Coculture vi tảo và vi khuẩn: Giải pháp xử lý nước thải và thu hồi sinh khối

Nghiên cứu coculture vi tảo và vi khuẩn trong xử lý nước thải, kết hợp thu hồi sinh khối, mang lại giải pháp bền vững cho môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Hải
• Người hướng dẫn: Assoc. Bùi Xuân Thành
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Co-Culture Of Microalgae And Bacteria For Wastewater Treatment Coupling With Biomass Recovery
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GENERAL CONTEXT
• 1.1. Objectives of the study
• 1.2. Research scope
• 1.3. Research content

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu coculture vi tảo và vi khuẩn trong xử lý nước thải

Nghiên cứu coculture vi tảo và vi khuẩn đang trở thành một giải pháp tiềm năng trong lĩnh vực xử lý nước thải. Việc kết hợp giữa vi tảo và vi khuẩn không chỉ giúp cải thiện hiệu suất xử lý mà còn tạo ra sinh khối có giá trị. Hệ thống này tận dụng khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của vi tảo và khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi khuẩn, từ đó tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải.

1.1. Định nghĩa và vai trò của coculture vi tảo và vi khuẩn

Coculture vi tảo và vi khuẩn là quá trình nuôi cấy đồng thời hai loại sinh vật này trong cùng một hệ thống. Vi tảo đóng vai trò chính trong việc hấp thụ CO2 và sản xuất oxy, trong khi vi khuẩn giúp phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Sự tương tác này tạo ra một môi trường thuận lợi cho cả hai loại sinh vật phát triển.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng coculture trong xử lý nước thải

Việc áp dụng coculture giúp tăng cường hiệu suất xử lý nước thải, giảm thiểu chi phí vận hành và cải thiện chất lượng nước sau xử lý. Hệ thống này cũng giúp thu hồi sinh khối vi tảo, có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho các sản phẩm sinh học khác.

II. Thách thức trong việc áp dụng coculture vi tảo và vi khuẩn

Mặc dù coculture vi tảo và vi khuẩn mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc áp dụng công nghệ này. Các vấn đề như điều kiện vận hành, sự ổn định của sinh khối và hiệu suất xử lý cần được nghiên cứu và giải quyết.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của coculture

Các yếu tố như tốc độ khuấy trộn, thời gian lưu và nồng độ chất dinh dưỡng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của vi tảo và vi khuẩn. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được hiệu suất xử lý tốt nhất.

2.2. Vấn đề về thu hồi sinh khối vi tảo

Thu hồi sinh khối vi tảo từ hệ thống coculture là một thách thức lớn. Các phương pháp như lắng tự nhiên, đông tụ và ly tâm đều có ưu nhược điểm riêng. Cần nghiên cứu các phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu coculture vi tảo và vi khuẩn

Nghiên cứu coculture vi tảo và vi khuẩn thường sử dụng các phương pháp nuôi cấy trong photobioreactor (PBR). Các điều kiện nuôi cấy như tốc độ khuấy trộn và nồng độ chất dinh dưỡng được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình hình thành hạt vi tảo.

3.1. Thiết lập điều kiện nuôi cấy trong PBR

Thiết lập điều kiện nuôi cấy trong PBR bao gồm việc điều chỉnh tốc độ khuấy trộn và nồng độ chất dinh dưỡng. Các nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ khuấy trộn từ 160 đến 200 rpm mang lại hiệu quả tốt nhất trong việc hình thành hạt vi tảo.

3.2. Đánh giá hiệu suất xử lý nước thải

Hiệu suất xử lý nước thải được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như COD, amoni và photpho. Nghiên cứu cho thấy rằng coculture vi tảo và vi khuẩn có thể đạt hiệu suất xử lý lên đến 92% cho COD và 85% cho amoni.

IV. Ứng dụng thực tiễn của coculture vi tảo và vi khuẩn

Coculture vi tảo và vi khuẩn không chỉ có tiềm năng trong xử lý nước thải mà còn có thể được ứng dụng trong sản xuất sinh khối và các sản phẩm sinh học khác. Việc thu hồi sinh khối vi tảo có thể tạo ra nguồn nguyên liệu cho thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và nhiên liệu sinh học.

4.1. Sản xuất sinh khối từ coculture

Sinh khối vi tảo thu hồi từ hệ thống coculture có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm có giá trị như biofuels và thực phẩm chức năng. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn thu nhập cho người dân.

4.2. Tác động đến môi trường và kinh tế

Coculture vi tảo và vi khuẩn có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường bằng cách xử lý nước thải hiệu quả. Đồng thời, việc sản xuất sinh khối từ hệ thống này cũng có thể tạo ra cơ hội kinh tế cho cộng đồng địa phương.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của coculture vi tảo và vi khuẩn

Coculture vi tảo và vi khuẩn là một giải pháp hứa hẹn cho xử lý nước thải và thu hồi sinh khối. Nghiên cứu cần tiếp tục để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu coculture

Nghiên cứu coculture vi tảo và vi khuẩn cần được mở rộng để khám phá thêm các điều kiện vận hành và các loại vi tảo khác nhau. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu suất xử lý và thu hồi sinh khối.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu suất của coculture. Việc phát triển các công nghệ thu hồi sinh khối hiệu quả cũng là một hướng đi quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- NGUYEN HONG HAI CO-CULTURE OF MICROALGAE AND BACTERIA FOR WASTEWATER TREATMENT COUPLING WITH BIOMASS RECOVERY NUÔI CẤY VI TẢO - VI KHUẨN CỘNG HỢP ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI KẾT HỢP VỚI THU HỒI SINH KHỐI Major: Environmental Engineering Code: 8520320 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, February 2022 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Instructor: Assoc. Bùi Xuân Thành Examiner 1 : Assoc. Nguyễn Thị Thanh Phượng Examiner 2 : Assoc. Lê Đức Trung Master’s Thesis defended at HCMC University of Technology, VNU-HCMC on February 18, 2022 The Board of The Master’s Thesis Defense Council includes: 1.

Nguyen Van Phuoc 2. Vo Thanh Hang 3. Nguyen Thi Thanh Phuong 4. Le Duc Trung 5.

Nguyen Nhat Huy Verification of the Chairman of the Master’s Thesis Defense Council and the Dean of the Faculty of Environment & Resource after the thesis being corrected (if any). CHAIRMAN DEAN OF FACULTY OF ENVIRONMENT & RESOURCE Prof. Nguyễn Văn Phước VIETNAM NATION UNIVERSITY HCMC SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Liberty - Happiness THE TASK SHEET OF MASTER’S THESIS Full name: Nguyễn Hồng Hải. Day of birth: 24/01/1996.

Place of birth: Ho Chi Minh city Major: Environmental Engineering. THESIS TOPIC: Co-Culture Of Microalgae And Bacteria For Wastewater Treatment Coupling With Biomass Recovery/ Nuôi Cấy Vi Tảo - Vi Khuẩn Cộng Hợp Dể Xử Lý Nước Thải Kết Hợp Với Thu Hồi Sinh Khối II. TASKS AND CONTENTS: The study includes the following mission with relating contents as below: 1. Evaluate the formation and characterization of activated (microalgae + sludge) granule in PBR with SBR mode 2.

Definition of optimal operating conditions for cultivation of activated granules in photobioreactor 3. Evaluation of batch MPBR for granular activated algae on biomass recovery and wastewater treatment III. TASKS STARTING DATE: 05/09/2022. TASKS ENDING DATE:18/12/2022.

Bùi Xuân Thành. HCM, ngày tháng năm 20 INSTRUCTOR HEAD OF DEPARTMENT Assoc. Bùi Xuân Thành DEAN OF FACULTY OF ENVIRONMENT & RESOURCE i ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to express my deep respect and appreciation to Assoc. Bui Xuan Thanh, my career father, my inspirational advisor who gave me valuable advice during my time studying and researching at Ho Chi Minh City University of Technology.

Without his dedication, enthusiasm, and erudite knowledge, I would not be able to overcome the difficulties to complete this thesis and this study Thank you so much my team Bird Fighter, Kim Qui – Hong Ngoc – Phuong Uyen, for helping me so much from the very beginning of this study. Thanks guys, always by my side to work with me during 2 years. It was a lot of memory with you, I never forget. Thank you, my seniors, my fellows in BIOSEP Research Group for helping me improve my knowledge and practical skills during my time working with the group.

A special thanks to VINIF fund for granting me Master Scholarship which supported me so much during my study time. ii ABSTRACT In this study, activated algae granule was achieved by cultivated mixed culture inside PBR. Granulation and wastewater treatment of activated algae from Chlorella vulgaris microalgae strain and bacteria from AS was investigated through 4 different agitation speeds of 80, 120, 160, 200 rpm (shear stress of 0. The stable ability in treating COD, ammonium, TP of activated algae, with the highest achieved removal efficiency were 92%, 85% and 91%, respectively.

