Đồ án tốt nghiệp 2025: Khảo sát vi tảo – vi khuẩn trong xử lý nước thải tại ĐH Sư phạm TP.HCM, Phạm Ngọc Minh

Khảo sát đặc tính sinh khối vi tảo và vi khuẩn dạng hạt trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, đánh giá hiệu quả và năng suất dưới ánh sáng tự nhiên.

• Tác giả: Phạm Ngọc Minh
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Thị Tuyết Nhung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Khảo sát đặc tính sinh khối vi tảo - vi khuẩn dạng hạt trong xử lý nước thải sinh hoạt trong điều kiện ánh sáng tự nhiên
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về vi tảo vi khuẩn hạt trong xử lý nước thải

Hệ sinh khối vi tảo – vi khuẩn hạt là giải pháp sinh học đột phá trong công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM năm 2025 tập trung khảo sát cơ chế cộng sinh tự nhiên này. Mô hình tích hợp vi tảo Chlorella và quần thể vi khuẩn dị dưỡng tạo thành cấu trúc hạt sinh học bền vững. Cấu trúc bùn hạt giúp tăng tốc độ lắng vượt trội so với hệ bùn hoạt tính truyền thống. Vi tảo thực hiện quá trình quang hợp dưới ánh sáng tự nhiên để tạo ra lượng oxy hòa tan dồi dào. Lượng oxy này trực tiếp cung cấp cho vi khuẩn dị dưỡng oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan. Ngược lại, vi khuẩn dị dưỡng phân giải các hợp chất ô nhiễm và thải ra khí carbon dioxide. Lượng carbon dioxide đóng vai trò là nguồn carbon vô cơ thiết yếu cho vi tảo tiếp tục quang hợp. Sự tương hỗ khép kín này hạn chế tối đa việc sử dụng hệ thống sục khí nhân tạo tốn kém điện năng. Đồng thời, công nghệ bùn hạt còn hỗ trợ tích tụ dinh dưỡng và tạo nguồn sinh khối thứ cấp giá trị.

1.1. Cơ chế cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn dị dưỡng

Mối quan hệ cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn tạo nên chu trình chuyển hóa khép kín. Vi tảo Chlorella quang hợp và giải phóng oxy hòa tan vào môi trường nước. Vi khuẩn dị dưỡng tiếp nhận oxy để phân giải hợp chất hữu cơ carbon, nitơ và photpho. Quá trình trao đổi chất của vi khuẩn sản sinh carbon dioxide và các dưỡng chất vô cơ tái khoáng hóa. Nguồn carbon vô cơ này lập tức trở thành nguyên liệu nuôi dưỡng tế bào vi tảo sinh trưởng. Ngoài ra, vi khuẩn còn tiết ra các vitamin nhóm B cùng chất kích thích sinh trưởng thực vật. Ngược lại, vi tảo tiết chất ngoại bào tạo điều kiện cho vi khuẩn bám dính. Sự kết hợp chặt chẽ này thúc đẩy hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt vượt trội.

1.2. Đặc tính tạo hạt sinh khối và khả năng lắng nhanh

Sinh khối dạng hạt vi tảo – vi khuẩn sở hữu cấu trúc hình cầu đặc quánh với mật độ tế bào dày đặc. Chất polyme ngoại bào (EPS) do vi sinh vật tiết ra đóng vai trò như chất keo kết dính sinh học. EPS liên kết các tế bào tảo đơn lẻ và vi khuẩn thành cụm hạt có kích thước lớn. Cấu trúc hạt tự nhiên này khắc phục hoàn toàn nhược điểm khó thu hoạch của vi tảo lơ lửng. Vận tốc lắng của bùn hạt vi tảo cao gấp nhiều lần so với bùn hoạt tính thông thường. Chỉ số thể tích bùn (SVI) giảm rõ rệt giúp quá trình tách pha lỏng – rắn diễn ra nhanh chóng. Bể lắng không cần diện tích mặt bằng quá lớn, tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng công trình xử lý.

