Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, xử lý nước thải sinh học đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Theo ước tính, các quy trình xử lý nước thải truyền thống như quá trình bùn hoạt tính (ASP) vẫn tồn tại nhiều hạn chế như tiêu tốn năng lượng lớn cho sục khí, hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng chưa cao và chi phí vận hành cao. Đặc biệt, việc xử lý phốt pho (P) thường dựa vào các phương pháp hóa lý tốn kém và hiệu quả thấp. Trước thực trạng này, công nghệ sử dụng vi tảo trong xử lý nước thải đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ nhờ khả năng hấp thụ dinh dưỡng, giảm khí CO2 và thu hồi sinh khối có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, việc thu hồi sinh khối vi tảo gặp khó khăn do kích thước nhỏ và tốc độ lắng thấp, dẫn đến chi phí thu hồi chiếm khoảng 20-30% tổng chi phí vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu nuôi cấy cộng hợp vi tảo Chlorella vulgaris và vi khuẩn từ bùn hoạt tính trong hệ thống photobioreactor (PBR) vận hành theo chế độ phản ứng mẻ tuần tự (SBR) với mục tiêu: (1) đánh giá quá trình hình thành và đặc tính hạt hoạt hóa vi tảo - vi khuẩn; (2) xác định điều kiện vận hành tối ưu về tốc độ khuấy trộn để thúc đẩy quá trình tạo hạt; (3) đánh giá hiệu quả xử lý nước thải và thu hồi sinh khối. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm với hệ thống PBR thể tích 7L, sử dụng nước thải tổng hợp có tỷ lệ C:N:P khoảng 100:10:1, nồng độ COD 384 ± 20 mg/L, N 40 mg/L và P 4 mg/L. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và đồng thời tạo ra nguồn sinh khối vi tảo có giá trị ứng dụng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tương tác cộng sinh vi tảo - vi khuẩn: Vi tảo thực hiện quang hợp tạo oxy, cung cấp oxy cho vi khuẩn phân hủy hữu cơ, trong khi vi khuẩn thải CO2 hỗ trợ vi tảo phát triển. Sự trao đổi khí này giúp giảm nhu cầu sục khí cơ học, tăng hiệu quả xử lý COD, N, P và cải thiện khả năng thu hồi sinh khối.

  • Mô hình tạo hạt hoạt hóa vi tảo (Activated Microalgae Granules - AMG): Hạt AMG là cấu trúc dạng cầu gồm vi tảo, vi khuẩn, các vi sinh vật dạng sợi và chất ngoại bào polymer (EPS). EPS đóng vai trò kết dính, duy trì cấu trúc hạt và tăng khả năng lắng của sinh khối.

  • Khái niệm về ứng suất cắt thủy lực (shear stress): Ứng suất cắt do khuấy trộn ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt, cấu trúc hạt và sự phân bố cộng đồng vi sinh vật. Ứng suất cắt trong khoảng 0,15 - 0,69 Pa được xác định là phù hợp để hình thành hạt AMG ổn định.

  • Khái niệm về bio-flocculation: Quá trình kết tụ sinh học giữa vi tảo và vi khuẩn nhờ EPS, giúp tăng kích thước hạt, cải thiện tốc độ lắng và thu hồi sinh khối.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng vi tảo Chlorella vulgaris và vi khuẩn từ bùn hoạt tính thu thập tại hệ thống xử lý nước thải siêu thị. Nước thải tổng hợp được chuẩn bị với thành phần COD 384 ± 20 mg/L, N 40 mg/L, P 4 mg/L, tỷ lệ C:N:P = 100:10:1.

  • Thiết lập thí nghiệm: Bốn photobioreactor (PBR) thể tích 7L được vận hành ở các tốc độ khuấy trộn khác nhau: 80, 120, 160 và 200 vòng/phút, tương ứng ứng suất cắt từ 0,04 đến 0,69 Pa. Hệ thống vận hành theo chế độ phản ứng mẻ tuần tự (SBR) với chu kỳ batch giảm dần từ 72h xuống 24h, tỷ lệ trao đổi thể tích 50%.

