Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước đô thị đang là vấn đề cấp bách tại nhiều thành phố lớn, đặc biệt ở Việt Nam với tốc độ đô thị hóa nhanh nhưng hệ thống xử lý nước thải chưa phát triển đồng bộ. Theo số liệu năm 2017, cả nước có 39 nhà máy xử lý nước thải tập trung với công suất thiết kế 907.000 m³/ngày đêm, tuy nhiên tại Hà Nội chỉ khoảng 20,62% lượng nước thải được xử lý, TP. Hồ Chí Minh chỉ đạt 13%. Nước thải đô thị chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng như nitơ (N) và phốtpho (P), gây ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn tiếp nhận như sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu. Việc xử lý nước thải hiệu quả không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn sinh khối vi tảo có giá trị kinh tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng loại bỏ các hợp chất nitơ và phốtpho trong nước thải đô thị quận Cầu Giấy (Hà Nội) bằng vi tảo đơn bào Chlorella sp. trên hệ phản ứng mở quy mô thử nghiệm 500 L. Mục tiêu cụ thể gồm: khảo sát đặc tính nước thải đô thị, đánh giá sự sinh trưởng và năng suất sinh khối của Chlorella sp. trong nước thải, đồng thời xác định hiệu quả loại bỏ N, P và các chỉ tiêu chất lượng nước sau xử lý theo quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải sinh học thân thiện môi trường, đồng thời khai thác tiềm năng sinh khối vi tảo phục vụ các ngành công nghiệp sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sinh trưởng vi tảo và cơ chế tiêu thụ chất ô nhiễm trong nước thải. Vi tảo Chlorella sp. là vi sinh vật quang hợp đơn bào, có khả năng hấp thu các hợp chất cacbon vô cơ, nitơ và phốtpho để phát triển sinh khối thông qua quá trình quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạp dưỡng. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ (25-35°C), pH (7-9), cường độ ánh sáng (khoảng 5000 lux) và tỷ lệ N/P trong nước thải ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh trưởng và hiệu quả xử lý. Mô hình cộng sinh giữa vi tảo và vi khuẩn trong nước thải giúp phân hủy chất hữu cơ phức tạp, tạo điều kiện cho vi tảo hấp thu dinh dưỡng và phát triển.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Quá trình quang hợp và chuyển hóa dinh dưỡng của vi tảo
  • Tác động của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH, ánh sáng) đến sinh trưởng vi tảo
  • Hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm (NH4+-N, PO43--P, COD) trong nước thải đô thị
  • Ứng dụng sinh khối vi tảo trong sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi, phân bón sinh học và mỹ phẩm

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước thải đô thị lấy tại điểm cuối cống thải quận Cầu Giấy, Hà Nội, đặc trưng bởi hàm lượng amoni (18,59-23,70 mg/L) và phốtpho (10,94-15,50 mg/L) vượt mức quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT. Vi tảo Chlorella sp. được phân lập từ hồ Ngọc Khánh, Hà Nội, nuôi cấy trong môi trường BG-11 và nước thải đô thị trên hệ thống phản ứng mở quy mô 50 L và 500 L.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Lấy mẫu nước thải theo TCVN 6663-3:2016, lọc loại bỏ tạp chất trước khi nuôi tảo
  • Đo mật độ tế bào vi tảo bằng kính hiển vi và quang phổ UV-Vis tại bước sóng 680 nm
  • Xác định hàm lượng chlorophyll-a và b theo phương pháp quang phổ
  • Phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước (NH4+, NO2-, NO3-, PO43-, COD) theo tiêu chuẩn TCVN và ISO
  • Đánh giá hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm qua công thức tính phần trăm giảm nồng độ
  • Thí nghiệm được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 5 năm 2019, với hai hệ thống song song để so sánh hiệu quả xử lý quy mô 50 L và 500 L

Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Ms Excel 2016, kết quả trình bày dưới dạng trung bình ± độ lệch chuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính nước thải đầu vào:
    Nước thải đô thị quận Cầu Giấy có pH dao động 7,12-8,30, BOD5 khoảng 50 mg/L, COD từ 157,24 đến 175,34 mg/L. Hàm lượng NH4+-N và PO43--P lần lượt vượt quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT từ 1,9-2,4 lần và 1,1-1,5 lần, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi tảo.

  2. Điều kiện môi trường trong thí nghiệm:
    Nhiệt độ duy trì trong khoảng 26-32,7°C, phù hợp với ngưỡng sinh trưởng tối ưu của Chlorella sp. (25-30°C). pH tăng lên đến 9,64-10,09 trong quá trình nuôi do sự tiêu thụ CO2 và cân bằng hóa học trong nước. Cường độ ánh sáng dao động từ 1.040 đến 59.050 lux, đảm bảo đủ năng lượng cho quang hợp.

  3. Sinh trưởng vi tảo và năng suất sinh khối:
    Trong hệ 50 L, mật độ tế bào tăng từ 929.000 lên 3 triệu tế bào/mL sau 10 ngày, mật độ quang OD680nm tăng từ 0,202 lên 0,6, sinh khối đạt khoảng 0,5 g/L. Trong hệ 500 L, mật độ tế bào đạt tương tự với sự ổn định cao hơn do khuấy trộn và ánh sáng phân bố đều.

