơ hình sẽ giúp ta hiểu được bản chất của hoạt động trên nhiều khía cạnh: cấu trúc của hệ thống, mối quan hệ tương tác qua lại giữa các thành phần và điều kiện cân bằng và ổn định của nó. Hơn nữa mơ hình sinh thái sẽ xác định ảnh hưởng của các kịch bản tới hệ sinh thái và thiết kế hệ thống quản lý.
2.4.2 Tổng hợp mơ hình lý thuyết mơ phỏng sự phát triển của tảo
Tảo là đối tượng trong các mơ hình sinh thái, q trình sinh trưởng và phát