During granulation process, EPS and filamentous microalgae are the 2 main observed factors contribute to the granule formation. Shear stres below 0.15 Pa could not form granule. The largest granule was achieved at R200 – shear stress of 0.1 µm), but R160 (shear stress 0.35 Pa) gave optimal results in terms of granule formation time, as well as wastewater treatment efficiency. Shear stress from 0.15 Pa could guarantee mass transfer for the entire co-culture without aeration.

Shear stress from 0.69 Pa is a suitable range for the granulation process of activated algae. The different strategy of EPS in the microbial community also affected by various hydraulic shear force combining with the stress caused by retention time. The hydrodynamic shear by agitation was found to determine the structure of granules and regulated the granulation including its transformation stage, the EPS regulation and dominant microbial community. Therefore, the present study adds insight into the comprehensive understanding of the effect of hydraulic shear stress induce granulation formation on activated microalgae.

iii TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, kích hoạt hạt tảo đã đạt được bằng nuôi cấy hỗn hợp nuôi cấy bên trong PBR. Quá trình tạo hạt và xử lý nước thải của tảo hoạt tính từ chủng vi tảo Chlorella Vulgaris và vi khuẩn AS được khảo sát thông qua 4 tốc độ khuấy trộn khác nhau là 80, 120, 160, 200 vòng/phút (ứng suất cắt 0,04-0,69 Pa). Khả năng xử lý COD, amoni, TP của tảo hoạt tính ổn định với hiệu suất xử lý đạt cao nhất lần lượt là 92%, 85% và 91%. Trong quá trình tạo hạt, EPS và vi tảo dạng sợi là 2 yếu tố quan sát chính góp phần hình thành hạt.

Lực cắt dưới 0,15 Pa không thể tạo thành hạt. Hạt lớn nhất đạt được ở R200 – ứng suất cắt 0,69 Pa (339,1 µm), nhưng R160 (ứng suất cắt 0,35 Pa) cho kết quả tối ưu về thời gian tạo hạt cũng như hiệu quả xử lý nước thải. Ứng suất cắt từ 0,04 – 0,15 Pa có thể đảm bảo chuyển khối cho toàn bộ hệ thống đồng nuôi cấy mà không cần sục khí. Ứng suất cắt từ 0,15 – 0,69 Pa là khoảng thích hợp cho quá trình tạo hạt của tảo hoạt tính.

Chiến lược khác nhau của EPS trong cộng đồng vi sinh vật cũng bị ảnh hưởng bởi lực cắt thủy lực khác nhau kết hợp với ứng suất gây ra bởi thời gian lưu. Lực cắt thủy động lực học bằng cách kích động đã được tìm thấy để xác định cấu trúc của hạt và điều chỉnh quá trình tạo hạt bao gồm giai đoạn biến đổi của nó, quy định EPS và cộng đồng vi sinh vật chiếm ưu thế. Do đó, nghiên cứu hiện tại bổ sung cái nhìn sâu sắc về sự hiểu biết toàn diện về ảnh hưởng của ứng suất cắt thủy lực gây ra sự hình thành hạt đối với vi tảo hoạt hóa. iv LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Hồng Hải, là học viên cao học ngành Kỹ thuật Môi trường khóa 2019, mã số học viên 1970162.

Tôi xin cam đoan: Luận văn cao học này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi, được thực hiện dưới dự hướng dẫn của PGS. Bùi Xuân Thành. Các hình ảnh, số liệu và thông tin tham khảo trong luận văn này được thu thập từ nguồn đáng tin cậy, đã qua kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn rõ ràng ở phần Tài liệu tham khảo. Các bản đồ, đồ thị số liệu tính toán và kết quả nghiên cứu được tôi thực hiện nghiêm túc và trung thực.

Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này. GUARANTEE My name is Nguyen Hong Hai, I am a graduate student in Environmental Engineering, class of 2019, student number 1970162. I hereby declare that this master thesis is my own true scientific research work. carried out under the guidance of Assoc.

Bui Xuan Thanh. The images, data and reference information in this thesis are collected from reliable, verified, widely published sources and are clearly cited by me in the References section. The maps, graphs of calculated data and research results are done seriously and honestly by me. I pledge my honor and reputation to back this statement.

Master Student Nguyễn Hồng Hải v TABLE OF CONTENT ACKNOWLEDGEMENT .ii TABLE OF CONTENT. viii LIST OF FIGURES .viii LIST OF TABLES .2 Objectives of the study .5 The meaning of the topic .1 Co-culture of Microalgae-Bacteria .1 Wastewater treatment using microalgae-based systems .2 Interactions within co-culture .3 Wastewater treatment by co-culture .4 Co-culture systems and configurations in wastewater treatment .5 Challenges and operational conditions of co-culture system .2 Microalgae – Bacteria flocculation .2 Factors influencing bio-flocculation .4 Challenges in bio-flocculation .3 Activated Microalgae granules .1 Characteristics of Activated Microalgae granules (AMGs) .2 Influence factors on AMGs. MATERIALS AND METHOD .1 Overall reseach content .2 Microbial and synthetic wastewater .1 Microalgae and symbiotic bacteria strain .3 Experimental set-up and operating conditions of photobioreactors (PBR) system32 3.1 Experimental set up. RESULTS AND DISCUSSION.

Microalgae activity profile. Impact of shear stress on granulation process of AMGS. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS .100 viii LIST OF FIGURES Figure 2.1 Schematic representation of microalgae-bacteria interactions and exchanged molecules during wastewater treatment (Ferro, 2019) .2 Microalgae-based technology for aerobic wastewater treatment comparing with conventional activated sludge (Tiron et al, 2017) .3 Microalgae-bacteria granular formation .1 Overall research contents .2 Schematic diagram of photobioreactor (PBR) system .3 Scheme of sample preparation for bound EPS determination .4 Flow profile of a fluid in PBR shows that the fluid acts in layers that slide over one another (turbulent flow) .1 a) COD removal performance b) Remaining COD concentration in effluent of 4 different agitation speeds during the whole experiment .2 Nitrogen removal performance in terms of a) NH4 removal efficiency (%) and effluent concentration (mg/L) of b) NO2 and c) NO3 .3 a) TP removal performance b) Remaining TP concentration in effluent of 4 different agitation speeds during the whole experiment .4 Concentration of Chlorophyll a (µg/L) at various stages in the PBRs .5 Activated algae in form of (a) flocs R80, and AMGS (b) R120, (c) R160, (d) R200 in day 218 under microscope x10 magnification .6 Comparison between AM/AMGs (left) with seed microalgae (right) .7 Total biomass concentration (mg/L) in a) mixed culture, b) Correlation between Chl-a concentration and biomass .8 Particle size distribution (PSD) of 4 PBRs in a) day 165th (batch 67th), b) day 216th (batch 90th) and c) linear correlation between shear stress and size distribution during the whole treatment .9 Settling rate (m/h) of AM/AMGs during the experiment .10 Bound EPS distribution over 5 stages of operation of a) R80, b) R120, c) R160, d) R200 .11 Granulation process of AMGS in R80 (a, b), R120 (c, d), R160 (e, f, g, h, i, j), R200 (k, l) .12 Microscope observation (10x magnification) from stage 1 to stage 5 of AM and AMGS of 4 PBRs .13 Pictures of activated microalgae on day 218 (a) R80 (b) R120 (c) R160 (d) R200 .76 x LIST OF TABLES Table 3. Component of BBM medium (Bold 1949, Bischoft & Bold 1963) .2 Components of feed synthetic wastewater in experiment (1) + (2) .3 Operating condition for experiment (1) + (2) .4 Batch cycle of SBR mode .5 Shear stress of 4 different agitation speeds based on above formulations .6 Sampling point and frequency.

43 xi ABBREVIATIONS PBR Photobioreactor EPS Extracellular polymeric substance AOB Ammonia oxidizing bacteria NOB Nitrite oxidizing bacteria COD Chemical oxygen demand DO Dissolved oxygen WWTP Wastewater treatment plant AGS Activated granular sludge AMG Activated Microalgae granule AS Activated sludge ASP Activated sludge process TN Total nitrogen TP Total phosphorus N Nitrogen P Phosphorus RO Reverse osmosis SBR Sequencing batch reactor Chl-a Chlorophyll a R80 PBR with agitation speed of 80rpm R120 PBR with agitation speed of 120rpm R160 PBR with agitation speed of 160rpm R200 PBR with agitation speed of 200rpm 1 CHAPTER 1.1 General context Nowadays, biological processes have been mainly applied in wastewater treatment plants especially activated sludge process (ASP).