  4. Hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm:

    • NH4+-N giảm từ 23,7 mg/L xuống còn 4,5 mg/L, đạt hiệu suất loại bỏ khoảng 81%.
    • PO43--P giảm từ 15,5 mg/L xuống 3,2 mg/L, hiệu suất loại bỏ đạt 79%.
    • COD giảm từ 175 mg/L xuống 41 mg/L, tương đương 76% loại bỏ.
      Các chỉ tiêu NO2- và NO3- có xu hướng tăng trong giai đoạn đầu do quá trình oxy hóa amoni, sau đó giảm dần khi vi tảo hấp thu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vi tảo Chlorella sp. có khả năng sinh trưởng tốt trong nước thải đô thị với điều kiện nhiệt độ, pH và ánh sáng phù hợp, đồng thời hiệu quả loại bỏ các chất dinh dưỡng N, P và COD cao, vượt trội so với nhiều nghiên cứu trước đây. Sự tăng pH trong quá trình nuôi giúp giảm mầm bệnh và tăng hiệu quả loại bỏ amoniac qua bay hơi. Mô hình hệ phản ứng mở quy mô 500 L cho thấy tính khả thi trong ứng dụng thực tế với năng suất sinh khối ổn định và hiệu quả xử lý cao hơn so với quy mô 50 L do điều kiện khuấy trộn và ánh sáng tối ưu hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến nồng độ NH4+, PO43-, COD theo thời gian, biểu đồ tăng trưởng mật độ tế bào và OD, cũng như bảng so sánh hiệu suất xử lý giữa hai quy mô thí nghiệm. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất loại bỏ N, P của nghiên cứu này tương đương hoặc cao hơn, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vi tảo Chlorella sp. trong xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô ứng dụng công nghệ nuôi vi tảo Chlorella sp. trong xử lý nước thải đô thị nhằm nâng cao tỷ lệ xử lý nước thải hiện tại, đặc biệt tại các khu vực có lưu lượng nước thải lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải.

  2. Tối ưu hóa điều kiện vận hành hệ thống nuôi tảo như kiểm soát pH, nhiệt độ, cường độ ánh sáng và khuấy trộn để tăng năng suất sinh khối và hiệu quả xử lý. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và nhà máy xử lý nước thải.

  3. Phát triển quy trình thu hoạch và sử dụng sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học và thức ăn chăn nuôi, góp phần tạo giá trị kinh tế và giảm chi phí vận hành. Thời gian: 1 năm; chủ thể: doanh nghiệp công nghệ sinh học và nông nghiệp.

  4. Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư công nghệ xử lý nước thải sinh học bằng vi tảo nhằm thúc đẩy áp dụng rộng rãi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn. Thời gian: 1-3 năm; chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Khoa học và Công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực tiễn và giải pháp công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, hỗ trợ hoạch định chính sách và quy hoạch hệ thống xử lý nước thải.

  2. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành môi trường, sinh học: Tài liệu tham khảo về phương pháp nuôi cấy vi tảo, phân tích chất lượng nước và ứng dụng sinh học trong xử lý ô nhiễm.

  3. Doanh nghiệp xử lý nước thải và công nghệ sinh học: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm sinh khối vi tảo, tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải và khai thác giá trị kinh tế từ sinh khối.

  4. Ngành nông nghiệp và công nghiệp sinh học: Tham khảo ứng dụng sinh khối vi tảo làm phân bón sinh học, thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, mỹ phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi tảo Chlorella sp. có thể xử lý được những loại nước thải nào?
    Chlorella sp. thích hợp xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải chăn nuôi và một số loại nước thải công nghiệp như dệt nhuộm, chế biến thực phẩm nhờ khả năng hấp thu hiệu quả các chất dinh dưỡng N, P và COD.

  2. Điều kiện môi trường nào ảnh hưởng lớn nhất đến sự sinh trưởng của vi tảo?
    Nhiệt độ từ 25-35°C, pH từ 7-9 và cường độ ánh sáng khoảng 5000 lux là các yếu tố quan trọng giúp vi tảo phát triển tối ưu, đồng thời ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm.

  3. Hiệu suất loại bỏ nitơ và phốtpho của vi tảo trong nghiên cứu này đạt bao nhiêu?
    Hiệu suất loại bỏ NH4+-N đạt khoảng 81%, PO43--P đạt 79%, COD giảm 76% sau 10-14 ngày nuôi cấy trong hệ phản ứng mở quy mô 500 L.

  4. Sinh khối vi tảo thu được có thể sử dụng vào mục đích gì?
    Sinh khối vi tảo giàu protein, lipid và các hợp chất sinh học có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi, phân bón sinh học, mỹ phẩm và dược phẩm.

  5. Công nghệ nuôi vi tảo có thể áp dụng rộng rãi tại Việt Nam không?
    Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, nguồn nước thải đô thị dồi dào và nhu cầu xử lý nước thải ngày càng tăng, công nghệ nuôi vi tảo Chlorella sp. có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt khi được tối ưu hóa về quy mô và điều kiện vận hành.

Kết luận

  • Vi tảo Chlorella sp. phát triển tốt trong nước thải đô thị quận Cầu Giấy với điều kiện nhiệt độ 26-32°C, pH 7,1-10,1 và cường độ ánh sáng 1.000-59.000 lux.
  • Hiệu suất loại bỏ NH4+-N, PO43--P và COD đạt lần lượt 81%, 79% và 76% trên hệ phản ứng mở quy mô 500 L.
  • Sinh khối vi tảo thu được có giá trị dinh dưỡng cao, mở ra hướng phát triển sản phẩm sinh học đa dạng.
  • Công nghệ nuôi vi tảo xử lý nước thải phù hợp với điều kiện thực tế tại các đô thị Việt Nam, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển kinh tế tuần hoàn.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô lớn hơn, tối ưu hóa điều kiện vận hành và phát triển chuỗi giá trị sinh khối vi tảo trong 1-3 năm tới.

Khuyến khích các cơ quan quản lý và doanh nghiệp đầu tư nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nuôi vi tảo trong xử lý nước thải đô thị để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.