II. Phân tích thách thức vi tảo vi khuẩn hạt dưới ánh sáng

Vận hành hệ thống vi tảo – vi khuẩn hạt dưới ánh sáng tự nhiên đối mặt nhiều biến số môi trường phức tạp. Cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi liên tục theo giờ trong ngày và theo mùa. Ánh sáng quá gay gắt vào buổi trưa gây ra hiện tượng quang ức chế tế bào tảo. Ngược lại, cường độ sáng yếu trong mùa mưa làm suy giảm hiệu suất quang hợp tổng thể. Sự dao động này ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ oxy hòa tan sinh ra trong bể phản ứng quang sinh học. Khi oxy suy giảm, hoạt tính phân hủy chất hữu cơ của vi khuẩn dị dưỡng bị đình trệ. Ngoài ra, giá trị pH môi trường cũng biến thiên thất thường theo chu kỳ chiếu sáng. Quá trình vi tảo hấp thụ carbon vô cơ ban ngày làm tăng mạnh độ kiềm và pH nước thải. Khi pH vượt ngưỡng 8,5, quá trình tăng trưởng sinh khối của Chlorella bị kìm hãm nghiêm trọng. Nguy cơ vỡ hạt bùn và rửa trôi sinh khối ra khỏi bể phản ứng là thách thức lớn cần kiểm soát.

2.1. Ảnh hưởng của biến thiên pH và ánh sáng tự nhiên

Sự dao động bức xạ mặt trời tác động trực tiếp đến động thái tăng trưởng của vi tảo. Tại TP.HCM, nhiệt độ cao và nắng gắt kích thích tảo tiêu thụ ion bicarbonate nhanh chóng. Phản ứng hấp thu này giải phóng nhóm hydroxyl làm pH nước tăng vọt lên trên 8,5. Môi trường kiềm cao ức chế hoạt động sinh học của vi khuẩn dị dưỡng và làm giảm khả năng quang hợp. Ngược lại, những ngày nhiều mây hoặc thời điểm ban đêm khiến quá trình hô hấp chiếm ưu thế. Lượng carbon dioxide tích tụ làm pH giảm xuống dưới ngưỡng trung tính. Dải pH lý tưởng từ 7,0 đến 8,0 thường xuyên bị phá vỡ nếu thiếu hệ thống đệm cân bằng. Sự mất ổn định môi trường kéo dài đe dọa sự sống sót của các cụm vi tảo hạt.

2.2. Vấn đề mất cân bằng tỷ lệ COD N trong nước thải

Nước thải sinh hoạt thường có thành phần dinh dưỡng hữu cơ dao động mạnh theo từng khung giờ xả thải. Tỷ lệ COD/N là yếu tố quyết định tốc độ cạnh tranh giữa vi tảo và vi khuẩn. Khi tỷ lệ COD/N quá thấp (COD/N = 5), nguồn carbon hữu cơ trở nên khan hiếm. Vi khuẩn dị dưỡng bị hạn chế sinh trưởng, dẫn đến giảm lượng EPS cần thiết để gắn kết tế bào. Ngược lại, nếu tỷ lệ COD/N quá cao (COD/N = 20), vi khuẩn phát triển bùng phát lấn át vi tảo. Vi khuẩn tăng sinh không kiểm soát làm nước đục và cản trở ánh sáng đi sâu vào lòng bể. Tảo thiếu ánh sáng sẽ suy kiệt, phá vỡ cấu trúc hạt sinh học và gây rã bùn nghiêm trọng.

III. Phương pháp vận hành vi tảo vi khuẩn hạt theo tỷ lệ COD N

Đồ án tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thiết lập quy trình vận hành tối ưu cho bể phản ứng quang sinh học. Mô hình thử nghiệm bốn bể phản ứng song song tương ứng bốn tỷ lệ COD/N lần lượt là 5, 10, 15 và 20. Quá trình kiểm soát diễn ra liên tục dưới điều kiện chu kỳ chiếu sáng tự nhiên ngoài trời. Nghiên cứu xác định tỷ lệ COD/N = 10 đến 15 là khoảng tối ưu cho sự hình thành bùn hạt. Tại dải tỷ lệ này, vi khuẩn dị dưỡng tiết lượng polymer ngoại bào EPS dồi dào nhưng không áp chế tế bào tảo. Vi tảo Chlorella hấp thụ ánh sáng hiệu quả, duy trì giá trị pH ổn định trong dải an toàn từ 7,2 đến 8,2. Tốc độ sục khí khuấy trộn nhẹ được căn chỉnh chuẩn xác để tạo lực cắt vừa đủ. Lực cắt thủy lực kích thích các cụm tế bào tự kết tụ thành cấu trúc hạt hình cầu bền chắc. Thời gian lắng được rút ngắn dần qua từng chu kỳ để tuyển chọn những hạt bùn có hoạt tính cao. Nhờ đó, hạt bùn vi tảo – vi khuẩn giữ được cấu trúc chặt chẽ và không bị rửa trôi.

