MỞ ĐẦU 1. Đặt vẫn đề Trong những năm gần đây, công nghệ sinh học nuôi cấy vi tảo - vi khuẩn nhận được nhiều sự quan tâm, đặc biệt ở những khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, như một hệ thống sinh học thay thế đối với xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Dưới điều kiện chiếu sáng, vi tảo sẽ sản sinh ra O> bởi quá trình quang hop, ma O; rất cần thiết đối với vi khuẩn dé khoáng hóa chất hữu cơ, đồng thời có thé hiệu quả hơn vé chi phí thôi khí. CO; được giải phóng bởi vi khuẩn và sau đó được tiêu thụ bởi quá trình quang hợp của tảo, do đó giảm phát thải khí hiệu ứng nhà kính.
Hơn nữa, các chất dinh dưỡng như ammonium và phosphaste được biết đến như là nguyên nhân chính của phú dưỡng nguồn nước cũng được loại trừ cùng với sự hấp thu của tảo. Hơn nữa, quang hợp của tảo thuận lợi để loại trừ nhiều vi khuẩn gây bệnh và virus bởi sự tăng lên của nhiệt độ, pH và oxy hòa tan của nước đã qua xử lý. Điều quan trọng nhất là sinh khối được thu hoạch lúc kết thúc quá trình xử lý là nguồn nguyên liệu bên vững mới hoặc sản phẩm có giá tri (nhiên liệu sinh học, thuốc, phân bón). Quá trình xử lý xảy ra trong hệ thống vi tảo - vi khuẩn có thể được cho là kết quả của sự cộng hợp của vi tảo va vi khuẩn.
Bên cạnh đó, một trong những rào cản tạm thời của công nghệ này là việc thu hoạch hoặc phân tách sinh khối vi tảo - vi khuẩn từ nước thải đã xử lý. Các công nghệ thu hoạch thông thường như lọc, ly tâm, thêm hóa chất hoặc sử dụng giá thé có định có những khó khăn như chi phí vận hành cao, nhiễm ban lần hai và hiệu quả thấp đối với vận hành thời gian dai. Xem xét điều này, việc tạo bông tảo sinh học bởi lang trọng lực là một kỹ thuật thu hoạch dé dang và chi phí thấp trong suốt quá trình xử lý nước thải. Nhưng cách tiếp cận nay không phải luôn luôn hiệu quả, đặc biệt là trong trường hợp kích thước nhỏ và sự tăng trưởng.
Vì thế, lựa chọn nuôi cay vi khuẩn - vi tảo với khuynh hướng lắng tự nhiên được đề xuất. Bùn hoạt tính có khả năng lang trong luc tốt hơn so với vi tao và khả năng loại bỏ chất hữu cơ cao hơn các vi khuẩn thông thường trong nước thải sinh hoạt. Vi khuẩn được sử dung trong nuôi cấy vi tao - vi khuẩn dé tăng tính ồn định sinh học và hiệu quả xử lý. Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất dé tai: “Cộng hợp của tao và vi khuẩn trong Membrane Photobioreactor nham thu hồi dinh dưỡng từ nước tiểu”.
Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích xác định các thông số thời gian lưu sinh khối tảo, thời gian lưu nước, ảnh hưởng của chu kỳ sáng:tối đến cộng hợp vi tảo - vi khuẩn trong MPBR nhăm đánh giá khả năng thu hồi dinh dưỡng và làm sạch nước tiểu. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trong phạm vi phòng thí nghiệm với 1 cột membrane photobioreactor. Cột membrane photobioreactor chứa môi trường nước tiểu có tỷ lệ pha loãng 1:30 với nước máy, nuôi cay tao Chlorella sp. và bùn hoạt tính hiểu khí ở điều kiện liên tục.
Nghiên cứu về quá trình sinh trưởng và phát triển đối với cộng hợp vi tảo - vi khuẩn (bùn hoạt tính) dưới các điều kiện thay đôi khác nhau đến hiệu quả thu hồi dinh dưỡng. Ý nghĩa của đề tài 1. Y nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình phát triển của tảo Chlorella sp. và cộng hợp của vi tảo - vi khuẩn, từ đó nâng cao hiệu quả thu hồi dinh dưỡng từ nước tiểu.
Ngoài ra, dé tài còn làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về cộng hợp vi tảo - vi khuân dé xử ly các loại nước thải khác. Ý nghĩa kinh tế và xã hội Nước tiểu chứa một lớn nitrogen, là một trong những nguyên nhân gây hiện tượng phú dưỡng, làm giảm chất lượng môi trường sống của động, thực vật thủy sinh nếu xả trực tiếp vào nguồn tiếp nhận mà không qua xử lý. Do đó, việc phân tách nước tiểu tại nguồn làm giảm tải lượng ô nhiễm và sử dụng năng lượng tiết kiệm, cũng như chi phí đầu tư các nhà máy xử lý nước thải, tăng tính bền vững và hiệu qua quản lý nước thải. Hơn nữa, nước tiểu có tiềm năng như phân bón lỏng hoặc nguồn định dưỡng dé sản xuât sinh khôi vi tảo, mà sinh khôi vi tảo là một nguôn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học, làm giảm áp lực lên nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt.
Hiện nay, quá trình xử lý sinh học bằng vi khuẩn được ứng dụng nhiều tại hầu hết các trạm xử lý nước thải, quá trình này đòi hỏi tiêu tốn lượng oxy lớn. Việc cung cấp oxy cơ học rất tốn kém và có thể làm cho các chất độc bay hơi. Ngược lại, trong hệ thống cộng sinh vi tảo - vi khuẩn, vi tảo là vi sinh vật quang hop, chúng tạo ra oxy đáp ứng nhu cầu oxy của vi khuẩn. Đồng thời, vi tảo cũng sử dụng dinh dưỡng trong suốt quá trình tăng trưởng của chúng.
Vi khuẩn sử dụng nguồn oxy do vi tảo tạo ra và giải phóng COs, trong khi, CO, tạo ra từ quá trình oxy hóa di dưỡng được vi tảo sử dụng cho quá trình quang hợp. Bên cạnh đó, việc thu hoạch sinh khối vi tảo - vi khuẩn cũng dé dang do đặc tinh lắng trọng luc. Do đó, đây là một công nghệ xử lý nước thải giúp giảm chi phí vận hành do tiêu thụ năng lượng cơ học va thu hoạch tảo, là lựa chọn kinh tế và bên vững hơn. CHƯƠNG 2 TỎNG QUAN 2.
Thành phần của nước tiểu Nước tiểu người là chất thải lỏng của cơ thể con người tiết ra bởi thận qua quá trình lọc máu, được gọi là đi tiểu và bài tiết qua niệu đạo (Karak va Bhattacharyya, 2011). Mỗi người tạo ra 1-1,5 L nước tiểu mỗi ngày trong 4-5 lần (Wolgast, 1993) và một người trưởng thành bài tiết trung bình 500 L nước tiểu mỗi năm (Jönsson và cộng sự, 2004). Tuy nhiên, lượng nước tiểu của trẻ em chỉ khoảng một nửa của người lớn. Trong các hoạt động bài tiết của con người, nước tiêu chứa phan lớn nitrogen (N), phosphorus (P) va kali (K) tương ứng lần lượt là 88%, 67% và 73% trên tong lượng N, P va K bài tiết hăng ngày (nước tiêu và phân) (Kirchmann và Pettersson, 1995; Fittschen và Hahn, 1998; Schönning, 2001; Maurer và cộng sự, 2003).
Tuy nhiên, các thành phan này thay đổi từ người nảy sang người kia và từ khu vực nay sang khu vực khác, phụ thuộc vào thói quen ăn uống, lượng nước uống, các hoạt động thé chất, kích thước cơ thé và các yếu tổ môi trường (Sullivan va Grantham, 1982; Vinnerảs và Jönsson, 2002). Thành phần hóa học của nước tiểu được trình bày trong Bảng 2. Trong nước tiểu người, khoảng 75-90% N được bài tiết qua urea và phan còn lại là dưới dang creatinine, amino acid va acid uric (Lentner, 1981). Phan lớn lượng nitrogen này được hấp thu bởi thực vật va giống như phân urea hoặc ammonium với hiệu qua nitrogen khoảng 90% lượng phân bón khoáng (Jönsson va cộng sự, 2004).
Nong độ kim loại nặng trong nước tiểu của người cũng thấp hơn phân chuồng trại và có ít cadmium hơn phân bón nhân tạo, do đó, nước tiểu là phân bón sạch (Jönsson và cộng sự, 2005). Hơn nữa, nước tiểu bao gồm các nguyên tô vi lượng B, Cu, Zn, Mo, Fe, Co và Mn (Rodushkin và Odman, 2001). Mặc dù nước tiểu của người không hoàn toàn vô tring, vì chứa vi khuẩn đường ruột khác nhau và có thé dé dàng khử trùng bằng cách lưu trữ (Schénning và cộng sự, 2002) hoặc thêm nước tiểu vào đất có thé dé dang được chấp nhận (Heinonen-Tanski và van WijkSijbesma, 2005). Mặt khác, theo Höglund và cộng sự (2002), nước tiểu được coi là vô trùng, trừ khi lây nhiễm chéo xảy ra từ phân dẫn đến khả năng tổn tại của virus và có thê được sử dụng làm phân bón cây trông mà không cân xử lý thêm.
Đặc tính hóa học của nước tiểu người (Krak và Bhattacharyya, 2011) Thông số Giá trị pH 8,90-8.726 mg/L NH3-N 574-773 mg/L NO;-N 45 ug/L NO,-N 10-20 pg/L Urea 85% TN TP 200-210 mg/L 2. Tiềm năng sử dụng nước tiểu Việc tách nước tiểu tại nguồn tăng cường tính bền vững va hiệu qua quản lý nước thải khi nước tiểu chứa một lượng lớn tổng lượng nitrogen trong nước thải. Hon thế nữa, sự phân tách nước tiểu có thé cải thiện đáng ké chất lượng nước thải va sử dụng năng lượng tiết kiệm, cũng như chỉ phí đầu tư các nhà máy xử lý nước thải (Wilsenach và Van Loosdrecht, 2003). Thành phần N và P trong nước tiểu có thể được chuyển hóa vào trong kết tủa struvite, có công thức phan tử MgNH,4PO,.
Nước tiểu giàu nitrogen va phosphorus, có tiềm năng như phân bón lỏng hoặc như nguồn dinh dưỡng để sản xuất sinh khối vi tảo mà sinh khối tảo là một nguồn nguyên liệu tiém năng cho sản xuất hóa chất và nhiên liệu sinh học (Wijffels và cộng sự, 2010), mặc dù nuôi cay quy mô lớn chưa kha thi về mặt kinh tế. Việc sản xuất vi tảo để xử lý nước thải được xem là lựa chọn kinh tế và bền vững hơn (Yang và cộng sự, 2011). Chỉ một vài nghiên cứu ma trong đó nước tiêu người được sử dụng như môi trường nuôi cấy vi tảo. Mặc dù, nhiều nghiên cứu được thực hiện ở dạng mẻ va nước tiểu hay nước tiêu tông hợp với ty lệ pha loãng từ 50 đến hon 100 lan đã chứng minh rang vi tảo và cyanobacteria có thé phát triển và loại bỏ các chat dinh dưỡng từ nước tiêu (Adamsson, 2000; Dao-lun và Zu-cheng, 2006; Yang và cộng sự, 2008a, b; Chang và cộng sự, 2013).
Các nghiên cứu đã cho thay tinh kha thi dé sử dụng vi tao nham thu hồi dinh dưỡng từ các loại nước thải khác nhau (Cai và cộng sự, 2013). Tuy nhiên, chưa có quan điểm nào liên quan đến khả năng kết hợp nuôi cây vi tảo với xử lý nước tiểu đậm đặc. Từ đó cho thấy, nuôi cây mật độ cao đòi hỏi khả năng loại bỏ dinh dưỡng cao từ nước có nông độ cao như nước tiểu. Điều này chỉ có thé đạt được với các hệ thống bể có đường truyền ánh sáng ngắn để cung cấp ánh sáng hiệu quả đến tất cả các tế bào ở bên trong môi trường tảo.