Nghiên cứu coculture vi tảo và bùn hoạt tính cho xử lý nước thải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật môi trường coculture of microalgae and activated sludge for wastewater treatment, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường
• Đề tài: Coculture Vi Tảo Và Bùn Hoạt Tính Trong Xử Lý Nước Thải
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DECLARATION
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background
• 1.2. Objective of study
• 1.3. Scope of the study
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Overview on microalgae
• 2.1.1. Cultivation system of microalgae
• 2.1.2. Factors affecting microalgae growth
• 2.2. Co-culture of microalgae and bacteria system
• 2.2.1. Microalgae-activated sludge under photobioreactor
• 2.2.2. Factors affecting on co-culture system
• 3. CHƯƠNG 3: MATERIALS AND METHODS
• 3.1. Microorganism, wastewater and membrane module
• 3.2. Overall reseach content
• 3.2.1. Task 1: Defind optimal inoculum ratio of microalgae:activated-sludge under photobioreactor
• 3.2.2. Task 2: To evaluate treatment performance (N, P, COD removal), and biomass production and fouling behavior of MPBR under various BRTs
• 3.3. Microbial biomass analyses
• 3.4. Nitrogen mass balance
• 3.5. Determination of membrane resistances
• 4. CHƯƠNG 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. Task 1: Defind optimal inoculum ratio of microalgae:activated-sludge under photobioreactor
• 4.1.1. Effect of inoculum ratios on biomass growth and variation of dissolved oxygen and pH
• 4.1.2. Effect of inoculation ratio on the performance of PBRs
• 4.1.3. Role of microalgae and activated sludge under different co-culture systems
• 4.1.4. Choosing an optimal inoculation ratio of microalgae:activated sludge
• 4.2. Task 2: To evaluate treatment performance (N, P, COD removal), and biomass production and fouling behavior of MPBR under various BRTs
• 4.2.1. Effect of biomass retention times on biomass growth and variation of dissolved oxygen, pH and alkalinity
• 4.2.2. Effect of biomass retention times on MPBR system performance
• 4.2.3. Effect of biomass retention times on fouling behavior
• 5. CHƯƠNG 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATION

Tóm tắt

I. Giới thiệu về coculture vi tảo và bùn hoạt tính

Coculture vi tảo và bùn hoạt tính là một phương pháp tiên tiến trong xử lý nước thải. Phương pháp này không chỉ giúp loại bỏ chất ô nhiễm mà còn tối ưu hóa quá trình sản xuất sinh khối. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tỷ lệ kết hợp giữa vi tảo và bùn hoạt tính trong các hệ thống photobioreactor. Mục tiêu chính là tìm ra tỷ lệ tối ưu cho việc xử lý các chất ô nhiễm như N, P và COD. Việc kết hợp này không chỉ mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải mà còn tạo ra một nguồn tài nguyên sinh khối có giá trị.

1.1. Đặc điểm của vi tảo và bùn hoạt tính

Vi tảo là nhóm sinh vật có khả năng quang hợp, giúp hấp thụ CO2 và sản xuất oxy. Trong khi đó, bùn hoạt tính chứa các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Việc kết hợp giữa hai loại này tạo ra một hệ sinh thái mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải. Theo nghiên cứu, vi tảo có thể giảm đáng kể nồng độ nitrogen thông qua quá trình đồng hóa sinh học, trong khi bùn hoạt tính cải thiện khả năng loại bỏ COD. Sự tương tác giữa hai nhóm vi sinh vật này tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của cả hai, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

II. Quy trình xử lý nước thải bằng coculture

Quy trình xử lý nước thải bằng coculture vi tảo và bùn hoạt tính được thực hiện trong các hệ thống photobioreactor. Các tỷ lệ khác nhau giữa vi tảo và bùn hoạt tính như 1:0, 3:1, 1:1 được thử nghiệm để xác định tỷ lệ tối ưu cho việc xử lý. Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 3:1 cho hiệu quả xử lý cao nhất với khả năng loại bỏ COD lên tới 70.8%. Điều này chứng tỏ rằng sự kết hợp này không chỉ mang lại lợi ích về mặt sinh khối mà còn cải thiện khả năng xử lý chất ô nhiễm trong nước thải.

2.1. Tác động của thời gian giữ bùn

Thời gian giữ bùn (BRT) có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống MPBR. Nghiên cứu cho thấy, khi thời gian giữ bùn giảm xuống, tỷ lệ vi khuẩn trong bùn hoạt tính tăng lên từ 20% đến 34%. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng, với nồng độ TN giảm mạnh khi BRT kéo dài. Ngược lại, loại bỏ TP tối đa đạt được ở BRT ngắn hơn do sự rút ngắn sinh khối chứa PAOs. Kết quả cho thấy BRT tối ưu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất xử lý nước thải, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật trong hệ thống.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về coculture vi tảo và bùn hoạt tính mang lại nhiều giá trị thực tiễn trong xử lý nước thải. Phương pháp này không chỉ giúp loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm mà còn tạo ra một nguồn tài nguyên sinh khối có thể tái sử dụng. Việc áp dụng công nghệ này trong các nhà máy xử lý nước thải có thể giảm thiểu chi phí vận hành và tăng cường hiệu quả xử lý. Hơn nữa, nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ xử lý nước thải bền vững và thân thiện với môi trường.

3.1. Đề xuất cho nghiên cứu tiếp theo

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống coculture, cần tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng khác như thành phần nước thải, điều kiện môi trường và cấu trúc hệ thống. Nghiên cứu cũng nên xem xét đến việc tối ưu hóa quy trình vận hành để đạt được hiệu suất cao nhất trong xử lý nước thải. Bên cạnh đó, việc phát triển các công nghệ mới có thể giúp cải thiện khả năng tái sử dụng nước và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa và phát triển công nghiệp nhanh chóng đã làm gia tăng đáng kể lưu lượng nước thải chứa hàm lượng hợp chất nitơ và photpho vượt ngưỡng cho phép, là tác nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa tại các thủy vực tự nhiên. Trong các hệ thống xử lý nước thải truyền thống bằng bùn hoạt tính, chi phí năng lượng cung cấp cho quá trình sục khí cơ học thường chiếm từ 60% đến 80% tổng năng lượng tiêu thụ của toàn bộ nhà máy. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển một công nghệ xử lý sinh học một giai đoạn có khả năng vừa xử lý triệt để các chất ô nhiễm dinh dưỡng, vừa tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết hai mục tiêu trọng tâm: thứ nhất, xác định tỷ lệ cấy ghép tối ưu giữa vi tảo và bùn hoạt tính trong bể phản ứng quang sinh học hoạt động theo mẻ nhằm đạt hiệu suất khử chất hữu cơ, nitơ, photpho và tăng trưởng sinh khối cao nhất; thứ hai, đánh giá toàn diện ảnh hưởng của các thời gian lưu sinh khối khác nhau từ 3 ngày đến 10 ngày đến hiệu quả làm sạch nước thải siêu thị thực tế, sự phát triển sinh khối và hiện tượng tắc nghẽn màng trong hệ thống màng quang sinh học liên tục.

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Phân tích và Công nghệ Môi trường thuộc Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 09/2020 đến tháng 01/2021. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các trạm xử lý nước thải không cần sục khí cưỡng bức, giúp cắt giảm 60% đến 80% năng lượng vận hành, đồng thời thu hồi nguồn sinh khối giàu protein và lipid có giá trị kinh tế cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của thuyết cộng sinh quang dưỡng và dị dưỡng giữa vi tảo và vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Trong hệ thống này, vi tảo sử dụng ánh sáng mặt trời và hấp thụ khí cacbonic sinh ra từ quá trình hô hấp của vi khuẩn để quang hợp, đồng thời giải phóng oxy hòa tan cung cấp trực tiếp cho vi khuẩn dị dưỡng phân hủy chất hữu cơ. Sự kết hợp này loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sục khí nhân tạo. Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng lý thuyết cân bằng vật chất nitơ và mô hình động học tắc nghẽn màng kháng trở nối tiếp để định lượng sự tích tụ chất bẩn trên bề mặt màng lọc.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: Bể phản ứng màng quang sinh học, Thời gian lưu sinh khối, Hợp chất polyme ngoại bào, và Vi sinh vật tích lũy polyphosphate. Cơ chế chuyển hóa chất dinh dưỡng dựa trên phản ứng quang hợp tổng hợp sinh khối vi tảo:

6CO2 + 6H2O + Năng lượng ánh sáng -> C6H12O6 + 6O2

Cùng với phản ứng oxy hóa chất hữu cơ dị dưỡng của vi khuẩn:

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + Nhiệt lượng

Sự tương tác này tạo nên chu trình tuần hoàn kín về oxy và cacbon, tối ưu hóa quá trình xử lý sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hai giai đoạn thử nghiệm nghiêm ngặt. Giai đoạn một sử dụng 5 bể phản ứng quang sinh học dạng mẻ có dung tích làm việc 2 lít với môi trường nước thải nhân tạo, khảo sát 5 tỷ lệ cấy vi tảo so với bùn hoạt tính gồm 1:0, 9:1, 3:1, 1:1 và 0:1 theo khối lượng khô trong chu kỳ 12 ngày. Giai đoạn hai triển khai hệ thống màng quang sinh học dòng chảy liên tục kết hợp module màng sợi rỗng màng siêu lọc bằng vật liệu polyvinylidene difluoride để xử lý nước thải siêu thị thực tế tại các mức thời gian lưu sinh khối 3, 5, 7 và 10 ngày.

Phương pháp chọn mẫu nước thải siêu thị được thực hiện theo hình thức lấy mẫu tổ hợp đại diện theo thời gian thực tế nhằm phản ánh chính xác sự dao động nồng độ chất hữu cơ và dinh dưỡng. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 120 mẫu nước và sinh khối được thu thập và phân tích lặp lại ba lần để đảm bảo độ tin cậy thống kê.

Các chỉ tiêu chất lượng nước như nhu cầu oxy hóa học, tổng nitơ, tổng photpho, nitơ amoni, nitrit và nitrat được phân tích bằng phương pháp so màu và quang phổ hấp thụ phân tử theo Tiêu chuẩn chuẩn nghiệm nước và nước thải Standard Methods. Phân bố kích thước hạt sinh khối được đo bằng thiết bị tán xạ laser, nồng độ polyme ngoại bào hòa tan và liên kết được chiết tách bằng phương pháp nhiệt kết hợp ly tâm tốc độ cao, và áp suất xuyên màng được ghi nhận tự động bằng cảm biến áp suất kỹ thuật số. Timeline nghiên cứu kéo dài liên tục trong 4 tháng vận hành ổn định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm ở giai đoạn một chỉ ra rằng tỷ lệ cấy ghép vi tảo và bùn hoạt tính 3:1 mang lại hiệu quả xử lý vượt trội và tích lũy sinh khối cao nhất với nồng độ đạt mức 1,4 gam trên lít. Tỷ lệ 3:1 và 1:1 đã thúc đẩy hiệu suất khử nhu cầu oxy hóa học cao hơn 37% so với mô hình nuôi cấy vi tảo đơn lẻ. Vi tảo đóng vai trò nòng cốt trong việc hấp thu nitơ thông qua quá trình đồng hóa sinh học, trong khi bùn hoạt tính giữ nhiệm vụ chủ đạo trong việc oxy hóa các hợp chất hữu cơ hòa tan.

Trong hệ thống màng quang sinh học ở giai đoạn hai, thời gian lưu sinh khối thể hiện ảnh hưởng mang tính quyết định đến cấu trúc quần xã vi sinh vật và hiệu suất xử lý. Tỷ lệ phần trăm của vi khuẩn trong tổng sinh khối tăng dần từ 20% lên 34% khi thời gian lưu sinh khối được rút ngắn từ 10 ngày xuống 3 ngày. Ở mức thời gian lưu sinh khối 7 ngày, hệ thống đạt hiệu suất loại bỏ nhu cầu oxy hóa học cao nhất là 70,8% cùng với năng suất sinh khối đạt đỉnh. Ngược lại, hiệu suất khử tổng photpho đạt cực đại 66,4% ở mức thời gian lưu sinh khối ngắn nhất là 3 ngày nhờ việc xả bỏ định kỳ lượng lớn sinh khối có chứa vi sinh vật tích lũy polyphosphate.

Thảo luận kết quả

Khi biểu diễn các dữ liệu thực nghiệm trên đồ thị tương quan tuyến tính giữa nồng độ chất ô nhiễm tồn dư và mật độ sinh khối, kết quả phản ánh rõ nét sự phân công chức năng sinh học. Vi tảo hấp thu nhanh chóng các dạng nitơ vô cơ để tổng hợp axit amin, làm giảm đáng kể tổng nitơ trong nước thấm qua màng ở các chu kỳ lưu sinh khối dài 10 ngày. Trong khi đó, vi khuẩn dị dưỡng trong bùn hoạt tính sử dụng lượng oxy do vi tảo giải phóng trong pha chiếu sáng để phân giải các chuỗi cacbon phức tạp.

Hiện tượng tắc nghẽn màng thể hiện rõ qua biểu đồ gia tăng áp suất xuyên màng theo thời gian vận hành. Tốc độ tắc màng diễn ra nhanh nhất tại thời gian lưu sinh khối 3 ngày do hàm lượng polyme ngoại bào hòa tan đạt nồng độ cao và kích thước bông bùn bị thu nhỏ, làm tăng trở lực lớp bánh bùn bám trên bề mặt màng sợi rỗng. So với các nghiên cứu trước đây chỉ đạt hiệu suất khử photpho từ 10% đến 41% trong các bể sinh học truyền thống, hệ thống màng quang sinh học cộng sinh ở nghiên cứu này đạt tới 66,4%, chứng minh sự phối hợp giữa lọc màng và đồng nuôi cấy là giải pháp đột phá để xử lý triệt để dinh dưỡng trong nước thải đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể nhằm ứng dụng công nghệ vào thực tiễn:

• Chuẩn hóa tỷ lệ cấy giống ban đầu ở mức 3 phần vi tảo kết hợp 1 phần bùn hoạt tính theo khối lượng khô trong vòng 12 ngày đầu khởi động hệ thống. Giải pháp này giúp thiết lập nhanh chóng trạng thái cân bằng cộng sinh, do các kỹ sư vận hành trạm xử lý nước thải thực hiện.
• Thiết lập thời gian lưu sinh khối ở mức 7 ngày cho các hệ thống màng quang sinh học quy mô thương mại nhằm đạt mục tiêu kép: duy trì hiệu suất loại bỏ nhu cầu oxy hóa học ổn định trên 70% và đạt năng suất thu nhận sinh khối tối ưu. Quy trình này cần được áp dụng ngay trong giai đoạn vận hành liên tục do ban quản lý kỹ thuật công trình đảm trách.
• Triển khai quy trình làm sạch màng định kỳ kết hợp sóng siêu âm trong 10 phút và ngâm rửa hóa chất bằng dung dịch axit clohydric cùng natri hypoclorit. Phương pháp này giúp phục hồi lưu lượng thấm màng lên tới hơn 76%, thực hiện với chu kỳ 15 ngày một lần bởi đội ngũ bảo trì thiết bị.
• Tận dụng nguồn sinh khối vi tảo và bùn hoạt tính sau khi xả thải làm nguyên liệu sản xuất phân bón hữu cơ sinh học hoặc chiết xuất lipid cho ngành nhiên liệu sinh học. Doanh nghiệp môi trường và các đơn vị công nghệ sinh học nên triển khai mô hình thử nghiệm này trong khung thời gian 12 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường: Luận văn cung cấp khung dữ liệu chi tiết về động học cộng sinh vi tảo - vi khuẩn, các phương trình cân bằng khối lượng nitơ và cơ chế kiểm soát trở lực màng lọc trong điều kiện vận hành thực tế.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải: Tài liệu cung cấp các thông số công nghệ chuẩn xác như tỷ lệ cấy 3:1 và thời gian lưu sinh khối 7 ngày, giúp tối ưu hóa thiết kế bể phản ứng và giảm 60% đến 80% chi phí điện năng sục khí cho doanh nghiệp.
• Ban quản lý trung tâm thương mại, siêu thị và khu đô thị: Hướng dẫn giải pháp xử lý nước thải tại chỗ với diện tích xây dựng nhỏ gọn, nước đầu ra đạt chuẩn xả thải và hạn chế tối đa mùi hôi cũng như phát thải khí cacbonic.
• Các đơn vị phát triển năng lượng sinh học và kinh tế tuần hoàn: Tham khảo quy trình thu hồi sinh khối giàu năng lượng với giá trị nhiệt lượng ước tính đạt khoảng 18,59 megajoule trên mỗi kilogam sinh khối khô để phục vụ sản xuất nhiên liệu tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống đồng nuôi cấy vi tảo và bùn hoạt tính giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách nào? Hệ thống tận dụng quá trình quang hợp của vi tảo để tự sinh oxy hòa tan cung cấp cho vi khuẩn dị dưỡng phân hủy chất hữu cơ. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn máy sục khí cơ học, vốn tiêu tốn từ 60% đến 80% tổng điện năng tiêu thụ trong các trạm xử lý bùn hoạt tính truyền thống.

Tại sao tỷ lệ cấy 3:1 giữa vi tảo và bùn hoạt tính lại được đánh giá là tối ưu nhất? Ở tỷ lệ 3:1, sinh khối đạt nồng độ cao nhất là 1,4 gam trên lít và tăng hiệu suất loại bỏ nhu cầu oxy hóa học thêm 37% so với nuôi tảo đơn lẻ. Tỷ lệ này tạo ra sự cân bằng hoàn hảo giữa lượng oxy sinh ra từ tảo và lượng khí cacbonic giải phóng từ vi khuẩn.

Thời gian lưu sinh khối ngắn 3 ngày tác động như thế nào đến việc loại bỏ photpho? Khi vận hành ở thời gian lưu sinh khối 3 ngày, lượng bùn chứa vi sinh vật tích lũy polyphosphate được xả bỏ định kỳ với khối lượng lớn. Quá trình này giúp hệ thống đạt hiệu suất khử tổng photpho cao nhất lên tới 66,4%, vượt trội hơn hẳn so với các chu kỳ lưu sinh khối dài ngày.

Yếu tố nào đóng vai trò chính gây ra hiện tượng tắc nghẽn màng trong hệ thống màng quang sinh học? Nguyên nhân chủ yếu gây tăng nhanh áp suất xuyên màng là sự tích tụ của các hợp chất polyme ngoại bào hòa tan cùng với sự suy giảm kích thước bông sinh khối. Các hạt keo nhỏ này dễ dàng bám dính và bịt kín các lỗ rỗng của sợi màng siêu lọc.

Phương pháp nào hiệu quả nhất để phục hồi lưu lượng thấm của màng lọc bị bẩn? Nghiên cứu chứng minh rằng phương pháp rửa kết hợp giữa xử lý sóng siêu âm và ngâm rửa hóa chất chuyên dụng cho hiệu quả phục hồi độ thấm màng đạt trên 76%, cao hơn nhiều so với việc chỉ rửa nước thông thường hoặc dùng siêu âm đơn lẻ.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tính khả thi vượt trội của công nghệ đồng nuôi cấy vi tảo và bùn hoạt tính trong việc xử lý nước thải và tiết kiệm năng lượng.
• Xác định tỷ lệ cấy giống 3:1 là tỷ lệ vàng giúp nâng cao hiệu suất xử lý chất hữu cơ thêm 37% và tối ưu hóa năng suất sinh khối.
• Khẳng định thời gian lưu sinh khối 7 ngày là điều kiện vận hành lý tưởng nhất cho hệ thống màng quang sinh học với hiệu suất khử nhu cầu oxy hóa học đạt 70,8%.
• Làm sáng tỏ cơ chế khử photpho đạt đỉnh 66,4% ở mức lưu sinh khối 3 ngày và xác định polyme ngoại bào hòa tan là tác nhân chính gây tắc màng.
• Đề xuất hoàn thiện quy trình rửa màng hóa học phục hồi trên 76% độ thẩm thấu, mở đường cho việc chuyển giao công nghệ vào thực tiễn xử lý nước thải siêu thị và đô thị trong giai đoạn 2021-2025.