3.1. Thiết lập thông số pH và chế độ chiếu sáng tối ưu

Thông số pH cần được giám sát liên tục để bảo đảm môi trường sống tốt nhất cho chủng Chlorella. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh khoảng pH từ 7,0 đến 8,0 mang lại hoạt tính quang hợp cao nhất. Khi vận hành dưới ánh sáng tự nhiên ngoài trời, việc bố trí tấm che tản quang vào giữa trưa giúp giảm hiện tượng cháy sáng. Sự phân bố ánh sáng dịu nhẹ ngăn chặn phản ứng kiềm hóa đột ngột trong dung dịch nuôi cấy. Lưu lượng cấp khí đáy bể được điều tiết ở mức tối thiểu để bổ sung CO2 đệm pH. Biện pháp này vừa ổn định môi trường hóa lý vừa tránh làm vỡ các liên kết sinh khối non yếu. Kết quả giúp vi tảo tăng trưởng nhanh và hấp thụ triệt để nitơ, photpho.

3.2. Kiểm soát chu kỳ SBR và thời gian lắng tạo hạt

Quy trình vận hành theo mẻ nối tiếp (SBR) đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật tạo hạt bùn. Mỗi chu kỳ hoạt động bao gồm các pha: nạp nước thải, phản ứng chiếu sáng, lắng tĩnh và xả nước trong. Trong giai đoạn đầu khởi động, thời gian lắng tĩnh được cài đặt ở mức 30 phút. Sau khi hạt bắt đầu xuất hiện, thời gian lắng giảm dần xuống còn 10 phút rồi 5 phút. Việc rút ngắn thời gian lắng tạo ra áp lực chọn lọc thủy lực mạnh mẽ. Những cụm sinh khối lơ lửng, lắng chậm lập tức bị đào thải theo dòng nước xả. Chỉ những khối hạt vi tảo – vi khuẩn kết tụ chặt chẽ và lắng nhanh mới được giữ lại trong bể. Chiến lược này đẩy nhanh quá trình làm giàu sinh khối hạt mật độ cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn vi tảo vi khuẩn hạt tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp năm 2025 tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khẳng định tính khả thi của công nghệ vi tảo hạt. Hệ thống chứng minh khả năng loại bỏ hiệu quả các hợp chất COD, amoni và phosphat trong nước thải sinh hoạt. Việc tận dụng nguồn bức xạ ánh sáng mặt trời tự nhiên giúp cắt giảm hơn 50% chi phí điện năng sục khí. Đây là bước tiến quan trọng đối với các trạm xử lý nước thải quy mô phân tán và vùng nông thôn. Sinh khối hạt sau thu hoạch có giá trị kinh tế cao, không bị lãng phí như bùn thải thông thường. Lượng sinh khối giàu protein và lipid này dễ dàng tái chế thành phân bón hữu cơ sinh học hoặc nguyên liệu sản xuất diesel sinh học. Mô hình mở ra hướng đi bền vững kết hợp giữa bảo vệ môi trường và thu hồi tài nguyên tuần hoàn. Các đô thị hiện đại có thể ứng dụng công nghệ này nhằm hiện thực hóa mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính.

4.1. Hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng sục khí

Chi phí điện năng cho máy sục khí chiếm đến 60% tổng chi phí vận hành trạm xử lý bùn hoạt tính truyền thống. Hệ vi sinh cộng sinh vi tảo – vi khuẩn giải quyết triệt để bài toán kinh tế này. Nguồn oxy nội sinh do vi tảo tạo ra đáp ứng phần lớn nhu cầu chuyển hóa của vi khuẩn hiếu khí. Năng lượng điện cấp cho sục khí cơ học nhờ đó giảm xuống mức tối thiểu. Đồng thời, cấu trúc hạt sinh khối tự lắng nhanh giúp loại bỏ hoàn toàn hóa chất keo tụ đắt đỏ. Thời gian lưu bùn ngắn hơn làm giảm dung tích công trình lắng thứ cấp. Toàn bộ dây chuyền xử lý trở nên tinh gọn, tối ưu chi phí đầu tư ban đầu và ngân sách bảo dưỡng định kỳ.