  • Phương pháp phân tích: Đo lường các chỉ tiêu nước thải gồm COD, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, TP theo tiêu chuẩn APHA (2012). Sinh khối vi tảo được đánh giá qua nồng độ chlorophyll-a bằng phương pháp sắc ký UV-Vis. Đặc tính hạt AMG được quan sát bằng kính hiển vi, đo kích thước hạt, tốc độ lắng và phân bố kích thước hạt (PSD). Hàm lượng EPS được xác định theo protein (PN) và polysaccharide (PS) trong bound EPS.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi PBR được vận hành liên tục trong khoảng 220 ngày, lấy mẫu định kỳ theo chu kỳ batch để đánh giá hiệu quả xử lý và đặc tính sinh khối. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên theo thời gian vận hành nhằm đảm bảo tính đại diện.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 9/2020 đến tháng 12/2020 với các giai đoạn: chuẩn bị mẫu và thiết lập thí nghiệm (1 tháng), vận hành PBR và thu thập dữ liệu (3 tháng), phân tích và đánh giá kết quả (1 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý nước thải: Hệ thống PBR với co-culture vi tảo - vi khuẩn đạt hiệu suất xử lý COD, ammonium và tổng phospho (TP) cao nhất lần lượt là 92%, 85% và 91%. Trong đó, PBR vận hành ở tốc độ khuấy 160 rpm (ứng suất cắt 0,35 Pa) cho hiệu quả xử lý ổn định và nhanh chóng nhất.

  2. Quá trình tạo hạt AMG: Ứng suất cắt dưới 0,15 Pa (tương ứng 80 rpm) không đủ để hình thành hạt AMG. Hạt lớn nhất (kích thước trung bình 339,1 µm) được tạo ra ở 200 rpm (0,69 Pa), tuy nhiên thời gian tạo hạt và hiệu quả xử lý tối ưu đạt được ở 160 rpm.

  3. Đặc tính sinh khối và EPS: Hàm lượng EPS tăng dần trong quá trình tạo hạt, với tỷ lệ protein/polysaccharide (PN/PS) cao giúp tăng độ bền và kết dính của hạt. Sự hiện diện của vi tảo dạng sợi đóng vai trò như khung sinh học hỗ trợ cấu trúc hạt.

  4. Tốc độ lắng và phân bố kích thước hạt: Tốc độ lắng của hạt AMG đạt trên 0,36 m/h, cao hơn nhiều so với vi tảo đơn lẻ (<0,0036 m/h), giúp cải thiện khả năng thu hồi sinh khối. Phân bố kích thước hạt cho thấy sự phát triển ổn định của hạt trong suốt quá trình vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy ứng suất cắt thủy lực đóng vai trò quyết định trong việc hình thành và duy trì cấu trúc hạt AMG. Ứng suất cắt thấp không đủ lực để tạo điều kiện cho vi tảo và vi khuẩn kết tụ thành hạt, trong khi ứng suất quá cao có thể làm hạt bị phá vỡ. Tốc độ khuấy 160 rpm tương ứng ứng suất cắt 0,35 Pa được xác định là điều kiện tối ưu cân bằng giữa tạo hạt và hiệu quả xử lý nước thải.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất xử lý COD và dinh dưỡng của hệ thống co-culture này tương đương hoặc vượt trội hơn, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng thu hồi sinh khối nhờ quá trình tạo hạt và tăng tốc độ lắng. Việc sử dụng PBR vận hành theo chế độ SBR giúp kiểm soát tốt điều kiện môi trường, tăng cường sự phát triển của cộng đồng vi sinh vật có lợi và loại bỏ các vi sinh vật không mong muốn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất xử lý COD, NH4+-N, TP theo thời gian vận hành ở các tốc độ khuấy khác nhau, bảng phân bố kích thước hạt và biểu đồ hàm lượng EPS theo giai đoạn tạo hạt, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa điều kiện vận hành và đặc tính hạt AMG.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện vận hành PBR: Áp dụng tốc độ khuấy trộn khoảng 160 rpm (ứng suất cắt 0,35 Pa) để thúc đẩy quá trình tạo hạt AMG nhanh chóng và hiệu quả xử lý nước thải cao. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn vận hành ban đầu. Chủ thể thực hiện: các nhà vận hành hệ thống xử lý nước thải.

  2. Giảm thiểu sục khí cơ học: Tận dụng khả năng trao đổi khí tự nhiên giữa vi tảo và vi khuẩn để giảm nhu cầu sục khí, tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành. Thời gian thực hiện: dài hạn. Chủ thể thực hiện: các nhà thiết kế và vận hành công trình xử lý.

  3. Phát triển công nghệ thu hồi sinh khối: Ứng dụng quá trình tạo hạt AMG để tăng tốc độ lắng và thu hồi sinh khối vi tảo hiệu quả, giảm chi phí thu hồi từ 20-30% xuống mức thấp hơn. Thời gian thực hiện: trung hạn. Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất sinh khối.

  4. Nghiên cứu mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế: Triển khai thí điểm ngoài trời và quy mô công nghiệp để đánh giá hiệu quả và tính ổn định của hệ thống trong điều kiện thực tế, đồng thời điều chỉnh các thông số vận hành phù hợp. Thời gian thực hiện: trung và dài hạn. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ xử lý nước thải bằng vi tảo - vi khuẩn, phương pháp tạo hạt AMG và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

  2. Chuyên gia và kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước thải: Tham khảo để áp dụng các điều kiện vận hành tối ưu, cải thiện hiệu quả xử lý và thu hồi sinh khối, giảm chi phí vận hành.

  3. Doanh nghiệp sản xuất sinh khối vi tảo và sản phẩm sinh học: Tận dụng công nghệ tạo hạt để nâng cao hiệu quả thu hồi sinh khối, phát triển các sản phẩm giá trị gia tăng như biofuel, thức ăn chăn nuôi.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và hoạch định chính sách: Đánh giá tiềm năng công nghệ xanh, thân thiện môi trường để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi tảo và vi khuẩn phối hợp như thế nào trong xử lý nước thải?
    Vi tảo quang hợp tạo oxy cung cấp cho vi khuẩn phân hủy hữu cơ, trong khi vi khuẩn thải CO2 hỗ trợ vi tảo phát triển. Sự trao đổi này giúp giảm nhu cầu sục khí và tăng hiệu quả xử lý COD, N, P.

  2. Tại sao cần tạo hạt hoạt hóa vi tảo (AMG)?
    AMG giúp tăng kích thước sinh khối, cải thiện tốc độ lắng và thu hồi sinh khối dễ dàng hơn, giảm chi phí và thời gian thu hồi so với vi tảo đơn lẻ có kích thước nhỏ và tốc độ lắng thấp.

  3. Ứng suất cắt thủy lực ảnh hưởng thế nào đến quá trình tạo hạt?
    Ứng suất cắt trong khoảng 0,15 - 0,69 Pa tạo điều kiện thuận lợi cho vi tảo và vi khuẩn kết tụ thành hạt bền vững. Ứng suất thấp không đủ lực tạo hạt, ứng suất quá cao có thể phá vỡ hạt.

  4. Hiệu quả xử lý COD, N, P của hệ thống co-culture đạt được bao nhiêu?
    Nghiên cứu ghi nhận hiệu suất xử lý COD đạt 92%, ammonium 85% và tổng phospho 91% ở điều kiện vận hành tối ưu.

  5. Làm thế nào để thu hồi sinh khối vi tảo hiệu quả?
    Sử dụng quá trình tạo hạt AMG giúp tăng tốc độ lắng sinh khối lên trên 0,36 m/h, thuận lợi cho việc thu hồi bằng phương pháp lắng tự nhiên, giảm chi phí so với các phương pháp ly tâm hay hóa chất.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc tạo hạt hoạt hóa vi tảo - vi khuẩn trong PBR vận hành theo chế độ SBR với hiệu quả xử lý COD, ammonium và phospho đạt trên 85%.
  • Ứng suất cắt thủy lực khoảng 0,35 Pa (tương ứng 160 rpm) được xác định là điều kiện tối ưu cho quá trình tạo hạt và xử lý nước thải.
  • EPS và vi tảo dạng sợi đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và duy trì cấu trúc hạt AMG.
  • Quá trình tạo hạt giúp tăng tốc độ lắng sinh khối, cải thiện khả năng thu hồi và giảm chi phí vận hành.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế để phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và tạo ra nguồn sinh khối giá trị.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thí điểm công nghệ tại quy mô lớn, đồng thời tối ưu hóa điều kiện vận hành để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải và sản xuất sinh khối vi tảo.