4.2. Khả năng tái chế sinh khối giàu lipid và protein

Sinh khối hạt sau quá trình xử lý nước thải là nguồn tài nguyên thứ cấp giá trị cao. Các màng tế bào Chlorella tích tụ hàm lượng lớn lipid, rất phù hợp làm nguyên liệu chiết xuất dầu biodiesel sinh học. Bên cạnh đó, protein và các khoáng chất đa vi lượng trong sinh khối hạt đáp ứng tốt tiêu chuẩn sản xuất phân bón nông nghiệp sạch. Việc tách sinh khối bùn hạt diễn ra đơn giản thông qua lắng trọng lực, không tốn năng lượng ly tâm. Giải pháp này giúp các cơ sở xử lý nước thải chuyển đổi từ mô hình tiêu thụ năng lượng sang mô hình sản xuất năng lượng tái tạo. Quá trình thu hồi sản phẩm phụ góp phần xây dựng nền kinh tế xanh và tuần hoàn chất thải bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô nhiễm nguồn nước thải sinh hoạt là một trong những vấn đề nghiêm trọng mà xã hội hiện đại đang phải đối mặt. Với sự gia tăng dân số và sự phát triển nhanh chóng của đô thị hóa, lượng nước thải sinh hoạt phát sinh ngày càng lớn, kéo theo đó là hàng loạt hệ lụy về môi trường và sức khỏe con người. Hiện nay, tổng công suất xử lý nước thải sinh hoạt đô thị của thành phố Hồ Chí Minh là 644,000 m3/ngày, mới đạt khoảng 40% lượng nước thải hàng ngày.Như vậy còn 60% nước thải sinh hoạt chưa được xử lý [1].

Trong khi hàng ngày ở Hà Nội 90% khối lượng của khoảng 400.000m3 nước thải sinh hoạt và hơn 1.000m3 rác thải không hề được xử lý trước khi đổ thẳng vào các ao hồ, sông ngòi). Vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn đe dọa nền tảng sống của các sinh vật trong hệ sinh thái. Theo báo cáo ô nhiễm môi trường nước của UNEP ,trên toàn cầu, nguồn nước ô nhiễm gây ra nguy cơ đáng kể về bệnh tiêu chảy, truyền nhiễm và suy dinh dưỡng, gây ra 1,7 triệu ca tử vong hàng năm, trong đó hơn 90 phần trăm là ở các nước đang phát triển và gần một nửa là trẻ em. Những ca tử vong này chủ yếu là do ăn phải các tác nhân gây bệnh từ phân người hoặc động vật.

Hơn 80% nước thải trên thế giới và hơn 95 % ở một số quốc gia kém phát triển nhất được thải ra môi trường mà không qua xử lý; 2,4 tỷ người vẫn chưa được tiếp cận với hệ thống vệ sinh được cải thiện. Chỉ có 26 % dịch vụ vệ sinh và nước thải ở thành thị và 34 % dịch vụ vệ sinh và nước thải ở nông thôn ngăn ngừa hiệu quả việc con người tiếp xúc với chất thải trong toàn bộ chuỗi vệ sinh và do đó có thể được coi là được quản lý an toàn[3].Trong bối cảnh nhu cầu về nước sạch ngày càng cao, việc tìm hiểu và giải quyết các tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước do rác thải sinh hoạt và ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Cùng với những cập nhật xu hướng công nghệ xanh, trên thế giới cũng như Việt Nam đã và đang bắt đầu nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải bằng sinh học. Để dần tối ưu hóa các công nghệ 18 khác như phương pháp cơ học (Song chắn rác, bể lắng cát…) và phương pháp hóa học (trung hòa, keo tụ …).

Những phương pháp trên chủ yếu có tác dụng loại bỏ những rác thải, các chất rắn lở lửng và một phần các chất ô nhiễm. Còn đối với công nghệ sinh học có khả năng xử lý có hiệu quả cao hơn, thân thiện với môi trường và ưu điểm lớn nhất là đây là một giải pháp phát triển bền vững trong việc xử lý nước thải sinh hoạt. Vả công nghệ xanh có tiềm năng xử lý triệt để những chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt là ứng dụng hệ vi tảo - vi khuẩn dạng hạt. Công nghệ có những ưu điểm là lắng nhanh theo trọng lực, khả năng chống chịu tốt với điều kiện môi trường bất lợi, phục hồi sinh khối dễ dàng và công nghệ này còn kế thừa những ưu điểm từ phương pháp truyền thống là sử dụng vi sinh vật để xử lý những chất hữu cơ, chất dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt.